摘 要：基于超聲調制的聲波定向傳播是近年來的熱門研究課題。通過對聲波定向發(fā)射原理的研究，用具體電路和器件搭建了一套完整的聲波定向發(fā)射器。經過測試，獲得明顯的聲音定向效果。因此，設計及研究高強度、高穩(wěn)定度的聲波定向發(fā)射器是本文的關鍵。

關鍵詞：超聲波；定向傳輸；自解調

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.116

本文所研究的聲波定向發(fā)射器具有非常廣闊的應用前景，既可用于軍事領域，例如定向聲頻信號可以造成敵方心理上的恐懼。還可用于商業(yè)領域，利用發(fā)生器具有很強的指向性這一特點只針對某些特定人群。例如，博物館里的游客參觀展覽品時或者逛超市身處不同的商品類型時。另外，還可應用于機場驅鳥設備，既防止了威脅安全飛行的“鳥撞”事件的發(fā)生，又很好的保護了鳥類，使機場在驅鳥方面朝生態(tài)文明靠攏。

1 定向發(fā)射器原理

聲波和其他的波有很多相似之處，波的定向性取決于波的波長與波源的尺寸之比，當波的波長遠大于波源的尺寸時，波就沒有定向性。當波的波長接近聲源尺寸時，開始呈現波的定向傳播，當波的波長遠小于波源尺寸時，波的定向性越來越強。

聲波的主要頻率成分集中在300～3KHZ，以其中較低的頻率f1=300HZ為例，波長λ1=V/f1，其中V是聲波在空氣中的傳播速度約等于340m/s，則λ1=1.13m，較高的頻率f2=3KHZ，波長λ2=V/f2=0.11m?？梢娐暡ǖ牡皖l成分需要更大的聲源（反射）面積。對于λ1的反射面的最小直徑1.13m，要獲得較好的定向效果則反射面直徑要在10m以上，這雖然在理論上可行，但理論價值不高。

將聲波的頻率線性搬移到較高的頻率上形成已調超聲波，在發(fā)送已調波的同時，再發(fā)送一組未調制的同頻（同相）載波信號，由于空氣對超聲波傳播呈非線性，2路信號在空間將發(fā)生相互作用，產生出許多“和頻”與“差頻”信號，其中一次方差信號就是調制信號——聲音信號，即可以直接聽到的聲音。這個過程稱為聲音信號的自解調。

首先用抑制載波的雙邊帶調幅器將聲音電信號調制到超聲波的載波電信號上，送入超聲波功率放大器放大后送至超聲波換能器陣列轉換成超聲波向空間發(fā)送。另一路則將超聲波電信號直接轉換成超聲波向空間發(fā)送。

本文選用超聲信號的頻率為21KHz，主要考慮頻率越高，在空氣中的衰減越大，但頻率越高，定向性越好，故在超聲信號的產生器中我們選擇頻率可調的信號產生器，便于在調試中選擇最佳的超聲頻率。所選超聲波信號如圖1所示：

2 定向發(fā)射器實驗結果

在輸入載波的20KHz方波信號，聲頻1KHz方波信號，得到的已調信號如圖2所示：

聲波定向發(fā)射器如圖3所示，主要由主機、輔機、換能器三部分構成，主機完成超聲調制，輔機實現功率放大，換能器將自解調后的兩路超聲波電信號轉換成超聲波向空間發(fā)送。通電實驗后，在在正對聲波定向發(fā)生器的方向能夠聽到正常的音頻信號，而在其他方向僅能感受到微弱的聲音信號。

3 結論

由于超聲波在空氣中的非線性效應，只有在定向發(fā)射器正前方才可以獲得可聽聲波，該文中設計的超聲波定向發(fā)射器經過一系列的電路設計和實際調試后，其聲音定向發(fā)送的效果達到了較為滿意的效果。在正對聲波定向發(fā)生器的方向能夠聽到正常的音頻信號，而在其他方向僅能感受到非常微弱的聲音信號。

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作者簡介：張培培（1988-），女，研究生，講師，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。