基于声学参量阵的声频定向技术研究

摘要

声音污染不仅让人心烦、睡眠不好，甚至还会引发心脏疾病。基于声学参量阵的声频定向系统能够像激光一样让声波具有方向性，将需要传播的声音信号与超声载波信号进行调制，调制后的信号在空气介质中能够自解调出具有高指向性的可听声音信号，从而为人们提供相对独立、安静的环境。本文在声学参量阵理论基础上，对声频定向系统差频声场模型、预处理算法、换能器阵列以及样机软硬件设计等关键技术具体分析，并利用搭建的测试平台论证该系统的性能参数，对于声频定向系统的进一步应用具有一定的理论参考价值和实践意义。　　本文首先设计了声频定向系统软硬件平台。在硬件方面完成了信号处理、换能器阵列、声强检测三大模块的电路原理图和PCB设计。跟大多数声频定向系统采用FPGA和DSP不同的是，在满足系统使用的前提下，信号处理模块选择STM32F405微控制器，STM32F405具有成本低、功耗小、功能拓展方便等优点。此外基于界面开发软件QT设计了声频定向系统声强检测模块，提供友好的人机交互界面。为声频定向系统的实现提供了软硬件基础。　　其次根据Helmholtz的非线性声学理论建立了差频声场理论模型，并通过计算机仿真得到了差频声场指向性影响因素，分析了其与常规方式产生声场的区别，得到利用差频方式产生定向声音不仅可以提高声场指向性，还能有效抑制旁瓣，增加差频波频率和减小基波频率都能有效的提高差频声场的指向性。　　然后根据声学参量阵自解调理论，从单频输入和宽频输入两种情况，研究声频定向系统中三种信号预处理算法DSB、SQRT和SSB，总结出适合此系统的信号预处理算法，为获得高功率和低失真的自解调可听声提供了理论依据。　　随后针对声频定向系统发射阵列指向性问题，本文在均匀阵列的基础上提出了基于改进遗传算法的超声波稀疏阵列优化模型，构建了主瓣波束宽度和旁瓣增益的双因素适应度函数，并推导了换能器阵列的指向性函数。结果表明优化后的超声波阵列在满足低旁瓣、窄主瓣和无栅瓣的基础上，相比于均匀阵列，能够使用更少的阵元，有效控制了整个系统的成本，也为高指向性换能器阵列的设计提供了依据。　　最后搭建了声频定向系统测试平台，利用搭建的实验平台测试了声频定向系统的定向传声性能、声压强度等系统性能参数，得出了本文设计的声频定向系统能够产生指向性声音，并且具有比较良好的声场指向性。

目录

1 绪 论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3论文的研究内容与结构安排

1.3.1 论文的研究内容

1.3.2 论文的结构安排

2 声频定向系统软硬件平台

2.1系统总体设计

2.2信号处理硬件平台

2.2.1 电源模块设计

2.2.2 音频输入模块

2.2.3 MCU 处理模块

2.2.4 功率放大器模块

2.2.5 PCB设计

2.3换能器阵列硬件设计

2.3.1 超声波模块

2.3.2 换能器阵列设计

2.4声强检测模块设计

2.5软件系统

2.5.1 系统软件程序设计

2.5.2 QT 音频显示界面

2.6本章小结

3 差频声场理论模型建立

3.1非线性声学理论

3.2 参量声学阵理论

3.2.1 Westervelt 方程

3.2.2 Berktay 远场解

3.3 差频声场模型

3.3.1 差频声场理论模型

3.3.2 差频声场指向性影响因素

3.3.3 差频方式和常规方式产生声场

3.4 本章小结

4 声频定向系统预处理算法

4.1 双边带调制算法

4.1.1 单频输入信号

4.1.2 宽频输入信号

4.2 开平方调制算法

4.2.1 单频输入信号

4.2.2 宽频输入信号

4.3 单边带调制算法

4.3.1 单频输入信号

4.3.2 宽频输入信号

4.4本章小结

5 发射阵列设计

5.1遗传算法

5.1.1 初始化种群

5.1.2 适应度函数

5.1.3 选择

5.1.4 交叉和变异

5.2 超声波矩形阵列优化模型

5.2.1 单个圆形活塞换能器模型

5.2.2 矩形阵列 GA优化模型

5.3 算法改进

5.4 实验对比

5.4.1 改进算法比较

5.4.2 算法优化对比

5.5 本章小结

6 实验测试与结果分析

6.1 实验方案设计

6.1.1 实验组成模块

6.1.2 实验基本原理

6.2 实验结果与分析

6.2.1 系统指向性测试

6.2.2 远距离声音测试

6.3 安全性分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 展望

参考文献

附 录

A 作者在攻读硕士学位期间发表论文及专利的目录

B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C 作者在攻读硕士学位期间取得的奖项

D 学位论文数据集

致 谢