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作者：中國農業(yè)機械化科學(xué)研究院 偉利國 張小超 周立明 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 2009-11-09 引言 鳥(niǎo)類(lèi)在人類(lèi)生存環(huán)境的生態(tài)平衡中起著(zhù)重要的作用，人類(lèi)采取各種措施并制定法規對其進(jìn)行保護，但是迅速增加的動(dòng)物數量對農業(yè)生產(chǎn)形成嚴重危害，造成了農產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的下降。據不完全統計，全國98%以上的果園遭受過(guò)鳥(niǎo)害，每年造成的直接經(jīng)濟損失高達7億元之巨。 近年來(lái)，針對鳥(niǎo)害問(wèn)題，國內外研究了一些驅趕害鳥(niǎo)的方法，主要是聲音驅趕及形象驅趕。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(niǎo)類(lèi)遇難或報警叫聲為控制手段的語(yǔ)音驅鳥(niǎo)裝置，驅趕效果很好。本文采用數字語(yǔ)音驅鳥(niǎo)器陣列，通過(guò)波束形成方法實(shí)現聲場(chǎng)聚焦，將驅趕聲音鏈聲場(chǎng)控制在期望區域，以達到良好驅鳥(niǎo)效果。 聲場(chǎng)聚焦原理 目前，聲場(chǎng)聚焦主要采用時(shí)間延遲(TD)和最大控制增益(MCG)兩種方法實(shí)現。TD方法根據各揚聲器單元到目標點(diǎn)處距離的差異所引入的時(shí)延差來(lái)調整各單元發(fā)射信號的相位，使目標點(diǎn)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(shí)延差異，還考慮到其幅度衰落差異，通過(guò)調整陣元發(fā)射信號的幅度和相位，以實(shí)現目標點(diǎn)處的聲場(chǎng)聚焦。 
數字語(yǔ)音驅鳥(niǎo)器陣列系統設計 為了有效驅趕果園中的害鳥(niǎo)，設計了6路驅鳥(niǎo)器陣列系統。該系統對語(yǔ)音數字信號相位調整，進(jìn)行加權處理。再經(jīng)過(guò)數模轉換，通過(guò)功率放大器驅動(dòng)多路揚聲器輸出。
圖2為數字語(yǔ)音驅鳥(niǎo)器陣列系統框圖�，F場(chǎng)中央控制器獲取入侵害鳥(niǎo)的位置信息后，根據驅鳥(niǎo)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(guò)串行總線(xiàn)將加權值信息傳送給微控制器，由微控制器給出驅趕聲音鏈的播放策略，調整陣列信號的相位，通過(guò)控制地址發(fā)生器和功放開(kāi)關(guān)，將預先存儲的數字聲音鏈經(jīng)DAC轉換后進(jìn)行播放，達到聲場(chǎng)聚焦的目的。 聲音鏈相位調整算法 假設數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，加權后數字聲音鏈信號為：
根據正交調制的方法實(shí)現信號的幅相調整。已知權值：
對序列x[n]做IQ雙路幅相調制可得：
其中
驅鳥(niǎo)器陣列分布設計 揚聲器的安放位置應該能夠使聲場(chǎng)覆蓋區內的任何位置，合理的揚聲器位置設計能夠有效地控制揚聲器的聲場(chǎng)分布和滿(mǎn)足投射距離的聲壓級要求，也有利于形成聲音聚焦區，達到更好的驅鳥(niǎo)效果。根據揚聲器的最大供聲距離L和指向角a，確定了單個(gè)播放器的有效覆蓋面積：
考慮到設備總成本最小化，而單個(gè)驅鳥(niǎo)器成本固定，則需要確定最小的揚聲器數量。該值與防治區域總面積，單個(gè)揚聲器有效面積及播放器空間分布緊密相關(guān)，從而建立目標函數關(guān)系式：
這里N為揚聲器數量;S為防治區域總面積;s為單個(gè)揚聲器有效面積;xi，yi為第i個(gè)揚聲器在防治區域內坐標分布。對目標函數求解來(lái)獲得理論上的位置分布情況，為實(shí)際驅鳥(niǎo)器陣列的布置提供基礎參考。 驅鳥(niǎo)器陣列系統硬件實(shí)現 數字語(yǔ)音驅鳥(niǎo)器陣列系統由微控制器、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(yǔ)音聲音鏈的時(shí)延差計算、相位加權調整、播放及各模塊同步控制。地址發(fā)生器由兩個(gè)12位計算器組成，用于產(chǎn)生語(yǔ)音存儲芯片的地址信號，地址發(fā)生器的計數時(shí)鐘由微控制器提供。存儲器中預先存儲用于驅趕害鳥(niǎo)的數字語(yǔ)音信號。DAC轉換器將數字語(yǔ)音信號轉化為模擬信號，經(jīng)功率放大器放大后，驅動(dòng)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(mǎn)足系統的功能要求。語(yǔ)音存儲器為AMD公司的AM29F032B，容量為32Mbit，存儲處理好的驅趕聲音數字信號。DAC采用8位的AD557，實(shí)現數模轉換。后級功率放大器為National Semiconductor公司的LM4950，可驅動(dòng)7.5W的揚聲器。由于整個(gè)硬件系統采用低功耗、模塊化設計，具有休眠功能，系統使用方便，維護簡(jiǎn)單。目前，該系統已完成實(shí)驗室調試。 結語(yǔ) 為了提高語(yǔ)音驅鳥(niǎo)器驅趕害鳥(niǎo)的效果，本文給出了數字語(yǔ)音驅鳥(niǎo)器陣列系統設計和聲音鏈聲場(chǎng)聚焦實(shí)現方法，并詳細說(shuō)明了硬件電路的實(shí)現。通過(guò)調整數字聲音鏈陣列聲源相位實(shí)現了聲場(chǎng)聚焦，室內實(shí)驗取得了較好的效果。由于果園現場(chǎng)周?chē)闆r復雜，下一步的現場(chǎng)使用還有大量工作要做。 參考文獻： [1] 譚樹(shù)人. 果園鳥(niǎo)害防御措施[J].西北園藝，2007(6):45 [2] 郝錫聯(lián), 易國棟. 機場(chǎng)驅鳥(niǎo)方法的探究[J]. 吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2005,26(2):45-46 [3] Wen Y, Yang J, GAN W S. Strategies for an acoustical hotspot generation[J]. IEICE Trans A, 2005, E88-A (7):1739-1746 [4] Wen Y, Yang J, GAN W S. Target-oriented acoustic radiation generation technique for sound field control [J], IEICE Trans A, 2006, E89-A (12):3671-3677 [5] 劉抗振, 曾光宇. 球面等間距陣列聲場(chǎng)聚焦特性研究[J]. 山西科技, 2006(1):96-98 [6] Delwiche M J, Houk A P, GorenzelW P, et al. Electronic broadcast call unit for bird control in orchards [J]. American society of agricultural engineers,2005,21(4):721-727 [7] 馬登永, 匡正, 楊軍. 實(shí)現聲場(chǎng)聚集的揚聲器陣列系統設計[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2007(11):448-450 [8] 王有緒, 許杰,李拉成. PIC系列單片機接口技術(shù)及應用系統設計[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2000 |
