王開懂，郭三學(xué)，呂文超

（1.武警工程大學(xué)，陜西 西安 710000；2.武警警官學(xué)院，廣東 廣州 510440）

0 引言

強(qiáng)聲定向系統(tǒng)所產(chǎn)生的高指向性和高聲壓級聲波可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。例如：可向遠(yuǎn)處的人群發(fā)出通知或警告，表示明確意向，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離喊話；利用高聲壓級聲波對人心理和生理上的影響，使人產(chǎn)生意識恍惚、頭暈以及惡心等反應(yīng)，起到拒止、驅(qū)散作用，可應(yīng)用于海上執(zhí)法、邊境防護(hù)及重要目標(biāo)守護(hù)等場合，應(yīng)用前景廣闊。

強(qiáng)聲定向系統(tǒng)發(fā)射的聲波主要是頻率在20～20 000 Hz 的可聽聲?！皬?qiáng)聲”和“定向”是其核心技術(shù)要求。目前，研究和應(yīng)用較多的系統(tǒng)是參量陣揚(yáng)聲器和號筒揚(yáng)聲器。

1 參量陣揚(yáng)聲器

聲學(xué)參量陣技術(shù)是非線性聲學(xué)中的一個(gè)重要分 支。1963 年，Westervelt 在《Parametric Acoustic Array》中首次提出了聲學(xué)參量陣的概念［1］。根據(jù)參量陣?yán)碚摚?］，在介質(zhì)中同向傳播的兩個(gè)或多個(gè)不同頻率的超聲波，會因介質(zhì)的非線性作用而產(chǎn)生和頻波、差頻波以及高次諧波等新頻率波束，其中差頻波具有很高的指向性。目前，主要的參量陣?yán)碚撚蠾estervelt 方程、Berktay 遠(yuǎn)場解［3］和KZK 方程［4］。在業(yè)界，參量陣揚(yáng)聲器又叫做聲束揚(yáng)聲器、音頻聚光燈、超指向性揚(yáng)聲器等，利用超聲波在空氣中的非線性交互作用產(chǎn)生高指向性的差頻波（可聽聲），從而實(shí)現(xiàn)聲波的定向傳播，原理如圖1 和圖2 所示。

典型的參量陣揚(yáng)聲器系統(tǒng)由信號處理模塊、功率放大模塊、換能器以及控制電路等組成，如圖3所示。信號處理模塊的主要工作是對輸入的音頻信息進(jìn)行調(diào)制處理；功率放大模塊對進(jìn)入的調(diào)制好的電信號進(jìn)行放大；換能器將放大后的電信號變成聲波信號發(fā)射到空氣中進(jìn)行傳播；控制電路對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，如音量大小、輸入的音頻信息選擇等。

相比普通揚(yáng)聲器，參量陣揚(yáng)聲器具有以下明顯優(yōu)勢：

（1）聲輻射場的波束角很小，幾乎沒有旁瓣，指向性效果極好，可以使聲音像光束一樣傳播；

（2）聲學(xué)參量陣作為寬帶聲源，信息容量很大，可以承載更多的傳輸信息；

（3）參量陣揚(yáng)聲器所發(fā)聲波能量集中，大部分位于傳播軸附近，因此聲波能量衰減慢，傳播距離遠(yuǎn)；

（4）通過進(jìn)行換能器組陣，應(yīng)用相控陣原理，可實(shí)現(xiàn)聲波任意角度的指向性傳播。

Bennet 和Blackstock 在1975 年首次在空氣介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)參量陣，促進(jìn)了參量陣在空氣中的應(yīng)用［5］。1983 年，日本學(xué)者Yoneyama 與Fujimoto 用547 個(gè)PZT 雙壓電晶片組合成了巨大的六角型陣列，以40 kHz 為原波載波頻率，首次成功利用參量陣技術(shù)研制了定向聲源［6］，得到了高指向性的大音量可聽聲。目前，國外報(bào)道過的最大參量陣是美國海軍水下系統(tǒng)中心的拖曳式參量陣TOPS。該系統(tǒng)利用2 m×0.5 m 的發(fā)射面，在50～5 000 Hz 頻率產(chǎn)生62～130 dB 的差頻波聲源。Been 和Ahn 等進(jìn)行了參量陣揚(yáng)聲器適用于移動設(shè)備的適用性研究，所制作的揚(yáng)聲器產(chǎn)生的最大聲壓級為75 dB±3 dB［7］。Geng 和Nakano 等提出了一種多路算法來提高參量陣揚(yáng)聲器的低頻響應(yīng)問題，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性，可以獲得平坦的頻率響應(yīng)［8］。

參量陣聲源以其高指向性和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在水聲通信［9-10］、水雷探測［11］、海底物體探測［12-13］和會議展覽等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。美國和德國在2006 年前實(shí)現(xiàn)了參量陣揚(yáng)聲器的商品化，引起了國內(nèi)一些高校和科研機(jī)構(gòu)的注意。電子科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)以及山東科技大學(xué)等重點(diǎn)對換能器陣列的指向性、信號處理與算法以及換能器設(shè)計(jì)等進(jìn)行了相關(guān)研究。中國科學(xué)院噪聲與振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長期致力于參量陣揚(yáng)聲器的理論和實(shí)踐研究工作，在新型超聲換能器PVDF 薄膜、數(shù)值計(jì)算、預(yù)處理算法以及聲學(xué)測量等方面進(jìn)行了深入的研究和探索［14-16］。2014 年12 月，中國科學(xué)院噪聲與振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了新一代超指向性揚(yáng)聲器，在功耗25 W 的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)85 dB@1 m/1 kHz，指向性夾角＜5°@1 kHz-6 dB。它的指向性測試圖如圖4 所示。

2 號筒揚(yáng)聲器

加有號筒的電動式揚(yáng)聲器叫做號筒揚(yáng)聲器，實(shí)質(zhì)是振膜通過號筒向周圍輻射聲波，屬于間接輻射式揚(yáng)聲器。號筒的聲輻射恰如一個(gè)很大的活塞，使揚(yáng)聲器能有效輻射聲波。同時(shí)，號筒能改進(jìn)振膜和空氣負(fù)載的匹配，從而提高電聲轉(zhuǎn)換效率。聲音頻率較低時(shí)，指向性變化不大，但是可以明顯增強(qiáng)中高頻的指向性。

號筒揚(yáng)聲器主要由號筒（喇叭）和音頭（電聲換能器）組成。直射式和反射式號筒揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)分別為如圖5 和圖6 所示［17］。電聲換能器是指能夠?qū)崿F(xiàn)電能和聲能互換的器件。按照轉(zhuǎn)換原理的不同，電聲換能器又可細(xì)分為電動式、電磁式、靜電式以及壓電式等。目前，市場上強(qiáng)聲系統(tǒng)使用的換能器絕大部分屬于電動式換能器。

利用高靈敏度的換能器進(jìn)行組陣，可實(shí)現(xiàn)高聲壓聲波的定向傳輸，這是國內(nèi)外強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的主流技術(shù)。換能器個(gè)體的性能參數(shù)影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，尤其對核心指標(biāo)聲壓級和指向性有著決定性影響?，F(xiàn)在只有少數(shù)公司掌握著換能器單體的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)。由于該技術(shù)可用于軍事用途，因此國外相關(guān)技術(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)范不對外公開，未見有文獻(xiàn)對其設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

美國GENASYS 公司（即以前的美國技術(shù)公司ATC）的遠(yuǎn)程聲波控制器（Long Range Acoustic Device，LRAD）產(chǎn)品代表著強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的最高水平。它具有豐富的產(chǎn)品系列，可便攜、車載、船載、機(jī)載，在港口安全、海事執(zhí)法、船舶防御、邊境安防甚至戰(zhàn)場上得到了廣泛應(yīng)用。LRAD 也被稱為“聲炮”，最大聲壓級可達(dá)160 dB，指向性夾角±15°@1 kHz-3 dB，最遠(yuǎn)可向5.5 km 外傳輸清晰的聲音，目前已在全球72 個(gè)國家應(yīng)用。國內(nèi)對此類強(qiáng)聲系統(tǒng)的研發(fā)較晚。電子科技大學(xué)、中科院聲學(xué)所等機(jī)構(gòu)及部分企業(yè)，針對高聲壓級換能器設(shè)計(jì)及仿真、數(shù)值計(jì)算、箱體設(shè)計(jì)及號筒指向性等方面展開了相關(guān)研究。趙培東、鄢奇龍、林順鑾［18-20］在其碩士論文中，重點(diǎn)對換能器的磁路結(jié)構(gòu)、振動部件及相位塞等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，所研發(fā)的換能器樣機(jī)靈敏度可基本保持在118 dB，滿足大功率強(qiáng)聲定向裝置的技術(shù)要求；廣州迪士普公司的王齊祥［21］基于德國BMS4599 驅(qū)動頭對其散熱功能進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)的用于便攜式產(chǎn)品的驅(qū)動頭靈敏度為110 dB；中國電子科技集團(tuán)第三研究所的武麗森等人［22］對換能器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析，換能器樣品測試結(jié)果頻響范圍200～6 000 Hz，靈敏度120 dB@1 m-1 W，最大聲壓級138 dB@1 m-100 W，達(dá)到了國際先進(jìn)水平；中國人民公安大學(xué)的王培傲［23］對強(qiáng)聲系統(tǒng)的硬件平臺、軟件平臺以及FIR 濾波器等進(jìn)行了分析研究，設(shè)計(jì)采用了3×3 的號筒揚(yáng)聲器陣列，經(jīng)測試，5 m 處最大聲壓級達(dá)115 dB 且具有一定的指向性。國內(nèi)部分廠家研制了多種型號的強(qiáng)聲定向產(chǎn)品，部分指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

除電動式換能器外，強(qiáng)聲設(shè)備中比較常用的還有壓電式換能器［24］。壓電換能器相較電動換能器機(jī)械效率較高（可達(dá)80%），工藝簡單，可加工成各種形狀，且性能穩(wěn)定。但是，壓電換能器由于本身發(fā)聲原理的不同，易造成中低頻響應(yīng)較差、有效頻帶窄，在中低頻難以產(chǎn)生高聲壓級，導(dǎo)致語音傳輸效果不理想。因此，用壓電換能器設(shè)計(jì)制作的強(qiáng)聲設(shè)備更多應(yīng)用其聲波的警告、驅(qū)散功能，如強(qiáng)聲驅(qū)散盾牌［25］。

3 研究熱點(diǎn)

參量陣揚(yáng)聲器指向性最好，但電聲轉(zhuǎn)換效率低，且難以產(chǎn)生高聲壓級的聲波。現(xiàn)在國外商用的參量陣揚(yáng)聲器在輸入功率12 W 的情況下，1 m 處的最大聲壓級為109 dB。雖然近些年對此的研究很多，但實(shí)際效果不理想。電動式換能器可產(chǎn)生高聲壓級的聲波，但指向性一般，無法實(shí)現(xiàn)“精確瞄準(zhǔn)”。另外，換能器長時(shí)間工作時(shí)內(nèi)部會產(chǎn)生很大的溫升，影響電聲轉(zhuǎn)換效率，甚至?xí)茐膿Q能器。

因此，參量陣揚(yáng)聲器需進(jìn)行超聲換能器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步解決超聲帶寬不足、輸出功率小、聲壓級小以及失真度高等問題，同時(shí)需研究信號處理方式和算法，實(shí)現(xiàn)更高的電聲轉(zhuǎn)換效率和低失真度，并獲得合理的帶寬。最后，需研究線性超聲波段功放關(guān)鍵技術(shù)，使參量陣揚(yáng)聲器在低波峰因素時(shí)具有良好的放大效率等。

電動換能器則需尋找并使用新型材料，使它的磁路系統(tǒng)具有更大的磁通密度，使振膜具有更大的彈性模量、更小的密度和適當(dāng)?shù)膬?nèi)部阻尼。要對磁路、音圈、振膜、折環(huán)、定心支片、號筒以及相位塞等關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)換效率，減小失真。同時(shí)，下一步需研究分析換能器散熱問題，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并創(chuàng)新?lián)P聲器系統(tǒng)的理論研究，認(rèn)識到揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中等效電路、T-S 參數(shù)等方法的局限性，建立適用性更廣的數(shù)學(xué)分析模型，擺脫以往多靠經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，合理運(yùn)用LEAP5、LSPCAD、FineCone以及FINEMotor 等揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)軟件和COMSOL Multiphysics、Virtual.lab Acoustics 等仿真分析軟件，提高設(shè)計(jì)效率和生產(chǎn)效率。

與國外相比，國內(nèi)強(qiáng)聲定向系統(tǒng)發(fā)展在核心技術(shù)、生物損傷試驗(yàn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系以及法律法規(guī)等方面都存在差距。首先，核心技術(shù)受制于人。電聲換能器作為一個(gè)復(fù)雜的電-磁-力-聲耦合系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制造涉及信號處理、材料、金屬加工、化工以及電工電子等眾多學(xué)科領(lǐng)域。國內(nèi)不少廠家雖可生產(chǎn)強(qiáng)聲定向產(chǎn)品，但最核心的換能器卻多源于進(jìn)口。國內(nèi)掌握換能器關(guān)鍵技術(shù)的廠家不多。其次，生物損傷試驗(yàn)尚不充分。強(qiáng)聲損傷機(jī)理研究是發(fā)展強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。我國在這一領(lǐng)域的研究工作發(fā)展較慢，雖然第三軍醫(yī)大學(xué)、第四軍醫(yī)大學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院等科研單位做了大量基礎(chǔ)研究工作，但由于起步較晚、持續(xù)投入不夠，整體相對滯后且針對性不強(qiáng)，尤其是在人體效應(yīng)方面積累不足。再次，技術(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，使產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、使用及市場推廣受到了極大制約。最后，法律法規(guī)制約問題。強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的使用尚缺乏充分有力的法律支撐，尤其是使用條件和法律責(zé)任還不明確。

為加快強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的發(fā)展，針對當(dāng)前存在的問題提出如下建議。一是開展需求論證，推進(jìn)研發(fā)攻關(guān)。組織有關(guān)單位，充分考慮市場需求、技術(shù)成熟度、綜合性價(jià)比等因素，論證強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的研發(fā)重點(diǎn)和方向，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，逐步掌握核心技術(shù)。二是完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)，為強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、評估以及使用提供技術(shù)支撐，為執(zhí)法部門的使用夯實(shí)法律基礎(chǔ)。三是加強(qiáng)強(qiáng)聲損傷機(jī)理基礎(chǔ)研究。加強(qiáng)聲波對人體生理、心理效應(yīng)的研究，分析頻率、聲壓級、相位以及作用時(shí)間、作用距離等因素對人的影響，以提高強(qiáng)聲定向系統(tǒng)的作用效果，同時(shí)進(jìn)一步研究強(qiáng)度劑量和安全閾值，減小對人的損傷，不產(chǎn)生永久性傷害。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，強(qiáng)聲定向系統(tǒng)向著低頻率、大功率、小型化以及復(fù)合化等方向發(fā)展，在維護(hù)國家安全穩(wěn)定中的作用越來越重要。但是，強(qiáng)聲定向系統(tǒng)如果使用不當(dāng)，將會給人員造成嚴(yán)重傷害，甚至死亡。因此，使用時(shí)要根據(jù)距離遠(yuǎn)近和目標(biāo)大小調(diào)整聲壓級、作用時(shí)間、作用角度等參數(shù)，以免對人造成過度傷害，同時(shí)要做好自身防護(hù)，嚴(yán)守操作規(guī)程，避免自身受到傷害。