張芳，孫德玉，張亮永，劉陽，趙天青

揚聲器陣列輻射聲壓級自動控制裝置設(shè)計

張芳，孫德玉，張亮永，劉陽，趙天青

(西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024)

針對強聲波設(shè)備的使用安全性的問題，設(shè)計了一種強聲波揚聲器陣列輻射聲壓級自動控制裝置，該裝置通過控制功放驅(qū)動功率達到自動調(diào)節(jié)揚聲器陣列輸出聲壓級目的。硬件電路基于單片機ATmega48設(shè)計，單片機中固化了自動控制軟件，結(jié)合目標距離實現(xiàn)對揚聲器陣列輻射聲壓級的調(diào)節(jié)控制。將該裝置加裝于多個型號的強聲波裝置進行外場測試，結(jié)果表明，各揚聲器陣列前方聲壓級均控制在安全范圍內(nèi)，因此可將其應(yīng)用于強聲波系統(tǒng)中避免強聲波對非目標人員造成傷害。

強聲裝置；揚聲器陣列；聲壓級；自動控制

0 引言

強聲波裝置是一種利用揚聲器陣列定向發(fā)射強聲波達到驅(qū)離、通訊等目的的定向多用途裝備。近年來，強聲波裝置由于其使用方便，效果顯著等特點被廣泛應(yīng)用于公共安全、軍事、經(jīng)濟重要設(shè)施保護、遠距離通訊等領(lǐng)域，但長期處于高噪聲環(huán)境中會造成聽力系統(tǒng)的損傷[1]，而且噪聲還會影響人體的神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等[2]，長期暴露在噪聲中的人群心血管疾病的發(fā)病率會明顯升高[3]，所以長期處于強聲波裝置輻射的超強聲壓級環(huán)境中不但會對聽力造成一定損傷，而且還會引發(fā)多種人體疾病。因此，為了兼顧強聲波裝置使用的有效性和安全性，需要為裝置增加聲壓級自動控制功能，既能確保非目標人員不受強聲壓級的輻射，又能快速有效地對目標實施打擊。

針對這一需求，本文設(shè)計了一種揚聲器陣列輻射聲壓級自動控制裝置，該裝置可根據(jù)揚聲器陣列前方目標的特性和距離自動控制聲陣列的輻射聲壓級，在確保裝置驅(qū)散功能的前提下，增加了強聲波裝置使用的安全性。

1 總體設(shè)計

強聲波裝置將信號源進行功率放大，推動揚聲器陣列發(fā)聲，聲波經(jīng)陣列前方的波陣面耦合，可獲得具有強指向性的強聲波束，目前強聲波裝置的聲壓級在1 m處可高達160 dB，高聲壓級對目標人群可實施非致命打擊，但也要防止其對非目標人群的傷害，由GJB 50-1985可知，人員暴露在噪聲中的最高容許限值為115 dB[4]。本文設(shè)計的聲壓級自動控制裝置可以自動調(diào)節(jié)強聲波裝置功放驅(qū)動功率，在陣列前方為非打擊和驅(qū)散目標人員時將聲壓級自動控制在115 dB之內(nèi)。

自動控制裝置系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由測距模塊、控制模塊等組成。測距模塊采用激光測距儀測量目標距離，并將距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K中；控制模塊的單片機中集成了聲壓級自動控制軟件，可結(jié)合目標屬性和距離數(shù)據(jù)信息調(diào)節(jié)驅(qū)動功放的輸出電壓增益，達到控制驅(qū)動功放功率目的，由功放驅(qū)動揚聲器陣列發(fā)射聲波，即可自動調(diào)節(jié)揚聲器陣列的輻射聲壓級。

圖1 自動控制裝置組成框圖

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，操作人員通過監(jiān)視器確定陣列前方目標人群特性，判斷為暴(騷)亂目標人群時強聲裝置正常運行，判斷為非目標人群時，啟動自動控制聲壓模式，由自動測距模塊測量非目標人員距離，并將測距結(jié)果反饋至控制模塊，由控制模塊計算該處聲壓級是否超出最高限值115 dB，若未超出則不作處理，若目標處聲壓級超出最高限值，由控制模塊自動調(diào)節(jié)功放驅(qū)動功率，將目標處聲壓級控制到最高限值115dB以內(nèi)。同時操作人員通過視頻監(jiān)視器，實時監(jiān)測強聲波裝置前方目標人群特性，若確定為暴(騷)亂人員，則退出自動控制聲壓模式，實現(xiàn)對目標人員的有效驅(qū)散。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 控制模塊

2.1 硬件電路設(shè)計

控制模塊的硬件電路基于單片機ATmega48設(shè)計，電路圖如圖3所示。ATmega48通過MAX232與激光測距儀的串口相連接，實現(xiàn)接收測距儀數(shù)據(jù)功能。自動控制軟件通過ISP接口固化在單片機中，實現(xiàn)功放驅(qū)動功率自動調(diào)節(jié)，達到控制揚聲器陣列聲壓級的功能。

圖3 控制模塊電路圖

2.2 控制軟件設(shè)計

揚聲器單體1 m處聲壓級與靈敏度關(guān)系為[5]：

組成強聲波裝置陣列的揚聲器輻射的聲波具有相同相位和相同幅值的特征，陣列在1 m處的聲壓級與揚聲器單體1 m處輻射聲壓級關(guān)系為[6]

理想狀態(tài)下，在聲源的中心軸線上，聲壓級與傳輸距離的對應(yīng)關(guān)系可表示為[5][7]

在實際傳播過程中，空氣對聲波具有衰減作用，且衰減系數(shù)與聲波的頻率以及空氣的溫度和濕度等因素有關(guān)，即遠距離處理論計算聲壓級值比實際的要高，但相比于強聲波裝置輻射的高聲壓級這一差值相對很小，按照理論值調(diào)節(jié)聲壓級可滿足設(shè)計要求，空氣對聲波的衰減可忽略不計。于是得出陣列聲軸線上處的聲壓級關(guān)系式：

根據(jù)式(6)算法編寫自動控制軟件，并固化在控制模塊中，將測距儀所測距離值反饋至單片機中，根據(jù)每個目標點的距離值得到電壓增益系數(shù)，控制模塊根據(jù)該系數(shù)值對功放進行電壓輸出增益自動調(diào)節(jié)，即可將距揚聲器陣列聲軸線處目標的聲壓級自動控制在設(shè)定值內(nèi)。

3 實驗驗證

采用由揚聲器BMS4592組成的4元、7元和16元揚聲器陣列進行外場試驗，為揚聲器加載頻率1 kHz、額定功率100 W的驅(qū)動，選取陣列前方聲軸線上100 m內(nèi)20個點，采用英國Cirrus公司型號為CR:162B的聲級計，測量其聲壓級值，同時對比各揚聲器陣列加裝聲壓級自動控制裝置后相應(yīng)各點的聲壓級。

由4圖可見，未加裝聲壓級自動控制裝置時，4元揚聲器陣列前方56 m內(nèi)聲壓級均大于安全限值115 dB，加裝自動控制裝置后聲壓級被控制在115 dB之內(nèi)，陣列前方56～100 m范圍內(nèi)各點聲壓級均未超過115 dB，加裝控制裝置前后各點聲壓級基本一致。圖5和圖6表明，7元和16元揚聲器陣列加裝控制裝置后同樣達到了控制陣列輻射聲壓級的目的。

強聲波裝置驅(qū)散作用時一般采用警報聲源，其聲波頻率范圍集中在2.5～3.3 kHz，實驗采用的聲波頻率為1 kHz，空氣對兩者的衰減系數(shù)不同，而聲壓級控制裝置可忽略空氣對聲波的衰減作用，因此，實驗的結(jié)果適用于強聲波裝置實際使用情況時聲波的調(diào)節(jié)控制。

圖4 一個4元揚聲器陣列加裝控制裝置前后的聲壓級對比

圖5 一個7元揚聲器陣列加裝控制裝置前后的聲壓級對比

Fig.5 The contrast figure of sound pressure levels before and after a seven-element array installed with the control device

圖6 一個16元揚聲器陣列加裝控制裝置前后的聲壓級對比

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種能夠依據(jù)目標距離自動調(diào)節(jié)揚聲器陣列驅(qū)動功率的控制裝置，從而達到控制揚聲器陣列輻射聲壓級的目的，該聲壓級自動控制裝置可應(yīng)用于強聲波系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制陣列前方聲壓級的功能，達到強聲波裝置使用過程中安全可控的目的。

[1] SUN P F, QIN J, QIU W. Development and validation of a new adaptive weighting for auditory risk assessment of complex noise[J]. Applied Acoustics(S1000-310X), 2016, 103(part a): 30-36.

[2] 黃意府. 噪聲對心血管功能影響的研究進展[J]. 應(yīng)用預(yù)防醫(yī)學, 2008, 14(增2): 8-10.

HUANG Yifu. Research on influence of noise on cardiovascular function[J] .Applied Preventing Medicine, 2008, 14(S2): 8-10.

[3] 胡正元. 噪聲對心血管功能的影響[J]. 聲學技術(shù), 2002, 21(z1): 25-28.

HU Zhengyuan. Influence of noise on cardiovascular function[J]. Technical Acoustics, 2002, 21(z1): 25-28.

[4] GJB 50-1985軍事作業(yè)噪聲容許限值[S]. 國防科工委軍標出版發(fā)行部, 1985.

[5] 崔麥會, 康圣, 劉侃. 基于作用距離的船載強聲廣播系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電聲技術(shù), 2015, 39(9): 84-86.

CUI Maihui, KANG Sheng, LIU Kan. Shipborne long range acoustic system design based on operating distance[J]. Audio Engineering, 2015, 39(9): 84-86.

[6] 張利杰. 理想介質(zhì)中強聲組陣技術(shù)研究[D]. 長沙: 國防科技大學, 2008: 13-14.

ZHANG Lijie. Investigation of high intense acoustic array technology in ideal medium[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2008: 13-14.

[7] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學基礎(chǔ)[M]. 南京: 南京大學出版社, 2001.

DU Gonghuan, ZHU Zhemin, GONG Xiufen. Basic of Acoustics[M]. Nanjing: Nanjing University Press, 2001.

Design of automatic control device for sound pressure level of loudspeaker array

ZHANG Fang, SUN De-yu, ZHANG Liang-yong, LIU Yang, ZHAO Tian-qing

(,710024,,)

In order to solve the safety problems in using intense acoustic equipment, a special device that can automatically control the sound pressure level of loudspeaker array by adjusting the driving power is developed. The hardware circuit of the device is designed based on a single chip ATmega48, in which the control software is integrated. The device can adjust the sound pressure level according to the target distance. By installing the device in several types of intense acoustic equipment and testing the effect, it is shown that the sound pressure level in front of each loudspeaker array can be controlled within a safe level to avoid health lesion on non-target persons.

intense acoustic equipment; loudspeaker array; sound pressure level; automatic control

TN912.2

A

1000-3630(2019)-06-0640-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.06.007

2018-07-01;

2018-08-10

張芳(1980－), 女, 內(nèi)蒙古寶昌人, 碩士研究生, 研究方向為音頻電路設(shè)計。

張芳,E-mail: zhangfang@nint.ac.cn