基于頻率差拍式和聲學(xué)參量陣技術(shù)的次聲波合成方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于次聲波合成方法及裝置，具體涉及一種基于頻率差拍式和聲學(xué)參量陣技術(shù)的次聲波合成方法及裝置，用于油井液位測量、捕魚工作、次聲波武器等。
【背景技術(shù)】
[0002]目前而言，次聲波產(chǎn)生器一般有如下七種:
[0003]氣爆式次聲波產(chǎn)生器:將壓縮空氣、高壓蒸汽或高壓燃?xì)庥锌刂频匾悦}沖式突然放出，利用高速排出的氣體激發(fā)周圍媒質(zhì)的低頻振動(dòng)，形成所需要的次聲波。由于這種方式的能量轉(zhuǎn)換效率低，聲波強(qiáng)度不高，并且定向性能較差，因此一般只能用于人工干預(yù)且自動(dòng)控化控制要求不高的的場合；
[0004]爆彈式次聲波產(chǎn)生器:用活塞或炸藥驅(qū)動(dòng)脈沖器，使壓縮的空氣進(jìn)入導(dǎo)管產(chǎn)生次聲波。在實(shí)際應(yīng)用方面，主要是利用爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波衰減后產(chǎn)生次聲波。而這種方式對(duì)分段爆炸的控制很不穩(wěn)定，因此容易造成事故。
[0005]管式次聲波產(chǎn)生器:根據(jù)聲學(xué)原理，當(dāng)管子中的空氣柱的振動(dòng)與管子本身固有頻率相同時(shí)，就可產(chǎn)生較強(qiáng)的次聲波，然后利用一些機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)，則可獲得較強(qiáng)的次聲波。然而這種方式局限于管子的選材及物理特性，并且產(chǎn)生次聲波要求管子足夠長，因此實(shí)用性較差。
[0006]揚(yáng)聲器式次聲波發(fā)聲器:和揚(yáng)聲器的工作原理相似，采用比較特殊的膜片，通過膜片振動(dòng)可產(chǎn)生一定頻率的次聲波。這種方式產(chǎn)生次聲波除了需要膜片振動(dòng)的幅度較大外，還須使振動(dòng)膜面積足夠大(周長大致要與次聲波波長相當(dāng))，并且這種方式的能量轉(zhuǎn)換效率只有不到1%，同樣實(shí)用性不高。
[0007]頻率差拍式次聲波產(chǎn)生器:采用兩個(gè)不同頻率的聲波發(fā)聲器同時(shí)工作，利用它們非線性頻差來獲得所需要的低頻次聲波。目前，主要是通過利用壓電晶體產(chǎn)生兩束頻率稍有差異的超聲波，然后根據(jù)聲學(xué)的非線性疊加原理，兩列差頻聲波相互作用產(chǎn)生次聲波。通過控制產(chǎn)生不同頻率的超聲波，便可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生頻率可調(diào)的次聲波。經(jīng)過研究，這種方式實(shí)現(xiàn)容易、成本較低、且次聲波頻率可調(diào)，但其能量轉(zhuǎn)換效率不高，難以實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射，因此單獨(dú)使用這種方式產(chǎn)生次聲波的場合不多，僅限于理論研究。
[0008]旋式次聲波發(fā)生器:采用動(dòng)態(tài)控制風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式產(chǎn)生低頻次聲波，通過控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率以及動(dòng)態(tài)控制風(fēng)扇葉片自轉(zhuǎn)，就可以產(chǎn)生高能量轉(zhuǎn)換效率的次聲波信號(hào)。此方式能量轉(zhuǎn)換效率高，但是目前在技術(shù)上還存在一些難點(diǎn)需要克服。
[0009]氣流聲源:根據(jù)氣流調(diào)制的方法，通過一定的氣動(dòng)過程將高壓或高速氣流能量轉(zhuǎn)化為聲能。氣流式聲源由于能量轉(zhuǎn)換效率高、功率大，一般主要用來實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的聲波生成，成本較高，且裝置復(fù)雜。
[0010]通過對(duì)以上七種次聲波產(chǎn)生裝置現(xiàn)有技術(shù)的研究與分析，我們可知:氣爆式次聲波產(chǎn)生器能量轉(zhuǎn)換效率低，聲波強(qiáng)度不高，并且定向性能較差，因此一般只能用于人工干預(yù)且自動(dòng)化控制要求不高的的場合;爆彈式次聲波產(chǎn)生器主要是利用爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波衰減后產(chǎn)生次聲波，而這種方式對(duì)分段爆炸的控制很不穩(wěn)定，容易造成事故;管式次聲波產(chǎn)生器由于跟管子固有頻率相關(guān)，產(chǎn)生次聲波要求管子足夠長，因此實(shí)用性較差;揚(yáng)聲器式次聲波產(chǎn)生器要產(chǎn)生次聲波除了需要膜片振動(dòng)的幅度較大外，還須使振動(dòng)膜面積足夠大(周長大致要與次聲波波長相當(dāng))，并且這種方式的能量轉(zhuǎn)換效率只有不到I %，同樣實(shí)用性不高；旋式次聲波發(fā)生器與傳統(tǒng)次聲波產(chǎn)生器的原理和結(jié)構(gòu)都不同，主要是采用機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生次聲波，能量轉(zhuǎn)換效率高，但是目前在技術(shù)上還存在一些難點(diǎn)需要克服;氣流聲源因其轉(zhuǎn)換效率高、功率大，一般主要用來實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的聲波生成，成本較高，且裝置復(fù)雜。而頻率差拍式次聲波產(chǎn)生器主要是利用聲波的非線性頻差來獲得低頻次聲波。經(jīng)過研究，這種方式實(shí)現(xiàn)容易、成本較低、且次聲波頻率可調(diào)，但其能量轉(zhuǎn)換效率不高，難以實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射，因此單獨(dú)使用這種方式產(chǎn)生次聲波的場合不多，僅限于理論研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]要解決的技術(shù)問題
[0012]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于頻率差拍式和聲學(xué)參量陣技術(shù)的次聲波合成方法及裝置，以頻率差拍式次聲波產(chǎn)生原理為核心，通過采用聲學(xué)參量陣技術(shù)設(shè)計(jì)一款功率較大的低頻次聲波產(chǎn)生裝置。
[0013]技術(shù)方案
[0014]—種基于頻率差拍式和聲學(xué)參量陣技術(shù)的次聲波合成方法，其特征在于步驟如下:
[0015]步驟1:產(chǎn)生四路正弦信號(hào)；所述四路正弦信號(hào)為兩種頻率相差為20Hz的正弦信號(hào)；
[0016]步驟2:將每一路差頻正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波；
[0017]步驟3:轉(zhuǎn)換完成的兩種不同頻率的四路聲波在傳播過程中進(jìn)行非線性疊加產(chǎn)生和頻波和差頻波，然后將差頻波以外的其他頻率的聲波進(jìn)行濾波頻率為20Hz的次聲波。
[0018]—種實(shí)現(xiàn)所述基于頻率差拍式和聲學(xué)參量陣技術(shù)的次聲波合成方法的裝置，其特征在于包括四個(gè)正弦信號(hào)產(chǎn)生電路、四個(gè)信號(hào)調(diào)理電路、四個(gè)電聲換能器電路和一個(gè)聲濾波器電路;每個(gè)正弦信號(hào)產(chǎn)生電路的輸出順序連接一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路和一個(gè)電聲換能器電路，四個(gè)電聲換能器電路并聯(lián)后連接聲濾波器電路的輸入端，聲濾波器電路的輸出次聲波；所述四個(gè)電聲換能器電路的四個(gè)換能器元組成正方形，四個(gè)換能器分別位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，對(duì)角的兩個(gè)換能器位接收同一正弦信號(hào)。
[0019]所述正弦信號(hào)產(chǎn)生電路是采用AD9850及其外圍電路在STM32的控制下將控制字寫入AD9850，然后AD9850根據(jù)控制字來輸出控制字所指定頻率的四路兩種正弦電信號(hào)。
[0020]所述信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)緩沖電路、帶通濾波放大電路和功率放大電路;第一步產(chǎn)生的四路兩種正弦電信號(hào)首先利用緩沖電路進(jìn)行緩沖，然后通過帶通濾波放大電路對(duì)其初步濾波并初步放大，最后利用功率放大電路對(duì)其提升功率。
[0021]所述換能器元采用壓電陶瓷。
[0022]有益效果
[0023]本發(fā)明提出的一種基于頻率差拍式和聲學(xué)參量陣技術(shù)的次聲波合成方法及裝置，針對(duì)現(xiàn)有的次聲波合成裝置，基于頻率差拍式和聲學(xué)參量陣技術(shù)的次聲波合成裝置采用數(shù)字頻率直接合成(DDS)技術(shù)不僅控制靈活、方便簡單，而且實(shí)現(xiàn)了頻率的連續(xù)可調(diào)。通過和STM32的連接，使得該裝置具備了良好的可擴(kuò)展性，可以在成本較低的情況下實(shí)現(xiàn)。
[0024]本發(fā)明裝置首先在STM32控制模塊的控制下，根據(jù)正弦信號(hào)產(chǎn)生裝置以直接頻率合成的方法產(chǎn)生正弦信號(hào)，以保證信號(hào)的精度和穩(wěn)定性。然后，利用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行濾波降噪和放大。這樣就可以驅(qū)動(dòng)聲波換能器將器其電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波，聲波在傳播的過程中由于非線性效應(yīng)疊加產(chǎn)生次聲波，當(dāng)這混合聲波在經(jīng)過聲濾波器時(shí)，高頻信號(hào)不斷進(jìn)行衰減并減弱聲場中的高頻聲波，以得到較純的次聲波。
【附圖說明】
[0025]圖1:本發(fā)明裝置原理框圖
[0026]圖2:本發(fā)明實(shí)施例中正弦信號(hào)產(chǎn)生電路原理圖
[0027]圖3:本發(fā)明實(shí)施例中信號(hào)調(diào)理電路中緩沖電路原理圖
[0028]圖4:本發(fā)明實(shí)施例中信號(hào)調(diào)理電路中濾波放大電路原理圖[0029 ]圖5:本發(fā)明實(shí)施例中信號(hào)調(diào)理電路中功率放大電路原理圖
[0030]圖6:本發(fā)明實(shí)施例中聲波換能器排布結(jié)構(gòu)
[0031 ]圖7:本發(fā)明實(shí)施例中聲濾波器的模型及等效電路
[0032]圖8:本發(fā)明實(shí)施例的合成次聲波的時(shí)域圖
[0033]圖9:本發(fā)明實(shí)施例的合成次聲波的頻域圖
[0034]圖中:1_第一換能器、3-第三換能器、2-第二換能器、4-第四換能器。
【具體實(shí)施方式】
[0035]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0036]本發(fā)明的理論依據(jù)
[0037]a.聲波非線性疊加理論
[0038]兩列聲波都是大幅度聲波信號(hào)在聲場中傳播時(shí)，聲壓以及質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于大氣壓強(qiáng)和聲速已經(jīng)不能忽略不計(jì)了，這就是非線性聲學(xué)中的聲音疊加問題。本發(fā)明根據(jù)聲波的非線性疊加理論由兩列頻率相差20Hz的聲波合成了次聲波。
[0039]b.組合聲源理論和聲學(xué)參量陣
[0040]組合聲源是由兩個(gè)或者多個(gè)聲源組合而成，這些聲源產(chǎn)生的疊加聲場成為組合聲場。而聲學(xué)參量陣是基于聲學(xué)非線性效應(yīng)并可在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)差頻聲波的裝置。在本發(fā)明中，我們根據(jù)組合聲源理論和參量陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了聲波換能器的設(shè)計(jì)，并根據(jù)合成聲波的指向性把聲能聚集到某個(gè)方位發(fā)射，使能量更加集中，發(fā)射的距離更遠(yuǎn)。
[0041 ] c.波導(dǎo)理論
[0042]聲波導(dǎo)