CN107645694A - 一种用于驱鸟的定向声波发射装置及方法 - Google Patents

一种用于驱鸟的定向声波发射装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于驱鸟的定向声波发射装置及方法，属于电声技术领域，包括低频信号处理单元、信号调制单元、音频功率放大器和扬声器阵列，低频信号处理部分包括低通滤波器、调制比、电平调整、开方等模块，其输入信号为鸟类天敌或其它使鸟类恐惧的声音，位于音频范围的较低频段；信号调制部分包括音频载波发生器、乘法器等模块，音频载波信号的频率取音频范围的较高频段；已调信号等于载波信号和低频信号的乘积，通过音频功率放大器驱动后经扬声器阵列发出，产生声波束。本发明产生的声波束具有作用距离远、声波能量利用效率高、参数调节方便等优点。

Description

一种用于驱鸟的定向声波发射装置及方法
技术领域
本发明属于电声技术领域，具体涉及一种用于驱鸟的定向声波发射装置及方法。
背景技术
参量阵扬声器是一种能够将音频信号定向发射的扬声器。它将音频电信号即调制信号调制在超声载波上，音频信号是已调信号的包络。然后通过超声换能器阵列将该已调信号转化为声信号发射出去。由于空气对声波的非线性作用，在空气中能够将调制在超声载波上的音频信号解调出来。超声换能器阵列发出的超声具有超强的指向性，因此沿着发射方向音频声信号不断解调出来，形成一个个音频声源，称之为参量阵(ParametricArray)。由于这些音频声源的综合效应，在空气中形成一个定向的音频声波束。
关于参量阵的相关研究已有较长历史。WESTERVELT于1962年首次提出了参量阵的概念，BERKTAY于1965年给出了参量阵中声波传播的简化公式，为产生高指向性的参量阵扬声器提供了理论依据。20世纪80年代初，日本Kamakura T等人提出利用超声波在空气中的非线性传播效应制作一种可产生可听声的新型扬声器。1983年，YONEYAMA等用547个超声换能器组成了一个六边形阵，从实验上验证了参量阵扬声器的可行性，后来又对最优载波选择、信号失真校正、超声与听众的隔离等问题进行了探讨。1999年，POMPEI提出了采用双积分然后开方的声频信号预处理方法。2002年，POMPEI采用特大型换能器阵列抑制栅瓣，首次在实验室研制出了声音扭曲小、可产生可听声的参量阵扬声器。2003年，新加坡南洋理工大学提出采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)技术实现信号的预处理。
山东科技大学采用实际测量得到的超声换能器模型、利用KZK方程对参量阵扬声器在空气中的传播特性进行了数值仿真，研究了三种预处理和调制方式，即无预处理双边带调制方式、开方预处理双边带调制方式和单边带调制方式，研究了基于DSP的参量阵扬声器设计方法。中国科学院声学研究所对参量阵扬声器阵列进行了设计与研究，提出了一种六边形交错阵列设计，分析了换能器的相位对阵列指向性的影响。电子科技大学以聚偏氟乙烯(PVDF)膜作为换能器发声部件，制作了一种参量阵扬声器。指出当无法使点声源间的间距小于或等于声波波长的1/2时，可以通过增加点声源的个数来获得高指向性声波，使旁瓣的幅值得到有效抑制。
迄今为止，人们所提出的参量阵扬声器均是将载波频率取为20kHz以上的超声频段(常用载波频率为40kHz～60kHz)，所采用的电声转换器件为窄带的压电谐振式超声换能器。由于低频信号是调制波的包络，其幅度必须小于载波幅度。为了保证较小的失真率，低频信号与载波信号的幅度之比(即调制比m)要足够小。因此参量阵扬声器中低频信号在总发射信号能量中占比较小，加之超声在空气中衰减很快，这些因素导致参量阵扬声器的发射距离不够远。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于驱鸟的定向声波发射装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于驱鸟的定向声波发射装置，包括低频信号处理单元、信号调制单元、音频功率放大器和扬声器阵列；
低频信号处理单元包括低通滤波器、幅度归一化模块、调制比模块、电平调整模块以及开方模块；
信号调制单元包括音频载波发生器和乘法器；
音频功率放大器包括多个音频功率放大器；
扬声器阵列包括多个扬声器；
低通滤波器对低频输入信号x(t)进行低通滤波处理，得到低频信号x1(t)，并将低频信号x1(t)输入至幅度归一化模块；幅度归一化模块对低频信号x1(t)按照幅度进行归一化处理，得到低频信号x2(t)，并将低频信号x2(t)输入至调制比模块；调制比模块将低频信号x2(t)乘以系数m，得到低频信号x3(t)，并将低频信号x3(t)输入至电平调整模块；电平调整模块对低频信号x3(t)进行电平调整即加1，得到低频信号x4(t)，并将低频信号x3(t)输入至开方模块；开方模块对低频信号x4(t)进行开方，得到低频信号x5(t)，并将低频信号x5(t)输入至信号调制单元的乘法器，同时音频载波发生器输出音频载波信号xc(t)至信号调制单元的乘法器；乘法器将低频信号x5(t)与音频载波信号xc(t)相乘，得到已调信号y(t)，并将已调信号y(t)输入至音频功率放大器，音频功率放大器将已调信号y(t)进行放大后输入至扬声器，扬声器将经过音频功率放大器放大后的已调信号y(t)转变为声信号发射出去。
优选地，输入的低频信号x(t)为鸟类天敌或其它使鸟类恐惧的声音，位于音频范围的较低频段。
优选地，低通滤波器的边界频率Fp小于音频载波信号xc(t)的频率Fc。
优选地，低频信号x2(t)的幅度等于1V，或者小于且近似于1V。
优选地，m为调制比，取值范围为0＜m≤1。
优选地，扬声器采用宽带的电动扬声器。
此外，本发明还提到一种用于驱鸟的定向声波发射方法，该方法采用如上所述的一种用于驱鸟的定向声波发射装置，包括如下步骤：
步骤1：低通滤波器对低频输入信号x(t)进行低通滤波处理，得到低频信号x1(t)，并将低频信号x1(t)输入至幅度归一化模块；
步骤2：幅度归一化模块对低频信号x1(t)按照幅度进行归一化处理，得到低频信号x2(t)，并将低频信号x2(t)输入至调制比模块；
步骤3：调制比模块将低频信号x2(t)乘以系数m，得到低频信号x3(t)，并将低频信号x3(t)输入至电平调整模块；
步骤4：电平调整模块对低频信号x3(t)进行电平调整即加1，得到低频信号x4(t)，并将低频信号x3(t)输入至开方模块；
步骤5：开方模块对低频信号x4(t)进行开方，得到低频信号x5(t)，并将低频信号x5(t)输入至信号调制单元的乘法器；
步骤6：音频载波发生器输出音频载波信号xc(t)至信号调制单元的乘法器；
步骤7：乘法器将低频信号x5(t)与音频载波信号xc(t)相乘，得到已调信号y(t)，并将已调信号y(t)输入至音频功率放大器；
步骤8：音频功率放大器将已调信号y(t)进行放大后输入至扬声器；
步骤9：扬声器将经过音频功率放大器放大后的已调信号y(t)转变为声信号发射出去。
本发明所带来的有益技术效果：
1、声波束作用距离远。空气对声波的吸收与声波频率密切相关，吸收系数与声波频率的平方成正比，当频率增加10倍，则吸收系数增大100倍，随着频率升高，吸收衰减显著增大，本发明采用远低于超声频段的音频载波，所产生的声波束在空气中吸收衰减小，传播距离远。
2、声波能量利用效率高。在基于超声载波的参量阵扬声器中，对于驱鸟有用的信号只有调制信号，载波为超声频段，鸟类感知不到、起不到驱鸟作用；本发明所产生的声波束中，载波频率位于鸟类同样敏感的音频频段，调制信号(鸟类天敌声音)和载波均能起到驱鸟作用，近距离处调制信号和载波均起作用，远距离处则主要是调制信号起驱鸟作用。
3、声波束参数调节方便。由于载波频率位于音频，因此电声转换器件可采用电动扬声器，与工作于谐振状态的超声换能器相比，电动扬声器带宽很宽，载波频率可以在较大范围内方便地进行调整，针对不同鸟类，可以选择合适的载波频率，起到最佳的驱鸟效果。
附图说明
图1为本发明一种用于驱鸟的定向声波发射装置的整体结构示意图。
图2为基于DSP的用于驱鸟的定向声波发射装置的整体结构示意图。
图3为DSP模块内部信号处理***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种用于驱鸟的定向声波发射装置由低频信号处理单元、信号调制单元、音频功率放大器和扬声器阵列四部分组成。
低频信号处理单元包括低通滤波器、幅度归一化模块、调制比模块、电平调整模块以及开方模块，其输入信号x(t)为鸟类天敌或其它使鸟类恐惧的声音信号，位于音频范围的较低频段。首先，低通滤波器对输入低频信号x(t)进行低通滤波处理，得到低频信号x1(t)，其中，低通滤波器的边界频率Fp小于载波频率Fc；其次，幅度归一化模块对低频信号x1(t)按照幅度进行归一化，得到低频信号x2(t)，其幅值等于1V，或者小于且近似于1V；再次，调制比模块将低频信号x2(t)乘以系数m，并进行电平调整即加1、开方操作，分别得到低频信号x3(t)、x4(t)、x5(t)；其中m为调制比，取值范围0＜m≤1。各信号之间的关系如式(1)～(3)所示：
x3(t)＝mx2(t) (1)；
x4(t)＝1+x3(t)＝1+mx2(t) (2)；
信号调制单元包括音频载波发生器和乘法器。音频载波发生器产生的音频载波信号xc(t)的频率Fc取音频范围的较高频段，大于低通滤波器的边界频率Fp。已调信号y(t)等于音频载波信号xc(t)和低频信号x5(t)的乘积，如式(4)所示：
音频功率放大器包括PA1、...、PAL等L个音频功率放大器。
已调信号y(t)经过各功率放大器后输出的信号为y1(t)、...、yL(t)。
扬声器阵列包括S1、...、SL等L个扬声器，采用的是宽带的电动扬声器，其中L为功率放大器、扬声器的个数。
基于DSP的用于驱鸟的定向声波发射装置如图2所示，包括抗混叠滤波器模块LPF1、模数转换模块ADC、数字信号处理模块DSP、数模转换模块DAC、平滑滤波器模块LPF2、音频功率放大器PA1、...、PAL以及扬声器阵列S1、...、SL等。
模拟电压信号x(t)通过抗混叠滤波器模块LPF1进行抗混叠滤波，再经模数转换模块ADC转化为数字信号x(n)；数字信号处理模块DSP对x(n)进行预处理，产生载波并完成信号调制，输出数字信号y(n)；y(n)经数模转换模块DAC和平滑滤波器模块LPF2得到已调模拟信号y(t)，然后送往功率放大器PAl和扬声器阵列Sl，其中l＝1,...,L，L为功率放大器、扬声器的个数。LPF1边界频率Fp1的参考取值为4kHz，LPF2边界频率Fp2的参考取值为8kHz。
DSP模块内部信号处理***的结构如图3所示，包括幅度归一化模块、调制比模块、电平调整模块、开方模块、音频载波发生器模块以及乘法器模块。输入信号x(n)经幅度归一化模块转化为数值大小介于-1～1之间的信号x1(n)，再经调制比模块和电平调整模块转化为信号x2(n)、x3(n)，信号之间的关系如式(5)、(6)所示：
x2(n)＝mx1(n) (5)；
x3(n)＝1+x2(n)＝1+mx1(n) (6)；
信号x3(n)通过开方模块，得到x4(n)，再通过乘法器模块调制在音频载波信号xc(n)上，得到y(n)。信号之间的关系如式(7)、(8)所示：
音频载波发生器模块产生一个频率为Fc的音频正弦信号，参考取值为4kHz；数字处理模块DSP的采样频率Fs为Fc的4～10倍，参考取值为20KHz。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于驱鸟的定向声波发射装置，其特征在于：包括低频信号处理单元、信号调制单元、音频功率放大器和扬声器阵列；
低频信号处理单元包括低通滤波器、幅度归一化模块、调制比模块、电平调整模块以及开方模块；
信号调制单元包括音频载波发生器和乘法器；
音频功率放大器包括多个音频功率放大器；
扬声器阵列包括多个扬声器；
低通滤波器对低频输入信号x(t)进行低通滤波处理，得到低频信号x1(t)，并将低频信号x1(t)输入至幅度归一化模块；幅度归一化模块对低频信号x1(t)按照幅度进行归一化处理，得到低频信号x2(t)，并将低频信号x2(t)输入至调制比模块；调制比模块将低频信号x2(t)乘以系数m，得到低频信号x3(t)，并将低频信号x3(t)输入至电平调整模块；电平调整模块对低频信号x3(t)进行电平调整即加1，得到低频信号x4(t)，并将低频信号x3(t)输入至开方模块；开方模块对低频信号x4(t)进行开方，得到低频信号x5(t)，并将低频信号x5(t)输入至信号调制单元的乘法器，同时音频载波发生器输出音频载波信号xc(t)至信号调制单元的乘法器；乘法器将低频信号x5(t)与音频载波信号xc(t)相乘，得到已调信号y(t)，并将已调信号y(t)输入至音频功率放大器，音频功率放大器将已调信号y(t)进行放大后输入至扬声器，扬声器将经过音频功率放大器放大后的已调信号y(t)转变为声信号发射出去。
2.根据权利要求1所述的用于驱鸟的定向声波发射装置，其特征在于：输入的低频信号x(t)为鸟类天敌或其它使鸟类恐惧的声音，位于音频范围的较低频段。
3.根据权利要求1所述的用于驱鸟的定向声波发射装置，其特征在于：低通滤波器的边界频率Fp小于音频载波信号xc(t)的频率Fc。
4.根据权利要求1所述的用于驱鸟的定向声波发射装置，其特征在于：低频信号x2(t)的幅度等于1V，或者小于且近似于1V。
5.根据权利要求1所述的用于驱鸟的定向声波发射装置，其特征在于：m为调制比，取值范围为0＜m≤1。
6.根据权利要求1所述的用于驱鸟的定向声波发射装置，其特征在于：扬声器采用宽带的电动扬声器。
7.一种用于驱鸟的定向声波发射方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种用于驱鸟的定向声波发射装置，包括如下步骤：
步骤1：低通滤波器对低频输入信号x(t)进行低通滤波处理，得到低频信号x1(t)，并将低频信号x1(t)输入至幅度归一化模块；
步骤2：幅度归一化模块对低频信号x1(t)按照幅度进行归一化处理，得到低频信号x2(t)，并将低频信号x2(t)输入至调制比模块；
步骤3：调制比模块将低频信号x2(t)乘以系数m，得到低频信号x3(t)，并将低频信号x3(t)输入至电平调整模块；
步骤4：电平调整模块对低频信号x3(t)进行电平调整即加1，得到低频信号x4(t)，并将低频信号x3(t)输入至开方模块；
步骤5：开方模块对低频信号x4(t)进行开方，得到低频信号x5(t)，并将低频信号x5(t)输入至信号调制单元的乘法器；
步骤6：音频载波发生器输出音频载波信号xc(t)至信号调制单元的乘法器；
步骤7：乘法器将低频信号x5(t)与音频载波信号xc(t)相乘，得到已调信号y(t)，并将已调信号y(t)输入至音频功率放大器；
步骤8：音频功率放大器将已调信号y(t)进行放大后输入至扬声器；
步骤9：扬声器将经过音频功率放大器放大后的已调信号y(t)转变为声信号发射出去。
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