专利名称：微型多声道声频定向扬声器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可应用于手机等便携电子设备的微型多声道声频定向扬声器，属于电子技术领域，特别涉及扬声器领域。
背景技术：
传统的扬声器直接向空气中辐射频率在可听声频段范围内的声波，声波发散，难 以实现声音定向性。声频定向扬声器通过超声波在空气中的非线性交互作用产生高指向性 的可听声，而不依赖扬声器固有的特性。其主要工作原理是扬声器向空气中发射调制有可 听声信号的超声波，由于空气非线性传播效应解调了携带音频信号的超声波调制信号，产 生出高指向可听声。与传统的扬声器系统比较，声频定向扬声器系统具有输出声音指向性 高，传播距离远等优点，在诸如博物馆、国际会议等要求存在多个互不干扰的声源的场合具 有重要的应用。但是现有的声频定向扬声器传播方向单一，不能同时满足多人同时接收信 息的需要。为听众造成了使用的不便。本发明中提出了通过在多个指定位置装置换能器， 以及控制换能器转动方向的方式达到声频信号多声道传播的特点。“微型多声道声频定向扬声器”是基于微机械加工技术设计终端换能器，利用多个 微型超声换能器分别将含有该音频信号信息的超声波信号发射到空气中，经非线性解调效 应产生多方向高指向性可听声的一种高新微型扬声器。微型超声换能器则使得声频定向扬 声器的应用领域扩展到了如手机等便携式电子设备，为个人移动设备的使用者带来了全新 的使用体验。微型声频定向换能器可以采用PZT、PVDF、磁致伸缩材料或其它具有压电效应的材 料。由于当外加适当的电激励信号时，压电材料即可产生较大的机械位移或压力。因此， 将含有音频信息的超声波激励信号施加在换能器上，便可转化为机械振动，将信号发射出 去。但是，单个换能器单元输出功率小，指向性差，接收灵敏度低，因此，本发明采用换能器 阵列，旨在改善换能器指向性、增加传输距离、提高输出声压级、增大输出功率等。本发明，换能器的摆放位置经过严格计算，转动角度范围在正负30°之间，通过对 换能器的控制，音频信号可以覆盖360°范围。
发明内容
本发明的目的是通过应用压电材料(PZT或PVDF)、磁致伸缩材料或其他具有压电 效应的材料，制作微型声频定向换能器，该换能器能够在20Hz 500kHz频带范围内有效地 工作。将上述换能器按照指定位置排列，并使用微机械加工技术制成的微致动器为微型声 频换能器提供机械偏转动力，使得微型声频定向换能器能够产生空间上的偏转角。以进一 步解决现有的声频定向扬声器的传播方向单一的问题，实现声音多声道定向传播的效果。本发明提供的微型多声道声频定向扬声器包括多个单元组成的阵列式微型声频定向换能器；对应于上述换能器的一个或多个微致动器；
一个前置低通滤波器，用以滤除音频信号频带外成分；一个AD转换器，用以将模拟音频信号转换为数字信号；一个信号处理器，用以对AD采样的音频信号进行处理；一个DA转换器，用以将信号处理器输出的数字信号转换为模拟信号；一个或多个带通滤波器，用以将DA输出的数字信号转换为模拟信号，经功率放大 后送给多个方向可调的阵列式微型声频定向换能器，通过换能器将电信号转化成超声信号 按多方向传播。超声信号将在空气中自解调产生高指向性可听声信号，实现产生多声道的 效果。通过控制微致动器，可微调换能器角度。
图1示出了微型多声道声频定向扬声器的工作流程图；图2示出了微型多声道声频定向扬声器的总体结构图；图3示出了微型多声道声频定向扬声器的终端换能器阵列示意图；图4是阵列式微型换能器各子阵列配以微致动器实例的转动示意图；图5示出了换能器转动角度示意图。
具体实施例方式本发明旨在设计一个能多声道传播的微型声频定向扬声器，现在参照附图中示例性实施对本发明进行详细说明。但本发明的内容并不由此受到限制，相关领域的其它人员 在此基础上所做改善及应用应视为在本发明内容。图1示出了微型多声道声频定向扬声器的硬件示意性结构。声频定向扬声器由低通滤波器1、模数转换器2、信号处理系统3、数模转换器4、带通滤波器5、功率放大器6、微 致动器7以及换能器8构成。音频信号通过低通滤波器1滤除音频信号的带外成分，并输 入到声频定向扬声器中。滤除音频带外成分的音频信号处于20Hz 20kHz范围内，由模数 转换器2将其转换为数字信号。位于模数转换器2后的信号处理系统可由单片机、专用信 号处理芯片(DSP)、现场可编程逻辑门器件(FPGA)构成等其它能进行数字信号处理的集成 芯片或其它能实现调制算法的模拟电路，它将对AD转换器2输入的数字信号进行处理，并 将处理后的信号送入数模转换器4，将数字信号转换为模拟信号。在数模转换器4之后经信 号带通滤波器5对信号频率带宽进行限制，滤除信号不需要的带外成分，然后送至功率放 大器6放大、换能器8则用于将电信号转换为声信号并同时向多方向发射。换能器发出的 超声信号携带输入的音频信号信息，在空气中发生非线性作用，解调为可听声。微型声频定 向扬声器系统在多个特定位置安装换能器8，同时可以通过微致动器7调节其方向，进而实 现声音多声道定向传播。，图2示出了以手机为例，微型多声道声频定向扬声器的总体结构图，通过键盘9控 制中央控制器10播放音频信号，经中央控制器10调制后的信号送至多组换能器11，同时中 央控制器控制微致动器12调整换能器的方向，可通过显示器13直观显示。图3示出了根据相控阵原理以及超声解调原理，由换能器单元14组成的正四边 形，六边形结构的微型多声道声频定向扬声器的终端换能器阵列，换能器单元14可以采用 PZT、PVDF、磁致伸缩材料或其它具有压电效应的材料。将含有音频信息的超声波激励信号施加在换能器上，便可转化为机械振动，将信号发射出去。为改善换能器指向性、增强传输 距离、提高输出声压级、增大输出功率，终端发射器采用换能器单元组成的阵列形式，本发 明设计的阵列并不局限于这两种结构，阵列可以是圆形，三角形，矩形等任意多边形。图4示出了微型换能器各子阵列15配以微致动器16实例的转动示意图，图4a显 示微致动器没有接到中央处理器10转动指令的时候，换能器的状态；图4b，4c，4d显示当中 央处理器10发出转动指令后，微致动器控制换能器转动后的情形。图5示出了换能器转动角度示意图，本发明采用微致动器控制换能器转动的角 度，最小转动角度1°，最大偏转角度达30°。
权利要求
一种微型多声道声频定向扬声器，由低通滤波器1、模数转换器2、信号处理系统3、数模转换器4、带通滤波器5、功率放大器6，微致动器7和换能器8八大部分组成。其中信号处理系统3可由单片机、信号处理器(DSP)或现场可编程逻辑门阵列(FPGA)构成。
2.根据权利要求1的微型多声道声频定向扬声器，其特征在于系统工作频率 20Hz-500kHzo
3 根据权利要求1，该系统可同时向多方向定向传播音频信号。
4.根据权利要求1，终端换能器可通过中央处理系统控制微致动器实现换能器微调， 最小偏转角度1°，最大转动角度30°，实现音频360°范围全平面覆盖。
5.根据权利要求1，所述的微型多声道声频定向扬声器，其特征在于，所述的功率放大 器的种类可以是模拟类功率放大器，包括A类，B类，AB类等，也可以是数字类功率放大器， 包括D类、E类和T类等。
6.根据权利要求1、4，各微致动器可以控制各个换能器单元偏向同一方向，也可以控 制各个换能器单元偏向不同方向。
7.根据权利要求1，该系统特征在于，所用于发射超声波的微型声频定向超声换能器 的材料可以为压电、磁致伸缩等能将电能或磁能转变为机械振动的材料；微致动器的执行 机制可以是静电力驱动、磁致伸缩驱动、电磁力驱动、压电力驱动、动热膨胀力驱动、气动、 凝胶致动等等。
8.根据权利要求1，7，该系统终端换能器采用阵列形式，阵列可以是圆形，三角形，四 边形等任意多边形。
9.根据权利要求1，7，8，所述的换能器阵列，其特征在于，阵列中包含单元的个数在2 个至1000个之间。
10.根据权利要求1，7，8，9，所述换能器的阵列，其特征在于，所采用的阵列单元可以 为同种单元或者是采用不同的单元。
全文摘要
微型多声道声频定向扬声器，属于电子技术领域，尤其涉及扬声器领域。微型多声道声频定向扬声器是基于微机械加工技术设计终端换能器，由低通滤波器1、模数转换器2、信号处理系统3、数模转换器4、带通滤波器5、功率放大器6、微致动器7和换能器8构成。音频信号经低通滤波器1滤波，再经AD转换器2转换成数字信号。信号处理系统3可由单片机、信号处理芯片及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)或其它能够完成调制的数字电路构成，用以对模数转换器2输出的数字信号进行处理，经调制的信号由数模转换器4转换为模拟信号，经带通滤波器5进行滤波后，送至功率放大器6放大，不同位置的换能器8分别将其转换为音频信号，并且通过微致动器7对换能器角度进行调整，向多方向发射。实现可听声多声道定向传播。
文档编号H04R1/32GK101820564SQ20101012475
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者刘强, 张莹, 徐利梅, 李学生, 王祎, 许亮峰 申请人:电子科技大学