声学参量阵的次声波定向.pdf

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1、收稿日期: 2012- 04- 01 作者简介:张娜( 1984- ) ， 女， 陕西西安人， 硕士生， 研究方向为次声波定向机理。E- mail: 3040241017163 com。 乔卫东( 1969- ) ， 男， 陕西合阳人， 副教授， 博士， 研究方向为测控技术与仪器。E- mail: qwd xaut edu cn。 文章编号: 1006- 4710( 2012) 03- 0356- 05 基于声学参量阵的次声波定向仿真技术研究 张娜，乔卫东 ( 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院 陕西 西安 710048) 摘要:针对次声波生成及定向技术展开研究。采用 DDS 技术通过电声转

2、换实现了不同频率次声 波的生成; 应用声学参量阵， 以两路超声波通过叠加， 实现以超声波载波调制生成次生波。该方法 可有效抑制旁瓣， 使次声波主要集中在主轴方向， 解决了次声波的定向传播问题， 并通过仿真实验 验证了该方法的可行性。 关键词:次声波; 定向; DDS; 仿真; 声学参量阵 中图分类号:O425文献标志码:A Research on the Infrasound Directed Simulation Technology Based on Acoustic Parametric Arrays ZHANG Na，QIAO Weidong ( Faculty of Mechanic

3、al and Precision Instrument Engineering，Xian University of Technology，Xi an 710048， China) Abstract:The paper focus on the generation and orientation of the infrasound wave By using the DDS technology， the different frequencies of Infrasoundwave is generated through the electro- acoustic conver- sio

4、n method The orientation of infrasound wave has been formed by the way of acoustic parametric arrays which take the advantage of two ultrasound superposition and modulation The sidelobe can be effectively suppressd and the infrasound wave can be centralized in the axial direction by the method so th

5、at trans- mission and orientation of the infrasound wave can be resolved The feasibility of this method can be veri- fied by the simulation experiment Key words:infrasound;orientation;DDS;simulation;acoustic parametric arrays 次声波又称亚声波， 一般是指频率在 10- 4 20 Hz 之间的声波。次声波由各种物体的机械振动产 生， 通过各种弹性介质的振动向四周扩散传播。

6、次声波的频率低、 波长长， 在传播中被介质吸收的 很少， 穿透能力很强， 因 此 能 进 行 长 距 离 的 传 播1。国外对次声波的研究工作相对于国内开展 较早， 主要集中在次生波检测与次生波的生物机 理研究方面。国内在该领域的研究虽然起步较 晚， 但目前已取得了一些研究成果， 如北京工业大 学自主研制的次声波采集系统， 多次成功地预测 了地震的发生时间与地点。随着社会的发展， 国 际间的竞争日趋激烈， 对次声波的研究不仅开展 于工业、 生物、 医学等领域， 而且发达国家将目光 更多地投向次生武器的研究上。次生武器是一种 非致命性的武器， 具有隐蔽性强， 传播距离远， 不 污染环境， 不破坏

7、设施等特点， 因此世界各国军方 在次生武器的研究上投入了大量的人力和财力。 目前虽然已取得了一些成绩， 但是还有许多技术 方面的难题没有解决， 尤其是对次生波定向传播 方面仍然还处于探索阶段。 本文利用 DDS 技术生成了次声波， 采用以非 线性声学理论为基础的声学参量阵实现了次生波 的定向传播， 为探索次生波的应用提供了重要的 参考依据。 1研究方案与技术路线 1 1次生波的生成原理及数字仿真 次生波生成的关键就是差频技术的应用。利用 653西安理工大学学报 Journal of Xi an University of Technology( 2012)Vol 28 No 3 压电晶体产生两

8、束或四束频率稍微有差异的超声 波， 波束辐射到空间后发生合成和干涉， 两者作用产 生高频和低频声波， 高频波是两者频率之和， 低频波 是两者频率之差， 高频波在空气中很快被衰减， 低频 波则直达目标。如图 1 所示， 在声场 1 4 中可以干 涉生成次声波 2 。 图 1四束超声波形成的声场 Fig 1Four- beam ultrasonic sound field 本文采用 DDS( Direct Digital Synthesis) 技术产 生超声波， 超声波通过叠加干涉生成次声波。DDS 技术将先进的数字信号处理的理论与方法引入频率 合成领域， 其主要由相位累加器( N 位加法器与 N

9、 位累加寄存器构成) 、 正弦 ROM 查询表、 D/A 转换 器及低通滤波器构成， 其中相位累加器是 DDS 的核 心， 完成相位累加运算 3 。DDS 技术根据相位间隔 对正弦信号进行采样， 将所得波形数据存储在定制 好的正弦 ROM 表格中。DDS 的主要工作过程如图 2 所示: 在参考时钟 fc的作用下， 相位累加器类似一 个计数器， 在脉冲输入时， 增加一个步长的相位增 量， 将结果反馈到输入端继续累加; 同时把累加结果 作为正弦查询表的地址， 正弦查询表根据这个地址 输出相应的波形数据， 最后经过 D/A 转换器和低通 滤波器将波形数据转换成模拟波形， 从而得到最终 的输出频率 f

10、0= fcK 2N ， 频率控制字 K 控制相位增量 的大小。 图 2 DDS 基本原理框图 Fig 2The DDS block diagram 利用 Matlab 中的 Simulink 模块建立 DDS 的仿 真系统( 如图 3 所示) 。 图 3 DDS 在 simulink 下的仿真模型 Fig 3DDS simulation model in simulink 在该系统中参数设置如下: 时钟频率 fc= 100 Hz， 频率控制字 K =2， 加法器和寄存器的长度 N 均 设为 8 位， 计算所得出频率的输出值 fo= 2 100 28 = 0 781 25。所以声波的周期为 T

11、= 1 fc = 1 0 78125 = 1. 28。仿真实验得出的波形如图 4 所示。 图 4 DDS 仿真结果图 Fig 4Simulation results of the DDS 753张娜等: 基于声学参量阵的次声波定向仿真技术研究 从图 4 可看出， 所得实验结果与理论计算结果 是一致的， 说明该方法可以生成所需频率的声波。 次声波的产生过程如下: 在声源处采用 DDS 技 术发出两路高频超声波 f0和 f1，f0和 f1的频率差控 制在次声波的频率范围( 10- 420 Hz) 内， 使这两路 超声波在声场发生干涉， 形成差频波。此差频波即 为所需的次声波。 对于次声波的合成所选

12、取的参数如下: f0= 22 720 Hz，f1=22 710 Hz， 所以 f0 f1=10 Hz， 设每 列波的振幅均为 10 Pa。Matlab 的仿真结果如图 5 所示。 图 5超声波调制合成的次声波 Fig 5Synthetic infrasound by ultrasonic wave modulation 可以看出， 所得波的频率为 10 Hz， 证明了利用 DDS 技术发出的两列超声波能够合成次声波。 1 2次声波定向技术研究与数字仿真 众所周知， 声波的发生场是线场和面场。次声 波的声场也不例外， 其发生场是散射场。若次声波 的声源是点源， 则次声波是以球面波的形式向外传 播

13、的。如何使次声波的传播按照既定的方向行进成 为本文研究的重点。 根据声波通过声学参量阵后具有的高指向性的 特点， 试图使基于 DDS 技术产生两列高频超声波通 过声学参量阵合成的次声波具有超声波高指向性的 特点。因此声学参量阵是实现次声波定向传输的重 要装置。 声学参量阵是指由于介质的非线性效应沿同一 方向传播的两列高频声波 f1和 f2， 在远场形成差频 波( f1 f2) 、 和频波( f1+ f2) 、 倍频波( 2f 1和 2f2) 等 声波的装置。 由于声波在传播过程中的衰减与频率的平方成 比例， 所以和频波与倍频波很容易衰减， 从而只存在 差频波。同时因为 f1和 f2的频率可以做

14、得很接近， 因此差频波( f1 f2) 的频率可以做得很低， 很适合 于次声波的发生。 由于声源信号 f1和 f2的频率较高， 换能器就可 以做得很小， 产生的差频波强度比初始波稍高， 衰减 小， 波束角与高频波非常接近， 旁瓣小， 波束的指向 性好， 且分辨率高 4 。 参量阵的发射原理如图 6 所示。 图 6参量阵的发射原理图 Fig 6Launch of the parametric array schematic 声学参量阵是基于非线性声学发展起来的一种 声波装置。 非线性声学认为两个不同频率的声波在传播的 过程中， 每个声波的传播都是在被另一个声波扰动 的介质中进行的， 因此会因为介

15、质的不均匀性而发 生散射现象， 成为 “声散射声” 5 。因为介质是被另 一个声波扰动的不均匀介质， 所以可以认为该散射 声中存在被另一个声波所调制的成分， 即差频及和 频成分。 在传播过程中两个原频波不断产生声散射声， 其正向散射部分( 与原频波传播方向相同的部分) 同相叠加到前些时刻产生的散射声上得以逐渐加 强， 因此正散射方向上的声强相对于其他方向上的 要明显高出很多， 从而形成了声端射阵， 提高了声波 的指向性。 波在扰动介质中的方程， 采用归一化的抛物近 似的非线性方程( KZK 方程) : 2 sT = 1 4( 1 + ) 2 2 2x + 2 2 () y T + 00 3 3

16、s T + 0 2lD( 1 + ) 2 2s T2( 1) 式中: = z 0 ， x = x/a 1 + ，y = y/a 1 + ， s= k x2+ y2 2( r0+ z) ，T = 1 + p0 P 其中 、x 、 y 、 s及 T 均是归一化的变量。p0为换 能器表面峰值声压，k = /c0是波数， 为基频角 频率，0是基频的声吸收系数， lD = 0c 2 0/( kp0)是 平面波的形成距离，0和 c0分别是介质在环境压力 下的密度和声速，r0= ka2/2 定义为尺寸为2a 2a 的换能器的瑞利距离，x、y、z 为直角坐标变量。 = ( t z/c0)是延迟时间。 该方程描

17、述了声波在流体介质中传播产生的衍 853西安理工大学学报( 2012) 第 28 卷第 3 期 射、 非线性、 吸收等现象。 维斯特维尔以这个波动方程为基础， 提出理想 线源参量阵， 通过对两个单一频率的原频波的分析 得到方程的解。 ps= 2dAS0 8R0 1 0 jkssin2 () 2 exp( jkdR0 jdt) ( 2) 其中 A = 2 0 C 4 1 + 1 2 0C 2 2p ()2 = 0 p2 0 = p 2 0 20C4 ， R0= ks 20 ， 0是介质的吸收系数， 0是声源密度， p0是 声源压强， 是非线性参数， S0为波束的截面积， d 为频率差， kd是波

18、数差。 伯克泰在维斯特维尔研究的基础上， 对参量阵 的原频波信号做了调整。假设原频波是一个带宽信 号， 构成所谓宽带参量阵。假设发出的原频波是平 面波， 在远场条件下， 将声轴上的声压近似代替声场 整个方位上分布的声压， 并认为原频波的频率比包 络波 f( t) 高很多， 得到伯克泰远场解: pd( R， 0， t)= p2 0s0 160c 4 0r 2 t 2 f 2 t () R C ( 3) 式中 R = ks 2 ， 是差频波的吸收系数， r 是源点的传 播矢径。 最后解调得到的声压是和包络波平方的二次微 分成正比的。 差频波的发生场实质是高频波通过参量阵系统 发射的一个虚拟的声场，

19、 当介质均匀时， 两共轴平面 波束通过非线性相互作用产生差频散射场的声 压为: pd( R0， ， t)= 2 d p 10p20S0exp( R0) 40c 4R 0 2J1( kdasin) kdasin exp j( d kdR0) 1 + 2 cos + j2kdsin2( /2) ( 4) 其中 p10、 p20是原频波的声压幅值， 是声场中的某 点与主轴的夹角。 分析上式得出， 当 = 0时， 轴上声压幅值最大， 且对称分布。 从而得到差频波的指向性函数为: D( )= pdmax( R0， ) pdmax( R0， 0)= 1 1 + 2kd sin2 () 2 槡 2 2J1(

20、 kdasin) kdasin ( 5) 其中 = 1 + 2 ， 1 、 2是原频波的吸收系数， J1 是一阶贝塞尔函数。 此指向性函数由两个因子构成: 前一个因子看 做是小孔径( kda 1)线源沿轴线安放的指向性函 数; 第二个因子是由干涉波束截面孔径效应引起的， 它使得波束角更窄。 D( )是衡量声波指向性的指 标， 反映了声波方向的准直程度6 。 利用 Matlab 对声学参量阵进行仿真。选取原 波频率 f1=25 000 Hz，f2=25 010 Hz， 差频波为 10 Hz， 基阵为压电陶瓷圆形活塞， 其活塞的半径 a = 10 cm。在常规阵和参量阵下次声波的指向性比较 参见图

21、 7 和图 8。 图 7常规阵下 10 Hz 次声波的指向性图 Fig 7Infrasound of 10 Hz directivity in regular array 图 8参量阵 10 Hz 次声波的指向性图 Fig 8Infrasound of 10Hz directivity in parametric array 从图 7 中可以看出在常规阵下， 次声波在声轴 0 90的范围内的指向性都等于 1， 这说明次声波 在常规阵下的辐射是向各个方向都存在的， 并且声 压都近似等于主轴上的声压， 进一步证明了次声波 在传播过程中是以球面波的形式向外传播的。 图 8 是参量阵声场的指向性， 在

22、主轴上次声波 变得很尖锐， 说明了次声波的传播主要集中在主轴 的方向， 并且有效抑制了旁瓣。这使得利用参量阵 953张娜等: 基于声学参量阵的次声波定向仿真技术研究 来实现次声波的定向传播变成现实。 2结论 本文针对次生波的发生与定向传播问题展开研 究。应用 DDS 技术以超声波为声源通过叠加干涉 产生了次声波， 利用 Simulink 平台建立了 DDS 的动 态仿真系统， 同时仿真结果也验证了 DDS 产生次声 波的正确性， 解决了次声波产生的难题。 以声学参量阵为基础， 分析了维斯特维尔和伯 格泰对不同频带宽度的参量阵信号的处理效果， 最 终采用伯格泰的远场解得出衡量参量阵优越性的指 标

23、参量 指向性函数， 并以 Matlab 为仿真工具， 通过仿真实验验证了应用声学参量阵方法实现次声 波在轴向上定向传输的可行性， 为次声波定向传播 技术的发展提供了一种实现方案。 参考文献: 1曾光宇， 张秀丽， 张燕 次声波聚焦技术研究 J 导弹 与制导学报， 2007， 27( 1) : 278- 282 Zeng Guangyu， Zhang Xiuli， Zhang Yan Research of the infrasound wave focus technicJ Journal of Projectiles， Rockets，Missiles and Guidance， 2007，

24、 27( 1) : 278- 282 2李林， 田瑞， 程凤芹， 等 基于 DDS 技术的次声波合成方 法 J 长春工业大学学报: 自然科学版， 2009， 30( 5) : 564- 550 Li Lin，Tian Rui，Cheng Fengqin，et al Infrasound wave synthesis method base on the DDS technology J Journal of Changchun University of Technology( Natural Science E- dition) ， 2009， 30( 5) : 564- 550 3许小俊，

25、 谢克明， 闫高伟 DDS 在 SIMULINK 中的仿真设 计 J 太原理工大学学报， 2006， 37( 2) : 155- 157 Xu Xiaojun， Xie Keming， Yan Gaowei Simulated Design of DDS in SIMULINKJ Journal of Taiyuan University of Technology， 2006， 37( 2) : 155- 157 4张福东，周代英， 陈敏， 等 宽带水声参量阵指向性设计 与实验验证 J 声学技术， 2011， 30( 2) : 140- 143 Zhang Fudong， Zhou Daiy

26、ing， Chen Min，et al Directivity design and experimental verification of underwater broad- band acoustic parametric arrayJ Technical Acoustics， 2011， 30( 2) : 140- 143 5李颂文 参量阵及其在水声工程中的应用进展 J 声 学技术， 2011， 30( 1) : 9- 15 Li Songwen Parametric array and its application in under- water acoustic engineering: an overviewJ Technical A- coustics， 2011， 30( 1) : 9- 15 ( 责任编辑王卫勋) 063西安理工大学学报( 2012) 第 28 卷第 3 期