張培培

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

將聲波的頻率線性搬移到較高的頻率上，形成已調(diào)超聲波。超聲波在空氣中的傳播特性與聲音在空氣中的傳播特性有很多共性，但超聲波的波長(zhǎng)要短得多，從而使發(fā)聲器的尺寸可做得很小，便可達(dá)到定向傳輸超聲波的效果。攜帶聲音的超聲波可獲得定向發(fā)射的效果。

聲波定向發(fā)射技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也擁有著很強(qiáng)大的商業(yè)價(jià)值。可用于公安防暴和軍事領(lǐng)域，發(fā)出的聲壓級(jí)足夠高，就是一種新型的聲學(xué)武器，所發(fā)出的強(qiáng)大聲能量將會(huì)對(duì)敵人造成身體傷害和使其產(chǎn)生極大的心理恐懼。如果用于反恐行動(dòng)，可以有效地打擊恐怖分子，同時(shí)保證人質(zhì)不受傷害[1]。利用指向性聲源的虛擬聲源效應(yīng)，可以用來(lái)擾亂敵人的判斷力，幽靈一般的聲音可用于打擊敵人士氣，令敵方士兵精神疲憊，失去戰(zhàn)斗意志。還可用于商業(yè)領(lǐng)域，由于它發(fā)出的聲音具有很強(qiáng)的指向性，可以利用這一點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生針對(duì)個(gè)人的聲音，而不會(huì)打擾到其他人。例如，博物館里的游客站在某件展覽品面前時(shí)，只會(huì)聽(tīng)到和這個(gè)展覽品有關(guān)的聲音，而不會(huì)被來(lái)自其他展覽品的聲音弄得心煩意亂；餐館里用餐的客人可以根據(jù)自己的喜好來(lái)選擇背景音樂(lè)，而不會(huì)打擾到其他人；逛超市的時(shí)候，經(jīng)過(guò)不同的貨架，就聽(tīng)到不同的商品的介紹，而處在其他地方的顧客不會(huì)受到這些聲音的打擾。另外，還可應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥(niǎo)設(shè)備，既防止了威脅安全飛行的“鳥(niǎo)撞”事件的發(fā)生，又很好地保護(hù)了鳥(niǎo)類，使機(jī)場(chǎng)在驅(qū)鳥(niǎo)方面朝生態(tài)文明靠攏。

現(xiàn)有的定向揚(yáng)聲設(shè)備基本選用聚音罩實(shí)現(xiàn)方式。聚音罩是基于光學(xué)原理，定向傳播聲音效果不佳，漏音現(xiàn)象較為嚴(yán)重。本文是基于調(diào)制原理以及機(jī)械波的疊加原理，使得聲音所占用的空間少而有效，既合理利用了時(shí)間資源，又節(jié)省了空間資源[2]。

1 調(diào)幅器的電路實(shí)現(xiàn)

聲波和其他的波（如電波）有很多相似之處，波的定向性取決于波的波長(zhǎng)與波源的尺寸之比，當(dāng)波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于波源的尺寸時(shí)，波就沒(méi)有定向性。當(dāng)波的波長(zhǎng)接近聲源尺寸時(shí)，開(kāi)始呈現(xiàn)波的定向傳播，當(dāng)波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波源尺寸時(shí)，波的定向性越來(lái)越強(qiáng)。

為了使發(fā)出的聲音信號(hào)有定向性，必須把聲音信號(hào)調(diào)制到超聲波的頻率上，適合于空氣中自解調(diào)的調(diào)制方式只有振幅調(diào)制，常規(guī)調(diào)幅的效率太低，單邊帶調(diào)制雖然節(jié)省頻帶、節(jié)約發(fā)射功率，但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選用抑制載雙邊帶調(diào)制，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，空氣中自解調(diào)可恢復(fù)出完整的的音頻信號(hào)。利用平衡、抵消的方法把調(diào)制中的載波信號(hào)抑制掉。本文選用模擬乘法器MC1496作為超聲調(diào)制器的核心部件。模擬乘法器MC1496是一種有源非線性器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩個(gè)模擬信號(hào)（電壓或電流）的相乘功能，即輸出信號(hào)與兩輸入信號(hào)的乘積成正比。高頻電子線路中的振幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等調(diào)制與解調(diào)的過(guò)程，均可視為兩個(gè)信號(hào)相乘或包含相乘的過(guò)程。采用MC1496構(gòu)成的雙邊帶抑制載波調(diào)幅器的電路示意如圖1所示。

圖1 調(diào)制電路

MC1496作為一個(gè)模擬乘法器，它具備多種振幅調(diào)制解調(diào)功能[3-4]，信號(hào)調(diào)制主要由加法運(yùn)算和乘法運(yùn)算兩部分實(shí)現(xiàn)，其中加法實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的偏置，乘法實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制。MC1494采用雙電源供電（+12 V/-8 V），圖1中把它設(shè)計(jì)為抑制載波雙邊帶調(diào)幅器，并通過(guò)適配電路將已調(diào)信號(hào)放大到超聲功放所需的信號(hào)電平。管腳5通過(guò)偏置電阻接地。載波信號(hào)由超聲波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生后經(jīng)過(guò)C1高頻耦合電容耦合到管腳10，管腳8通過(guò)一個(gè)高頻旁路電容C2接地，管腳10和管腳8共同構(gòu)成載波信號(hào)的差分輸入端，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后加載到管腳1，管腳1和管腳4共同構(gòu)成調(diào)制信號(hào)（音頻信號(hào)）的差分輸入端，管腳2和管腳3之間接入1 kΩ的負(fù)反饋電阻，主要是為了擴(kuò)展調(diào)制信號(hào)的線性動(dòng)態(tài)范圍，且電阻值越大，動(dòng)態(tài)范圍越大，但會(huì)減小乘法器的增益。管腳1和管腳4之間的電阻和變阻器組成平衡調(diào)節(jié)電路，改變變阻器的阻值，就可以改變調(diào)制系數(shù)的大小。W1是平衡調(diào)整，通過(guò)調(diào)節(jié)W1，可達(dá)到抑制載波的作用。W2和W3為輸入電平調(diào)節(jié)。W4是適配調(diào)節(jié)，使適配電路的輸出平均電平滿足超聲功放的要求。

2 調(diào)幅器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文選用的聲音信號(hào)為頻率1 kHz方波信號(hào)如圖2（a），載波選用20 kHz方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)超聲調(diào)制器調(diào)制后得到頻率為21 kHz的已調(diào)信號(hào)如圖2（b）所示，頻率越高，在空氣中的衰減越大，但頻率越高，定向性越好。

由圖2可知，對(duì)比調(diào)制前后方波信號(hào)的波形，利用平衡、抵消的方法，把普通幅度調(diào)制中的載波進(jìn)行了較好的抑制作用，達(dá)到了預(yù)期的調(diào)制效果，得到了合適的已調(diào)信號(hào)波形，為后續(xù)聲波定向傳輸系統(tǒng)的功放電路、超聲換能部分提供了合適的頻帶信號(hào)。

圖2 信號(hào)波形

3 結(jié)語(yǔ)

調(diào)幅器作為聲波定向發(fā)射器的重要組成部分，本文基于MC1496模擬乘法器，選用抑制載波的雙邊帶調(diào)制方式，利用超聲波在空氣中的自解調(diào)效應(yīng)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了超聲調(diào)制器的電路設(shè)計(jì)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。聲音的定向傳播不管在軍事還是民用領(lǐng)域都具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值，因此，基于模擬乘法器的超聲調(diào)制器的設(shè)計(jì)也具有極大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]孫健，吳亞鋒，薛惠君.超聲調(diào)制聲頻定向傳播性能研究[J].壓電與聲光，2010（2）：184-186.

[2]張雅麗.聲波定向傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].通信技術(shù)，2009（11）：19-21.

[3]張揚(yáng).聲波定向系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)大學(xué)，2011.

[4]紀(jì)鳴.聲頻信號(hào)定向傳播技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.