何斌，许学忠，张芳，张宝国，董明荣

（西北核技术研究所，陕西西安710024）

声源的指向性反映了声源在不同方向上的声辐射特性[1]。强指向性声源具有指向性好、声束可控、传播距离远等特点，在军事、商业、教育等领域具有广阔的应用前景[2]。本文提出了一种基于硬件电路进一步增强声源指向性的方法。利用复杂可编程逻辑器件（CPLD），将相控技术引入到声发射阵列，通过扬声器阵列前方的波阵面耦合，进一步增强声波在空气中的相互叠加，用以提高声源的指向性。

1 系统原理

本系统以CPLD为控制核心，通过控制输入扬声器阵列的信号相位（延时），实现扬声器各阵元发射的声波束在空间叠加合成，从而形成声束聚焦的效果[3]。如图1所示，如果各阵元的激励时序是两端阵元先激励，逐渐向中间阵元加大延迟，使得合成的波阵面指向一个曲率中心，形成波束能够在空间聚焦，以达到增强声源指向性的目的。

图1 相控聚焦

系统总体框图如图2所示。声发射阵列输入语音信号，通过滤波和A/D采样单元将该信号进行模数转换，同时按键显示单元设定各阵元的延时参数，CPLD根据外部设定的延时值进行数据处理，经由D/A转换后的模拟信号通过功率放大器驱动扬声器阵列向空气中发射声波。

图2 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 CPLD及存储器接口设计

（1）CPLD EPM570简介

系统采用Altera公司生产的CPLD中的EPM570作为核心控制芯片。它属于MAX II器件系列中的一员，采用基于成本优化的六层金属0.18 μm、嵌入Flash工艺，其功率只有以往MAX器件的1/10，而且成本降低一半。MAX II器件在所有的CPLD系列中具有较低的单位I/O成本和较低的功耗，能够代替成本更高或功率更高的FPGA、ASSP和标准逻辑器件。可提供240～2 210个逻辑单元（LE）、多达272个I/O管脚。

EPM570实现的功能是：实时时钟产生100 kHz的信号作为MAX120的采样时钟。每采样一次，EPM570就把数据存储在存储器中，并根据单片机送来的延时值找到相应的数据用于DA转换。其功能将依靠Verilog HDL语言编程下载到芯片中来实现。

（2）存储器接口设计

存储器选用静态存储器HM62256，它具有32 kB空间，采用0.8 μm的CMOS工艺，转换速度为85 ns。HM-62256管脚与CPLD直接连接，完成数据的存储与读取。

2.2 放大滤波电路

声发射阵列的输入信号为模拟语音信号，信号幅度较小且容易夹杂干扰信号，所以需要对该信号进行处理。系统采用INA118对信号初步放大，利用OPA606构建二阶有源低通滤波器[4]。

2.3 A/D采样电路

图3 放大滤波与A/D采样电路原理

A/D采样电路是将输入的模拟信号转变为数字量，以便后续模块进行数字化处理。系统采用MAXIM公司的MAX120作为A/D采样器件，其转换时间是1.6 μs，采样率是500 kS/s。采样的数据依次循环存储在存储器中，由CPLD根据设定的延时时间从相应的存储单元调用数据交给DA转换。图3为放大滤波与A/D采样电路原理图。

2.4 按键显示电路

系统利用键盘按键实现现场调试和数据参数调整。本系统设计4个按钮来控制光标的左右移动和信号延时值的增减。LCD默认显示第一路信号设定的初始值，单片机通过控制LCD的读/写选择端和数据/命令选择端来显示信号延时值。

2.5 D/A转换电路

系统采用National公司DAC0800实现数模转换，将经过延时处理的数字信号转变成模拟信号，并通过功率放大器驱动扬声器阵列发声。

3 系统软件设计

3.1 相控延时设计

对于声发射阵列，相邻两列声波的延时计算公式为t=d sinθ/c，（d为扬声器两阵元间距、θ为偏转角度、c为声速），根据公式计算，其延迟分辨率为10 μs即可。系统延时基于晶振时钟计数，延时值为时钟周期的整数倍。以图4为例可以说明相控发射延时（一个通道）的实现原理。

图4 数控延时原理框图

相控发射时CPLD的内部为每个超声通道提供了一个14 bit的延时计数器、一个14 bit比较器、一个14 bit的参数寄存器，用于暂存外部对CPLD写入的参数。一次相控发射开始之前，外部单片机控制端先后给CPLD内的参数输入寄存器设置各通道发射延时值。然后CPLD发出一个同步信号，启动CPLD内各通道延时计数器开始计数。当各通道预定延时值计满后,分别从参数输入寄存器调出数据送给DA转换，完成整个相控发射延时过程。相控发射延时的仿真波形如图5所示。其部分代码如下：

通过按键对各通道预设不同的值，就能分别控制各通道的起始时刻之间的延时值，从而达到相控延时的目的。

3.2 按键显示设计

（1）LCD显示设计

系统一上电即初始化，LCD默认显示第一路信号设定的初始值。当有按键输入改变各路信号的延时值，显示程序通过控制LCD的读/写选择端和数据/命令选择端来显示当前设定值。图6为显示程序流程图。

图5 延时仿真波形

图6 显示程序流程图

（2）键盘输入设计

采用独立式按键的键盘结构。设计了7位显示字符，不同的位置表示不同的含义：第零位表示信号通道数；第1位为空格位，目的是将通道数和后面的延时值分开；第2～6位是显示延时值，最大显示值为10000。

4 测试及结果分析

将相控声发射系统用于声发射阵列，以8阵元线性阵列为例，图7为现场实验图，扬声器间距为13.6 cm，输入信号为600 Hz、1 000 Hz、1 400 Hz。为实现在距离阵列中心1.5 m处聚焦，阵列两端的信号先发出，阵列中心的信号后发出。以声阵列中心为圆心、1.5 m为半径布置一个1/4圆弧，在圆弧上0°、2°、5°、10°、15°、20°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、85°（与阵列中心垂直的点标记为0°，记录数据为CH0，依次顺延）放置传感器并与扬声器阵列等高。表1为600 Hz测得的声压值。

图7 现场实验图

声发射阵列辐射声波在空气传播中会产生一定的指向性。添加相控系统后（如图8所示），在同等条件下阵列主波束中心声波强度提高了1 dB，旁瓣的声波强度降低，波束角（-3 dB）由原来的8.1°减小为6.7°，表明声波能量更为集中，主波束变得更加尖锐，旁瓣变小，阵列指向性得到加强。如图9所示，将实验结果测得各点的声压值进行归一化处理，更直观地反映出相控后声场指向性增强的变化。

表1600 Hz测试结果

图8 实现数据对比图

本文设计的基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的相控声发射系统，实现了对发声阵列各阵元输入信号的精确延时控制。实验结果表明将相控技术用于声发射阵列，能够增强声发射阵列的指向性。该系统对强指向性声源的进一步研究具有一定的参考价值和应用前景。

图9 声场指向性图

[1]RABIEI A E，M k.Study on fracture behavior of partied reinforced metal matrix composites by using acoustic emission source characterization[J].Materials science and Engineering，2000，293(1)：81-87.

[2]OLSON H F.Acoustical engineering[M].Van Noslerm Company Princlon，1957.

[3]PAUL A M，ANDERSON J W.Ultrasonic testing using phased arrays proceedings of 15th world conference on NDT[C].Rome Italy：2000.

[4]王成华，王友仁，胡志忠.现代电子技术基础（模拟部分）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：154-158.