2024电赛G题简易超声波录音屏蔽系统：换能器驱动、噪声调制与扫频策略全解析

简介：这份资源是2024年全国大学生电子设计竞赛G题「简易超声波录音屏蔽系统」的完整参赛作品，面向电子信息、通信工程、自动化、计算机等专业的在校学生与指导教师，也适合作为课程设计、毕业设计或项目立项的参考范例。压缩包共880个文件，约13.24MB，以C语言源码与头文件为主体，辅以汇编启动文件、STM32CubeMX工程配置、Keil工程文件、器件手册与原理图截图等，覆盖从底层驱动到系统集成的完整链路。目前已有3001人学习下载，说明该方案在电赛备赛群体中具有较高参考价值。读者可获取经过实测运行的完整工程，理解超声波录音屏蔽的硬件选型、信号调制与软件控制思路，并借助工程配置与目录结构快速复现实验环境；代码结构清晰，便于在此基础上修改扩展，用于二次开发或功能验证。资源仅供学习参考，请勿用于商业用途。

1. 电赛G题简易超声波录音屏蔽系统：从赛题到能跑通的完整路径

2024年电赛G题要求做一个简易超声波录音屏蔽系统，核心目标是用超声波干扰录音设备的拾音，让手机、录音笔在有效范围内录不到清晰人声。这个题在赛场上翻车的队伍不少，问题基本集中在换能器选型、驱动功率和扫频策略三件事上。它适合正在准备电赛控制类或信号类题目的同学，也适合想搞明白超声波换能器怎么驱动、怎么调参数的硬件爱好者。整篇内容围绕方案选型、源代码结构、配置方法和实测踩坑展开，读完你能自己搭出一套能用的系统，而不是只停留在仿真波形上。

这个题的本质不是“发出超声波”那么简单。录音设备的MEMS麦克风或驻极体麦克风有AGC自动增益和抗混叠滤波，单纯发一个固定频率的超声，很多手机会直接把它滤掉。真正有效的做法是让超声信号携带噪声调制，落在麦克风非线性区产生互调失真，从而在可听频段内生成干扰。所以方案里必须同时解决三件事：换能器在40kHz附近的谐振匹配、驱动级的功率和散热、以及调制信号的生成方式。下面按实际调试顺序拆开讲。

2. 超声波换能器与驱动电路：选型逻辑和最小验证电路

2.1 为什么选40kHz开放型换能器而不是密封型

市面上常见的超声波换能器分开放型和密封型两类。开放型（比如TCT40-16T/R系列）背面有开孔，谐振频率典型值40kHz，带宽约2kHz，适合空气耦合发射。密封型防水但Q值更高、带宽更窄，做扫频屏蔽时反而不好用，因为频率稍微偏一点效率就掉得厉害。我一般选开放型发射头，接收头用同型号配对，方便做回波验证。

换能器等效电路可以看成一个RLC串联谐振网络：静态电容C0并联在谐振支路上，谐振支路由动态电感L1、动态电容C1和动态电阻R1组成。在40kHz谐振点，阻抗最低，电流最大。如果你直接用单片机IO推，驱动能力不够，波形会被C0吃掉。所以必须加驱动级。

2.2 用IR2110半桥驱动换能器的最小电路

驱动级常见做法是半桥或全桥。半桥够用，全桥功率更大但发热也明显。下面是一个用IR2110驱动半桥的最小配置，单片机输出两路互补PWM，死区时间设500ns左右。

// STM32 TIM1 互补PWM初始化，40kHz载波 // 系统时钟72MHz，预分频PSC=0，自动重载ARR=1800-1 // 40kHz = 72MHz / (1800 * 1) 实际约40.0kHz void PWM_Init(void) { GPIO_InitTypeDef gpio; TIM_TimeBaseInitTypeDef tim; TIM_OCInitTypeDef oc; TIM_BDTRInitTypeDef bdtr; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // PA8 和 PA9 作为互补输出 gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9; gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &gpio); tim.TIM_Prescaler = 0; tim.TIM_Period = 1800 - 1; // 40kHz tim.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; tim.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM1, &tim); oc.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; oc.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; oc.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable; oc.TIM_Pulse = 900; // 50%占空比 oc.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; oc.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High; oc.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset; oc.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset; TIM_OC1Init(TIM1, &oc); TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); // 死区时间：72MHz下约500ns TIM_BDTRConfig(TIM1, &bdtr); bdtr.TIM_DeadTime = 36; bdtr.TIM_Break = TIM_Break_Disable; bdtr.TIM_LockLevel = TIM_LockLevel_OFF; TIM_BDTRConfig(TIM1, &bdtr); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE); TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); }

这段代码的关键参数是ARR和死区。ARR=1800对应40kHz，如果你换能器实测谐振在38.5kHz，就把ARR改成1869左右。死区太小会导致半桥直通发热，太大会让输出波形失真，500ns是折中值。IR2110的自举电容用1μF陶瓷加10μF电解并联，自举二极管选UF4007，普通1N4148恢复太慢会发热。

2.3 用示波器确认换能器两端波形

焊好驱动板后，先不接换能器，用示波器看半桥输出应该是干净方波。接上换能器后，波形会变成近似正弦，峰峰值在15V到20V之间。如果峰峰值只有几伏，说明匹配没做好，常见原因是串联匹配电感没加。在换能器一端串一个1mH到2.2mH的电感，再并联一个可调电容，调到波形最干净、电流最小即可。这一步没有捷径，必须实测。

3. 噪声调制与扫频策略：让录音设备真正录不到人声

3.1 为什么固定频率超声对手机录音无效

很多队伍一开始只发40kHz正弦波，结果手机录出来只有轻微底噪，人声依然清楚。原因是手机麦克风前端有低通滤波，40kHz直接被滤掉。但麦克风振膜和前置放大存在非线性，当超声强度足够大时，会产生互调。如果你只发单频，互调产物也是单频，落在可听区就是一个固定哨音，反而容易被后期滤掉。有效做法是用白噪声或伪随机序列对40kHz载波做幅度调制，让互调产物铺满可听频段，形成类似宽带噪声的掩蔽效果。

3.2 用STM32定时器生成噪声调制PWM

下面这段代码用TIM3产生调制信号，通过查表方式输出伪随机噪声，再和TIM1的40kHz载波做与运算。实际实现时可以用TIM1的刹车输入或者外部触发来门控，但更简单的做法是直接改TIM1的CCR值做幅度调制。

// 伪随机噪声调制，更新TIM1占空比 // 调制速率约20kHz，噪声表长度256 const uint16_t noise_table[256] = { /* 预生成的伪随机数，范围0-900 */ }; void TIM3_IRQHandler(void) { static uint8_t idx = 0; if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); // 更新TIM1占空比，实现幅度调制 TIM1->CCR1 = noise_table[idx]; idx++; } } void TIM3_Init(void) { TIM_TimeBaseInitTypeDef tim; NVIC_InitTypeDef nvic; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); tim.TIM_Prescaler = 0; tim.TIM_Period = 3600 - 1; // 72MHz/3600 = 20kHz调制率 tim.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; tim.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3, &tim); TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); nvic.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; nvic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; nvic.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; nvic.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&nvic); }

调制率选20kHz是因为要覆盖人声主要频段（300Hz到3.4kHz）的互调产物。噪声表的值范围要和ARR匹配，最大不超过900，否则占空比超过50%会导致半桥上下管同时导通风险。如果你发现干扰效果不够，可以把调制率降到10kHz，让互调分量更集中在中低频，但别低于5kHz，否则超声载波本身会被听出哒哒声。

3.3 扫频还是固定频率：实测对比

固定40kHz在近距离（30cm内）效果可以，但超过1米衰减很快。扫频策略是在39kHz到41kHz之间以100Hz步进循环，每个频点停留2ms。这样做的代价是每个频点的有效功率下降，但能覆盖换能器谐振点漂移和不同录音设备的滤波差异。我实测下来，扫频在1.5米处比固定频率多衰减约6dB人声，但电路复杂度不变，只是改一下定时器重载值。建议赛场直接用扫频，别赌固定频率。

4. 源代码结构与配置方法：从工程目录到参数落盘

4.1 工程目录怎么分才不乱

一套能复现的工程，目录结构比代码本身还重要。我一般这样分：

project/ ├── Core/ │ ├── Inc/ │ │ ├── pwm.h │ │ ├── noise.h │ │ └── config.h │ └── Src/ │ ├── main.c │ ├── pwm.c │ ├── noise.c │ └── stm32f1xx_it.c ├── Drivers/ │ └── STM32F1xx_HAL_Driver/ ├── MDK-ARM/ │ └── project.uvprojx └── config.ini

config.h里放所有可调参数，别把魔数散落在各个.c文件里。下面是一个配置头文件的例子。

// config.h 所有可调参数集中管理 #ifndef __CONFIG_H #define __CONFIG_H #define CARRIER_FREQ_HZ 40000 // 载波频率 #define SWEEP_START_HZ 39000 // 扫频起点 #define SWEEP_END_HZ 41000 // 扫频终点 #define SWEEP_STEP_HZ 100 // 扫频步进 #define SWEEP_DWELL_MS 2 // 每频点停留时间 #define MODU_RATE_HZ 20000 // 调制率 #define DEAD_TIME_NS 500 // 死区时间 #define PWM_DUTY_MAX 900 // 最大占空比对应CCR #endif

这样改参数只需要动一个文件，重新编译即可。赛场上时间紧，别把参数写死在中断里。

4.2 主循环里做什么

主循环不干重活，只做状态机和按键扫描。扫频更新放在定时器中断里，每2ms换一个频点。主循环负责检测按键，切换“固定频率/扫频/关闭”三种模式。下面是一个简化状态机。

typedef enum { MODE_OFF, MODE_FIXED, MODE_SWEEP } sys_mode_t; volatile sys_mode_t g_mode = MODE_SWEEP; volatile uint32_t g_current_freq = CARRIER_FREQ_HZ; void Sweep_Update(void) { static uint32_t freq = SWEEP_START_HZ; freq += SWEEP_STEP_HZ; if (freq > SWEEP_END_HZ) freq = SWEEP_START_HZ; g_current_freq = freq; // 根据g_current_freq重算ARR并写入TIM1 TIM1->ARR = (72000000 / freq) - 1; TIM1->CCR1 = (TIM1->ARR + 1) / 2; // 50%占空比 }

注意ARR重载后CCR也要跟着变，否则占空比会漂。这段代码放在TIM3中断里每2ms调一次，实际扫频周期是(41000-39000)/100 * 2ms = 40ms，人耳听不出扫频声，但录音设备会持续受到不同频点的互调干扰。

4.3 配置方法：上电前必须确认的三件事

第一，用万用表测半桥输出对地电阻，确认没有短路。第二，示波器看PWM波形，确认死区在300ns到800ns之间。第三，先接假负载（比如100Ω电阻）跑五分钟，摸驱动芯片温度，烫手就降占空比或加散热片。这三步做完再接换能器，能避免烧管。我见过太多队伍直接上电，IR2110冒烟，换一片又冒烟，最后发现是自举电容极性焊反了。

5. 避坑与排查：赛场和实验室里最容易翻车的五个点

5.1 现象：手机录音依然清晰，波形也正常

原因：换能器指向角太窄，或者功率不够。开放型换能器指向角约60度，但实际有效干扰区域只有正前方30度锥角内。解决：把换能器对准录音设备，距离控制在1米内，或者用多个换能器阵列覆盖更大角度。功率不够就提高驱动电压到18Vpp，但别超过20Vpp。

5.2 现象：驱动芯片发热严重，甚至烧毁

原因：死区时间不够导致半桥直通，或者自举电容容量不足。解决：死区调到500ns以上，自举电容用1μF陶瓷并联10μF电解。如果还热，在IR2110的VCC脚串一个10Ω电阻限流，并加小散热片。

5.3 现象：扫频时听到哒哒声

原因：扫频步进太大或者停留时间太短，导致频率跳变被人耳捕捉。解决：步进降到50Hz，停留时间加到5ms。如果还有，在扫频切换时加一个淡入淡出，用PWM占空比从0渐变到50%再切频。

5.4 现象：换能器两端波形削顶

原因：驱动电压超过换能器最大承受值，或者匹配电感饱和。解决：降低供电电压到12V，换用更大电流的电感（比如额定电流1A的1mH工字电感）。削顶会导致超声谐波增多，反而降低干扰效率。

5.5 现象：不同手机效果差异巨大

原因：各品牌麦克风AGC响应时间和滤波截止频率不同。解决：别只测一台手机。至少准备三台不同品牌设备，把扫频范围扩到38kHz到42kHz，调制率在10kHz到25kHz之间可调。赛场评测时如果只针对一台设备，风险很大。

6. 进阶技巧：用接收换能器做闭环功率校准

最后一章说一个我实际比赛里用过的技巧：加一个接收换能器做闭环。发射换能器旁边放一个同型号接收头，接到STM32的ADC上，实时测回波幅度。因为换能器谐振点会随温度漂移，开环扫频在跑十分钟后效率会下降。闭环做法是每扫一轮，记录每个频点的接收幅度，下一轮优先在幅度高的频点多停留。这样能把有效干扰功率提升3dB到5dB。

// 简易闭环：根据接收幅度调整扫频权重 uint16_t rx_amp[21]; // 39kHz到41kHz，每100Hz一个点 void ADC_Scan(void) { for (int i = 0; i < 21; i++) { Set_Freq(39000 + i * 100); Delay_ms(1); rx_amp[i] = ADC_Read(); } // 找最大幅度频点，下一轮在该频点停留时间加倍 uint16_t max_idx = 0; for (int i = 1; i < 21; i++) if (rx_amp[i] > rx_amp[max_idx]) max_idx = i; g_peak_freq = 39000 + max_idx * 100; }

这个闭环不需要复杂算法，只要在扫频序列里给g_peak_freq附近多分配时间就行。实测在连续工作20分钟后，开环方案干扰距离从1.2米降到0.8米，闭环能稳在1.1米以上。代价是增加一个接收头和几行ADC代码，性价比很高。

我自己的习惯是赛前一定用热成像仪看一眼驱动板温度分布，最热的地方往往不是芯片，而是匹配电感。电感选型别抠成本，饱和电流至少留两倍余量。另外，所有参数改完一定重新测一遍波形，别信“应该没问题”。希望帮到你。

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