声波定向发射器的原理研究及实现

张培培

（西安交通工程学院，西安 710300）

1 超声波定向发射原理

1.1 超声信号发生器的选择

由于声音信号的频率与在空气中的衰减程度成正比，即当声音信号的频率越高时在空气中的衰减也就越大，然而当声音信号的频率越高时定向性反而越好，因此综合考量，本文选用超声信号的频率为21KHz，与此同时出于调试过程的需要，方便选择最佳的超声频率，设计了频率可调的信号产生器。

超声波信号产生部分是常规电路，主控制电路完成对整个电路的控制及工作状态的监督；频率及功能显示部分显示现工作频段，出现故障显示故障代码。功率显示采用十段发光发光二极管按比例显示功放的输出功率。功率调节调节输出功率的大小并有记忆功能。间隔时间设定时设置功放的发射时间和间歇时间。频率调节分两个层次，一是四位拨位开关进行大的频率设置20KHz～90KHz，二是用电位器调节段内频，每步进为1KHz，超声信号产生电路在主控和频率调节的控制下产生出我们所需要的超声波信号。超声信号与功放接口部分包括IN-和IN+，分别是超声波信号的反向信号和正向信号，其中正向信号经反馈控制端TMP 反馈回超声信号产生电路，超声信号产生器便停止工作。频率显示为“00”KHz，INP 为功率控制信号输出，它是一个20kHz 的间歇信号，间歇时间Tj=10ms（100Hz），信号的持续时间决定输出功率的大小。

1.2 调制方法的选择

由于超声信号在空气中的自解调效应，为了得到指向性清晰的声音信号，能够将声音信号调制到超声波的频率上的调制方式只有振幅调制，常规AM 调幅的效率最高只有50%，调制效率太低；单边带调制（SSB）虽然调制效率可以达到100%、节省了一半的频带、节约了发射功率，但其电路结构相对比较复杂；因此折中选用抑制载载波的双边带调制（SC-DSB），该调制方式不仅电路结构简单，实现起来比较容易，调制效率也高。

1.3 超声功率放大电路的设计

我们设计输出功率为3KW 的超声波功率放大电路。超声功率放大电路主要由功放驱动电路和功放末级放大电路组成。其中功放驱动电路如图1所示，功放末级放大电路如图2所示：

1.3.1 功放驱动电路

号产生器部分输出的21KHz 超声波信号由IN+输入功率放大器的正向驱动端，经反向器反向后由IN_输入到功率放大器的反向驱动端。T201和T202构成反向驱动端，T203和T204构成正向驱动端。信号的正半周期T203导通，T204截止，T201导通，T202截止，在变压器Tr201初级形成电流信号如图1（a）所示：信号的负半周期T203截止T204导通，T201截止T202导通，在变压器Tr201初级形成电流信号如图1（b）所示：可见在信号的正负半轴周期在Tr201初级形成相应的交变电流，且为功放末级提供了足够推动功率。

图1 功放驱动电路导通图

1.3.2 功放末级工作原理

功放末级由u101和u104构成，其原理电路如图2所示：

图2 功放末级电路图

Tr201次级有两个绕组，功放u101接同名端，u104接另一组线圈异名端，输出outA 和输出outB 与输出变压器Trout 相接。信号的正半周期u101 导通，u104 截止，电流流向为V、u101、outA、Trout 初级、c106，如图9 中黑线所示。信号的负半周期u101 截止u104 导通，电流流向为V、c107、outB、Trout 初级、u104。u101和u104都是大功率MOS 管，可以在Trout 的初级形成很大的激磁电流，该电流的变化与超声信号变化相同，完成了对超声信号的功率放大。u101和u104可采用多只功率管直接并用实现更大的功率放大。这也是这种功放电路设计的最大优势。

2 实验结果

该定向传输系统由三部分组成分别是主机、辅机、换能器。超声波定向发射器电路设计和实际调试完成后，其声音定向发送的效果达到了较为满意的效果。经反复调试后，对实验电路进行了功能验证性的实际测试。发射系统的正前方可以明显感受到音频信号的存在，而其他方向声音信号的强度则减弱很多，仅能感受到十分轻微的声音信号存在。

实际测试环境要求在在声音的传播方向上没有明显遮挡物，因此选在了室外空旷处。在室外空旷处发射定向声波，以人的听力为接收标准，由试验者根据发射距离接收所发声音，测试发散角度（两试验员与发射器之间的夹角）。最终通过测试声波的发散角度的方法来判断及确定声音的定向效果。

实际测试结果：

（1）发射功率为100W 条件下，据发射距离10m远处声音的发散距离为5m，发散角度为30°，接收声音清晰。

（2）在发射功率100W 条件下，据发射距离30m 远处声音的发散距离为6m，发散角度为16°，接收声音基本可听。

（3）在发射功率300W 条件下，据发射距离30m 远处声音的发散距离为6m，发散角度为15°，接收声音基本可听。

在声波定向传输设备的有效传输范围内，沿传输方向上声音强度分布较为均匀，与两束声音信号在非线性空间传输时边解调边传输的原理相吻合。

测试结论：声波定向传输系统具有明显的定向传输特性。