有限空间下次声源聚能辐射方法分析_陶芙宇.pdf

2022年第46卷第12期25Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础文献引用格式：陶芙宇，王曜坤，李勤，等.有限空间下次声源聚能辐射方法分析 J.电声技术，2022，46（12）：25-29，35.TAO F Y，WANG Y K，LI Q，et al.Analysis of infrasound source concentrated radiation methods in confined spaceJ.Audio Engineering，2022，46（12）：25-29，35.中图分类号：TN912.2 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.12.006有限空间下次声源聚能辐射方法分析陶芙宇，王曜坤，李 勤，陶文波（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）摘要：声源在开放场通常以点源向四周进行辐射。为了使声源具备指向性发射能力，需要采取一些手段使声源固定方向汇聚。然而，低频声信号波长较长，尤其是次声信号，波长可达到十几米甚至几十米，很难在有限空间内形成指向性。针对低频声信号波长较长，有限空间内不易汇聚形成波束指向的问题，分别对多声源组阵、凹面镜聚能和号筒聚能等方法进行讨论、分析，并通过仿真试验，验证各类方法的聚能辐射性能。关键词：次声源；能量汇聚；声辐射；声学号筒Analysis of Infrasound Source Concentrated Radiation Methods in Confined SpaceTAO Fuyu,WANG Yaokun,LI Qin,TAO Wenbo(The Third Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Beijing 100015,China)Abstract:The sound source usually radiates to the surroundings as a point source in an open field.In order to make the sound source capable of directional emission,it is necessary to take some measures to make the sound source converge in a fixed direction.However,it is difficult to form directivity in limited space since the wavelength of low-frequency acoustic signals is long,of which its infrasound signals can reach more than ten meters or even tens of meters.Aiming at the problem that low-frequency acoustic signals have long wavelengths and are not easy to converge to form beams in a limited space,several methods of multi sound source array,concave mirror energy convergence and horn energy convergence are discussed and analyzed respectively,and the focused radiation performance of each method is verified by simulation tests.Keywords:infrasound source;energy convergence;sound radiation;acoustic horn0 引 言人类对次声发声源的研究由来已久。1939 年至 1945 年间，美国首次尝试使用蒸汽驱动的风琴管产生人工次声。二战期间，英国、日本、奥地利和德国的科学家试图制造声波武器，但这些武器没有实际装备，且并未涉足次声频段1。在 20 世纪 60年代，为确保载人航天任务的安全，美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）对次声进行了广泛研究，检查人类对高强度次声的耐受水平，于是各发达国家对次声损害逐渐重视。科学技术的迅速发展为次声源的研制提供了可行性，中国、美国、俄罗斯、法国、以色列等国先后开展了对次声源的研制2。经过多年研究，国内外基本对“次声会对生物造成损伤”达成了共识。次声可与器官产生共振或影响神经，令人呼吸困难、恶心、乏力，严重时会导致内脏损伤，在声强足够的情况下甚至能短时间内令人死亡3-6。关于次声武器的报道也层出不穷，尤其是美、德等国陆续报道了次声武器作用事件。由于次声波频率低、波长长，次声源发射时近似以点源辐射，无法形成指向，结合实际应用需求，必须考虑次声定向发射的问题。声学聚能辐射装置可以将声源处形成的声波能量汇聚，增强系统指向性。本文结合次声源的发声特性，主要介绍多声源相控阵7、抛物面聚焦8和号筒聚能9-11三种方法对次声源的聚能辐射性能，并结合仿真结果分析各种方法的适用场景。2022年第46卷第12期26声 学 基 础声 学 基 础coustics FoundationA1 多声源组阵聚能辐射方法由于次声波长较长，单个次声源若不增加隔离或指向性结构可近似等效为全向声源。多个声源可组阵形成主波束指向，进一步可通过对声源的相位调制调整波束指向12-15。但是，阵列波束形成在组阵时需要各声源间距为对应声波频率的半波长即 d=/2，为波长，如图 1 所示。若声源间距小于半波长，方向图会产生栅瓣；若声源间距远小于声波波长，声源阵列可等效为点源。在 1 20 Hz 内，次声波长为 17 340 m，为了形成较好的发射方向图，需要多个次声源等间距组阵，阵列总长度达到几十米甚至上百米，有限空间内难以布设。图 1 多声源组阵聚焦辐射示意图这里考虑 8 m 的布设空间，如 7 个声源呈直线排列，声源相位中心间距为 1.1 m。本文模拟了在声源 170 Hz，20 Hz 和 10 Hz 情况下的阵列声场分布图和 50 m 处水平向方向图。声源间距为 1.1 m 时，最优方向图对应频点大致为 170 Hz，如图 2 所示。170 Hz 声源下的方向图在阵列指向方向有明显主瓣，且功率聚集在主瓣方向，如图 3 所示。图 2 阵列声源频率 170 Hz 时的声场分布图 3 阵列声源频率 170 Hz，距离 50 m 处的方向图声源频率为 20 Hz 时，声源间距等效为 0.06 个波长。声阵列虽然可以形成方向图但是整体方向图各向差异较小，在 50 m 处的方向图几乎呈圆形，不具备指向性，如图 4、图 5 所示。图 6、图 7 为声源频率 10 Hz 时的声场分布图和 50 m 处方向图。可以看到，在声波长为 34 m 时，各声源等效叠加为点源，阵列无法起到波束形成和聚能辐射的作用。若要形成有效波束，在 20 Hz 情况下，组阵的声源间距应 8.5 m，在 10 Hz 情况下声源间距 17 m，整个阵列会达到上百米长，无法实现小空间下的聚能辐射。2 凹面反射镜聚能辐射方法利用凹面反射镜即抛物面对声源聚焦反射形成波束指向，也是一种常用的聚能辐射手段。图 8给出了抛物面对声源聚焦反射的示意。图 8 中，声源需通过液压平台放置在抛物面焦点位置，声源指向抛物面进行发射。发射后经过凹面反射镜汇集形成波束，进行指向性辐射。通常，抛物反射面尺寸需要大于声源波长，若小于波长，会造成声波衍射，降低声源聚焦定向辐射能力。图 9 给出了凹面反射镜对声波反射的示意。2022年第46卷第12期27Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础可以看出，当声波波长小于凹面镜尺寸，会使声波能量聚焦。当声波波长与凹面镜尺寸近似，声波一部分反射、一部分绕射或透射过凹面镜。当声波波长远大于凹面镜尺寸，声波会绕射过凹面镜，导致无法实现聚能作用。次声波长在十几米到几百米，若以凹面镜做反射，设计的凹面镜尺寸应为半径几十米的圆盘状，不利于便携运输和实际使用。为了验证凹面反射镜的性能，本文对凹面反射镜进行仿真。设定抛物面半径为 4.5 m，声源位于反射面焦点，如图 10 所示，声源频率分别为 20 Hz和 10 Hz。图 11、图 12 分别给出了 10 Hz 和 20 Hz情况下指向方向 0，30，60和 180方向时12 m 处的声压级。可以看出，反射镜半径为 4.5 m时，声源频率 20 Hz 情况下指向性好于 10 Hz 指向，但是无法满足指标需求。在 10 Hz 情况下，指向性能整体下降，无法满足定向聚能的需求。下图为声源频率为 20Hz 和 10Hz 时的声场分布图和声压级示意图。可以看到方向图大致呈圆环形状分布，但是在前向有明显波束聚集。图 4 阵列声源频率 20 Hz 时的声场分布图 5 阵列声源频率 20 Hz，距离 50 m 处的方向图图 6 阵列声源频率 10 Hz 的声场分布2022年第46卷第12期28声 学 基 础声 学 基 础coustics FoundationA3 号筒聚能辐射方法号筒聚能辐射是一种常用的聚能辐射手段。图 13 为美国研制的扬声器之母所使用的气动式图 7 阵列声源频率 10 Hz，距离 50 m 处的方向图图 8 抛物面反射聚焦辐射示意图（a）声波波长小于凹面镜尺寸（b）声波波长与凹面镜尺寸相近（c）声波波长远大于凹面镜尺寸图 9 声波遇到不同尺寸的凹面镜后的不同情况图 10 抛物面反射仿真图图 11 声源频率 20 Hz，反射面距离 12 m 处的声压级示意图 12 声源频率 10 Hz，反射面距离 12 m 处的声压级示意凹面反射可以对声波能量聚集形成指向，但是需要声源和反射部分分置，声损耗较大，且若凹面镜尺寸需远大于次声波波长才能实现聚焦。2022年第46卷第12期29Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础辐射号筒。该号筒喉部较小，出口较大，整体呈圆锥形，长度约十几米，最低可用于 30 Hz 声源聚能发声。图 13 美国研制的扬声器之母大功率气动式辐射号筒本文通过仿真对号筒聚能辐射的效用进行说明。图 14、图 15 分别给出了 10 Hz 和 20 Hz 情况下指向方向 0，30，60和 180方向的增益。在号筒尺寸一定的情况下，声源频率 20 Hz 情况下指向性整体好于 10 Hz 指向。号筒的声源设置与凹面镜相同，但是从图 14、图 15 可以看出，在相同位置，号筒声源的声压级明显高于凹面镜。号筒无论在 20 Hz 还是 10 Hz 情况下，均可实现定向聚能的需求。但是，需结合实际应用，针对频段优化设计号筒。图 14 声源频率 20 Hz 的号筒声场分布表 1 给出了凹面反射镜和号筒在 12 m 处对应不同角度的声压级。在 0方向，号筒声压级比凹面反射镜声压级高 2.6 dB；在 30方向，号筒声压级比凹面反射镜声压级低 1.2 dB。号筒本身在0和 30方向声压级相差 4.3 dB，而凹面反射镜在 0和 30方向声压级只相差 0.5 dB。在 0和 180方向，号筒和凹面反射镜的聚能差异较小。从表 1 的结果可以看出，号筒整体聚能效果优于凹面反射镜。表 1 凹面反射镜和号筒在 12 m 处对应不同角度的声压级角度/（）凹面反射镜对应声压级/dB号筒对应声压级/dB0125.51128.1230125.04123.8160123.44114.34180123.72114.434 结 语本文结合次声源实际化应用中产生的有限空间下不易聚能辐射的问题，对实际场景中可利用的组阵、凹面镜反射和号筒聚能辐射方法进行了说明和数值仿真分析。从仿真结果可以看出，组阵形式可以在远场实现聚能指向和波束控制，但是需要满足阵元间距为对应信号半波长的限制，导致阵列过长，且很难调频；凹面反射镜体积较大，且聚能效果较差，不利于实用；声学号筒可有效对次声信号聚集，且可对应多个频点，更适用于实际环境。本研究内容对次声聚能辐射的实际应用具有较好的指导意义，为次声聚能辐射的方案设计和性能优化提供了参考。参考文献：1 CORSO J F.Absolute thresholds for tones of low frequencyJ.The American journal of psychology，1958，71（2）：367-374.图 15 声源频率 10 Hz 的号筒声场分布（下转第 35 页）2022年第46卷第12期35Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础Y-3l、Y-3x 及树型结构三种 Y 型顶部衍生型，以三款屏障基础型 T 型、Y 型、吸声圆柱型作为参考对照，将衍生型设计结果应用 1 10 缩尺模型进行实验验证，最终得出三种 Y 型衍生型在声影区整体降噪性能较基础型有大幅提升，而在声亮区则有一定提升但提升程度较小。从降噪频谱特性出发可得树型结构整体降噪性能最优。从分频降噪效果而言，Y-3x 型在中频（400 800 Hz）范围内占优，而在高频（1 000 Hz以上）及低频（200315 Hz）范围内不如树型结构；Y-3l 的降噪频谱特性较为均衡，总体性能虽不像其余两款衍生型优势突出，但相较于基础 Y 型的改良效果仍是显著的。参考文献1 KITAGAWA T，NAGAKURA K，TANAKA S，et al.Study on effective sound barriers for high speed trainsC/Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary 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