劉 軍

(中國人民公安大學安全防范系，北京 100038)

0 引言

對聲波進行定向發(fā)射是目前國內(nèi)外研究的新熱點。在公安工作中，如果使用高強度的聲波定向發(fā)射器對處于某一方向的人群發(fā)送一束功率很強很刺耳的聲波，讓其覺得極度難受而被迫離開現(xiàn)場，不但可以達到驅散人群的目的，而且不會對人身造成傷害。高強度聲波定向發(fā)射設備可以研制成為一種很人性化的非接觸非殺傷性武器裝備。研究聲波定向發(fā)射原理、探索聲波定向發(fā)射器的實現(xiàn)方案對公安工作具有較強的實用意義。

1 超聲波定向發(fā)射的原理

聲波是否具有定向性，與聲波波長和發(fā)聲源尺寸的比率密切相關。當聲波波長遠大于聲源尺寸時，聲波沒有定向性;當聲波波長接近直至遠小于發(fā)聲源尺寸時，聲波將逐步呈現(xiàn)出越來越強的定向特性。根據(jù)這一原理，要使聲波具有定向性，可以從兩個方面入手：

其一是增加發(fā)聲器的尺寸。由于聲波的頻率較低，對應的波長很長，必須使發(fā)聲器的尺寸做到1 000 m以上才能夠明顯聽出聲音的方向性。這種方式雖然理論上可行，但是毫無任何實用價值。

其二是利用信號頻率越高對應波長越短的性質(zhì)，將聲音通過調(diào)制向超聲波頻率搬移，使調(diào)制后信號的波長遠小于發(fā)聲器尺寸，從而在發(fā)聲器尺寸不大的條件下獲得定向發(fā)送聲波的效果。這種方式是目前各種聲音定向傳輸研究方法的基本出發(fā)點。

攜帶聲音的超聲波可以獲得定向發(fā)送效果，但是超聲波已經(jīng)超出了人類聽覺范圍。要使人們能夠聽到定向發(fā)送的聲音，在定向發(fā)送攜帶聲音信號的超聲波同時，還需要發(fā)射一個超聲波載波信號，使2列超聲波信號在空間中并行傳播。由于自由空間對超聲波的傳輸呈非線性特性，2列超聲波信號在自由空間傳輸過程中會產(chǎn)生相互作用，生成許多2列超聲波信號的“和頻”與“差頻”信號，其中的二次方差頻信號落入人們聽覺頻率范圍，可以直接聽到。這就是2列超聲波定向傳輸時產(chǎn)生非線性自解調(diào)的原理。基于超聲波傳播的高指向性，我們聽到解調(diào)后的聲音也具有較高的指向性。

2 原理驗證性實驗

為了保證聲波定向發(fā)送設備電路結構設計的正確性，在電路結構設計前我們利用實驗室的儀器設備對超聲波定向發(fā)射的原理進行了驗證性實驗。

實驗系統(tǒng)框圖按照用超聲波做載波，實現(xiàn)聲波定向發(fā)送的原理搭建。實驗系統(tǒng)框圖和測試接收方式如圖1所示。

圖1中的聲頻信號發(fā)生器為實驗室中的YB1610函數(shù)信號發(fā)生器，用以產(chǎn)生1 kHz低頻正弦信號(模擬聲音信號)。載波信號發(fā)生器產(chǎn)生超聲波載波信號，用實驗室的KENWOOD的FG－273A型函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生40 kHz的超聲載波。聲頻信號加一路超聲波載波信號送入振幅調(diào)制器;另一路超聲波載波直接送入功率放大器。功率放大器將2路信號功率放大后送給超聲波換能器向空間定向發(fā)射。超聲換能器發(fā)出的聲信號由拾音器在距發(fā)射點5 m距離接收并在示波器和頻譜分析儀上進行顯示。

圖1 聲波定向傳輸實驗系統(tǒng)測試框圖

示波器采用實驗室現(xiàn)成的YB4320/20A/40雙蹤示波器，30 mHz的帶寬，用于檢測調(diào)制波及顯示接收到的信號。頻譜分析儀信號為CF－920FFT。由頻譜分析儀對檢測到的信號進行幅值關系和頻譜分析。圖2為信號頻譜分析儀檢測到的空氣中信號的頻譜。

圖2 接收到的定向超聲波頻譜圖

從圖2中可以看到其頻譜除了原調(diào)幅波外，還有一個新的成分出現(xiàn)：1 kHz。此即空氣的非線性解調(diào)作用的結果，它還原產(chǎn)生了與原調(diào)制波相同頻率的可聽聲音。由于載波及其上下邊頻超過20 kHz，人耳聽不到，因此在觀測點人能感受到的只有1 kHz的信號。

3 超聲波定向發(fā)射器的組成

根據(jù)上述原理和驗證性實驗框圖，超聲波定向發(fā)射器的電路結構組成如圖3所示。超聲波定向發(fā)射器將聲音調(diào)制到以超聲波為載波的信號上，與另一路沒有被調(diào)制的超聲波載波信號同時送入功率放大器，然后再由超聲波換能器向指定方向發(fā)射。

圖3 聲波定向揚聲器系統(tǒng)組成框圖

從圖3中可見，要實現(xiàn)聲波定向發(fā)射，需要設計信號調(diào)制、功率放大器和超聲波換能器3項內(nèi)容。

4 調(diào)制方式的選擇和電路實現(xiàn)

為了使發(fā)送的聲音具有高指向性，必須對聲音信號進行超聲波調(diào)制，需要根據(jù)調(diào)制信號在空氣中的自解調(diào)過程來尋找合理的調(diào)制方式。

在調(diào)制效率方面，常規(guī)幅度調(diào)制和頻率調(diào)制的調(diào)制效率都很低。雙邊帶調(diào)制和單邊帶調(diào)制均擁有較高的調(diào)制效率。與雙邊帶調(diào)制相比，單邊帶有節(jié)省頻帶和節(jié)約發(fā)射功率等優(yōu)點，但是單邊帶調(diào)制器的實現(xiàn)存在一定的困難，成本很高。普通調(diào)幅在電路實現(xiàn)上最為簡單。

綜合考慮各種因素，雙邊帶調(diào)制無論是在調(diào)制效率或是在電路實現(xiàn)上都是當前技術條件下比較理想的調(diào)制方式，因此，本文選擇了雙邊帶調(diào)制作為聲音定向傳輸系統(tǒng)的調(diào)制方式。

雙邊帶調(diào)制的電路實現(xiàn)可以采用平衡、抵消的辦法把普通幅度調(diào)制中的載波抑制掉，形成雙邊帶調(diào)制。故抑制載波調(diào)幅電路也是一種雙邊帶調(diào)制電路。由于我們在教學實驗中經(jīng)常用到由MC1596模擬相乘器芯片構成的雙邊帶調(diào)制電路，因此將其雙邊帶調(diào)制電路引用到了本文之中，經(jīng)試驗取得了滿意的調(diào)制效果。用MC1596芯片構成的雙邊帶調(diào)制電路如圖4所示。

圖4中從5端對地所接電阻是給內(nèi)部差分對管提供偏流I0的電流源的外接電阻。其他電阻和電位器均是為MC1596內(nèi)部電路提供偏壓的電阻。

此外，MC1595，MC1496等模擬相乘器也能用以構成抑制載波的雙邊帶調(diào)幅電路。由于模擬相乘器的性能高，造價低，所以由模擬相乘器構成的雙邊帶調(diào)幅電路具有工作頻帶寬、輸出頻譜較純、調(diào)節(jié)簡單、電路成本低等特點，而且省去了變壓器。

圖4 由MC1596芯片構成的抑制載波調(diào)幅的電路

5 超聲波換能器的選擇

超聲波換能器是進行能量轉換的器件。在聲音定向發(fā)送系統(tǒng)中，超聲波換能器將經(jīng)過調(diào)制的超聲波信號定向發(fā)射到空氣中。在換能器的選擇上，我們綜合考慮了換能器的技術指標，結合實際情況，選擇了上海尼賽拉公司型號為zt40－16p的超聲波換能器。

因為該換能器的尺寸與聲波波長相比還是不夠大，單個換能器所發(fā)出的聲波沒有明顯的指向性，只能將它看作近似的點聲源。作為發(fā)射用途的超聲波換能器要求其功率足夠大，但單個的換能器輸出功率十分有限?？紤]到上面2個因素，在實際設計中我們采用了14×15的矩形換能器陣列來增大換能器的尺寸和輸出功率，使其滿足指向性和功率的要求。每個換能器的功率為1.5 W，換能器陣列輸出功率為1.5×14×15=315 W。換能器陣列的間距為18 mm。通過測試，這種矩形超聲波換能器陣列有非常好的聲頻指向性，失真度也很低。矩形超聲波換能器陣列的實際器件如圖5所示。

圖5 矩形超聲波換能器陣列實際圖

6 功率放大器的實現(xiàn)

根據(jù)前面對換能器陣列的探討，換能器的組合功率為315 W?？紤]到轉換效率，發(fā)射功放的設計功率為500 W。

在功率放大器的設計中，我們選擇的是較為成熟的電路，其電路圖如圖6所示：其中推動級采用了TDA7294，該芯片內(nèi)部推動級和輸出級均使用了DMOS場效應管，用±40 V供電，輸出功率可達70 W(RMS/8 Ω)、低失真(0.005%)。功率輸出級放大器 VT1、VT2采用著名的山肯大功率對管2SA1216，2SC2922，每個大功率管可以提供250 W的放大功率，2個大功率管配成一對后可以輸出500 W的功率。功放模塊實際搭建后經(jīng)試驗，達到了預期的目的。

圖6 TDA7294電路原理圖

7 電路測試結果

超聲波定向發(fā)射器電路設計和實際調(diào)試完成后，其聲音定向發(fā)送的效果達到了較為滿意的效果。經(jīng)反復調(diào)試后，對實驗電路進行了功能驗證性的實際測試。實際測試環(huán)境選擇為室外空曠處，滿足聲音傳播方向無明顯遮擋的要求。測試目的為判斷聲音的定向效果，測試聲波的發(fā)散角度。測試方法以人的聽力為接收標準，在室外空曠處發(fā)射定向聲波，由試驗者根據(jù)發(fā)射距離接收所發(fā)聲音，測試發(fā)散角度。測試的位置和測試記錄現(xiàn)場如圖7～圖10所示。

圖7 距離30 m的測試位置

圖8 距離30 m的測試記錄現(xiàn)場

圖9 距離100 m的測試位置圖

實際測試結果：

圖10 距離100 m的測試記錄現(xiàn)場

發(fā)射功率為200 W條件下，據(jù)發(fā)射距離30 m遠處聲音的發(fā)散距離為5 m，發(fā)散角度為30°，接收聲音清晰。在發(fā)射功率200 W條件下，據(jù)發(fā)射距離100 m遠處聲音的發(fā)散距離為6 m，發(fā)散角度為16°，接收聲音基本可聽。在發(fā)射功率500 W條件下，據(jù)發(fā)射距離120 m遠處聲音的發(fā)散距離為6 m，發(fā)散角度為15°，接收聲音基本可聽。在可接收距離內(nèi)，聲音的強度分布較為均勻，沒有明顯的近強遠弱特點。符合2束聲波在非線性空間中邊解調(diào)邊傳輸?shù)脑怼?/p>

測試結論：樣機具有明顯的聲波定向發(fā)射特性。發(fā)射角度小于20°。

8 結束語

經(jīng)過多次設計和試驗，我們從原理上驗證了聲波定向發(fā)送的可行性，從電路上實現(xiàn)了聲波的定向發(fā)送，并獲得了較為明顯的聲波定向發(fā)射效果。

雖然在理論和硬件上，利用聲波定向技術來產(chǎn)生高指向性的聲音已成為現(xiàn)實，但實際應用并不成功。現(xiàn)面臨的主要難題是如何實現(xiàn)大功率、寬頻帶、高指向性、低失真率的問題。目前聲波定向揚聲器在國際上還處于商業(yè)化的初級階段，國內(nèi)外市場基本還處于未開發(fā)狀態(tài)，因而具有極大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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