數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列聲場聚焦系統(tǒng)設計

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)對其進行保護，但是迅速增加的動物數(shù)量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形成嚴重危害，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)濟損失高達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。其中利用仿生學原理，采用一系列富有生物學意義的聲音，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)兩種方法實現(xiàn)。TD方法根據(jù)各揚聲器單元到目標點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，使目標點處的所有接收信號同相疊加以得到最大的聲壓強度，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，以實現(xiàn)目標點處的聲場聚焦。

　　數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)設計

　　為了有效驅(qū)趕果園中的害鳥，設計了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，進行加權處理。再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過功率放大器驅(qū)動多路揚聲器輸出。

　　圖2為數(shù)字語音驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)框圖。現(xiàn)場中央控制器獲取入侵害鳥的位置信息后，根據(jù)驅(qū)鳥器陣列揚聲器布置位置信息計算出聲音鏈的加權值，并通過串行總線將加權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，將預先存儲的數(shù)字聲音鏈經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后進行播放，達到聲場聚焦的目的。

聲音鏈相位調(diào)整算法

　　假設數(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。權值，加權后數(shù)字聲音鏈信號為：

　　根據(jù)正交調(diào)制的方法實現(xiàn)信號的幅相調(diào)整。已知權值：

　　對序列x[n]做IQ雙路幅相調(diào)制可得：

　　其中。加權后的數(shù)字信號可以由下式來計算：

驅(qū)鳥器陣列分布設計

　　揚聲器的安放位置應該能夠使聲場覆蓋區(qū)內(nèi)的任何位置，合理的揚聲器位置設計能夠有效地控制揚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)，達到更好的驅(qū)鳥效果。根據(jù)揚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聲器數(shù)量。該值與防治區(qū)域總面積，單個揚聲器有效面積及播放器空間分布緊密相關，從而建立目標函數(shù)關系式：

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

　　驅(qū)鳥器陣列系統(tǒng)硬件實現(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的揚聲器。由于整個硬件系統(tǒng)采用低功耗、模塊化設計，具有休眠功能，系統(tǒng)使用方便，維護簡單。目前，該系統(tǒng)已完成實驗室調(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)設計和聲音鏈聲場聚焦實現(xiàn)方法，并詳細說明了硬件電路的實現(xiàn)。通過調(diào)整數(shù)字聲音鏈陣列聲源相位實現(xiàn)了聲場聚焦，室內(nèi)實驗取得了較好的效果。由于果園現(xiàn)場周圍情況復雜，下一步的現(xiàn)場使用還有大量工作要做。