摘 要：基于超声调制的声波定向传播是近年来的热门研究课题。通过对声波定向发射原理的研究，用具体电路和器件搭建了一套完整的声波定向发射器。经过测试，获得明显的声音定向效果。因此，设计及研究高强度、高稳定度的声波定向发射器是本文的关键。

关键词：超声波；定向传输；自解调

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.116

本文所研究的声波定向发射器具有非常广阔的应用前景，既可用于军事领域，例如定向声频信号可以造成敌方心理上的恐惧。还可用于商业领域，利用发生器具有很强的指向性这一特点只针对某些特定人群。例如，博物馆里的游客参观展览品时或者逛超市身处不同的商品类型时。另外，还可应用于机场驱鸟设备，既防止了威胁安全飞行的“鸟撞”事件的发生，又很好的保护了鸟类，使机场在驱鸟方面朝生态文明靠攏。

1 定向发射器原理

声波和其他的波有很多相似之处，波的定向性取决于波的波长与波源的尺寸之比，当波的波长远大于波源的尺寸时，波就没有定向性。当波的波长接近声源尺寸时，开始呈现波的定向传播，当波的波长远小于波源尺寸时，波的定向性越来越强。

声波的主要频率成分集中在300～3KHZ，以其中较低的频率f1=300HZ为例，波长λ1=V/f1，其中V是声波在空气中的传播速度约等于340m/s，则λ1=1.13m，较高的频率f2=3KHZ，波长λ2=V/f2=0.11m。可见声波的低频成分需要更大的声源（反射）面积。对于λ1的反射面的最小直径1.13m，要获得较好的定向效果则反射面直径要在10m以上，这虽然在理论上可行，但理论价值不高。

将声波的频率线性搬移到较高的频率上形成已调超声波，在发送已调波的同时，再发送一组未调制的同频（同相）载波信号，由于空气对超声波传播呈非线性，2路信号在空间将发生相互作用，产生出许多“和频”与“差频”信号，其中一次方差信号就是调制信号——声音信号，即可以直接听到的声音。这个过程称为声音信号的自解调。

首先用抑制载波的双边带调幅器将声音电信号调制到超声波的载波电信号上，送入超声波功率放大器放大后送至超声波换能器阵列转换成超声波向空间发送。另一路则将超声波电信号直接转换成超声波向空间发送。

本文选用超声信号的频率为21KHz，主要考虑频率越高，在空气中的衰减越大，但频率越高，定向性越好，故在超声信号的产生器中我们选择频率可调的信号产生器，便于在调试中选择最佳的超声频率。所选超声波信号如图1所示：

2 定向发射器实验结果

在输入载波的20KHz方波信号，声频1KHz方波信号，得到的已调信号如图2所示：

声波定向发射器如图3所示，主要由主机、辅机、换能器三部分构成，主机完成超声调制，辅机实现功率放大，换能器将自解调后的两路超声波电信号转换成超声波向空间发送。通电实验后，在在正对声波定向发生器的方向能够听到正常的音频信号，而在其他方向仅能感受到微弱的声音信号。

3 结论

由于超声波在空气中的非线性效应，只有在定向发射器正前方才可以获得可听声波，该文中设计的超声波定向发射器经过一系列的电路设计和实际调试后，其声音定向发送的效果达到了较为满意的效果。在正对声波定向发生器的方向能够听到正常的音频信号，而在其他方向仅能感受到非常微弱的声音信号。

参考文献：

[1]刘军.声波定向发射器的原理研究与电路实现[J].中国人民公安大学学报（自然科学版），2011.

[2]张雅丽.声波定向传输实验系统的设计与研究[J].通信技术，2009.

[3]张扬.声波定向系统设计[D].长沙：国防科学大学，2011.

[4]纪鸣.声频信号定向传播技术研究[D].西安，西北工业大学，2005.

作者简介：张培培（1988-），女，研究生，讲师，研究方向：通信与信息系统。