基于声学参量阵的声频定向传输系统原理及应用研究

声频定向传输系统是一种可以使声音像光束一样沿固定方向传播的装置。该系统颠覆了人们认为可听声不具有方向性这一传统观念,它利用超声波信号在空气中的非线性传播效应,自解调形成具有高度指向性的可听声传至接听者。本文在基于声学参量阵理论的基础上,对声频定向传输系统的基本理论,系统架构,关键实现技术等方面进行了深入的研究和论述。 论文首先从非线性波动方程出发,对两列超声波在空气中传播时的非线性相互作用进行了理论推导。在此基础上对Westervelt线源参量阵理论和Berktay宽带参量阵远场解进行了深入的研究,阐明了声频定向传输系统的工作原理。 根据声频定向传输系统总体硬件结构要求,设计了基于TMS320VC5509A DSP的音频信号处理电路,该电路包括信号调理电路,数字信号处理模块电路,信号输出模块电路,存储扩展电路,JTAG接口,电源转换电路等。 本文根据声学参量阵自解调理论模型,对音频信号处理算法进行深入的研究,分析对比了双边带调制算法,开平方预处理调制算法以及单边带调制算法的具体实现原理和过程。研究了当输入信号分别为单频信号和复合信号时,采用上述三种算法所得到的自解调二次信号的失真问题。 针对单个换能器无法满足系统输出声音具有高指向性和高声压级这一缺陷,提出了采用多个换能器按一定方式组阵的方法来提高系统指向性和声压级。文中详细推导了换能器阵列的指向性函数,利用MATLAB软件对圆形活塞矩形平面阵的三维声场指向特性进行了数值模拟和分析。与此同时分别研究了在阵元尺寸和工作频率一定条件下,阵元间距和阵元数目对阵列指向性的影响情况。最后设计出了具有高指向性的圆形活塞矩形平面阵列。 本文系统地研究了声频定向传输系统的相关理论,完成了对声频定向传输系统的设计,研究的主要结果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。