1、华东师范大学上海大学生创新活动计划项目（创新训练类）申请书项目名称： 基于超声调制技术的定向传声系统的研究开发项目负责人： 葛灵项目指导教师：李庆利立项申请时间： 2015 年 3 月 6 日华东师范大学教务处编制2一、项目基本情况项目起止时间姓 名 葛灵 学 号 10132140249性 别 男 身份证号 362203199511060430院 系 信息科学技术 学院 年 级 2013级专 业 通信工程 联系电话 15802195118手 机 15802195118 E-mail 课程名称 学分 成绩模拟电子线路 2 92高等数学（一） 5 89高等数学（二） 5 83计算机应用基础 2 8
2、2电路分析基础及实验 3 78信息与通信导论 1 71数字逻辑电路及实验 3.5 83第一负责人入校以来专业必修课成绩项目性质小发明、小创作、小设计等 开放实验室或实习基地中的创新性实验或新实验开发 基础性研究 应用性研究社会调研项目选题来源 自主立题 教师科研课题的子项目项目学科类别 应用声学项目受其他渠道资助情况（“无”或“具体资助来源和经费” ，包括获奖情况）无3二、立项背景和依据（包括研究目的、国内外研究现状分析与评价、研究意义，应附主要参考文献及出处）研究目的：声音在空气中的传播是辐散型的。由于可听声波频率较低，波长较长，故它在空气中传播的指向性非常差。因而在生活中随处可见各种噪声。
3、而噪声本身为环境污染的一种。近几年由于广场舞的盛行，噪声对居民生活的影响越来越大。因此，研究出一种能使声音在空气中定向传播的设备意义重大。另一方面，在家庭或者校园甚至博物馆中，不同区域不同声音的需求也比以前多了许多。家中的孩子希望音乐只在自己的房间里响起，而不会影响到父母的不满；校园里学生希望视频或者音乐只放映在自己的区域里，从而摆脱耳机的束缚，又不会影响到舍友的学习；博物馆里希望在不同的展品旁边游客可以听到不同的讲解而声音互不影响。因而，具有指向性或者区域性的声波设备研究意义重大。超声波具有很强的指向性，通过用调幅技术将可听声波加载在超声波上，并通过超声波与空气的线性作用，在空气中可还原出可
4、听声波，从而实现了可听声波的定向传播。同时，由于超声波在空气中衰减十分迅速，因而通过合理的调制，可以实现可听声波在某个区域内的传播。国内外研究现状分析：上世纪 20世纪 60年代，声呐研究者们发现把超声波脉冲发射到水中时，脉冲会自发的变成低频声波窄束。1975年，英国的 David等人进行试验，他们对发射机进行修改并采用了一个非声频范围的声源，并得到了可听声波，说明在空气中声波也是非线性传播的。该实验暗示有可能通过超声波在空气中产生声波束。1980年，日本 Ricoh公司成功通过调幅技术把复杂声音变成超声波，即得到由加在单频载波上的复杂声音信号和载波本身组成的符合波。1999年，MIT 的 F
5、.J.Pompei发明了“声频聚光灯” ，通过将得到的超声波信号进行反向失真，并利用蜂窝状阵列式超声波扬声器简单实现了声音的定向传播。2004年，新加坡研发出一种指向性声音广播技术“音束系统” 。如今，中国拥有相应的定向音响，但其体积庞大，造价极高且适用范围十分窄小。研究意义：利用声波定向传播技术可以产生窄的音波束，并且只有音波束正前方的人能听到。声波定向传播技术在军事和民用领域均有广阔的应用前景。例如应用于飞机、汽车座舱，可以使乘客不用带耳机就听到自己想听的声音；在餐厅里，顾客可以通过这项技术点播自己喜欢的音乐而不会影响到其他人；在博物馆的展品面前可以只听见该展品的有关知识介绍，而不会有其他
6、介绍声音在耳边干扰。4此技术也可用于定向发射高分贝噪声干扰暴徒而不影响警察，从而产生威慑效果。也可以在战场上应用该技术使声音在某个方向传播而干扰敌人判断力，从而打乱敌人心理及其战术布局。目前“声波定向传播”技术研发仍然处于初始发展阶段。除国外极少数的公司和研究小组，国内并没有十分详尽的类似研究报道。因此该研究具有较大的理论意义和实际意义。三、研究内容、拟解决的关键问题、研究方法5声波通常以声源为中心向四周传播,但实际上,声波在各个方向上的声压分布并不完全相同,其传播是有方向性的。在均匀媒质中,声源的指向性由其辐射面积(孔径)，辐射面结构和所传播声音的频率这三个因素确定。 1.声源的辐射面积(孔
7、径)越大,其波束宽度越窄,指向性越强,当声源的有效孔径远大于要传播声波的波长时,大部分声波会集中在一条窄带内，但是对于可听声波,为了形成这种波束,即使是最短的波长也需要大约 10米大小的扬声器。2.声源的辐射面结构可以改变声波的传播形式,不同的传播形式,其声波的声压和波束形状受距离的影响是不同的,如在理想媒质中平面波的声波强度与距离无关,并易于形成窄的波束。3.与声源指向性密切相关的另一个因素就是所传播声音的频率。频率越高,声波的发散角就越小,其指向性就越强，通过提高声音的频率,把声波的波长变得更小,可以获得良好的指向性。例如对于超声波信号,用一个 l米大小的扬声器就可以很容易地产生波束。考虑
8、到前两点实施性不强，而当超声波信号在空气中传播时,利用空气对声音的非线性效应,可以自发地把超声波还原成可听声波，使得可听声波的定向波束传播成为可能，所以我们采用第三点。研究内容及拟解决的关键问题：音频信号在空气中的定向传播技术主要包括与声频定向扬声器研究相关的基础声学、超声理论、信号处理算法、换能器及电子技术等。1.基础声学部分：声波传播的原理、声波的辐射声压及声源的指向性等,分析声波在空气中传播时的非线性作用。2.超声理论部分：超声波与空气的非线性作用。3.信号处理算法部分：双边带调制算法、单边带调制算法、平方根法算法。4.换能器部分：换能器就是可以把一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器
9、件。这里所涉及到的换能器是那种能将电能、机械能或其他一些形式的能量转换为声能的器件。5.电子技术部分：制作实物-声频定向扬声器。研究方法：查阅相关文献。四、项目特色与创新点6本项目是在了解到生活中噪声对人们的干扰，然后深入研究声波的定向传播技术之后所确定的。所以本项目的最大特点就是从实际需求出发，将科学融入生活之中，服务于人民。尽管声音的定向传播已经有近 200年的研究历史，但是实际上直到现在专注于声音定向传播的研究者并不多，此领域面世的相关产品更加少，然而当下包括广场舞扰民问题，博物馆、图书馆和一些餐饮娱乐场所对于环境的高要求以及银行提款机语音提示、大型综合办公楼导向、盲人引路、智能楼宇安全
10、保卫等都极其需要传播路径相对狭小且固定的定向声音。人们日常生活中对于声音的直观感性认识并不会认为它具有定向传播的能力，但是我们联想到光的定向传播，和声音一样，光实际上也是一种波，既然光波可以定向传播，那声音是否也有可能实现定向传播呢？答案是肯定的。我们在查阅相关文献资料以及咨询导师之后得出一种实现声音定向的方法：我们注意到超声波具有频率高、波长短、衍射现象不明显的特点，也就是超声波的定向性很好。但是我们能听到的声音不是超声波，于是我们结合调幅技术，将我们要接收的声音信号与作为载波的超声波调幅成一个复波，最后利用超声波在空气中传播时与空气的非线性作用，将我们要接收的声音信号解调出来，达到定向传声
11、的目的。五、项目研究进度与计划（文献查阅、社会调查、方案设计、实验研究、数据处理、研制开发、撰写论文或研究报告、结题和答辩、项目鉴定、成果推广或论文发表、其他等环节的时间安排）进度：直到项目申请之前，我们已经对声音定向传播的原理和实现的基本方法有了一定的了解，对于这一系统的设计结构有了初步的设想；计划：1、2015 年六月前继续查阅相关资料还有咨询指导老师，深入了解声音定向传播技术的实现方式以及构建拥有这一功能的系统的具体方法，进行一定的社会调查，了解人们对于该系统的了解程度和接受程度；2、2015 年 10月前，讨论设计出定向音响系统的原理图，并进行初步的仿真测试，对仿真数据加以严格的分析，
12、力图找出设计图纸中的所有不完美之处，并且加以考虑实际系统可能会遭受的一系列干扰，对电路设计方案进行改进；3、2015 年 12月前，购买构建系统所需的全部材料并按照设计图进行组装调试，对安装好的系统进行各种环境下的运行测试，并加以该进；4、2016 年 3月前，尝试将组装调试好的系统加以封装，并加以宣传，使之能够运用到实际生活中去；撰写研究论文，尝试发表到某些杂志；讨论答辩事宜，做结题前的最后准备；六、项目预期成果（成果形式：论文、设计、产品研制、软件开发、专利、研究或调研报告、课件等）71、按照计划，在规定时间内完成任务，包括原理图设计以及实物组装等；2、撰写研究论文，一是准备到一些相关杂志
13、上进行发表，二是作为项目报告；3、进行宣传，申请专利；4、将产品推广应用；七、项目指导教师情况姓 名 性别 年龄 职称 职务 所在院系或 研究机构 联系电话 手机 E-mail李庆利 男 副教 授 信息科学技 术学院 13817029529 八、项目主要研究人员名单学号 姓名 年级 所学专业 项目研究中承担的主要任务 本人签名10132140249 葛灵 2013 通信工程 负责人10132140243 徐怀奇 2013 通信工程 组员10132140220 陈丹妮 2013 通信工程 组员10132140217 孙佳慧 2013 通信工程 组员九、项目经费预算（申请资助经费数额；详细列出各项
14、支出项目、金额和用途）1、购买相关资料书籍以及仿真测试平台：2、进行相关社会调查3、购买系统构建所需器材4、封装系统并进行宣传推广5、撰写论文及发表十、项目研究所需资源（拟依托的实验室或研究中心等机构、拟使用的仪器设备及其他）81、系统原理图仿真测试平台（软件平台） 。2、实物系统测试及改进平台（硬件平台） ，包括华东师范大学实验室。项目负责人签字：年 月 日十一、指导教师意见9指导教师（签字）：年 月 日十二、院系意见负责人（签字）：（院系公章）年 月 日十三、学校专家评审组意见（对项目的学术价值、预期效果以及研究方案可行性的评价；是否同意立项）10组长（签字）： 年 月 日十四、学校意见负责人（签字）：（学校公章）年 月 日
