声频定向系统理论与关键技术研究

论文摘要

声频定向系统是第一种可产生高指向性可听声的新概念声源。参量声学阵的提出为利用空气中声波的非线性传播效应产生指向性声束提供了理论依据。本文探索了利用参量声学阵作为可听声源，产生指向性声频的基础理论及系统实现关键技术，以推动声频定向系统的基础性研究与实用化进程。完成的主要工作如下：根据Helmholtz的非线性声学理论及参量声学阵理论，阐明了声频定向系统的基本工作原理，并对KZK（khokhlov-zabolotskaya-kuznetsov）方程进行了初步的解析求解以获得精确的参量声学阵理论模型。提出了三维指向性图解法，以之为基础，从理论上证明了利用换能器面阵可产生三维高指向性声束，增加阵元数可抑制旁瓣、增强指向性，从而提出了一种谐振频率可调式聚偏二氟乙烯（PVDF）膜换能器及一种整体式PVDF膜换能器的设计方法。实验证实整体式PVDF膜换能器能产生高指向性的可听声。依据自解调理论，分析比较了声频定向系统的DSB法、SSB法、平方根法等信号处理方法，建立了自解调理论模型，提出了单频、宽带信号输入时声压及谐波失真的理论计算公式，明确了自解调信号声压的主要影响参数及其影响机制，提出了声频定向系统的关键技术突破方向。提出了声频定向系统信号处理方法开发的无失真包络平方条件。开发出了两种信号处理新方法：改进AM法和N阶近似平方根法。试验验证了改进AM法可有效降低DSB法的谐波失真，而N阶近似平方根法则可有效降低平方根法的谐波失真。设计制作了基于定点DSP技术的声频定向系统信号处理平台，探讨了各种信号处理方法的实时实现技术，并在该平台上实现了各种信号处理算法。在此基础上，采用MATLAB／Simulink建立了各种算法的仿真模型。应用以上理论及关键技术研究成果，成功研制出了可用于实验研究的声频定向系统样机。通过对DSB法自解调信号的测试，发现自解调理论与“Berktay远场解”的理论预测结果与实测结果有一定差异。通过对平方根法自解调信号的测试，明确了影响自解调信号测试的主要因素及相应的影响机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 声频定向系统国内外研究历史、现状及发展趋势
• 1.2.1 声频定向系统国外研究历史与现状
• 1.2.2 声频定向系统国内研究历史与现状
• 1.2.3 声频定向系统发展趋势与存在的问题
• 1.3 论文研究目的、内容及意义
• 1.3.1 论文研究目的及内容
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 声频定向的理论基础
• 2.1 声频定向基本原理
• 2.2 参量声学阵理论
• 2.2.1 Westervelt方程
• 2.2.2 Berktay远场解
• 2.3 KZK方程及其解析求解
• 2.4 小结
• 第三章 声频定向换能器设计与制作
• 3.1 换能器阵列形式对指向性的影响
• 3.1.1 单个换能器的指向性
• 3.1.2 换能器阵列的指向性
• 3.2 PVDF膜换能器设计与制作
• 3.2.1 谐振频率可调式PVDF膜换能器的设计与制作
• 3.2.2 整体式PVDF膜换能器的设计与制作
• 3.3 小结
• 第四章 声频定向系统信号处理理论与方法
• 4.1 自解调理论模型
• 4.2 声频定向系统信号处理方法理论分析
• 4.2.1 DSB法理论分析
• 4.2.2 平方根法理论分析
• 4.2.3 SSB法理论分析
• 4.3 声频定向系统信号处理新方法研究
• 4.3.1 改进AM法
• 4.3.2 N阶近似平方根法
• 4.4 声频定向系统关键技术突破方向分析
• 4.5 声音失真校正
• 4.6 小结
• 第五章 声频定向系统的信号处理平台设计
• 5.1 声频定向系统信号处理硬件平台设计
• 5.1.1 信号处理硬件平台选择
• 5.1.2 DSP芯片的确定
• 5.1.3 基于BF533的DSP硬件平台总体方案设计
• 5.1.4 信号处理硬件平台电路设计
• 5.2 声频定向系统信号处理软件设计
• 5.2.1 软件设计总体方案
• 5.2.2 程序开发
• 5.3 小结
• 第六章 声频定向系统信号处理算法实现
• 6.1 定点算法实现技术
• 6.1.1 定点表示、运算与转换
• 6.1.2 数据溢出处理
• 6.1.3 有限字长效应分析
• 6.1.4 正弦数字信号生成
• 6.2 算法实现与仿真
• 6.2.1 DSB算法实现与仿真
• 6.2.2 平方根法实现与仿真
• 6.2.3 SSB算法实现与仿真
• 6.2.4 改进AM算法实现与仿真
• 6.2.5 N阶近似平方根算法实现与仿真
• 6.3 小结
• 第七章 声频定向系统自解调信号测试
• 7.1 测试概述
• 7.2 自解调信号的测试方案
• 7.2.1 测试硬件平台搭建
• 7.2.2 自解调信号测试方法
• 7.3 自解调信号测试实验
• 7.3.1 指向性测试
• 7.3.2 理论分析结果实验验证
• 7.3.3 自解调信号主要影响参数确定及其影响规律分析
• 7.3.4 SSB法自解调信号测试
• 7.3.5 N阶近似平方根法自解调信号测试
• 7.3.6 改进AM法自解调信号测试
• 7.3.7 典型信号处理方法谐波失真测试对比
• 7.4 健康影响探讨
• 7.5 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A:声频定向系统样机图片
• 附录B:DSP程序主要代码
• 附录C:三维指向性MATLAB程序
• 附录D:"调制系数-频率"图MATLAB程序
• 攻博期间取得的研究成果