【摘 要】超声波具有定向的传播特性，根据声学理论，频率大于20KHz的高频信号在传输过程中具有良好的指向性，频率越高其定向性越好。而声波信号通常频率较低，在空气中传播容易衰减，传输距离较短。若以超声波作为载波信号，可将音频信号调制到高频信号中实现在空气中的定向传输，并最终在空气中实现自解调，使人耳能够听到被还原的音频信号。
【关键词】超声波；频率；调制信号；自解调；定向传播
0.绪论
基于超声的声频定向传播技术是一种可使声音以波束在一定方向传播的新声源技术。超声波由于其在传播过程中具有方向性好、功率大、穿透性强的特点，而且，如今调制技术已经十分成且熟易于实现，研制出基于超声波定向的发生系统满足人们对声音传播的方向、位置、区域等特殊需求，实现声音的定向、定点发声。作品可广泛应用于家居、通讯、军事、交通、商业、大型会议、环保等领域，给人们生活工作带来全新体验，推动科技产业发展。
本项目所设计的基于超声波的定向发声系统具有声音定向传播功能，满足人们对声音传播的方向、位置、区域等特殊需求，实现声音的定向、定点发声。
1.背景与意义
1.1传统音响系统的局限性
传统的音响系统通常利用电磁力驱动锥型盆产生活塞运动，与空气直接耦合发出声音，这类音响发出的声波是多向传播的。这类音响通常声波衰减快，声音传播距离较短。
1.2项目创新点
项目论证了大于20KHz的超声波高频信号在传播过程中具有良好的方向性，设计了产生40KHz高频信号的方案，并将音频信号加载到高频信号中，又设计了对调制信号进行处理的后续电路，从而使人耳从空气中听到了较为清晰的定向传来的声音。项目制作了完整的基于超声波的定向发声系统，项目完成情况较好。
本项目的创新点为：
（1）利用了通讯中的调制原理以及机械波的叠加原理；
（2）将可听声音信号调制到超声载波频率信号之上；
（3）并由超声换能器发射到空气中，节省更多空间资源。
2.系统设计概述
本音响系统包括了音频信号调节器、载波信号发生器、乘法器、带通滤波器、均衡器、功率放大器、压电超声波发射器。其主要工作过程为音频信号经过音频信号调节器，由声音信号转变成电信号，同时载波信号发生器能够产生频率约为40KHz的载波信号，经过乘法器就使音频信号成功调制装载到了高频载波上，调制后的信号再经过滤波及均衡处理，并经过后续的放大和功率放大，在这里我们采用了线性功率放大器，最终驱动压电超声波产生具有较高指向性的超声波。人耳能够听到定向传来的声音，因为包含音频信息的高能超声波在空气传播过程中产生非线性交互作用，从而进一步自解调，还原出与音频信号相对应的声音。
2.1高频载波信号发生器设计
经过实验论证我们选择采用74HC4040对晶振产生的信号进行分频得到40KHz 的高频信号，并让分频之后的信号通过有源滤波电路，从而得到近似正弦波的载波信号。
2.2幅度调制器设计
为了使输入系统的音频信号装载到高频的载波信号上，并且要失真小，转换效率高，项目使用了AD835乘法器作为核心器件来设计调幅电路。图3为AD835调幅电路设计。
2.3已调信号的传输
为使保证最后的信号失真小，干扰较少，调制后的信号须经过系列的滤波及均衡处理、放大后，才能驱动压电超声波发射器，并选择使用线性功率放大器，以使信号能够得到较好的还原。
2.4带通滤波器
为了减小干扰对还原的信号所造成的影响，在已调信号的后面加了带通滤波电路，尽可能过滤掉带有干扰的频率信号。带通滤波器能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平。许多音响装置的频谱分析器均有使用带通滤波器，以选出各个不同频段的信号。
2.5功率放大器
已调信号必须经过功率放大器才能驱动压电式超声波发射器，功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。项目中我们使用了具有较好线性度的线性功率放大器。射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化处理，这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。
2.6压电超声波发射器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，利用压电元件实现发射或接收超声波信号，此又常称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波，也可以由一个探头兼具发射和接收两种功能即这种探头同时应用正压电效应和逆压电效应。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。
通过多次试验，项目中所使用的是压电式陶瓷超声波发射器。当电压作用于压电陶瓷时，压电陶瓷就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
超声波传感器的工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。载波信号选择40KHz的频率正是基于对对压电式陶瓷超声波发射器的共振频率的考虑。
3.结束语
基于超声波的定向发声系统不同于传统的发声系统，传统的扬声系统的发声是多向的，不能适用于一些特殊的应用场合实现定向传输。本项目所设计并制作的超声波定向发声系统具有指向性好、转换效率高、失真小的特点，执行过程中对音频信号处理，信号的调制方式，和已调信号的后续处理的方案设计为这一新型发生系统的应用提供了很好的技术基础，为扩大其实用化起到了一定的作用。
【参考文献】
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