定向强声驱散装备声扩大与声定向技术

陈飞翔

（武警工程大学研究生大队，陕西 西安710086）

声能驱散装备通过声波对人体的感官和神经的刺激作用而驱散目标，在处置大规模群体性事件中运用广泛。传统的噪声驱散装备是以声光剂爆炸产生的声音作用于目标，既不安全也不可靠，又不可重复使用，对环境污染大，且浪费资源。定向强声驱散装备通过声扩大和声定向技术，使噪声更具有可控性，以对目标实施更精准高效的驱散，为驱散行动提供更好的保障。

1 声扩大技术

声扩大是通过电磁技术将小功率声音放大，通常利用音频功率放大器产生高功率声波，推动扬声器发出高强度噪声刺激人的听觉器官，达到驱散有声目标的效能，同时不对有声目标造成永久性伤害[1]。

1.1 音频功率放大器

音频功率放大器是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号的设备，其种类繁多，但应用于音频场效的以却比较少，通常为A 类、B 类、AB 类及D 类音频功率放大器，其中D 类和AB 类又是当前最为基本和普遍使用的[2]。

1.1.1 A 类音频功率放大器

A 类放大器属于最早的线性放大器,工作原理如图1。其结构较为简单，电流通过单一晶体管到达终端，导通角达到360 度，能够保持很好的音质音效，但工作效率低下，通常只有25%，工作时耗费较大的电流，产生的热量也比较多。

图1 A类音频功率放大器原理

图2 B 类音频功率放大器原理

1.1.2 B 类音频功率放大器

B 类音频功率放大器是A 类音频功率放大器的改进，工作原理如图2。其结构由两个晶体管组成，当一个晶体管导通时，另一个晶体管则停止，导通角则降到了180 度，工作效率能够达到78%，但在信号输入无限小时，音质音效则会产生改变，影响音频工作质量。

1.1.3 AB 类音频功率放大器

AB 类放大器是在B 类放大器的输入端插入两个二极管，融合了A 类和B 类放大器的优长，具有音质音效好的特点，效率介于A类和B 类之间。但由于是A 类和B 类放大器的组合优化，耗费的能量较多，效率也不是很高。

1.1.4 D 类音频功率放大器

D 类音频功率放大器与A 类、B 类、AB 类截然不同，其通过脉冲信号来实现放大器的通断，能够准确的输入和转换模拟音频或数字信息，具有功率消耗小、输出效率高的突出特点，理论效率可以达到100%，实际高于85%。

1.2 扬声器

扬声器通常被称为喇叭，通过换能器件将电信号转换为放大的声信号，主要器件为音圈和纸盆、磁回路系统以及支撑系统[3]。音圈是扬声器的驱动单元，接受电流信号后将产生振动，驱使纸盆同步振动；纸盆是扬声器的声音辐射器件，将振动信号集中辐射后进行扩大放出，其材质直接影响声音的生成效果。

声信号经音频功率放大器、扬声器放大后，能够成倍的增大其功率，输出理想的音量，为强噪声驱散装备奠定了基础。

2 声定向技术

声定向技术通过对声音赋向，使其具有一定的方向性，向指定的方向传播，以集中声音的能量，提高传输的距离。在实际应用中，声定向已成为一种现实。

2.1 聚音罩技术

聚音罩技术利用波的反射原理设计而成，即任何一条通过焦点的光线经抛物线反射后的反射光都与抛物线的对称轴平行之原理设计而成，主要用于声音的狭窄角度传播[4]。聚音罩双抛物线反射原理如图3。

图3 聚音罩双抛物线反射原理

聚音罩通过在中、高频扬声器上罩一个半球形的声反射罩，使中、高频声波经两次反射集中，在双抛物线音罩内音质最清晰，并将声音聚集在球形音罩开口方向，能使各区播放的声音互不干扰，功率能够达到60W。

2.2 远程投射号角技术

号角技术是在喇叭单元前加上号角，增强中高频音的指向性。常见的喇叭型扬声器就是简单的号角定向装置，通过将声波反射后向喇叭口方向投放，使声音沿喇叭口轴心线方向传播扩散，而不是向四面八方等量传播，从而赋予声音一定的方向[5]。

2.2.1 扬声器单元前加装八字型号角

在扬声器单元前加装八字型号角，将改变喇叭内声音的传播方向和传播途径，使得声音经过两次反射集中后达到外界，作用原理如图4。号角改变了声音在扬声器内的传播方向和途径，使声音到达喇叭口的时间产生变化，发射出来的声音方向也发生了变化，声音的波阵面趋向于以喉口为中心的球面波，声波的扩散角比普通扬声器小，其声音在一定的扩散角内集中传播。

图4 扬声器前加装号角作用原理

图5 加装菱形塞子号角作用原理

2.2.2 八字型号角内加装菱形塞子

在八字型号角内加装菱形塞子，是在号角的中间部分加装菱形塞子，作用原理如图5。通过中间菱形塞子的声音，由于受到阻挡将改变传播方向，增加传输距离，延长传输时间，使得号角中间原本传输距离较短的声波到达出口的时间与其他部分相同，同时声波经菱形塞子的再次反射，到达出口时的角度基本相同，发射到外界的将由球形波向柱型波改变，声音的指向性更强。大功率远程高音号角技术目前已非常成熟，功率可达500W，射程可达2km，重量约40kg。

2.3 扬声器阵列技术

2.3.1 扬声器阵列原理

扬声器阵列技术通过将多个扬声器进行相应的组合排列，利用多个扬声器产生声波后的相互干涉和相互叠加来实现声扩大及声定向，使声音具有很强的指向性[6]。扬声器阵列的组合排列极为关键，通常由构造相同的多个扬声器呈线状或平面状排列，扬声器之间保持极小的间隔距离，使相互干涉叠加的声波形成柱面波，产生更大的声音，实现很好的垂直指向性覆盖和投射更远的距离。

2.3.2 扬声器阵列指向性

点声源以球形辐射，本身没有指向性，而通过扬声器阵列的排列组合，使扬声器的数量增加，扬声器之间的距离减小，当达到一定的极限时，扬声器点声源阵列转变为线阵列[7]。线阵列声波的传播方向集中，而且通过调整扬声器的组合排列模式或者调整单个扬声器输入声波信号的频率以及改变声源中心的位置，能够方便的改变扬声器阵列输出声波的方向。通过将扬声器线阵列进行扩展，可组合成扬声器矩形阵列，其具有更好的指向性，但技术也更复杂、体积庞大、操作繁锁，多用于专业的声场控制活动。

2.4 基于超声波的声频定向传播技术

从理论上来说，声波能不能实现定向发送，取决于波长和声源尺寸的比例关系。在发声声源远远小于波长时，声波呈球形传播；而在发声声源远远超过波长时，声波由球形波向柱面波转变，声音传播的方向逐渐集中[8]。因此，要使声波具有定向性，可以增加发声器的尺寸或者使用高频率声波，在实践中，增加发射器尺寸虽然理论上可行，但缺乏实用的价值，而使用高频率声波并减小发射器的尺寸，可以实现小型发射器定向发送声波。而超声波波长为毫米以下，远小于声源尺寸，具有很强的方向性，且超声波具有较好的安全性，基于超声波传播的这种安全性和高指向性，使用超声波加载音频信号也具有很强的安全性和指向性[9]。但人耳无法直接听取超声波，必须通过技术手段使可听声加载在超声波上进行发送，使两列不同频率的电信号在传输中通过非线性自解调而交互作用[6]。交互作用的超声波信号在传输时，将生成许多两列超声波信号，称之为超声波“和频”信号和“差频”信号，而“差频”信号的频率可以被人耳直接听到，可以实现远距离下声音的定向传播，超声波信号在空气中非线性交互作用如图6。

图6 超声波信号在空气中非线性交互作用

通过加装超声换能器，能够加倍的增强声信息、提升工作效率，使得基于超声波的声频装置声音覆盖面更大、角度定向更准、可懂度更高、声强更高、音质更加清晰，可以实现对远距离的定向喊话驱散，对驱散目标的警告威慑，还可以透过部分障碍物实现定向强声驱散，保证了远距离声音传播的有效性和准确性[10]。

3 结论

本文通过研究定向强声驱散装备的作用原理，重点分析了声波驱散装备声扩大和声定向技术，介绍了定向强声驱散装备实现的原理、方法和途径，得出了定向强声驱散装备实战应用的时机和对象，为驱散装备在实战中运用提供了理论依据和实践参照。