CN110087169A - 一种定向声波驱散器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向声波驱散器，包括控制器和发声器，其中，控制器包括功放模块，功放模块为单级功率放大器，用于对音频信号进行功率放大；控制器还包括信号处理模块，与功放模块的输入端连接，用于处理音频信号；发声器包括：高音头和多折号筒，高音头与功放模块的输出端连接。采用单级功率放大模块对音频信号进行功率放大，能够有效消除交越失真，提高输出效率；并且采用多折号筒进行声音信号输出，更高效地辐射声波，降低声信号非线性失真。

Description

一种定向声波驱散器

技术领域

本发明涉及声波技术领域，具体涉及一种定向声波驱散器。

背景技术

强声驱散器利用高声压级换能实现高强度声波的远距离定向传播，通过高强度噪声刺激人的听觉器官和中枢神经，使其失能或逃离，达到拒止驱散大片人群的目的，同时不产生永久伤害的目的，还可对人群进行远距离广播、宣传、示警等。强声驱散器具有传输距离远，失真度低的特点。用户可以播放内部预制好的音源或者通过切换按钮，播放外部的音源文件，通过喊话器进行现场喊话。

目前的声波驱散器在远距离声波传输方面仍有不足之处。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种定向声波驱散器，以解决现有技术中的声波驱散器在远距离声波传输方面仍有不足之处的问题。

本发明实施例提供了一种定向声波驱散器，包括：控制器和发声器，其中，

控制器包括功放模块，功放模块为单级功率放大器，用于对音频信号进行功率放大；

控制器还包括信号处理模块，与功放模块的输入端连接，用于处理音频信号；

发声器包括：高音头和多折号筒，高音头与功放模块的输出端连接。

可选的，多折号筒为三折号筒；

三折号筒的喉管处设置柱面波波形转换器。

可选的，信号处理模块还包括：

滤波放大单元，其输入端与音频模块的输出端连接，用于对滤除预设频率范围外的音频信号，还用于对音频信号进行音量放大；

限幅单元，与滤波放大单元的输出端连接，用于限制音频信号的输出音量不高于阈值。

可选的，信号处理模块还包括：

电源转换单元，与直流电源连接，用于转换并输出滤波放大单元和限幅单元所需的电压和/或电流；

ARM处理器，与限幅单元、高音头和滤波放大单元分别连接，用于检测限幅单元、高音头和滤波放大单元的功率、温度和/或开关状态，还用于控制限幅单元和高音头的使能；

复位单元，其输入端与电源转换单元连接，其输出端与限幅单元和ARM处理器连接，用于对限幅单元和/或ARM处理器进行复位。

可选的，三折号筒的号筒喉口截面积小于振膜面积。

可选的，振膜的负载声阻抗与振膜的力阻抗相近。

可选的，三折号筒为指数号筒。

可选的，高音头为同轴双音膜双线圈结构；

永磁体镶嵌入磁钢，为钕铁硼磁。

可选的，多折号筒的壳体为铝合金材质；

多折号筒的壳体内部采用加强筋；

多折号筒的传导散热和风冷散热，其中，控制器分立元件部位填涂导热硅脂，发声器与多折号筒的接触面填充导热硅脂，多折号筒的壳体两侧设有防水轴流风机。

可选的，滤波放大单元包括滤波单元，其中：

滤波单元的过滤范围为350Hz~9000Hz以外的音频信号。

本发明实施例的有益效果如下：

1、采用单级功率放大模块对音频信号进行功率放大，能够有效消除交越失真，提高输出效率；并且采用多折号筒进行声音信号输出，更高效地辐射声波，降低声信号非线性失真。

2、通过设置ARM处理器，可以实时监控高音头的通断，监测功放的工作状态，以及切换内部和外部音源。

3、采用指数号筒，优化号筒口部辐射性能。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中的一种定向声波驱散器的结构图；

图2为本发明实施例中的一种单级功率放大器的电路简图；

图3为本发明实施例中的一种三折号筒的结构示意图；

图4为本发明实施例中的一种发声单元结构示意图；

图5为本发明实施例中的一种定向声波驱散器的截面图；

图6为本发明实施例中的一种控制器的组成图；

图7为本发明实施例中另一种定向声波驱散器的结构图；

41-喉口；42-振膜；43-永磁体；44-音圈；51-号筒；52-外罩；53-安装板；54-后壳体；55-风扇；56-风扇罩；57-安装支架；58-发声单元；61-控制器壳体；62-电源支架；63-电源；64-功率放大模块；65-风扇罩板；66-风扇；67-固定板；68-信号控制模块；69-底板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种定向声波驱散器，如图1所示，包括控制器100和发声器200，其中，控制器100包括功放模块110，功放模块110为单级功率放大器111，用于对音频信号进行功率放大；控制器100还包括信号处理模块120，与功放模块110的输入端连接，用于处理音频信号；发声器200包括：高音头210和多折号筒220，高音头210与功放模块110的输出端连接。

在本实施例中，功放模块采用了单级功率放大器，如图2所示，信号处理模块120对音频信号进行预处理：滤除预设频率范围外的音频信号，对滤波过后的音频信号进行调幅，放大音频声调。经过预处理的音频信号接入单级功率放大器111，直流电源3对DA转换模块进行供电，直流输入转换为交流输出，再经过变压器升压，获得高电压音频信号。

由于高音头主要由电振系统（振膜、音圈、支架）、磁路系统以及盆架等各种辅助零件组成，而电振系统在工作过程中，线圈中通过交变电流时会产生自感电动势，传统功放系统在设计中，这部分自感电动势会通过扬声器线圈消耗掉，这样会使音圈发热而损坏，在本实施例中，由双向储能模块对这部分自感电动势进行回收利用：通过简单调制，这些能量被用来快速消除下一循环过程中的自感电动势。

升压后的音频信号为交流信号，采用软开关技术，将其转换为直流信号，在本实施例中，采用两个并联的高速双相开关实现AD转换。

本实施例中还设置了相位调制器，分别与DA转换模块、双向储能模块和高速双相开关连接，分别控制调节DA转换模块、双向储能模块和高速双相开关的相位。

升压后的直流音频信号接到发声器200的高音头210输入端，电信号转化为声信号。

作为可选的实施方式，多折号筒220为三折号筒；三折号筒的喉管处设置柱面波波形转换器。

多折号筒的结构如图3所示，声音传播如图中箭头所示。相比传统的球面波号筒，传输效率大幅提升，并且便于携带、运输、安装和使用。发声单元的振膜推动空气发出声音，但振膜的辐射阻抗远小于振膜振动系统的力阻抗，因此阻抗不匹配导致振膜直接发声的辐射效率很低。根据振膜的面积、辐射阻抗数值等参数涉及指数型号筒，将振膜振动系统的力阻抗和辐射阻抗进行匹配能够极大的增强强声驱散器的声辐射能力。同时，根据振膜的频响特性设计指数号筒的蜿蜒指数及分段方式，可以优化整个系统的频响特性，将频响曲线在目标频段调整为平直状态。

本发明实施例中，采用单级功率放大模块对音频信号进行功率放大，能够有效消除交越失真，提高输出效率；并且采用多折号筒进行声音信号输出，更高效地辐射声波，降低声信号非线性失真。

作为可选的实施方式，信号处理模块120还包括：滤波放大单元121，其输入端与音频模块的输出端连接，用于对滤除预设频率范围外的音频信号，还用于对音频信号进行音量放大；限幅单元122，与滤波放大单元121的输出端连接，用于限制音频信号的输出音量不高于阈值。

在本实施例中，滤波放大单元121包括低通滤波器和调幅器，低通滤波器用于滤除350Hz~9000Hz以外的音频信号，调幅器用于对音频信号的幅度进行放大，以调节输出声调大小。限幅单元122采用DSP最小系统，将调幅后的音频信号幅度限制在一定范围内，避免超过高音头输出范围，以此保护高音头。

作为可选的实施方式，信号处理模块120还包括：电源转换单元123，与直流电源3连接，用于转换并输出滤波放大单元121和限幅单元122所需的电压和/或电流；ARM处理器124，与限幅单元122、高音头210和滤波放大单元121分别连接，用于检测限幅单元122、高音头210和滤波放大单元121的功率、温度和/或开关状态，还用于控制限幅单元122和高音头210的使能；复位单元125，其输入端与电源转换单元123连接，其输出端与限幅单元122和ARM处理器124连接，用于对限幅单元122和/或ARM处理器124进行复位。

在本实施例中，在各主要芯片、模块处设置温度传感器，ARM处理器的作用：1、实时监控高音头的通断；2、监测功放的工作状态；3、切换内部和外部音源。ARM处理器在监测到任意模块过温或过载，则发出报警，并执行中断和/或复位操作。4、控制调幅器的调节幅度。具体地，控制器部分还设置了存储器，ARM处理器可以调取存储器中的音频文件进行播放，也可以控制播放外接音源。

作为可选的实施方式，三折号筒的号筒喉口截面积小于振膜面积。

直接向空间辐射声压级存在着辐射阻抗突变带来的声辐射能力较低的问题，在本实施例中，发声单元喉口截面积较小，通过声学号筒将喉口与无限大空间进行辐射阻抗匹配可以有效提升辐射效率，提高辐射声强。同时，声学号筒口可以等效为一个较大面积的辐射活塞，根据辐射活塞面积越大指向性越好的声学原理可以有效提高辐射声的指向性。

作为可选的实施方式，振膜的负载声阻抗与振膜的力阻抗相近。

作为可选的实施方式，三折号筒为指数号筒。

在本实施例中，三折号筒的横截面积依指数规律变化，优化号筒口部辐射性能。

作为可选的实施方式，高音头为同轴双音膜双线圈结构；永磁体镶嵌入磁钢，为钕铁硼磁。

在本实施例中，如图4所示，高音头包括双振膜42和双音圈44，永磁体43为钕铁硼磁，镶嵌入磁钢。

作为可选的实施方式，高音驱动器应保证在设备工作频率范围（380～6kHz）之内的频率响应特性趋于一致，驱动器为同轴双音膜双线圈结构，具有较高的单元灵敏度和安全性。永磁体选用高磁通耐高温钕铁硼磁，镶嵌入磁钢，两个线圈推动膜片压缩气腔内部空气，经整流和调相后从单元喉部向外辐射声波。

图5示出了本发明实施例中的一种定向声波驱散器的截面图。多折号筒的壳体为铝合金材质；多折号筒的壳体内部采用加强筋；多折号筒的传导散热和风冷散热，其中，控制器分立元件部位填涂导热硅脂，发声器与多折号筒的接触面填充导热硅脂，多折号筒的壳体两侧设有风扇66，如图6所示控制器中的防水轴流风机。

图7示出了本发明实施例中另一种定向声波驱散器的结构图。

声波驱散器的最大声压级（SPL）计算公式为：

SPL=声波驱散器灵敏度（1W/m）+10log声波驱散器的额定输出功率；

距声波驱散器某米处的最大声压级（SPL）=声波驱散器最大声压级（dB）-20log距离（m）；

距声波驱散器某米处的最大声压级（SPL）=声波驱散器的灵敏度（1W/m）+10log声波驱散器的额定输出功率-20log距离（m）；

声波驱散器的额定输出功率=10^{[距声波驱散器某米处的最大声压级（SPL）-声波驱散器的灵敏度（1W/m）+20log距离（m）]/10}。

在本实施例中，号筒的参数如下：声波发散角水平方向小于等于40°，垂直方向小于等于30°；灵敏度为113dB/m/W；最大声压级为：1米处峰值大于等于150dB，100米处峰值大于等于110dB；语言可懂度为大于等于90%（100米处）；功耗小于等于500W；防护等级为IP65；使用温度-40°C~55°C。淋雨满足GJB150.8A-2009相关要求；振动满足GJB150.16A-2009相关要求；冲击满足GJB150.18A-2009相关要求。

作为可选的实施方式，滤波放大单元包括滤波单元，其中：滤波单元的过滤范围为350Hz~9000Hz以外的音频信号。

在具体实施例中，强声壳体采用高强度铝合金材质，壳体内部采用加强筋设计，减轻壳体重量并确保结构强度，前网板采用不锈钢材质，确保防护强度。核心模块的安装、散热结构采用铝合金材质，散热方式采用传导加风冷方式，保障发声单元的安装强度和散热需求。

1、力学设计：

1.1、印制板的抗振动冲击设计

提高固定安装电路板机械零件的刚性及安装平面的平面度，减少印制板的变形。印制电路板与壳体之间通过加固散热器压板、导向支柱连接固定，对印制板中体积、质量大的受振、易损元件用（704硅胶）硅胶粘胶辅助减震处理；

1.2、壳体的抗振动冲击设计

壳体主要采用铝镁合金结构，结构重心位于壳体几何中心，设备连接处用不锈钢螺钉加螺纹胶连接紧固。

2、防水防腐蚀设计

设备封盖内表面设计密封圈凹槽，外部连接器选用有防水垫圈的产品，并以密封胶灌封，保护内部电子器件与线路不受水份浸入导致短路风险，保证设备的防水等级；电路板进行三防处理。在设计上，铝件采用了氧化和喷漆防护，紧固件采用不锈钢材质，可满足于目前的环境要求。

3、热设计

进行热分析和仿真，通过合理的电路布局，保证功率元件的散热条件满足工作温度范围要求；电源等功率分立元件的散热部位填涂导热硅脂，发声单元与结构接触面填充导热硅脂，增加热传递能力。壳体多个侧面设有散热片，两侧有防水轴流风机强迫风冷，确保热量快速交换到空气中。

发声器具体安装方式：

（1）将发声单元安装在固定板，号筒安装在固定板另一端，通过4颗M6螺钉固定，发声单元与固定板之间涂导热硅脂。

（2）将风机装入后壳体左右侧，穿线孔打胶防水。分别通过4壳M4螺钉将风扇和风扇罩与后壳体固定。

（3）将固定板装入后机壳，发声单元与后机壳之间涂导热硅脂，通过4壳M4螺钉固定发声单元，固定板安装密封圈，后壳体和固定板之间通过10颗M4螺钉固定锁紧。

（4）将前罩与固定板通过14颗M3螺钉固定。

（5）将上下支架装入后壳体，通过8颗M5螺钉固定。

控制器具体安装方式：

（1）通过4颗M3的螺钉将电源模块安装的电源支架，通过4颗M4螺钉将支架放大器壳体连接固定，接入输入电缆。

（2）安装2个风扇模块，通过8颗M2.5螺钉与风扇罩固定在控制器壳体上，穿线孔涂硅橡胶，用4颗M2.5螺钉将风扇罩板与控制器壳体固定。

（3）功率放大模块安装在控制器壳体内，主功率芯片涂导热硅脂，放大器壳体有效连接。通过2颗M3螺钉和4壳不锈钢阴阳柱固定；接入供电电缆和音频输入线缆。

（4）转入信号模块固定板，通过4颗M3螺钉固定，将信号模块安装在固定板上，通过4颗M3螺钉固定。接入音源输入和输出线缆接头。

（5）放大器底盖装入防水胶条，通过6颗M4螺钉固定。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种定向声波驱散器，其特征在于，包括：控制器（100）和发声器（200），其中，

所述控制器（100）包括功放模块（110），所述功放模块（110）为单级功率放大器（111），用于对音频信号进行功率放大；

所述控制器（100）还包括信号处理模块（120），与所述功放模块（110）的输入端连接，用于处理音频信号；

所述发声器（200）包括：高音头（210）和多折号筒（220），所述高音头（210）与所述功放模块（110）的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述多折号筒（220）为三折号筒；

所述三折号筒的喉管处设置柱面波波形转换器。

3.根据权利要求1所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述信号处理模块（120）还包括：

滤波放大单元（121），其输入端与音频模块的输出端连接，用于对滤除预设频率范围外的所述音频信号，还用于对所述音频信号进行音量放大；

限幅单元（122），与所述滤波放大单元的输出端连接，用于限制所述音频信号的输出音量不高于阈值。

4.根据权利要求3所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述信号处理模块（120）还包括：

电源转换单元（123），与直流电源（3）连接，用于转换并输出所述滤波放大单元（121）和所述限幅单元（122）所需的电压和/或电流；

ARM处理器（124），与所述限幅单元（122）、所述高音头（210）和所述滤波放大单元（121）分别连接，用于检测所述限幅单元（122）、所述高音头（210）和所述滤波放大单元（121）的功率、温度和/或开关状态，还用于控制所述限幅单元（122）和所述高音头的使能；

复位单元（125），其输入端与所述电源转换单元（123）连接，其输出端与所述限幅单元（122）和所述ARM处理器（124）连接，用于对所述限幅单元（122）和/或所述ARM处理器（124）进行复位。

5.根据权利要求2所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述三折号筒的号筒喉口截面积小于振膜面积。

6.根据权利要求5所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述振膜的负载声阻抗与所述振膜的力阻抗相近。

7.根据权利要求2所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述三折号筒为指数号筒。

8.根据权利要求1所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述高音头为同轴双音膜双线圈结构；

永磁体镶嵌入磁钢，为钕铁硼磁。

9.根据权利要求1所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述多折号筒的壳体为铝合金材质；

所述多折号筒的壳体内部采用加强筋；

所述多折号筒的传导散热和风冷散热，其中，所述控制器分立元件部位填涂导热硅脂，所述发声器与所述多折号筒的接触面填充导热硅脂，所述多折号筒的壳体两侧设有防水轴流风机。

10.根据权利要求4所述的定向声波驱散器，其特征在于，所述滤波放大单元包括滤波单元，其中：

所述滤波单元的过滤范围为350Hz~9000Hz以外的音频信号。