基于扬声器阵列的声场定向技术研究

论文摘要

参量阵扬声器是一种新型的声场定向设备,所发射的差频声场具有强指向性而被称为音频聚光灯。参量阵扬声器区别于传统的扬声器,它是由超声波换能器组成,其基本原理是利用超声载波和音频信号进行调制,在空气介质的非线性作用下,会在传播的过程中重新生成音频信号,通过超声载波的强指向性,实现了音频信号的定向传播。在20-20KHZ频率范围内,通过点、线、面扬声器阵列进行对于声波指向性影响的因素的研究,得到了基本一致的结论,但是对于参量阵扬声器定向技术的研究却没有统一的结论。本文结合传统扬声器定向性能从理论以及仿真结果讨论了参量阵的可行性以及影响因素,为参量阵扬声器的工业设计和制作提供了理论支持。做这些的目的主要是鉴于国内外很少有对这些基本要素进行讨论的文章,所以本人希望用最简单的图形来验证相关的理论知识。首先通过对传统扬声器原理的系统分析,推导出其指向性公式,并对点声源、线声源、线阵列以及矩形阵列的指向性进行了推导,通过Matlab仿真讨论声波频率、阵元、阵列对其指向性的影响。其次介绍了参量阵扬声器的基本原理,通过非线性声学中参量阵的引入,推导出单一参量扬声器的指向性公式,并仿照传统扬声器阵列的推导过程推导出矩形参量阵的指向性表达式。最后利用对传统扬声器阵列的Matlab仿真得到的结论,去仿真参量阵扬声器,并对两者之间的联系和差异性进行了讨论,并对声波频率、换能器振动面积、阵元数目和阵列大小等因素对参量阵指向性的影响进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 应用背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作及其章节安排
• 2 相关理论基础
• 2.1 扬声器与换能器
• 2.2 扬声器阵列
• 2.3 参量阵扬声器
• 2.4 Westervelt方程
• 2.5 Berktay远场解
• 2.6 KZK方程
• 3 扬声器阵列
• 3.1 声波的叠加
• 3.2 球面波与柱面波
• 3.3 点声源线阵列
• 3.4 线声源与线阵列对比
• 3.5 线阵列声场聚焦相关技术
• 3.6 扬声器矩形阵列
• 4 参量阵扬声器
• 4.1 超声波换能器
• 4.2 换能器产生差频波
• 4.3 换能器矩形阵列产生差频波
• 5 扬声器阵列指向性仿真
• 5.1 仿真概要
• 5.2 扬声器矩形阵列指向性
• 5.3 参量阵扬声器阵列指向性
• 5.3.1 频率影响
• 5.3.2 阵元数目影响
• 5.3.3 阵元间距影响
• 5.3.4 换能器半径影响
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢