何斌，許學(xué)忠，張芳，張寶國(guó)，董明榮

（西北核技術(shù)研究所，陜西西安710024）

聲源的指向性反映了聲源在不同方向上的聲輻射特性[1]。強(qiáng)指向性聲源具有指向性好、聲束可控、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在軍事、商業(yè)、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。本文提出了一種基于硬件電路進(jìn)一步增強(qiáng)聲源指向性的方法。利用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），將相控技術(shù)引入到聲發(fā)射陣列，通過揚(yáng)聲器陣列前方的波陣面耦合，進(jìn)一步增強(qiáng)聲波在空氣中的相互疊加，用以提高聲源的指向性。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)以CPLD為控制核心，通過控制輸入揚(yáng)聲器陣列的信號(hào)相位（延時(shí)），實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器各陣元發(fā)射的聲波束在空間疊加合成，從而形成聲束聚焦的效果[3]。如圖1所示，如果各陣元的激勵(lì)時(shí)序是兩端陣元先激勵(lì)，逐漸向中間陣元加大延遲，使得合成的波陣面指向一個(gè)曲率中心，形成波束能夠在空間聚焦，以達(dá)到增強(qiáng)聲源指向性的目的。

圖1 相控聚焦

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。聲發(fā)射陣列輸入語音信號(hào)，通過濾波和A/D采樣單元將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)按鍵顯示單元設(shè)定各陣元的延時(shí)參數(shù)，CPLD根據(jù)外部設(shè)定的延時(shí)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列向空氣中發(fā)射聲波。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPLD及存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)

（1）CPLD EPM570簡(jiǎn)介

系統(tǒng)采用Altera公司生產(chǎn)的CPLD中的EPM570作為核心控制芯片。它屬于MAX II器件系列中的一員，采用基于成本優(yōu)化的六層金屬0.18 μm、嵌入Flash工藝，其功率只有以往MAX器件的1/10，而且成本降低一半。MAX II器件在所有的CPLD系列中具有較低的單位I/O成本和較低的功耗，能夠代替成本更高或功率更高的FPGA、ASSP和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件。可提供240～2 210個(gè)邏輯單元（LE）、多達(dá)272個(gè)I/O管腳。

EPM570實(shí)現(xiàn)的功能是：實(shí)時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生100 kHz的信號(hào)作為MAX120的采樣時(shí)鐘。每采樣一次，EPM570就把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并根據(jù)單片機(jī)送來的延時(shí)值找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)用于DA轉(zhuǎn)換。其功能將依靠Verilog HDL語言編程下載到芯片中來實(shí)現(xiàn)。

（2）存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器選用靜態(tài)存儲(chǔ)器HM62256，它具有32 kB空間，采用0.8 μm的CMOS工藝，轉(zhuǎn)換速度為85 ns。HM-62256管腳與CPLD直接連接，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取。

2.2 放大濾波電路

聲發(fā)射陣列的輸入信號(hào)為模擬語音信號(hào)，信號(hào)幅度較小且容易夾雜干擾信號(hào)，所以需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)采用INA118對(duì)信號(hào)初步放大，利用OPA606構(gòu)建二階有源低通濾波器[4]。

2.3 A/D采樣電路

圖3 放大濾波與A/D采樣電路原理

A/D采樣電路是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，以便后續(xù)模塊進(jìn)行數(shù)字化處理。系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX120作為A/D采樣器件，其轉(zhuǎn)換時(shí)間是1.6 μs，采樣率是500 kS/s。采樣的數(shù)據(jù)依次循環(huán)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，由CPLD根據(jù)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間從相應(yīng)的存儲(chǔ)單元調(diào)用數(shù)據(jù)交給DA轉(zhuǎn)換。圖3為放大濾波與A/D采樣電路原理圖。

2.4 按鍵顯示電路

系統(tǒng)利用鍵盤按鍵實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)4個(gè)按鈕來控制光標(biāo)的左右移動(dòng)和信號(hào)延時(shí)值的增減。LCD默認(rèn)顯示第一路信號(hào)設(shè)定的初始值，單片機(jī)通過控制LCD的讀/寫選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端來顯示信號(hào)延時(shí)值。

2.5 D/A轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)采用National公司DAC0800實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將經(jīng)過延時(shí)處理的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，并通過功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列發(fā)聲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 相控延時(shí)設(shè)計(jì)

對(duì)于聲發(fā)射陣列，相鄰兩列聲波的延時(shí)計(jì)算公式為t=d sinθ/c，（d為揚(yáng)聲器兩陣元間距、θ為偏轉(zhuǎn)角度、c為聲速），根據(jù)公式計(jì)算，其延遲分辨率為10 μs即可。系統(tǒng)延時(shí)基于晶振時(shí)鐘計(jì)數(shù)，延時(shí)值為時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。以圖4為例可以說明相控發(fā)射延時(shí)（一個(gè)通道）的實(shí)現(xiàn)原理。

圖4 數(shù)控延時(shí)原理框圖

相控發(fā)射時(shí)CPLD的內(nèi)部為每個(gè)超聲通道提供了一個(gè)14 bit的延時(shí)計(jì)數(shù)器、一個(gè)14 bit比較器、一個(gè)14 bit的參數(shù)寄存器，用于暫存外部對(duì)CPLD寫入的參數(shù)。一次相控發(fā)射開始之前，外部單片機(jī)控制端先后給CPLD內(nèi)的參數(shù)輸入寄存器設(shè)置各通道發(fā)射延時(shí)值。然后CPLD發(fā)出一個(gè)同步信號(hào)，啟動(dòng)CPLD內(nèi)各通道延時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)各通道預(yù)定延時(shí)值計(jì)滿后,分別從參數(shù)輸入寄存器調(diào)出數(shù)據(jù)送給DA轉(zhuǎn)換，完成整個(gè)相控發(fā)射延時(shí)過程。相控發(fā)射延時(shí)的仿真波形如圖5所示。其部分代碼如下：

通過按鍵對(duì)各通道預(yù)設(shè)不同的值，就能分別控制各通道的起始時(shí)刻之間的延時(shí)值，從而達(dá)到相控延時(shí)的目的。

3.2 按鍵顯示設(shè)計(jì)

（1）LCD顯示設(shè)計(jì)

系統(tǒng)一上電即初始化，LCD默認(rèn)顯示第一路信號(hào)設(shè)定的初始值。當(dāng)有按鍵輸入改變各路信號(hào)的延時(shí)值，顯示程序通過控制LCD的讀/寫選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端來顯示當(dāng)前設(shè)定值。圖6為顯示程序流程圖。

圖5 延時(shí)仿真波形

圖6 顯示程序流程圖

（2）鍵盤輸入設(shè)計(jì)

采用獨(dú)立式按鍵的鍵盤結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了7位顯示字符，不同的位置表示不同的含義：第零位表示信號(hào)通道數(shù)；第1位為空格位，目的是將通道數(shù)和后面的延時(shí)值分開；第2～6位是顯示延時(shí)值，最大顯示值為10000。

4 測(cè)試及結(jié)果分析

將相控聲發(fā)射系統(tǒng)用于聲發(fā)射陣列，以8陣元線性陣列為例，圖7為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖，揚(yáng)聲器間距為13.6 cm，輸入信號(hào)為600 Hz、1 000 Hz、1 400 Hz。為實(shí)現(xiàn)在距離陣列中心1.5 m處聚焦，陣列兩端的信號(hào)先發(fā)出，陣列中心的信號(hào)后發(fā)出。以聲陣列中心為圓心、1.5 m為半徑布置一個(gè)1/4圓弧，在圓弧上0°、2°、5°、10°、15°、20°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、85°（與陣列中心垂直的點(diǎn)標(biāo)記為0°，記錄數(shù)據(jù)為CH0，依次順延）放置傳感器并與揚(yáng)聲器陣列等高。表1為600 Hz測(cè)得的聲壓值。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖

聲發(fā)射陣列輻射聲波在空氣傳播中會(huì)產(chǎn)生一定的指向性。添加相控系統(tǒng)后（如圖8所示），在同等條件下陣列主波束中心聲波強(qiáng)度提高了1 dB，旁瓣的聲波強(qiáng)度降低，波束角（-3 dB）由原來的8.1°減小為6.7°，表明聲波能量更為集中，主波束變得更加尖銳，旁瓣變小，陣列指向性得到加強(qiáng)。如圖9所示，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得各點(diǎn)的聲壓值進(jìn)行歸一化處理，更直觀地反映出相控后聲場(chǎng)指向性增強(qiáng)的變化。

表1600 Hz測(cè)試結(jié)果

圖8 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

本文設(shè)計(jì)的基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的相控聲發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)聲陣列各陣元輸入信號(hào)的精確延時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將相控技術(shù)用于聲發(fā)射陣列，能夠增強(qiáng)聲發(fā)射陣列的指向性。該系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)指向性聲源的進(jìn)一步研究具有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。

圖9 聲場(chǎng)指向性圖

[1]RABIEI A E，M k.Study on fracture behavior of partied reinforced metal matrix composites by using acoustic emission source characterization[J].Materials science and Engineering，2000，293(1)：81-87.

[2]OLSON H F.Acoustical engineering[M].Van Noslerm Company Princlon，1957.

[3]PAUL A M，ANDERSON J W.Ultrasonic testing using phased arrays proceedings of 15th world conference on NDT[C].Rome Italy：2000.

[4]王成華，王友仁，胡志忠.現(xiàn)代電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：154-158.