相控揚聲器陣列的聲場分析與控制.pdf

1、相控揚聲器陣列是一種由多個揚聲器按照一定的幾何陣型排列組成的陣列式揚聲系統(tǒng)，通過改變該系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各揚聲器陣元的電信號參數(shù)可以形成不同特定的聲場。本文主要圍繞相控揚聲器陣列聲場理論和相控陣信號處理技術(shù)展開研究，為揚聲器系統(tǒng)的聲場控制提供理論和實踐依據(jù)。
　　根據(jù)聲場傳播基礎(chǔ)理論，本文首先推導出了揚聲器陣列的遠場聲壓指向性函數(shù)、指向性圖以及描述聲場特性的指向性參量。在此基礎(chǔ)上，討論了點聲源、直線型揚聲器陣列、圓弧型揚聲器陣

2、列、直線型高低頻組合陣列以及普通平面陣和貝塞爾面陣列的不同的聲場特性，這些形成的聲場將能量集中在主波束上，使輻射距離更遠。使用多通道等差延時方法實現(xiàn)了陣列波束偏轉(zhuǎn)，以直線型揚聲器陣列的中垂線方向為基準，主波束方向上下偏轉(zhuǎn)10度；使用切比雪夫權(quán)系數(shù)束控法對直線型揚聲器陣列進行旁瓣抑制，在Matlab仿真中，實現(xiàn)對旁瓣的幅度抑制在20dB內(nèi)，并在實驗中對旁瓣實現(xiàn)5dB的聲壓級衰減；使用高低組合線型陣列法對直線型揚聲器陣列展開倍頻程恒定束寬的

3、分析，在100~200Hz的一個倍頻程內(nèi)實現(xiàn)主波束寬度的恒定。
　　使用 Matlab和 Comsol軟件分別對簡單陣列和復雜面陣列進行了數(shù)值有限元仿真分析，研究了陣列陣型、陣元個數(shù)、陣元間距、聲源頻率等因素對相控揚聲器陣列指向性的主波瓣寬度、旁瓣和方向的影響。對直線型揚聲器陣列、圓弧型揚聲器陣列、高低頻直線型組合陣列、矩形面陣列以及貝塞爾面陣列的優(yōu)點和缺點進行了比較，高低頻直線陣擁有較小主波束寬度同時可以在一定頻帶實現(xiàn)恒定束寬，

4、但是旁瓣會增多。貝塞爾面陣雖然性能良好，但是工程實現(xiàn)起來比較復雜。
　　采用Xilinx公司Spartan系列FPGA作為中央處理器，TD7294數(shù)字功放作為驅(qū)動器，搭建了相控揚聲器陣列實驗平臺。運用多通道的相位延遲方法實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)，通過改變權(quán)系數(shù)實現(xiàn)旁瓣抑制，使用線性組合法來控制主波瓣在頻帶內(nèi)的恒定，采用 FPGA內(nèi)部延時和加法單元實現(xiàn)高低頻陣列的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)。搭建了揚聲器陣列聲場測試實驗平臺，對遠場各點聲壓、指向性進行了實驗測