揚(yáng)聲器陣列輻射聲壓級自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

張芳，孫德玉，張亮永，劉陽，趙天青

揚(yáng)聲器陣列輻射聲壓級自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

張芳，孫德玉，張亮永，劉陽，趙天青

(西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024)

針對強(qiáng)聲波設(shè)備的使用安全性的問題，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)聲波揚(yáng)聲器陣列輻射聲壓級自動(dòng)控制裝置，該裝置通過控制功放驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器陣列輸出聲壓級目的。硬件電路基于單片機(jī)ATmega48設(shè)計(jì)，單片機(jī)中固化了自動(dòng)控制軟件，結(jié)合目標(biāo)距離實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)聲器陣列輻射聲壓級的調(diào)節(jié)控制。將該裝置加裝于多個(gè)型號的強(qiáng)聲波裝置進(jìn)行外場測試，結(jié)果表明，各揚(yáng)聲器陣列前方聲壓級均控制在安全范圍內(nèi)，因此可將其應(yīng)用于強(qiáng)聲波系統(tǒng)中避免強(qiáng)聲波對非目標(biāo)人員造成傷害。

強(qiáng)聲裝置；揚(yáng)聲器陣列；聲壓級；自動(dòng)控制

0 引言

強(qiáng)聲波裝置是一種利用揚(yáng)聲器陣列定向發(fā)射強(qiáng)聲波達(dá)到驅(qū)離、通訊等目的的定向多用途裝備。近年來，強(qiáng)聲波裝置由于其使用方便，效果顯著等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于公共安全、軍事、經(jīng)濟(jì)重要設(shè)施保護(hù)、遠(yuǎn)距離通訊等領(lǐng)域，但長期處于高噪聲環(huán)境中會(huì)造成聽力系統(tǒng)的損傷[1]，而且噪聲還會(huì)影響人體的神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等[2]，長期暴露在噪聲中的人群心血管疾病的發(fā)病率會(huì)明顯升高[3]，所以長期處于強(qiáng)聲波裝置輻射的超強(qiáng)聲壓級環(huán)境中不但會(huì)對聽力造成一定損傷，而且還會(huì)引發(fā)多種人體疾病。因此，為了兼顧強(qiáng)聲波裝置使用的有效性和安全性，需要為裝置增加聲壓級自動(dòng)控制功能，既能確保非目標(biāo)人員不受強(qiáng)聲壓級的輻射，又能快速有效地對目標(biāo)實(shí)施打擊。

針對這一需求，本文設(shè)計(jì)了一種揚(yáng)聲器陣列輻射聲壓級自動(dòng)控制裝置，該裝置可根據(jù)揚(yáng)聲器陣列前方目標(biāo)的特性和距離自動(dòng)控制聲陣列的輻射聲壓級，在確保裝置驅(qū)散功能的前提下，增加了強(qiáng)聲波裝置使用的安全性。

1 總體設(shè)計(jì)

強(qiáng)聲波裝置將信號源進(jìn)行功率放大，推動(dòng)揚(yáng)聲器陣列發(fā)聲，聲波經(jīng)陣列前方的波陣面耦合，可獲得具有強(qiáng)指向性的強(qiáng)聲波束，目前強(qiáng)聲波裝置的聲壓級在1 m處可高達(dá)160 dB，高聲壓級對目標(biāo)人群可實(shí)施非致命打擊，但也要防止其對非目標(biāo)人群的傷害，由GJB 50-1985可知，人員暴露在噪聲中的最高容許限值為115 dB[4]。本文設(shè)計(jì)的聲壓級自動(dòng)控制裝置可以自動(dòng)調(diào)節(jié)強(qiáng)聲波裝置功放驅(qū)動(dòng)功率，在陣列前方為非打擊和驅(qū)散目標(biāo)人員時(shí)將聲壓級自動(dòng)控制在115 dB之內(nèi)。

自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由測距模塊、控制模塊等組成。測距模塊采用激光測距儀測量目標(biāo)距離，并將距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K中；控制模塊的單片機(jī)中集成了聲壓級自動(dòng)控制軟件，可結(jié)合目標(biāo)屬性和距離數(shù)據(jù)信息調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)功放的輸出電壓增益，達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)功放功率目的，由功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列發(fā)射聲波，即可自動(dòng)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器陣列的輻射聲壓級。

圖1 自動(dòng)控制裝置組成框圖

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，操作人員通過監(jiān)視器確定陣列前方目標(biāo)人群特性，判斷為暴(騷)亂目標(biāo)人群時(shí)強(qiáng)聲裝置正常運(yùn)行，判斷為非目標(biāo)人群時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)控制聲壓模式，由自動(dòng)測距模塊測量非目標(biāo)人員距離，并將測距結(jié)果反饋至控制模塊，由控制模塊計(jì)算該處聲壓級是否超出最高限值115 dB，若未超出則不作處理，若目標(biāo)處聲壓級超出最高限值，由控制模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)功放驅(qū)動(dòng)功率，將目標(biāo)處聲壓級控制到最高限值115dB以內(nèi)。同時(shí)操作人員通過視頻監(jiān)視器，實(shí)時(shí)監(jiān)測強(qiáng)聲波裝置前方目標(biāo)人群特性，若確定為暴(騷)亂人員，則退出自動(dòng)控制聲壓模式，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)人員的有效驅(qū)散。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 控制模塊

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

控制模塊的硬件電路基于單片機(jī)ATmega48設(shè)計(jì)，電路圖如圖3所示。ATmega48通過MAX232與激光測距儀的串口相連接，實(shí)現(xiàn)接收測距儀數(shù)據(jù)功能。自動(dòng)控制軟件通過ISP接口固化在單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)功放驅(qū)動(dòng)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到控制揚(yáng)聲器陣列聲壓級的功能。

圖3 控制模塊電路圖

2.2 控制軟件設(shè)計(jì)

揚(yáng)聲器單體1 m處聲壓級與靈敏度關(guān)系為[5]：

組成強(qiáng)聲波裝置陣列的揚(yáng)聲器輻射的聲波具有相同相位和相同幅值的特征，陣列在1 m處的聲壓級與揚(yáng)聲器單體1 m處輻射聲壓級關(guān)系為[6]

理想狀態(tài)下，在聲源的中心軸線上，聲壓級與傳輸距離的對應(yīng)關(guān)系可表示為[5][7]

在實(shí)際傳播過程中，空氣對聲波具有衰減作用，且衰減系數(shù)與聲波的頻率以及空氣的溫度和濕度等因素有關(guān)，即遠(yuǎn)距離處理論計(jì)算聲壓級值比實(shí)際的要高，但相比于強(qiáng)聲波裝置輻射的高聲壓級這一差值相對很小，按照理論值調(diào)節(jié)聲壓級可滿足設(shè)計(jì)要求，空氣對聲波的衰減可忽略不計(jì)。于是得出陣列聲軸線上處的聲壓級關(guān)系式：

根據(jù)式(6)算法編寫自動(dòng)控制軟件，并固化在控制模塊中，將測距儀所測距離值反饋至單片機(jī)中，根據(jù)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的距離值得到電壓增益系數(shù)，控制模塊根據(jù)該系數(shù)值對功放進(jìn)行電壓輸出增益自動(dòng)調(diào)節(jié)，即可將距揚(yáng)聲器陣列聲軸線處目標(biāo)的聲壓級自動(dòng)控制在設(shè)定值內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用由揚(yáng)聲器BMS4592組成的4元、7元和16元揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行外場試驗(yàn)，為揚(yáng)聲器加載頻率1 kHz、額定功率100 W的驅(qū)動(dòng)，選取陣列前方聲軸線上100 m內(nèi)20個(gè)點(diǎn)，采用英國Cirrus公司型號為CR:162B的聲級計(jì)，測量其聲壓級值，同時(shí)對比各揚(yáng)聲器陣列加裝聲壓級自動(dòng)控制裝置后相應(yīng)各點(diǎn)的聲壓級。

由4圖可見，未加裝聲壓級自動(dòng)控制裝置時(shí)，4元揚(yáng)聲器陣列前方56 m內(nèi)聲壓級均大于安全限值115 dB，加裝自動(dòng)控制裝置后聲壓級被控制在115 dB之內(nèi)，陣列前方56～100 m范圍內(nèi)各點(diǎn)聲壓級均未超過115 dB，加裝控制裝置前后各點(diǎn)聲壓級基本一致。圖5和圖6表明，7元和16元揚(yáng)聲器陣列加裝控制裝置后同樣達(dá)到了控制陣列輻射聲壓級的目的。

強(qiáng)聲波裝置驅(qū)散作用時(shí)一般采用警報(bào)聲源，其聲波頻率范圍集中在2.5～3.3 kHz，實(shí)驗(yàn)采用的聲波頻率為1 kHz，空氣對兩者的衰減系數(shù)不同，而聲壓級控制裝置可忽略空氣對聲波的衰減作用，因此，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果適用于強(qiáng)聲波裝置實(shí)際使用情況時(shí)聲波的調(diào)節(jié)控制。

圖4 一個(gè)4元揚(yáng)聲器陣列加裝控制裝置前后的聲壓級對比

圖5 一個(gè)7元揚(yáng)聲器陣列加裝控制裝置前后的聲壓級對比

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

圖6 一個(gè)16元揚(yáng)聲器陣列加裝控制裝置前后的聲壓級對比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種能夠依據(jù)目標(biāo)距離自動(dòng)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器陣列驅(qū)動(dòng)功率的控制裝置，從而達(dá)到控制揚(yáng)聲器陣列輻射聲壓級的目的，該聲壓級自動(dòng)控制裝置可應(yīng)用于強(qiáng)聲波系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制陣列前方聲壓級的功能，達(dá)到強(qiáng)聲波裝置使用過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

張芳(1980－), 女, 內(nèi)蒙古寶昌人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)橐纛l電路設(shè)計(jì)。

張芳,E-mail: zhangfang@nint.ac.cn