技术领域
[0001] 本发明涉及强声驱散技术领域，特别是一种带有测距功能的定向强声驱散系统及强声驱散方法。
相关背景技术
[0002] 目前对于特殊场景或者鸟类动物驱散，通常会使用超声换能器进行驱散。在超声波换能器中，频率通常与波束宽度成反比，即频率越高，波束宽度(即声波的聚焦程度)越窄。这是因为高频率的声波具有较短的波长，能够在较小的区域内集中能量，从而产生较窄的波束。
[0003] 虽然高频率可以提供较窄的波束宽度，有利于提高声波的指向性，但高频率声波在传播过程中也更容易受到介质吸收和散射的影响，导致能量损失增加，传播距离缩短。此外，高频率声波在介质中的穿透能力可能降低，限制了其在某些应用场景中的有效性。相反地，较低频率的声波具有较宽的波束宽度，可以在较宽的区域内传播，提供更大的覆盖范围。然而，低频率声波的指向性较差，可能无法精确地将声波能量集中在特定的目标区域。
[0004] 强声装备是一种高效的声波发射装置，利用高声压级声频信号实现高强度声波的传播，通过高强度噪声刺激，对目标进行有效驱离。在三角支架上安装大功率扬声器，对范围内的目标进行驱散，但由于声源尺寸无法做到远小于波长，因此不具有良好的指向性，声波发散，效率低，作用距离近。
[0005] [CN 115938337 A]通过设置多个间隔设置的超声换能器子阵列，以及相邻两个超声换能器子阵列分别发出不同频段的超声波的方式，实现只有相邻两个超声换能器子阵列的波束交汇处才可解调产生可听声，从而减小超声换能器的可听声区域，实现可听声高指向性并同时缩短传播距离，提高应用该超声换能器阵列时的私密性。该发明相比于参考发明案例1提升了系统的指向性，但由于高频声在空气中的衰减较大，无法进行远距离传播。
[0006] [CN202320057289.5]利用换能器阵列搭配匹配电路，使换能器阵列产生的具有高指向性的超声波束搭配具有音频信号的调制信号，实现声波的远距离传播，但由于该发明没有考虑实际距离及所需功率大小，可能会对鸟群产生伤害，其次通过阵列的方式增加了系统的成本及电路的复杂性，组装也比较繁琐。
[0007] 综上所述，现存的发明首先均不包含测距功能，无法针对特定的距离给出需要的声音强度，可能对目标产生伤害；由于频率和波束宽度一般而言难以平衡，导致无法远距离或者定向传播。
具体实施方式
[0074] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0075] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0076] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0077] 实施例1
[0078] 参照图1‑4，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种带有测距功能的定向强声驱散系统，包括信号产生模块100，测距模式中产生发射并接收用于测距的脉冲信号，在驱散模式中产生用于驱散的连续波以及将采样后的数字音频信号调制为数字SPWM信号；信号调理模块200，用于在测距模式中将接收的脉冲回波信号调理至信号采样的输入范围内，转化为数字脉冲信号；在驱散模式中对输入的音频信号进行幅度控制，同样将其调理至信号采样的输入范围内，转化为数字音频信号；功率放大模块300，用于在测距模式中放大所述信号产生模块发射的脉冲信号；在驱散模式中放大来自所述信号产生模块调制后的数字SPWM信号，并传递给换能器模块的强指向性超声换能器401，强指向性超声换能器发射超声波指向驱散目标；换能器模块400，还包括接收换能器402，接收换能器用于在测距模式中接收来自驱散目标的反射回波；测距模块500，用于记录来自所述信号产生模块发射脉冲的时间和来自接收换能器接收反射回波的时间；控制模块600，用于控制系统工作在测距模式(产生脉冲波)或工作在驱散模式(产生连续波)，并接收来自测距模块的功率信号。还包括，电源模块700，电源模块为信号调理模块、测距模块、信号产生模块的第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器提供供电电压。
[0079] 控制模块用于模式选择及自动切换，信号产生模块是产生两种模式下所需的信号并将输入的音频信号和载波信号进行调制，生成调制信号；信号调理模块是对接收回波及输入的音频信号进行幅度控制，将其调理至合理的采样范围；功率放大模块用于放大两种模式下的信号波形；测距模块用于测量系统与目标之间的距离，评估有效驱散所需的实际功率，并反馈给控制模块使系统连续工作在该功率下；换能器模块用于评估与目标间的距离以及增加驱散信号的传输距离。
[0080] 电源模块700由集成电路U3、集成电路U4、集成电路U11、集成电路U12、集成电路U20、集成电路U21、集成电路U22、插件H8构成。集成电路U3、集成电路U4、集成电路U11的型号为B2415S‑1WR3，集成电路U12的型号为TLV75733PDBVR，集成电路U20为B2415S‑1WR3、集成电路U21为G2405S‑2W、集成电路U22为B2405S‑1WR3_C5150989、插件H8为2pin插针。
[0081] 信号产生模块100包括FPGA信号发生及处理电路；音频信号来源于麦克风信号或者电脑音频信号；FPGA信号发生及处理电路在测距模式中产生发射的脉冲信号，并给测距芯片一个开始的信号，在接收回波后给测距芯片一个结束的信号；在驱散模式中产生用于驱散的连续波以及将采样得到的数字音频信号与正弦波调制后再跟FPGA内部产生的数字三角波信号进行比较，产生数字SPWM信号。
[0082] 本发明信号产生模块中FPGA的型号为EP4CE6E22C8。
[0083] 信号调理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、ADC采样电路，第一运算放大器用于对音频信号差分放大抑制共模干扰；第二运算放大器和第三运算放大器均采用反向比例运算结构，并通过调节可变电阻器，进行对信号的幅度控制；ADC采样电路用于对经过调理后的模拟信号进行采样，将模拟信号变成数字信号。
[0084] 本发明信号调理模块由集成电路U8、集成电路U9、集成电路U10、集成电路U13、集成电路U19A、集成电路U19B、集成电路U16、集成电路U17、集成电路U18、插件RF1构成。集成电路型号为U8TPL0102‑100PWR、集成电路U9型号为OPA657U、集成电路U10的型号为AD8065ART‑R2，集成电路U13的型号为AD9280ARS，集成电路U19A为TL072IDR、集成电路U19B为TL072IDR、集成电路U16为AD8130ARZ‑REEL、集成电路U17集成电路U18为OPA657U、插件RF1型号为BWSMA‑KE‑Z001_C496549插针。
[0085] 实施例2
[0086] 参照图5，为本发明第二个实施例，其不同于前一个实施例的是：该实施例提供了一种功率放大模块，功率放大模块包括H桥功率放大电路，H桥功率放大电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管；第一MOS管和第二MOS管的漏极和电源VCC相连，第一MOS管的源极和第三MOS管漏极相连接，第三MOS管和第四MOS管的源极相连接；第二MOS管的源极和第四MOS管的漏极相连接；第一MOS管与第三MOS管之间引出Vt+，第二MOS管与第四MOS管之间引出Vt‑，分别与强指向性超声换能器的两端进行连接；第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管的基极接栅极驱动电路产生的驱动放大信号。
[0087] 实施例3
[0088] 参照图6，为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：该实施例提供了一种测距模块，包括SPI通信电路、4MHz和32.768KHz的时钟晶振电路、供电电路。
[0089] 其中START和STOP端口为测量时间间隔起止的脉冲信号，即Start(t1)和End(t2)；NTN为TDC的中断信号，该信号低电平有效，与FPGA连接，提供计时结束读取计时结果的标志；RSTN为TDC‑GP22的复位信号，低电平有效，与FPGA连接；SSN、SCK、SI、SO为四线端口与FPGA的SPI通信接口连接，实现FPGA控制器与TDC‑GP22的通信，并对TDC‑GP22的寄存器进行读写控制，完成时间的测量功能。
[0090] 4MHz为TDC－GP22提供一个高速时钟单元进行校准，在测量范围中TDC－GP22还需要高速时钟信号作为时间测量单元的一部分。32.768KHz的基准时钟来控制高速时钟启振和进行时钟校准用。采用TLV75733PDBVR，为系统提供3.3V的供电电压，完成对系统的供电。
[0091] 实施例4
[0092] 参照图1，为本发明第四个实施例，其不同于前三个实施例的是：该实施例提供了一种强声驱散方法，其特征在于：由控制模块切换到测距模式，控制信号产生模块产生发射脉冲信号；传递发射脉冲信号到信号调理模块和测距模块的时间测量模块的START引脚，记录开始时间t1；驱动放大传递到信号调理模块的发射脉冲信号波形，并经过功率放大模块作用于强指向性超声换能器，产生超声波发射到驱散目标；接收换能器接收驱散目标的反射回波信号，并传递给测距模块的时间测量模块的STOP引脚，并记录结束时间t2；；计算与驱散目标之间的距离S和目标所能承受的声压级Lp，根据声波衰减规律确定强指向性超声换能器所需发出的声压级SPL,计算强指向性超声换能器的辐射声功率，并结合电功率与声功率的转换关系确定强指向性超声换能器的电功率P；由控制模块切换到驱散模式，控制信号产生模块产生幅度调制波信号，强指向性超声换能器向驱散目标发射调制声波，对目标进行持续驱散。
[0093] 使用带有测距功能的定向强声驱散系统，首先根据预估的工作频率夹心式换能器的尺寸确定空心圆管部分的内外半径，再根据空心阶梯式变幅杆的计算公式确定其纵向长度，最后根据有限元仿真确定环状激励固定边界薄圆板的半径及厚度，通过理论计算获得薄圆板表面的位移分布，使空心阶梯式变幅杆和环状激励固定边界薄圆板组成的整体的频率与纵向夹心式换能器的频率保持一致；
[0094] 两个模式，两个模式由控制模块自动切换，测距模式是距离测量阶段：由FPGA处理器分别发送数字脉冲信号时间给测量模块和信号调理模块：给时间测量模块的START引脚，该信号作为TDC‑GP22的计时开始信号；信号调理模块将该脉冲信号放大并经过功率放大器，作用于强指向性超声换能器上，换能器发出脉冲波，反射的回波脉冲作用到强指向性超声换能器旁的接收换能器，将回波脉冲进行信号调理后得到数字信号传给时间测量模块的STOP，将该信号作为TDC‑GP22的计时结束信号；TDC‑GP22时间测量模块计算t1与t2之间的时间间隔Δt，由FPGA读取Δt，再通过公式S＝Δt·c/2得到测距仪到被测目标之间的距离S；
[0095] 根据所述目标所能承受的声压级Lp1计算出目标所能承受的声压p，声压级Lp1与声压p存在以下关系：
[0096] Lp1＝20lgp/pref
[0097] 式中p为目标承受的声压，pref为介质的参考声压，在空气中，参考声压pref国标上‑5取值为2×10 Pa；
[0098] 由于超声波在传播过程中振幅随传播距离的增大而呈指数型衰减。设辐射声波沿x方向传播，则距驱散系统S处的的声压为：
[0099] p＝p0e‑αS
[0100] 其中p0为驱散系统发出的声压，α为传播媒质中的衰减系数；
[0101] 衰减系数α与声波频率f关系为
[0102] α＝Ae·f2
[0103] 其中Ae为传声媒质常数，在常温常压下Ae的取值为1.633×10‑10；
[0104] 根据距离S以及衰减关系可得出驱散系统强指向性超声换能器所要发出的声压级SPL，其中：
[0105] SPL＝20lgp0/pref
[0106] 换能器所要发出的声强级可表示为：
[0107] SIL＝10lgI/Iref
[0108] I为声强，其中Iref为介质的参考声强，在空气中，参考声强Iref国标上取值为10‑12 2
W/m；
[0109] 结合上述关系式可得：
[0110]
[0111] 由于空气的特性阻抗 的取值接近 的取值近似为0，因此声压级SPL和声强级SIL在数值上近似相等。
[0112] 声强I的表达式为：
[0113]
[0114] 已知声强I即可求出驱散系统的声功率W：
[0115] W＝I·s
[0116] 式中s为驱散系统的辐射面积；
[0117] 驱散系统的电功率P可表示为：
[0118] P＝U2/R
[0119] 式中U为所加电压,R为阻值；
[0120] 声功率W和电功率P存在以下关系：
[0121] W＝P·η
[0122] 式中η为电声效率，通常取值为50％。
[0123] 换能器模块的辐射指向性可由以下公式求出：
[0124]
[0125] 其中对于位于xz平面的空间观测点p，与原点之间的距离为r1，将圆板外圈部分分为无限多个小面元，每一个小面元都看作一个点源；
[0126] 根据点源的叠加原理，外圈面上各微元在p点的声压可表示为：
[0127]
[0128] 式中，ω为角频率，h为板的厚度。是半径，k为波数，u1、u2分别为环状激励内外圈的横向振速幅值，其表达式为：
[0129]3 2
[0130] 式中，ω为角频率， 为板的密度，D＝Eh /[12(1‑v)]为板的弯曲振动刚度，E是杨氏模量，h为板的厚度，v为泊松比， 分别为第一类和第二类零阶贝塞尔函数， 分别为第一类、第二类零阶修正贝塞尔函数，A、B、C、D为非线性系数，可由薄板的边界条件和连续性条件给出，薄板的边界条件为位移为零、位移导数为零，在激励位置处的连续条件为位移连续、横向剪切力连续。
[0131] 换能器模块的强指向性超声换能器也可形成阵列。
[0132] 实施例5
[0133] 参照图7‑11，为本发明第五个实施例，其不同于前四个实施例的是：该实施例提供了一种强指向性超声换能器401，包括纵向夹心式超声换能器401a、空心阶梯式变幅杆401b和固定边界薄圆板401c，其中固定边界薄圆板边界是固定的，纵向夹心式换能器与空心阶梯式变幅杆、空心阶梯式变幅杆与固定边界薄圆板之间，分别通过螺栓紧密连接。
[0134] 在进一步的实施例中，纵向夹心式换能器的设计频率为30k，其中前盖板的材料为7075航空铝，半径为25mm，长度为26mm；压电陶瓷圆环共两片，材料为PZT‑8，外径为25mm，内径为8.5mm，厚度为6.5mm，两片压电陶瓷环的极化方向相反，压电陶瓷环的一面连接正极引线，另一面连接负极引线，输入电压为1V；后盖板的材料为45#钢，半径为25mm，长度为45mm，纵向夹心式换能器的谐振频率约为30kHz。
[0135] 参照图8、9，空心阶梯式变幅杆与固定边界薄圆板的设计频率为30k，材料为45#钢；空心阶梯式变幅杆的外径为25mm，内径为20mm，空心段长度为57mm，实心段长度为57mm，固定边界弯曲振动辐射圆板的半径R为50mm，厚度h为5mm。空心阶梯式变幅杆与固定边界弯曲振动圆板的特征频率为30k。
[0136] 通过上述的强指向性超声换能器的实现包括以下步骤：外加电压信号的激励下做纵振动与弯曲振动复合的复合振动，并向外辐射声波能量，通过调节空心阶梯式变幅杆、固定边界的弯曲振动圆板的尺寸，使其耦合后的频率与下端纵向夹心式换能器的谐振频率相同，使整体组合形成的强指向性超声换能器高效运行。
[0137] 参照图10，为强指向性超声换能器的振动模态，纵向夹心式换能器与空心阶梯式变幅杆做纵振动，圆板做弯曲振动，且圆板环状激励内外的振动相位相同，窄波束换能器整体的谐振频率约为30kHz。
[0138] 参照图11，为实施案例1的换能器在空气当中辐射指向性，主瓣尖锐，‑3dB波束宽度为6.2°，旁瓣相对于主瓣较小，辐射方向主要沿换能器的轴向。
[0139] 由上可知，本实施例的强指向性超声换能器既可以保持理想低频率，又可以保证较佳的波束宽度，即在远距离驱散时的精准指向性，从而解决了传统超声换能器频率与波束宽度难以平衡兼容的问题。
[0140] 实施例6
[0141] 为本发明第六个实施例，其不同于前五个实施例的是：该实施例提供了一种强声驱散方法，空心阶梯式变幅杆和固定边界阶梯薄圆板的材料为金属，可根据实际应用场景做调整，可为铝合金、钛合金、钢或是其他材料。但要满足高指向性超声换能器整体的振动频率与空心阶梯式变幅杆和固定边界阶梯薄圆板组成的整体的振动频率相同。
[0142] 设计步骤为：根据实际工作场景的传输距离预估换能器所需的指向性强度，即发出超声波的波束宽度。根据波束宽度计算换能器的工作频率，再对换能器的尺寸进行设计优化。由于夹心式换能器的设计工艺比较成熟，主要对空心阶梯式变幅杆与弯曲振动薄圆板进行一体化设计。
[0143] 首先根据夹心式换能器的尺寸确定空心圆管部分的内外半径，再根据空心阶梯式变幅杆的计算公式确定其纵向长度，最后根据有限元仿真确定环状激励固定边界薄圆板的半径及厚度，通过有限元仿真获得薄圆板表面的位移分布，再根据位移分布在相应反相位区域添加阶梯，阶梯高度为该频率下声波波长的二分之一，使该部分的相位与其他部分保持一致，使空心阶梯式变幅杆和环状激励固定边界阶梯薄圆板组成的整体的频率与纵向夹心式换能器的频率保持一致。
[0144] 阶梯式空心变幅杆的频率方程如下：
[0145]
[0146] 换能器模块的辐射指向性可由以下公式求出
[0147]
[0148] 其中
[0149]
[0150] 式中，ω为角频率，h1、h2分别为固定边界阶梯薄圆板基板以及阶梯的厚度。是半径，k为波数，u1、u2、u3、u4分别为固定边界阶梯薄圆板各部分的横向振速幅值，其表达式为：
[0151]3 2
[0152] 式中， 为板的密度，D＝Eh/[12(1‑v)]为板的弯曲振动刚度，E是杨氏模量，h为板的厚度，v为泊松比。
[0153] 分别为第一类和第二类零阶贝塞尔函数，分别为第一类、第二类零阶修正贝塞尔函数。A、B、C、D为非线性系数，可由薄板的边界条件和连续性条件给出。在这里，薄板的边界条件为位移为零、位移导数为零。在激励位置处的连续条件为位移连续、横向剪切力连续。将边界条件和连续性条件代入上述公式即可求出圆板的远场指向性以及辐射声压大小。
[0154] 结合上述关系式即可求出强指向性换能器的辐射指向性，其中指向性开角范围为5°～12°。
[0155] 实施例7
[0156] 参照图12‑16，为本发明第七个实施例，其不同于前六个实施例的是：本实施例与上述实施例4相比区别在于，参照图12，本发明提供了另一种强指向性超声换能器，包括纵向夹心式超声换能器、空心阶梯式变幅杆和固定边界阶梯薄圆板，其中固定边界阶梯薄圆板外边界是固定的，纵向夹心式换能器、空心阶梯式变幅杆以及固定边界阶梯薄圆板之间，分别通过螺栓紧密连接。
[0157] 参照图12、图13，所述纵向夹心式换能器的设计频率约为30k，其中前盖板的材料为7075航空铝，半径为25mm，长度为26mm；压电陶瓷圆环共两片，材料为PZT‑8，外径为25mm，内径为8.5mm，厚度为6.5mm，两片压电陶瓷环的极化方向相反，压电陶瓷环的一面连接正极引线，另一面连接负极引线，输入电压为1V；后盖板的材料为45#钢，半径为25mm，长度为45mm。
[0158] 参照图14，所述空心阶梯式变幅杆与固定边界阶梯薄圆板耦合后的设计频率为30k，材料为45#钢。空心阶梯式变幅杆的外径为25mm，内径为20mm，空心段长度为37mm，实心段长度为37mm，固定边界阶梯薄圆板的基体半径a4为65mm，厚度h1为5mm。阶梯内半径a1为
15mm，外半径a3为35mm，阶梯总高度h2为10mm。所述空心阶梯式变幅杆与固定边界阶梯薄圆板的耦合后的频率为30.151k。
[0159] 通过上述的强指向性换能器的实现包括以下步骤：外加电压信号的激励下做纵振动与弯曲振动的复合振动，并向圆板轴向辐射声波能量，通过调节空心阶梯式变幅杆、固定边界阶梯薄圆板的尺寸，使其耦合后整体的谐振频率与下端纵向夹心式换能器的谐振频率相同，使该强指向性超声换能器在该频率下高效运行。
[0160] 首先根据夹心式换能器的尺寸确定空心圆管部分的内外半径，再根据空心阶梯式变幅杆的计算公式确定其纵向长度，最后根据有限元仿真确定环状激励固定边界薄圆板的半径及厚度，通过有限元仿真获得薄圆板表面的位移分布，再根据位移分布在相应反相位区域添加阶梯，阶梯高度为该频率下声波波长的二分之一，使该部分的相位与其他部分保持一致，使空心阶梯式变幅杆和环状激励固定边界阶梯薄圆板组成的整体的频率与纵向夹心式换能器的频率保持一致。
[0161] 参照图15，为所述强指向性超声换能器的振动模态，纵向夹心式换能器与空心阶梯式变幅杆做纵振动，固定边界阶梯薄圆板做弯曲振动，且圆板环状激励内外的振动相位相同，窄波束换能器整体的谐振频率为30.072kHz。
[0162] 参照图16，为所述实施案例1的换能器在空气当中辐射指向性，主瓣尖锐，‑3dB波束宽度为6.2°，旁瓣相对于主瓣较小，辐射方向主要沿换能器的轴向。
[0163] 由上可知，同样的，本实施例的强指向性超声换能器既可以保持理想低频率，又可以保证较佳的波束宽度，即在远距离驱散时的精准指向性，从而解决了传统超声换能器频率与波束宽度难以平衡兼容的问题。
[0164] 重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其他方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
[0165] 此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征。
[0166] 应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
[0167] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
