超声调制声频定向传播性能研究

　　基于超声的声频定向传播技术是一种可使声音以波束在一定方向传播的新声源技术,其基本原理是将可听声音信号调制到超声载波信号之上,并由超声换能器发射到空气中;不同频率的超声波在空气中传播的过程中,由于空气的非线性声学效应,这些信号会发生交互作用和自解调,进而产生频率为原超声波频率之和(和频)和频率之差(差频)的新波[1]。若超声波选取合适,那么差频声波则可落在可听声域。并且由于超声波具有高指向性,因此,在传播过程中相互作用产生的差频波亦具有高的指向性[2]。

　　20世纪60年代Westervelt、Berktay等人发现超声波在空气中非线性传播的自解调效应[3-4]。20世纪80年代初,日本Kamakura T[5]等人为此制作了一种扬声装置,将超声调制技术从理论向应用迈出了第一步。2002年美国POMPEI F Joseph[6]总结前人的研究,对指向性进行了实验研究,为该技术的实际应用奠定了基础。

　　本文就超声定向传播技术在不同声频频率以及不同距离进行了实验研究,设计完成了一模拟声频定向传播系统。通过对单频声音信号的传播进行实验,对比分析了不同频率音频信号、不同传输距离处解调声音信号的变化特征及其指向性特点。

　　1 理论基础

　　20世纪60年代Westervelt首次提出了参量阵的概念,并在此基础上对超声波的定向传播现象进行了理论研究。

　　式中;ρ0为流体密度;p1为基波声压;ps为二次波声压;c0为声速;B为媒质的非线性参数。

　　式中 r为观测点的位置向量;rc为声源位置向量;v为非线性作用空间。

　　由式(1)、(2)可知,经单频声g(t)=sinXt调制后的超声信号,经由超声波换能器发射后,在距轴向x远处的调制波声压

　　式中p0为超声声压;ω0为超声波频率;m为调制深度,表示载波振幅受调制信号控制的程度;α为载波频率。

　　换能器发射出去的声波在空气中传播,在其主声束里可产生单频可听声g(t)的声信号源,声源方程为

　　求解式(1)可得,非线性相互作用后产生二次波的声压

　　式(4)右边第二部分为二次谐波成分,即失真成分。

　　由式(3)、(4)得解调后声压ps在换能器阵列轴向r处声压为

　　2 实验系统构建

　　图1为本文的实验系统组成框图。图中,调制信号与载波信号均由信号发生器产生,经调幅电路调制后,进入功率放大器,由超声换能器发射。在传播过程中被解调,其结果被传声器接收并反映在傅里叶分析仪上。

　　本实验中使用的超声换能器[7](T-40-12)采用压电陶瓷材料制作,标称频率:40kHz,在10V(0dB=0.02mPa)时,发射声压≥117dB。在1kHz、端压<1V时静电容量为(2000±30%)pF,最大驱动电压为60V。图2为本文实验用换能器阵列。