文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)05-0045-04
聲源的指向性反映了聲源在不同方向上的聲輻射特性[1]。強指向性聲源具有指向性好、聲束可控、傳播距離遠等特點，在軍事、商業(yè)、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。本文提出了一種基于硬件電路進一步增強聲源指向性的方法。利用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），將相控技術(shù)引入到聲發(fā)射陣列，通過揚聲器陣列前方的波陣面耦合，進一步增強聲波在空氣中的相互疊加，用以提高聲源的指向性。
1 系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)以CPLD為控制核心，通過控制輸入揚聲器陣列的信號相位（延時），實現(xiàn)揚聲器各陣元發(fā)射的聲波束在空間疊加合成，從而形成聲束聚焦的效果[3]。如圖1所示，如果各陣元的激勵時序是兩端陣元先激勵，逐漸向中間陣元加大延遲，使得合成的波陣面指向一個曲率中心，形成波束能夠在空間聚焦，以達到增強聲源指向性的目的。
系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。聲發(fā)射陣列輸入語音信號，通過濾波和A/D采樣單元將該信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時按鍵顯示單元設(shè)定各陣元的延時參數(shù)，CPLD根據(jù)外部設(shè)定的延時值進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號通過功率放大器驅(qū)動揚聲器陣列向空氣中發(fā)射聲波。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 CPLD及存儲器接口設(shè)計
（1）CPLD EPM570簡介
系統(tǒng)采用Altera公司生產(chǎn)的CPLD中的EPM570作為核心控制芯片。它屬于MAX II器件系列中的一員，采用基于成本優(yōu)化的六層金屬0.18 μm、嵌入Flash工藝，其功率只有以往MAX器件的1/10，而且成本降低一半。MAX II器件在所有的CPLD系列中具有較低的單位I/O成本和較低的功耗，能夠代替成本更高或功率更高的FPGA、ASSP和標準邏輯器件?？商峁?40~2 210個邏輯單元（LE）、多達272個I/O管腳。
EPM570實現(xiàn)的功能是：實時時鐘產(chǎn)生100 kHz的信號作為MAX120的采樣時鐘。每采樣一次，EPM570就把數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，并根據(jù)單片機送來的延時值找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)用于DA轉(zhuǎn)換。其功能將依靠Verilog HDL語言編程下載到芯片中來實現(xiàn)。
（2）存儲器接口設(shè)計
存儲器選用靜態(tài)存儲器HM62256，它具有32 kB空間，采用0.8 μm的CMOS工藝，轉(zhuǎn)換速度為85 ns。HM-62256管腳與CPLD直接連接，完成數(shù)據(jù)的存儲與讀取。
2.2 放大濾波電路
聲發(fā)射陣列的輸入信號為模擬語音信號，信號幅度較小且容易夾雜干擾信號，所以需要對該信號進行處理。系統(tǒng)采用INA118對信號初步放大，利用OPA606構(gòu)建二階有源低通濾波器[4]。
2.3 A/D采樣電路
A/D采樣電路是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，以便后續(xù)模塊進行數(shù)字化處理。系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX120作為A/D采樣器件，其轉(zhuǎn)換時間是1.6 μs，采樣率是500 kS/s。采樣的數(shù)據(jù)依次循環(huán)存儲在存儲器中，由CPLD根據(jù)設(shè)定的延時時間從相應(yīng)的存儲單元調(diào)用數(shù)據(jù)交給DA轉(zhuǎn)換。圖3為放大濾波與A/D采樣電路原理圖。
2.4 按鍵顯示電路
系統(tǒng)利用鍵盤按鍵實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試和數(shù)據(jù)參數(shù)調(diào)整。本系統(tǒng)設(shè)計4個按鈕來控制光標的左右移動和信號延時值的增減。LCD默認顯示第一路信號設(shè)定的初始值，單片機通過控制LCD的讀/寫選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端來顯示信號延時值。
2.5 D/A轉(zhuǎn)換電路
系統(tǒng)采用National公司DAC0800實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將經(jīng)過延時處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬信號，并通過功率放大器驅(qū)動揚聲器陣列發(fā)聲。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 相控延時設(shè)計
對于聲發(fā)射陣列，相鄰兩列聲波的延時計算公式為t=d sinθ/c，（d為揚聲器兩陣元間距、θ為偏轉(zhuǎn)角度、c為聲速），根據(jù)公式計算，其延遲分辨率為10 μs即可。系統(tǒng)延時基于晶振時鐘計數(shù)，延時值為時鐘周期的整數(shù)倍。以圖4為例可以說明相控發(fā)射延時（一個通道）的實現(xiàn)原理。
相控發(fā)射時CPLD的內(nèi)部為每個超聲通道提供了一個14 bit的延時計數(shù)器、一個14 bit比較器、一個14 bit的參數(shù)寄存器，用于暫存外部對CPLD寫入的參數(shù)。一次相控發(fā)射開始之前，外部單片機控制端先后給CPLD內(nèi)的參數(shù)輸入寄存器設(shè)置各通道發(fā)射延時值。然后CPLD發(fā)出一個同步信號，啟動CPLD內(nèi)各通道延時計數(shù)器開始計數(shù)。當各通道預(yù)定延時值計滿后,分別從參數(shù)輸入寄存器調(diào)出數(shù)據(jù)送給DA轉(zhuǎn)換，完成整個相控發(fā)射延時過程。相控發(fā)射延時的仿真波形如圖5所示。其部分代碼如下：
always @(posedge clk)
case(state)
5'd0:begin
if(!busy) state<=5'd1;
end
5'd1:begin
if(busy) state<=5'd2; //查詢120轉(zhuǎn)換結(jié)束信號
end
5'd2:begin
temp62256<=data120; //讀回數(shù)據(jù)存儲
address62256<=count_address; //給出存儲地址
state<=5'd3;
end
5'd3:begin
wr62256<=1'd0; //啟動62256的讀信號
state<=5'd4;
end
5'd4:begin
wr62256<=1'd1; //清除讀信號
address62256<=count_address-din1;
state<=5'd5;
end
5'd5:begin
rd62256<=1'd0;
state<=5'd6;
end
通過按鍵對各通道預(yù)設(shè)不同的值，就能分別控制各通道的起始時刻之間的延時值，從而達到相控延時的目的。
3.2 按鍵顯示設(shè)計
（1）LCD顯示設(shè)計
系統(tǒng)一上電即初始化，LCD默認顯示第一路信號設(shè)定的初始值。當有按鍵輸入改變各路信號的延時值，顯示程序通過控制LCD的讀/寫選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端來顯示當前設(shè)定值。圖6為顯示程序流程圖。
（2）鍵盤輸入設(shè)計
采用獨立式按鍵的鍵盤結(jié)構(gòu)。設(shè)計了7位顯示字符，不同的位置表示不同的含義：第零位表示信號通道數(shù)；第1位為空格位，目的是將通道數(shù)和后面的延時值分開；第2～6位是顯示延時值，最大顯示值為10000。
4 測試及結(jié)果分析
將相控聲發(fā)射系統(tǒng)用于聲發(fā)射陣列，以8陣元線性陣列為例，圖7為現(xiàn)場實驗圖，揚聲器間距為13.6 cm，輸入信號為600 Hz、1 000 Hz、1 400 Hz。為實現(xiàn)在距離陣列中心1.5 m處聚焦，陣列兩端的信號先發(fā)出，陣列中心的信號后發(fā)出。以聲陣列中心為圓心、1.5 m為半徑布置一個1/4圓弧，在圓弧上0°、2°、5°、10°、15°、20°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、85°（與陣列中心垂直的點標記為0°，記錄數(shù)據(jù)為CH0，依次順延）放置傳感器并與揚聲器陣列等高。表1為600 Hz測得的聲壓值。
聲發(fā)射陣列輻射聲波在空氣傳播中會產(chǎn)生一定的指向性。添加相控系統(tǒng)后（如圖8所示），在同等條件下陣列主波束中心聲波強度提高了1 dB，旁瓣的聲波強度降低，波束角（-3 dB）由原來的8.1°減小為6.7°，表明聲波能量更為集中，主波束變得更加尖銳，旁瓣變小，陣列指向性得到加強。如圖9所示，將實驗結(jié)果測得各點的聲壓值進行歸一化處理，更直觀地反映出相控后聲場指向性增強的變化。
本文設(shè)計的基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的相控聲發(fā)射系統(tǒng)，實現(xiàn)了對發(fā)聲陣列各陣元輸入信號的精確延時控制。實驗結(jié)果表明將相控技術(shù)用于聲發(fā)射陣列，能夠增強聲發(fā)射陣列的指向性。該系統(tǒng)對強指向性聲源的進一步研究具有一定的參考價值和應(yīng)用前景。
參考文獻
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