摘要：当前绝大多数声频定向扬声器信号处理方法的理论依据——“Berktay远场解”预测的结果与实验结果存在差异，它只能作为声频定向扬声器信号处理的定性依据。此项研究解决了长期以来声频定向扬声器信号处理理论依据得不到验证的难题，对于研究声频定向扬声器信号处理方法具有重要意义。
关键词：声频定向扬声器；平方根法；谐波失真；
声频定向扬声器是一种新型声音装置，它基于空气介质中超声的非线性交互作用产生高指向的可听声。本文主要为搭建声频定向扬声器中实时完成调制算法的数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)软硬件平台，并通过本文搭建的测试平台确定最优算法，获得具有低失真度、高指向性的可听声。
一、声音定向传播的基本原理
理论上而言，声波是否具有指向性取决于声源尺寸与声波波长的比率。当声源的尺寸远大予声波波长的时候，声音的传播就会表现出很强的方向性：相反，当声源的尺寸与声波的波长相当，甚至小于声波波长的时候，声音的传播则是发散式的，没有指向性传播的现象。声音在空气中传播的速度大约 固定在340m／s，而可听声的频率f范围是20Hz到20KHz，根据 很容易可以得到可昕声的波长 范围是17mm至17m，即对于普通扬声器而言，其尺寸一般都小于相应声波的波长，因此其所发出的声音很难表现出明显的指向性特征。Helmholtz发现了一个有趣的现象，并且证实了当两个不同频率的音调在空气中传播时，它们可以通过相互之间非线性交互作用产生相应的差频、和频以及高次谐波。根据Helmholtz提出的理论,当两列平面波在不均匀的介质中传播时会发生如图1的现象。。超声换能器即超声扬声器，受到频率分别为 和 的两个单频电信号的激励，将电信号转换为机械振动完成能量转换，向空气中同时发射频率为 和 ．厶的两个超声波信号。在空气介质中随着传播距离的增加，这两列超声波信号通过非线性的交互作用，产生了由频率为 的和频信号，频率为 的差频信号以及频率为须、织(，z=2，3，4⋯⋯)的谐波信号所组成的复杂的声波信号。由于传播介质对于不同频率声波的吸收程度的不同，即声波在空气中被吸收的系数口与声波信号频率的平方成正比。所以和频信号 ，高次谐波信号 (以=2，3，4⋯⋯)会很快衰减，随着传播距离的增加最后只剩下差频信号 这一种频率成分。
图1空气中非线性交互作用
二、谐波失真理论分析
1.DSB法的谐波失真。早期声频定向扬声器信号处理一般采用双边带调制法(double side band，DSB)，即通过幅度调制使得式 (1)中的包络信号： （2）式中：m为调制系数， 为输入音频信号。为验证DSB法的谐波失真，令 （ω为输入信号的角频率)，则式(2)变为： （3）将式(3)代入式(1)可得输入音频信号为时 ，自解调出来的二次声压为： （4）由式(4)可知，当采用DSB法进行信号处理时，输入一个标准正弦信号后，声频定向扬声器发出的超声波信号将在空气中自解调出一个同频率的基频信号，以及一个二次谐波信号，即存在谐波失真。谐波失真的大小可由总谐波失真(total harmonic distortion，THD)来表示： （5）式中：1P为基频声压均方根值，2P为二次谐波声压均方根值，余此类推，nP为n次谐波声压均方根值。从式(4)可知，采用DSB法进行信号处理时，自解调信号的谐波失真是由于出现二次谐波导致的。根据式(4)、(5)可计算出采用DSB法时的THD为：(6)根据式(7)可知，在理论上，依据“Berktay远场解”得到的声频定向扬声器自解调信号的THD只与调制系数m有关，而与输入信号的频率无关，且随着m的增大，THD呈单调增大趋势。当m达到其最大值1时，THD将达到其最大理论值100%。
2.平方根法。当采用平方根法对声频定向扬声器进行信号处理时，令调制信号包络 ，并将其代入式(1)可得二次声压为： （7）此时可令输入声频信号为 ，并以之代入式(7)可得其自解调出的二次波声压为： （8）式(8)是根据“Berktay远场解”得到的理论结果。由式(8)可知，当采用平方根法进行信号处理时，声频定向扬声器的输出信号——自解调信号中不含谐波成分，即不存在谐波失真(THD=0)。此外，平方根法的谐波失真与输入信号频率也无关，但其幅值与频率相关。随着频率的增大，自解调信号声压幅值也相应增大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
三、谐波失真实验测试
传统扬声器采用机械振动方式直接产生声频信号，而声频定向扬声器则是通过机械振动产生超声波，利用超声波在空气中的非线性传播效应自解调出加载于其上的声频信号，本文中实验的基本设置为：主要测试仪器采用Agilent35670A动态信号分析仪1台，频率响应范围为20~16 200 Hz传声器1个；采用一个300 mm×300 mm的PVDF
膜方形平面换能器作为超声发射器；测试输入信号为一标准3 kHz正弦信号；由于声频定向扬声器产生的高指向性可听声在空气中的自解调是一个渐近过程，因此测试距离不宜选择在传统扬声器所用的1 m距离处，而应该选择在接近参量阵长度的距离处，此时自解调过程已基本完成，测试所得结果才具有较高可信度；一般参量阵长度为0.8~3 m，根据采用的超声波载波频率不同而有所不同；本实验中通过实际测试选择的测试距离为1.5 m。
1.DSB法谐波失真测试。当输入一标准3 kHz正弦信号时，声频定向扬声器将该其通过DSB法加载到超声波上，并将该列超声波发射到空气中，最后在空气中自解调出处于可听声范围内的3 kHz正弦波。由式(4)可知，根据“Berktay远场解”的理论预测，当采用DSB法进行信号处理时，最后在空气中自解调出来的信号将含有3 kHz基频，以及6 kHz二次谐波。图2所示是当m=0.4，输入3 kHz标准正弦信号得到的声频定向扬声器自解调输出信号的实测时域波形及其频谱图。由图2(b)可知，该自解调信号主要由3 kHz基频、6 kHz二次谐波、9 kHz三次谐波和12 kHz四次谐波组成。基频成分的声压级(sound pressure level，SPL)比二次谐波成分的高约11.71 dB，这表明自解调信号中基频信号占据主导地位实测THD为31.84%，比采用式(6)计算所得的理论值40%小8.16%。当m增大到0.6时，时域波形失真增大。这种时域波形失真的增大在频域内表现为谐波成分的增大。
图2 m=0.4时自解调信号的时域、频域图
本文采用DSB法、平方根法进行声频定向扬声器的信号处理，并对声频定向扬声器的谐波失真进行了理论预测与实验测试对比，得出了以下结论：采用DSB法进行信号处理时，“Berktay远场解”理论预测的自解调信号仅由基频与二次谐波组成的结论与实测自解调信号由基频、二次谐波、三次谐波及四次谐波组成的情况不相吻合。
参考文献：
[1]马蕊．扬声器主要性能测试方法(GBrr 9396-1996)，国家技术监督局，2016
[2]吴燕.声频定向扬声器谐波失真测试，北京航空航天大学出版社.2016
全方位窥镜式观察记录仪
廖丽萍 覃仕樾 张阳 谌彬
关键词：全方位 观察 记录仪
前言：随着社会经济的快速发展，株洲市电力需求也持续增长迅猛。面对越来越重的供电压力，变电运维目前变电站巡视的工作量已超越了现有人员的工作承载力。为解决这日益突出的问题，研发全方位窥镜式观察记录仪。
1、制作装置手持杆部分。根据变电站200kV验电器尺寸大小，小组成员购置一只验电器作为装置手持主体，定制了能支撑采集系统云台的螺口与紧固套，并前往工厂加工车间监造。采购200kV验电器尺寸为（高×直径）2000mm×40（30）（20）mm，有三个伸缩节，表面为黄色，总质量2kg，方便携带。
2、验证装置手持杆绝缘性能。测量时，从装置手持杆端头开始，在标准长度处用锡纸包一圈，再用铁丝邦住，接上地线。绝缘杆的端头接到绝缘支架上，水阻一端固定在绝缘支架上另一端和标准分压器一起接到试验变压器的高压引出头，我们调节稳压器和调压器，给试验变压器缓慢升压，达到额定电压时开始记时，耐压时间为1min，1min后降压，试验结束。
3、采购装置云台部件。为了克服摄像头角度限制，链接部件中间设计转向部件，，使其一端能安装在验电器底座上，另一端配有强力磁铁，可与摄像头有效且紧密链接，易于摄像头拆卸安装。
4、无线传输手段的应用。采用wifi短距离无线传输技术，实现摄像头数据与存储设备带宽的无线空中对接，并保证在30m内实现数据无线顺畅传输。
5、数据拍摄采集功能开发。调试好摄像头位置，使用无线数据传输连接好摄像头与拍照存储设备的基础上，应用数据存储设备的拍照功能实现设备数据还原式采集，并分配存储单元保存数据。
6、装置集成。将上述各模块集成，并合理配置无线数字摄像头充电装置、全方位观察记录仪仪器盒等辅助工具；调试完成后，放置在变电站试用。
7、安装调试主控系统。在专用数据采集存储设备上，根据安全和实用的目标，对主控系统进行了安装。(1)对照使用说明书，将无线数字式摄像头控制APP安装到专用数据采集存储设备上。(2)设置用户权限，以及无线设备连接的权限。(3)设置管理员“设备管理”、密码设置等超级权限，以便管理员日常维修、管理以及集中收集数据。
论文作者:马玉超
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/5
标签：谐波论文; 声频论文; 信号论文; 扬声器论文; 基频论文; 频率论文; 声波论文; 《电力设备》2019年第2期论文;