一种定向声产生装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及定向声技术领域，特别涉及一种定向声产生装置。
【背景技术】
[0002] 定向声技术是一种将声波控制在空间某一区域内定向传输的技术，与传统扬声器 发出的声波向各个方向传播不同，定向声技术只能在特定区域中传播声音，而在特定区域 之外则衰减很快，几乎听不到声音，因此具有较好的私密性，也减少了噪音的产生，在军事 以及民用领域均拥有广泛的应用前景。
[0003] 国内外针对定向声技术开展了一些研宄，其主要依据是Westervelt方程和 Berktay远场解的两种参量声学阵理论，利用超声在空气中传播的非线性作用产生定向传 播的可听声音。其中信号处理和调制方法是产生定向声的关键技术。
[0004] 目前产生定向声的技术均比较复杂，并且成本很高，一般应用在军事领域，在民用 应用的几乎没有。
[0005] 因此，本领域技术人员需要提供一种定向声产生装置，能够降低成本，使定向声技 术以及产品应用在民用领域。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种定向声产生装置，能够降低成本，使定 向声技术以及产品应用在民用领域。
[0007] 本实用新型实施例提供一种定向声产生装置，包括：信号预处理模块、脉冲宽度调 制模块、驱动放大模块和超声换能器阵列模块；
[0008] 所述信号预处理模块，用于对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、 低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给所述脉冲宽度调制模块；
[0009] 所述脉冲宽度调制模块，用于将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制 的超声载波信号；
[0010] 所述驱动放大模块，用于对所述已调制的超声载波信号进行驱动放大；
[0011] 所述超声换能器阵列模块，用于将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低通 滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生 定向声音；所述超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，所述超声载波信号的载波 频率根据每个所述阵元的工作频率设置。
[0012] 优选地，所述脉冲宽度调制模块根据以下脉冲宽度调制传输函数进行脉冲宽度调 制得到所述已调制的超声载波信号：
[0013] S0= H PWM{St}；
[0014] 其中，S。为已调制的超声载波信号；S t为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调 制传输函数；
[0015] 所述超声载波信号的频率为fe;f。= f t_fe;
[0016] 其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，为误差补偿因子， feG[-100,0)U(0, 100]〇
[0017] 优选地，所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率ft满足以下条件： 3fsig^ f f mos；
[0018] 其中，fsig为所述数字音频信号的最大频率，为所述脉冲宽度调制模块中开关 器件的最大频率。
[0019] 优选地，所述脉冲宽度调制的空载占空比为50% ±10%。
[0020] 优选地，所述超声换能器阵列中的任意两个阵元的相位差小于90度。
[0021] 优选地，所述信号预处理模块，还用于当检测到所述数字音频信号为空载时，发送 控制信号给所述脉冲宽度调制模块，所述脉冲宽度调制模块关闭。
[0022] 优选地，所述超声换能器阵列的超声传感器阵列的阵型为矩形交错阵列或六边形 加权阵列。
[0023] 优选地，所述矩形交错阵列或六边形加权阵列中的阵元采用并联连接，且任意两 个相邻阵元之间的中心间距d相等，且d满足如下条件：
[0024]
[0025] 其中，r为阵元的振膜半径，f。为超声载波信号的频率，c为超声换能器在介质中 的传播速度。
[0026] 优选地，所述LC低通滤波电路中的电容由所述超声换能器阵列中超声传感器阵 元的等效电容来提供，所述LC低通滤波电路中的电感Le满足以下条件：
[0027]
[0028] 其中f。为超声载波信号的频率，C为所述超声换能器阵列中阵元的静态电容，n为 所述超声换能器阵列中阵元的数量。
[0029] 与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
[0030] 本实施例提供的定向声产生装置，利用脉冲宽度调制模块将超声载波信号用数字 音频信号调制生成已调制的超声载波信号。为了解决脉冲宽度调制的信号幅度较小以及超 声在空气中的低频效果差的问题，本实用新型中在前端对信号进行了预处理，包括对信号 进行滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理。由于脉冲宽度调制结构比较简单，失真较 小，而且具有良好的集成性和能效比，因此，本实用新型提供的这种装置可以应用在民用领 域，例如，可以应用在银行的柜台ATM机，医院的窗口、博物馆的讲解台等场合。
【附图说明】
[0031] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032] 图1是本实用新型提供的定向声产生装置实施例一示意图；
[0033]图2是本实用新型提供的信号预处理模块内部结构示意图。
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0035] 为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本 实用新型的【具体实施方式】做详细的说明。
[0036] 装置实施例一：
[0037] 参见图1，该图为本实用新型提供的定向声产生装置实施例一示意图。
[0038] 本实施例提供的定向声产生装置，包括：信号预处理模块100、脉冲宽度调制模块 200、驱动放大模块300和超声换能器阵列模块400 ;
[0039] 所述信号预处理模块100,用于对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放 大、低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给所述脉冲宽度调制模块；
[0040] 需要说明的是，信号预处理模块100接收的是数字音频信号，如果定向声产生装 置接收的是模拟音频信号，需要经过AD转换器，将模拟音频信号转换为数字音频信号之 后，再输送给信号预处理模块100。
[0041] 所述带通滤波器的截止频率和通带带宽由所述数字音频信号的带宽和超能换能 器的带宽决定。
[0042] 对滤波后的信号进行增益放大，可以弥补脉冲宽度调制中信号幅度较小的问题。
[0043] 低频补偿主要基于物理声学和心理学模型，根据人耳-频率响应曲线和声音信号 的时域变化特点对于信号低频部分进行补偿。低频补偿可以弥补解调后的可听声音信号的 低频效果较差的问题。
[0044] 对低频补偿后的信号进行压缩限幅处理，其中压缩比可以在1.5-2的范围内取 值，启动时间可以在50ms-70ms的范围内取值。
[0045] 所述脉冲宽度调制模块200,用于将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已 调制的超声载波信号；
[0046] 所述驱动放大模块300,用于对所述已调制的超声载波信号进行驱动放大；
[0047] 所述超声换能器阵列模块400,用于将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低 通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产 生定向声音；所述超声换能器的超声传感器阵列包括多个阵元，所述超声载波信号的载波 频率根据每个所述阵元的工作频率设置。
[0048] 超声换能器阵列主要由LC低通滤波电路和超声传感器阵列构成，可以根据实际 应用场景选择矩形交错阵列或六边形加权阵列。
[0049] 本实施例提供的定向声产生装置，利用脉冲宽度调制模块将超声载波信号用音频 信号调制生成已调制的超声载波信号。为了解决脉冲宽度调制的信号幅度较小以及超声在 空气中的低频效果差的问题，本实用新型中在前端对信号进行了预处理，包括对信号进行 滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理。由于脉冲宽度调制结构比较简单，失真较小，而 且具有良好的集成性和能效比。
[0050] 装置实施例二：
[0051] 参见图2,该图为本实用新型提供的信号预处理模块内部结构示意图。
[0052] 本实施例提供的信号预处理模块包括：带通滤波子模块101、增益放大子模块 102、低频补偿子模块103和压缩限幅子模块104 ;
[0053] 带通滤波子模块101，用于对输入的数字音频信号进行带通滤波，将截止频率以外 的信号均滤除掉；
[0054] 增益放大子模块102,用于对带通滤波子模块输出的信号进行放大；
[0055] 低频补偿子模块103,用于对增益放大子模块输出的信号进行低频补偿；
[0056] 压缩限幅子模块104,用于对增益放大后的信号进行压缩限幅。
[0057] 需要说明的是，本实用新型中对于信号的预处理均是与后续的脉冲宽度调节和超 声换能器阵列相对应的，为了解决后续信号处理过程中存在的问题。从而在信号进入脉冲 宽度调制模块之前就对信号进行处理，弥补脉冲宽度调制模块的弊端。从而保证超声换能 器输出的信号不失真，并且在可听范围内。
[0058] 本实施例中，所述脉冲宽度调制模块根据以下脉冲宽度调制传输函数进行脉冲宽 度调制得到所述超声载波信号：
[0059] S0= Hpwm{SJ；
[0060] 其中，S。为已调制的超声载波信号；S t为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调 制传输函数；<