聶正南 翟曉軍

（武警工程大學(xué)裝備運輸系 陜西 西安 710086）

0 引言

傳統(tǒng)揚聲器發(fā)出的聲波全向傳播，難以產(chǎn)生高指向性可聽聲。而聲頻定向系統(tǒng)可用較小尺寸的換能器產(chǎn)生高指向性可聽聲波[1]。在指向性區(qū)域外聽到的聲音將很微弱或根本聽不到。目前聲頻定向系統(tǒng)在世界上又被稱作參量聲學(xué)陣（parametric acoustic array）、參量揚聲器(parametric loudspeaker)、音頻聚光燈(audio spotlight)、聲束揚聲器(audio beam loudspeaker)、超聲頻聲音(hypersonic sound)、指向性聲學(xué)系統(tǒng)(directional acoustic system)等等[2]。

2000年由美國ATC(American technology Corporation)公司率先研制成聲頻定向商業(yè)化產(chǎn)品，成功裝備了部隊，主要用于軍艦反恐[3]。事實上作為軍用產(chǎn)品，這類聲波武器具有兩種功能:一種是指向性警告功能，即當(dāng)敵人在500碼以外時，發(fā)出高指向聲波進(jìn)行嚴(yán)厲警告;二是攻擊功能，即當(dāng)敵人進(jìn)入200碼以內(nèi)時，將警告聲代之以12OdB的大功率攻擊聲波，使敵人喪失行動能力，其作用類似于榴彈槍。此時聲頻定向系統(tǒng)就變成了一種指向性聲波武器。目前美國ATC公司研制的該類非致命性聲波武器已成功裝備了美國第2、3、5、7艦隊及Carl Vinson號航空母艦，成為了一種艦艇反恐利器。此外聲頻定向系統(tǒng)還可用于機場、農(nóng)田驅(qū)鳥，邊防安全、港口安全、邊境緝毒緝私等領(lǐng)域。還可應(yīng)用于各種需要提供私人視聽環(huán)境的場合，例如自動取款機(Automatic Teller Machine，ATM)的語音服務(wù)系統(tǒng)、機動車報警器、多國會議、展廳展臺、餐廳音響服務(wù)、產(chǎn)品介紹、手機及其他消費電子等，也可以在舞臺表演和家庭影院中利用該系統(tǒng)制造出虛擬3D音效。

本文介紹了聲頻定向系統(tǒng)的基本原理及其系統(tǒng)組成，為聲頻定向系統(tǒng)在非致命領(lǐng)域的應(yīng)用做出理論研究，為下一步實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 聲頻定向系統(tǒng)基本原理

聲頻定向的基本原理是將普通聲波調(diào)制成兩列頻率分別為f1、f2的超聲波信號,通過空氣的非線性傳播作用自解調(diào)產(chǎn)生頻率為(f1-f2)的差頻聲波，若超聲波頻率選擇合適，則可產(chǎn)生與聲波信號一致的高指向性聲波，即以超聲波為載波發(fā)射具有強指向性的攻擊聲波。聲波在空氣中傳播的衰減系數(shù)正比于其自身頻率的二次方，所以頻率較高超聲波將很快衰減，最后只剩下在可聽聲頻率范圍的差頻聲波在空氣中繼續(xù)傳播。由此超聲波傳播距離很近，攻擊聲波則可以傳播較遠(yuǎn)的距離。由于超聲波傳播的高指向性使得產(chǎn)生的攻擊聲波也具有較高的指向性[4]，這就是聲頻定向驅(qū)散系統(tǒng)基本原理。

圖1 聲頻定向驅(qū)散系統(tǒng)基本原理

聲頻定向驅(qū)散系統(tǒng)關(guān)鍵在于實現(xiàn)聲波信號的指向性，只有實現(xiàn)較好的指向性才能針對具體目標(biāo)和特定區(qū)域?qū)嵤┒ㄏ蝌?qū)散，達(dá)到近距離驅(qū)散非法聚眾人群目的，在實際使用過程中才能體現(xiàn)其技戰(zhàn)術(shù)價值。

2 聲頻定向系統(tǒng)組成

聲頻定向驅(qū)散系統(tǒng)主要由數(shù)字信號處理器(DSP)，D類功率放大器及超聲波換能器三個模塊組成。聲波信號首先經(jīng)過DSP進(jìn)行算法加載與調(diào)制后輸入到D類功率放大器中，通過D類功率放大器將驅(qū)動信號功率放大并加載到超聲波換能器上，驅(qū)動換能器將定向超聲波發(fā)射到空氣中。超聲波在空氣中傳播時由于非線性作用進(jìn)行自解調(diào)，產(chǎn)生與原信號一致的攻擊聲波。

數(shù)字信號處理器（DSP）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理的微處理器,主要用于實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。它針對實時數(shù)字信號處理在處理器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程以及總線結(jié)構(gòu)上作了很大改進(jìn),最重要的是它的算術(shù)單元包含高速的硬件乘法器。由于信號處理算法的特點,乘法操作十分頻繁,乘法運算的速度是數(shù)字信號處理實現(xiàn)中的一個瓶頸問題,DSP大多配有獨立的乘法器和加法器,能在同一周期內(nèi)完成相乘、累加兩個操作。在通用的微處理器內(nèi),通過程序?qū)崿F(xiàn)的乘法操作往往需要幾十到上百個時鐘周期,而DSP完成一次乘法操作只需要一個時鐘周期,特別適合于進(jìn)行乘法運算[5]。

D類功率放大器則是超聲換能器的驅(qū)動部件，在盡可能降低失真的情況下，向換能器提供足夠功率的驅(qū)動信號以使其能正常振動發(fā)射超聲波。D類功率放大器消耗功率較低，功放的效率高，實際效率可達(dá)90%以上[6]。因此能極大地降低能源損耗，減小放大器體積,因此D類放大器在便攜式設(shè)備上的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢。

超聲波換能器是將電能轉(zhuǎn)換成聲能的器件。我們選用聚偏二氟乙烯(PVDF)作為聲頻定向換能器制作材料，聚偏二氟乙烯(PVDF)是一種新型壓電高分子聚合物材料。它的壓電常數(shù)高、質(zhì)量輕、密度小、柔韌性好、頻響寬、聲阻抗低、靈敏度高、穩(wěn)定性好，可以分割成任意形狀與尺寸，把它加工成薄膜作為換能器發(fā)射材料使用時，對系統(tǒng)的振動響應(yīng)影響很小[7],是一種較為理想的換能器制作材料。由PVDF制作的整體式換能器加工簡單，易于制作，易于調(diào)試，有效發(fā)聲面積更大、輸出功率更高。

3 結(jié)論

聲頻定向系統(tǒng)不僅在民用方面具有廣闊的應(yīng)用前景，更重要的是體現(xiàn)在其軍事價值，無論是在殺傷性武器或是非致命武器中均有重大的應(yīng)用價值。因此聲頻定向系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究也可為將聲頻定向技術(shù)應(yīng)用于我國軍事領(lǐng)域做出積極貢獻(xiàn)，從而為我國的新式聲波武器發(fā)展提供一定的理論與技術(shù)方面的支持。

［1］P.J.Westervelt.Parametric Acoustic Array [J].The Journal of the Acoustical Society of America，1963,35(4):535-537.

［2］陳敏,徐利梅,黃大貴,張德銀.聲頻定向揚聲器的研究進(jìn)展[J].電聲技術(shù),2006,11:17-22.

［3］J.James,J.O.Norris.HSS white Paper[R].USA:American Technology Corporation,2005.

［4］Woon,Seng Gan,etc.Audio BEAM Using TI Digital&Analog Components Application Report[R].Nanyang Technological University,Singapore,April,2001,VOL.23(6):125-130.

［5］劉姍梅,姚維,徐利梅.DSP在新型聲頻定向系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電聲技術(shù),2007,31(3):27-30.

［6］姚福安,萬鵬.D類音頻功率放大器設(shè)計[J].山東大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版, 2003,33(6):665-669.

［7］董麗杰,熊傳溪,陳娟.聚偏氟乙烯-鈦酸鋇復(fù)合材料的介電性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2003,20(3):122-124.