指向性

指向性是指在頻率固定時，通過聲中心的指定平面內換能器回響作為發射或入射聲波方向的函式。大多數噪聲源具有指向性。例如，在一給定頻帶下，離聲源某一固定距離上，測量聲源輻射的聲壓級時，常發現在聲源不同方向上聲壓級不同。許多噪聲源的低頻輻射幾乎是無指向性的，隨著頻率的增高其指向性增強。這是因振動源不同部分輻射聲波到達空間各點的時間不同，因此出現位於干涉而形成不均勻的指向性輻射。傳聲器的指向性有無指向性、雙指向性、心臟線形指向性等之分。

基本介紹

• 中文名：指向性
• 外文名：Directivity
• 學科：工程技術
• 套用：噪聲

簡介

指向性聲源通過把音頻信號調製在高頻（超聲頻率）載波信號上，再用超聲換能器發射出去，可以實現聲波的定向發射"山於空氣的非線性聲學效應，在傳播過程中聲波中的音頻信號會自解調出來，可以被人耳直接聽到"。

指向性聲源中的三種預處理和調製方式，即無預處理雙邊帶調製方式（簡稱雙邊帶方法）、開方預處理雙邊帶調試方式（簡稱開方方法）和單邊帶方法。

指向性聲源是一種新型聲源，與普通聲源相比具有如下特點：（1）強指向性；（2）發射距離遠；（3）可產生虛擬聲源效應。指向性聲源在軍事、工業、商業、文化、教育等領域都可以找到其用途，具有廣闊的套用前景，潛在經濟社會效益顯著。

對指向性聲源的研究可以追溯到18世紀中葉一的Tartini音調的發現"Tartini音調起初被認為是由於人耳感覺聲音時的振動產生的，之後Helmholzt證實了這是由空氣的非線性作用引起的，他認為這個作用同時產生兩個頻率信號之和（和頻）和兩個頻率信號絕對值之差（差頻）信號，但是他沒有給出理論的分析結果。20世紀60年代，Westerveh基於Lihghtlli的理論，給出了關於兩個平面波在不均勻介質中傳播時產生的二階場關係和具體的理論推導。1965年，H.0.Berktya提出了一個更精確的而且是更完整的關於參量化陣的解釋。他沒有局限於分析原波是兩個頻率的形式，而是更進一步地使用了調製中包絡的概念。他認為：參量化陣解調後的信號是包絡平方對時間的兩次偏微分成正比的"參量化陣理論首先在水聲上得到廣泛的運用"由於空氣的吸收係數比較大，非線性參數比較小，導致在空氣中產生非線性作用相對比較難，直到1974年MaryBeth和Bafckstock才在空氣中實現了參量化陣。由於參量化陣解調得到的音頻聲具有非常好的指向性，而且此音頻聲在空氣中傳播時衰減比普通的揚聲器發出的聲音慢的多，使得指向性聲源的研製成為可能。二十世紀70年代，前蘇聯的提出了KZK方程，它能精確地描述原波在近場和遠場自解調的整個過程，包括在聲束軸上和不在軸上的情況。該方程包含了指向性聲源中的衍射（dirffaction）、吸收（baso印tion）和非線性（nonlineartiy）作用。由於KzK方程的實際意義，所以對KzK方程求數值解很有必要，目前主要有時域算法!頻域算法和時頻域混合算法三種思路。

指向性聲源特點

1）指向性聲源發出的聲波只向指定方向傳播；

2）指向性聲源發出的聲波可以傳播很長的距離；

3）可以產生虛擬聲源。

指向性聲源的研究歷史

最初對這個現象的認識是義大利鋼琴家在18世紀中葉發現的，由於這是一種拍子的形式，所以起初認為這是由於人耳感覺聲音時的振動產生的。而Helmholzt卻對此有所懷疑，之後他證實了這是由空氣的非線性作用引起的，他認為這個作用同時產生兩個頻率信號之和（和頻）和兩個頻率信號絕對值之差（差頻）信號。但是他沒有給出理論的分析結果。

基礎理論

在所有產生波的光源中，任何光源的方向性最大都與其產生的波長相比，與光源的尺寸相對應：與聲波的波長相比，光源的波長越大，指向性越強。特定的轉換方法對所產生的聲場的方向性沒有影響；該分析僅依賴於源的孔徑函式，根據惠更斯 - 菲涅耳原理。

超音波裝置通過將可聽見的聲音調製到高頻超音波上來實現高方向性。較高頻率的聲波具有較短的波長，因此不會如此迅速地擴散。由於這個原因，這些設備所產生的方向性遠遠高於任何揚聲器系統在物理上的可能性。但據報導，它們的低頻複製能力有限。查看超音波的聲音了解更多信息。

揚聲器陣列

圖1中惠更斯 - 菲涅耳原理套用於衍射，陣列中的聲音傳播得比點源聲音要小。

圖1

雖然大型揚聲器由於尺寸較大而自然而然地具有更大的方向性，但是通過利用一系列傳統的小型揚聲器可以製造出具有等效方向性的聲源，所有這些都是同相驅動的。在聲學上等於一個大的揚聲器，與波長相比，這產生了更大的聲源尺寸，並且與單個小型揚聲器相比，所產生的聲場變窄了。大型揚聲器陣列已被用於數百個舞台音響系統中，以減輕通常會傳播到鄰近鄰域的噪音，以及在某些程度的方向性有幫助的其他套用中的有限套用，例如博物館或類似的顯示器套用，其可以容忍大的揚聲器尺寸。

傳統揚聲器陣列可以製造成任何形狀或尺寸，但是減小的物理尺寸（相對於波長）將固有地犧牲該維度的方向性。揚聲器陣列越大，指向性越強，揚聲器陣列的尺寸越小，指向性就越小。這是基礎物理學，即使使用相控陣或其他信號處理方法，也不能被繞過。這是因為任何波源的指向性模式都是源函式的傅立葉變換。然而，相控陣設計有時可用於波束轉向或旁瓣抑制，但是這些妥協必然會降低方向性。

從聲學角度講，揚聲器陣列基本上與聲音圓頂一樣，也已經有幾十年了；圓頂開口的尺寸模仿相同直徑的大型揚聲器（或等同地，相同直徑的大型揚聲器陣列）的聲學特性。然而，圓頂的重量往往比同類揚聲器陣列的重量要小得多（相對於製造商的網站，15磅與37磅相比），而且價格要便宜得多。

出於與上述相同的原因，其他類型的大型揚聲器面板（例如靜電揚聲器）傾向於比小型揚聲器更具定向性；只是因為它們比大多數普通的揚聲器要大得多，所以它們更具有方向性。相應地，小型傳統揚聲器的尺寸的靜電揚聲器將是非定向的。

給出了不同源尺寸和形狀的方向性。方向性僅被示出為源尺寸和形狀的函式，而不是所使用的特定類型的感測器的函式。