JPhysD编辑优选：幅度调制型参量阵扬声器的远场指向性模型
文章介绍
Chuang Shi（史创）, Yue Wang（王越）, Han Xiao（肖汉） and Huiyong Li（李会勇）
通讯作者：
- 史创，电子科技大学信息与通信工程学院
研究背景：
参量阵扬声器是一种利用空气非线性效应的定向发声系统。因此，自解调音频远场指向性是参量阵扬声器的最为重要的设计指标之一。迄今为止的卷积模型仅适用于采用单边带调制方法的参量阵扬声器。为了能够降低自解调音频的谐波失真和系统实现难度，参量阵扬声器常常采用多种其他幅度调制方法。为此，本论文基于Westervelt指向性和Berktay指向性对卷积模型进行扩展，使其适用于任意幅度调制超声信号，从而实现对自解调音频远场指向性的快速准确预测。本论文又以双边带调制方法为例，分析了自解调音频基波、二次谐波以及总谐波失真的指向性关系，搭建了多通道数字相控参量阵扬声器样机和波束测量系统。数值仿真和实验测量结果均验证了扩展卷积模型的准确性。
研究内容：
卷积模型是一种用于预测参量阵扬声器远场指向性的简便模型，表示为Dd (θ)=[D1(θ)D2 (θ)]⊗DW(θ)，其中为Dd (θ)差频指向性；D1(θ)和D2 (θ)分别为两个超声频率的指向性；DW(θ)为Westervelt指向性；⊗表示卷积运算。卷积模型准确而简洁，但适用范围较为有限。
为了对卷积模型进行扩展，以适用于任意幅度调制超声信号，本文提出了两种扩展卷积模型的方法。第一种扩展方法是从频谱分析的角度，将超声信号分解重构，得到基于Westervelt指向性的扩展卷积模型，表示为
另一种扩展方法则融合了Berktay远场解的求解过程，将超声信号表达为幅度调试信号，通过二次声波求解、频域积分等过程得到自解调音频信号，最后提取角度相关量的模得到基于Berktay指向性的扩展卷积模型，表示为
为了验证扩展卷积模型的准确性，本论文搭建了多通道数字相控参量阵扬声器样机和波束测量系统。数字相控参量阵扬声器的主要算法流程如图1所示。
图1：数字相控参量阵扬声器的主要算法流程图
波束测量系统整体设置如图2所示。
图2：波束测量系统实验设置图
结果表明扩展卷积模型在指向性预测方面可以达到与数值仿真、实验测量相当的准确度。因此，扩展卷积模有望成为宽带相控参量阵扬声器设计和应用过程中的一种简洁且高效的分析工具，为推动定向发声系统的理论和技术进步起到积极作用。
作者介绍
史创 副教授
电子科技大学
- 史创，本、硕、博学历分别在北京交大（2005）、清华大学（2008）和新加披南洋理工大学（2013）取得，从事有源噪声控制、参量阵、机器听觉等声信号分析与处理研究，曾获得亚太信号与信息处理协会杰出讲座人称号、美国声学学会最佳青年演讲人奖等荣誉，现为电子科技大学信息与通信工程学院副教授。
王越
电子科技大学
- 王越于2020年在电子科技大学取得本科学历，现于电子科技大学信息与通信工程学院攻读硕士研究生。
期刊介绍
- 2022年影响因子：3.4 Citescore: 5.9
- Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。