摘要：民用航空的安全保障和民用機(jī)場(chǎng)的安全管理是國家高度重視的工作，為了保障航空安全的需求，對(duì)民用機(jī)場(chǎng)鳥擊的防范工作也提出了更高的要求。面對(duì)此問題，我們聲學(xué)研究所針對(duì)不同類型的聲波驅(qū)鳥產(chǎn)品、遠(yuǎn)距離定向聲波驅(qū)鳥系統(tǒng)等進(jìn)行了聲學(xué)性能的測(cè)試及分析研究。本文重點(diǎn)介紹了一種基于參量陣技術(shù)驅(qū)鳥設(shè)備的聲學(xué)測(cè)試，測(cè)試基于與委托方達(dá)成共識(shí)的自編測(cè)試作業(yè)指導(dǎo)書，采用全消聲室自由場(chǎng)環(huán)境和實(shí)際工況現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境兩套方案條件，最后針對(duì)其聲壓級(jí)、輻射指向性、工況聲衰減特性等指標(biāo)給出了評(píng)價(jià)效果，證明了該基于參量陣技術(shù)驅(qū)鳥設(shè)備的聲學(xué)性能能夠滿足委托方的基本使用需求。
關(guān)鍵詞：定向聲波，參量陣，聲學(xué)測(cè)量，聲輻射指向性，工況聲衰減
Abstract: The safety of civil aviation and the safety management of civil airports are highly valued by the state. In order to ensure the safety of aviation, the requirements for the prevention of bird strikes at civilian airports are also raised.In response to this problem, the NIMTT conducted acoustic testing and analysis of different types of sonic bird repeller products and long-range directional sonic bird repeller systems.This paper focuses on an acoustic test based on parametric array technology bird-repelling equipment.The test is based on the self-compiled test operation instructions agreed with the client, using the full anechoic chamber free field environment and the actual working conditions on-site environment.Finally, the evaluation results of sound pressure level, radiation directivity and sound attenuation characteristics of working conditions are given. It is proved that the acoustic performance of the parametric-based technology bird-repelling equipment can meet the basic needs of the client.
Key Word: Directional acoustic wave, Parametric array,Acoustic measurement,Sound radiation directivity,Sound attenuation under working condition
民用航空的安全保障和民用機(jī)場(chǎng)的安全管理是國家高度重視的工作，而目前，我國各主要機(jī)場(chǎng)鳥擊航空器事件數(shù)量近年來持續(xù)上升[1]，這已成為民用機(jī)場(chǎng)安全管理的主要風(fēng)險(xiǎn)之一，鳥撞飛機(jī)事件具有多發(fā)性和突發(fā)性，一旦發(fā)生鳥撞飛機(jī)事故，必定使飛機(jī)受損，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2][3]。鳥撞飛機(jī)可以使高速飛行的戰(zhàn)斗機(jī)失去動(dòng)力，甚至機(jī)毀人亡，所以鳥撞飛機(jī)早已被國際航空組織確定為“A類空難”[4][5]。鳥撞飛機(jī)事故多發(fā)生在飛機(jī)起飛和降落階段，超過90%的鳥撞事故發(fā)生在機(jī)場(chǎng)和機(jī)場(chǎng)附近空域，而且絕大部分鳥撞事故發(fā)生在低于100米的空域，因此，機(jī)場(chǎng)及其附近的低空區(qū)域是驅(qū)鳥的重點(diǎn)。為了保障航空安全的需求，對(duì)民用機(jī)場(chǎng)鳥擊的防范工作也提出了更高的要求。近年來物理聲學(xué)方法也在現(xiàn)實(shí)驅(qū)鳥中有所使用，例如壓縮跑驅(qū)鳥，爆竹彈驅(qū)鳥，驅(qū)鳥槍驅(qū)鳥等[6]，這些方法大多基于傳統(tǒng)高聲壓脈沖理論基礎(chǔ)，在鳥類活動(dòng)頻繁的時(shí)間和區(qū)域進(jìn)行使用，起初使用效果較好，但是時(shí)間一長(zhǎng)，鳥類就會(huì)逐漸習(xí)慣這種聲音，不會(huì)害怕；有些聲學(xué)方法因?yàn)槭苌涑毯洼椛浞秶南拗疲€存在對(duì)于低空飛行鳥類有威懾作用，對(duì)于高空飛行鳥類作用很小的情況[7]。在這種背景下，有的科研院所和企事業(yè)單位研發(fā)了不同類型的聲學(xué)驅(qū)鳥裝置[8][9]。如北京某公司研發(fā)了一鍵式驅(qū)鳥操控系統(tǒng)，上海某公司研發(fā)了新型超聲波驅(qū)鳥器，綿陽某公司研發(fā)了遠(yuǎn)距離定向聲波發(fā)射裝置，成都某航空研究所研發(fā)了定向聲波驅(qū)鳥系統(tǒng)等。經(jīng)測(cè)試、分析與研究，不同類型的聲波驅(qū)鳥設(shè)備、遠(yuǎn)距離定向聲波驅(qū)鳥系統(tǒng)等產(chǎn)品的聲學(xué)性能不盡相同，本文針對(duì)其中一種基于定向聲波技術(shù)的驅(qū)鳥設(shè)備進(jìn)行了聲學(xué)性能的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析與計(jì)算機(jī)仿真，給出了產(chǎn)品測(cè)試評(píng)價(jià)。
根據(jù)Helmholtz理論[10]，兩平面波在不均勻介質(zhì)中非線性傳播的二階場(chǎng)關(guān)系可表述為如圖1所示的關(guān)系。當(dāng)向超聲換能器輸入兩個(gè)頻率分別為f1，f2的電信號(hào)時(shí)，超聲換能器通過機(jī)械振動(dòng)向空氣中發(fā)射兩列頻率分別為f1、f2的超聲波，這兩列超聲波在空氣中產(chǎn)生非線性交互作用，從而最后生成了包括原超聲信號(hào)f1、f2、和頻信號(hào)f1+f2及差頻信號(hào)f1-f2的復(fù)雜聲波。由于吸聲系數(shù)α與頻率的平方成正比，頻率較高的超聲波信號(hào)f1、f2、f1+f2將很快被空氣吸收(空氣介質(zhì)對(duì)聲波的吸收系數(shù)與其頻率的平方成正比)，剩下處于聲頻范圍內(nèi)的差頻信號(hào)f1-f2在空氣中高指向性(定向)傳播。
圖1 超聲波在空氣中傳播時(shí)的非線性交互作用示意圖
聲波是否具有指向性，與聲波波長(zhǎng)和聲源尺寸的比率密切相關(guān)：當(dāng)聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于聲源尺寸時(shí)，聲波沒有指向性；當(dāng)聲波波長(zhǎng)接近至遠(yuǎn)小于聲源尺寸時(shí)，聲波將逐步呈現(xiàn)出越來越強(qiáng)的指向性。大部分聲頻波波長(zhǎng)都遠(yuǎn)大于聲源尺寸，因此聲頻信號(hào)一般是沒有指向性的。
Peter Westervelt 首次提出了參量陣的概念[11]，其原理如圖2所示。
圖2 聲學(xué)參量陣示意圖
換能器向空氣介質(zhì)中發(fā)出強(qiáng)調(diào)制的超聲波，超聲波在沿其傳播軸前進(jìn)的過程中不斷通過非線性作用解調(diào)出聲頻信號(hào)，這些不斷解調(diào)出來的聲頻波累積疊加起來，形成一種端射式的虛擬聲源陣列(end-fire virtual array)。這個(gè)虛擬聲源陣即所謂的參量陣。參量陣使得聲頻波的能量在聲波前進(jìn)方向上不斷得到加強(qiáng)，而由于超聲波具有較強(qiáng)的指向性，在傳播主軸方向以外這種疊加加強(qiáng)效應(yīng)很微弱，這最終導(dǎo)致聲頻波在主傳播軸方向有了很高的指向性。參量陣的提出為產(chǎn)生高指向性聲頻波的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。
基于上述原理和特性，應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了多種定向聲波產(chǎn)品，例如民用的定向廣播系統(tǒng)、定向車載喇叭、定向指引等，軍用的定向驅(qū)散系統(tǒng)、定向聲能武器等。
授業(yè)主委托，本文對(duì)某基于參量陣定向聲波技術(shù)的驅(qū)鳥設(shè)備進(jìn)行了聲學(xué)性能測(cè)試及評(píng)價(jià)。按照該驅(qū)鳥設(shè)備性能描述和測(cè)試需求，根據(jù)待測(cè)參數(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，本文與業(yè)主方達(dá)成共識(shí)制定了自編測(cè)試作業(yè)指導(dǎo)書，提出了針對(duì)不同情況的兩套測(cè)試方案。第一套測(cè)試方案采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件，在全消聲室的環(huán)境下測(cè)試該設(shè)備的聲壓級(jí)、指向性和近場(chǎng)聲衰減性能；第二套方案采用實(shí)地工況條件，在戶外模擬正常使用工況下該設(shè)備的實(shí)際工作聲壓特性和遠(yuǎn)場(chǎng)聲衰減性能。
測(cè)試主要采用B&K數(shù)采分析儀、配套聲校準(zhǔn)器、傳聲器(備高聲壓)、前置放大器、2270便攜式聲分析儀等行業(yè)認(rèn)可的先進(jìn)精密儀器進(jìn)行。
針對(duì)由多個(gè)超聲換能器組成的該陣列式定向聲波驅(qū)鳥設(shè)備，委托方實(shí)際使用中主要關(guān)心的聲學(xué)性能有其能否產(chǎn)生足夠大的聲壓級(jí)，能否有效地抑制傳播過程中的聲衰減，能否具有較強(qiáng)的指向性等特性[12]，因此，聲學(xué)測(cè)試參數(shù)主要選擇為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的最大聲壓級(jí)與聲音輻射指向性，實(shí)際工況下的聲壓級(jí)衰減特性等。具體測(cè)試方案描述如下。
全消聲室測(cè)試包含：
1）裝置最大聲壓級(jí)測(cè)試及90°四向指向性測(cè)試(0°，90°，180°，270°)。
2）消聲室測(cè)試方案定為以30°作為意向指向性輻射角度測(cè)試范圍，30°覆蓋范圍內(nèi)按5°做細(xì)分測(cè)試，30°覆蓋范圍以外按照30°做細(xì)分測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試點(diǎn)位布置如下圖3所示：
圖3 聲學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室測(cè)試布置圖
圖4 聲學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室測(cè)試圖
現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)試包含：
1）正常工況下正向200米9個(gè)點(diǎn)位(1米，2米，4米，8米，16米，32米，64米，128米，200米)聲壓級(jí)有效性測(cè)試及聲壓級(jí)能量衰減測(cè)試。
2）正常工況下以30°作為意向指向性輻射角度測(cè)試范圍，30°覆蓋范圍內(nèi)按5°做細(xì)分測(cè)試，含每個(gè)角度布置9個(gè)點(diǎn)位(1米，2米，4米，8米，16米，32米，64米，128米，200米)聲壓級(jí)有效性測(cè)試及聲壓級(jí)能量衰減測(cè)試。
3）90°，180°，270°正常工況下三個(gè)方向100米8個(gè)點(diǎn)位(1米，2米，4米，8米，16米，32米，64米，100米)聲壓級(jí)有效性測(cè)試及聲壓級(jí)能量衰減測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)工況條件下測(cè)試點(diǎn)位布置如下圖5所示：
圖5 聲學(xué)性能現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)試布置圖
圖6 聲學(xué)性能現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)試圖
測(cè)試分別在全消聲實(shí)驗(yàn)室和戶外工況下進(jìn)行，如上述圖4、圖6所示。
測(cè)試所得該陣列式定向聲波驅(qū)鳥設(shè)備最大聲壓級(jí)SPLmax=144.3dB。其指向性和衰減特性測(cè)試結(jié)果如下列圖表所示。
| 頻率/Hz | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 |
| 聲壓級(jí)/dB | 81.6 | 77.4 | 73.1 | 71.0 | 70.1 |
| 頻率/Hz | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16000 |
| 聲壓級(jí)/dB | 77.9 | 141.9 | 140.5 | 123.0 | 111.9 |
表1 1m處聲壓級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)列表
| 頻率/Hz | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16k | TOTAL SPL |
| 聲壓級(jí)/dB | |||||||||||
| 1米處 | 112.4 | 110.5 | 99.2 | 89.8 | 83.2 | 79.8 | 140.5 | 139.3 | 115.8 | 95.6 | 143.0 |
| 2米處 | 104.7 | 98.1 | 93.2 | 86.9 | 80.3 | 77.2 | 137.6 | 138.0 | 123.6 | 102.5 | 140.9 |
| 4米處 | 105.1 | 100.5 | 94.3 | 88.2 | 82.2 | 76.9 | 132.2 | 131.8 | 121.2 | 107.5 | 135.2 |
| 8米處 | 111.0 | 105.9 | 98.7 | 91.3 | 84.7 | 79.3 | 126.3 | 125.9 | 118.1 | 110.1 | 129.6 |
| 16米處 | 62.2 | 60.8 | 54.6 | 54.9 | 53.0 | 55.7 | 118.7 | 120.2 | 110.9 | 100.8 | 122.8 |
| 32米處 | 59.1 | 57.2 | 50.9 | 50.6 | 54.2 | 49.4 | 114.8 | 116.4 | 105.3 | 95.0 | 118.9 |
| 64米處 | 56.3 | 60.6 | 50.6 | 47.0 | 50.5 | 53.2 | 107.2 | 106.1 | 99.8 | 85.9 | 110.1 |
| 100米處 | 57.7 | 58.9 | 51.2 | 45.6 | 46.1 | 44.8 | 103.9 | 102.7 | 93.4 | 78.2 | 106.6 |
| 120米處 | 61.3 | 63.9 | 58.2 | 51.9 | 47.8 | 47.4 | 100.3 | 98.3 | 90.9 | 73.1 | 102.7 |
| 125米處 | 59.8 | 59.1 | 58.1 | 60.0 | 59.4 | 55.7 | 104.8 | 104.2 | 93.9 | 80.2 | 107.7 |
| 128米處 | 60.8 | 60.9 | 54.0 | 49.0 | 48.0 | 48.3 | 102.1 | 103.4 | 93.2 | 78.4 | 106.0 |
| 150米處 | 57.7 | 57.9 | 59.4 | 61.6 | 67.2 | 63.2 | 100.0 | 96.9 | 86.5 | 70.2 | 101.9 |
| 200米處 | 52.0 | 54.9 | 47.1 | 44.2 | 44.3 | 42.4 | 100.0 | 97.0 | 84.6 | 63.7 | 101.8 |
表2 200m聲壓級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)列表
經(jīng)測(cè)試的本定向聲波設(shè)備在主軸正向1米處測(cè)得最大聲壓級(jí)為144.3dB，正向125米處聲壓級(jí)可達(dá)107.7dB，在正向200米處聲壓級(jí)仍然可達(dá)101.8dB。在主軸反向，1米處聲壓級(jí)為111.2dB，32米處為87.7dB。在有效輻射角度控制方面，+15°范圍內(nèi)100米處聲壓級(jí)可達(dá)到97.4dB以上，-15°范圍內(nèi)100米聲壓級(jí)可達(dá)93.7dB以上。若該設(shè)備在背面方向就隔聲與衰減方面做針對(duì)性的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，則應(yīng)能夠有效將背面32米以上范圍內(nèi)聲壓級(jí)控制在80dB以內(nèi)。
點(diǎn)聲源是以球面波形式輻射聲波的聲源，輻射聲波的聲壓幅值與聲波傳播距離成反比。正常情況下無指向性的點(diǎn)聲源隨距離衰減的特性仿真如圖7所示。
圖7 點(diǎn)聲源理論衰減示意圖
結(jié)合對(duì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)工況數(shù)百組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，可以得到該定向聲波設(shè)備的聲壓級(jí)衰減特性、指向特性的聲場(chǎng)平面分布和三維分布如圖8、圖9所示：
圖8 該陣列定向設(shè)備平面聲場(chǎng)分布仿真示意圖
圖9 該陣列定向設(shè)備三維聲場(chǎng)分布仿真示意圖
從測(cè)試結(jié)果可以看出，該設(shè)備在主軸反向30米以外聲壓級(jí)衰減較快，符合實(shí)際使用的需求，但在主軸反向30米以內(nèi)的聲壓級(jí)衰減控制得仍不夠完善。如圖10所示，是無屏罩情況下的設(shè)備聲能擴(kuò)散示意圖。若對(duì)其進(jìn)行改良，在其聲頻陣列背部新增隔屏處理則能更為有效地控制該設(shè)備背部的聲音能量。
圖10 無屏罩時(shí)本設(shè)備聲能擴(kuò)散示意圖
如圖11所示，模擬新增規(guī)格為2.0米的隔屏處理后的設(shè)備聲能擴(kuò)散示意圖。
圖11 有屏罩時(shí)本設(shè)備聲能擴(kuò)散示意圖
4 結(jié)論
經(jīng)過對(duì)聲頻定向揚(yáng)聲器的工作原理分析和本次測(cè)試結(jié)果可以看出，該陣列驅(qū)鳥設(shè)備其主要特性如下：
1) 可以發(fā)射傳統(tǒng)揚(yáng)聲器不能發(fā)出的高指向性聲頻波；
2) 與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器通過機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)空氣直接發(fā)出可聽聲相比，聲頻定向揚(yáng)聲器先發(fā)出超聲波，然后由超聲波在空氣中通過非線性作用自解調(diào)出可聽聲；
3) 所發(fā)出的聲頻能量集中，在傳播過程中大部分能量位于傳播主軸附近，因此與非指向性聲源向各個(gè)方面輻射能量相比，其衰減慢、理論傳播距離遠(yuǎn)；
4) 傳統(tǒng)揚(yáng)聲器在出口時(shí)聲音音量最大，而聲頻定向揚(yáng)聲器的聲音是沿傳播軸逐漸解調(diào)并不斷疊加成型，因此其能量在接近參量陣有效長(zhǎng)度時(shí)達(dá)到最大值；
5) 換能器所發(fā)出的超聲波及由于非線性作用產(chǎn)生的超聲波會(huì)在空氣中快速衰減，只留下聲頻波在空氣中高指向性傳播；
6) 通過多個(gè)換能器陣列可以實(shí)現(xiàn)聲束在換能器平面前半空間內(nèi)任意角度的指向性傳播，這種功能可以擺脫機(jī)械式擺動(dòng)的控制特點(diǎn)，純粹以電路設(shè)計(jì)及信號(hào)處理的方式快速改變聲束的傳播角度。
所以綜上，經(jīng)測(cè)試的該定向聲波設(shè)備在指向性方面具備較好的控制能力，正面方向能夠較為有效地抑制聲壓級(jí)的衰減，在背面方向能夠?qū)?2米以外的聲壓級(jí)有效控制在88dB以內(nèi)。在有效輻射角度控制方面，在±10°范圍內(nèi)表現(xiàn)出了較好的輻射角度控制范圍。若該設(shè)備在背面方向就隔聲與衰減方面做針對(duì)性的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，則應(yīng)能夠有效將背面32米以上范圍內(nèi)聲壓級(jí)控制在80dB以內(nèi)，更好地改善操作人員的實(shí)際工況感受。