有源单向声传播装置及实现单向声传播的方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源单向声传播装置及实现单向声传播的方法，其中传播装置由两个扬声器和两个传声器组成，所述两个扬声器构成控制声源，在所述控制声源的一侧设置一参考边界，所述两个传声器位于所述参考边界的两边，且所述两个传声器的间距小于声波波长，所述的两个传声器测得用于计算外界声源产生的反向声压的声压信号，所述的控制声源发出抵消所述外界声源产生的反向声压的声波。与采用强非线性声学介质构造单向声传播装置相比，本发明采用常规扬声器和传声器作为实现手段，结构简单、更易实现。
【专利说明】有源单向声传播装置及实现单向声传播的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种声传播装置，特别是一种基于有源控制的单向声传播装置。
【背景技术】
[0002]单向声传播装置是指声波只能由该装置的一侧传播至另一侧，而反向无法通过的装置，它有广阔的应用前景。在潜艇或水下武器的声探测方面，现有手段主要分为两类:基于采集水下结构自身辐射声的被动方式和基于接收结构散射声的主动方式。使用单向声传播装置，可同时抑制向外传播的福射声和散射声，有利于提高水下结构的声隐身性能；将单向声传播装置安装在墙壁表面，可用于建造低截止频率的消声室；将单向声传播装置应用于防窃听系统，可有效阻断谈话信息向外界的传播。
[0003]现有的有关单向声传播装置的研究主要集中在强非线性声学介质方面，其代表为“声二极管”，是利用基波和二次谐波在超晶格结构与强非线性声学介质的组合系统中的传播特性差异，来实现声整流效应，即单向传播。目前已经建立了 “声二极管”的理论模型(B.Liang,B.YuanandJ.Cheng, 2009, AcousticDiode:RectificationofAcousticEnergyFluxinOne-DimensionalSystems, PhysicalReview Letterl03, 104301),并在实验室利用超晶格结构与医学超声造影剂微泡构建了一维的声二极管器件(B.Liang, X.S.Guo, J.Tu, D.Zhang, J.C.Cheng, 2010, An acousticrectif ier, NatureMaterials9, 989 - 992),但仅对若干个离散频率点有效。总体而言，在使用声学介质实现单向声边界的研究方面，理论、数值模拟甚至初步的实验已经取得了相应进展，但所涉及的声学介质离实际的实现和应用还有一定距离。
[0004]近二十年来，随着电子技术、信号处理、控制理论和换能器技术的发展，基于声场叠加原理的有源技术被广泛应用于声场控制领域。最近的研究结果表明，有源技术不仅可用于声场控制，也可用于控制声波在介质中的传播特性。Collet等(M.Collet，P.DavidandM.Berthillier, 2009, Activeacousticalimpedanceusing distributedeIectrodynamicaltransducers, JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica125, 882-894)利用电动传感器阵列设计了有源声阻抗层，可以改变声波在常规介质中的传播和反射性质。Howarth 等(T.R.Howarth, V.K.Varadan, X.Baoand V.V.Varadan, 1992, Piezocompositecoatingforactiveunderwatersoundreduction, JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica91, 823-831)使用压电复合材料实现了物体表面的阻抗匹配，并可根据入射波的变化实时调整。为了在水下波导管中产生无反射的行波，Finneran和Hastings (J.J.FinneranandM.C.Hastings, 1999, Activeimpedancecontrolwithinacylindricalwaveguideforgenerationof low-frequency, underwaterplanetravelingwaves, JournaloftheAcousticalSocietyof Americal05, 3035-3043)利用有源阻抗控制法在管道末端获得了低于0.05的低频反射系数。Corsaro 等(R.D.Corsaro, B.HoustonandJ.A.Bucaro, 1997, Sensor—actuatortileforunderwatersurfaceimpedancecontroIstudies, Journalofthe AcousticalSocietyofAmerical02, 1573-1581)将压电作动器、声压传感器、声质点速度传感器等集成在1.6cm厚，25cm见方的结构上，研制了一种基于阻抗匹配的消声瓦。以上有源声阻抗控制的本质是在初级声场中引入控制声源，使总声场在特定区域，如物体表面，形成特殊的阻抗特性。由此可见，在常规线性声学介质中引入控制声源，可形成特殊的声学传播特性。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种采用常规扬声器和传声器来实现单向声传播的装置及方法，与采用强非线性声学介质构造单向声传播装置相比，结构简单、更易实现。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种有源单向声传播装置，其特征在于:由两个扬声器和两个传声器组成，所述两个扬声器构成控制声源，在所述控制声源的一侧设置一参考边界，所述两个传声器位于所述参考边界的两边，且所述两个传声器的间距小于声波波长，所述的两个传声器测得用于计算外界声源产生的反向声压的声压信号，所述的控制声源发出抵消所述外界声源产生的反向声压的声波。
[0008]本发明的单向声传播装置指声波只能正向传播、而反向无法传播的装置，其中正向是指由扬声器到传声器的方向，反向是指由传声器到扬声器的方向。
[0009]所述的两个扬声器是频率响应一致的全指向性扬声器，且它们的驱动信号的幅度比和初始相位差满足如下关系:C2amp/Clamp = I，C2pha-Clpha = -arctan [kL/ ((kL/2) 2_1)],以组 成单指向性控制声源，其中Clamp和C2amp为两个扬声器的驱动信号的幅度，Clpha和C2pha为两个扬声器的驱动信号的初始相位，k = 2 Ji f/c, f是声波频率，c为声速，L是两扬声器之间的距离。
[0010]一种采用有源单向声传播装置实现单向声传播的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0011]I)、用所述的两个传声器测量由外界声源产生的声压P1和P2,由此计算参考边界上的声压A =1$和质点速度K-朽矽，并计算控制声源另一侧re处的反向声
压A =I(A) -PWk'，其中J , P为声波传播介质的密度，X = re-r0 ；
[0012]2)、调整控制声源中两个扬声器的驱动信号的幅度和初始相位，使控制声源在步骤I)的re处发出的声波以抵消步骤I)得到的反向声压。
[0013]所述步骤2)的调整方法为:
[0014]21)、测量两个扬声器到re处的反向声压频率响应Hel和He2 ；
[0015]22)、测量外界声源到两个传声器的声压P1和P2，计算参考边界上的
声压和质点速度v。，并由此计算re处的反向声压
P,.pcvlt)c^，根据外界声源的驱动信号与K之间的关系，计算外界声源到re处的
反向声压频率响应Hs ；
[0016]23)、在满足 C2amp/Clamp = I，C2pha-Clpha = -arctan[kL/((kL/2)2-!)]的同时，通过计算CumpH+C2umpH=-5.‘左右两边的实部和虚部分别相等，获得控制声
源中两个扬声器的驱动信号的幅度和初始相位，其中Samp和Spha分别为外界声源的幅度和初始相位，此时控制声源在步骤I)的re处发出-P^的声波以抵消外界声源产生的反向声压。
[0017]本发明的优点和有益效果是:本发明的有源单向声传播装置采用常规扬声器和传声器作为实现手段，与采用强非线性声学介质构造单向声传播装置相比，结构简单、更易实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为有源单向声传播装置的结构图；
[0019]图2为在管道中实现有源单向声传播装置的系统示意图；
[0020]图3为有源单向声传播装置对声源A的单向声传播效果，其中a为关闭控制声源的效果图，b为启动控制声源的效果图；
[0021]图4为有源单向声传播装置对声源B的单向声传播效果。
【具体实施方式】
[0022]以下结合具体实施例，进一步阐明本发明的实施过程。应理解此实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0023]如图1所示，本发明的有源单向声传播装置，由两个扬声器和两个传声器组成，两个扬声器构成控制声源，用于发出抵消所述外界声源产生的反向声压的声波，在控制声源的一侧设置一参考边界，两个传声器位于所述参考边界的两边，它们测得的声压信号用于计算外界声源产生的反向声压，其中，两个传声器的间距小于声波波长。图2是一个具体实施例的系统示意图。本发明的有源单向声传播装置在横截面为正方形、边长为17cm的管道中实现，传声介质为空气，因此c = 340m/s, P=L 21kg/m3。以一维条件下频率f =400Hz的声波只能从左至右在有源单向声传播装置中传播、而反向无法传播的情况为例进行分析。具体操作如下:
[0024]1.设置左指向性控制声源，它由两个经调整后频率响应一致的全指向性扬声器组成，两扬声器之间的距离L = 0.07m。k = 2 π f/c ^ 7.4，所以两个扬声器的驱动信号的幅度比和初始相位差为 C2amp/Clamp = I, C2pha-Clpha = -arctan [kL/( (kL/2) 2-1)] ^0.51(约 29度)。
[0025]2.在控制声源右侧设置参考边界，两个传声器位于参考边界的两边，间距d =
0.06m。
[0026]3.调整控制声源的幅度和初始相位，使其在该装置左侧发出声波以抵消由外界声源(声源A或声源B)产生的由右至左传播的声压，具体步骤如下:
[0027]A)测量扬声器I和2到re处的f = 400Hz的频率响应Hcl和Ηε2。
[0028]B)以f = 400Hz的信号Q(t)驱动外界声源(声源A或声源B)，参考边界两边的传声器测量时域声压信号？1(0和P2(t)，并计算参考边界上的声压
P0(J) = Pl⑴2P2⑴和质点速度νθ(O = ^l0[A(O~Pi(OVt，获得re处的由右至左传播的声压P,.(O = ^-[/Λ,(O-PCV11 (t)li?,L'。根据Q(t)与Pr(t)的幅度和相位关系,计算外界声源到re处的
f = 400Hz的频率响应民=\Hs\em，其中|HS| ^ pr(t)与Q(t)的幅度比，死是卩^⑴与Q(t)的相位差。
[0029]C)令Cla-HyA'- +ClmipHi,一 =-SanpH6e s左右两边的实部和虚部分别相
等，计算两个扬声器的驱动信号的幅度Clamp与C2amp和初始相位Clpha与C2pha，其中Samp和Spha分别为外界声源的幅度和初始相位，且C2amp/Clamp = 1，C2pha-Clpha。0.51。
[0030]D)以频率为f = 400Hz、幅度为Samp、初始相位为Spha的信号驱动外界声源时，用频率为f = 400Hz、幅度为Clamp、初始相位为Clpha的信号驱动扬声器I，用频率为f = 400Hz、幅度为C2amp、初始相位为C2pha的信号驱动扬声器2，即可实现f = 400Hz的声波在有源单向声传播装置中从左至右传播，而反向无法通过。附图3为400Hz时有源单向声传播装置对于声源A的单向声传播效果:在该装置的左侧，关闭控制声源时，声源A的反射声压与福射声压之比为0.5，如附图3 (a)所示；启动控制声源时，声源A的反射声压与辐射声压之比为
0.05，如附图3 (b)所示，有效阻止了声源A的反射声由右至左的传播，而不影响声源A的辐射声由左至右的传播。附图4为400Hz时有源单向声传播装置对于声源B的单向声传播效果:该装置的左侧和右 侧的声压之比为0.097，有效阻止了声源B的辐射声由右至左的传播。
【权利要求】
1.一种有源单向声传播装置，其特征在于: 由两个扬声器和两个传声器组成，所述两个扬声器构成控制声源，在所述控制声源的一侧设置一参考边界，所述两个传声器位于所述参考边界的两边，且所述两个传声器的间距小于声波波长，所述的两个传声器测得用于计算外界声源产生的反向声压的声压信号，所述的控制声源发出抵消所述外界声源产生的反向声压的声波。
2.如权利要求1所述的有源单向声传播装置，其特征在于:所述的两个扬声器是频率响应一致的全指向性扬声器，且它们的驱动信号的幅度比和初始相位差满足如下关系:QampZCiamp = I，C2pha-Clpha = -arctan [kL/ ((kL/2) 2_1)],以组成单指向性控制声源,其中 Clamp和C2amp为两个扬声器的驱动信号的幅度，ClphJP C2pha为两个扬声器的驱动信号的初始相位，k = 2 π f/c, f是声波频率，C为声速，L是两扬声器之间的距离。
3.一种采用权利要求1所述的有源单向声传播装置实现单向声传播的方法，其特征在于，包括以下步骤: D、用所述的两个传声器测量由外界声源产生的声压P1和p2，由此计算参考边界上的声压
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的调整方法为: 21)、测量两个扬声器到re处的反向声压频率响应Hcl和Η?； 22)、测量外界声源到两个传声器的声压P1和ρ2，计算参考边界上的声压P0= !^和质点速度
【文档编号】H04R1/32GK103945302SQ201410191835
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】韩宁, 方世良 申请人:东南大学