基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，其特征在于步骤如下：首先产生四路正弦信号；所述四路正弦信号为两种频率相差为20Hz的正弦信号；将每一路差频正弦信号转换为声波；最后转换完成的两种不同频率的四路声波在传播过程中进行非线性叠加产生和频波和差频波，然后将差频波以外的其他频率的声波进行滤波频率为20Hz的次声波。本发明专利技术的次声波合成装置，基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成装置采用数字频率直接合成(DDS)技术不仅控制灵活、方便简单，而且实现了频率的连续可调。通过和STM32的连接，使得该装置具备了良好的可扩展性，可以在成本较低的情况下实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于次声波合成方法及装置，具体涉及一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，用于油井液位测量、捕鱼工作、次声波武器等。
技术介绍
目前而言，次声波产生器一般有如下七种:气爆式次声波产生器:将压缩空气、高压蒸汽或高压燃气有控制地以脉冲式突然放出，利用高速排出的气体激发周围媒质的低频振动，形成所需要的次声波。由于这种方式的能量转换效率低，声波强度不高，并且定向性能较差，因此一般只能用于人工干预且自动控化控制要求不高的的场合；爆弹式次声波产生器:用活塞或炸药驱动脉冲器，使压缩的空气进入导管产生次声波。在实际应用方面，主要是利用爆炸产生的强冲击波衰减后产生次声波。而这种方式对分段爆炸的控制很不稳定，因此容易造成事故。管式次声波产生器:根据声学原理，当管子中的空气柱的振动与管子本身固有频率相同时，就可产生较强的次声波，然后利用一些机械装置的驱动，则可获得较强的次声波。然而这种方式局限于管子的选材及物理特性，并且产生次声波要求管子足够长，因此实用性较差。扬声器式次声波发声器:和扬声器的工作原理相似，采用比较特殊的膜片，通过膜片振动可产生一定频率的次声波。这种方式产生次声波除了需要膜片振动的幅度较大外，还须使振动膜面积足够大(周长大致要与次声波波长相当)，并且这种方式的能量转换效率只有不到1%，同样实用性不高。频率差拍式次声波产生器:采用两个不同频率的声波发声器同时工作，利用它们非线性频差来获得所需要的低频次声波。目前，主要是通过利用压电晶体产生两束频率稍有差异的超声波，然后根据声学的非线性叠加原理，两列差频声波相互作用产生次声波。通过控制产生不同频率的超声波，便可实现产生频率可调的次声波。经过研究，这种方式实现容易、成本较低、且次声波频率可调，但其能量转换效率不高，难以实现大功率发射，因此单独使用这种方式产生次声波的场合不多，仅限于理论研究。旋式次声波发生器:采用动态控制风扇叶片转动的方式产生低频次声波，通过控制风扇转动的频率以及动态控制风扇叶片自转，就可以产生高能量转换效率的次声波信号。此方式能量转换效率高，但是目前在技术上还存在一些难点需要克服。气流声源:根据气流调制的方法，通过一定的气动过程将高压或高速气流能量转化为声能。气流式声源由于能量转换效率高、功率大，一般主要用来实现高强度的声波生成，成本较高，且装置复杂。通过对以上七种次声波产生装置现有技术的研究与分析，我们可知:气爆式次声波产生器能量转换效率低，声波强度不高，并且定向性能较差，因此一般只能用于人工干预且自动化控制要求不高的的场合;爆弹式次声波产生器主要是利用爆炸产生的强冲击波衰减后产生次声波，而这种方式对分段爆炸的控制很不稳定，容易造成事故;管式次声波产生器由于跟管子固有频率相关，产生次声波要求管子足够长，因此实用性较差;扬声器式次声波产生器要产生次声波除了需要膜片振动的幅度较大外，还须使振动膜面积足够大(周长大致要与次声波波长相当)，并且这种方式的能量转换效率只有不到I %，同样实用性不高；旋式次声波发生器与传统次声波产生器的原理和结构都不同，主要是采用机械机构产生次声波，能量转换效率高，但是目前在技术上还存在一些难点需要克服;气流声源因其转换效率高、功率大，一般主要用来实现高强度的声波生成，成本较高，且装置复杂。而频率差拍式次声波产生器主要是利用声波的非线性频差来获得低频次声波。经过研究，这种方式实现容易、成本较低、且次声波频率可调，但其能量转换效率不高，难以实现大功率发射，因此单独使用这种方式产生次声波的场合不多，仅限于理论研究。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，以频率差拍式次声波产生原理为核心，通过采用声学参量阵技术设计一款功率较大的低频次声波产生装置。技术方案—种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法，其特征在于步骤如下:步骤1:产生四路正弦信号；所述四路正弦信号为两种频率相差为20Hz的正弦信号；步骤2:将每一路差频正弦信号转换为声波；步骤3:转换完成的两种不同频率的四路声波在传播过程中进行非线性叠加产生和频波和差频波，然后将差频波以外的其他频率的声波进行滤波频率为20Hz的次声波。—种实现所述基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法的装置，其特征在于包括四个正弦信号产生电路、四个信号调理电路、四个电声换能器电路和一个声滤波器电路;每个正弦信号产生电路的输出顺序连接一个信号调理电路和一个电声换能器电路，四个电声换能器电路并联后连接声滤波器电路的输入端，声滤波器电路的输出次声波；所述四个电声换能器电路的四个换能器元组成正方形，四个换能器分别位于正方形的四个顶点，对角的两个换能器位接收同一正弦信号。所述正弦信号产生电路是采用AD9850及其外围电路在STM32的控制下将控制字写入AD9850，然后AD9850根据控制字来输出控制字所指定频率的四路两种正弦电信号。所述信号调理电路包括信号缓冲电路、带通滤波放大电路和功率放大电路;第一步产生的四路两种正弦电信号首先利用缓冲电路进行缓冲，然后通过带通滤波放大电路对其初步滤波并初步放大，最后利用功率放大电路对其提升功率。所述换能器元采用压电陶瓷。有益效果本专利技术提出的一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，针对现有的次声波合成装置，基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成装置采用数字频率直接合成(DDS)技术不仅控制灵活、方便简单，而且实现了频率的连续可调。通过和STM32的连接，使得该装置具备了良好的可扩展性，可以在成本较低的情况下实现。本专利技术装置首先在STM32控制模块的控制下，根据正弦信号产生装置以直接频率合成的方法产生正弦信号，以保证信号的精度和稳定性。然后，利用信号调理电路对其进行滤波降噪和放大。这样就可以驱动声波换能器将器其电压信号转换为声波，声波在传播的过程中由于非线性效应叠加产生次声波，当这混合声波在经过声滤波器时，高频信号不断进行衰减并减弱声场中的高频声波，以得到较纯的次声波。【附图说明】图1:本专利技术装置原理框图图2:本专利技术实施例中正弦信号产生电路原理图图3:本专利技术实施例中信号调理电路中缓冲电路原理图图4:本专利技术实施例中信号调理电路中滤波放大电路原理图图5:本专利技术实施例中信号调理电路中功率放大电路原理图图6:本专利技术实施例中声波换能器排布结构图7:本专利技术实施例中声滤波器的模型及等效电路图8:本专利技术实施例的合成次声波的时域图图9:本专利技术实施例的合成次声波的频域图图中:1_第一换能器、3-第三换能器、2-第二换能器、4-第四换能器。【具体实施方式】现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述:本专利技术的理论依据a.声波非线性叠加理论两列声波都是大幅度声波信号在声场中传播时，声压以及质点的运动速度相对于大气压强和声速已经不能忽略不计了，这就是非线性声学中的声音叠加问题。本专利技术根据声波的非线性叠加理论由两列频率相差20Hz的声波合成了次声波。b.组合声源理论和声学参量阵组合声源是由两个或者多个声源组合而成，这些声源产生的叠加声场成为组合声场。而声学参量阵是基于声学非线性效应并可在远场实现差频声波的装置。在本专利技术中，我们根据组合声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法，其特征在于步骤如下：步骤1：产生四路正弦信号；所述四路正弦信号为两种频率相差为20Hz的正弦信号；步骤2：将每一路差频正弦信号转换为声波；步骤3：转换完成的两种不同频率的四路声波在传播过程中进行非线性叠加产生和频波和差频波，然后将差频波以外的其他频率的声波进行滤波频率为20Hz的次声波。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何鹏举，王鑫元，王洪升，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61