聲波定向發(fā)射器的原理研究及實(shí)現(xiàn)

張培培

（西安交通工程學(xué)院，西安 710300）

1 超聲波定向發(fā)射原理

1.1 超聲信號(hào)發(fā)生器的選擇

由于聲音信號(hào)的頻率與在空氣中的衰減程度成正比，即當(dāng)聲音信號(hào)的頻率越高時(shí)在空氣中的衰減也就越大，然而當(dāng)聲音信號(hào)的頻率越高時(shí)定向性反而越好，因此綜合考量，本文選用超聲信號(hào)的頻率為21KHz，與此同時(shí)出于調(diào)試過(guò)程的需要，方便選擇最佳的超聲頻率，設(shè)計(jì)了頻率可調(diào)的信號(hào)產(chǎn)生器。

超聲波信號(hào)產(chǎn)生部分是常規(guī)電路，主控制電路完成對(duì)整個(gè)電路的控制及工作狀態(tài)的監(jiān)督；頻率及功能顯示部分顯示現(xiàn)工作頻段，出現(xiàn)故障顯示故障代碼。功率顯示采用十段發(fā)光發(fā)光二極管按比例顯示功放的輸出功率。功率調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)輸出功率的大小并有記憶功能。間隔時(shí)間設(shè)定時(shí)設(shè)置功放的發(fā)射時(shí)間和間歇時(shí)間。頻率調(diào)節(jié)分兩個(gè)層次，一是四位撥位開(kāi)關(guān)進(jìn)行大的頻率設(shè)置20KHz～90KHz，二是用電位器調(diào)節(jié)段內(nèi)頻，每步進(jìn)為1KHz，超聲信號(hào)產(chǎn)生電路在主控和頻率調(diào)節(jié)的控制下產(chǎn)生出我們所需要的超聲波信號(hào)。超聲信號(hào)與功放接口部分包括IN-和IN+，分別是超聲波信號(hào)的反向信號(hào)和正向信號(hào)，其中正向信號(hào)經(jīng)反饋控制端TMP 反饋回超聲信號(hào)產(chǎn)生電路，超聲信號(hào)產(chǎn)生器便停止工作。頻率顯示為“00”KHz，INP 為功率控制信號(hào)輸出，它是一個(gè)20kHz 的間歇信號(hào)，間歇時(shí)間Tj=10ms（100Hz），信號(hào)的持續(xù)時(shí)間決定輸出功率的大小。

1.2 調(diào)制方法的選擇

由于超聲信號(hào)在空氣中的自解調(diào)效應(yīng)，為了得到指向性清晰的聲音信號(hào)，能夠?qū)⒙曇粜盘?hào)調(diào)制到超聲波的頻率上的調(diào)制方式只有振幅調(diào)制，常規(guī)AM 調(diào)幅的效率最高只有50%，調(diào)制效率太低；單邊帶調(diào)制（SSB）雖然調(diào)制效率可以達(dá)到100%、節(jié)省了一半的頻帶、節(jié)約了發(fā)射功率，但其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜；因此折中選用抑制載載波的雙邊帶調(diào)制（SC-DSB），該調(diào)制方式不僅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，調(diào)制效率也高。

1.3 超聲功率放大電路的設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)輸出功率為3KW 的超聲波功率放大電路。超聲功率放大電路主要由功放驅(qū)動(dòng)電路和功放末級(jí)放大電路組成。其中功放驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示，功放末級(jí)放大電路如圖2所示：

1.3.1 功放驅(qū)動(dòng)電路

號(hào)產(chǎn)生器部分輸出的21KHz 超聲波信號(hào)由IN+輸入功率放大器的正向驅(qū)動(dòng)端，經(jīng)反向器反向后由IN_輸入到功率放大器的反向驅(qū)動(dòng)端。T201和T202構(gòu)成反向驅(qū)動(dòng)端，T203和T204構(gòu)成正向驅(qū)動(dòng)端。信號(hào)的正半周期T203導(dǎo)通，T204截止，T201導(dǎo)通，T202截止，在變壓器Tr201初級(jí)形成電流信號(hào)如圖1（a）所示：信號(hào)的負(fù)半周期T203截止T204導(dǎo)通，T201截止T202導(dǎo)通，在變壓器Tr201初級(jí)形成電流信號(hào)如圖1（b）所示：可見(jiàn)在信號(hào)的正負(fù)半軸周期在Tr201初級(jí)形成相應(yīng)的交變電流，且為功放末級(jí)提供了足夠推動(dòng)功率。

圖1 功放驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通圖

1.3.2 功放末級(jí)工作原理

功放末級(jí)由u101和u104構(gòu)成，其原理電路如圖2所示：

圖2 功放末級(jí)電路圖

Tr201次級(jí)有兩個(gè)繞組，功放u101接同名端，u104接另一組線(xiàn)圈異名端，輸出outA 和輸出outB 與輸出變壓器Trout 相接。信號(hào)的正半周期u101 導(dǎo)通，u104 截止，電流流向?yàn)閂、u101、outA、Trout 初級(jí)、c106，如圖9 中黑線(xiàn)所示。信號(hào)的負(fù)半周期u101 截止u104 導(dǎo)通，電流流向?yàn)閂、c107、outB、Trout 初級(jí)、u104。u101和u104都是大功率MOS 管，可以在Trout 的初級(jí)形成很大的激磁電流，該電流的變化與超聲信號(hào)變化相同，完成了對(duì)超聲信號(hào)的功率放大。u101和u104可采用多只功率管直接并用實(shí)現(xiàn)更大的功率放大。這也是這種功放電路設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該定向傳輸系統(tǒng)由三部分組成分別是主機(jī)、輔機(jī)、換能器。超聲波定向發(fā)射器電路設(shè)計(jì)和實(shí)際調(diào)試完成后，其聲音定向發(fā)送的效果達(dá)到了較為滿(mǎn)意的效果。經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了功能驗(yàn)證性的實(shí)際測(cè)試。發(fā)射系統(tǒng)的正前方可以明顯感受到音頻信號(hào)的存在，而其他方向聲音信號(hào)的強(qiáng)度則減弱很多，僅能感受到十分輕微的聲音信號(hào)存在。

實(shí)際測(cè)試環(huán)境要求在在聲音的傳播方向上沒(méi)有明顯遮擋物，因此選在了室外空曠處。在室外空曠處發(fā)射定向聲波，以人的聽(tīng)力為接收標(biāo)準(zhǔn)，由試驗(yàn)者根據(jù)發(fā)射距離接收所發(fā)聲音，測(cè)試發(fā)散角度（兩試驗(yàn)員與發(fā)射器之間的夾角）。最終通過(guò)測(cè)試聲波的發(fā)散角度的方法來(lái)判斷及確定聲音的定向效果。

實(shí)際測(cè)試結(jié)果：

（1）發(fā)射功率為100W 條件下，據(jù)發(fā)射距離10m遠(yuǎn)處聲音的發(fā)散距離為5m，發(fā)散角度為30°，接收聲音清晰。

（2）在發(fā)射功率100W 條件下，據(jù)發(fā)射距離30m 遠(yuǎn)處聲音的發(fā)散距離為6m，發(fā)散角度為16°，接收聲音基本可聽(tīng)。

（3）在發(fā)射功率300W 條件下，據(jù)發(fā)射距離30m 遠(yuǎn)處聲音的發(fā)散距離為6m，發(fā)散角度為15°，接收聲音基本可聽(tīng)。

在聲波定向傳輸設(shè)備的有效傳輸范圍內(nèi)，沿傳輸方向上聲音強(qiáng)度分布較為均勻，與兩束聲音信號(hào)在非線(xiàn)性空間傳輸時(shí)邊解調(diào)邊傳輸?shù)脑硐辔呛稀?/p>

測(cè)試結(jié)論：聲波定向傳輸系統(tǒng)具有明顯的定向傳輸特性。