相控?fù)P聲器陣列的聲場(chǎng)分析與控制.pdf

1、相控?fù)P聲器陣列是一種由多個(gè)揚(yáng)聲器按照一定的幾何陣型排列組成的陣列式揚(yáng)聲系統(tǒng)，通過改變?cè)撓到y(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各揚(yáng)聲器陣元的電信號(hào)參數(shù)可以形成不同特定的聲場(chǎng)。本文主要圍繞相控?fù)P聲器陣列聲場(chǎng)理論和相控陣信號(hào)處理技術(shù)展開研究，為揚(yáng)聲器系統(tǒng)的聲場(chǎng)控制提供理論和實(shí)踐依據(jù)。
　　根據(jù)聲場(chǎng)傳播基礎(chǔ)理論，本文首先推導(dǎo)出了揚(yáng)聲器陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓指向性函數(shù)、指向性圖以及描述聲場(chǎng)特性的指向性參量。在此基礎(chǔ)上，討論了點(diǎn)聲源、直線型揚(yáng)聲器陣列、圓弧型揚(yáng)聲器陣

2、列、直線型高低頻組合陣列以及普通平面陣和貝塞爾面陣列的不同的聲場(chǎng)特性，這些形成的聲場(chǎng)將能量集中在主波束上，使輻射距離更遠(yuǎn)。使用多通道等差延時(shí)方法實(shí)現(xiàn)了陣列波束偏轉(zhuǎn)，以直線型揚(yáng)聲器陣列的中垂線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，主波束方向上下偏轉(zhuǎn)10度；使用切比雪夫權(quán)系數(shù)束控法對(duì)直線型揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行旁瓣抑制，在Matlab仿真中，實(shí)現(xiàn)對(duì)旁瓣的幅度抑制在20dB內(nèi)，并在實(shí)驗(yàn)中對(duì)旁瓣實(shí)現(xiàn)5dB的聲壓級(jí)衰減；使用高低組合線型陣列法對(duì)直線型揚(yáng)聲器陣列展開倍頻程恒定束寬的

3、分析，在100~200Hz的一個(gè)倍頻程內(nèi)實(shí)現(xiàn)主波束寬度的恒定。
　　使用 Matlab和 Comsol軟件分別對(duì)簡(jiǎn)單陣列和復(fù)雜面陣列進(jìn)行了數(shù)值有限元仿真分析，研究了陣列陣型、陣元個(gè)數(shù)、陣元間距、聲源頻率等因素對(duì)相控?fù)P聲器陣列指向性的主波瓣寬度、旁瓣和方向的影響。對(duì)直線型揚(yáng)聲器陣列、圓弧型揚(yáng)聲器陣列、高低頻直線型組合陣列、矩形面陣列以及貝塞爾面陣列的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，高低頻直線陣擁有較小主波束寬度同時(shí)可以在一定頻帶實(shí)現(xiàn)恒定束寬，

4、但是旁瓣會(huì)增多。貝塞爾面陣雖然性能良好，但是工程實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。
　　采用Xilinx公司Spartan系列FPGA作為中央處理器，TD7294數(shù)字功放作為驅(qū)動(dòng)器，搭建了相控?fù)P聲器陣列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。運(yùn)用多通道的相位延遲方法實(shí)現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)，通過改變權(quán)系數(shù)實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制，使用線性組合法來控制主波瓣在頻帶內(nèi)的恒定，采用 FPGA內(nèi)部延時(shí)和加法單元實(shí)現(xiàn)高低頻陣列的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)。搭建了揚(yáng)聲器陣列聲場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)各點(diǎn)聲壓、指向性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)