數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列聲場聚焦系統(tǒng)設(shè)計

引言

　　鳥類在人類生存環(huán)境的生態(tài)平衡中起著重要的作用，人類采取各種措施并制定法規(guī)對其進(jìn)行保護(hù)，但是迅速增加的動物數(shù)量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形成嚴(yán)重危害，造成了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的下降。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國98%以上的果園遭受過鳥害，每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7億元之巨。

　　近年來，針對鳥害問題，國內(nèi)外研究了一些驅(qū)趕害鳥的方法，主要是聲音驅(qū)趕及形象驅(qū)趕。其中利用仿生學(xué)原理，采用一系列富有生物學(xué)意義的聲音，如猛禽的叫聲，鳥類遇難或報警叫聲為控制手段的語音驅(qū)鳥裝置，驅(qū)趕效果很好。本文采用數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列，通過波束形成方法實(shí)現(xiàn)聲場聚焦，將驅(qū)趕聲音鏈聲場控制在期望區(qū)域，以達(dá)到良好驅(qū)鳥效果。

　　聲場聚焦原理

　　目前，聲場聚焦主要采用時間延遲(TD)和最大控制增益(MCG)兩種方法實(shí)現(xiàn)。TD方法根據(jù)各揚(yáng)聲器單元到目標(biāo)點(diǎn)處距離的差異所引入的時延差來調(diào)整各單元發(fā)射信號的相位，使目標(biāo)點(diǎn)處的所有接收信號同相疊加以得到最大的聲壓強(qiáng)度，如圖1所示。MCG方法不僅考慮到所有接收信號的時延差異，還考慮到其幅度衰落差異，通過調(diào)整陣元發(fā)射信號的幅度和相位，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)處的聲場聚焦。

　　數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)設(shè)計

　　為了有效驅(qū)趕果園中的害鳥，設(shè)計了6路驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)。該系統(tǒng)對語音數(shù)字信號相位調(diào)整，進(jìn)行加權(quán)處理。再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過功率放大器驅(qū)動多路揚(yáng)聲器輸出。

　　圖2為數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)框圖?，F(xiàn)場中央控制器獲取入侵害鳥的位置信息后，根據(jù)驅(qū)鳥器陣列揚(yáng)聲器布置位置信息計算出聲音鏈的加權(quán)值，并通過串行總線將加權(quán)值信息傳送給微控制器，由微控制器給出驅(qū)趕聲音鏈的播放策略，調(diào)整陣列信號的相位，通過控制地址發(fā)生器和功放開關(guān)，將預(yù)先存儲的數(shù)字聲音鏈經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后進(jìn)行播放，達(dá)到聲場聚焦的目的。

聲音鏈相位調(diào)整算法

　　假設(shè)數(shù)字聲音鏈信號可表示為：

　　式中w為頻率，A為幅值，j為相位偏移。權(quán)值，加權(quán)后數(shù)字聲音鏈信號為：

　　根據(jù)正交調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)信號的幅相調(diào)整。已知權(quán)值：

　　對序列x[n]做IQ雙路幅相調(diào)制可得：

　　其中。加權(quán)后的數(shù)字信號可以由下式來計算：

驅(qū)鳥器陣列分布設(shè)計

　　揚(yáng)聲器的安放位置應(yīng)該能夠使聲場覆蓋區(qū)內(nèi)的任何位置，合理的揚(yáng)聲器位置設(shè)計能夠有效地控制揚(yáng)聲器的聲場分布和滿足投射距離的聲壓級要求，也有利于形成聲音聚焦區(qū)，達(dá)到更好的驅(qū)鳥效果。根據(jù)揚(yáng)聲器的最大供聲距離L和指向角a，確定了單個播放器的有效覆蓋面積：

　　考慮到設(shè)備總成本最小化，而單個驅(qū)鳥器成本固定，則需要確定最小的揚(yáng)聲器數(shù)量。該值與防治區(qū)域總面積，單個揚(yáng)聲器有效面積及播放器空間分布緊密相關(guān)，從而建立目標(biāo)函數(shù)關(guān)系式：

　　這里N為揚(yáng)聲器數(shù)量;S為防治區(qū)域總面積;s為單個揚(yáng)聲器有效面積;xi，yi為第i個揚(yáng)聲器在防治區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)分布。對目標(biāo)函數(shù)求解來獲得理論上的位置分布情況，為實(shí)際驅(qū)鳥器陣列的布置提供基礎(chǔ)參考。

　　驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)由微控制器、地址發(fā)生器、存儲器、DAC、功率放大器、揚(yáng)聲器組成。微控制器完成語音聲音鏈的時延差計算、相位加權(quán)調(diào)整、播放及各模塊同步控制。地址發(fā)生器由兩個12位計算器組成，用于產(chǎn)生語音存儲芯片的地址信號，地址發(fā)生器的計數(shù)時鐘由微控制器提供。存儲器中預(yù)先存儲用于驅(qū)趕害鳥的數(shù)字語音信號。DAC轉(zhuǎn)換器將數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動揚(yáng)聲器陣列工作。微控制器選用Microchip公司的PIC18F6527，該控制器接口模塊豐富，可以滿足系統(tǒng)的功能要求。語音存儲器為AMD公司的AM29F032B，容量為32Mbit，存儲處理好的驅(qū)趕聲音數(shù)字信號。DAC采用8位的AD557，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。后級功率放大器為National Semiconductor公司的LM4950，可驅(qū)動7.5W的揚(yáng)聲器。由于整個硬件系統(tǒng)采用低功耗、模塊化設(shè)計，具有休眠功能，系統(tǒng)使用方便，維護(hù)簡單。目前，該系統(tǒng)已完成實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。

　結(jié)語

　　為了提高語音驅(qū)鳥器驅(qū)趕害鳥的效果，本文給出了數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)設(shè)計和聲音鏈聲場聚焦實(shí)現(xiàn)方法，并詳細(xì)說明了硬件電路的實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整數(shù)字聲音鏈陣列聲源相位實(shí)現(xiàn)了聲場聚焦，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)取得了較好的效果。由于果園現(xiàn)場周圍情況復(fù)雜，下一步的現(xiàn)場使用還有大量工作要做。