扬声器阵列辐射声压级自动控制装置设计

张芳，孙德玉，张亮永，刘阳，赵天青

扬声器阵列辐射声压级自动控制装置设计

张芳，孙德玉，张亮永，刘阳，赵天青

(西北核技术研究所，陕西西安 710024)

针对强声波设备的使用安全性的问题，设计了一种强声波扬声器阵列辐射声压级自动控制装置，该装置通过控制功放驱动功率达到自动调节扬声器阵列输出声压级目的。硬件电路基于单片机ATmega48设计，单片机中固化了自动控制软件，结合目标距离实现对扬声器阵列辐射声压级的调节控制。将该装置加装于多个型号的强声波装置进行外场测试，结果表明，各扬声器阵列前方声压级均控制在安全范围内，因此可将其应用于强声波系统中避免强声波对非目标人员造成伤害。

强声装置；扬声器阵列；声压级；自动控制

0 引言

强声波装置是一种利用扬声器阵列定向发射强声波达到驱离、通讯等目的的定向多用途装备。近年来，强声波装置由于其使用方便，效果显著等特点被广泛应用于公共安全、军事、经济重要设施保护、远距离通讯等领域，但长期处于高噪声环境中会造成听力系统的损伤[1]，而且噪声还会影响人体的神经系统、消化系统、内分泌系统、心血管系统等[2]，长期暴露在噪声中的人群心血管疾病的发病率会明显升高[3]，所以长期处于强声波装置辐射的超强声压级环境中不但会对听力造成一定损伤，而且还会引发多种人体疾病。因此，为了兼顾强声波装置使用的有效性和安全性，需要为装置增加声压级自动控制功能，既能确保非目标人员不受强声压级的辐射，又能快速有效地对目标实施打击。

针对这一需求，本文设计了一种扬声器阵列辐射声压级自动控制装置，该装置可根据扬声器阵列前方目标的特性和距离自动控制声阵列的辐射声压级，在确保装置驱散功能的前提下，增加了强声波装置使用的安全性。

1 总体设计

强声波装置将信号源进行功率放大，推动扬声器阵列发声，声波经阵列前方的波阵面耦合，可获得具有强指向性的强声波束，目前强声波装置的声压级在1 m处可高达160 dB，高声压级对目标人群可实施非致命打击，但也要防止其对非目标人群的伤害，由GJB 50-1985可知，人员暴露在噪声中的最高容许限值为115 dB[4]。本文设计的声压级自动控制装置可以自动调节强声波装置功放驱动功率，在阵列前方为非打击和驱散目标人员时将声压级自动控制在115 dB之内。

自动控制装置系统组成框图如图1所示，主要由测距模块、控制模块等组成。测距模块采用激光测距仪测量目标距离，并将距离数据传输到控制模块中；控制模块的单片机中集成了声压级自动控制软件，可结合目标属性和距离数据信息调节驱动功放的输出电压增益，达到控制驱动功放功率目的，由功放驱动扬声器阵列发射声波，即可自动调节扬声器阵列的辐射声压级。

图1 自动控制装置组成框图

系统的工作流程如图2所示，操作人员通过监视器确定阵列前方目标人群特性，判断为暴(骚)乱目标人群时强声装置正常运行，判断为非目标人群时，启动自动控制声压模式，由自动测距模块测量非目标人员距离，并将测距结果反馈至控制模块，由控制模块计算该处声压级是否超出最高限值115 dB，若未超出则不作处理，若目标处声压级超出最高限值，由控制模块自动调节功放驱动功率，将目标处声压级控制到最高限值115dB以内。同时操作人员通过视频监视器，实时监测强声波装置前方目标人群特性，若确定为暴(骚)乱人员，则退出自动控制声压模式，实现对目标人员的有效驱散。

图2 系统工作流程图

2 控制模块

2.1 硬件电路设计

控制模块的硬件电路基于单片机ATmega48设计，电路图如图3所示。ATmega48通过MAX232与激光测距仪的串口相连接，实现接收测距仪数据功能。自动控制软件通过ISP接口固化在单片机中，实现功放驱动功率自动调节，达到控制扬声器阵列声压级的功能。

图3 控制模块电路图

2.2 控制软件设计

扬声器单体1 m处声压级与灵敏度关系为[5]：

组成强声波装置阵列的扬声器辐射的声波具有相同相位和相同幅值的特征，阵列在1 m处的声压级与扬声器单体1 m处辐射声压级关系为[6]

理想状态下，在声源的中心轴线上，声压级与传输距离的对应关系可表示为[5][7]

在实际传播过程中，空气对声波具有衰减作用，且衰减系数与声波的频率以及空气的温度和湿度等因素有关，即远距离处理论计算声压级值比实际的要高，但相比于强声波装置辐射的高声压级这一差值相对很小，按照理论值调节声压级可满足设计要求，空气对声波的衰减可忽略不计。于是得出阵列声轴线上处的声压级关系式：

根据式(6)算法编写自动控制软件，并固化在控制模块中，将测距仪所测距离值反馈至单片机中，根据每个目标点的距离值得到电压增益系数，控制模块根据该系数值对功放进行电压输出增益自动调节，即可将距扬声器阵列声轴线处目标的声压级自动控制在设定值内。

3 实验验证

采用由扬声器BMS4592组成的4元、7元和16元扬声器阵列进行外场试验，为扬声器加载频率1 kHz、额定功率100 W的驱动，选取阵列前方声轴线上100 m内20个点，采用英国Cirrus公司型号为CR:162B的声级计，测量其声压级值，同时对比各扬声器阵列加装声压级自动控制装置后相应各点的声压级。

由4图可见，未加装声压级自动控制装置时，4元扬声器阵列前方56 m内声压级均大于安全限值115 dB，加装自动控制装置后声压级被控制在115 dB之内，阵列前方56～100 m范围内各点声压级均未超过115 dB，加装控制装置前后各点声压级基本一致。图5和图6表明，7元和16元扬声器阵列加装控制装置后同样达到了控制阵列辐射声压级的目的。

强声波装置驱散作用时一般采用警报声源，其声波频率范围集中在2.5～3.3 kHz，实验采用的声波频率为1 kHz，空气对两者的衰减系数不同，而声压级控制装置可忽略空气对声波的衰减作用，因此，实验的结果适用于强声波装置实际使用情况时声波的调节控制。

图4 一个4元扬声器阵列加装控制装置前后的声压级对比

图5 一个7元扬声器阵列加装控制装置前后的声压级对比

Fig.5 The contrast figure of sound pressure levels before and after a seven-element array installed with the control device

图6 一个16元扬声器阵列加装控制装置前后的声压级对比

4 结论

本文设计了一种能够依据目标距离自动调节扬声器阵列驱动功率的控制装置，从而达到控制扬声器阵列辐射声压级的目的，该声压级自动控制装置可应用于强声波系统，实现自动控制阵列前方声压级的功能，达到强声波装置使用过程中安全可控的目的。

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Design of automatic control device for sound pressure level of loudspeaker array

ZHANG Fang, SUN De-yu, ZHANG Liang-yong, LIU Yang, ZHAO Tian-qing

(,710024,,)

In order to solve the safety problems in using intense acoustic equipment, a special device that can automatically control the sound pressure level of loudspeaker array by adjusting the driving power is developed. The hardware circuit of the device is designed based on a single chip ATmega48, in which the control software is integrated. The device can adjust the sound pressure level according to the target distance. By installing the device in several types of intense acoustic equipment and testing the effect, it is shown that the sound pressure level in front of each loudspeaker array can be controlled within a safe level to avoid health lesion on non-target persons.

intense acoustic equipment; loudspeaker array; sound pressure level; automatic control

TN912.2

A

1000-3630(2019)-06-0640-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.06.007

2018-07-01;

2018-08-10

张芳(1980－), 女, 内蒙古宝昌人, 硕士研究生, 研究方向为音频电路设计。

张芳,E-mail: zhangfang@nint.ac.cn