摘 要

与传统的扬声器不同，参量阵扬声器（PLA）利用声波在空气中传播的非线性效应来产生高指向性的声波波束。又被称为音频聚光灯、指向性扬声器。为了使用PLA高效率的获得高质量的可听声，我们既需要充分的利用这种非线性传播效应，同样也需要将这种效应导致的非线性失真降到最低。针对参量阵的特点，本文从理论分析和仿真实验两方面展开，主要研究PLA的发声机理及相关特性；研究PLA的调制方式和预处理技术，给出一个在失真度、转换效率、算法复杂度之间权衡的最优方法；研究动态载波的实现方法，采用不同预处理方法对动态载波进行数值仿真；研究参量阵扬声器频响对动态载波的影响以及幅频响应均衡的方法。最后使用FPGA对加入动态载波的PLA进行硬件及算法的实现，验证并分析其试验效果。

关键词：参量阵；动态载波；幅频均衡；调制方式

Abstract

Different from the traditional loudspeaker, the parametric array loudspeaker (PLA) utilize nonlinear effect of acoustic wave propagation in air to reproduce high directivity audio beam. It is also called audio spotlight, directional speaker. In order to obtain high quality and high efficient audible sound using PLA. We not only need to fully use the nonlinear propagation effect, also need to minimize the nonlinear distortion caused by this effect. According to characteristics of parametric array, this paper launches from two aspects, theoretical analysis and simulation experiments. First of all, this paper mainly studies the PLA's sound mechanism and related properties, research of PLA modulation methods and preprocessing technology. And we will give an optimal method that consider distortion, conversion efficiency, algorithm complexity. Secondly, this paper studies the implementation methods of dynamic carrier, and makes numerical simulation of dynamic carrier with different pretreatment methods. What’s more, we research the effects of frequency response and the method of frequency response equalization. Finally, the implementation of PLA‘s hardware and algorithm that added dynamic carrier and used FPGA is verified.

Key Words：Parametric array；Dynamic carrier；Frequency response equalization；Modulation method

目录

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 参量阵的国内外研究历史及现状 3

1.3 论文的结构安排 3

第 2 章 参量阵的理论基础和预处理技术 5

2.1 非线性声学理论 5

2.2 Berktay远场解及其改进 6

2.3 预处理与信号调制 7

2.4 本章小结 7

第 3 章 动态载波形成的仿真分析 9

3.1 动态载波频域均衡仿真分析 9

3.1.1 硬件实现频响补偿 9

3.1.2 数字滤波器实现频响补偿 11

3.2 动态载波仿真实验 15

3.2.1 使用AM的简单动态载波形成 15

3.2.2 使用SSB加入建立保持时间的动态载波形成 17

3.2.3 使用AGC方式的动态载波形成 19

3.3 本章小结 21

第 4 章 参量阵FPGA的实现 23

4.1 硬件实现 23

4.1.1 硬件系统的主体框图 23

4.1.2 信号处理模块 23

4.1.3 单端信号转差分模块 24

4.1.4 信号采样与信号重建模块 26

4.1.5 功率放大模块 27

4.2 核心软件分析 28

4.2.1 SSB调制的FPGA实现 28

4.2.2 动态载波形成的FPGA实现 31

4.2.3 频域均衡的FPGA实现 32

4.3 测试过程及实验结果分析 32

4.4 本章小结 36

第 5 章 总结与展望 37

5.1 总结 37

5.2 展望 38

参考文献 39

致 谢 41

绪论

声音是人类与外界进行信息交流的重要载体，在我们传统的认知里，声音的传播是朝向四面八方的。但在某些场合下我们希望声音能像激光光束一样进行定向的传播，参量阵扬声器营运而生。不同于传统意义上的扬声器，参量阵扬声器是利用超声信号的强指向性和传输介质的非线性效应来实现的一种声源，其可以像光束一样将声音进行定向的投送。

研究背景及意义

声波的指向性取决于声源的大小和波长，可听声的波长在几厘米到十几米之间，当声源的尺寸大于波长时才能产生具有很明显指向性的声音，但要制造出十几米甚至更大尺寸的扬声器是不可能的。

随着非线性声学的发展，特别是空气声学参量阵理论^[1][2]的提出，一种强指向性的声源——参量阵扬声器得到了广泛的研究。我们知道，音频是指人耳所能察觉到的所有声音，音频的频率范围为20HZ-20KZH，小于20HZ的声音被称为次声，具有极强的穿透能力，大于20KHZ的被称为超声，具有较强的指向性。参量阵扬声器的实现是将音频信号调制在超声载波上，调制后的有限振幅波在介质的传播过程中进行相互作用，自解调出音频信号。

在线性声学理论中两个声波的相互做用是不存在的，它们引起的介质振动等于两个声波分别作用引起振动的叠加，即小振幅波满足线性叠加定理，但在非线性声学中这种线性关系不再满足。参量阵理论中，当两个不同频率的有限振幅波在介质中传播时，除了这两个主波信号外还会产生差频信号、和频信号及各信号的高次谐波等再生波，和频及高次谐波的频率较高衰减很快，在经过一定距离的传播后差频信号成为主导成分，被投射至目标对象。