摘要：民用航空的安全保障和民用機場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，對民用機場鳥擊的防范工作也提出了更高的要求。面對此問題，我們聲學研究所針對不同類型的聲波驅鳥產品、遠距離定向聲波驅鳥系統等進行了聲學性能的測試及分析研究。本文重點介紹了一種基于參量陣技術驅鳥設備的聲學測試，測試基于與委托方達成共識的自編測試作業指導書，采用全消聲室自由場環境和實際工況現場環境兩套方案條件，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效果，證明了該基于參量陣技術驅鳥設備的聲學性能能夠滿足委托方的基本使用需求。
關鍵詞：定向聲波，參量陣，聲學測量，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
民用航空的安全保障和民用機場的安全管理是國家高度重視的工作，而目前，我國各主要機場鳥擊航空器事件數量近年來持續上升[1]，這已成為民用機場安全管理的主要風險之一，鳥撞飛機事件具有多發性和突發性，一旦發生鳥撞飛機事故，必定使飛機受損，造成重大的人員傷亡和財產損失[2][3]。鳥撞飛機可以使高速飛行的戰斗機失去動力，甚至機毀人亡，所以鳥撞飛機早已被國際航空組織確定為“A類空難”[4][5]。鳥撞飛機事故多發生在飛機起飛和降落階段，超過90%的鳥撞事故發生在機場和機場附近空域，而且絕大部分鳥撞事故發生在低于100米的空域，因此，機場及其附近的低空區域是驅鳥的重點。為了保障航空安全的需求，對民用機場鳥擊的防范工作也提出了更高的要求。近年來物理聲學方法也在現實驅鳥中有所使用，例如壓縮跑驅鳥，爆竹彈驅鳥，驅鳥槍驅鳥等[6]，這些方法大多基于傳統高聲壓脈沖理論基礎，在鳥類活動頻繁的時間和區域進行使用，起初使用效果較好，但是時間一長，鳥類就會逐漸習慣這種聲音，不會害怕；有些聲學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類有威懾作用，對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單位研發了不同類型的聲學驅鳥裝置[8][9]。如北京某公司研發了一鍵式驅鳥操控系統，上海某公司研發了新型超聲波驅鳥器，綿陽某公司研發了遠距離定向聲波發射裝置，成都某航空研究所研發了定向聲波驅鳥系統等。經測試、分析與研究，不同類型的聲波驅鳥設備、遠距離定向聲波驅鳥系統等產品的聲學性能不盡相同，本文針對其中一種基于定向聲波技術的驅鳥設備進行了聲學性能的測試，并對測試結果進行了分析與計算機仿真，給出了產品測試評價。
根據Helmholtz理論[10]，兩平面波在不均勻介質中非線性傳播的二階場關系可表述為如圖1所示的關系。當向超聲換能器輸入兩個頻率分別為f1，f2的電信號時，超聲換能器通過機械振動向空氣中發射兩列頻率分別為f1、f2的超聲波，這兩列超聲波在空氣中產生非線性交互作用，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，與聲波波長和聲源尺寸的比率密切相關：當聲波波長遠大于聲源尺寸時，聲波沒有指向性；當聲波波長接近至遠小于聲源尺寸時，聲波將逐步呈現出越來越強的指向性。大部分聲頻波波長都遠大于聲源尺寸，因此聲頻信號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 聲學參量陣示意圖
換能器向空氣介質中發出強調制的超聲波，超聲波在沿其傳播軸前進的過程中不斷通過非線性作用解調出聲頻信號，這些不斷解調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。參量陣的提出為產生高指向性聲頻波的實現提供了理論依據。
基于上述原理和特性，應用領域出現了多種定向聲波產品，例如民用的定向廣播系統、定向車載喇叭、定向指引等，軍用的定向驅散系統、定向聲能武器等。
授業主委托，本文對某基于參量陣定向聲波技術的驅鳥設備進行了聲學性能測試及評價。按照該驅鳥設備性能描述和測試需求，根據待測參數的技術特點，本文與業主方達成共識制定了自編測試作業指導書，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驗室條件，在全消聲室的環境下測試該設備的聲壓級、指向性和近場聲衰減性能；第二套方案采用實地工況條件，在戶外模擬正常使用工況下該設備的實際工作聲壓特性和遠場聲衰減性能。
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認可的先進精密儀器進行。
針對由多個超聲換能器組成的該陣列式定向聲波驅鳥設備，委托方實際使用中主要關心的聲學性能有其能否產生足夠大的聲壓級，能否有效地抑制傳播過程中的聲衰減，能否具有較強的指向性等特性[12]，因此，聲學測試參數主要選擇為實驗室環境中的最大聲壓級與聲音輻射指向性，實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。實驗室條件下測試點位布置如下圖3所示：
圖3 聲學性能實驗室測試布置圖
圖4 聲學性能實驗室測試圖
現場工況測試包含：
1）正常工況下正向200米9個點位(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，含每個角度布置9個點位(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°正常工況下三個方向100米8個點位(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。現場工況條件下測試點位布置如下圖5所示：
圖5 聲學性能現場工況測試布置圖
圖6 聲學性能現場工況測試圖
測試分別在全消聲實驗室和戶外工況下進行，如上述圖4、圖6所示。
測試所得該陣列式定向聲波驅鳥設備最大聲壓級SPLmax=144.3dB。其指向性和衰減特性測試結果如下列圖表所示。
| 頻率/Hz | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 |
| 聲壓級/dB | 81.6 | 77.4 | 73.1 | 71.0 | 70.1 |
| 頻率/Hz | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16000 |
| 聲壓級/dB | 77.9 | 141.9 | 140.5 | 123.0 | 111.9 |
表1 1m處聲壓級測試數據列表
| 頻率/Hz | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16k | TOTAL SPL |
| 聲壓級/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聲壓級測試數據列表
經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，則應能夠有效將背面32米以上范圍內聲壓級控制在80dB以內。
點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聲源隨距離衰減的特性仿真如圖7所示。
圖7 點聲源理論衰減示意圖
結合對實驗室和現場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分布仿真示意圖
圖9 該陣列定向設備三維聲場分布仿真示意圖
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，符合實際使用的需求，但在主軸反向30米以內的聲壓級衰減控制得仍不夠完善。如圖10所示，是無屏罩情況下的設備聲能擴散示意圖。若對其進行改良，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 無屏罩時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 有屏罩時本設備聲能擴散示意圖
4 結論
經過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，該陣列驅鳥設備其主要特性如下：
1) 可以發射傳統揚聲器不能發出的高指向性聲頻波；
2) 與傳統揚聲器通過機械振動激勵空氣直接發出可聽聲相比，聲頻定向揚聲器先發出超聲波，然后由超聲波在空氣中通過非線性作用自解調出可聽聲；
3) 所發出的聲頻能量集中，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度時達到最大值；
5) 換能器所發出的超聲波及由于非線性作用產生的超聲波會在空氣中快速衰減，只留下聲頻波在空氣中高指向性傳播；
6) 通過多個換能器陣列可以實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的控制特點，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以內。在有效輻射角度控制方面，在±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，則應能夠有效將背面32米以上范圍內聲壓級控制在80dB以內，更好地改善操作人員的實際工況感受。