摘要：民用航空的安全保障和民用機場(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，對民用機場(chǎng)鳥(niǎo)擊的防范工作也提出了更高的要求。面對此問(wèn)題，我們聲學(xué)研究所針對不同類(lèi)型的聲波驅鳥(niǎo)產(chǎn)品、遠距離定向聲波驅鳥(niǎo)系統等進(jìn)行了聲學(xué)性能的測試及分析研究。本文重點(diǎn)介紹了一種基于參量陣技術(shù)驅鳥(niǎo)設備的聲學(xué)測試，測試基于與委托方達成共識的自編測試作業(yè)指導書(shū)，采用全消聲室自由場(chǎng)環(huán)境和實(shí)際工況現場(chǎng)環(huán)境兩套方案條件，最后針對其聲壓級、輻射指向性、工況聲衰減特性等指標給出了評價(jià)效果，證明了該基于參量陣技術(shù)驅鳥(niǎo)設備的聲學(xué)性能能夠滿(mǎn)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

0 引 言¹

民用航空的安全保障和民用機場(chǎng)的安全管理是國家高度重視的工作，而目前，我國各主要機場(chǎng)鳥(niǎo)擊航空器事件數量近年來(lái)持續上升[1]，這已成為民用機場(chǎng)安全管理的主要風(fēng)險之一，鳥(niǎo)撞飛機事件具有多發(fā)性和突發(fā)性，一旦發(fā)生鳥(niǎo)撞飛機事故，必定使飛機受損，造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[2][3]。鳥(niǎo)撞飛機可以使高速飛行的戰斗機失去動(dòng)力，甚至機毀人亡，所以鳥(niǎo)撞飛機早已被國際航空組織確定為“A類(lèi)空難”[4][5]。鳥(niǎo)撞飛機事故多發(fā)生在飛機起飛和降落階段，超過(guò)90%的鳥(niǎo)撞事故發(fā)生在機場(chǎng)和機場(chǎng)附近空域，而且絕大部分?zhù)B撞事故發(fā)生在低于100米的空域，因此，機場(chǎng)及其附近的低空區域是驅鳥(niǎo)的重點(diǎn)。為了保障航空安全的需求，對民用機場(chǎng)鳥(niǎo)擊的防范工作也提出了更高的要求。近年來(lái)物理聲學(xué)方法也在現實(shí)驅鳥(niǎo)中有所使用，例如壓縮跑驅鳥(niǎo)，爆竹彈驅鳥(niǎo)，驅鳥(niǎo)槍驅鳥(niǎo)等[6]，這些方法大多基于傳統高聲壓脈沖理論基礎，在鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)頻繁的時(shí)間和區域進(jìn)行使用，起初使用效果較好，但是時(shí)間一長(cháng)，鳥(niǎo)類(lèi)就會(huì )逐漸習慣這種聲音，不會(huì )害怕；有些聲學(xué)方法因為受射程和輻射范圍的限制，還存在對于低空飛行鳥(niǎo)類(lèi)有威懾作用，對于高空飛行鳥(niǎo)類(lèi)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(lèi)型的聲學(xué)驅鳥(niǎo)裝置[8][9]。如北京某公司研發(fā)了一鍵式驅鳥(niǎo)操控系統，上海某公司研發(fā)了新型超聲波驅鳥(niǎo)器，綿陽(yáng)某公司研發(fā)了遠距離定向聲波發(fā)射裝置，成都某航空研究所研發(fā)了定向聲波驅鳥(niǎo)系統等。經(jīng)測試、分析與研究，不同類(lèi)型的聲波驅鳥(niǎo)設備、遠距離定向聲波驅鳥(niǎo)系統等產(chǎn)品的聲學(xué)性能不盡相同，本文針對其中一種基于定向聲波技術(shù)的驅鳥(niǎo)設備進(jìn)行了聲學(xué)性能的測試，并對測試結果進(jìn)行了分析與計算機仿真，給出了產(chǎn)品測試評價(jià)。

2 定向聲波技術(shù)原理

根據Helmholtz理論[10]，兩平面波在不均勻介質(zhì)中非線(xiàn)性傳播的二階場(chǎng)關(guān)系可表述為如圖1所示的關(guān)系。當向超聲換能器輸入兩個(gè)頻率分別為f1，f2的電信號時(shí)，超聲換能器通過(guò)機械振動(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(xiàn)性交互作用，從而最后生成了包括原超聲信號f1、f2、和頻信號f1+f2及差頻信號f1-f2的復雜聲波。由于吸聲系數α與頻率的平方成正比，頻率較高的超聲波信號f1、f2、f1+f2將很快被空氣吸收(空氣介質(zhì)對聲波的吸收系數與其頻率的平方成正比)，剩下處于聲頻范圍內的差頻信號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(xiàn)性交互作用示意圖

聲波是否具有指向性，與聲波波長(cháng)和聲源尺寸的比率密切相關(guān)：當聲波波長(cháng)遠大于聲源尺寸時(shí)，聲波沒(méi)有指向性；當聲波波長(cháng)接近至遠小于聲源尺寸時(shí)，聲波將逐步呈現出越來(lái)越強的指向性。大部分聲頻波波長(cháng)都遠大于聲源尺寸，因此聲頻信號一般是沒(méi)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)出強調制的超聲波，超聲波在沿其傳播軸前進(jìn)的過(guò)程中不斷通過(guò)非線(xiàn)性作用解調出聲頻信號，這些不斷解調出來(lái)的聲頻波累積疊加起來(lái)，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，而由于超聲波具有較強的指向性，在傳播主軸方向以外這種疊加加強效應很微弱，這最終導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)現提供了理論依據。

基于上述原理和特性，應用領(lǐng)域出現了多種定向聲波產(chǎn)品，例如民用的定向廣播系統、定向車(chē)載喇叭、定向指引等，軍用的定向驅散系統、定向聲能武器等。

3 聲學(xué)性能測試

3.1測試方案的選擇

授業(yè)主委托，本文對某基于參量陣定向聲波技術(shù)的驅鳥(niǎo)設備進(jìn)行了聲學(xué)性能測試及評價(jià)。按照該驅鳥(niǎo)設備性能描述和測試需求，根據待測參數的技術(shù)特點(diǎn)，本文與業(yè)主方達成共識制定了自編測試作業(yè)指導書(shū)，提出了針對不同情況的兩套測試方案。第一套測試方案采用標準實(shí)驗室條件，在全消聲室的環(huán)境下測試該設備的聲壓級、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(hù)外模擬正常使用工況下該設備的實(shí)際工作聲壓特性和遠場(chǎng)聲衰減性能。

測試主要采用B&K數采分析儀、配套聲校準器、傳聲器(備高聲壓)、前置放大器、2270便攜式聲分析儀等行業(yè)認可的先進(jìn)精密儀器進(jìn)行。

3.2測試參數的選擇

針對由多個(gè)超聲換能器組成的該陣列式定向聲波驅鳥(niǎo)設備，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，能否有效地抑制傳播過(guò)程中的聲衰減，能否具有較強的指向性等特性[12]，因此，聲學(xué)測試參數主要選擇為實(shí)驗室環(huán)境中的最大聲壓級與聲音輻射指向性，實(shí)際工況下的聲壓級衰減特性等。具體測試方案描述如下。

全消聲室測試包含：

  1）裝置最大聲壓級測試及90°四向指向性測試(0°，90°，180°，270°)。

  2）消聲室測試方案定為以30°作為意向指向性輻射角度測試范圍，30°覆蓋范圍內按5°做細分測試，30°覆蓋范圍以外按照30°做細分測試。實(shí)驗室條件下測試點(diǎn)位布置如下圖3所示：

圖3 聲學(xué)性能實(shí)驗室測試布置圖

圖4 聲學(xué)性能實(shí)驗室測試圖

現場(chǎng)工況測試包含：

  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)聲壓級有效性測試及聲壓級能量衰減測試。

  2）正常工況下以30°作為意向指向性輻射角度測試范圍，30°覆蓋范圍內按5°做細分測試，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)聲壓級有效性測試及聲壓級能量衰減測試。

  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)聲壓級有效性測試及聲壓級能量衰減測試?，F場(chǎng)工況條件下測試點(diǎn)位布置如下圖5所示：

圖5 聲學(xué)性能現場(chǎng)工況測試布置圖

圖6 聲學(xué)性能現場(chǎng)工況測試圖

3.3測試結果

測試分別在全消聲實(shí)驗室和戶(hù)外工況下進(jìn)行，如上述圖4、圖6所示。

測試所得該陣列式定向聲波驅鳥(niǎo)設備最大聲壓級SPLmax=144.3dB。其指向性和衰減特性測試結果如下列圖表所示。

3.4數據分析

經(jīng)測試的本定向聲波設備在主軸正向1米處測得最大聲壓級為144.3dB，正向125米處聲壓級可達107.7dB，在正向200米處聲壓級仍然可達101.8dB。在主軸反向，1米處聲壓級為111.2dB，32米處為87.7dB。在有效輻射角度控制方面，+15°范圍內100米處聲壓級可達到97.4dB以上，-15°范圍內100米聲壓級可達93.7dB以上。若該設備在背面方向就隔聲與衰減方面做針對性的設計與改進(jìn)，則應能夠有效將背面32米以上范圍內聲壓級控制在80dB以?xún)取?/p>

3.5數據評價(jià)仿真

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(wú)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

結合對實(shí)驗室和現場(chǎng)工況數百組數據的統計和分析，可以得到該定向聲波設備的聲壓級衰減特性、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 該陣列定向設備平面聲場(chǎng)分布仿真示意圖

圖9 該陣列定向設備三維聲場(chǎng)分布仿真示意圖

從測試結果可以看出，該設備在主軸反向30米以外聲壓級衰減較快，符合實(shí)際使用的需求，但在主軸反向30米以?xún)鹊穆晧杭壦p控制得仍不夠完善。如圖10所示，是無(wú)屏罩情況下的設備聲能擴散示意圖。若對其進(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備背部的聲音能量。

圖10 無(wú)屏罩時(shí)本設備聲能擴散示意圖

如圖11所示，模擬新增規格為2.0米的隔屏處理后的設備聲能擴散示意圖。

圖11 有屏罩時(shí)本設備聲能擴散示意圖

4 結論

經(jīng)過(guò)對聲頻定向揚聲器的工作原理分析和本次測試結果可以看出，該陣列驅鳥(niǎo)設備其主要特性如下：

  1) 可以發(fā)射傳統揚聲器不能發(fā)出的高指向性聲頻波；

  2) 與傳統揚聲器通過(guò)機械振動(dòng)激勵空氣直接發(fā)出可聽(tīng)聲相比，聲頻定向揚聲器先發(fā)出超聲波，然后由超聲波在空氣中通過(guò)非線(xiàn)性作用自解調出可聽(tīng)聲；

  3) 所發(fā)出的聲頻能量集中，在傳播過(guò)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；

  4) 傳統揚聲器在出口時(shí)聲音音量最大，而聲頻定向揚聲器的聲音是沿傳播軸逐漸解調并不斷疊加成型，因此其能量在接近參量陣有效長(cháng)度時(shí)達到最大值；

  5) 換能器所發(fā)出的超聲波及由于非線(xiàn)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(guò)多個(gè)換能器陣列可以實(shí)現聲束在換能器平面前半空間內任意角度的指向性傳播，這種功能可以擺脫機械式擺動(dòng)的控制特點(diǎn)，純粹以電路設計及信號處理的方式快速改變聲束的傳播角度。

所以綜上，經(jīng)測試的該定向聲波設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的衰減，在背面方向能夠將32米以外的聲壓級有效控制在88dB以?xún)?。在有效輻射角度控制方面，?plusmn;10°范圍內表現出了較好的輻射角度控制范圍。若該設備在背面方向就隔聲與衰減方面做針對性的設計與改進(jìn)，則應能夠有效將背面32米以上范圍內聲壓級控制在80dB以?xún)?，更好地改善操作人員的實(shí)際工況感受。