1、第32卷第2期 2010年4月 压电与声光 PIEZOEI ECTRICSACOUST00PTICS Vol_32 No2 Apr2O1O 文章编号：1004-2474(2010)02018403 超声调制声频定向传播性能研究 孙 健 ，吴亚锋 ，薛惠君 (1西北工业大学数据处理中心，陕西西安710072；2陕西师范大学物理学与信息 技术学院，陕西西安710062) 摘要：通过实验，对基于超声调制的声频定向传播性能进行研究。利用调幅技术将音频信号调制成超声波 载波信号并发出，由于空气中的非线性作用，可产生具有强指向性的可听声音。该文构建了一超声调制模拟声频 信号定向传播系统，并设计了指向性实验
2、测试装置。应用该系统，对不同频率、不同距离的解调可听声频信号在传 输过程中的变化特征及其指向性进行了实验和分析。结果表明，随着声频信号的频率提高指向性增强，距离增加 指向性变差。 关键词：声频定向；调制信号频率；测试距离；指向性 中图分类号：TN912 文献标识码：B The Research of The Directed Audio Experiment Based on Ultrasonic Modulation SUN Jian 。WU Yafeng ，XUE Huijun (1Data Processing Center，Northwestern Polyteehnical Univ
3、ersity，Shaanxi，Xi an 710072，China； 2School of Physics 8L Information Technology，Shaanxi Normal University，Shaanxi，Xi an 710062，China) Abstract：In this paper，the directed audio experiment based on ultrasonic modulation has been carried outThe ultrasonic wave which is amplitude modulated by the audio
4、signal is radiated by the ultrasonic transducer array into the airBy the nonlinearity of the propagation mediumair，we can produce audible sound with high directivityThis paper constructed the directed audio analogue system based on ultrasonic modulation，and the experiment equipment with ultrasonic t
5、ransducer array has been designedIn this system，by changing the frequency and the distance of the audio signals we test and analyze the different characteristic and directivity of the different frequencies of audio signals while propagating in the airThe experimental result shows that the directivit
6、y of the modulated signals are enhanced with the increase of the audio signal frequency while the directivity become worse with the increase of test distance Key words：directed audio；modulation signal frequency；test distance；directiivity 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
7、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 性嘲。 2O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 。20 世纪8O年代初，日本Kamakura Tl5 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
8、F JosephL6 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。 】 理论基础 2O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。 Westervelt得到如下的非奇次波动方程 。p。一 一P。 (1) 收稿日期：20080909 作者简介：孙健(1983一)，男，陕西省西安市人。
9、硕士生，主要从事振动与声音信号控制研究。吴亚锋(1961一)，男，陕西省华县人，教授，博导， 主要从事振动与声音信号分析控制研究。薛惠君(1983一)，女，辽宁省葫芦岛人，硕士生，研究方向：信号与信息处理的研究。 第2期 孙健等：超声调制声频定向传播性能研究 185 式中q一 簪 为流体密度 为基波声压； 器阵列。 P 为二次波声压； 为声速； 为媒质的非线性参 数。 求解式(1)可得，非线性相互作用后产生二次波 的声压 肌南 q( 一 ) 2 式中r为观测点的位置向量；为声源位置向量； 为非线性作用空间。 由式(1)、(2)可知，经单频声g( )一sin wt调制 后的超声信号，经由超声波换
10、能器发射后，在距轴向 z远处的调制波声压 P1一Po1+ g(f fo)e一 sin(J0( 一 ) (3) 式中P。为超声声压；60。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；a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()的声信号源，声源方 程为 q一 e rag(t-xCo)+ 妻m。g。(t-xc。) (4) 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P 在换能器阵列轴 向r处声压为 嘉 一 ) (5) 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
11、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。 图1实验系统组成 本实验中使用的超声换能器_7(T-4012)采用 压电陶瓷材料制作，标称频率：40 kHz，在1O V (0 dB=002 mPa)时，发射声压117 dB。在 1 kHz、端压 鲁 j四 磐 频率kHz (b)1 kHzi幅波频域图 图4 1 kHz调幅波时频域图 该调制信号由换能器阵列发射到空气中，并在 传播过程中自解调。由于载波和其上下边频及其和 频信号超过了人耳听觉极限频率20 kHz。因此在 观测点只能感受到其中的差频信号声音。 在距
12、声源1 in处利用传声器可检测得到经过 186 压电与声光 空气非线性作用解凋后的调幅波信号(见图5)。由 图可见，在1 kHz处有明显的信号出现，该结果就 是空气对调幅波的非线性作用的结果，它是一与原 调制波相同频率的解调后的可听声音。 要 靼 骧 图5空气解调出的1 kHz声音信号 32不同频率下的指向性分布 换能器阵列被固定在一以5。为间隔分成36等 分的转盘上，实验时按每一角度转动换能器阵列。 测量传声器被置于指向性装置的正前1 1TI远处，转 动阵列记录每一角度的声压值，并将其画于极坐标 图上，得到指向性图。图6为这一指向性实验装置。 图6指向性实验装置 图7为 =1 kHz、2 k
13、Hz、4 kHz、8 kHz，T一 04时的声压图。由图可见，在不同频率的声频信 号经模拟电路调制和空气解调后，其问接产生的可 听声音信号具有明显的指向性。且随着频率的增 加，其指向性也越强。 。 ， nno (a)l kHz时的声压图 o 父 ，nn口 1n 、 、一 。 一 ， nno (b)2 kIz时的声压图 nn。 ，dn 、 (c)4kHz时的声压图 (d)8kl-lz时的声压图 图7不同频率信号能的指向性图 33不同距离下的指向性分布 通过对不同频率声频信号指向性的对比，以 4 kHz声频信号作为不同距离测试环境下的测试频 率。 将传声器分别置于0s rn、10 m、30 m处，
14、可 测得在不同距离处4 kHz信号的声压指向性，如图 8所示。由图可看出，随着测试距离的不断增加，间 接产生的可听声音声压幅值有所降低且指向性变 差，但仍具有明显的指向特性。 ，4n 、 ， nn0 (a)05 m处的声压图 (b)10 rn处的声压图 ， nno (c)30 In处的声压图 图8不同距离处4 kHz声频信号指向性图 4 结论 本文研制了一模拟定向声频信号传输系统，设 计了超声换能器阵列及其实验装置。利用该系统， 本文对不同频率音频信号在传播过程中的变化特征 及其指向性特点进行了实验研究。得出如下结论： (1)通过无线电调幅技术，将普通的声音信号 调制成具有高指向性的超声波信号
15、，通过换能器发 射传播，经空气的非线性作用能够还原出原始可听 声音信号。 (2)经空气解调后的可听声音具有明显的指向 特性且随着频率的升高，超声调幅信号的指向性变 得越来越强。 (3)随着传播距离的不断增加，可听声信号的 指向性有所下降，但仍然具有明显的指向性。 在本文实验中，由于实验环境的不理想和测试 系统的误差，造成了指向性声压分布图中心偏离，但 未影响对解调声音信号指向性的研究分析。 对于声频定向传播技术，为获得更理想的指向 性和声音清晰度，一种有效的解决方法是对声频信 号的调制算法进行改善，以抵消调幅信号在传播过 程中产生的声音失真，达到更好的指向性。 (下转第19O页) 19O 压电
16、与声光 2010伍 10 11 E12 13J 14 glycation end productsassociated parameters in the peripheral blood of patients with Alzheimer s disease EJLife Sci，1996，59(8)：679685 FUMITAKA H，NAGARAJ R H，MIYATA S，et a1 Aging of proteins：immunological detection of a glu cose-derived pyrrole formed during maillard reacti
17、oni n vivoJBiological Chemistry，1989，263(7)：3758 3764 MULDER D J，TARA M D，DE WATER V，et a1 Skin autofluorescence， a novel marker for glycemic and oxidative stressderived advanced glycation endproducts：an overview of current clinical studies， evidenceand limitationsJDiabetes Technology& Therapeutics，
18、2006，8(5)：523535 DYER D G，DUNN J A，THORPE S R，et a1Accu mulation of maillard reaction products in skin collagen in diabetes and agingJJ Clin Invest，1993，91(6)： 24632469 李步洪，谢树森荧光光谱及其成像技术在光活检中 的应用J光谱学与光谱分析，2005，25(7)：1083一 lO87 LI Buhong，XIE ShusenFluorescence spectroscopy and imaging for optical bio
19、psyJSpectroscopy and Spectral Analysis，2005，25(7)：10831087 ABMED N。ARGIROV O K，MINBAS H S，et a1 15 16 17 Assayof advanced glycation endproducts(AGEs)：sur veying AGEs by chromatographic assay with derivat ization by 6-aminoquinolgylN-hydroxysuccinimidyl carbamate and application to Nepsilon-carboxyme
20、th yllysine-and Nepsilon一(1-carboxyethy1)lysine-modi fied albuminJBiochern J，2002，364(Pt 1)：1-14 文尚胜掺稀土离子激光玻璃荧光光谱的测量J光 学技术，2003，29(5)：587589 WEN ShangshengMeasurement for the fluorescent spectra of rare earth ionsdoped laser glassJ Optical Technique，2003，29(5)：587589 黄宝华，陈荣，曾海山，等皮肤组织血液含量对皮 肤光谱的影响J2光
21、谱学与光谱分析，2007，27(1)： 95-98 HUANG Baohua，CHEN Rong，ZENG Haishan，et a1The impact of blood content in skin tissue on skin spectraJSpectroscopy and Spectral Analysis，2007， 27(1)：95-98 陈伟民，胡松，温志渝，等微小型光谱仪光谱带宽 及象元分辨力的讨论J压电与声光，2000，22(3)： 149151 CHEN Weimin，HU Song，WEN Zhiyu，et a1The theoretical study on the
22、 spectral width and resolution of the minispectrometerJPiezoelectricsAcous tooptics，2000，22(3)：149151 (上接第186页) 参考文献： 1 KUZNETSOV V PEquations of nonlinear acoustics JSoviet Physical Acoustics，1971(16)：467470 2 3 4 5 杜功焕声学基础M上海：上海科技出版社，1981 wEsTERVELT P JParametric acoustic arrayJJ Acoust Soc Am，196
23、3，35(4)：535 537 BERKTAY H OPossible exploitation of nonlinear acoustics in underwater transmitting applicationJJ Sound and Vibration，1965，2(4)：435 461 YONEYAMA MThe audio spotlight：an application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of 6 7 loudspeaker designJJournal of the Acoustica
24、l Socie ty of America，1983，73(5)：15321536 POMPEI F JSound from ultrasound：the parametric array as an audible sound sourceDUSA：M IT， 2002 贾宝贤，边文凤，赵万生，等压电超声换能器的应用与 发展J压电与声光，2005，27(2)：131135 JIA Baoxian，BIAN Wenfeng，ZHA0 Wansheng，et a1Application and development of piezoelectric ultra sonic transducersJPiezoelectric 8L Acoustooptic， 200527(2)：131135
