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音频强声系统的设计与实现

陈克安;汪嵩;刘玲;许妍妍

【摘要】研究目的是设计和实现一套音频强声系统,用于输出高强度噪声和语音,用

于强声拒止和远距离语音传输.首先,基于声学理论知识和阵列波束形成基本原理,运

用有限元和边界元方法进行声学仿真,设计扬声器基阵阵型;其次,基于声学仿真结果

对音频强声系统加以实现,在全消声室环境测试系统辐射指向性,对比声学仿真和测

试结果并得出结论;最后,使用音频强声系统进行躁怒度主观评价实验,研究人群对音

频强声系统辐射声场的躁怒度评价及影响评价的因素.

【期刊名称】《电声技术》

【年(卷),期】2014(038)007

【总页数】6页(P27-31,57)

【关键词】音频强声系统;扬声器基阵;声学仿真;指向性

【作者】陈克安;汪嵩;刘玲;许妍妍

【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安710072;西北工业大学航海学院,陕

西西安710072;陕西烽火宏声科技有限责任公司,陕西宝鸡721006;陕西烽火宏声

科技有限责任公司,陕西宝鸡721006

【正文语种】中文

【中图分类】TN912.2

1引言

音频强声系统由于其可以辐射高强度的可听声而广泛运用于语音播报、控制和驱散

人群、山区搜救以及机场驱鸟等航空、航海和安防领域。在国外，音频强声系统被

称为远程声学装置(LongRangeAcousticDevice，LRAD)。2000年，美海军

“科尔”号驱逐舰在也门港口遭到小艇袭击，由此美军提出“强声拒止系统”概念，

LRAD公司开发出LRAD专利技术和产品，由此催生出一个声学喊话和警示装置

市场［1］。西方各国多将音频强声系统用于军事领域，起到了良好的效果。

国内有关音频强声系统的研究较晚，中国武警某部根据作战需要，联合多家单位共

同研发了“强声驱散多功能防暴车”［2］，湖南继善高科公司研发了定向强声拒

止系统。尽管国内外多家单位进行了音频强声系统研究，也有多款产品投入市场，

然而却鲜有有关研究过程的信息，也没有运用声学仿真进行产品设计和开发的相关

文献。

音频强声系统是指能够输出高声压级音频声的扬声器系统。指向性是音频强声系统

的主要性能参数之一，音频强声系统的指向性与扬声器基阵阵型、扬声器单元数目

以及波束形成方法有显著关系［3］。平面阵是音频强声系统常用的设计阵型

［4］，平面阵可以等效为多个线列阵的组合。而平面矩形阵又可以等效为多个等

间距排列的等间距线列阵，线阵组合平面阵辐射声场的指向性函数求解采用

Bridge乘积定理［5］，平面矩形阵的指向特性较为简单和可控，所以选择等间距

平面矩形阵作为本次音频强声系统的设计阵型。

研究表明，当噪声声级超过120dB时，人就会引发心悸、耳鸣、发慌、恐惧等心

理反应，并将超过120dB的声音定义为强声，又有研究者新近提出使用躁怒度作

为强声对人群心理影响的评价词。本次研究使用音频强声系统进行躁怒度主观评价

实验，研究人群对音频强声系统辐射声场的躁怒度评价及影响评价的因素。

2基阵建模和声场计算

常用的声场求解方法有解析法和声学仿真计算，针对复杂声源情况解析法求解难度

较大，这时采用声学仿真计算会更加方便快捷。

声学有限元是计算声学中最基本的一种方法，声学边界元方法也是常用的声学计算

方法，与声学有限元相比，它具有更强的灵活性和直观性。本次设计采用有限元结

合边界元方法，对扬声器基阵阵型进行声学仿真，计算基阵辐射声场特性。号筒扬

声器具有较高的电声转化效率，号筒内声波近似为平面波，号筒开口处的空气振动

可以等效为活塞振动，号筒扬声器的结构建模比较复杂，本次研究使用圆形活塞振

膜替代号筒扬声器进行结构建模。

2.1扬声器基阵结构建模

首先使用ANSYS软件进行基阵结构建模，对圆形振膜进行网格划分，并导出振膜

结构有限元网格文件;对框架结构进行网格划分，提取活塞声源和框架结构的表面

网格导出保存为声学边界元网格文件，振膜结构有限元模型网格和声学边界元模型

网格分别如图1和图2所示。

2.2基阵辐射声场计算

进入LMSVirtual.Lab软件的声学边界元模块，设置分析类型为间接边界元，导入

振膜结构有限元模型和声学边界元模型，振膜结构有限元模型和声学边界元模型的

振膜部分是重合的，将振膜结构有限元模型网格定义为结构网格，将声学边界元模

型网格定义为声学网格。定义材料，创建二维结构单元，并定义结构材料属性。

在