CN116847258A - 一种向空气扩散辐射超声波的装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种向空气扩散辐射超声波的装置及实现方法，包括超声波发生器、超声波换能器以及耦合工装。所述耦合工装主体呈半球形，表面具有松塔鳞片状的辐射叶片；所述超声波换能器由压电陶瓷、后盖板以及螺栓组成；所述后盖板通过螺栓将压电陶瓷固定于耦合工装的底面；所述压电陶瓷具有电极，与超声波发生器电连接。压电陶瓷具有电极与超声波发生器电连接，超声波发生器驱动压电陶瓷产生垂直于底板的振动，激励耦合工装弹性波，耦合工装将弹性波转化为空气声波。本发明利用压电陶瓷在耦合工装内产生弹性波，并通过辐射叶片向空气扩散辐射超声波，提高了耦合效率并拓宽了辐射范围，使得超声干扰信号可以更均匀地扩散到目标房间。
Description
技术领域
本发明涉及防窃听窃录技术领域，尤其涉及一种向空气扩散辐射超声波的装置及实现方法。
背景技术
随着电子信息技术的不断发展，窃听窃录技术不断升级，严重危害个人隐私、国民经济秩序乃至国家安全，因此语声信息保密技术日益受到重视。现有的录音***通过向录音设备发射超声波，利用录音设备中MEMS传声器对超声波的非线性效应，在录音设备内部电路中产生可听声频段的电信号，从而实现对录音音频的污染。例如文献[1]利用传声器对超声信号的非线性，通过同时输入40kHz与50kHz的超声信号，使得录音设备中产生了10kHz的信号。
实际应用中由于无法获知录音设备的位置，通常需要在全空间内实现干扰超声波的有效覆盖。然而已有的超声换能器的指向性十分尖锐，在非主瓣的方向上，超声信号强度会衰减25至30dB。这会大大降低录音干扰设备在非主瓣方向上的干扰性能。此外，已有技术中所使用的超声换能器以及超声换能器阵列的指向性均存在零点，使得在一些区域中会出现无法干扰的盲点。对于上述问题，文献[2]利用超声换能器阵列组成一个手镯，并利用说话人的肢体动作弥补录音***自身盲点的问题。然而这种干扰设备体积较大，相对醒目，无法满足敏感场合录音***的隐蔽与伪装需求。
参考文献罗列如下：
Roy,N.,Hassanieh,H.,&Roy Choudhury,R.(2017,June).Backdoor:Makingmicrophones hear inaudible sounds.In Proceedings of the 15th AnnualInternational Conference on Mobile Systems,Applications,and Services(pp.2-14).
Chen,Y.,Li,H.,Nagels,S.,Li,Z.,Lopes,P.,Zhao,B.Y.,&
Zheng,H.(2019).Understanding the effectiveness of ultrasonicmicrophone jammer.arXiv preprint arXiv:1904.08490.
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种向空气扩散辐射超声波的装置及实现方法。
本发明的第一个方面提供一种向空气扩散辐射超声波的装置，包括超声波发生器、超声波换能器以及耦合工装；所述耦合工装整体呈半球形，耦合工装包括半球体和多个松塔鳞片状的辐射叶片，多个松塔鳞片状的辐射叶片设置在半球体表面；所述半球体底面上设有安装孔，安装孔设有超声波换能器；超声波换能器包括压电陶瓷和后盖板，压电陶瓷设置在安装孔内，后盖板通过螺栓将压电陶瓷固定于耦合工装的底面；压电陶瓷具有电极与超声波发生器电连接，超声波发生器驱动压电陶瓷产生垂直于半球体底面的振动，激励耦合工装弹性波，耦合工装将弹性波转化为空气声波。
进一步，所述耦合工装的半径D满足D>λp，其中λp为30kHz半球体材料中压缩波对应的波长。
进一步，所述辐射叶片的宽度W满足W<2λs，其中λs为40kHz半球体材料中剪切波所对应的波长，所述辐射叶片的长度L满足W<L<D，D为耦合工装的半径。
进一步，所述压电陶瓷与耦合工装的接触点位于半球形耦合工装的球心。
进一步，所述压电陶瓷为纵向振动型压电陶瓷叠堆，在垂直于耦合工装平面的方向上进行激励。
进一步，所述压电陶瓷与后盖板、耦合工装之间通过环氧树脂进行粘接。
进一步，所述超声波发生器包括信号发生器、功率放大器，信号发生器与功率放大器电连接，功率放大器的输出端正负电极与超声波换能器电极相连接。
进一步，所述压电陶瓷发生纵向形变的同时将在耦合工装表面施加垂直于半球体底面的激励，在耦合工装内部产生压缩波、剪切波以及表面波；其中压缩波与剪切波为球面波，表面波为柱面波，三种模式的波以半球球心为原点向外传播。
进一步，所述压缩波的主瓣在垂直于耦合工装半球平面的方向上，使得半球顶部表面沿径向方向振动、辐射声波；剪切波的主瓣在俯仰角为60°的方向上，导致辐射叶片发生横向振动，以此辐射声波；表面波集中于耦合工装半球表面，驱动俯仰角为90°所对应的辐射叶片产生横向振动，以此辐射声波。
本发明的第二个方面提供一种向空气扩散辐射超声波的装置的方法，包括以下步骤：
步骤1：调节超声波发生器输出阻抗，使其与压电陶瓷电学端阻抗相匹配；
步骤2：令超声波发生器产生电压信号馈于压电陶瓷的电极两端，使其产生纵向形变；
步骤3：令压电陶瓷激励耦合工装，在其内部产生压缩波、剪切波以及表面波，其中压缩波与剪切波为球面波，表面波为柱面波，三种模式的波以半球球心为原点向外传播；
步骤4：令弹性波传播至耦合工装表面，带动工装表面空气振动，向空气中扩散辐射超声波，其中压缩波导致半球表面沿径向方向振动，剪切波与表面波驱动鳞片状的辐射叶片产生横向振动。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在耦合辐射工装表面设置了松塔鳞片状的辐射杆，通过压电陶瓷在工装表面激励产生剪切波与表面波为主导的弹性波，利用剪切波与表面波驱动所述辐射杆横向振动，提高了剪切波与表面波的辐射效率，并拓展了超声波辐射覆盖范围。
(2)本发明将松塔状耦合辐射工装的主体设计为半球形，使得弹性波抵达工装主体边界时波前与边界平行，保证了超声干扰信号在各方向上辐射时相位的一致性，减小了超声干扰信号的失真，保证了超声波干扰录音的效果。
(3)本发明提出的宽指向性超声波辐射装置外形新颖美观，不易引起怀疑，可部署在敏感场所，可以无察觉地干扰窃听窃录行为。
附图说明
图1为实施例所涉及的超声波换能器与耦合工装的结构示意图；
图2为超声波换能器与耦合工装的侧面剖视图；
图3为实施例所涉及的一种向空气扩散辐射超声波的装置的模块结构图；
图4为35kHz超声波对小米手机的录音干扰效果；
图5为35kHz至45kHz扫频超声波对苹果手机录音干扰效果；
图6为实施例所涉及的一种向空气扩散辐射超声波的实现方法的流程图；
图7为实施例所涉及的电路参数优化步骤的连接图；
图8为实施例所涉及的一种向空气扩散辐射超声波的实现方法的流程图。
图中标号说明：101.耦合工装，202.压电陶瓷，203.后盖板，204.可调电阻。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1-2所示，一种向空气扩散辐射超声波的装置，包括超声波发生器、超声波换能器以及耦合工装。
超声波发生器，用于输出功率超声干扰信号；由信号发生器、功率放大器组成，输出端正负电极与超声波换能器电极相连接。
超声波换能器，在超声波发生器驱动下产生垂直于安装表面的振动，激励耦合工装发生振动；由压电陶瓷堆叠构成，通过环氧树脂与耦合工装紧密胶连，并通过后盖板与螺栓进行进一步固定，如图1所示。
耦合工装，用于将弹性波转化为空气声波；通过3D打印技术加工而成，材质为聚苯乙烯；其主体为一个实心半球，如图1所示；实心半球部分的半径为8cm；在实心半球表面加工有辐射叶片，辐射叶片尺寸为65*55*5mm(长*宽*厚)。
压电陶瓷具有电极与超声波发生器电连接，超声波发生器驱动压电陶瓷产生垂直于半球体底面的振动，激励耦合工装弹性波，耦合工装将弹性波转化为空气声波。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种向空气扩散辐射超声波的装置，包括语声感知模块301、信号合成模块302、功率放大与超声波发射模块303，具体功能如下：
模块301，语声感知模块。
语声信号的能量是随时间变化的，可依据房间中的声强级将工况分为“存在语声信号”与“静默”两种。在“存在语声信号”工况下，令超声干扰信号的能量与语声信号的能量相同并同步变化即可实现防止窃听窃录的目的。这一方面能够降低超声***所产生的噪声暴露量，在干扰窃听窃录的同时减少对人体的潜在伤害，另一方面可以减小设备待机功耗，使超声干扰装置易于实现与使用。
语声感知模块包括有语声频段的传声器、模拟-数字(A/D)转换电路以及声强级计算电路。传声器输出信号x(t)首先通过100Hz至3kHz带通模拟滤波器，之后由A/D电路转化为数字信号x(n)；声强级计算电路将x(n)进行分帧，并估算每帧信号的声强级，当声强级超过20dB时通过使能信号令功率放大模块开始工作。
模块302，信号合成模块。
超声干扰技术主要依靠特定的激励信号实现录音干扰，所利用的原理可总结为三种，其一是利用传声器对超声信号的非线性响应对录音音频进行污染，其二是利用A/D转换时有限采样频率所致的混叠现象对录音音频进行污染，其三是利用超声波在电路中产生的高强度信号使得电路无法正常工作，因此需要使用特定的模块生成超声干扰信号。
图4展示的是苹果手机在35kHz至45kHz扫频信号作用下的录音干扰效果，e303超声信号在混叠效应下使得录音音频在可听声频段出现的干扰结果。图4结果表明，苹果手机在超声信号作用下会出现混叠效应，属于第二种干扰。
图5展示的是小米手机在35kHz超声信号作用下的录音干扰效果，e301是超声信号开始时刻，e302是超声信号停止时刻。图5结果表明，超声信号干扰了小米手机传声器相关的电路，使得A/D转换模块无法正常工作，属于第三种干扰。
本实施例中，超声干扰信号由5个独立的DDS信号发生器、5个随机信号发生器、5组寄存器、1个加法器以及一个数字/模拟(D/A)转换模块构成；其中，5个DDS信号发生器的基准频率分别与5个优选激励模式对应，分别记为f1(0)、f2(0)、f3(0)、f4(0)、f5(0)；每个随机信号发生器在每个时钟周期生成一个随机数r(n)，范围为(-1，1)；每个时钟周期中DDS信号发生器的输入频率更新一次，fi(n)＝f(n-1)+100*r(n)，i＝1,2,3,4或5；加法器将5个DDS信号发生器所产生的信号累加，经过D/A模块输出；其中，所述时钟周期为10ms；所述优选激励模式由超声换能器频率响应测量得到，对应的频率介于30kHz至40kHz之间，本实施例中采用31kHz、32kHz、33kHz、34kHz以及35kHz五个频率作为基准频率。
模块303，功率放大与超声波发射模块。
用于将超声干扰电信号转化为具有一定强度的超声干扰声波。这一环节需要电路各端口之间阻抗匹配，还需要弹性波与空气声波之间高效耦合。
本实施例中，功率放大与超声波发射模块由功放电路、超声换能器以及耦合工装组成；其中，功放电路增益为23dB，最大驱动电压150V，输出阻抗300Ω；超声换能器由压电陶瓷堆构成，压电陶瓷延堆叠方向极化，工作频率为40kHz；耦合工装由3D打印加工而成，材质为PA66塑料(聚己二酰己二胺),其主体为一个实心半球，如图1所示；实心半球部分的半径为9cm；在实心半球表面加工有辐射叶片，辐射叶片尺寸为65*55*5mm(长*宽*厚)；所述超声换能器通过环氧树脂胶与耦合工装胶连，并通过后盖板和螺钉进行进一步固定；所述后盖板具有导线通孔，超声换能器的电极连接线由通孔引出；超声换能器与功率放大器电连接。
实施例三
如图6所示，本实施例提供一种向空气扩散辐射超声波的实现方法，具体可以通过电学端口阻抗匹配401、电与振动能量转化402、弹性波激励403以及弹性波与声波能量转化404四个步骤实现的。具体如下：
步骤401，电学端口阻抗匹配。
用于确保***电路部分正常工作。如图7所示，将可调电阻与超声换能器串联，并接到信号发生器输出端，示波器通道1与换能器并联，示波器通道2与信号发生器并联；使用33kHz正弦信号激励；调节可调电阻，使得通道1与通道2信号相位相同，实现阻抗匹配。
步骤402，电与振动能量转化。
用于将电能转化为机械能；超声波发生器产生电压信号馈于压电陶瓷的电极两端，使其产生纵向形变。
步骤403，弹性波激励。
用于在耦合工装安装表面激励弹性波。压电陶瓷发生纵向形变的同时将在耦合工装表面施加垂直于安装表面的激励，在耦合工装内部产生压缩波、剪切波以及表面波；其中压缩波与剪切波为球面波，表面波为柱面波，三种模式的波以半球球心为原点向外传播；所述压电陶瓷与耦合工装通过环氧树脂胶连，并通过后盖板和螺钉与耦合工装进一步固定。
步骤404，弹性波与声波能量转化。
用于将弹性波的能量转化为空气声波的能量，从而实现超声干扰信号的扩散辐射。弹性波传播至耦合工装表面，带动工装表面空气振动，向空气中扩散辐射超声波；其中压缩波的主瓣在垂直于半球平面的方向上，导致半球顶部表面沿径向方向振动，辐射声波；剪切波的主瓣在俯仰角为60°(设垂直于半球表面方向为0°)方向上，将导致辐射叶片发生横向振动，以此辐射声波；表面波集中于半球表面，驱动俯仰角为90°所对应的辐射叶片产生横向振动，以此辐射声波。
本实施例步骤404充分利用压缩波、剪切波以及表面波的能量辐射声波，提高了弹性波-声波的耦合效率；另外，步骤403在半球状的耦合工装表面激励弹性波，保持了弹性波原有的波前形状，减小了弹性波的反射，并使得辐射声场的相位可控。
实施例四
如图8所示，本实施例提供一种向空气扩散辐射超声波的实现方法具体可以通过干扰装置布放优化501、干扰信号优化502、电路参数优化503三个步骤实现的，具体步骤如下：
步骤501，干扰装置布放优化。
窃听窃录***的应用场景以室内为主，房间的壁面、屋顶具有软包，且屋内设有桌椅等家具，这种场景声场复杂。在远离说话人以及壁面的地方，声波来波方向随机，符合混响声场的条件。然而实际的窃听窃录装置会布放在桌下、地板上、座椅附近，这些地方与声反射体的距离过近，不完全符合混响声场条件。对于超声波信号而言这种声场更为复杂，为了确保超声干扰信号能够覆盖到所有的敏感区域，需要对超声干扰装置的布放进行优化。
干扰装置布放优化步骤中，利用高保真超声扬声器作为声源，使用多个传声器采集敏感位置处的声压信号，通过中断声源法估计房间在超声激励下的等效混响时间与传递函数；优选地，所述激励信号为25kHz至40kHz带通滤波后的随机噪声信号；所述房间容积不宜超过150m3；房间在5000Hz以下频段的混响时间不超过1s，不然需采取手段降低语声频段的混响时间，以保证语声可懂度。当超声信号的等效混响时间短于0.1s或传递函数幅值低于-10dB时，须调整声源位置或增加额外声源进行补偿。
步骤502，干扰信号优化。
在超声波激励下耦合工装具有丰富的振动模式。每种振动模式的辐射效率各不相同，这会使得干扰装置所辐射的超声波幅度会因激励信号频率的变化而发生显著变化。为了确保超声干扰信号能够有效地辐射出来，需要避开耦合工装辐射效率较低的频段，并确定若干耦合工装辐射效率较高的振动模式作为优选激励模式，准确测量优选激励模式所对应的频率，以此为基础对干扰信号进行优化。
干扰信号优化步骤在消声室内进行。使用限带超声信号进行激励，使用可采集超声信号的传声器对换能器单元的响应；在俯仰角为0°至90°范围内均匀选择10个角度，在距离换能器单元20cm处进行测量；分别计算每个角度所对应的传递函数曲线并进行求和，得到求和后的频率谱；选择频率谱幅度最高的5个频点作为优选激励频率，由低到高分别记为f1、f2、f3、f4、f5，所对应的模式为优选激励模式；所述超声换能器单元由压电陶瓷与耦合工装构成；所述限带超声信号为25kHz至40kHz带通滤波后的随机噪声信号。
步骤503，电路参数优化。
由于阻抗失配，激励信号会在激励信号源与超声换能器发生显著衰减，导致实际辐射声波的幅度显著降低。因此需要进行电路参数的优化，尤其是激励信号源的输出阻抗与超声换能器的输入阻抗的匹配。另一方面，由于***的电-力-声耦合，调整激励信号源的输出阻抗将影响各个模式所对应的共振频率。因此阻抗匹配操作后需要再次测量优选激励频率。
电路参数优化步骤的连接图如图7所示，将可调电阻与超声换能器串联，并接到信号发生器输出端，示波器通道1与换能器并联，示波器通道2与信号发生器并联；激励信号使用频率为f3的正弦信号；调节可调电阻，使得通道1与通道2信号相位相同，实现阻抗匹配。阻抗匹配后需要重新测量优选激励模式所对应的频率f1、f2、f3、f4、f5。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：包括超声波发生器、超声波换能器以及耦合工装；所述耦合工装整体呈半球形，耦合工装包括半球体和多个松塔鳞片状的辐射叶片，多个松塔鳞片状的辐射叶片设置在半球体表面；所述半球体底面上设有安装孔，安装孔设有超声波换能器；超声波换能器包括压电陶瓷和后盖板，压电陶瓷设置在安装孔内，后盖板通过螺栓将压电陶瓷固定于耦合工装的底面；压电陶瓷具有电极与超声波发生器电连接，超声波发生器驱动压电陶瓷产生垂直于半球体底面的振动，激励耦合工装弹性波，耦合工装将弹性波转化为空气声波。
2.如权利要求1所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述耦合工装的半径D满足D>λp，其中λp为30kHz半球体材料中压缩波对应的波长。
3.如权利要求1所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述辐射叶片的宽度W满足W<2λs，其中λs为40kHz半球体材料中剪切波所对应的波长，所述辐射叶片的长度L满足W<L<D，D为耦合工装的半径。
4.如权利要求1所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述压电陶瓷与耦合工装的接触点位于半球形耦合工装的球心。
5.如权利要求4所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述压电陶瓷为纵向振动型压电陶瓷叠堆，在垂直于耦合工装平面的方向上进行激励。
6.如权利要求4所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述压电陶瓷与后盖板、耦合工装之间通过环氧树脂进行粘接。
7.如权利要求1所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述超声波发生器包括信号发生器、功率放大器，信号发生器与功率放大器电连接，功率放大器的输出端正负电极与超声波换能器电极相连接。
8.如权利要求1所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述压电陶瓷发生纵向形变的同时将在耦合工装表面施加垂直于半球体底面的激励，在耦合工装内部产生压缩波、剪切波以及表面波；其中压缩波与剪切波为球面波，表面波为柱面波，三种模式的波以半球球心为原点向外传播。
9.如权利要求8所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置，其特征在于：所述压缩波的主瓣在垂直于耦合工装半球平面的方向上，使得半球顶部表面沿径向方向振动、辐射声波；剪切波的主瓣在俯仰角为60°的方向上，导致辐射叶片发生横向振动，以此辐射声波；表面波集中于耦合工装半球表面，驱动俯仰角为90°所对应的辐射叶片产生横向振动，以此辐射声波。
10.如权利要求1-9任意一项所述的一种向空气扩散辐射超声波的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调节超声波发生器输出阻抗，使其与压电陶瓷电学端阻抗相匹配；
步骤2：令超声波发生器产生电压信号馈于压电陶瓷的电极两端，使其产生纵向形变；
步骤3：令压电陶瓷激励耦合工装，在其内部产生压缩波、剪切波以及表面波，其中压缩波与剪切波为球面波，表面波为柱面波，三种模式的波以半球球心为原点向外传播；
步骤4：令弹性波传播至耦合工装表面，带动工装表面空气振动，
向空气中扩散辐射超声波，其中压缩波导致半球表面沿径向方向振动，
剪切波与表面波驱动鳞片状的辐射叶片产生横向振动。
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