br>[0061] 所述超声载波信号的频率为fe;f。= f t_fe;
[0062] 其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，fe为误差补偿因子， [-100,0) U (0, 100]，这样才可以产生可听声音。
[0063] fe若偏离该条件较大，则无法产生可听声音，若f 6为0则会产生一种自激发的单 频噪声，该噪声当输入数字音频信号的时候由于声音的掩蔽效应容易淹没，但是当输入数 字音频信号为零时则会非常明显。
[0064] 其中，HPWM函数由超声载波信号的频率f。、调制比m和载波比(；确定。调制比m为 S t信号峰值与超声载波信号峰值Umax的比值，载波比Q为超声载波信号的频率f。与S t信 号频率的比值。由于调制的超声信号在空气中自解调属于非线性效应，因此馬胃函数一般 不用具体的解析表达式表示，其最优函数由实验测量的关键参数决定，根据H PWM最优函数可 以设计相对应的PWM电路。
[0065] 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：3f sig彡f t彡fMS;
[0066] 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。
[0067] 理论上，若脉冲宽度调制采用规则采样方法，ft大于两倍的fsig即能满足采样定 理。该值显然越大越好，一般D类功放中要求该值大于12倍的f sig，但是定向声方法中调制 载波必须工作在超声频段且必须远小于开关器件的最大频率，经过实验确定ft在3~ 6倍f sig为最佳。
[0068] 所述脉冲宽度调制的空载占空比为50% ±10%。
[0069] 其中，脉冲宽度调制的占空比为高电平脉宽时间和调制载波周期的比值。在定向 声方法中该占空比是随着输入的数字音频信号不断变化的，当输入的数字音频信号为〇时 为空载状态。空载占空比将影响调制的超声信号在空气中自解调后的总失真度，当空载占 空比为50%时影响最小，也即空载输出的高低电平信号有180度的相位差时，解调后的总 失真度较小。随着空载占空比的偏离失真将增大，偏离程度大于10 %时的失真将严重影响 调制的超声信号在空气中自解调后的声音质量。
[0070] 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。
[0071] 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。任意两个阵元的相 位差将影响调制后的超声信号在空气中自解调后的总失真度，随着相位差的增大，失真也 随之增大，超过90度时将严重影响调制的超声信号在空气中自解调后的声音质量。因此， 需要任意两个阵元的相位差小于90度。
[0072] 由PWM脉冲宽度调制信号平均功率决定的信号总增益G = G#G2。
[0073] 其中，h为信号增益的增益倍数，G2为压缩限幅的增益倍数。
[0074] limG*Max 以（t)} = m*Uc;
[0075] 其中，m为调制比，U。为调制载波信号的峰值。
[0076] 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：
[0077]
[0078] 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。
[0079] 例如，40KHz超声载波信号在均匀空气中的半波长为4. 25mm，但通常阵元的振膜 半径r大于这个值，因此不可避免阵列波束中旁瓣的产生。这些旁瓣将严重影响阵列的指 向性，因此为抑制这些旁瓣，需要d尽可能小，并且任意两个阵元之间的中心间距相等。但 是阵元本身还有封装，另外安装方式也影响d，这些误差根据理论推导和实验确定应该小于 四分之一波长。
[0080] 其中，d取值也将影响已调制的超声信号在空气中自解调后的总谐波失真，其最优 值还受超声换能器的阵型和阵元的数量n影响。
[0081] 另外，阵元的数量n也影响阵列的指向性，n越大其指向性相对越好。
[0082] 需要说明的是，LC低通滤波电路主要是为了解决矩形交错阵列或六边形加权阵列 的适配问题，用于消除脉冲宽度调制过程中产生的高频谐波以及开关器件产生的噪声。
[0083] 由于通常选用的超声换能器中的超声传感器阵元为压电传感器，因此可用多个并 联的阵元直接提供LC低通滤波电路中的电容，其等效电容值为：
[0084] Ce = nC ；
[0085] 其中，C为阵元的静态电容，n为阵元的数量。
[0086] 所述LC低通滤波电路中的电容由所述超声换能器阵列中的等效电容来实现，所 述LC低通滤波电路中的电感Le满足以下条件：
[0087]
[0088] 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。
[0089] 例如，本实用新型以上实施例提供的定向声装置，可以应用于银行的VTM/ATM机 上，VTM/ATM机输出的音频经过该定向声装置可以发出定向声，使用户仅可以在有限的固定 范围内听见VTM/ATM机播放的音频内容，有效保证了音频的内容的安全性和私密性。
[0090] 另外，本实用新型实施例提供的定向声装置，也可以应用于博物馆的展位上，产生 的定向声可以保证该展位区域内的观众可听，其他展位的观众不受该展位声音的干扰。有 效降低了环境的嘈杂性，减少公共环境中的噪声污染。
[0091] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上 的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何 熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的 方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的 等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对 以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的 范围内。
【主权项】
1. 一种定向声产生装置，其特征在于，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； 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； 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； 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； 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。2. 根据权利要求1所述的定向声产生装置，其特征在于，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： S0 - H PWM{St}; 其中，S。为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；Hpwm为脉冲宽度调制传 输函数； 所述超声载波信号的频率为。= f t-fe; 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， fee [-100,0) U (0,100] 〇3. 根据权利要求2所述的定向声装置，其特征在于，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：3f sig彡f t彡 其中，fsig为所述数字音频信号的最大频率，fm()S为所述脉冲宽度调制模块中开关器件 的最大频率。4. 根据权利要求1或2所述的定向声装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制的空载占空 比为 50% ±10%。5. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，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。6. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，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t吴块关闭。7. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，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。8. 根据权利要求7所述的定向声装置，其特征在于，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：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。9.根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，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：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，η为所述 超声换能器阵列中阵元的数量。
【专利摘要】本实用新型提供一种定向声产生装置，包括：信号预处理模块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脉冲宽度调制模块；脉冲宽度调制模块将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；驱动放大模块，用于对已调制的超声载波信号进行驱动放大；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；超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，超声载波信号的载波频率根据每个阵元的工作频率设置。脉冲宽度调制结构比较简单，失真较小，具有良好的集成性和能效比。
【IPC分类】H04R1/32, H04R3/00
【公开号】CN204616060
【申请号】CN201520389654
【发明人】常乐, 常鑫, 陈宏
【申请人】北京小声科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月8日