音频信号的超声传输系统设计
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- 研究背景及意义
超声波是指频率高于20KHz的机械波, 它的方向性好，反射能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
基于超声调制的声音定向传播是近年来出现的利用超声波技术的新应用。将声音信号调制到超声载波信号上,然后通过超声换能器发射到空气中,根据超声波在空气中具有自解调效应,可产生具有方向性的可听声波。声音的定向传播不管在军事还是民用领域都具有较广泛的应用价值。
超声波遇到杂质或分界面时会产生反射，利用这一特性可用来实施超声波探伤或测距。超声波遇到移动物体时，能产生多普勒效应，使接收到到的频率发生变化，由此可制成多普勒测距系统，如果利用超声波的以上特性来传送语音或其他信息，就可获得期待的结果。
声音定向传播是一项可使人耳能听见的声音信号按照一定方向传播的技术。声音定向传播的实现方式是将声音信号调制到超声载波信号上,然后通过超声换能器发射到空气中。根据超声波在空气中具有自解调效应,当具有不同频率的超声波在空气中传播时,这些不同频率的超声波信号会发生交互作用和自解调现象,产生原超声波的差频与和频信号。如果原来的两个超声波频率选取比较合适,那么可以使其产生的差频信号落在可听声频率范围内。因为超声波具有很好的方向性,所以人耳能听到的差频声音信号也具有较好的方向性。因此可以实现了声音的定向传输。
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- 国内外研究现状
声波是声音的一种类型，属于机械波的应用范畴。通常我们将声音分为三类：次声波、声波和超声波，次声波的频率大概为 16Hz-20KHz，人听力范围内能听到的是声波，超声波是指频率超过 20KHz 的声音。
注意并研究这一现象可追溯到20世纪60年代,当声纳工作者把超声波脉冲发射到水中时,脉冲自发地变成了低颇的窄带声波束。Wesetvrelt认为这是声波非线性作用的结果。1965年,英国伯明翰大学的Berktay从数学上建立了这种非线性作用的表达式及计算方法。1975年德克萨斯大学的Bennatt和lBackstcok对水下发射机进行了修改并采用了一个非音频范围的声源,实验结果表明与在水中的传播一样,在空气中声波也是以非线性的方式传播的。1983年,日本的米山等人利用无线电调幅技术把复杂的音频信号变成超声波信号,并建造了一个超声波扬声器来发射调幅超声波,发现得到的信号有很大的失真,而且声音越大,失真变得越严重。2000 年，致力于能源开发利用的美国安全办公室公布了一期项目实践研究结果。研究人员利用超声波的高频率、低波长的特性，研发了一套通过超声波在空气中通信的系统。运用常见的超声波换能器作为信号发送接收端的的载体，通过适当的信号处理，利用调频技术，选择中心频率为 40kH z 的载频，使用 LabV iew 软件用于信号的调制解调，实现了基于超声波的数据、图片等在空气介质中的可靠性传输，通信速率可达 680bit/s。
2005 年，TLMurphy 设计了一套超声波探伤系统，用于检测材料的损伤情况，方法是使超声波穿过 6 英尺宽度的钢结构容器中是使超声波穿过 6 英尺宽度的钢结构容器中，通过分析信号回声的幅值及频率等参数计算钢管损伤的具体位置，具体设计如下图 1-4。测试结果显示超声波在利用不同的调制方式时其通信速率相差很大，当采用幅度调制技术时（ASK 调制），速率一般可达500bps，当采用以最小均方误差及二进制调相技术时（FSK 调制），通信速率高达5000bps，通过分析研究得出，FSK 技术是超声波通信中使用的一种有效、可靠的调制方式。目前,在国外,“音频信号定向传输”技术的研究还处于初始研究阶段。
除了国外，国内也有一些实验成果，如中国石油大学的马西庚等人为了研究超声波在不同介质中传播的差异性，自己设计并制作了信号发送源和试验器材，让超声波在加入气体、液体和固体的探杆中分别进行传输。利用扫频技术，得出了超声波通信过程中的衰减结果，见下式：
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