一种面向声频定向系统性能的测试装置及其方法与流程

本发明涉及一种测试装置及其方法，更具体地说，涉及一种面向声频定向系统性能的测试装置及其方法。

背景技术：

在日常生活中，大部分扬声器的声音传播都是发散的，声波会以球面波的方式向外传播，因此声音不具备明显的指向性，当多个声源同时存在时就势必会产生互相干扰的情况。随着社会不断的进步，人们的需求也在不断增长，很多场合需要具有指向性的声源。如博物馆、超市、展会等场合，不同商品或展品的音频介绍会混杂在一起造成场面喧嚣混乱，若能够使用具有定向性的声源，使只有商品或展品附近可以听到其音频介绍，将会极大提高人们的体验；而大功率的定向声源也可用作机场驱鸟、警用驱散人群等用途。

20世纪60年代初被提出的声学参量阵理论为解决这一问题提供了新的思路。这一理论利用了介质的非线性解调作用，即两束不同频率的声波在非线性介质中传播会产生他们的和频及差频信号的现象，首先将可听声音信号通过一定的方法加载在超声波载波上，利用超声波换能器将调制后的信号发射出去，在空气中即可还原出原可听声音信号。由于超声波波长为毫米级，声源直径很容易超过其波长，所以超声波在空气中传播具有较好的指向性，因此由超声波解调出的可听信号也具有相同的指向性。基于这一理论设计的扬声器不仅可以定向传声，还具有体积小、重量轻等优点，其工作时不会产生剧烈的机械振动，周围有GSM通信时也不会像传统扬声器一样受到干扰。

国内现阶段在信号预处理算法研究方面有较为深入的研究，但是在系统测试方面存在一定的问题，导致现有的国内文献中，还没有可以准确测试出可靠实验数据的方法，这与他们的电路设计和测试方法都有一定的关系。在电路设计方面，现有文献中所使用的末级功率放大器多为D类功放并添加负载匹配电路的设计方案，虽然这种方法效率较高，但是其信号保真度以及频率响应曲线均不够理想，易造成较严重的谐波失真以及频率响应波动；在系统测试方法方面，现有文献中，测试过程中只对非线性解调出的低频可听信号做了测试，完全忽略了原声波即超声波部分，一旦接收信号中超声波成分幅值超过了拾音器幅值响应上限，就将引入额外的谐波失真。由于以上原因，现有的国内文献的实际系统测试数据中，还没有完全真实可靠的数据，所以需要一种能够准确测试声频定向系统性能的装置及方法。

技术实现要素：

为了克服已有技术存在的问题，本发明目的是提供一种面向声频定向系统性能的测试装置及其方法。该测试装置可以有效测试系统参数，得到真实可靠的实验数据，可用于验证声频定向系统信号预处理方法的实际性能和可行性。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种面向声频定向系统性能的测试装置，包括发射端和接收端，其中：所述发射端包括音频信号发生器、载波发生电路、第1信号处理电路、功率放大电路、超声波换能器及第1示波器，所述接收端包括拾音器、第2信号处理电路及第2示波器，所述音频信号发生器输出端与第1信号处理电路的一个输入端相连，所述载波发生电路输出端与第1信号处理电路的另一个输入端相连，所述第1信号处理电路输出端与功率放大电路输入端相连，功率放大电路的一个输出端与超声波换能器输入端相连，功率放大电路的另一个输出端与第1示波器输入端相连；所述拾音器输出端与第2信号处理电路输入端相连，第2信号处理电路输出端与第2示波器输入端相连。

所述功率放大电路包括第1、2运算放大器、第1、2反馈电路及第1、2缓冲器，其中：所述第1、2运算放大器输出端分别与第1、2缓冲器输入端相连，所述第1、2反馈电路两端分别与第1、2运算放大器输入端及第1、2缓冲器输出端相连。

所述一种面向声频定向系统性能的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、连接第1、2示波器，将第1示波器两通道的两个探头信号端分别与功率放大电路的差分输出接口连接，两个探头地线端均与装置电源地连接，将第2示波器CH1与第2信号处理电路输出端连接。

步骤2、调整第1、2示波器，将第1示波器的MATH通道计算方式设置为CH1-CH2，并使MATH通道波形、CH1通道波形和CH2通道波形同时显示于第1示波器的显示器中，将第2示波器的MATH通道计算方式选择FFT，将显示调整至可观测调制信号及其谐波频谱。

步骤3、调整测试距离，将接收端中的拾音器放置于超声波换能器的中轴线上，距离超声波换能器平面0.8-1.2m，调整发射端信号，使发射端功率放大电路输出达到最大，观察第2示波器的测试波形，若第2示波器的波形产生截止失真时，则加大超声波换能器与接收端拾音器之间的距离，直到第2示波器的波形不失真为止，并记录当前距离，在之后的整个测试过程中，超声波换能器与接收端拾音器之间的距离均要大于或等于当前距离。

步骤4、进行数据测试，用户根据自身需求调整音频信号发生器、第1信号处理电路参数及超声波换能器角度，分别记录第2示波器所测量的调制信号幅值及其各次谐波幅值，整个测试期间同步观测第1示波器的信号波形，对出现失真的情况进行额外记录。

步骤5、整理测试数据，根据测试数据绘制系统频率响应及谐波失真测试结果图，并分析系统性能。

本发明有益效果是：一种面向声频定向系统性能的测试装置，包括发射端和接收端，其中：所述发射端包括音频信号发生器、载波发生电路、第1信号处理电路、功率放大电路、超声波换能器及第1示波器，所述接收端包括拾音器、第2信号处理电路及第2示波器，所述音频信号发生器输出端与第1信号处理电路的一个输入端相连，所述载波发生电路输出端与第1信号处理电路的另一个输入端相连，所述第1信号处理电路输出端与功率放大电路输入端相连，功率放大电路的一个输出端与超声波换能器输入端相连，功率放大电路的另一个输出端与第1示波器输入端相连；所述拾音器输出端与第2信号处理电路输入端相连，第2信号处理电路输出端与第2示波器输入端相连。与已有技术相比，本发明电路设计简单，方便安装，可以准确测试声频定向系统频率响应及谐波失真等基本性能参数，测试数据真实可靠。另外，本发明的通用性和扩展性较强，可应用于多种不同的声频定向系统的测试，可用于验证声频定向系统信号预处理方法的性能及可行性。

附图说明

图1是本发明测试装置总体框图。

图2是本发明发射端功率放大电路框图。

图3是本发明测试方法步骤流程图。

图4是本发明发射端电源管理电路图。

图5是本发明发射端载波发生电路图。

图6是本发明发射端功率放大电路图。

图7是本发明接收端第2信号处理电路图。

图8是本发明接收端电源管理电路图。

图9是本发明一实施例发射端第1信号处理电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种面向声频定向系统性能的测试装置，包括发射端和接收端，其中：所述发射端包括音频信号发生器、载波发生电路、第1信号处理电路、功率放大电路、超声波换能器及第1示波器，所述接收端包括拾音器、第2信号处理电路及第2示波器，所述音频信号发生器输出端与第1信号处理电路的一个输入端相连，所述载波发生电路输出端与第1信号处理电路的另一个输入端相连，所述第1信号处理电路输出端与功率放大电路输入端相连，功率放大电路的一个输出端与超声波换能器输入端相连，功率放大电路的另一个输出端与第1示波器输入端相连；所述拾音器输出端与第2信号处理电路输入端相连，第2信号处理电路输出端与第2示波器输入端相连。所述功率放大电路包括第1、2运算放大器、第1、2反馈电路及第1、2缓冲器，其中：所述第1、2运算放大器输出端分别与第1、2缓冲器输入端相连，所述第1、2反馈电路两端分别与第1、2运算放大器输入端及第1、2缓冲器输出端相连。

如图3所示，一种面向声频定向系统性能的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1、连接第1、2示波器，将第1示波器两通道的两个探头信号端分别与功率放大电路的差分输出接口连接，两个探头地线端均与装置电源地连接，将第2示波器CH1与第2信号处理电路输出端连接。

步骤2、调整第1、2示波器，将第1示波器的MATH通道计算方式设置为CH1-CH2，并使MATH通道波形、CH1通道波形和CH2通道波形同时显示于第1示波器的显示器中，将第2示波器的MATH通道计算方式选择FFT，将显示调整至可观测调制信号及其谐波频谱。

步骤3、调整测试距离，将接收端中的拾音器放置于超声波换能器的中轴线上，距离超声波换能器平面0.8-1.2m，调整发射端信号，使发射端功率放大电路输出达到最大，观察第2示波器的测试波形，若第2示波器的波形产生截止失真时，则加大超声波换能器与接收端拾音器之间的距离，直到第2示波器的波形不失真为止，并记录当前距离，在之后的整个测试过程中，超声波换能器与接收端拾音器之间的距离均要大于或等于当前距离。

步骤4、进行数据测试，用户根据自身需求调整音频信号发生器、第1信号处理电路参数及超声波换能器角度，分别记录第2示波器所测量的调制信号幅值及其各次谐波幅值，整个测试期间同步观测第1示波器的信号波形，对出现失真的情况进行额外记录，具体包括以下子步骤：

(a)由音频信号发生器向第1信号处理电路输入30mV峰峰值，1KHz的正弦信号，由载波发生电路向第1信号处理电路输入100mV峰峰值，40KHz的正弦信号，此时，第1信号处理电路输出将是一个调制度为0.3的调幅波信号。

(b)使用第2示波器CH1通道测量接收测试板输出信号，Math通道计算方式选择FFT，中心频率为25KHz，频率范围为50KHz。

(c)调整第2示波器秒格至1ms/格，关闭Math通道显示，观察接收信号时域图并记录。

(d)调整第2示波器秒格至20ms/格，关闭CH1通道显示，观察接收信号频域图并记录。

(e)修改第2示波器Math通道中心频率为5KHz，频率范围为10KHz，单位为dBV，更改音频信号发生器输出信号频率，依次向第1信号处理电路输入500Hz到4KHz的正弦信号，步进500Hz，峰峰值不变，记录各个频点主频及二次谐波幅值。

(f)由音频信号发生器向第1信号处理电路输入50mV峰峰值，1KHz的正弦信号，由载波发生电路向第1信号处理电路输入100mV峰峰值，40KHz的正弦信号，此时，第1信号处理电路输出将是一个调制度为0.5的调幅波信号，并重复子步骤(a)至(e)。

(g)由音频信号发生器向第1信号处理电路输入70mV峰峰值，1KHz的正弦信号，由载波发生电路向第1信号处理电路输入100mV峰峰值，40KHz的正弦信号，此时，第1信号处理电路输出将是一个调制度为0.7的调幅波信号，并重复子步骤(a)至(e)。

步骤5、整理测试数据，根据测试数据绘制系统频率响应及谐波失真测试结果图，并分析系统性能。