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1、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A Research and Ideas of A Strong Directional Sound Denial System YANG Hong-yu,ZHANG Kai,WANG Tuo,FU Xiao-j
2、ie(Peoples Public Security University of China Beijing 102623)Abstract: The rapid development in technology today, the sound of weapons such non-lethal weapons has been widespread concern, more and more attention by the army and the police. This article envisages a voice weapon, first introduced the
3、 concept and meaning of the sound of weapons, followed by introduction of the idea of the sound principle and structure of weapons, and finally to the sound of weapons brief practical applications and future prospects.Keywords: Sound of non-lethal weapons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
4、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
5、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
6、，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
7、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90100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130140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
8、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130140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
9、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
10、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
11、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。% l7 W& N Z# n! 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
12、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
13、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
14、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。2 J# E8 . T+ b4 u- b( x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
15、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。
16、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
