声波定向扬声器差频声场指向性研究

摘要

声波定向传播扬声器是一种新型的扬声器，它利用超声波与空气的非线性相互作用产生高指向性的自解调可听声，可以实现可听声波的定向传播。原波与空气非线性相互作用产生的差频声场的指向性是声波定向扬声器的关键性能之一。本文采用理论推导和计算机仿真的方法，讨论了换能器和换能器阵列参数对产生的差频声场的指向性影响，为声波定向扬声器的设计制作提供有意义的理论参考。
　　首先，本文根据点声源声场理论和Lighthill方程，推导了单个活塞换能器差频声场指向性表达式，在此基础上讨论了换能器面积、原波发射频率、差频波频率等因素对差频声场指向性的影响。结果表明，采用超声波差频方式产生的可听声场指向性要远远优于换能器直接辐射的可听声场的指向性。增大换能器面积，降低原波发射频率、提高差频波频率都有利于优化差频声场指向性。
　　其次，在单个换能器差频声场指向性理论的基础上推导出了采用圆形活塞换能器组成矩形换能器阵列情况下，阵列产生的总的差频声场的指向性函数。根据阵列声场指向性表达式，讨论了阵元面积、间距、数目、阵列尺寸、原波和差频波频率对阵列差频声场的指向性影响。结果表明，阵列声场主波束的指向性主要与整个超声波换能器阵列的尺寸大小以及差频波频率有关，而几乎不受阵元面积、阵元间距、阵元数目以及原波频率的影响；增大阵列尺寸或是提高差频波频率都可以强烈的提高主波束的指向性；增大整个超声波换能器阵列尺寸、增大阵元面积、缩小阵元间距、降低原波发射频率或是提高差频波频率都有利于抑制旁瓣幅值，但是差频波频率的提高对靠近主波束的旁瓣影响微弱。