压电陶瓷定向扬声器应用设想

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1、声频定向扬声器在业界又被称作声束扬声器（Audiobeamloudspeaaker),音频聚光灯(Audiospotligth),超声频声音系统(Hypersonicsoundsystem),指向性声学系统(directionalacousticssysterm),参量扬声器(parametricloudspeaker),参量声学阵列(parametricacousticsarray)等，作为一种新型扬声器目前还没有统一的名称。由于其利用超声波在空气传播中的非线性交互作用产生高指向性自解调可听声，可实现声频的定向传播，因此个人称之为声频定向扬声器更为贴切。签

2、于国内业界对此类扬声器的基本原理，发展历史，研究现状，技术热点及应用前景作一较为全面的介绍，以供电声业界人士参考。一.基本原理与系统特点对声频定向扬声器的研究最早可追溯到18世纪中叶心理声学中Tartini音调的发现，即当两个音一齐发声时如果是稳定的话，同时发出的第三个音也是可听得见的。Tartini音调是一个主观的音调，即使是两列频率很近的超声波信号也可使人听到这种线性叠加的声音变动。后来，Helmholtz证实了两个音调在空气中传播可以通过非线性作用产生它们的差频，和频信号，其理论及公式预测与测得数据的吻合支持了该结论的正确性。根据Helmholtz的理

3、论，两平面波在不均匀介质中非线性传播的二阶场关系可描述为如图1所示的关系。当向超声换能器输入两个频率分别为f1,f2的电信号时，超声换能器通过机械振动向空气中发射两列频率分别为f1,f2的超声波。这两列超声波在空气中产生非线性交互作用，从而最后生成了包括原超声信号f1,f2和频信号f1+f2及差频信号f1-f2的复杂声波。由于声吸收系数a与频率的平方成正比，频率较高的超声波信号f1,f2,f1+f2将很快被空气吸收掉，剩下处于声频范围内的差频信号f1-f2在空气中高指向性传播。贝尔实验室对这种由声波在空气中的“变形传播”的非线性作用产生新频率成分声波的机理作

4、出了合理解释。声波是否具有指向性，与声波波长与声源尺寸的比率密切相关。当声波波长远大于声源尺寸时，声波没有指向性；当声波波长接近直至远小于声源尺度时，声波将逐步呈现出越来越强的指向性。声频波波长处于17mm-17m之间，大部份声频波波长都远大于声源尺寸，因此声频范围一般是没有指向性的。而图1所示，处于声频范围内的差频信号f1-f2为何具有强指向性呢？1962年12月，BrownUniversity的物理学教授PeterWestervelt在他的一篇论文中首次提出了参量阵(parametricarray)的概念，对这种现象作出了合理解释，其基本原理如图2所示，

5、换能器向空气介质中发出强烈调制的超声波，超声波在沿其传播轴前进过程中不断通过非线性作用解调出声频信号，这些不断解调出来的声频累积叠加起来，由此，一个端射式虚拟声源阵列(end-firevirtualarray)通过这种方式实现了。这个虚拟声源阵即所谓的参量阵。参量阵使得声频波的能量在声波前进方向上不断的得到加强，而由于超声波具有较强的指向性，在传播主轴方向以外这种叠加加强效应很微弱，这最终导致声波在主传播轴方向具有了很高的指向性。参量阵的提出为产生高指向性声频波的实现提供了理论依据.1965年，在Westervelt参量阵研究的基础上，H.O.Berktay

6、进一步提出了关于参量阵的精确的，更完整的理论解释，更为重要的是他推导出参量阵的自解调声频波正比于原输入信号包络平方的二次时间导数，这为以后声频定向扬声器的信号处理提供了理论依据。声频定向扬声器正是利用了参量阵原理来产生高指向性可听声。从声频定向扬声器的工作原理可以看出。它具有以下系统特性：1）能发射高指向性声频波，这是传统扬声器无法做到的；2）与传统扬声器通过机械振动激励空气直接发出可听声相比，它是先发出超声波，然后由超声波在空气中通过非线性作用自解调出可听声，即间接发出声频波；3)所发声频波能量集中,在传播过程中大部份能量位于传播轴附近，因此与非指向性声源

7、向各个方面辐射能量相比，其衰减要慢得多，这使得它的声频传播距离更远；4）传统扬声器在扬声器口时音量最大，而声频定向扬声器的声音是沿传播轴逐渐解调并不断叠加形成的，因此其能量在接近参量阵有效长度时才达到最大值。5）换能器所发出的超声波及由于非线性作用产生的超声波会在空气中快速衰减掉，最后只留下声频波在空气中高指向性传播.6)通过多个换能器组阵（事实上目前声频定向扬声器绝大部份是以换能器组阵的方式进行研究的），可通过相控阵原理实现声束在换能器平面前半空间内任意角度的指向性传播，这种功能可摆脱机械式摆动的控制特点，纯粹以电路设计及信号处理方式快速改变声束的传播角度

8、。二.声频定向扬声器的研究热点主要集中于以下几个方面