CN110138458B - 一种声波远程定向聚束发射实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波远程定向聚束发射实现方法，属于声波的定向与聚束技术领域。为了实现声波的定向发射，需要设计信号调制，再利用功率放大器并对声波进行聚束以及超声波换能器，其结合空气无法忽略的非线性效力，降低声源的频率。本发明利用高声压级换能器阵列实现高强度声波的远距离定向传播，通过高强度噪声刺激，对具有潜在威胁的鸟禽、人群、车辆、船舶等进行喊话、警示和驱离。

Description

一种声波远程定向聚束发射实现方法

技术领域

本发明涉及声波的定向与聚束技术领域，尤其涉及一种声波远程定向聚束发射实现方法。

背景技术

声波具有一般波动所共有的特征，也能产生发射、折射、衍射、干涉现象。从理论上讲，声波通常以声源为中心向四周传播，但实际上，声波在各个方向上的声压分布并不完全相同，其传播具有方向性。有强指向性的声源，发出的声波会以“波束”的形式传播。声源的辐射面积越大，其波束宽度越窄，指向性越强，当声源的有效面积远大于要传播声波的波长时，大部分声波会聚集在一个很窄的范围内。但是对于人耳可听的声波，要形成这一的波束，即使采用最短的波长也需要十米大小的扬声器。

声源的辐射面结构可以改变声波的传播方向，不同的传播形式，其声波的声压和波束形状受距离的影响时不同的。与声源指向性密切相关的另一个因素就是所传播声源的频率，频率越高，声波的发射角越小，指向性就越强。通过提高声源的频率，把声波的波长变得更小，可以获得良好的指向性，如超声波。但传播超声波等频率高声源，人耳又听不到，不具有实际应用价值。基于以上特性，我们提供一种声波远程定向聚束发射实现方法，以解决传统扬声器很难实现高指向性的缺点。

发明内容

针对现有技术的需求，提供一种声波远程定向聚束发射实现方法。

声音定向发射装置和扬声器有很大的区别，扬声器是向各个方向进行传播，没有固定的指向性，我们无论站在那个方位，都可以听清扬声器发出的声音，并且可以清楚的辨别出我们扬声器的位置。声音最大的地方就是喇叭口，随着距离的增加，音量下降很快，所以随距离平方成反比关系。声波定向发射具有很强的指向性，只要听者进入到指定的区域或反射的区域才能够听到声音。如果声波定向发射不是正对着工作者的话，可能会误以为声音是从别的地方传出来的。然后音量随着距离先是增加，然后再以比传统扬声器小得多的速率下降，左边的人听到的是直达声，右边的人听到的是反射声，右边的人会感觉到声源是从反射的地方发出来。

当声音波长大于声源的尺寸则声波无法定向传送，所以，必须声波长度小于声源尺寸。当信号的频率越高，对应的波长则会变短。所以需要调制声波频率使得波长小于发生器尺寸，从而可以在发生器尺寸不大的条件下获得定向发送声波的效果。

本发明利用小尺寸的声源并且通过降低声源的频率来完成声波的定向发射。

本发明的技术方案为：一个声波动向扬声器系统组成框，为了实现声波的定向发射，则需要设计信号调制，功率放大器并对声波进行聚束以及超声波换能器。其实现定向发射的步骤如下：

步骤1：声频信号发生器会进行模拟声源，发出声频信号。

步骤2：载波信号发生器产生超声波载波信号，会对信号调制器传送声频信号，并且还会单独向放大器传送超声波载波信号。

步骤3：声频信号加一路超声波载波信号送入信号调制器；另一路超声波载波直接送入功率放大器。

步骤4：将声波放大后，使得波束汇聚成束。

步骤5：将聚束后的两路信号送给超声波换能器向空间定向发射。

进一步的，在本方法中，非线性声学不可忽略，较为重要。现代的强力喷气发动机以及其它强功率机器发出的声音的声压级可达160dB～180dB甚至更大。以180dB为例，它相当于2.8×104N/m2的声压振幅值，其相应的质点速度幅值为67m/s这时声压和质点速度的振幅相对于大气压强和声速来说就已不能认为是很小以至于可忽略不计，自然，此时线性化条件不再成立。

在理想介质中的一维运动方程式具有如下形式：

或写成

此时，其中的非线性项

与其它各项相比几乎具有同一数量级。假定声波为：v＝v_asin(ωt-kx)，那么

的极大值为：

而其余项的数量级为ωv_a，如果v_a可与声速c₀相比拟时，

也就是说，它们具有同样的数量级，因而非线性项就应予考虑。

进一步的，声波定向发射技术基于声波的相互作用的原理；两个声波频率，产生声波的频率是这两个频率的和，也即和频波，还有一个是这两个频率差的绝对值，即差频波；和频信号被衰减掉。

进一步的，考虑空气的非线性效力，使用该定向发射方法，步骤为：

(1)f1、f2是两个频率相差不大的超声信号。为了使人们可以听见。定向发送携带声频信号的声波同时，还需要载波信号。

(2)将这两列信号在空间中并行传播到信号调制器，让载波信号的一些参数按声频信号的值变化形成f1+f2的和频信号。

(3)f1+f2的和频信号以及带有载波信号的f2会一起发射到功率放大器。

(4)将放大后的声音进行聚束，然后发射到超声换能器。

(5)这两个信号经过超声换能器后，由于空气的非线性作用，仅考虑二阶量的话，得到f1-f2(f1>f2)这个差频信号。因为声音在介质中被吸收，所以f1+f2的和频信号以及f1、f2会很快衰减下去。

(6)定向发射出人耳可以听见的f1-f2这个差频信号。

进一步的，假设用35kHz的信号调制1kHz的信号，其包络函数为：

E(t)＝(1+cos4πkt)·cos 80πkt

假定原波有的形式：

P₁(t)＝P₁E(t)cos(ω_ct)

其中ω_c为载波频率，E(t)为任意的包络函数。对沿着超声换能器发射轴上的一点，解调后的音频信号的声压形式为：

其中：

为延迟时间，β为非线性参数。所以说：参量化阵解调后的信号是与包络平方对时间的两次偏微分成正比的，即

在计算非线性项后得到的结果，可以解释大振幅声波在传播过程中所产生的一些非线性现象，如正弦波形的畸变、介质吸收的显著增加、声波的相互作用等。这些非线性效应在小振幅声波的传播过程中自然是不明显的。在线性声学中同时传播的两个声波是不会发生相互作用的，它们所引起的介质的振动等于它们各自单独存在时所引起介质振动的线性叠加，满足叠加原理。但是，如果声学方程保留了非线性项时，叠加原理就不适用了。声波定向发射技术就是基于声波的相互作剧的原理，它指的是不同频率的有限振幅声波在一种媒体中传播时，会产生新的频率的声波。如果只考虑两个频率，最后产生声波的频率是这两个频率的和，也就是和频波，还有一个就是这两个频率差的绝对值，也就是差频。传播的信号称为原波。和频信号将很快被衰减掉，主要考虑的是差频信号。差频信号沿声轴方向将以相同的速度与原波一起向前传播，并与原波在行进过程中不断产生新的差频信号叠加。可见，在声轴方向上差频信号波将达到较大的值，而在非轴方向上，由于非同向叠加，故幅度很小。这就会形成很好的指向性。如果原波是一个宽带信号的话，一般来说，它总可以用傅立叶积分表示，而被积函数是单频正弦波，无限多个频率成分的两两相互作用产生一个宽带差频信号，从而构成了所谓的宽带参量阵。

有益效果：本发明提供了一种声波远程定向聚束发射实现方法，它是一种高效的远程声波定向发射装置。即利用高声压级换能器阵列实现高强度声波的远距离定向传播，通过高强度噪声刺激，对具有潜在威胁的鸟禽、人群、车辆、船舶等进行喊话、警示和驱离。

附图说明

图1为本发明的声波动向扬声器系统组成框示意图；

图2为本发明的实现声波远程定向聚束发射的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本种声波远程定向聚束发射实现方法，如图1所示，是声波动向扬声器系统组成框示意图。如果需要实现声波的定向发射，则需要设计信号调制，功率放大器并对声波进行聚束以及超声波换能器。其具体的定向发射步骤为：

步骤1：声频信号发生器会进行模拟声源，发出声频信号。

步骤2：载波信号发生器产生超声波载波信号，会对信号调制器传送声频信号，并且还会单独向放大器传送超声波载波信号。

步骤3：声频信号加一路超声波载波信号送入信号调制器；另一路超声波载波直接送入功率放大器。

步骤4：将声波放大后，使得波束汇聚成束。

步骤5：将聚束后的两路信号送给超声波换能器向空间定向发射。

其中，声频信号发生器：对声音进行输入形成声源。

载波信号发生器：对声波再超声频率的载波信号上进行传输。

信号调制：对传输过程中的声波中的信号进行调节。为了使发送的声音具有高指向性，必须对声频信号进行超声波调制，需要根据调制信号在空气中的自解调过程来寻找合理的调制方式。在调制效率方面，常规幅度调制和频率调制的调制效率都很低。

功率放大器：使用放大器扩大声波的音量。可根据超声波换能器的组合选择放大器

超声波换能器：开始对指定地方发射声波。超声波换能器是进行能量转换的器件。在声音定向发送系统中，超声波换能器将经过调制的超声波信号定向发射到空气中。

图2为实现声波远程定向聚束发射的流程图。步骤为：(1)f1、f2是两个频率不同的超声信号，且f1>f2；定向发送携带声频信号的声波同时，进行载波信号；

(2)将f1、f2两列信号在空间中并行传播到信号调制器，让载波信号的参数按声频信号的值变化形成f1+f2的和频信号；

(3)f1+f2的和频信号以及带有载波信号的f2会一起发射到功率放大器；

(4)将放大后的声音进行聚束，然后发射到超声换能器；

(5)这两个信号经过超声换能器后，f1+f2的和频信号以及f1、f2衰减，得到f1-f2差频信号；

(6)定向发射出人耳可以听见的f1-f2差频信号。

可以看出，根据流程可以看出通过模拟声波信号f1和f2可以作为声源发出，但是f1会和载波器上的声波f2一起传送给信号调制器。从信号调制器中传出的f1+f2以及f1和f2通过功率放大器后，在将声波发送到超声换能器中，使得f1+f2和f1、f2逐渐衰减因此会让人耳无法听见。所以，最后只会留下f1-f2差频信号定向发射。

实施例1

本实施例中，通过信号发生器对信号进行调节，然后再使声源扩大，最后汇聚成束，向制定位置发射声波。把待发射的音频信号调制在高频即超声频率载波信号上，再用超声换能器发射出去。由于空气的非线性声学效应,在传播过程中声波中的音频信号会自解调出来,则可以被人耳直接听到。

步骤1：声频信号发生器可以音频发生器，用以产生1kHz低频正弦声波(模拟声频信号)。

步骤2：载波信号发生器产生超声波载波信号，用信号发射器产生35kHz的超声载波。

步骤3：声频信号加一路超声波载波信号送入振幅调制器；另一路超声波载波直接送入功率放大器。

步骤4：将声波放大后，使得声波汇聚成束。

步骤5：将聚束后的两路信号送给超声波换能器向空间定向发射。

本发明提供了远程声波定向聚束发射的实现方法，这项技术可以应用到公安防暴、军事领域、航空航天等。例如，对人群的驱散或者运用在机场的驱鸟系统中。也可以应用于机场驱鸟设备，既防止了威胁安全飞行的“鸟撞”事件的发生，又很好的保护了鸟类，使机场在驱鸟方面朝生态文明靠拢。由于声波可以做到人们特定的要求，满足人们的需求，具有很高的推广价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种声波远程定向聚束发射实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：声频信号发生器进行声源模拟，发出声频信号；

步骤2：载波信号发生器产生超声波载波信号，对信号调制器传送声频信号，并且单独向功率放大器传送超声波载波信号；

步骤3：声频信号加一路超声波载波信号送入信号调制器；另一路超声波载波信号送入功率放大器；

步骤4：功率放大器将声波放大后，使得波束汇聚成束；

步骤5：将聚束后的两路信号送给超声波换能器向空间定向发射；

声波定向发射技术基于声波的相互作用的原理；两个声波频率，产生和频波和差频波；所述两个声波与和频波在空气介质中发生衰减；上述步骤1-5具体为：

(1)f1、f2是两个频率不同的超声信号，且f1>f2；定向发送携带声频信号的声波同时，进行载波信号；

(2)将f1、f2两列信号在空间中并行传播到信号调制器，使得载波信号的参数按声频信号的值变化形成f1+f2的和频信号；

(3)f1+f2的和频信号以及带有载波信号的f2均发射到功率放大器；

(4)将放大后的声音进行聚束，然后发射到超声换能器；

(5)这两个信号经过超声换能器后，f1+f2的和频信号以及f1、f2衰减，得到f1-f2差频信号；

(6)定向发射f1-f2差频信号。

2.根据权利要求1所述的一种声波远程定向聚束发射实现方法，其特征在于：空气介质具有非线性声学作用。

3.根据权利要求1所述的声波远程定向聚束发射实现方法，其特征在于：35kHz的信号调制1kHz的信号，包络函数为：E(t)＝(1+cos 4πkt)·cos 80πkt；原波有的形式：P₁(t)＝P₁E(t)cos(ω_ct)，其中ω_c为载波频率，E(t)为任意的包络函数；对沿着超声换能器发射轴上的一点，解调后的音频信号的声压形式为：

其中：

为延迟时间，β为非线性参数；得到

参量化阵解调后的信号与包络平方对时间的两次偏微分成正比。

Images