摘要：民用航空的安全保障和民用机场的安全管理是国家高度重视的工作，为了保障航空安全的需求，对民用机场鸟击的防范工作也提出了更高的要求。面对此问题，我们声学研究所针对不同类型的声波驱鸟产品、远距离定向声波驱鸟系统等进行了声学性能的测试及分析研究。本文重点介绍了一种基于参量阵技术驱鸟设备的声学测试，测试基于与委托方达成共识的自编测试作业指导书，采用全消声室自由场环境和实际工况现场环境两套方案条件，最后针对其声压级、辐射指向性、工况声衰减特性等指标给出了评价效果，证明了该基于参量阵技术驱鸟设备的声学性能能够满足委托方的基本使用需求。
关键词：定向声波，参量阵，声学测量，声辐射指向性，工况声衰减
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机场的安全管理是国家高度重视的工作，而目前，我国各主要机场鸟击航空器事件数量近年来持续上升[1]，这已成为民用机场安全管理的主要风险之一，鸟撞飞机事件具有多发性和突发性，一旦发生鸟撞飞机事故，必定使飞机受损，造成重大的人员伤亡和财产损失[2][3]。鸟撞飞机可以使高速飞行的战斗机失去动力，甚至机毁人亡，所以鸟撞飞机早已被国际航空组织确定为“A类空难”[4][5]。鸟撞飞机事故多发生在飞机起飞和降落阶段，超过90%的鸟撞事故发生在机场和机场附近空域，而且绝大部分鸟撞事故发生在低于100米的空域，因此，机场及其附近的低空区域是驱鸟的重点。为了保障航空安全的需求，对民用机场鸟击的防范工作也提出了更高的要求。近年来物理声学方法也在现实驱鸟中有所使用，例如压缩跑驱鸟，爆竹弹驱鸟，驱鸟枪驱鸟等[6]，这些方法大多基于传统高声压脉冲理论基础，在鸟类活动频繁的时间和区域进行使用，起初使用效果较好，但是时间一长，鸟类就会逐渐习惯这种声音，不会害怕；有些声学方法因为受射程和辐射范围的限制，还存在对于低空飞行鸟类有威慑作用，对于高空飞行鸟类作用很小的情况[7]。在这种背景下，有的科研院所和企事业单位研发了不同类型的声学驱鸟装置[8][9]。如北京某公司研发了一键式驱鸟操控系统，上海某公司研发了新型超声波驱鸟器，绵阳某公司研发了远距离定向声波发射装置，成都某航空研究所研发了定向声波驱鸟系统等。经测试、分析与研究，不同类型的声波驱鸟设备、远距离定向声波驱鸟系统等产品的声学性能不尽相同，本文针对其中一种基于定向声波技术的驱鸟设备进行了声学性能的测试，并对测试结果进行了分析与计算机仿真，给出了产品测试评价。
根据Helmholtz理论[10]，两平面波在不均匀介质中非线性传播的二阶场关系可表述为如图1所示的关系。当向超声换能器输入两个频率分别为f1，f2的电信号时，超声换能器通过机械振动向空气中发射两列频率分别为f1、f2的超声波，这两列超声波在空气中产生非线性交互作用，从而最后生成了包括原超声信号f1、f2、和频信号f1+f2及差频信号f1-f2的复杂声波。由于吸声系数α与频率的平方成正比，频率较高的超声波信号f1、f2、f1+f2将很快被空气吸收(空气介质对声波的吸收系数与其频率的平方成正比)，剩下处于声频范围内的差频信号f1-f2在空气中高指向性(定向)传播。
图1 超声波在空气中传播时的非线性交互作用示意图
声波是否具有指向性，与声波波长和声源尺寸的比率密切相关：当声波波长远大于声源尺寸时，声波没有指向性；当声波波长接近至远小于声源尺寸时，声波将逐步呈现出越来越强的指向性。大部分声频波波长都远大于声源尺寸，因此声频信号一般是没有指向性的。
Peter Westervelt 首次提出了参量阵的概念[11]，其原理如图2所示。
图2 声学参量阵示意图
换能器向空气介质中发出强调制的超声波，超声波在沿其传播轴前进的过程中不断通过非线性作用解调出声频信号，这些不断解调出来的声频波累积叠加起来，形成一种端射式的虚拟声源阵列(end-fire virtual array)。这个虚拟声源阵即所谓的参量阵。参量阵使得声频波的能量在声波前进方向上不断得到加强，而由于超声波具有较强的指向性，在传播主轴方向以外这种叠加加强效应很微弱，这最终导致声频波在主传播轴方向有了很高的指向性。参量阵的提出为产生高指向性声频波的实现提供了理论依据。
基于上述原理和特性，应用领域出现了多种定向声波产品，例如民用的定向广播系统、定向车载喇叭、定向指引等，军用的定向驱散系统、定向声能武器等。
授业主委托，本文对某基于参量阵定向声波技术的驱鸟设备进行了声学性能测试及评价。按照该驱鸟设备性能描述和测试需求，根据待测参数的技术特点，本文与业主方达成共识制定了自编测试作业指导书，提出了针对不同情况的两套测试方案。第一套测试方案采用标准实验室条件，在全消声室的环境下测试该设备的声压级、指向性和近场声衰减性能；第二套方案采用实地工况条件，在户外模拟正常使用工况下该设备的实际工作声压特性和远场声衰减性能。
测试主要采用B&K数采分析仪、配套声校准器、传声器(备高声压)、前置放大器、2270便携式声分析仪等行业认可的先进精密仪器进行。
针对由多个超声换能器组成的该阵列式定向声波驱鸟设备，委托方实际使用中主要关心的声学性能有其能否产生足够大的声压级，能否有效地抑制传播过程中的声衰减，能否具有较强的指向性等特性[12]，因此，声学测试参数主要选择为实验室环境中的最大声压级与声音辐射指向性，实际工况下的声压级衰减特性等。具体测试方案描述如下。
全消声室测试包含：
1）装置最大声压级测试及90°四向指向性测试(0°，90°，180°，270°)。
2）消声室测试方案定为以30°作为意向指向性辐射角度测试范围，30°覆盖范围内按5°做细分测试，30°覆盖范围以外按照30°做细分测试。实验室条件下测试点位布置如下图3所示：
图3 声学性能实验室测试布置图
图4 声学性能实验室测试图
现场工况测试包含：
1）正常工况下正向200米9个点位(1米，2米，4米，8米，16米，32米，64米，128米，200米)声压级有效性测试及声压级能量衰减测试。
2）正常工况下以30°作为意向指向性辐射角度测试范围，30°覆盖范围内按5°做细分测试，含每个角度布置9个点位(1米，2米，4米，8米，16米，32米，64米，128米，200米)声压级有效性测试及声压级能量衰减测试。
3）90°，180°，270°正常工况下三个方向100米8个点位(1米，2米，4米，8米，16米，32米，64米，100米)声压级有效性测试及声压级能量衰减测试。现场工况条件下测试点位布置如下图5所示：
图5 声学性能现场工况测试布置图
图6 声学性能现场工况测试图
测试分别在全消声实验室和户外工况下进行，如上述图4、图6所示。
测试所得该阵列式定向声波驱鸟设备最大声压级SPLmax=144.3dB。其指向性和衰减特性测试结果如下列图表所示。
| 频率/Hz | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 |
| 声压级/dB | 81.6 | 77.4 | 73.1 | 71.0 | 70.1 |
| 频率/Hz | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16000 |
| 声压级/dB | 77.9 | 141.9 | 140.5 | 123.0 | 111.9 |
表1 1m处声压级测试数据列表
| 频率/Hz | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16k | TOTAL SPL |
| 声压级/dB | |||||||||||
| 1米处 | 112.4 | 110.5 | 99.2 | 89.8 | 83.2 | 79.8 | 140.5 | 139.3 | 115.8 | 95.6 | 143.0 |
| 2米处 | 104.7 | 98.1 | 93.2 | 86.9 | 80.3 | 77.2 | 137.6 | 138.0 | 123.6 | 102.5 | 140.9 |
| 4米处 | 105.1 | 100.5 | 94.3 | 88.2 | 82.2 | 76.9 | 132.2 | 131.8 | 121.2 | 107.5 | 135.2 |
| 8米处 | 111.0 | 105.9 | 98.7 | 91.3 | 84.7 | 79.3 | 126.3 | 125.9 | 118.1 | 110.1 | 129.6 |
| 16米处 | 62.2 | 60.8 | 54.6 | 54.9 | 53.0 | 55.7 | 118.7 | 120.2 | 110.9 | 100.8 | 122.8 |
| 32米处 | 59.1 | 57.2 | 50.9 | 50.6 | 54.2 | 49.4 | 114.8 | 116.4 | 105.3 | 95.0 | 118.9 |
| 64米处 | 56.3 | 60.6 | 50.6 | 47.0 | 50.5 | 53.2 | 107.2 | 106.1 | 99.8 | 85.9 | 110.1 |
| 100米处 | 57.7 | 58.9 | 51.2 | 45.6 | 46.1 | 44.8 | 103.9 | 102.7 | 93.4 | 78.2 | 106.6 |
| 120米处 | 61.3 | 63.9 | 58.2 | 51.9 | 47.8 | 47.4 | 100.3 | 98.3 | 90.9 | 73.1 | 102.7 |
| 125米处 | 59.8 | 59.1 | 58.1 | 60.0 | 59.4 | 55.7 | 104.8 | 104.2 | 93.9 | 80.2 | 107.7 |
| 128米处 | 60.8 | 60.9 | 54.0 | 49.0 | 48.0 | 48.3 | 102.1 | 103.4 | 93.2 | 78.4 | 106.0 |
| 150米处 | 57.7 | 57.9 | 59.4 | 61.6 | 67.2 | 63.2 | 100.0 | 96.9 | 86.5 | 70.2 | 101.9 |
| 200米处 | 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声压级测试数据列表
经测试的本定向声波设备在主轴正向1米处测得最大声压级为144.3dB，正向125米处声压级可达107.7dB，在正向200米处声压级仍然可达101.8dB。在主轴反向，1米处声压级为111.2dB，32米处为87.7dB。在有效辐射角度控制方面，+15°范围内100米处声压级可达到97.4dB以上，-15°范围内100米声压级可达93.7dB以上。若该设备在背面方向就隔声与衰减方面做针对性的设计与改进，则应能够有效将背面32米以上范围内声压级控制在80dB以内。
点声源是以球面波形式辐射声波的声源，辐射声波的声压幅值与声波传播距离成反比。正常情况下无指向性的点声源随距离衰减的特性仿真如图7所示。
图7 点声源理论衰减示意图
结合对实验室和现场工况数百组数据的统计和分析，可以得到该定向声波设备的声压级衰减特性、指向特性的声场平面分布和三维分布如图8、图9所示：
图8 该阵列定向设备平面声场分布仿真示意图
图9 该阵列定向设备三维声场分布仿真示意图
从测试结果可以看出，该设备在主轴反向30米以外声压级衰减较快，符合实际使用的需求，但在主轴反向30米以内的声压级衰减控制得仍不够完善。如图10所示，是无屏罩情况下的设备声能扩散示意图。若对其进行改良，在其声频阵列背部新增隔屏处理则能更为有效地控制该设备背部的声音能量。
图10 无屏罩时本设备声能扩散示意图
如图11所示，模拟新增规格为2.0米的隔屏处理后的设备声能扩散示意图。
图11 有屏罩时本设备声能扩散示意图
4 结论
经过对声频定向扬声器的工作原理分析和本次测试结果可以看出，该阵列驱鸟设备其主要特性如下：
1) 可以发射传统扬声器不能发出的高指向性声频波；
2) 与传统扬声器通过机械振动激励空气直接发出可听声相比，声频定向扬声器先发出超声波，然后由超声波在空气中通过非线性作用自解调出可听声；
3) 所发出的声频能量集中，在传播过程中大部分能量位于传播主轴附近，因此与非指向性声源向各个方面辐射能量相比，其衰减慢、理论传播距离远；
4) 传统扬声器在出口时声音音量最大，而声频定向扬声器的声音是沿传播轴逐渐解调并不断叠加成型，因此其能量在接近参量阵有效长度时达到最大值；
5) 换能器所发出的超声波及由于非线性作用产生的超声波会在空气中快速衰减，只留下声频波在空气中高指向性传播；
6) 通过多个换能器阵列可以实现声束在换能器平面前半空间内任意角度的指向性传播，这种功能可以摆脱机械式摆动的控制特点，纯粹以电路设计及信号处理的方式快速改变声束的传播角度。
所以综上，经测试的该定向声波设备在指向性方面具备较好的控制能力，正面方向能够较为有效地抑制声压级的衰减，在背面方向能够将32米以外的声压级有效控制在88dB以内。在有效辐射角度控制方面，在±10°范围内表现出了较好的辐射角度控制范围。若该设备在背面方向就隔声与衰减方面做针对性的设计与改进，则应能够有效将背面32米以上范围内声压级控制在80dB以内，更好地改善操作人员的实际工况感受。