基于非线性多波束的局部声重放研究

Local sound reproduction system can simultaneously create two different kinds of zones- the bright zone, a target region where a desired sound field is reproduced, and the dark zone, a region where the sound pressure level needs to be attenuated. The system can be applied in the situation where multiple independent sound regions should be generated such as in automotive environment, or where the focusing sound should be reproduced such as in exhibition area. In recent years, the development of this system has been a hot topic in the research area of the sound field control. To the increasing needs in the local sound reproduction, the method using the nonlinear interactions among multiple beams will be investigated in this project..The mechanism of scattering sound by sound, its distortion, and the theory of the array design will be studied comprehensively. By combining the theoretical and experimental study, the problem of how to reproduce multiple tones, how to reduce the distortions and how to optimize the transducer array will be emphatically considered and analyzed. The final goal of this project is to establish a local sound including multiple tones with higher efficiency and lower distortion..Compared to the previous research, the novel local sound reproduction proposed by this project is much effective for generating multiple tones in the specified region with lower distortion. The work of this project is helpful for design and application of the local sound reproduction using the nonlinear interactions among multiple beams.

针对不断增强的局部声重放需求，本项目围绕非线性多波束的局部声重放开展研究。项目以对声散射声机理、失真产生机理和阵列设计理论的深入研究为基础，通过理论、实验研究相结合的方式，重点探索并解决：1、基于非线性多波束的多频局部声重放；2、局部声重放的预处理方法研究；3、换能器阵列的优化设计研究，通过滤波器设计和优化处理，实现高效率，高质量的多频局部声重放的目标，从而保护隐私、避免干扰其他用户的目的。.本项目首次考虑了基于非线性多波束条件下的多频局部声重放，提出的信号处理算法具有高效率、高质量的优点，可有效实现在指定区域内的语音或音乐播放。本项目的开展将填补这些方面的空白，为非线性多波束应用于局部声重放中解决相应的技术障碍，推动局部声重放研究向实用化等更深层次发展。

针对不断增强的局部声重放需求，本项目围绕非线性多波束的中的多频局部声重放、预处理方法研究及换能器阵列设计等科学问题开展深入研究，通过滤波器设计和优化处理，实现高质量的多频局部声重放的目标，从而保护隐私、避免干扰其他用户的目的。本项目的主要成果为：（1）给出了基于高斯束展开法的非线性多波束的局部差频声的表达式，进行了相关的参数仿真，比较了圆形声源和矩形声源得到的声场，并给出了基于双波束情况下的IMD值。（2）在局部声重放的预处理方法研究方面，提出了基于布阵结构的预处理方法，设计实现了一套低IMD值的基于非线性多波束声重放系统。（3）在超声换能器阵列优化设计研究方面，考虑了换能器阵列中互阻抗影响，通过分析换能器阵列的辐射阻分布，提出了一种通过移去最小辐射阻单元方法来增加辐射功率的方法。理论仿真验证了该方法的有效性。（4）在考虑换能器单元差异带来的声场影响研究方面，基于高斯波束展开法考虑圆形、矩形阵元的差异性对基频和二倍频的影响，给出了相应的公式推导和理论仿真，并在此基础上，对比了与已发表文献上的实验数据。（5）在参数对伪噪声影响的实验研究方面，通过采用伪噪声和解调后的差频声之间的声压级差指标，对伪噪声问题进行了较为彻底的研究，给出了各个参数对于伪噪声的影响，并得到了可以忽略伪噪声的阈值。本项目研究以非线性声学和现代信号处理为学科基础，结合理论推导、算法设计、优化设计、实验验证等多种方式，在特定区域内产生目标声场研究领域，针对高质量的多频局部声重放应用开展研究，提出了有效解决方案，并取得了一系列成果。基于非线性多波束的局部声重放应用基础研究，是传统基于扬声器方法的扩展和补充，具有潜在应用价值。