指向性

指向性是指在频率固定时，通过声中心的指定平面内换能器响应作为发射或入射声波方向的函数。大多数噪声源具有指向性。例如，在一给定频带下，离声源某一固定距离上，测量声源辐射的声压级时，常发现在声源不同方向上声压级不同。许多噪声源的低频辐射几乎是无指向性的，随着频率的增高其指向性增强。这是因振动源不同部分辐射声波到达空间各点的时间不同，因此出现位于干涉而形成不均匀的指向性辐射。传声器的指向性有无指向性、双指向性、心脏线形指向性等之分。

简介

指向性声源通过把音频信号调制在高频（超声频率）载波信号上，再用超声换能器发射出去，可以实现声波的定向发射"山于空气的非线性声学效应，在传播过程中声波中的音频信号会自解调出来，可以被人耳直接听到"。

指向性声源中的三种预处理和调制方式，即无预处理双边带调制方式（简称双边带方法）、开方预处理双边带调试方式（简称开方方法）和单边带方法。

指向性声源是一种新型声源，与普通声源相比具有如下特点：（1）强指向性；（2）发射距离远；（3）可产生虚拟声源效应。指向性声源在军事、工业、商业、文化、教育等领域都可以找到其用途，具有广阔的应用前景，潜在经济社会效益显著。

对指向性声源的研究可以追溯到18世纪中叶一的Tartini音调的发现"Tartini音调起初被认为是由于人耳感觉声音时的振动产生的，之后Helmholzt证实了这是由空气的非线性作用引起的，他认为这个作用同时产生两个频率信号之和（和频）和两个频率信号绝对值之差（差频）信号，但是他没有给出理论的分析结果。20世纪60年代，Westerveh基于Lihghtlli的理论，给出了关于两个平面波在不均匀介质中传播时产生的二阶场关系和具体的理论推导。1965年，H.0.Berktya提出了一个更精确的而且是更完整的关于参量化阵的解释。他没有局限于分析原波是两个频率的形式，而是更进一步地使用了调制中包络的概念。他认为：参量化阵解调后的信号是包络平方对时间的两次偏微分成正比的"参量化阵理论首先在水声上得到广泛的运用"由于空气的吸收系数比较大，非线性参数比较小，导致在空气中产生非线性作用相对比较难，直到1974年MaryBeth和Bafckstock才在空气中实现了参量化阵。由于参量化阵解调得到的音频声具有非常好的指向性，而且此音频声在空气中传播时衰减比普通的扬声器发出的声音慢的多，使得指向性声源的研制成为可能。二十世纪70年代，前苏联的提出了KZK方程，它能精确地描述原波在近场和远场自解调的整个过程，包括在声束轴上和不在轴上的情况。该方程包含了指向性声源中的衍射（dirffaction）、吸收（baso印tion）和非线性（nonlineartiy）作用。由于KzK方程的实际意义，所以对KzK方程求数值解很有必要，目前主要有时域算法!频域算法和时频域混合算法三种思路。

指向性声源特点

1）指向性声源发出的声波只向指定方向传播；

2）指向性声源发出的声波可以传播很长的距离；

3）可以产生虚拟声源。

指向性声源的研究历史

基础理论

在所有产生波的光源中，任何光源的方向性最大都与其产生的波长相比，与光源的尺寸相对应：与声波的波长相比，光源的波长越大，指向性越强。特定的转换方法对所产生的声场的方向性没有影响；该分析仅依赖于源的孔径函数，根据惠更斯 - 菲涅耳原理。

扬声器阵列

图1中惠更斯 - 菲涅耳原理应用于衍射，阵列中的声音传播得比点源声音要小。

虽然大型扬声器由于尺寸较大而自然而然地具有更大的方向性，但是通过利用一系列传统的小型扬声器可以制造出具有等效方向性的声源，所有这些都是同相驱动的。在声学上等于一个大的扬声器，与波长相比，这产生了更大的声源尺寸，并且与单个小型扬声器相比，所产生的声场变窄了。大型扬声器阵列已被用于数百个舞台音响系统中，以减轻通常会传播到邻近邻域的噪音，以及在某些程度的方向性有帮助的其他应用中的有限应用，例如博物馆或类似的显示器应用，其可以容忍大的扬声器尺寸。

传统扬声器阵列可以制造成任何形状或尺寸，但是减小的物理尺寸（相对于波长）将固有地牺牲该维度的方向性。扬声器阵列越大，指向性越强，扬声器阵列的尺寸越小，指向性就越小。这是基础物理学，即使使用相控阵或其他信号处理方法，也不能被绕过。这是因为任何波源的指向性模式都是源函数的傅立叶变换。然而，相控阵设计有时可用于波束转向或旁瓣抑制，但是这些妥协必然会降低方向性。

从声学角度讲，扬声器阵列基本上与声音圆顶一样，也已经有几十年了；圆顶开口的尺寸模仿相同直径的大型扬声器（或等同地，相同直径的大型扬声器阵列）的声学特性。然而，圆顶的重量往往比同类扬声器阵列的重量要小得多（相对于制造商的网站，15磅与37磅相比），而且价格要便宜得多。

出于与上述相同的原因，其他类型的大型扬声器面板（例如静电扬声器）倾向于比小型扬声器更具定向性；只是因为它们比大多数普通的扬声器要大得多，所以它们更具有方向性。相应地，小型传统扬声器的尺寸的静电扬声器将是非定向的。