高指向性音频声波理论与控制研究

摘要

声音是人类传播信息最直接的载体，是人类在生产、生活和社会活动中重要的交流手段。人类对声音的研究与探索有数千年历史，已形成了系统发线性声学理论。近几十年来，随着非线性声学的发展以及六十年代初韦斯特威尔特提出的声学参量阵理论，声学研究获得巨大的突破，改变了习惯上认为低频声波不可能形成尖锐指向性的观念。声学参量阵可以通过传播介质（本文中是空气）的非线性作用，将低频声波凝聚为一个“声柱”，将载有信息的音频信号传输到指定区域和特定听众那里。本文对声学参量阵进行了深入地分析研究，讨论和完善了声学参量阵的一些关键性技术，并提出了声学参量阵的系统构架。主要研究工作和取得的成果如下： （1）声学参量阵的理论基础是韦斯特威尔特提出的参量阵理论和伯克泰的声学参量阵远场解，但是伯克泰远场解局限于正轴位置。本文对该远场解进行了改进，在建立二次再现声波方程时不但包含正轴和偏轴的声响应，还将再现二次声波的衰减考虑在内。将数值计算的模拟结果和庞培的实验结果进行对比，本文的再现声波远场解能更准确表达声压的分布状况。 （2）声学参量阵是通过空气介质的非线性作用从超声波中再现低频声波，因此超声波换能器阵的指向性是保证再现低频声波高指向性的基础。本文对不同类型的换能器发射阵以及由它们形成的声学参量阵进行了系统地研究。从成本和技术成熟度考虑，选择了常用的圆形活塞组合矩形平面阵作为研究的重点，对它的指向性性能进行了详细地研究。并利用不同阵元输出不同振幅声波的方式建立了一个新的换能器阵数学模型，利用该方法不但可以提高圆形活塞组合矩形平面阵的指向性性能，而且还能有效地抑制旁瓣级，加强主瓣的能量集中，提高电声转换效率。 （3）实现再现二次音频的过程经过了两次转换：首先将输入音频转换为超声波； 然后由在空气介质中传播的超声波“自解调”形成高指向性的音频。第二次转换依赖空气介质，无法操控，但是它是建立在第一次转换的基础上。同时鉴于非线性声场的特殊性，本文详细地研究了在第一次转换中所应用的再现音频声响应的控制理论与技术，系统地分析了不同调制和预处理方式对再现二次音频的影响，得到再现二次音频声压和调幅信号包络形状（函数）直接相关的结论。并提出使用单边带调幅的方案，该方案在单频波的情况下能够直接得到理想包络形状，对已知频率的复杂波通过修正频率、振幅和相位的方法可以使调幅包络趋于理想形状。因此在低能耗、窄带宽和不经过预处理的情况下也能高质量的再现二次音频。 （4）实现声学参量阵需要一个完整的声信号处理系统，涉及到多门学科的知识。 本文对整个声学参量阵系统的构架进行了设计，并对子系统以及构成子系统的功能模块进行了尽可能详细地研究。特别是数字音频信号处理子系统是整个声学参量阵系统的枢纽，它集中控制了声信号的采集、处理、调制等处理过程，是产生高质量再现二次音频的关键，所以是整个系统的研究重点。在数字音频信号处理子系统中主要研究了动态范围控制器、预处理和调制等功能模块。这些研究的最终目的是能够设计出一个具有高保真音质和频率响应平滑的声学参量阵系统。 本文系统地研究了声学参量阵的相关理论，完成了对声学参量阵系统的设计。在研究的过程中，利用MATLAB 等数学工具，对研究的结果进行了二、三维数字计算和模拟。通过与已有的理论和实验结果对比，本文在对声学参量阵系统的研究中所提出的算法具有一定的先进性，研究工作的主要成果为声学参量阵系统的实现提供了基础，具有较重要的理论参考价值和实践意义。