本实用新型涉及无线传能、声学通信等技术领域，具体涉及基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置。
背景技术：
在生活中，某些重要的会议因为涉及商业机密或者敏感问题而防止窃听，因此在正常情况下这些会议一般不会使用扬声设备，这样就限制了与会人员的数量，防止因为参会人员众多而听不清楚会议内容。所以需要一种装置，只需开会人在一定的装置覆盖范围内,对着话筒正常说话，与会人员便可通过佩戴的隐形接收端装置(即：耳机)进行接收，从而听到声音，而在特定范围以外的人或者没有信号携带接收终端装置的人均听不见讲话内容。
其次，在旅游景点中，有些人希望有讲解的环节，而又有些人因为了解过，只想安静地欣赏风景。所以在景点处需要有一种装置，在一定的装置覆盖范围内，让希望对景点有所了解的人带上隐形接收端装置（即：耳机），便可听到景点的介绍，而在特定范围以外或者没有携带隐形接收端装置的人是听不见景点介绍，因此不会影响其他游客和自然环境。
类似的应用场景还有很多，利用超声波不被人耳直接听见的特点，搭配基于超声波无线携能通信技术的收发装置，便可对接收对象进行有针对性的选择。而这其中使用到的技术便是基于超声波的无线携能通信，一直以来，非接触式能量传输（Contactless Energy Transfer, CET）都是人们纷纷研究和应用的技术，出现了诸如感应能量传输（Inductive Power Transfer, IPT）、电容性能量传输（Coupled Power Transfer, CPT）、声学能量传输（Acoustic Energy Transfer, AET）、远场电磁能量传输（Far-field EM）和光学能量传输（Optical Energy Transmission）。
AET目前使用的声波和超声波，可以解决传统CET的问题，例如：定向传输、在金属媒介间进行传输、在水里进行传输等、人体深层内部传输等，同时因为超声波的速度相对较慢，波长短，十分适合小型化，适合植入式医学应用，而且没有副作用；同时超声波的频率相对比较低，对于用于高速开关的晶闸管来说，使用寿命更长。
目前距AET的第一次问世已经过去了近30年，有着蓬勃的发展：在低功耗的应用上，Kawanabe和Mazzilli都实现了在生物组织内进行20%的能量传输效率（由于生物体内部多径严重，能量散射严重因而能量传输效率并不高）和9.5Kb/s的数据传输（采用的是RF的传输信道）；Lee在水介质中实现了30mm的能量传输距离，能量传输效率为55%。在大功率的应用上，Arra在38mm厚的金属媒介间实现了100W的能量传输，能量传输效率为88%。在国内，对AET研究和应用则相对起步较晚，各种生活应用正处于开发阶段。
有鉴于此，本实用新型提出基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置与方法，采用声学能量传输AET技术实现携能通信，通过信号发射前端的超声换能器发送对经过扩频编码的超声波，当作为隐形接收端的“隐形耳机”接收到超声波信号后，将超声波转换为电能后对“隐形耳机”进行供能，同时对超声波进行扩频编码输出到耳朵中。因为AET在各种CET中是十分适合小型化的，因此在“隐形耳机”占用的空间并不会很大，可以隐藏在耳蜗内部或者耳背，故而称为“隐形耳机”。
技术实现要素：
在日常生活中，信号接收终端如采用无线携能通信技术，即无需电池，不用考虑续航的问题，发射主装置就可以通过超声波为信号接收终端供电和数据传输，这将会为人们生活提供很大便利。比如在旅游过程中，如果在每个景点都有相应背景的广播介绍，这种私人“导游”只讲给想听的人听，不影响其它人，这对不熟悉景点的人们会有更好的观游体验，并且节省了请导游的开支。又譬如有些十分重要的会议或讲话不希望被旁人窃听，不适合使用扬声器或者广播，而这种装置可以有精准地选择听众，那会议的保密性将会更高。
基于同样的方法和技术，利用超声波的特性，可以应用的方面还有很多，例如利用超声波无法被人耳听到的特性，声音可以有目标地传输到指定人的耳朵中；又例如利用超声波在固体衰减小的特点，对在拥有厚金属壁的密闭空间内的接收终端进行供能与通信，读取内部的传感器数据，这是传统基于电磁波的携能通信无法实现的；同样是利用超声波在人体衰减小的特点，可以对植入式体内接收终端进行供能与通信，为人类的健康监测提供了一种简便可行的方法。
同时，由于超声波的产生和能量的转换是通过压电陶瓷式的超声换能器来实现，所以超声换能器有一个固有的谐振频率，在这个谐振频率进行传输时，能量传输的效率会达到最大。因此，基于超声波的携能通信系统由于超声换能器谐振频率不高的原因，传输系统的载波频率也不高，带宽也相对窄，而采用扩频技术，例如：OFDM正交频分复用技术，能提高带宽利用率，并可以抵抗多径效应和符号间干扰。根据超声波在空气中的传输特性可知，当超声波的频率越低，传播的距离越远，但带宽会随之变短；当超声波的频率越高，传播的距离越近，但带宽会随之变宽。因此可以根据应用场合的不同，传输距离的远近等条件，采用不同的超声换能器来适应具体应用环境。
综上所述，根据超声波的特点，在信号发射前端对信号进行扩频调制处理后输出到超声换能器，后者将电能转换为以超声波形式的声能，在空气中传播到“隐形耳机”信号隐形接收终端，隐形接收终端的超声换能器又将声能转换为电能，隐形信号接收终端对电能进行捕捉和存储，同时供能给扩频解调模块，再由扩频解调模块实现信号的还原。
有鉴于此，本实用新型的目的在于为人们的生活带来便捷，利用声学能量传输AET技术，提出基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置，具体原理如下：
本实用新型所述的基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置由信号发射前端101、隐形接收端102两个部分组成。其中信号发射前端101通过AD芯片对信号进行采集，将模拟信号变成数字信号；所得到的数字信号进行扩频通信编码后，通过D/A转换为模拟信号，再由功率放大电路进行放大后，超声换能器将已经处理过的信号转换为超声波发射出去。
在隐形接收端102（即隐形耳机端，因为整个体积比较小，可以隐藏在耳蜗或者耳背里面，外面看不到，故称为隐形接收端）中，超声换能器负责对接收到的超声波进行能量形式的转换，并且把电能存储下来为超声信号接收和解码终端系统提供能量；在获得电能以后，首先是对超声换能器转换以后的电信号进行A/D采集，将模拟信号转换为数字信号；所得的数字信号进行扩频解码后，再通过D/A转换为模拟信号进行输出。由于能量传输是窄带传输，因此需要扩频通信方式去实现携能通信，例如OFDM就是其中一个扩频通信方式。
其中基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置的信号发射前端101负责对采集到的信号进行处理，其包括电源供电单元201、语音采集单元202、模数转换单元203、编码调制单元204、数模转换单元205、功率放大单元206、超声发射单元207。其中，所示的电源供电单元201是由有线电源或者电池提供总电源，其中分别有稳压芯片得到相应模块所需的电压；语音采集单元202可以将模拟的声信号转换为模拟的电信号输出；模数转换单元203由编码调制单元204进行时序控制，负责将语音采集单元202所采集的模拟信号转变为数字信号；编码调制单元204主要负责将模数转换单元203输出的数字信号进行扩频编码；数模转换单元205是由编码调制单元204进行时序控制，负责对编码调制单元204后的输出进行数字信号到模拟信号的转换；功率放大单元206是负责对数模转换单元205的输出信号进行功率放大，使得信号满足超声发射单元207的发射需求；超声发射单元207是负责对待发射信号进行阻抗匹配，并将匹配后的信号通过超声换能器由电能转换为声能发射出去。
所述基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置的接收终端102负责对信号的进行解码解调还原输出，包括超声接收单元301、电能存储单元302、模数转换单元303、解码解调单元304、数模转换单元305、音频输出单元306。其中，超声接收单元301主要负责将由超声发射单元207发射过来的超声波进行声能到电能的转换，并在其中进行阻抗匹配；电能存储单元302是将由超声接收单元301转换过来的电能进行存储，并且做为整个接收终端102的能量供给源；模数转换单元303对超声接收单元301转换后输出的电信号进行采集并转换为数字信号，然后给输出至解码解调单元304处理；解码解调单元304主要负责对模数转换单元303的输出进行扩频解调；数模转换单元305负责将解码解调单元304的输出结果变成模拟信号；音频输出单元306负责将数模转换单元305的输出信号转换为人类可以听到的声音。
虽然超声波超出了人类耳朵可接收的频率范围，但超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。另外超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米，因此隐形接收端的超声换能器尺寸小，能够实现小型化应用。同时根据应用的场合的需求，可以调解整个装置的工作频率，适应不同场景的传输距离的要求。
本实用新型的另一个目的是在于提出基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置的实现方法，具体步骤如下：
步骤1：对声音信号采集，进行声音信号采集的步骤包括：
1.1 在语音信号的输入端，有一个语音采集单元202，当有任何声音传入的时候，采集单元都会将声音信号转换为模拟的电信号输出。
1.2 得到了声音的模拟信号后，通过编码调制单元204控制的模数转换单元203对其进行采样，采样后的数据存在了编码调制单元204的存储器中。
步骤2：对采集的信号进行扩频通信调制，扩频通信调制的步骤包括：
2.1通过编码调制单元204中的主控处理器读取存储器中的采集数据；
2.2 通过编码调制单元204中的主控处理器对数据进行扩频调制处理； 2.3对得到的结果通过数模转换单元205的转换，变成模拟信号。
步骤3：对信号进行功率放大输出，具体的功率方法包括以下步骤：
3.1功率放大单元206根据实际的应用场景对编码调制后的信号进行不同等级功率放大。
3.2 功率放大单元206放大后的信号将被输入到已经进过阻抗匹配的超声发射单元207中，超声发射单元207将对该电信号转换为超声信号进行发射。
步骤4：对超声信号进行接收，具体的接收过程包括以下步骤：
4.1超声发射单元207与信号发射前端的超声接收单元301是一个互逆的过程，超声接收单元301是将声信号转换为电信号。
进一步的：（一）因为超声波的方向性很强，所以隐形接收端的超声接收单元301需要与信号发射前端的超声发射单元207进行对准，使其能够获得最大的接收能量。（二）因为超声波的频率越低，传播的距离也相对的远，但带宽也变低，所以可以根据实际的场景更换合适频率的超声换能器。
步骤5：对能量进行存储，具体的过程包括以下步骤：
5.1 因为隐形接收端的超声接收单元301输出并不是一个稳定的直流电，所以需要对该输出进行整流滤波，并通过电能存储单元302对电量储存起来。
5.2 与此同时，电能存储单元302中的电压放大芯片对整流滤波后的电压进行放大，提高到能供给解调的处理器使用的电压范围。
步骤6：对信号进行扩频解调，具体解调过程包括以下步骤：
6.1当电能存储单元302的电能供给到了解码解调单元304时，便控制模数转换单元303对超声换能器所得的电信号进行采样；
6.2 解码解调单元304将模数转换单元303采集到的信号存储在存储器中；
6.3解码解调单元304从存储器中将读取出来的数据用于扩频通信解调。
步骤7：数模转换后进行输出，具体过程包括以下步骤：
7.1 通过由解码解调单元304控制的数模转换单元305，对解调结果进行数模转换；
7.2 数模转换单元305转换后的信号将被用在音频输出单元306，得到从信号发射前端发出的原始信号。
本实用新型所述的基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置与方法，具有如下优点：
1）本实用新型以超声波作为通信的载体，相比于电磁波，超声波具有抗干扰、能在特殊媒介中传输的特点，并且装置可以实现小型化，戴在人身上不会带来任何负担。
2）本实用新型采用携能通信的方式，在供能的同时实现通信，使得在隐形接收端不需要额外增加电池，大大地减小装置体积和增加可使用性。
3）本实用新型采用的是扩频通信方式，有效地利用有限的带宽来实现信息的传输，相比于简单的通信方式，可以实现抗多径效应和拥有相对高速的信息速率。
综上，本实用新型具有对人无害、体积小、有针对性、使用便捷等优点，具有广泛的应用前景，同时本实用新型适当地加以改造，可在电磁波失效的场合，例如：金属媒介、水下、植入式医疗等，替代电磁波通信。
附图说明
图1为本实用新型所述基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置结构图；
图2为本实用新型所述信号发射前端信号处理的结构图；
图3为本实用新型所述隐形接收端信号处理的结构图；
图4A为本实用新型所述信号发射前端信号处理的流程图；
图4B为本实用新型所述隐形接收端信号处理的流程图。
具体实施方式
本实用新型将声学、信息学和电力电子等技术有机地结合在一起，根据超声波的能量传输特性和优点，实现替代电磁波的无线携能通信。下面结合实施例以及附图对本实用新型作进一步详细的描述说明，但本实用新型的实施方式不限于此。需指出的是，本实用新型的关键在于对结构提出的方案，以下若有未特别详细说明或需软件（如扩频）实现之处，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实施的。
本实例所述基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置的结构图如图1所示，其由信号发射前端101、隐形接收端102两个部分组成，两个部分之间是通过超声波进行无线关联。其中信号发射前端101负责信号的采集、扩频通信调制和超声波的发射。隐形接收端102负责超声波的接收、电能的储存、扩通信解调和输出。
本实例所述信号发射前端101的结构如图2所示。其中电源供电单元201主要负责满足信号发射前端101整个系统的各类电压需求。语音采集单元202负责实时地将模拟的声信号转换为模拟的电信号输出。模数转换单元203与语音采集单元202相连接，负责将语音采集单元202所采集的模拟信号转变为数字信号。编码调制单元204分别与模数转换单元203、数模转换单元205相连接，负责所连接单元的时序控制和对采集到的数据进行扩频通信编码处理。数模转换单元205与编码调制单元204相连接，负责对处理后的数字信号变成模拟信号。功率放大单元206与数模转换单元205相连接，负责对数模转换单元205的输出信号进行功率放大，使得信号满足超声发射单元207的发射需求；超声发射单元207与功率放大单元206相连接，负责对待发射信号进行阻抗匹配，并将匹配后的信号通过超声换能器由电能转换为声能发射出去。
本实例所述隐形接收端102，如图3所示。其中，超声接收单元301负责将由超声发射单元207 发射过来的超声波进行声能到电能的转换，并在其中进行阻抗匹配；电能存储单元302与超声接收单元301相连接，负责对超声接收单元301转换过来的电能进行存储和稳压输出，为整个接收终端102提供能量供给；模数转换单元303与超声接收单元301相连接，负责对超声接收单元301转换后输出的电信号进行采集并转换为数字信号；解码解调单元304与模数转换单元303、数模转换单元305相连接，主要负责对模数转换单元303的输出进行扩频解调；数模转换单元305负责将解码解调单元304的输出结果变成模拟信号；音频输出单元306与数模转换单元305相连接，负责将数模转换单元305的输出信号转换为人类可以听到的声音。
本实施例的具体操作步骤如下（如图4A和图4B所示）：
步骤1：对声音信号采集，进行声音信号采集的步骤包括：
1.1 在语音信号的输入端，有一个语音采集单元202，当有任何声音传入的时候，采集单元都会将声音信号转换为模拟的电信号输出。
1.2 得到了声音的模拟信号后，通过编码调制单元204控制的模数转换单元203对其进行采样，采样后的数据存在了编码调制单元204的存储器中。
步骤2：对采集的信号进行扩频通信调制，扩频通信调制的步骤包括：
2.1通过编码调制单元204中的主控处理器读取存储器中的采集数据；
2.2 通过编码调制单元204中的主控处理器对数据进行扩频调制处理； 2.3对得到的结果通过数模转换单元205的转换，变成模拟信号。
步骤3：对信号进行功率放大输出，具体的功率方法包括以下步骤：
3.1功率放大单元206根据实际的应用场景对编码调制后的信号进行不同等级功率放大。
3.2 功率放大单元206放大后的信号将被输入到已经进过阻抗匹配的超声发射单元207中，超声发射单元207将对该电信号转换为超声信号进行发射。
步骤4：对超声信号进行接收，具体的接收过程包括以下步骤：
4.1超声发射单元207与信号发射前端的超声接收单元301是一个互逆的过程，超声接收单元301是将声信号转换为电信号。
4.2 值得注意的是：（一）因为超声波的方向性很强，所以隐形接收端的超声接收单元301需要与信号发射前端的超声发射单元207进行对准，使其能够获得最大的接收能量。（二）因为超声波的频率越低，传播的距离也相对的远，但带宽也变低，所以可以根据实际的场景更换合适频率的超声换能器。
步骤5：对能量进行存储，具体的过程包括以下步骤：
5.1 因为隐形接收端的超声接收单元301输出并不是一个稳定的直流电，所以需要对该输出进行整流滤波，并通过电能存储单元302对电量储存起来。
5.2 与此同时，电能存储单元302中的电压放大芯片对整流滤波后的电压进行放大，提高到能供给解调的处理器使用的电压范围。
步骤6：对信号进行扩频解调，具体解调过程包括以下步骤：
6.1当电能存储单元302的电能供给到了解码解调单元304时，便控制模数转换单元303对超声换能器所得的电信号进行采样；
6.2 解码解调单元304将模数转换单元303采集到的信号存储在存储器中；
6.3解码解调单元304从存储器中将读取出来的数据用于扩频通信解调。
步骤7：数模转换后进行输出，具体过程包括以下步骤：
7.1 通过由解码解调单元304控制的数模转换单元305，对解调结果进行数模转换；
7.2 数模转换单元305转换后的信号将被用在音频输出单元306，得到从信号发射前端发出的原始信号。
本实例所述的基于超声波无线携能通信技术的隐形耳机装置与方法，具有如下优点：
1）本实例以超声波作为通信的载体，相比于电磁波，超声波具有抗干扰、能在特殊媒介中传输的特点，并且装置可以实现小型化，戴在人身上不会带来任何负担。
2）本实例采用携能通信的方式，在供能的同时实现通信，使得在隐形接收端不需要额外增加电池，大大地减小装置体积和增加使用方便性。
3）本实例采用的是扩频通信方式，有效地利用有限的带宽来实现信息的传输，相比于简单的通信方式，可以实现抗多径效应和拥有相对高速的信息速率。
综上，本实例具有对人无害、体积小、有针对性、使用便捷等优点，具有广泛的应用前景，同时本实例适当地加以改造，可在电磁波失效的场合，例如：金属媒介、水下、植入式医疗等，替代电磁波通信。