论文总字数：19963字

目 录

1 引言 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 论文研究思路及内容安排 3

2 系统原理分析 3

2.1 超声波的相关特性 3

2.2 声音定向传播原理 4

2.2.1 声音定向传播方法 4

2.2.2 非线性自解调效应 4

3 系统结构设计 7

3.1 系统总结构 7

3.2 超声信号发生方案 7

3.3 调制方案 8

3.3.1 调制的目的 8

3.3.2 DSB调制原理 8

3.3.3 DSB调制的优势 9

4 硬件电路设计 10

4.1 基于STM32单片机的信号源模块 12

4.1.1 STM32单片机介绍 12

4.1.2 基于Cortex-M3的STM32F103的最小系统 12

4.1.3 STM32单片机的PWM输出 14

4.2 幅度（DSB）调制模块—AD835 14

4.2.1 AD835工作原理 14

4.2.2 AD835外围设置 15

4.3 功率放大模块—LM386 15

4.3.1 LM386音频功放简介 16

4.3.2 LM386外围设置 16

5 软件设计 17

5.1 开发环境 17

5.2 软件实现 17

5.2.1 软件流程图 17

5.2.2 软件程序 18

5.2.3 软件测试 20

6 设计成果 20

6.1 实物展示 20

6.2 实验测试 21

6.2.1 测试环境 21

6.2.2 测试方法 21

6.3 结果与分析 22

6.3.1 实验结果 22

6.3.2 原因总结 22

7 总结 24

参考文献 25

致谢 26

基于超声波的声音定向传播系统研究

秦英

，China

Abstract：Traditional voice signal is divergent, can not effectively control the direction of sound. The purpose of this study is to design a directional audible sound emission system, the control system for the sound propagation direction. In this paper, I will overview the principle of directional transmission, the method of analog signal modulation. Then, I will put forward the frame of directional sound transmission circuit and design a directional sound transmission system scheme. The system is composed of ultrasonic signal producing module controlled by STM32 chip, audio signal producing module, amplitude modulation module and power amplify module. At the same time, I also provide the method to measure the directive property of this system, the point of divergence angle measurement as small as possible. After experimental analysis, I also point out the defects of this scheme and the ways to improve.

Key words：Sound directional transmission; STM32 MCU; PWM; Amplitude modulation

1 引言

1.1 课题研究背景及意义

日常生活中人们接触到的声音信号的传播方式是发散式的，无法对声音的传播方向进行有效的控制，而且不同声源的信号之间不可避免的会产生相互干扰，造成噪声污染，对声音中信息的私密性也缺乏保护。人类的正常耳朵能够感知到频率在20~20000Hz之间的声信号，而频率高于20KHz的声波称为超声波。超声波振动的频率较高，波长较短，不易发生干涉或衍射等现象，传播的指向性显著。而且依据超声波在传播中的自解调效应，即在空气等媒介中频率有差别的多个超声波信号并行传播时，超声波之间由于交互作用会自解调出原超声波间的差频与和频信号，因此，若选取适当的两超声波信号，可使其产生的差频信号频率处于人耳可听频率范围内^[1,2]。本研究将超声波和可闻声波的优势互补，将声音信号调制加载到相应的超声波上，借由超声波换能器将已调超声信号传送到空气中，使其自解调出具有较好方向性的人耳可闻的差频信号，实现声音的定向传播。

该系统发射出的声音信号有一定的方向性，其将具有广阔的应用前景。其可以克服传统的声源发生器如扬声器等的缺点，应用于它们无法达到应用需求的诸多场合，以实现对声音信息内容私密性的保护及有效的避免噪声污染。在保护声音信息私密性方面，可用于汽车电话私密接通、银行自动提款机语音提示、大型办公楼道路引导、盲人指引、电视音响影音设备定向接收等多方面；在减少噪声污染方面，可用于餐厅、列车、博物馆、飞机、影院、室内房间等特定空间和范围播放声音，可减少恼人的嘈噪声，营造更安静的室内环境。同时声音定向传播系统的应用领域还涉及到军事通信、军事武器，阻止常人对限制区域的不法入侵，和研制成人性化的非接触型非杀伤性声学武器。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

上一世纪的60年代，Berktay、Westervelt等人研究超声波时发现其在空气中的非线性自解调效应^[3]。布朗大学教授Westervelt在他的论文中初次提到了相关的参量阵并阐释了它的概念，参量阵的提出为实现高指向性声频波给出了论据^[4]。1980年后，声音定向的研究人员大都在日本开展他们的研究工作。他们解决了声频定向发射器出现的信号处理、声音失真等问题，但是研制出来的定向音频系统仍具有系统功率放大要求高、电能声能转换效率低等问题，这使得那个时代的研究学者在该方面未能取得突出成就。

还好之后的美国研究机构/个人的研究成果较为突出。美国麻省理工学院MIT Massachusetts Institute of Technology 的F.Joseph 即美国技术公司ATC（American technology corporation）为声音定向技术的发展做出很大贡献，它也是在声音定向领域最成功的机构。该公司在调制方法中对双边带调制DSB，单边带调制SSB进行了分析，提出在未进行预处理时，SSB调制较DSB调制性能更优越，SSB带宽是DSB的一半，并且具有较低的失真度^[5]。21世纪初，ATC公司就向市场销售商业化声频定向系统，其产品涵盖民用和军用两个领域。然而，这些产品在技术上仍需进行不断的改进，尤其是其解调出的可听声音的失真问题^[6]。

对于音频定向的研究一直在进行，这方面的研究人员也不断增加，不仅仅是日本研究团队及美国研究机构及个人。比较有名的南洋理工大学Woon Seng 教授领导的研究小组也在此技术方面进行过深入的研究。从2000年开始，南阳理工小组就对声音定向系统展开了研究。他们先后提出了三种算法能有效控制指向性的旁瓣水平、数字控制声束指向及计算求解非线性声场的拟线性解析值计，进行的矩形参量阵实验都与其算法的计算结果吻合良好^[7]。

当前，对于声音定向系统，研究的重点及问题大多集中在以下几个方面：

1. 信号处理方法和算法：当前，信号处理系统主要有模拟电路FPGA、DSP等硬件实现方法，DSP方法与FPGA比较起来,处理具有灵活性高、成本低等特点；信号处理主要采用的算法有：平方根、双积分开方、DSB调制、SSB调制、截断DSB等。信号处理是为了在合适的带宽内，使声音定向系统传感器电能与声能之间的转换效率提高，以及获得较低的信号失真。以上三项性能，其中的任意两个结合都较容易实现，但其代价是要使第三者最大化。
2. 换能器设计：现成的压电晶片换能器时而会有诸如阵列之间的各单元器件不匹配、频谱幅度失真、带外分谐波频率在可听范围中，阵列代价高、超声带宽较窄、失真度高、输出功率小等，因此现在声频定向系统研究的一大关键是设计出新的换能器^[8]。
3. 线性超声波段功率放大器（关键技术）：要求在低波峰段的功率得到良好的放大，在有效功率转换为负载时进行阻抗匹配。为了避免波形失真，并使负载具有较好的超声电抗性，功放的线性放大能力应在有效带宽内实现。
4. 此外，集成与匹配系统、声束电子转移的方法、计算与仿真声音场和超声波对人体的危害等领域也受到了广泛关注。

1.2.2 国内研究现状

现中国，涉及声音指向性的技术研究少，能查到的国内相关重要文献仅有几篇。姬培峰等的研究沿袭了以前美国研究机构的研究路线，对DSB、SSB调制及平方之后的DSB调制进行讨论，而采用的换能器则类似于日本研究人员采取的以小阵元组成大阵列式换能器^[9]；纪鸣等人的研究小组理论分析了声定向调幅调制的谐波失真原因，并利用简单的实验测验了他们的分析^[10]；韩斌用Matlab软件进行相控仿真线性阵列扬声器组单频指向性测试^[11]。而且，国内还未曾在小型易携带移动设备上加装微型声频定向系统。

声音定向传播系统，具有传统的声音发射器所没有的独特优势，它将拥有极为广阔的应用市场前景。然而该系列产品在国际上仅美国ATC公司生产供应，而且这类产品仍是未被市场长期检验的初级商业化产品。因此，开发出更为成熟稳定的商业声音定向系统将一直是各国研究者奋斗的方向。另外，在中国市场上，声音定向传播系统商业化产品基本还是市场未开发领域，因此该产品具备巨大的市场发展潜力。

1.3 论文研究思路及内容安排

本次声音定向传播系统的设计思路沿袭了国内外研究机构对于声频定向系统设计的基本思路，并对系统具体实现方法上进行了简化，目的是设计出简易、低成本的能实现声音定向传播10米左右功能的小型声音定向传播设备，为其在以后商业市场上的广泛开发与应用打下基础。本论文接下来的安排是：第二章先介绍了超声波的相关特性和实现声音定向的方法，再对本次设计所应用的声音定向传播原理进行阐述；第三章是针对原理提出的一套实现声音定向传播的系统方案，并对方案主要部分的实现方法进行了探讨与选择；第四章是关于系统的硬件电路设计，包括器件的选取与各器件性能的分析；第五章涉及了软件设计的软件开发环境和程序设计流程；第六章将最终完成的电路进行了展示，给出了实验测试的方式和实验结果的说明；最后一章对此次设计做出了总结，说明了系统实现的功能也指出了系统的不足和改进的方法。

2 系统原理分析

本系统功能的实现主要是应用了基于超声波的声频定向传播法，其基本原理是将可闻声频信号通过调制加载于超声波载波信号之上形成调制超声信号，再将调制后的超声信号与原超声波载波信号通过功率放大后，通过超声波换能器将两信号发射出去。空气中，两束超声波信号将发生交互作用，同时在空气的非线性声学效应下自解调出新的声波信号，新的声波信号中有频率为这两束超声波频率之差的声音信号。本章将介绍超声波的相关特性，并对声音的定向传播进行理论证明。

2.1 超声波的相关特性

频率的单位是赫兹（Hz），定义为每秒钟振动的次数。人耳听到的声音信号频率在20Hz到20KHz之间，当声音信号频率落在这个该范围之外时，人就听不到这些声音了。而频率高于20KHz的声波就被定义为了“超声波”。

超声波的主要特点：

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