王开懂，郭三学，吕文超

（1.武警工程大学，陕西 西安 710000；2.武警警官学院，广东 广州 510440）

0 引言

强声定向系统所产生的高指向性和高声压级声波可应用于多个领域。例如：可向远处的人群发出通知或警告，表示明确意向，实现远距离喊话；利用高声压级声波对人心理和生理上的影响，使人产生意识恍惚、头晕以及恶心等反应，起到拒止、驱散作用，可应用于海上执法、边境防护及重要目标守护等场合，应用前景广阔。

强声定向系统发射的声波主要是频率在20～20 000 Hz 的可听声。“强声”和“定向”是其核心技术要求。目前，研究和应用较多的系统是参量阵扬声器和号筒扬声器。

1 参量阵扬声器

声学参量阵技术是非线性声学中的一个重要分 支。1963 年，Westervelt 在《Parametric Acoustic Array》中首次提出了声学参量阵的概念［1］。根据参量阵理论［2］，在介质中同向传播的两个或多个不同频率的超声波，会因介质的非线性作用而产生和频波、差频波以及高次谐波等新频率波束，其中差频波具有很高的指向性。目前，主要的参量阵理论有Westervelt 方程、Berktay 远场解［3］和KZK 方程［4］。在业界，参量阵扬声器又叫做声束扬声器、音频聚光灯、超指向性扬声器等，利用超声波在空气中的非线性交互作用产生高指向性的差频波（可听声），从而实现声波的定向传播，原理如图1 和图2 所示。

典型的参量阵扬声器系统由信号处理模块、功率放大模块、换能器以及控制电路等组成，如图3所示。信号处理模块的主要工作是对输入的音频信息进行调制处理；功率放大模块对进入的调制好的电信号进行放大；换能器将放大后的电信号变成声波信号发射到空气中进行传播；控制电路对整个系统进行控制，如音量大小、输入的音频信息选择等。

相比普通扬声器，参量阵扬声器具有以下明显优势：

（1）声辐射场的波束角很小，几乎没有旁瓣，指向性效果极好，可以使声音像光束一样传播；

（2）声学参量阵作为宽带声源，信息容量很大，可以承载更多的传输信息；

（3）参量阵扬声器所发声波能量集中，大部分位于传播轴附近，因此声波能量衰减慢，传播距离远；

（4）通过进行换能器组阵，应用相控阵原理，可实现声波任意角度的指向性传播。

Bennet 和Blackstock 在1975 年首次在空气介质中实现参量阵，促进了参量阵在空气中的应用［5］。1983 年，日本学者Yoneyama 与Fujimoto 用547 个PZT 双压电晶片组合成了巨大的六角型阵列，以40 kHz 为原波载波频率，首次成功利用参量阵技术研制了定向声源［6］，得到了高指向性的大音量可听声。目前，国外报道过的最大参量阵是美国海军水下系统中心的拖曳式参量阵TOPS。该系统利用2 m×0.5 m 的发射面，在50～5 000 Hz 频率产生62～130 dB 的差频波声源。Been 和Ahn 等进行了参量阵扬声器适用于移动设备的适用性研究，所制作的扬声器产生的最大声压级为75 dB±3 dB［7］。Geng 和Nakano 等提出了一种多路算法来提高参量阵扬声器的低频响应问题，并通过实验验证了所提方法的有效性，可以获得平坦的频率响应［8］。

参量阵声源以其高指向性和易实现等特点，在水声通信［9-10］、水雷探测［11］、海底物体探测［12-13］和会议展览等领域应用广泛。美国和德国在2006 年前实现了参量阵扬声器的商品化，引起了国内一些高校和科研机构的注意。电子科技大学、西北工业大学以及山东科技大学等重点对换能器阵列的指向性、信号处理与算法以及换能器设计等进行了相关研究。中国科学院噪声与振动重点实验室长期致力于参量阵扬声器的理论和实践研究工作，在新型超声换能器PVDF 薄膜、数值计算、预处理算法以及声学测量等方面进行了深入的研究和探索［14-16］。2014 年12 月，中国科学院噪声与振动重点实验室发布了新一代超指向性扬声器，在功耗25 W 的情况下，能够实现85 dB@1 m/1 kHz，指向性夹角＜5°@1 kHz-6 dB。它的指向性测试图如图4 所示。

2 号筒扬声器

加有号筒的电动式扬声器叫做号筒扬声器，实质是振膜通过号筒向周围辐射声波，属于间接辐射式扬声器。号筒的声辐射恰如一个很大的活塞，使扬声器能有效辐射声波。同时，号筒能改进振膜和空气负载的匹配，从而提高电声转换效率。声音频率较低时，指向性变化不大，但是可以明显增强中高频的指向性。

号筒扬声器主要由号筒（喇叭）和音头（电声换能器）组成。直射式和反射式号筒扬声器结构分别为如图5 和图6 所示［17］。电声换能器是指能够实现电能和声能互换的器件。按照转换原理的不同，电声换能器又可细分为电动式、电磁式、静电式以及压电式等。目前，市场上强声系统使用的换能器绝大部分属于电动式换能器。

利用高灵敏度的换能器进行组阵，可实现高声压声波的定向传输，这是国内外强声定向系统的主流技术。换能器个体的性能参数影响着整个系统的性能，尤其对核心指标声压级和指向性有着决定性影响。现在只有少数公司掌握着换能器单体的设计和生产技术。由于该技术可用于军事用途，因此国外相关技术和设计规范不对外公开，未见有文献对其设计生产过程进行系统阐述。

美国GENASYS 公司（即以前的美国技术公司ATC）的远程声波控制器（Long Range Acoustic Device，LRAD）产品代表着强声定向系统的最高水平。它具有丰富的产品系列，可便携、车载、船载、机载，在港口安全、海事执法、船舶防御、边境安防甚至战场上得到了广泛应用。LRAD 也被称为“声炮”，最大声压级可达160 dB，指向性夹角±15°@1 kHz-3 dB，最远可向5.5 km 外传输清晰的声音，目前已在全球72 个国家应用。国内对此类强声系统的研发较晚。电子科技大学、中科院声学所等机构及部分企业，针对高声压级换能器设计及仿真、数值计算、箱体设计及号筒指向性等方面展开了相关研究。赵培东、鄢奇龙、林顺銮［18-20］在其硕士论文中，重点对换能器的磁路结构、振动部件及相位塞等进行了优化设计，所研发的换能器样机灵敏度可基本保持在118 dB，满足大功率强声定向装置的技术要求；广州迪士普公司的王齐祥［21］基于德国BMS4599 驱动头对其散热功能进行了改进，研发的用于便携式产品的驱动头灵敏度为110 dB；中国电子科技集团第三研究所的武丽森等人［22］对换能器进行了结构设计和仿真分析，换能器样品测试结果频响范围200～6 000 Hz，灵敏度120 dB@1 m-1 W，最大声压级138 dB@1 m-100 W，达到了国际先进水平；中国人民公安大学的王培傲［23］对强声系统的硬件平台、软件平台以及FIR 滤波器等进行了分析研究，设计采用了3×3 的号筒扬声器阵列，经测试，5 m 处最大声压级达115 dB 且具有一定的指向性。国内部分厂家研制了多种型号的强声定向产品，部分指标达到了国际先进水平。

除电动式换能器外，强声设备中比较常用的还有压电式换能器［24］。压电换能器相较电动换能器机械效率较高（可达80%），工艺简单，可加工成各种形状，且性能稳定。但是，压电换能器由于本身发声原理的不同，易造成中低频响应较差、有效频带窄，在中低频难以产生高声压级，导致语音传输效果不理想。因此，用压电换能器设计制作的强声设备更多应用其声波的警告、驱散功能，如强声驱散盾牌［25］。

3 研究热点

参量阵扬声器指向性最好，但电声转换效率低，且难以产生高声压级的声波。现在国外商用的参量阵扬声器在输入功率12 W 的情况下，1 m 处的最大声压级为109 dB。虽然近些年对此的研究很多，但实际效果不理想。电动式换能器可产生高声压级的声波，但指向性一般，无法实现“精确瞄准”。另外，换能器长时间工作时内部会产生很大的温升，影响电声转换效率，甚至会破坏换能器。

因此，参量阵扬声器需进行超声换能器的优化设计，进一步解决超声带宽不足、输出功率小、声压级小以及失真度高等问题，同时需研究信号处理方式和算法，实现更高的电声转换效率和低失真度，并获得合理的带宽。最后，需研究线性超声波段功放关键技术，使参量阵扬声器在低波峰因素时具有良好的放大效率等。

电动换能器则需寻找并使用新型材料，使它的磁路系统具有更大的磁通密度，使振膜具有更大的弹性模量、更小的密度和适当的内部阻尼。要对磁路、音圈、振膜、折环、定心支片、号筒以及相位塞等关键部位进行结构优化和参数设计，提高转换效率，减小失真。同时，下一步需研究分析换能器散热问题，提高系统的可靠性和稳定性，并创新扬声器系统的理论研究，认识到扬声器设计中等效电路、T-S 参数等方法的局限性，建立适用性更广的数学分析模型，摆脱以往多靠经验积累进行设计的方法，合理运用LEAP5、LSPCAD、FineCone以及FINEMotor 等扬声器设计软件和COMSOL Multiphysics、Virtual.lab Acoustics 等仿真分析软件，提高设计效率和生产效率。

与国外相比，国内强声定向系统发展在核心技术、生物损伤试验、技术标准体系以及法律法规等方面都存在差距。首先，核心技术受制于人。电声换能器作为一个复杂的电-磁-力-声耦合系统，设计制造涉及信号处理、材料、金属加工、化工以及电工电子等众多学科领域。国内不少厂家虽可生产强声定向产品，但最核心的换能器却多源于进口。国内掌握换能器关键技术的厂家不多。其次，生物损伤试验尚不充分。强声损伤机理研究是发展强声定向系统的关键基础。我国在这一领域的研究工作发展较慢，虽然第三军医大学、第四军医大学、军事医学科学院等科研单位做了大量基础研究工作，但由于起步较晚、持续投入不够，整体相对滞后且针对性不强，尤其是在人体效应方面积累不足。再次，技术及安全标准不够完善，使产品的研发、生产、使用及市场推广受到了极大制约。最后，法律法规制约问题。强声定向系统的使用尚缺乏充分有力的法律支撑，尤其是使用条件和法律责任还不明确。

为加快强声定向系统的发展，针对当前存在的问题提出如下建议。一是开展需求论证，推进研发攻关。组织有关单位，充分考虑市场需求、技术成熟度、综合性价比等因素，论证强声定向系统的研发重点和方向，进行关键技术攻关研究，逐步掌握核心技术。二是完善技术标准和法律法规，为强声定向系统的设计、生产、评估以及使用提供技术支撑，为执法部门的使用夯实法律基础。三是加强强声损伤机理基础研究。加强声波对人体生理、心理效应的研究，分析频率、声压级、相位以及作用时间、作用距离等因素对人的影响，以提高强声定向系统的作用效果，同时进一步研究强度剂量和安全阈值，减小对人的损伤，不产生永久性伤害。

4 结语

现阶段，强声定向系统向着低频率、大功率、小型化以及复合化等方向发展，在维护国家安全稳定中的作用越来越重要。但是，强声定向系统如果使用不当，将会给人员造成严重伤害，甚至死亡。因此，使用时要根据距离远近和目标大小调整声压级、作用时间、作用角度等参数，以免对人造成过度伤害，同时要做好自身防护，严守操作规程，避免自身受到伤害。