基于模擬乘法器的超聲調幅器實現

張培培

（西安交通工程學院，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，但超聲波的波長要短得多，從而使發聲器的尺寸可做得很小，便可達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射的效果。

聲波定向發射技術具有非常廣闊的應用前景，同時也擁有著很強大的商業價值。可用于公安防暴和軍事領域，發出的聲壓級足夠高，就是一種新型的聲學武器，所發出的強大聲能量將會對敵人造成身體傷害和使其產生極大的心理恐懼。如果用于反恐行動，可以有效地打擊恐怖分子，同時保證人質不受傷害[1]。利用指向性聲源的虛擬聲源效應，可以用來擾亂敵人的判斷力，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，失去戰斗意志。還可用于商業領域，由于它發出的聲音具有很強的指向性，可以利用這一點來產生針對個人的聲音，而不會打擾到其他人。例如，博物館里的游客站在某件展覽品面前時，只會聽到和這個展覽品有關的聲音，而不會被來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自己的喜好來選擇背景音樂，而不會打擾到其他人；逛超市的時候，經過不同的貨架，就聽到不同的商品的介紹，而處在其他地方的顧客不會受到這些聲音的打擾。另外，還可應用于機場驅鳥設備，既防止了威脅安全飛行的“鳥撞”事件的發生，又很好地保護了鳥類，使機場在驅鳥方面朝生態文明靠攏。

現有的定向揚聲設備基本選用聚音罩實現方式。聚音罩是基于光學原理，定向傳播聲音效果不佳，漏音現象較為嚴重。本文是基于調制原理以及機械波的疊加原理，使得聲音所占用的空間少而有效，既合理利用了時間資源，又節省了空間資源[2]。

1 調幅器的電路實現

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與波源的尺寸之比，當波的波長遠大于波源的尺寸時，波就沒有定向性。當波的波長接近聲源尺寸時，開始呈現波的定向傳播，當波的波長遠小于波源尺寸時，波的定向性越來越強。

為了使發出的聲音信號有定向性，必須把聲音信號調制到超聲波的頻率上，適合于空氣中自解調的調制方式只有振幅調制，常規調幅的效率太低，單邊帶調制雖然節省頻帶、節約發射功率，但其電路結構復雜，選用抑制載雙邊帶調制，電路相對簡單，空氣中自解調可恢復出完整的的音頻信號。利用平衡、抵消的方法把調制中的載波信號抑制掉。本文選用模擬乘法器MC1496作為超聲調制器的核心部件。模擬乘法器MC1496是一種有源非線性器件，能夠實現對兩個模擬信號（電壓或電流）的相乘功能，即輸出信號與兩輸入信號的乘積成正比。高頻電子線路中的振幅調制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒頻、鑒相等調制與解調的過程，均可視為兩個信號相乘或包含相乘的過程。采用MC1496構成的雙邊帶抑制載波調幅器的電路示意如圖1所示。

圖1 調制電路

MC1496作為一個模擬乘法器，它具備多種振幅調制解調功能[3-4]，信號調制主要由加法運算和乘法運算兩部分實現，其中加法實現調制信號的偏置，乘法實現振幅調制。MC1494采用雙電源供電（+12 V/-8 V），圖1中把它設計為抑制載波雙邊帶調幅器，并通過適配電路將已調信號放大到超聲功放所需的信號電平。管腳5通過偏置電阻接地。載波信號由超聲波信號發生器產生后經過C1高頻耦合電容耦合到管腳10，管腳8通過一個高頻旁路電容C2接地，管腳10和管腳8共同構成載波信號的差分輸入端，調制信號經過低通濾波后加載到管腳1，管腳1和管腳4共同構成調制信號（音頻信號）的差分輸入端，管腳2和管腳3之間接入1 kΩ的負反饋電阻，主要是為了擴展調制信號的線性動態范圍，且電阻值越大，動態范圍越大，但會減小乘法器的增益。管腳1和管腳4之間的電阻和變阻器組成平衡調節電路，改變變阻器的阻值，就可以改變調制系數的大小。W1是平衡調整，通過調節W1，可達到抑制載波的作用。W2和W3為輸入電平調節。W4是適配調節，使適配電路的輸出平均電平滿足超聲功放的要求。

2 調幅器的實驗結果

本文選用的聲音信號為頻率1 kHz方波信號如圖2（a），載波選用20 kHz方波信號，經過超聲調制器調制后得到頻率為21 kHz的已調信號如圖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，對比調制前后方波信號的波形，利用平衡、抵消的方法，把普通幅度調制中的載波進行了較好的抑制作用，達到了預期的調制效果，得到了合適的已調信號波形，為后續聲波定向傳輸系統的功放電路、超聲換能部分提供了合適的頻帶信號。

圖2 信號波形

3 結語

調幅器作為聲波定向發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制方式，利用超聲波在空氣中的自解調效應，經過多次實驗和設計，成功實現了超聲調制器的電路設計，取得了良好的實驗結果。聲音的定向傳播不管在軍事還是民用領域都具有較廣泛的應用價值，因此，基于模擬乘法器的超聲調制器的設計也具有極大的市場發展潛力。

[1]孫健，吳亞鋒，薛惠君.超聲調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.聲波定向傳輸實驗系統的設計與研究[J].通信技術，2009（11）：19-21.

[3]張揚.聲波定向系統設計[D].長沙：國防科學大學，2011.

[4]紀鳴.聲頻信號定向傳播技術研究[D].西安：西北工業大學，2005.