CN109275083B

CN109275083B - 一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列

Info

Publication number: CN109275083B
Application number: CN201811080353.1A
Authority: CN
Inventors: 冯雪磊; 魏柠阳; 葛锡云; 张崇丙; 周宏坤
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2038-09-17
Also published as: CN109275083A

Abstract

本发明公开了一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，涉及声辐射与声重放领域，包括N个按照圆弧形等间距排列的电声换能器，各个电声换能器分别辐射满足预定规律的不同幅度的声压；根据所需定制的指向性，按照采样重构方法确定电声换能器发射阵列中按序排列的电声换能器的声压幅度比例系数。解决了不能实现特定的指向性以及指向性较为有限的问题，辐射声场在宽频带的工作频率范围内具有可定制的指向性，可以按照需求灵活调整，并且指向性不随频率变化。

Description

一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列

技术领域

本发明涉及声辐射与声重放领域，尤其是一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列。

背景技术

在扩声设计、宽频带声学发射阵列设计等领域通常需要向特定区域辐射声能，使得区域内具有较为均一的声压级分布，这就要求辐射声场具有预先设定的指向性特性，并且在宽频带范围内不随频率变化，保证各个位置的频率响应保持一致。为了实现上述特性，可以将多个电声换能器按照一定的规律组合，组成电声换能器发射阵列。随着微型机电技术(MEMS)的发展，电声换能器逐步实现微型化，其成本也越来越低，这使得由大量电声换能器密集排列组成的阵列成为可能。

直接将多个电声换能器组合起来组成的电声换能器发射阵列通常不能满足要求，这是因为阵列的自然指向性与所需的指向性通常并不相同，并且阵列的自然指向性会随着频率剧烈变化。为了实现在宽频带范围内的指向性不随频率变化的恒指向性声源，人们提出了很多解决办法，但是目前的方案有些只能实现无指向性或者宽覆盖指向性，不能实现特定的指向性特性，有的在由完全相同的换能器组成的阵列上，采用简单的不随频率变化的加权函数，实现宽频带恒定波束宽度的指向性，然而这些方法所能实现的指向性较为有限，即只能实现具有一个主瓣的指向性，不能根据需求定制指向性。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列。

本发明的技术方案如下：

一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，包括N个按照圆弧形等间距排列的电声换能器，各个所述电声换能器分别辐射满足预定规律的不同幅度的声压；N为大于或等于4的整数；

所述电声换能器发射阵列中按序排列的电声换能器的声压幅度比例系数为x₀、x₁、x₂、…、x_n、…、x_N-1，圆弧形阵列的圆心角设定为Θ，第n个所述电声换能器对应的方向角为θ_n，设定发射阵列中心对应的方向角为0，则有θ_n＝n×Θ/(N-1)-Θ/2；设定所需定制的指向性为D(θ)，对D(θ)进行等间距采样或不等间距采样，得到D(θ_m)，m＝1、2、3…M，其中采样点θ_m落在电声换能器对应的方向角θ_n上，取x_n＝A₁(θ_n)+A₂(θ_n)+...+A_m(θ_n)+...+A_M(θ_n)，其中，

为采样重构函数，主瓣半宽度

取相邻采样点θ_m的间距，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。

其进一步的技术方案为：所述声压幅度比例系数具有预定容差。

其进一步的技术方案为：所述预定容差在±10％以内。

其进一步的技术方案为：所述宽频带恒指向性电声换能器发射阵列包括信号源、N个通道独立的放大器和N个相同的电声换能器；所述信号源分别与N个所述放大器相连，每个所述放大器连接一个所述电声换能器；各个所述放大器的增益按照所述声压幅度比例系数设定。

其进一步的技术方案为：所述宽频带恒指向性电声换能器发射阵列包括信号源、统一的放大器和N个灵敏度不同的电声换能器；所述信号源与所述放大器相连，所述放大器分别与N个所述电声换能器相连；各个所述电声换能器的灵敏度按照所述声压幅度比例系数设定。

本发明的有益技术效果是：

1、指向性可以按需定制，且在宽频带工作范围内保持一致，指向性的定制方式与信号处理中的采样重构算法相同，已有成熟理论；

2、本发明在构建阵列时保留sinc函数加权阵列的旁瓣，使得指向性在工作频率范围内的一致性高于由多个子阵(仅保留sinc函数主瓣)组成的阵列；

3、更低的低频截止频率，本发明由sinc函数加权恒指向性阵列拓展而来，研究表明这一阵列相对于其他函数加权恒指向性阵列具有更低的低频截止频率，因而具有更宽的工作带宽；

4、基于恒指向性阵列，因而具有恒指向性阵列的各项优点，如均匀的声辐射阻抗、较小的远近场差异等。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列的示例图。

图2是本发明实施例提供的另一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列的示例图。

图3是本发明实施例提供的一种声压幅度比例系数的取值与sinc重构函数之间的关系图。

图4是本发明实施例提供的一种阵列的指向性的示意图。

图5是本发明实施例提供的一种阵列的三维指向性的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

为了使电声换能器能够辐射满足一定规律的不同幅度的声压，且实现电声换能器发射阵列在宽频带工作频率范围内具有几乎不随频率变化的指向性，并且该指向性可以根据需求灵活定制，本发明实施例提供了一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，结合参考图1或图2，该发射阵列包括N个按照圆弧形等间距排列的电声换能器，N为大于或等于4的整数，各个电声换能器分别辐射满足预定规律的不同幅度的声压。

对于N个按序排列的电声换能器，从一端开始依序编号为0、1、2、…、n、…、N-1，则第n个电声换能器的声压幅度比例系数为x_n。由于N个电声换能器按照圆弧形等间距排列，圆弧形的圆心角(也称作阵列开角)设定为Θ，第n个所述电声换能器对应的方向角为θ_n，通常假定阵列中心对应的方向角为0，则有θ_n＝n×Θ/(N-1)-Θ/2。

设定所需定制的指向性为D(θ)，阵列指向性的开角也是Θ，超出开角的部分受到很大衰减，因此指向性的有效部分限制在开角Θ内。本发明实施例的核心在于x_n的取值，参照信号处理中的采样重构原理，对所需定制的指向性采样，然后以采样值为主瓣幅度，将多个sinc函数叠加起来作为x_n的取值，如图3所示，其示出了声压幅度比例系数为x_n的取值方式，以N＝91、M＝5为例，其中灰色细线为各个sinc重构函数，黑色出现为最终x_n的取值。

对于发射阵列的各个电声换能器的声压幅度比例系数，具体的采样重构方法为：对D(θ)进行等间距采样或不等间距采样，得到采样值D(θ_m)，m＝1、2、3…M，其中采样点θ_m落在电声换能器对应的方向角θ_n上。取x_n＝A₁(θ_n)+A₂(θ_n)+...+A_m(θ_n)+...+A_M(θ_n)，其中，

为采样重构函数，主瓣半宽度

通常取相邻采样点θ_m的间距，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。

一般情况下，对D(θ)的采样为等间距采样，则有θ_m＝m×Θ/(M+1)-Θ/2，

可选的，声压幅度比例系数具有预定容差。

可选的，预定容差在±10％以内，即x_n±10％。

可选的，一般将声压幅度比例系数相对于其中的最大值进行归一化，即所有的声压幅度比例系数均除以其中的最大值。

对于各个电声换能器分别辐射满足预定规律的不同幅度的声压，可以有两种实现方式：

在一种可能的实现方式中，将幅度不同的信号馈给按圆弧形排列的若干个相同的电声换能器，使各个电声换能器辐射满足预定规律的不同幅度声压，即宽频带恒指向性电声换能器发射阵列包括信号源、N个通道独立的放大器和N个相同的电声换能器，信号源分别与N个放大器相连，每个放大器连接一个电声换能器；各个放大器的增益按照声压幅度比例系数设定。结合参考图1，其示例性地示出了一个信号源、9个放大器和9个电声换能器，信号源输出电信号，经放大器放大后馈给各个电声换能器，通过设定各个放大器的增益，将幅度不同的信号亏给相同的电声换能器，其中放大器的增益为固定增益，一旦设定无需随频率或时间改变。使用独立通道的功放电路，各个通道预先设定声压幅度比例系数。

在另一种可能的实现方式中，将幅度相同的信号馈给经过设计的具有不同灵敏度的电声换能器，使各个电声换能器辐射满足预定规律的不同幅度声压，即宽频带恒指向性电声换能器发射阵列包括信号源、统一的放大器和N个灵敏度不同的电声换能器；信号源与放大器相连，放大器分别与N个电声换能器相连；各个电声换能器的灵敏度按照声压幅度比例系数设定。结合参考图2，其示例性的示出了一个信号源、一个放大器和9个电声换能器，信号源输出电信号，经放大器放大后，将相同的信号馈给经过设计的具有不同灵敏度的电声换能器，使得电声换能器辐射幅度不同的声压。

为了确定本发明实施例中发射阵列的各个电声换能器的声压幅度比例系数，可以按照下述步骤实现：

第一步，确定所需的指向性D(θ)，对其进行采样，得到采样值D(θ_m)，并确定用于重构的sinc函数的主瓣半宽度

根据采样重构理论，由于采用有限个sinc函数重构，重构的指向性与原指向性有所差异，因此结合这一点调整D(θ_m)。

第二步，由于阵列开角与指向性开角相同，根据所需的指向性开角，确定阵列的开角。

第三步，确定阵列尺寸和低频截止频率，根据设计公式kL＝2.5π(其中k为低频截止频率对应的波数，即k＝2πf/c，f为频率，c为声速，L为重构的sinc函数的主瓣半宽度

的最小值对应的阵列弧长)及实际需求确定。

第四步，确定阵元数量和高频截止频率，根据公式λ＝0.85×(M+1)L/(N-1)及实际需求确定，其中λ为波长，即λ＝c/f。

图4为本发明实施例中提供的一个阵列的指向性，其中灰色细线为从2kHz到20kHz各个频率的指向性，相邻频率间隔为250Hz，图5为本发明实施例中提供的一个阵列的三维指向性。根据上面四个步骤得到的阵列具体参数为：阵列开角120°，以20°为间距等间距采样得到5个采样点，对应的5个采样值为0dB、-3dB、-6dB、-9dB、-12dB。阵列弧长为1.26m，低频截止频率2kHz，高频截止频率20kHz，阵元为91个微型电声换能器。在由低频截止频率和高频截止频率确定的工作频率范围内，指向性具有较好的一致性，且能实现所需的指向性。

综上所述，本发明实施例中提供的宽频带恒指向性电声换能器发射阵列中各个电声换能器辐射声压的幅度不同，根据所需的指向性和电声换能器的数量，选取不同的声压辐度比例系数。在实际应用中的某些情况下，可能会出现声压幅度比例系数为负数，表示该电声换能器需要馈给相位相反的信号，此时需要将电声换能器的正负极反接。

需要说明的是，本发明实施例中的指向性是指发射阵列所在平面的指向性，方向角是指发射阵列所在平面的方向角。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，其特征在于，包括N个按照圆弧形等间距排列的电声换能器，各个所述电声换能器分别辐射满足预定规律的不同幅度的声压；N为大于或等于4的整数；

所述电声换能器发射阵列中按序排列的电声换能器的声压幅度比例系数为x₀、x₁、x₂、…、x_n、…、x_N-1，圆弧形阵列的圆心角设定为Θ，第n个所述电声换能器对应的方向角为θ_n，设定发射阵列中心对应的方向角为0，则有θ_n＝n×Θ/(N-1)-Θ/2；设定所需定制的指向性为D(θ)，对D(θ)进行等间距采样或不等间距采样，得到D(θ_m)，m＝1、2、3…M，其中采样点θ_m落在电声换能器对应的方向角θ_n上，取x_n＝A₁(θ_n)+A₂(θ_n)+...+A_m(θ_n)+...+A_M(θ_n)，根据所需的指向性和电声换能器的数量选取不同的声压幅度比例系数，其中，

为采样重构函数，主瓣半宽度

取相邻采样点θ_m的间距，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。

2.根据权利要求1所述的宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，其特征在于，所述声压幅度比例系数具有预定容差。

3.根据权利要求2所述的宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，其特征在于，所述预定容差在±10％以内。

4.根据权利要求1至3任一所述的宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，其特征在于，所述宽频带恒指向性电声换能器发射阵列包括信号源、N个通道独立的放大器和N个相同的电声换能器；所述信号源分别与N个所述放大器相连，每个所述放大器连接一个所述电声换能器；各个所述放大器的增益按照所述声压幅度比例系数设定。

5.根据权利要求1至3任一所述的宽频带恒指向性电声换能器发射阵列，其特征在于，所述宽频带恒指向性电声换能器发射阵列包括信号源、统一的放大器和N个灵敏度不同的电声换能器；所述信号源与所述放大器相连，所述放大器分别与N个所述电声换能器相连；各个所述电声换能器的灵敏度按照所述声压幅度比例系数设定。