基于模拟乘法器的超声调幅器实现

张培培

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

将声波的频率线性搬移到较高的频率上，形成已调超声波。超声波在空气中的传播特性与声音在空气中的传播特性有很多共性，但超声波的波长要短得多，从而使发声器的尺寸可做得很小，便可达到定向传输超声波的效果。携带声音的超声波可获得定向发射的效果。

声波定向发射技术具有非常广阔的应用前景，同时也拥有着很强大的商业价值。可用于公安防暴和军事领域，发出的声压级足够高，就是一种新型的声学武器，所发出的强大声能量将会对敌人造成身体伤害和使其产生极大的心理恐惧。如果用于反恐行动，可以有效地打击恐怖分子，同时保证人质不受伤害[1]。利用指向性声源的虚拟声源效应，可以用来扰乱敌人的判断力，幽灵一般的声音可用于打击敌人士气，令敌方士兵精神疲惫，失去战斗意志。还可用于商业领域，由于它发出的声音具有很强的指向性，可以利用这一点来产生针对个人的声音，而不会打扰到其他人。例如，博物馆里的游客站在某件展览品面前时，只会听到和这个展览品有关的声音，而不会被来自其他展览品的声音弄得心烦意乱；餐馆里用餐的客人可以根据自己的喜好来选择背景音乐，而不会打扰到其他人；逛超市的时候，经过不同的货架，就听到不同的商品的介绍，而处在其他地方的顾客不会受到这些声音的打扰。另外，还可应用于机场驱鸟设备，既防止了威胁安全飞行的“鸟撞”事件的发生，又很好地保护了鸟类，使机场在驱鸟方面朝生态文明靠拢。

现有的定向扬声设备基本选用聚音罩实现方式。聚音罩是基于光学原理，定向传播声音效果不佳，漏音现象较为严重。本文是基于调制原理以及机械波的叠加原理，使得声音所占用的空间少而有效，既合理利用了时间资源，又节省了空间资源[2]。

1 调幅器的电路实现

声波和其他的波（如电波）有很多相似之处，波的定向性取决于波的波长与波源的尺寸之比，当波的波长远大于波源的尺寸时，波就没有定向性。当波的波长接近声源尺寸时，开始呈现波的定向传播，当波的波长远小于波源尺寸时，波的定向性越来越强。

为了使发出的声音信号有定向性，必须把声音信号调制到超声波的频率上，适合于空气中自解调的调制方式只有振幅调制，常规调幅的效率太低，单边带调制虽然节省频带、节约发射功率，但其电路结构复杂，选用抑制载双边带调制，电路相对简单，空气中自解调可恢复出完整的的音频信号。利用平衡、抵消的方法把调制中的载波信号抑制掉。本文选用模拟乘法器MC1496作为超声调制器的核心部件。模拟乘法器MC1496是一种有源非线性器件，能够实现对两个模拟信号（电压或电流）的相乘功能，即输出信号与两输入信号的乘积成正比。高频电子线路中的振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用MC1496构成的双边带抑制载波调幅器的电路示意如图1所示。

图1 调制电路

MC1496作为一个模拟乘法器，它具备多种振幅调制解调功能[3-4]，信号调制主要由加法运算和乘法运算两部分实现，其中加法实现调制信号的偏置，乘法实现振幅调制。MC1494采用双电源供电（+12 V/-8 V），图1中把它设计为抑制载波双边带调幅器，并通过适配电路将已调信号放大到超声功放所需的信号电平。管脚5通过偏置电阻接地。载波信号由超声波信号发生器产生后经过C1高频耦合电容耦合到管脚10，管脚8通过一个高频旁路电容C2接地，管脚10和管脚8共同构成载波信号的差分输入端，调制信号经过低通滤波后加载到管脚1，管脚1和管脚4共同构成调制信号（音频信号）的差分输入端，管脚2和管脚3之间接入1 kΩ的负反馈电阻，主要是为了扩展调制信号的线性动态范围，且电阻值越大，动态范围越大，但会减小乘法器的增益。管脚1和管脚4之间的电阻和变阻器组成平衡调节电路，改变变阻器的阻值，就可以改变调制系数的大小。W1是平衡调整，通过调节W1，可达到抑制载波的作用。W2和W3为输入电平调节。W4是适配调节，使适配电路的输出平均电平满足超声功放的要求。

2 调幅器的实验结果

本文选用的声音信号为频率1 kHz方波信号如图2（a），载波选用20 kHz方波信号，经过超声调制器调制后得到频率为21 kHz的已调信号如图2（b）所示，频率越高，在空气中的衰减越大，但频率越高，定向性越好。

由图2可知，对比调制前后方波信号的波形，利用平衡、抵消的方法，把普通幅度调制中的载波进行了较好的抑制作用，达到了预期的调制效果，得到了合适的已调信号波形，为后续声波定向传输系统的功放电路、超声换能部分提供了合适的频带信号。

图2 信号波形

3 结语

调幅器作为声波定向发射器的重要组成部分，本文基于MC1496模拟乘法器，选用抑制载波的双边带调制方式，利用超声波在空气中的自解调效应，经过多次实验和设计，成功实现了超声调制器的电路设计，取得了良好的实验结果。声音的定向传播不管在军事还是民用领域都具有较广泛的应用价值，因此，基于模拟乘法器的超声调制器的设计也具有极大的市场发展潜力。

[1]孙健，吴亚锋，薛惠君.超声调制声频定向传播性能研究[J].压电与声光，2010（2）：184-186.

[2]张雅丽.声波定向传输实验系统的设计与研究[J].通信技术，2009（11）：19-21.

[3]张扬.声波定向系统设计[D].长沙：国防科学大学，2011.

[4]纪鸣.声频信号定向传播技术研究[D].西安：西北工业大学，2005.