远程强声系统(LRAD)声波武器

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远程强声系统

星宇电子的定向声波强声系统

  当今的世界,“和平与发展”已经成为发展的主流,然而局部战争以及地区冲突仍然会频繁发生,诸如维和行动,对付恐怖主义活动,制止暴乱,打击走私贩毒等非军事行动增多。在这些行动中,要尽量的做到减少人员的伤亡和财产的损失以及环境的破坏,其次,在处理一般性人群静坐,非法聚集,或在重要任务中需要驱散围观人群等场合,强声系统这类非致命性武器要起到很大的作用,也是武警部队和公安部门的重要装备,有着非常广泛的运用前景。

  星宇电子的QS强声产品(12大系列),是一种定向强声拒止系统,实现高指向性强声波集束发射,拥有较强的威慑力,作为军警用设备,实现对现场远距离喊话,近距离驱离人群的效果。已经广泛运用于军民用机场驱鸟、公安现场指挥、交通管制、人群疏导、反恐维稳、海上维权等领域。

  一、 声波武器

  所谓声波武器,就是以声音传播为手段,达到有效对目标的控制或者伤害,这一手段特点及其鲜明:慑人心智,毙敌于无形;扰其行为,击敌以措手不及。例如,婴儿的号啕大哭让人心烦,飞机巨大的轰鸣会让鸟瞬间死亡,如果把这些向四周扩散的声音集成一束声波,那就成了“声波武器”。

  二﹑音源-频率与强度

  人对外界的感知和耐受程度都是有所不同的。对于声音,人的耳朵能够听到频率在20到20000赫兹之间的声音。虽然,人耳鼓膜的薄厚有着细微的差别,但对于频率段接近16000赫兹的锐响都会反映出不同程度的不安或反感。而对于低频波段,如果声压不是很强,人们几乎是完全可以接受的,然而,对于低于20赫兹的次声,尤其是低于7赫兹的高强度次声对人体有致命危害,因为人体肌肉、内脏器官都有其固有的振动频率,当这种较低的固有频率与次声波的频率相同时,就会发生共振,产生较大的振幅和能量,从而造成人体结构的巨大破坏而死亡,同时,会有和人的神经器官固有频率相同的次声波,对人的心理和意识方面产生较大的影响。而对于这种定向强声拒止系统,既要起到疏散人群、建立隔离区的作用,同时还不能对人产生永久性的﹑致命的影响和伤害。

  同时,对于产生的声音的强度也很明确,音量在70分贝就是很大的声音,若长期暴露在90~100分贝的噪音下会使听觉减弱,当声音强度接近135分贝时候,就会使人导致疼痛。因而,为了起到一定的震慑的效果,在不同的应用场景下,星宇的不同的强声产品的声压级分布在125分贝---162分贝之间。

  其次,人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有关,如果将人耳在听到不同频率纯音(正弦波)时,对所有具有相同音量感的声压用一条曲线表示,即等响曲线。在等响曲线上,可以反映出人对不同声音产生同一响度感受时,声压级与频率的对应关系,在音频放大过程中可以作为一个很好的参考。例如,200Hz的30dB的声音和1kHz的10dB的声音在人耳听起来具有相同的响度,这就是所谓的“等响”。

百盈彩票官网  选取频率段接近于16000赫兹声音响度为130~140分贝之间的声音来进行放大,作为强声拒止系统来起到非杀伤性武器的作用,星宇电子设计团队通过无数次的对比试验,将对人产生相同听觉效果的,易于采集和放大后失真较小的声音作为选取的声音,来作为该系统的声源,从而让设备在较小的功率下也能起到最佳的声压级效果。

  三、音源-相位控制

  好的音源要匹配好的放大电路,要规避声音在传输的过程中产生的相位失真,即音频由放大器输入端至输出端所产生的时间差。在传输过程中,这个时间差越小越好,另外,相位失真也会和瞬态响应有关。

  对于相位失真的产生,是由于电容和电感对交流信号(电压或电流)具有延迟作用。当一个交流信号经过电容﹑电感和电阻的时候,会产生一个充电放电的过程,这就会导致交流信号的幅度变化的时间与原本的相比往后延迟一段时间,在音频放大器中,任何一个放大电路或者元器件我们都可以通过等效电路转换成电感、电容、电阻和理想有源器件的组合,即使是性能很好的器件以及传输线路是无法达到理想的效果的。总之相位失真是不可能完全消除的,但是可以通过电路的优化设计来尽量减小相位失真的影响。

  简单的来看,相位失真仅仅是把所有的信号向后推迟了一会儿,但并不是简单的将听到的声音的时间向后推迟,相位失真对于听感的影响是十分微妙的。

  在立体声重放的声学原理中,人对声音方向和距离的判断主要来自于三个方面。

  1、响度优先。当两个来自不同方向同样频率的声音同时到达人耳的时候,我们会认为那是一个声音,而且会感到声音是由两个声源的中间传来,但是,当两个声源的响度差超过一定大小时,无论声源的距离有多少,弱小的那个声源几乎不起任何作用。

百盈彩票官网  2、时间优先。两个频率相同的声源同时发声,离人耳比较近的那个声源比较占优势,也就是最先到达人耳的声音优先,成像点会比较靠近较近的声源。也就是说,当两个声源的时间差大于一定数值时,我们则会感到是两个声源了,不能被合成单一的成像点。

  3、耳廓、耳道效应。这是声音在耳廓和耳道内反射时产生的很复杂微妙的生理声学现象。主要有两个方面的影响,一是反射,使得声音发生微小的时滞,不同方向的声音产生的时滞不同;二是吸收,反射次数较多的声音的高频部分会被吸收较多,通常面部正对音源的时候吸收最少,听到的细节最为丰富,响度也较高。 因此,我们可以看出,“时间差”对于声像的定位起着非常重要的作用。

  但是,理论上来看单纯的相位失真并不足以影响听感,相位失真或许并不会影响到强声系统释放出的声音对于人的感觉,但是实际上相位失真根本就不是单纯的,这种不单纯的相位失真则会产生各种影响,主要有以下4个方面:

  1)、立体声系统中左右声道相位失真不一致。这是比较普遍的情况,也就是在同一个频率下,两个声道产生的延迟会有差异。当这个差异比较大的时候,就破坏了两个声道中声音信号的相位关系,使得声像发生偏移,当然,这还不足以造成太大的问题,如果这种偏移是固定不变的,那么我们仍然不会察觉出来。但是会有另外一个情况发生,就是我们对于时间差的变化所对应的声像位置并不是“线性”的,也就是说,这个时间差只有在一定范围内才会使得声像的位置发生较大的改变,如果太大就会分裂成两个成像点,如果太小,则基本无法察觉,并且,这还和声音的频率有很大的关系。于是,某些声音由于频率比较适当而近似的处于原来的位置上,而另外一些声音则会偏离应有的位置。这样就会造成声像的重叠,也就是通常所说的“声场混乱”。这时所发出的声音就会很嘈杂,不能将原来的声音放大后真实的释放出来,若在强声系统中出现这种问题就会使人听到杂乱的声音,震慑人群的效果不佳。

  2)、是不同的响度下相位失真的不一致。对于一些比较低档的音响器材来说,这是非常普遍的现象。某些器材在小功率输出下相位失真还比较效小,一旦输出功率增大,相位失真急剧增加,通常这种增加的幅度在两个声道中是不一致的,因此同时加剧了声道间相位失真的差距,造成声像定位的混乱。此外,所发出的声音不是单调一致的,其响度是变化的,因此在一个相位失真严重的系统中,声音响度的变化会造成其结像点的漂移,使得我们感到这个声音在前后左右晃动,相位失真越大,晃动范围越大,这样就会严重影响听感。使所听到的声音与原先的声音产生很大的差距。

  3)、是强音和弱音的时间关系改变。这是相位失真的最大害处。我们知道,我们的耳朵具有一定的“掩蔽效应”。这个效应的意思是,当一个强音和一个弱音同时出现时,如果相差的响度大到一定程度,我们将不能感受到那个弱音的存在。由于相位失真的频率差异特性,有可能会把两个原本分开的声音叠加到一起,当这两个信号的响度差异较大的时候,微小的声音就会“消失”了。相位失真和系统的瞬态响应以及信噪比共同控制着这个系统对于弱音的表现能力,其中任何一个指标的缺陷都会造成系统细节表现变差。这或许看起来对于强声系统不会产生太大的影响,如果在强声威慑的同时进行喊话警示,没有对于声音信号进行一定的相位的调整,就会影响喊话效果。

  4)、是不同频率的信号相位失真的不一致。这个现象是针对于音质调整而言的。由于音乐中的高频往往含量比较少,弱音很多,所以不同频率的相位失真的不一致也会造成高频信息的损失。另外一个最重要的是,乐器的声音是由一些基音、谐波,以及它们的响度、时间关系等组成的,破坏了时间关系,就会导致乐器声音的质感发生变坏,某些谐波会被增强或者掩蔽。另外,由于这种和频率有关的影响会加剧互调失真的程度,也会对听感产生恶劣的影响,这对喊话效果的质量会有一定的影响。

  因考虑到这些技术的深度运用,星宇电子的强声系统才达到了强声拒止武器的预期效果,即能够有效地驱散人群起到警示的作用,十年的创新,十年的专注,星宇在对人产生威慑效果的科研课题上一直耕耘着。

  三﹑设计结构

  星宇的强声系统的结构大致分为5个部分:

  1、连接一个话筒,在对人群中进行喊话时可以使用。

  2、是固定音源发生器,它的作用是将我们之前选取好的对于驱散人群的最合适的响度和频率的声音进行存储。

  3、是一个音频放大器,其作用是将声音进行不同程度的放大。

百盈彩票官网  4、是作为声音信号的相位的控制器,对于放大器输入端至输出端的声音信号进行相位控制,在一定程度上来减弱相位失真所产生的影响。

  5、是一个喇叭阵列,其作用是将从4传输过来的声音信号进行释放,形成一个定向的波束,从而使得这一系统更加具有威慑力。

  接下来我们将分别对于这些结构进行介绍。

  (一)话筒声音处理

  星宇的音源控制器是一个对于声音的处理的系统,主要是对于由话筒传输过来的声音信号进行处理。可以在这里设置一个均衡器和调音台,对于话筒传输的声音信号进行修饰和调节,使得所得到的声音更加清楚。这一系统中的话筒的作用是用来对人群进行喊话,如果只是直接用话筒讲话所得到的声音一定会有相应的杂音产生,若直接将这种声音传到接下来的放大器和扬声器中,难免会使得杂音也会相应的放大并放出,就会让喊话声变得模糊,所以要对于喊话声进行相应的调节。 其中,均衡器是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备,通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷,补偿和修饰各种声源及其它特殊作用。利用均衡器进行调整,就会使得声音的音色起到一些变化,变得明亮,清楚,使得在喊话的过程中能够让对方确实听到。

  调音台的作用是将输入的声音信号调整之后再输出,起到信号的放大和信号中各种参数的均衡的作用。因为话筒所产生的音频信号是非常微弱的。而另外一些设备的输出信号,比如合成器,音频接口的输出等等,他们的信号比话筒的信号强很多倍,而且他们的信号大小也是各不相同,参差不齐。这样进行调整之后使得所传输的由话筒产生的声音更加平稳而易于放大。

  (二)声源的存储

  固定音源发生器是将星宇电子所选取的最适合威慑人群的声音;

  (三)声音的放大;把固定音源与喊话音频进行放大;声音信号要分别对应一个相应的放大电路。喊话所产生的声音信号,这个声音的目的是为了让对方能够听清所说的内容;而固定的音源是让人产生一定的不舒适感觉,并且要在响度上起到相应的震慑效果。在放大的过程中要依照于之前的人耳的等响曲线,在某一声音频率下应当放大的最合适的声音的分贝数,从而产生最佳的效果,但同时也要控制好这一声音的具体的放大的分贝数,不能太小而无法达到预想的效果,也不能太大使得声音的频率不稳定,因此这里应当设计一个可以进行调节的电路,可以在实际的运用中针对不同的情况进行相应的调节。因此,二者所输入到放大器的声音信号的频率是不相同的,对于不同的频率的声音,在其对应的放大器的电路中要采用不同的连接方式和不同型号的电路元件,以使得放大后的声音的频率以及音色能够更加接近于原来的声音。

  (四)相位控制;用来对传输的声音进行相位控制的,但将其作为一个装置来表现出来是比较牵强的,因为装置3即放大器电路的设计会影响到相位失真,而之后的装置5的摆放也会影响到相位失真,所以将其单独作为一个设备来进行相应的相位控制只是为了便于设计,在相应的处理这一问题的方式是比较复杂的。

  而且,通过上述相位失真的分析中,我们可以知道相位控制是很重要的。虽说目前还不存在彻底避免相位失真的技术。但星宇的技术团队一直努力着把相位差减少到最小。具体的控制方法要根据收集到的声源差距,放大器的型号和具体参数而定。因为不同声音频率的相位失真不一致,不同型号参数的放大器的相位失真也大相径庭。总的而言,对放大器性能方面的要求,也就是在设计时要充分考虑放大器相位失真的一致性,同时,由于信号在传输过程中由于其自身具有电容和电感,也会产生相位失真,同样也需要得到一定的重视。

  (五)喇叭阵列

  装置5是一个喇叭阵列,其作用是将之前产生的声音释放出来,形成一定的声音波束,使得释放出来的声音更加具有威慑力,同时喇叭阵列的相应的摆放也会在一定程度上减小相位的失真。

  我们对于单一的喇叭和喇叭阵列进行比较分析:单一喇叭的各频率的声音在各方位角的强度分布中,高频声音能量集中在正前方,而低频则圆形较平滑,在各方位角的强度变化都不大,波形似乎向四周均匀传播,充分说明了声音在越高频的情況下越有其方向性。

  不同频率之阵列喇叭声波在各方位角的强度分布中,我们发现阵列喇叭较单一喇叭更具有指向性,尤其是在高频时更为明显。另外,低频的声音经得起距离的考验,较不容易衰減;而高频的声音虽然在方位角0°時有较强的音量,但距离一长其强度便会迅速衰减。并且发现在2400Hz声音时,左两侧40度出现次级能量集中区。

  利用电脑进行模拟2400Hz波源的叠加情况,单一喇叭及阵列喇叭均有频率越高,指向性越佳之特性;而相同频率下阵列喇叭指向性较单一喇叭为佳。

  因此,将喇叭矩阵作为强声系统中释放声音的装置,就能够使其有更好的指向性,从而有一个定向释放的作用,能够更加精确的打击到需要指定打击的对象,使得这一定向强声拒止系统在使用的范围和方式更加的广泛。

  目前,星宇电子的强声系统广泛应用于军方、警方、公安、消防、边防、海军、机场驱鸟、银行系统等领域,十年的艰辛创业,十年的创新研发,让星宇电子在新一轮的军民融合大潮中迅速发展,朝着强声领域的领航者目标大步前进。


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