声波定向发射器的原理研究与电路实现

刘 军

(中国人民公安大学安全防范系，北京 100038)

0 引言

对声波进行定向发射是目前国内外研究的新热点。在公安工作中，如果使用高强度的声波定向发射器对处于某一方向的人群发送一束功率很强很刺耳的声波，让其觉得极度难受而被迫离开现场，不但可以达到驱散人群的目的，而且不会对人身造成伤害。高强度声波定向发射设备可以研制成为一种很人性化的非接触非杀伤性武器装备。研究声波定向发射原理、探索声波定向发射器的实现方案对公安工作具有较强的实用意义。

1 超声波定向发射的原理

声波是否具有定向性，与声波波长和发声源尺寸的比率密切相关。当声波波长远大于声源尺寸时，声波没有定向性;当声波波长接近直至远小于发声源尺寸时，声波将逐步呈现出越来越强的定向特性。根据这一原理，要使声波具有定向性，可以从两个方面入手：

其一是增加发声器的尺寸。由于声波的频率较低，对应的波长很长，必须使发声器的尺寸做到1 000 m以上才能够明显听出声音的方向性。这种方式虽然理论上可行，但是毫无任何实用价值。

其二是利用信号频率越高对应波长越短的性质，将声音通过调制向超声波频率搬移，使调制后信号的波长远小于发声器尺寸，从而在发声器尺寸不大的条件下获得定向发送声波的效果。这种方式是目前各种声音定向传输研究方法的基本出发点。

携带声音的超声波可以获得定向发送效果，但是超声波已经超出了人类听觉范围。要使人们能够听到定向发送的声音，在定向发送携带声音信号的超声波同时，还需要发射一个超声波载波信号，使2列超声波信号在空间中并行传播。由于自由空间对超声波的传输呈非线性特性，2列超声波信号在自由空间传输过程中会产生相互作用，生成许多2列超声波信号的“和频”与“差频”信号，其中的二次方差频信号落入人们听觉频率范围，可以直接听到。这就是2列超声波定向传输时产生非线性自解调的原理。基于超声波传播的高指向性，我们听到解调后的声音也具有较高的指向性。

2 原理验证性实验

为了保证声波定向发送设备电路结构设计的正确性，在电路结构设计前我们利用实验室的仪器设备对超声波定向发射的原理进行了验证性实验。

实验系统框图按照用超声波做载波，实现声波定向发送的原理搭建。实验系统框图和测试接收方式如图1所示。

图1中的声频信号发生器为实验室中的YB1610函数信号发生器，用以产生1 kHz低频正弦信号(模拟声音信号)。载波信号发生器产生超声波载波信号，用实验室的KENWOOD的FG－273A型函数信号发生器产生40 kHz的超声载波。声频信号加一路超声波载波信号送入振幅调制器;另一路超声波载波直接送入功率放大器。功率放大器将2路信号功率放大后送给超声波换能器向空间定向发射。超声换能器发出的声信号由拾音器在距发射点5 m距离接收并在示波器和频谱分析仪上进行显示。

图1 声波定向传输实验系统测试框图

示波器采用实验室现成的YB4320/20A/40双踪示波器，30 mHz的带宽，用于检测调制波及显示接收到的信号。频谱分析仪信号为CF－920FFT。由频谱分析仪对检测到的信号进行幅值关系和频谱分析。图2为信号频谱分析仪检测到的空气中信号的频谱。

图2 接收到的定向超声波频谱图

从图2中可以看到其频谱除了原调幅波外，还有一个新的成分出现：1 kHz。此即空气的非线性解调作用的结果，它还原产生了与原调制波相同频率的可听声音。由于载波及其上下边频超过20 kHz，人耳听不到，因此在观测点人能感受到的只有1 kHz的信号。

3 超声波定向发射器的组成

根据上述原理和验证性实验框图，超声波定向发射器的电路结构组成如图3所示。超声波定向发射器将声音调制到以超声波为载波的信号上，与另一路没有被调制的超声波载波信号同时送入功率放大器，然后再由超声波换能器向指定方向发射。

图3 声波定向扬声器系统组成框图

从图3中可见，要实现声波定向发射，需要设计信号调制、功率放大器和超声波换能器3项内容。

4 调制方式的选择和电路实现

为了使发送的声音具有高指向性，必须对声音信号进行超声波调制，需要根据调制信号在空气中的自解调过程来寻找合理的调制方式。

在调制效率方面，常规幅度调制和频率调制的调制效率都很低。双边带调制和单边带调制均拥有较高的调制效率。与双边带调制相比，单边带有节省频带和节约发射功率等优点，但是单边带调制器的实现存在一定的困难，成本很高。普通调幅在电路实现上最为简单。

综合考虑各种因素，双边带调制无论是在调制效率或是在电路实现上都是当前技术条件下比较理想的调制方式，因此，本文选择了双边带调制作为声音定向传输系统的调制方式。

双边带调制的电路实现可以采用平衡、抵消的办法把普通幅度调制中的载波抑制掉，形成双边带调制。故抑制载波调幅电路也是一种双边带调制电路。由于我们在教学实验中经常用到由MC1596模拟相乘器芯片构成的双边带调制电路，因此将其双边带调制电路引用到了本文之中，经试验取得了满意的调制效果。用MC1596芯片构成的双边带调制电路如图4所示。

图4中从5端对地所接电阻是给内部差分对管提供偏流I0的电流源的外接电阻。其他电阻和电位器均是为MC1596内部电路提供偏压的电阻。

此外，MC1595，MC1496等模拟相乘器也能用以构成抑制载波的双边带调幅电路。由于模拟相乘器的性能高，造价低，所以由模拟相乘器构成的双边带调幅电路具有工作频带宽、输出频谱较纯、调节简单、电路成本低等特点，而且省去了变压器。

图4 由MC1596芯片构成的抑制载波调幅的电路

5 超声波换能器的选择

超声波换能器是进行能量转换的器件。在声音定向发送系统中，超声波换能器将经过调制的超声波信号定向发射到空气中。在换能器的选择上，我们综合考虑了换能器的技术指标，结合实际情况，选择了上海尼赛拉公司型号为zt40－16p的超声波换能器。

因为该换能器的尺寸与声波波长相比还是不够大，单个换能器所发出的声波没有明显的指向性，只能将它看作近似的点声源。作为发射用途的超声波换能器要求其功率足够大，但单个的换能器输出功率十分有限。考虑到上面2个因素，在实际设计中我们采用了14×15的矩形换能器阵列来增大换能器的尺寸和输出功率，使其满足指向性和功率的要求。每个换能器的功率为1.5 W，换能器阵列输出功率为1.5×14×15=315 W。换能器阵列的间距为18 mm。通过测试，这种矩形超声波换能器阵列有非常好的声频指向性，失真度也很低。矩形超声波换能器阵列的实际器件如图5所示。

图5 矩形超声波换能器阵列实际图

6 功率放大器的实现

根据前面对换能器阵列的探讨，换能器的组合功率为315 W。考虑到转换效率，发射功放的设计功率为500 W。

在功率放大器的设计中，我们选择的是较为成熟的电路，其电路图如图6所示：其中推动级采用了TDA7294，该芯片内部推动级和输出级均使用了DMOS场效应管，用±40 V供电，输出功率可达70 W(RMS/8 Ω)、低失真(0.005%)。功率输出级放大器 VT1、VT2采用著名的山肯大功率对管2SA1216，2SC2922，每个大功率管可以提供250 W的放大功率，2个大功率管配成一对后可以输出500 W的功率。功放模块实际搭建后经试验，达到了预期的目的。

图6 TDA7294电路原理图

7 电路测试结果

超声波定向发射器电路设计和实际调试完成后，其声音定向发送的效果达到了较为满意的效果。经反复调试后，对实验电路进行了功能验证性的实际测试。实际测试环境选择为室外空旷处，满足声音传播方向无明显遮挡的要求。测试目的为判断声音的定向效果，测试声波的发散角度。测试方法以人的听力为接收标准，在室外空旷处发射定向声波，由试验者根据发射距离接收所发声音，测试发散角度。测试的位置和测试记录现场如图7～图10所示。

图7 距离30 m的测试位置

图8 距离30 m的测试记录现场

图9 距离100 m的测试位置图

实际测试结果：

图10 距离100 m的测试记录现场

发射功率为200 W条件下，据发射距离30 m远处声音的发散距离为5 m，发散角度为30°，接收声音清晰。在发射功率200 W条件下，据发射距离100 m远处声音的发散距离为6 m，发散角度为16°，接收声音基本可听。在发射功率500 W条件下，据发射距离120 m远处声音的发散距离为6 m，发散角度为15°，接收声音基本可听。在可接收距离内，声音的强度分布较为均匀，没有明显的近强远弱特点。符合2束声波在非线性空间中边解调边传输的原理。

测试结论：样机具有明显的声波定向发射特性。发射角度小于20°。

8 结束语

经过多次设计和试验，我们从原理上验证了声波定向发送的可行性，从电路上实现了声波的定向发送，并获得了较为明显的声波定向发射效果。

虽然在理论和硬件上，利用声波定向技术来产生高指向性的声音已成为现实，但实际应用并不成功。现面临的主要难题是如何实现大功率、宽频带、高指向性、低失真率的问题。目前声波定向扬声器在国际上还处于商业化的初级阶段，国内外市场基本还处于未开发状态，因而具有极大的市场发展潜力。

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