一种相干声源系统的制作方法

1.本发明主要涉及相干声源技术领域，具体涉及一种相干声源系统。


背景技术：

2.两列频率相同、相位差恒定的声波传播到同一空间，该区域内某些位置上声压等物理量增大，而某些位置则减小，并在该空间内加强区域与减弱区域分布固定，这种现象就称为干涉现象。相干声波扰动大气是基于声波的干涉机理，使用相干声波来激励大气层，改变局部大气范围的压强，在大气特定的范围内产生稳定的、持久的、具有特定空间分布的“声压强体”，这些“声压强体”的空间分布特性由声源的特性决定，所以相干声波激励产生的扰动大气的“声压强体”的空间特性分布与相干声源的声源结构和声波的参数紧密相关。扰动大气的“声压强体”的空间结构可以通过声压的最大值和最小值的空间位置反映出来。
3.现有的技术中，阵列相干声源系统采用n
×
n个并联的声源，采用方形阵列排布，利用相干声波在传输过程中的干涉叠加现象，引起周围大气压强产生稳定、规律性变化，从而改变大气密度，达到改变大气折射率的目的。但是，该技术没有对声压进行控制，产生的声压强体的极大值没有分布在所有方向上，无法形成完整的聚拢效果，不能对大气中的气溶胶或者人为产生的气溶胶颗粒进行控制，保持气溶胶悬浮在目标周围，无法达到干扰雷达对目标物的识别，从而无法实现目标物隐身目的。
4.已有专利申请“采用阵列相干声源改变大气折射率的方法201911408956.4”中提出利用阵列相干声源系统产生的相干声波在传输过程中发生干涉叠加现象，引起周围大气压强发生稳定、规律性变化，大气压强规律性地变化引起大气密度规律性的改变，因此大气折射率发生变化，达到了利用声源改变大气折射率的目的。该专利重点对点阵列相干声源的理论模型进行阐述，未对系统的具体实现进行设计说明，同时，该系统未对气溶胶微粒进行控制，以达到增强折射或特殊目标隐身的目的。
5.相关说明：粒径小于10μm的气溶胶粒子受到重力和相当的空气动力可以长时间漂浮，在大气中漂浮的尘埃、烟、霾等气溶胶粒子对光波段电磁波具有重要的影响效应，可以吸收、遮挡、屏蔽雷达信号，降低雷达回波。通过对气溶胶粒子进行控制，可以使目标躲避声、光、红外、静电、静磁以及无线电波等各种手段对其探测、感知、识别，从而达到隐身的目的。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单、模块化、可形成完整的声压强体极大值环，对环内气溶胶颗粒进行聚拢控制的相干声源系统。
7.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
8.一种相干声源系统，包括控制终端、数字音频处理器、多通道音频功放单元和环形声源阵列；所述环形声源阵列包括多个扬声器，多个扬声器形成多个不同大小的环，各环同
中心布置；所述控制终端与所述数字音频处理器相连，用于控制音频信号的类型、幅值和频率，所述多通道音频功放单元分别与数字音频处理器和环形声源阵列相连，用于将音频信号进行放大后输出至指定环上的扬声器。
9.作为上述技术方案的进一步改进：
10.所述环为圆形，共包括四个环，分别为第一环、第二环、第三环和第四环；第二环、第三环和第四环以第一环作为圆心，同圆心布置。
11.各所述扬声器均布置于同一基板上，基板上设置有通孔，各所述扬声器固定在基板的通孔上，通孔的正面设有容纳所述扬声器的前腔体，通孔的背面设有后腔体，所述后腔体内填充有吸声材料。
12.其中第一环上设置有单个扬声器；第二环、第三环和第四环上均设置有多个扬声器，多个扬声器均匀分布在各环上；其中同一环上的扬声器相互串并联形成一路输出。
13.其中第一环为圆心，第二环半径为10cm，第三环半径为25cm，第四环半径为40cm；各环上的扬声器数量依次为1个，8个，16个，24个，第一环到第四环的声压比分别为1：2：3：3。
14.所述数字音频处理器内嵌输入源模块，输入源模块包括正弦波、粉噪和白噪三种类型输入源。
15.所述多通道音频功放单元包括多通道增益调节模块、控制链路、d类功率放大器和电源处理模块，其中电源处理模块分别与多通道增益调节模块、控制链路和d类功率放大器相连，用于提供电源，所述多通道增益调节模块、控制链路和d类功率放大器依次相连。
16.所述多通道增益调节模块和d类功率放大器均包括多路通道，每路通道分别与对应环上的扬声器相连，数字音频处理器将同一音频信号分配至多路通道中的任意一路。
17.所述d类功率放大器包括多个d类功放模块，分别与各路通道相对应，其中第一路通道使用10w以内的d类功放模块，第二路通道采用15w～30w的d类功放模块，第三环和第四环采用130w～170w的推挽式d类功放模块。
18.所述控制终端为pc机。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.本发明的相干声源系统，通过环形声源阵列产生的相干声波在传输过程中发生干涉叠加现象，引起周围大气压强发生稳定、规律性变化，形成完整的声压强体极大值环，可对环内气溶胶颗粒进行聚拢控制，影响电磁波的传导，如雷达，从而破坏雷达通信系统，干扰雷达对目标物的识别，实现目标物的隐身。
附图说明
21.图1为本发明的环形声源系统在实施例的方框结构图。
22.图2为本发明的环形声源阵列在实施例的主视结构图。
23.图3为本发明的环形声源阵列在实施例的侧视结构图。
24.图4为本发明的环形声源阵列在实施例的后视结构图。
25.图5为本发明的环形声源阵列在实施例的结构示意图。
26.图6为本发明的环形声源阵列的声压强体的分布示意图。
27.图7为本发明的多通道音频功放单元在实施例的方框图。
28.图8为本发明的控制软件设置界面示意图。
29.图例说明：1、控制终端；2、数字音频处理器；3、多通道音频功放单元；301、多通道增益调节模块；302、控制链路；303、d类功率放大器；304、电源处理模块；4、环形声源阵列；401、基板；402、扬声器；403、前腔体；404、线路板框；405、线路板；406、接线盒；407、后腔体。
具体实施方式
30.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
31.如图1所示，本发明实施例提供了一种相干声源系统，包括控制终端1、数字音频处理器2、多通道音频功放单元3和环形声源阵列4；环形声源阵列4包括多个扬声器402，多个扬声器402形成多个不同大小的环，各环同中心布置；控制终端1与数字音频处理器2相连，用于控制音频信号的类型、幅值和频率，多通道音频功放单元3分别与数字音频处理器2和环形声源阵列4相连，用于将音频信号进行放大后输出至环形声源阵列4指定环上的扬声器402上。上述控制终端1、数字音频处理器2、多通道音频功放单元3和环形声源阵列4均采用模块化设计，保证系统的灵活性和实现的方便性。
32.本发明的相干声源系统，通过环形声源阵列4产生的相干声波在传输过程中发生干涉叠加现象，引起周围大气压强发生稳定、规律性变化，形成完整的声压强体极大值环，可对环内气溶胶颗粒进行聚拢控制，影响电磁波的传导，如雷达，从而破坏雷达通信系统，干扰雷达对目标物的识别，实现目标物的隐身。
33.除上述应用场景外，该系统还可以用在其他制约光波段无线电子系统通信的应用中，通过调整相干声源系统的参数设置如声波频率、声波功率、声源阵列4结构、声源数量、点声源间距等，来满足不同对抗场景下的应用。
34.在一具体实施例中，数字音频处理器2具有40位浮点处理，所保存的信号具有高精准度，而且无削波失真。数字音频处理器2内嵌输入源模块，可提供正弦波、粉噪和白噪三种输入源，其中拖动正弦发生器频率设置参数可产生指定频率(20hz～20khz)，可根据需要调节输出电平，单位是dbfs。使用数字音频处理器2可以方便输出控制，将单频信号分配到多路输出中任意一路，由于信号源来自同一出处，在输出端可以保证多路信号之间的相位差。另外数字音频处理器2带有通道延时功能，对于相干声波波源阵列来说，为了形成良好的驻波，不同环之间的延时也很关键，通道延时的最小颗粒为0.01毫秒，补偿的距离为3mm，可以提升数据的准确性。
35.如图8所示，在一具体实施例中，控制端为pc机，pc机中安装数字音频处理器2控制软件，实现对输入到相干声源阵列4的音频信号的幅值和频率的控制，数字音频处理器2可同时输出8路相同幅值和相位的音频信号，任意选择其中的四路连接到四通道音频功放单元中，由于信号源来自同一出处，在输出端可以保证四路信号之间的相位差。音频处理器控制软件中的信号源幅值的调节范围为-70db～12db，步进为1db，便于进行参数的评估和测量，也可直接输入幅值参数进行测试；其中单频信号的调节范围是20hz～20khz，满足系统设计2kh的要求，且可扩展频率测试范围，同时频率步进的颗粒为1hz，也可满足测试过程中微小频偏的需求。
36.如图7所示，在一具体实施例中，多通道音频功放单元3由多通道增益调节模块301、电源处理模块304、控制链路302和d类功率放大器303组成。多通道音频功放单元3中的
单块功放可对4个区域的扬声器402进行控制。由于扬声器402对于各环的输出功率要求不同，对于四通道音频功放单元的设计采用第一环使用10w以内的d类功放模块，第二环采用15w～30w的d类功放模块，第三环和第四环采用150w左右的推挽式高性能d类功率放大器303，这样组合搭配，满足不同环功率需求的同时也保护了各个环上的喇叭单元不会因功率过大而损毁。
37.如图2～4所示，在一具体实施例中，声源阵列4包括固定基板401、扬声器402、前腔体、线路板框404及线路板405。加工一块φ870mm厚5mm的钢板作为固定基板401，将49个扬声器402按模型排布，每个扬声器402通过φ5mm的通孔固定，背面安装后腔体，后腔体中填充吸音材料。考虑实际测试距离为1m～2m，扬声器402尽量小，以近似为点声源。具体选用尺寸为4cm
×
4cm
×
2cm(长
×
宽
×
高)，额定功率5w，阻抗4ω(@1khz，1v)的扬声器402，出力音压在600hz、800hz、1000hz和2000hz平均值为81
±
3db。扬声器接线盒置于固定基板401的背面，四个环的串并联在接线盒内实现，接线盒预留四路功率输入端子以及各环扬声器端子输出。
38.考虑工程实际，通常扬声器402的额定频率范围为100hz到20khz，其中1khz～5khz的频率范围内扬声器402阻抗恒定在4～8ω。为形成一个更完整的控制气溶胶颗粒聚拢的“壁垒”，选用圆环形“三维”阵列声源结构模型，如图5所示，排布的声源个数为49个，共4环。
39.通过对相干声源阵列4模型进行仿真，点声源的频率设定为2khz，第一环为圆心，第二环半径10cm，第三环半径25cm，第四环半径40cm。各环扬声器402数量依次为1个，8个，16个，24个，各环扬声器402从0
°
开始均匀分布；第一环到第四环的声压比为1：2：3：3，参考小型扬声器402参数，第四环的声压级取87.77db spl。
40.根据声压级与声压的关系，如公式(1)所示：
41.lp＝20lg(p/p0)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
42.式中：lp是声压级，与人耳对声音强弱变化感受成正比，单位db；
43.p是声压，单位pa；
44.p0是基准声压，值为2
×
10^-5pa，是对1000hz声音人耳刚能听到的最低声压。
45.可计算第三环、第二环和第一环的单只喇叭声压级依次为87.77db spl，84.25db spl，78.22db spl。
46.如图6所示，根据模型仿真分析结果，声波干涉叠加后产生的声压强体的极大值分布在所有方向上，能够形成一个完整的聚拢效果。同样地，采用其他的方形、正多边形等环形的声源阵列4同样可以达到上述圆环声源阵列4的效果。
47.根据所选扬声器402及仿真设计的声压级参数，扬声器402全频范围内(低频可以到300hz)灵敏度在81db左右，满功率输出5w。根据声压级与扬声器402灵敏度、输入功率和测试距离的关系：
48.lp＝s 10lgp-20lgl
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
49.式中：lp是声压级，与人耳对声音强弱变化感受成正比，单位db spl；
50.s是扬声器402灵敏度，单位db；
51.p是扬声器402的输入功率，单位w；
52.l是离音源正面的距离，单位m。
53.所选扬声器402在2khz处灵敏度为83db，扬声器402功率按0.6的系数进行降额，输
出3w。那么在实际测试距离1m高度处声压级为87.77db spl。定义第四环的单只喇叭为达到最大的声压级，根据仿真参数，第一环到第四环声压比值为1：2：3：3计算，那么第三环、第二环和第一环的单只喇叭声压级依次为87.77db spl，84.25db spl，78.22db spl。根据公式(2)反推，第一环单个扬声器402所需功率为0.332w，第一环总功率为0.332w；第二环单个扬声器402所需功率为1.34w，第二环总功率为10.7w；第三环单个扬声器402所需功率为3w，第三环总功率为48w；第四环单个扬声器402所需功率为3w，第四环总功率为72w。
54.在自由场或半自由场中，假定为轴向测试点，空气传播损耗忽略，无相位抵消或掩盖，根据公式(3)：
55.lp＝10lgn lp
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
56.式中：lp是相同声压级声源合成的总声压级，单位为db spl；
57.lp是单个扬声器402的声压级，单位db spl。
58.可得第一环到第四环总声压级依次为：78.27db；93.3db；99.8db；101.6db，可以满足应用需求。在功率系统设计中，所有功率降额系数取0.6，则4路功放的输出功率分别为0.6w、18w、80w和120w。
59.本发明结合工程实际对定量控制局部区域声压梯度力的理论模型进行仿真，总结了声源阵列4结构、频率、功率等参数随局部区域声压梯度力的变化规律；在仿真的基础上，设计出可以用于控制局部区域烟气溶胶粒子沉降速度、漂移速度的声源系统样机，打下了相干声波扰动大气的气溶胶控制技术的工程应用基础。
60.如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
61.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。