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一种定向强声拒止系统的研究与构想资料
一种定向强声拒止系统的研究与构想
杨鸿宇，张恺，王拓，付晓洁
（中国人民公安大学安全防范系，北京102623）
摘要：
在高科技飞速发展的今天，声音武器这种非杀伤性武器得到了广泛的关注，越来越受到军队和警察的重视和亲睐。
本文就构想了一种声音武器，首先介绍声音武器的概念和意义，其次介绍所构想的这种声音武器的原理和结构，最后来简述这一声音武器的实际应用和未来的前景。
关键词：
声音武器非杀伤性
AResearchandIdeasof
AStrongDirectionalSoundDenialSystem
YANGHong-yu,ZHANGKai,WANGTuo,FUXiao-jie
（People’sPublicSecurityUniversityofChinaBeijing102623）
Abstract:
Therapiddevelopmentintechnologytoday,thesoundofweaponssuchnon-lethalweaponshasbeenwidespreadconcern,moreandmoreattentionbythearmyandthepolice.Thisarticleenvisagesavoiceweapon,firstintroducedtheconceptandmeaningofthesoundofweapons,followedbyintroductionoftheideaofthesoundprincipleandstructureofweapons,andfinallytothesoundofweaponsbriefpracticalapplicationsandfutureprospects.
Keywords:
Soundofnon-lethalweapons
引言
对于当今的世界，“和平与发展”已经成为发展的主流，然而局部战争以及地区冲突仍然会频繁发生，诸如维和行动，对付恐怖主义活动，制止暴乱，打击走私贩毒等非军事行动增多。
在这些行动中，要尽量的做到减少人员的伤亡和财产的损失以及环境的破坏，其次，在处理一般性人群静坐，非法聚集，或在重要任务中需要驱散围观人群等场合，非致命性武器要起到很大的作用，也是武警部队和公安部门的重要装备，有着非常广泛的运用前景。
而在我国，多年来，对于反恐防暴，抢险救灾，尤其是规模较大，人群密集的治安现场缺乏有效的处置办法。
而目前的我国的警用装备中没有可以有效的解决此类问题的装置，没有相应的非杀伤性武器，在人群密集的危险地区无法做到及时的疏散和警示工作。
本文即为构想一种定向强声拒止系统，实现高指向性强声波集束发射，拥有较强的威慑力，可以利用这一系统制作相应的警用设备，实现对现场远距离喊话，近距离驱离人群的效果。
可以广泛运用于公安现场指挥，交通管制，人群疏导以及反恐防暴。
一、声音武器
所谓声音武器，就是以声音传播为手段，达到有效对制定目标的控制或者伤害的结果，作为冷兵器早已结束后的今天，这一手段特点及其鲜明：
慑人心智，毙敌于无形；扰其行为，击敌以措手不及。
例如，婴儿的号啕大哭让人心烦，飞机巨大的轰鸣会让鸟瞬间死亡，如果把这些向四周扩散的声音集成一束声波，那就成了“声音武器”。
二﹑工作原理
（一）声音的选取
人对外界的感知和耐受程度都是有所不同的。
对于声音，人的耳朵能够听到频率在20到20000赫兹之间的声音。
虽然，人耳鼓膜的薄厚有着细微的差别，但对于频率段接近16000赫兹的锐响都会反映出不同程度的不安或反感。
而对于低频波段，如果声压不是很强，人们几乎是完全可以接受的，然而，对于低于20赫兹的次声，尤其是低于7赫兹的高强度次声对人体有致命危害，因为人体肌肉、内脏器官都有其固有的振动频率，当这种较低的固有频率与次声波的频率相同时，就会发生共振，产生较大的振幅和能量，从而造成人体结构的巨大破坏而死亡，同时，会有和人的神经器官固有频率相同的次声波，对人的心理和意识方面产生较大的影响。
而对于这种定向强声拒止系统，既要起到疏散人群、建立隔离区的作用，同时还不能对人产生永久性的﹑致命的影响和伤害。
因此，应将这一系统释放的声音的频率段接近于16000赫兹，产生尖锐的响声，例如可以产生高强度的警报声、口哨声、爆炸声或其他声响。
同时，对于产生的声音的强度也要选取适当的范围，音量在70分贝就是很大的声音，若长期暴露在90~100分贝的噪音下会使听觉减弱，当声音强度接近135分贝时候，就会使人导致疼痛。
因而，为了起到一定的震慑的效果，就要让该系统将要释放的声音放大到约为130~140分贝之间。
其次，人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有关，如果将人耳在听到不同频率纯音（正旋波）时，对所有具有相同音量感的声压用一条曲线表示，所得到的曲线图称为等响曲线。
上图即为人耳的等响曲线，纵轴代表声压，横轴代表频率，每一条线都代表着耳朵听上去声音大小相当的声音。
在等响曲线上，可以反映出人对不同声音产生同一响度感受时，声压级与频率的对应关系，在扩音的过程中可以作为一个很好的参考。
例如，200Hz的30dB的声音和1kHz的10dB的声音在人耳听起来具有相同的响度，这就是所谓的“等响”。
之前分析过可以选取频率段接近于16000赫兹声音响度为130~140分贝之间的声音来进行放大，作为强声拒止系统来起到非杀伤性武器的作用。
但在实际中，且不说很难采集到合适的可以起到最佳效果的声音，如果只是把选取的声音进行放大，难免会使声音失真而达不到预期的效果，这就需要参考人耳的等响曲线，通过对比试验，将可以对人产生相同听觉效果的，易于采集和放大后失真较小的声音作为选取的声音，来作为该系统的声源，从而起到最佳的效果。
（二）相位失真
对于已经选取好的声音，要想使其发挥出我们想要的作用单单将其放出来是远远不够的，同时要考虑到将选取到的声音进行放大。
但是将声音的传输的过程中难免会使传输的声音产生相位失真。
所谓的相位失真是指讯号由放大器输入端至输出端所产生的时间差。
在传输之后，这个时间差越小越好，否则就会影响负回输线路的工作，另外，相位失真也会和瞬态响应有关。
对于相位失真的产生，是由于电容和电感对交流信号（电压或电流）具有延迟作用。
当一个交流信号经过电容﹑电感和电阻的时候，会产生一个充电放电的过程，这就会导致交流信号的幅度变化的时间与原本的相比往后延迟一段时间。
在对于声音的放大的电路设计中一定会有交流放大器，在交流放大器中，任何一个放大电路或者元器件我们都可以通过等效电路转换成电感、电容、电阻和理想有源器件的组合，即使是性能很好的器件以及传输线路是无法达到理想的效果的。
总之相位失真是不可能完全消除的，但是可以通过电路的优化设计来尽量减小相位失真的影响。
简单的来看，相位失真仅仅是把所有的信号向后推迟了一会儿，但并不是简单的将听到的声音的时间向后推迟，相位失真对于听感的影响是十分微妙的。
在立体声重放的声学原理中，人对声音方向和距离的判断主要来自于三个方面。
一是响度优先。
当两个来自不同方向同样频率的声音同时到达人耳的时候，我们会认为那是一个声音，而且会感到声音是由两个声源的中间传来，但是，当两个声源的响度差超过一定大小时，无论声源的距离有多少，弱小的那个声源几乎不起任何作用。
二是时间优先。
两个频率相同的声源同时发声，离人耳比较近的那个声源比较占优势，也就是最先到达人耳的声音优先，成像点会比较靠近较近的声源。
也就是说，当两个声源的时间差大于一定数值时，我们则会感到是两个声源了，不能被合成单一的成像点。
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F-三是耳廓、耳道效应。
这是声音在耳廓和耳道内反射时产生的很复杂微妙的生理声学现象。
比较普遍的说法是主要有两个方面的影响，一是反射，使得声音发生微小的时滞，不同方向的声音产生的时滞不同；二是吸收，反射次数较多的声音的高频部分会被吸收较多，通常面部正对音源的时候吸收最少，听到的细节最为丰富，响度也较高。
因此，我们可以看出，“时间差”对于声像的定位起着非常重要的作用。
但是，理论上来看单纯的相位失真并不足以影响听感，相位失真或许并不会影响到强声系统释放出的声音对于人的感觉，但是实际上相位失真根本就不是单纯的，这种不单纯的相位失真则会产生各种影响，主要有以下几个方面：
一是立体声系统中左右声道相位失真不一致。
这是比较普遍的情况，也就是在同一个频率下，两个声道产生的延迟会有差异。
当这个差异比较大的时候，就破坏了两个声道中声音信号的相位关系，使得声像发生偏移，当然，这还不足以造成太大的问题，如果这种偏移是固定不变的，那么我们仍然不会察觉出来。
但是会有另外一个情况发生，就是我们对于时间差的变化所对应的声像位置并不是“线性”的，也就是说，这个时间差只有在一定范围内才会使得声像的位置发生较大的改变，如果太大就会分裂成两个成像点，如果太小，则基本无法察觉，并且，这还和声音的频率有很大的关系。
于是，某些声音由于频率比较适当而近似的处于原来的位置上，而另外一些声音则会偏离应有的位置。
这样就会造成声像的重叠，也就是通常所说的“声场混乱”。
这时所发出的声音就会很嘈杂，不能将原来的声音放大后真实的释放出来，若在强声系统中出现这种问题就会使人听到杂乱的声音，而无法起到震慑人群的效果。
二是不同的响度下相位失真的不一致。
对于一些比较低档的音响器材来说，这是非常普遍的现象。
某些器材在小功率输出下相位失真还比较效小，一旦输出功率增大，相位失真急剧增加，通常这种增加的幅度在两个声道中是不一致的，因此同时加剧了声道间相位失真的差距，造成声像定位的混乱。
此外，所发出的声音不是单调一致的，其响度是变化的，因此在一个相位失真严重的系统中，声音响度的变化会造成其结像点的漂移，使得我们感到这个声音在前后左右晃动，相位失真越大，晃动范围越大，这样就会严重影响听感。
使所听到的声音与原先的声音产生很大的差距。
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三是强音和弱音的时间关系改变。
这是相位失真的最大害处。
我们知道，我们的耳朵具有一定的“掩蔽效应”。
这个效应的意思是，当一个强音和一个弱音同时出现时，如果相差的响度大到一定程度，我们将不能感受到那个弱音的存在。
由于相位失真的频率差异特性，有可能会把两个原本分开的声音叠加到一起，当这两个信号的响度差异较大的时候，微小的声音就会“消失”了。
相位失真和系统的瞬态响应以及信噪比共同控制着这个系统对于弱音的表现能力，其中任何一个指标的缺陷都会造成系统细节表现变差。
这或许看起来对于强声系统不会产生太大的影响，但我们所设计的这一系统要具有可以对着群众进行喊话的功能，如果在强声威慑的同时进行喊话警示，没有对于声音信号进行一定的相位的调整，就会无法听到喊话的内容，使得使用的效果下降。
四是不同频率的信号相位失真的不一致。
这个现象是针对于音质调整而言的。
由于音乐中的高频往往含量比较少，弱音很多，所以不同频率的相位失真的不一致也会造成高频信息的损失。
另外一个最重要的是，乐器的声音是由一些基音、谐波，以及它们的响度、时间关系等组成的，破坏了时间关系，就会导致乐器声音的质感发生变坏，某些谐波会被增强或者掩蔽。
另外，由于这种和频率有关的影响会加剧互调失真的程度，也会对听感产生恶劣的影响。
这一点对于我们所设计的强声系统没有太大的影响，仅作为了解。
综上所述，要想使所得到的强声拒止武器能够达到我们所预期的效果，即能够驱散人群起到警示的作用，就要首先选取一段可以对人产生威慑效果的最合适的声音，其次，要将这段声音放大并减弱放大所产生的相位失真的问题，从而起到预计的效果。
三﹑设计结构
针对于以上的对于这一强声系统的原理的分析，我们大致设计的这一种定向强声拒止系统的结构如下图：
我们将这一系统的结构大致分为五个部分，其中1连接一个话筒，在对人群中进行喊话时可以使用。
2是一个类似于音响的结构，它的作用是将我们之前选取好的对于驱散人群的最合适的响度和频率的声音进行存储。
3是一个音频放大器，其作用是将1和2传输过来的声音进行不同程度的放大。
4是作为声音信号的相位的控制器，对于放大器输入端至输出端的声音信号进行相位控制，在一定程度上来减弱相位失真所产生的影响。
5是一个喇叭阵列，其作用是将从4传输过来的声音信号进行释放，形成一个定向的波束，从而使得这一系统更加具有威慑力。
接下来我们将分别对于这些结构进行介绍。
（一）话筒声音处理
对于设备1，是一个对于声音的处理的系统，主要是对于由话筒传输过来的声音信号进行处理。
可以在这里设置一个均衡器和调音台，对于话筒传输的声音信号进行修饰和调节，使得所得到的声音更加清楚。
这一系统中的话筒的作用是用来对人群进行喊话，如果只是直接用话筒讲话所得到的声音一定会有相应的杂音产生，若直接将这种声音传到接下来的放大器和扬声器中，难免会使得杂音也会相应的放大并放出，就会让喊话声变得模糊，所以要有1这一设备对于喊话声进行相应的调节。
其中，均衡器是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用。
利用均衡器进行调整，就会使得声音的音色起到一些变化，变得明亮，清楚，使得在喊话的过程中能够让对方确实听到。
调音台的作用是将输入的声音信号调整之后再输出，起到信号的放大和信号中各种参数的均衡的作用。
因为话筒所产生的音频信号是非常微弱的。
而另外一些设备的输出信号，比如合成器，音频接口的输出等等，他们的信号比话筒的信号强很多倍，而且他们的信号大小也是各不相同，参差不齐。
这样进行调整之后使得所传输的由话筒产生的声音更加平稳而易于放大。
（二）声源的存储
设备2的作用是将我们所选取的最适合威慑人群的声音进行存储，以便于在需要使用的时候将其打开，将要使用的声音信号传输到之后的设备中。
之前的在声音的选取中我们提到过可以利用人耳的等响曲线，将可以对人产生相同听觉效果的，易于采集和放大后失真较小的声音作为选取的声音，来作为该系统的声源，从而起到最佳的效果。
对于这一声音的具体的选取，可以通过实验来进行测定从而得到，而设备2就类似于一个录音器和扬声器的组合，利用其录音的功能将实验所得到的声音录制下来，再利用其所带有的扬声器从而将录制下来的声音信号传输到接下来的装置中。
（三）声音的放大
装置3的作用是将由设备1和设备2传输过来的声音信号进行放大，应在此处设计一个音频放大器的电路。
应当注意的是对于设备1和设备2所传输过来的声音信号要分别对应一个相应的放大电路。
因为设备1所传输过来的是喊话所产生的声音信号，这个声音的目的是为了让对方能够听清所说的内容；而设备2所传输的声音信号，其目的是让人产生一定的不舒适感觉，并且要在响度上起到相应的震慑效果。
因此，二者所输入到放大器的声音信号的频率是不相同的，对于不同的频率的声音，在其对应的放大器的电路中要采用不同的连接方式和不同型号的电路元件，以使得放大后的声音的频率以及音色能够更加接近于原来的声音。
对于来自于设备1的声音信号，在放大的过程中对于声音的响度要控制在一定的范围内，以确保放大的声音能够确实的让对方清楚的听到，但同时也不可以太过响亮而影响到对方的听觉产生短时间的耳鸣而无法听清。
对于来自设备2的声音信号，在放大的过程中要依照于之前的人耳的等响曲线，在某一声音频率下应当放大的最合适的声音的分贝数，从而产生最佳的效果，但同时也要控制好这一声音的具体的放大的分贝数，不能太小而无法达到预想的效果，也不能太大使得声音的频率不稳定，因此这里应当设计一个可以进行调节的电路，可以在实际的运用中针对不同的情况进行相应的调节。
这里还要注意到之前提到过的耳朵具有一定的“掩蔽效应”。
当一个强音和一个弱音同时出现时，如果相差的响度大到一定程度，我们将不能感受到那个弱音的存在。
所以对于设备1和设备2的使用要灵活，尽量不要同时使用而互相干扰，即使同时使用时，也要把握好相应的放大的分贝数，通过装置3的调节和放大，使得系统释放的声音在威慑和喊话警示中达到最佳的效果。
（四）相位控制
装置4的作用是用来对传输的声音进行相位控制的，但将其作为一个装置来表现出来是比较牵强的，因为装置3即放大器电路的设计会影响到相位失真，而之后的装置5的摆放也会影响到相位失真，所以将其单独作为一个设备来进行相应的相位控制只是为了便于设计，在相应的处理这一问题的方式是比较复杂的。
而且，通过上述相位失真的分析中，我们可以知道相位控制是很重要的。
虽说目前还不存在彻底避免相位失真的技术。
但如何能把相位差减少到最小，则是在设计时要考虑并研究的问题了。
即相位的控制。
具体的控制方法要根据收集到的声源差距，放大器的型号和具体参数而定。
因为不同声音频率的相位失真不一致，不同型号参数的放大器的相位失真也大相径庭。
总的而言，对放大器性能方面的要求，也就是在设计时要充分考虑放大器相位失真的一致性，同时，由于信号在传输过程中由于其自身具有电容和电感，也会产生相位失真，同样也需要得到一定的重视。
（五）喇叭阵列
装置5是一个喇叭阵列，其作用是将之前产生的声音释放出来，形成一定的声音波束，使得释放出来的声音更加具有威慑力，同时喇叭阵列的相应的摆放也会在一定程度上减小相位的失真。
我们对于单一的喇叭和喇叭阵列进行比较分析：
单一喇叭的各频率的声音在各方位角的强度分布中，由下面两张图中可以看出，高频声音能量集中在正前方，而低频则圆形较平滑，在各方位角的强度变化都不大，波形似乎向四周均匀传播，充分说明了声音在越高频的情況下越有其方向性。
不同频率之阵列喇叭声波在各方位角的强度分布中，我们发现阵列喇叭较单一喇叭更具有指向性，尤其是在高频时更为明显，我们比较下面两张图形中，看出低频的声音经得起距离的考验，较不容易衰減；而高频的声音虽然在方位角0°時有较强的音量，但距离一长其强度便会迅速衰减。
并且发现在2400Hz声音时，左两侧40度出现次级能量集中区。
利用电脑进行模拟2400Hz波源的叠加情况，可以得到下图：
所以单一喇叭及阵列喇叭均有频率越高，指向性越佳之特性；而相同频率下阵列喇叭指向性较单一喇叭为佳。
因此，将喇叭矩阵设置为这一强声系统中释放声音的装置，就能够使其有更好的指向性，从而有一个定向释放的作用，能够更加精确的打击到需要指定打击的对象，使得这一定向强声拒止系统在使用的范围和方式更加的广泛。
四﹑总结
随着社会的发展，社会的安定是极其重要的。
这就需要公安部门能够有着更加先进非杀伤性武器来应对社会中可能会发生的动乱的现象。
从原理上来看，我们所设想的这种定向强声拒止系统就是可以在今后的公安工作中起到有力的作用。
而且这种系统在国外有着很大的重视，但技术原理的可行到工程化的实现是一个很漫长的过程，这种定向强声拒止系统研制所面临的关键的问题，或者说是研究的难点是定向波束的形成，声音强度的放大，以及相位失真的减弱，仍要经过不断的研究实验。
另外，作为一种非杀伤性武器，其强度剂量和安全阈值仍在国际中尚有争议，也是需要研究的一部分内容。
虽然，目前的这些难点没有解决，但随着这一系统相应的技术的不断完善和发展，一定能成为今后公安队伍中强有力的武器。
【参考文献】
[1]XX文库《阵列喇叭的声场研究》
[2]DouglasSelf《音频功率放大器设计手册（第四版）》
[3]周介群《未来战场的新“杀手”：
声武器》
[4]XX文库《专业音响中的相位问题》
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