CN115665633B - 一种参量阵扬声器基波调制的方法、记录媒体及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于声波调制技术领域，特别涉及一种参量阵扬声器基波调制的方法，通过拟合声源振速分布，对应用积分计算声压过程中的扩散项进行一阶近似，并将该声压计算结果代入差频波计算模型，得出了参量阵技术差频声场的全空间模型。本方法可以准确建模差频声场的空间分布，并依据目标点声压来调制基波振幅，规避了使用抛物线近似造成无法准确计算声束偏离轴向20°以外的区域声场的局限性，适宜在声呐技术中推广应用。本发明还提供了一种存储有该方法程序的非暂态可读记录媒体及包含该媒体的系统，通过处理电路可以调用该程序，以执行上述方法。

Description

一种参量阵扬声器基波调制的方法、记录媒体及系统

技术领域

本发明属于声波调制技术领域，具体涉及一种参量阵扬声器基波调制的方法。

背景技术

为了实现声波在预定位置的投放，声学专家们广泛使用参量阵技术，具体指当声源辐射两束高频基波时，在传播介质的非线性作用下，在空间声场中产生差频声波，并且该差频声波具有较强的方向性。将该技术用于剧院、博物馆等场合时，可产生“声束聚光灯”的作用，即将可听声精准投送到不同区域的听众而不会互相产生干扰，当然也可用于声呐探测技术。

参量阵技术进一步发展后，给出了该技术的远场近似解，并指出差频声场的大小与发射声波信号包络平方的二阶导数成正比。为了得到与期望一致的差频声波波形，电子科技大学陈敏等人提出了声源输入信号的调制方法，包括N阶近似平方根法、改进的双边带调制法、单边带调制法等，但是上述调制方法均基于上述的远场近似解，该解引入了对基波的指数衰减，与实际情况存在一定差别。为了修正求取远场解中存在的系统误差，科学家考虑声波在传播介质中由于热粘滞、散射等因素的影响，提出了KZK方程，该方程引入了抛物线近似，但忽略了声波波动方程中对空间分量的二阶导数，因此仍无法准确描述声波的散射作用，在某些位置仍存在较大误差。部分专家又提出了差频声波的级数展开计算方法，但在推导基波的表达式时，引入了抛物线近似，导致无法准确计算声束偏离轴向20°以外的区域，因而在调制过程中仍然存在局限性。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种参量阵扬声器基波调制的方法，具体包括以下步骤：S1.利用高斯函数对参量阵扬声器声源表面的振速进行拟合，得到参量阵扬声器表面振速的级数表达式；

S2.将所述级数表达式代入声压计算公式中，通过积分求取扬声器声场中各点的声压，其中对所述积分中的扩散项进行一阶近似处理；

S3.计算目标点的理想声压与通过S2步骤实时获得声压的差值，将所述差值代入差频波计算公式得出基波振幅的调整量并通过非线性电子器件进行调制，使得扬声器声场中目标点通过S2步骤实时获得的声压较调整前更接近理想声压，完成一次对参量阵扬声器基波调制。

优选的，所述级数表达式为：

其中u_j为扬声器表面的振速分布；U_j为振速幅值；A_n、B_n为步骤S1中拟合得到的高斯系数；a为扬声器半径；以扬声器中心为原点，外廓所在平面为XY平面，声波传播轴心线为Z轴建立直角坐标系，x_s、y_s为扬声器表面任意点的坐标值。

优选的，所述声压的求取公式为：

其中P_j,j＝1,2分别对应频率f₁、f₂基波的声压；

ρ₀为传播介质密度，C₀为传播介质声速，k_j＝2πf_j/c₀，j＝1，2为波数，/>

为所述扩散项，

为扬声器表面任意点(x_s,y_s,0)到空间中任意点(x_v,y_v,z_v)的距离，(x_v,y_v,z_v)为空间声场中任意点在所述坐标系的坐标。

优选的，所述一阶近似处理为：

其中R_v为空间中声场中任意点到扬声器中心的距离。

优选的，所述差频波计算公式为：

其中，其中，β为无量纲量，表示传播介质的非线性系数；

为待求目标点(x,y,z)到空间中任意点(x_v,y_v,z_v)的距离；q(r_v)为产生差频波虚拟源的源密度函数；k_j＝2πf_j/c₀，j＝1，2。

优选的，所述源密度函数的计算公式为：

其中上标*表示复数共轭，P₁(r_v)、P₂(r_v)分别为两基波根据所述声压的求取公式在点(x_v,y_v,z_v)算得的声压。

本发明专利具有如下优点：

通过对声源振速分布进行拟合并对应用积分计算声压过程中的扩散项进行一阶近似，得出了参量阵技术差频声场的全空间模型。特别是当扬声器辐射声波具有全向性时，本方法可以准确建模差频声场的空间分布，规避了背景技术中使用抛物线近似造成无法准确计算声束偏离轴向20°以外的区域声场的局限性，而在最初的参数计算中利用高斯函数对参量阵扬声器声源表面的振速进行拟合既有效地匹配了声源特性，同时降低了微积分计算的阶数，节省了计算资源，提升了调制效率。

本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的参量阵扬声器基波调制的方法。

本发明的又一方案在于提供一种参量阵扬声器基波调制的系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述参量阵扬声器基波调制的方法。

附图说明

图1为本发明实施例中参量阵扬声器基波调制的方法实施流程示意图。

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描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新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。

一种参量阵扬声器基波调制的方法的实施例具体如下：

1.刚性圆形活塞扬声器发出的声波存在频率f₁、f₂的两个基波，声源处输入信号可表达为式(1)：u＝U₁cos(2πf₁t)+U₂cos(2πf₂t)(1)

其中u为活塞振速，单位为m/s；t为时间，单位为s；U₁、U₂分别对应角频率ω₁、ω₂的振速幅值，单位为m/s。cos(ω₁t)、cos(ω₂t)为时谐因子。

2.以扬声器中心为原点，外廓所在平面为XY平面，声波传播轴心线为Z轴建立直角坐标系，x_s、y_s为扬声器表面任意点的坐标值。活塞圆心位于点(0,0,0)，则空间中任意一点(x_v,y_v,z_v)的声压可用式(2)求得：

P_j,j＝1,2分别对应频率f₁、f₂基波的声压；

ρ₀为传播介质密度，C₀为传播介质声速，k_j＝2πf_j/c₀，j＝1，2为波数，/>

为所述扩散项，

为扬声器表面任意点(x_s,y_s,0)到空间中任意点(x_v,y_v,z_v)的距离，(x_v,y_v,z_v)为空间声场中任意点在所述坐标系的坐标。

3.在求解式(2)时，一般将式(2)中的扩散项作共轴近似，如式(3)：

但共轴近似的适用区域仅为偏离活塞传播轴向20°的区域，本发明对此提出一种一阶近似方法，将

表示为式(4)：

其中

为了简化式(2)中双重积分及后续差频声场表达式的计算，基于高斯波束展开法将振速表示为式(5)：

将式(5)和式(4)代入式(2)并经过代数运算,可得P_j,j＝1,2的级数表达式为式(6)：

4.差频声压P_d为差频波f_d＝f₁-f₂对应的声压，在空间中任意一点(x,y,z)的声压计算公式为式(7)：

其中β为无量纲量，表示介质的非线性系数；

为场点(x,y,z)到产生差频波的虚拟源点(x_v,y_v,z_v)的距离；q(r_v)为差频波虚拟源的源密度函数，可由式(8)描述：/>

其中上标*表示复数共轭，ω_d＝2πf_d为差频波的角频率，将式(6)代入式(8)后再代入式(7)，得到差频声场的计算公式为式(9)：

U₁、U₂分别为原波的振速幅度，

为对应频率f₁引入的辅助变量，/>

为对应频率f₂引入的辅助变量/>

的共轭，A_n、A_m分别为第n个高斯系数和第m个高斯系数，/>

为场点(x,y,z)到虚拟源点(x_v,y_v,z_v)的距离，/>

dρ_v、dz_v分别对应极角、径向分量、轴向距离分量的积分变量。

然后求得任一目标点差频声压与期望差频声压的差值，并通过差频波计算公式反推出频率为f₁和f₂的基波振幅的调整量ΔU₁、ΔU₂；以此为参考，将上述两基波加载至非线性电子器件进行调制，使得扬声器声场中目标点通过上述步骤实时获得的声压较调整前更接近理想声压，完成一次对参量阵扬声器基波调制。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机、可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

将上述方法步骤汇编成程序再存储于硬盘或其他非暂态存储介质就构成了本发明的“一种非暂态可读记录媒体”技术方案；而将该存储介质与计算机处理器电连接，通过数据处理能完成对参量阵扬声器基波调制，则构成本发明的“一种参量阵扬声器基波调制的系统”技术方案。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种参量阵扬声器基波调制的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.利用高斯函数对参量阵扬声器声源表面的振速进行拟合，得到参量阵扬声器表面振速的级数表达式；

S2.将所述级数表达式代入声压计算公式中，通过积分求取扬声器声场中各点的差频波声压计算公式，并算出差频波声压，其中对所述积分中的扩散项进行一阶近似处理；

S3.计算目标点的理想声压与通过S2步骤实时获得声压的差值，将所述差值代入所述差频波声压计算公式，得出基波振幅的调整量并通过非线性电子器件进行调制，使得扬声器声场中目标点通过S2步骤实时获得的声压较调整前更接近理想声压，完成一次对参量阵扬声器基波调制；

所述级数表达式为：

其中u_j为扬声器表面的振速分布；U_j为振速幅值；A_n、B_n为步骤S1中拟合得到的高斯系数；a为扬声器半径；以扬声器中心为原点，外廓所在平面为XY平面，声波传播轴心线为Z轴建立直角坐标系，x_s、y_s为扬声器表面任意点的坐标值；

所述声压计算公式为：

其中P_j,j＝1,2分别对应频率f₁、f₂基波的声压；

ρ₀为传播介质密度，C₀为传播介质声速，k_j＝2πf_j/c₀，j＝1，2为波数，/>

为所述扩散项，

为扬声器表面任意点(x_s,y_s,0)到空间中任意点(x_v,y_v,z_v)的距离，(x_v,y_v,z_v)为空间声场中任意点在所述坐标系的坐标；

所述一阶近似处理为：

其中R_v为空间中声场中任意点到扬声器中心的距离；

所述差频波声压计算公式为：

其中，β为无量纲量，表示传播介质的非线性系数；

为待求目标点(x,y,z)到空间中任意点(x_v,y_v,z_v)的距离；q(r_v)为产生差频波虚拟源的源密度函数；

所述源密度函数的计算公式为：

其中上标*表示复数共轭，P₁(r_v)、P₂(r_v)分别为两基波根据所述声压计算公式在点(x_v,y_v,z_v)算得的声压。

2.一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，其特征在于，当执行指令时，将致使处理电路执行权利要求1所述的一种参量阵扬声器基波调制的方法。

3.一种参量阵扬声器基波调制的系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行权利要求1所述的一种参量阵扬声器基波调制的方法。

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