高声强定向声波发射的方法及其装置的制作方法

专利名称：高声强定向声波发射的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及定向声传输技术，特别涉及一种高声强定向声波发射的方法及其装置。
背景技术：
定向声传输在现实生活中有着广泛的应用，定向声传输技术就是将声波以集束的方式传输，就是使声源具有指向性的技术。例如，展览馆两个相邻展柜如果使用指向性声源进行展品介绍，那么它们各自的观众就能互不干扰地听到自己所参观的展品的介绍。但是，在某些场合，不仅需要声波能够定向传播，还需要声波能够远距离传播，即声源能够发射高强声波，如军警用远程声波警示、压制、海上船舶间远距离语音通信、机场驱赶鸟群等场合。 目前，在较近距离范围内实现声波的指向性一般采用参量阵技术，即将音频声调制到超声载波上，利用超声波在空气中传播过程中的非线性作用，就能够把调制上去的音频声自解调出来，又因为超声具有很好的指向性，所以就使得自解调出来的音频声也具有了指向性，从而实现定向声发射。但是，由于受到超声非线性作用的物理原理的限制，这种方法的能量转换效率非常低，很难实现高声强声波的发射，同时其谐波失真也很严重。
这需要将定向声传输技术和远距离声传输技术(即高强声波发射技术)结合起来，以满足现实需求。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种高效、便捷的高声强定向声波发射的方法及其装置，
能够实现远距离定向声传输，以满足社会现实中军警用、商用、民用等各种需求。 由声学基本原理可知，当把多个声源布放成阵列的形式，其指向性会比单个声源
的指向性大幅提高，而且，由扬声器直接发射音频声，能量转换效率很高。综合以上情况考
虑，本发明采取用阵列信号处理电路驱动扬声器阵列的方法从而实现远距离定向传输高声
强声波。 为实现上述目的，本发明的一种高声强定向声波发射的方法，该方法采用阵列信号处理电路分别驱动多路扬声器阵列，以实现远距离定向传输高声强声波，其包括以下步骤 1)首先，对每一路扬声器阵列进行预先训练以获得各路扬声器阵列的传递函数；
2)通过音频信号采集模块101将声音信号转化为模拟电信号，再进行A/D转换后输出音频数字信号； 3)根据步骤1)中获得的传递函数，对步骤2)输出的音频数字信号进行信号处理后分多路输出； 4)由若干功率放大器分别对输出的每一路音频信号进行放大，并分别驱动多路扬声器阵列，每一路扬声器阵列之间互相独立工作；
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5)由多路扬声器阵列发射高声强的指向性声波； 其中，所述的步骤3)中的信号处理包括分频处理、频带预加权处理和波束形成处理三部分，首先，通过分频处理把宽带数字信号分解成多个子频带信号；然后，基于心理声学模型，根据心理声学参数，通过频带预加权处理对每个子频带信号进行增益调整；最后，通过波束形成处理来调节各路小阵列的输入信号的相位，使得各路的输出声音在远场位置同向叠加，以提高指向性。 作为上述技术方案的一种改进，所述的分频处理是采用子带划分方法和频带分割技术把宽带数字信号分解成多个子频带信号；所述的子带划分方法包括均匀子带划分、倍频程子带划分或Bark域子带划分；所述的频带分割技术采时频域转换技术，包括多相滤波技术、短时傅立叶技术或MDCT技术。 作为上述技术方案的一种改进，所述的频带预加权处理是基于心理声学模型，并根据人耳对声音感知特性和输入信号特性，对每个子频带信号进行增益调整，以使得人耳在目标处听到的声音最响。 作为上述技术方案的一种改进，所述的波束形成处理采用时域方法实现，先将子频带信号合成宽带信号，再经由滤波器实现调幅调相然后输出；其中，所述的滤波器可采用无限冲激响应滤波器1IR、有限冲激响应滤波器FIR或格形滤波器，滤波器系数的获取可采用自适应逆滤波算法，包括最小均方算法LMS、递归最小二乘算法或快速仿射投影算法FAP。 作为上述技术方案的一种改进，所述的波束形成处理采用频域方法实现，可采用扫频分析或最长序列的方法先测量出各通道对应各路扬声器阵列的频率响应，再根据频率响应由DSP模块对各频带信号进行调相，最后把各频带信号进行合成得到各路的输入信号。 为实现本发明的另一目的，本发明还提供了一种高声强定向声波发射的装置，其
特征在于，该装置采用阵列信号处理电路分别驱动多路扬声器阵列，以实现远距离定向传输高声强声波，具体包括 —音频信号采集模块101，用于获得需要发射的音频模拟电信号； —A/D转换模块102，用于将所述音频信号采集模块101获得的音频模拟电信号由
模拟信号转化为音频数字信号； —信号处理模块103，输入端与所述A/D转换模块102的输出端连接，用于将需要发射的信号进行处理以实现远距离定向传输； —功率放大器组104，与所述信号处理模块103的多路输出分别连接，用于功率放大以驱动扬声器阵列； 多路扬声器阵列105，用于最终的声发射； 其中，所述的信号处理模块103包括分频处理单元、频带预加权处理单元和波束形成处理单元三部分，所述的分频处理单元，用于把宽带数字信号分解成多个子频带信号；所述的频带预加权处理单元，用于基于心理声学模型，根据心理声学参数，对每个子频带信号进行增益调整；所述的波束形成处理单元，用于调节各路小阵列的输入信号的相位，使得各路的输出声音在远场位置同向叠加，以提高指向性。 作为上述技术方案的一种改进，所述的多路扬声器阵列可以是将大的扬声器阵列按区域分割为几个小阵列，每个小阵列形成一路扬声器阵列，并有一个输入端。 作为上述技术方案的一种改进，所述的的音频信号采集模块101包括一传声器
701和一控制/存储单元702。 作为上述技术方案的一种改进，所述的音频信号采集模块101和A/D转换模块102可以是MP3、电脑音频输出口或录音笔。 作为上述技术方案的一种改进，所述的扬声器阵列包括动圈扬声器阵列、蜂鸣器阵列、压电陶瓷换能器阵列或压电薄膜阵列。 作为上述技术方案的一种改进，所述的扬声器阵列采用整体式压电陶瓷换能器阵列； 所述的整体式压电陶瓷换能器阵列包括对应地设置有若干孔的前蜂窝板201和后蜂窝板202，所述的前蜂窝板201和后蜂窝板202上下叠放固定，形成若干蜂窝孔，每一个蜂窝孔内容置一个压电陶瓷换能器； 所述的压电陶瓷换能器由上而下依次固定有声辐射基片204、电极基片205、压电陶瓷片206，该压电陶瓷换能器通过设置在声辐射基片204上下表面的两个密封垫圈203 —体嵌入后蜂窝板202的孔相对于前蜂窝板201的孔内凹所形成的空间里；其中，所述的电极基片205和压电陶瓷片206分别连接位于压电陶瓷换能器下方的电极连接脚对207的一端，该电极连接脚对207的另一端插入印刷电路板208的插孔内； 所述的印刷电路板208固定扣合在蜂窝板上，其上的电极连接脚对207多路分别布线形成整体式压电陶瓷换能器阵列；其中，每一路压电陶瓷换能器由若干蜂窝孔内的压电陶瓷换能器并联形成小阵列，该小阵列有两根线，一根线连接该路压电陶瓷换能器小阵列内的所有电极基片205，另一根线连接该路压电陶瓷换能器小阵列内的所有压电陶瓷片206。 作为上述技术方案的一种改进，所述的前蜂窝板201和后蜂窝板202采用耐腐蚀、有韧性、高强度的材料制成，可以选用不锈钢、铝合金或尼龙。 作为上述技术方案的一种改进，所述的前蜂窝板201上的蜂窝孔可以是直筒形、锥形或号筒形。 作为上述技术方案的一种改进，所述的密封垫圈203为橡胶圈，两个密封垫圈的厚度之和略大于后蜂窝板202的厚度。这样，两个密封垫圈由前蜂窝板201和PCB印刷电路板208挤压至后蜂窝板202的厚度，固定住两个密封垫圈之间夹着的声辐射基片204，同时又起到密封的作用。 作为上述技术方案的一种改进，所述的声辐射基片204采用有弹性、有韧性的材料制成，包括薄尼龙片或薄塑料片。 作为上述技术方案的一种改进，所述的电极基片205为一导电金属或合金薄片。
作为上述技术方案的一种改进，所述的压电陶瓷片206不与电极基片205接触的一面做镀导电金属处理，所述的导电金属包括银。 作为上述技术方案的一种改进，所述的功率放大器组104可以选择包括A类、B类、AB类或D类功率放大器组成；如果选用D类功放，信号处理模块103和功率放大器组104之间就直接连接；如果选用A类、B类或AB类功放，则信号处理模块103和功率放大器组104之间还需加接一 D/A转换模块901。
本发明的优点在于本发明的方法和装置通过阵列信号处理电路驱动扬声器阵列从而实现远距离定向传输高声强声波。
本发明在工程上实现这一方法则有一些特殊设计。由于常规扬声器(即动圈扬声
器，又称喇叭)体积大质量大，在一定的阵列面积内能够布放的声源个数较少，所以组成的
阵列指向性受限制，而且这种阵列功耗很大、体型笨重、使用不便。本发明根据压电陶瓷发
声原理特别设计了一种整体式的压电换能器阵列以取代传统扬声器阵列，并提供了包括信
号处理模块的一整套装置从而从工程实际上实现了远距离定向传输高声强声波。 与传统扬声器阵列相比，本发明中的装置体积小、重量轻、效率高、使用方便、指向
性更好。与参量阵相比，本发明中的方法和装置实现了高声强声波的发射、能量转换效率
高。同时，本发明中的装置在进行设计时考虑到了恶劣环境下的使用，进行了密封设计和防
腐蚀选材，可以应对海上的恶劣环境，应用范围更加广泛。


图1表示本发明方法流程和装置结构的原理图； 图2表示本发明的整体式压电陶瓷换能器阵列的结构示意图； 图3表示本发明的整体式压电陶瓷换能器阵列中单个蜂窝孔单元的分解结构剖面示意图； 图4表示本发明的整体式压电陶瓷换能器阵列中单个蜂窝孔单元的组合结构剖面示意图； 图5表示本发明的整体式压电陶瓷换能器阵列中前蜂窝板201的单个蜂窝孔单元可选择的几种形状的剖面示意图； 其中，图5a是直筒形蜂窝孔的剖面；图5b是锥形蜂窝孔的剖面；图5c是号筒形蜂窝孔的剖面； 图6表示本发明的方法中的信号处理的流程示意 图7表示信号采集模块101的结构示意 图8表示信号处理模块103的结构示意图； 图9表示功率放大器组104选用A类、B类或AB类的情况下，本发明的装置相应所做的改变的示意图； 图10表示波束形成处理模块803采用时域实现方法时的结构示意 图11表示波束形成处理模块803采用频域实现方法时的结构示意图。附图标识101、音频信号采集模块102、A/D转换模块103、信号处理模块104、功率放大器组105、压电式阵列201、前蜂窝板202、后蜂窝板203、密封垫圈204、声辐射基片205、电极基片206、压电陶瓷片207、电极连接脚对208、 PCB印制电路板701、传声器702、控制/存储单元801、分频处理单元802、频带预加权处理单元
803、波束形成处理单元8
901 、 D/A转换模块
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
，对本发明作进一步详细描述 本发明利用声源阵列能够获得更强指向性的原理，配合阵列信号处理即波束形成技术，从而实现音频声远距离的定向传输。 先详细介绍本发明提供的一种高声强定向声波发射的方法。该方法需要对系统进
行预先训练，以获得扬声器阵列的传递函数，留作信号处理时的参数选择依据。对于本领域
的技术人员而言，这种预先训练的方法是信号处理的常规方法，因此不再进行详细叙述。 —种高声强定向声波发射的方法，如图1所示，包括如下步骤 1)对多路扬声器阵列的各路分别进行预先训练以获得其各自的传递函数； 2)采集音频信号并进行A/D转换； 3)根据步骤1)中获得的传递函数，基于心理声学模型，结合波束形成技术，对音频信号进行信号处理，并分多路输出； 4)由多个功率放大器分别对经过信号处理的音频信号进行放大，并驱动扬声器阵列； 5)扬声器阵列发射高声强的指向性声波。 在上述技术方案中，步骤1)所述多路扬声器阵列是指将大的阵列按区域分割为
几个小阵列，每个小阵列称为一路并有一个输入端，各路之间独立工作。 在上述技术方案中，步骤2)所述音频信号采集是指由传声器将声音信号转化为
模拟电信号，再由A/D转化将模拟电信号转化为数字信号。 在上述技术方案中，进一步地，步骤2)中最终获得的数字信号也可以由MP3、电脑音频输出口 、录音笔等能够直接输出数字化音频信号的装置提供。 在上述技术方案中，步骤3)所述信号处理包括分频处理、频带预加权处理和波束形成处理三部分组成，如图6所示。其中分频处理是把宽带数字信号分解成多个子频带信号。频带预加权是基于心理声学模型，根据响度级曲线等心理声学参数对每个子频带信号进行增益调整。波束形成处理是用来调节各路小阵列的输入信号的相位，使得各路的输出声音在远场位置同向叠加，提高指向性。 在上述技术方案中，步骤4)中的功率放大器可以选择包括A类、B类、AB类、D类在内的各种类型功放。如果选用D类功放，如图l，信号处理模块103和功率放大器组104之间就直接连接；如果选用A类、B类或AB类功放，如图9，则信号处理模块103和功率放大器组104之间还需加接一 D/A转换模块。 在上述技术方案中，步骤5)中所述扬声器阵列包括动圈扬声器阵列(即喇叭阵列)、蜂鸣器阵列、压电陶瓷换能器阵列、压电薄膜阵列。
—种高声强定向声波发射的装置，如图1所示，包括
—音频信号采集模块101，用于获得需要发射的音频信号。 —A/D转换模块102，用于将所述音频信号采集模块101获得的音频信号由模拟信号转化为数字信号。 —信号处理模块103，输入端与所述A/D转换模块102的输出端连接，用于将需要发射的信号进行处理以实现远距离定向传输。 —功率放大器组104，与所述信号处理模块103的多路输出相连接，用于功率放大以驱动扬声器阵列。 —压电式阵列105，用于最终的声发射。 在上述技术方案中，如图7所示，音频信号采集模块101由一传声器701和一控制/存储单元702组成。 进一步地，所述音频信号采集模块101和A/D转换模块102可以由MP3、电脑音频输出口、录音笔等能够直接输出数字化音频信号的装置取代，即所述信号处理模块103的输入端可以直接与能够输出数字音频信号的装置连接。 在上述技术方案中，如图8所示，信号处理模块103由三部分组成，分频处理单元801，频带预加权处理单元802和波束形成处理单元803。 进一步地，所述分频处理单元801的作用是将宽带数字信号分解成多个子频带信号，可采用的子带划分方法包括均匀子带划分、倍频程子带划分、Bark域子带划分等常用子带划分方法；可采用的频带分割技术包括多相滤波技术、短时傅立叶技术、MDCT技术等时频域转换技术。 进一步地，所述频带预加权处理单元802的作用是，基于心理声学模型，根据人耳对声音感知特性(如响度级曲线)和输入信号特性，对每个子频带信号进行增益调整，使得人耳在目标处听到的声音最响。 进一步地，所述波束形成处理单元803的作用是调节各路小阵列的输入信号的相位，使得各路的输出声音在远场位置同向叠加，提高指向性。 进一步地，所述波束形成处理单元803可采用的技术手段包括时域方法和频域方
法。时域实现方法如图io所示，先将子频带信号合成宽带信号，再经由滤波器实现调幅调
相然后输出。其中滤波器可采用无限冲激响应滤波器1IR、有限冲激响应滤波器FIR或格形滤波器等常用滤波器。滤波器系数的获取可采用最小均方算法LMS、递归最小二乘算法和快速仿射投影算法FAP等常用自适应逆滤波算法。频域实现方法如图ll所示，可采用扫频分析、最长序列等方法先测量出各通道(对应各路小阵列)的频率响应，再根据频率响应由DSP模块对各频带信号进行调相，最后把各频带信号进行合成得到各路的输入信号。
在上述技术方案中，所述压电式阵列105的结构如图2所示。所述压电式阵列105由前蜂窝板201、后蜂窝板202、密封垫圈203、声辐射基片204、电极基片205、压电陶瓷片206、电极连接脚对207、PCB印刷电路板208组成。对应着前蜂窝板201和后蜂窝板202的每个蜂窝孔都有一套密封垫圈203、声辐射基片204、电极基片205、压电陶瓷片206和电极连接脚对207，图2中只示意了中心轴上的一套。 进一步地，图3示意了所述压电式阵列105各组成部分的剖面。其中，图5a是直
筒形蜂窝孔的剖面201、图5b是锥形蜂窝孔的剖面202、图5c是号筒形蜂窝孔的剖面。 进一步地，图4示意了所述压电式阵列105 —个蜂窝孔组装后的剖面。 进一步地，所述前蜂窝板201和后蜂窝板202可以选用不锈钢、铝合金、尼龙等耐
腐蚀、有韧性、高强度的材料。 进一步地，所述前蜂窝板201上的蜂窝孔可以是直筒形、锥形、号筒形。如图5所示，示意了直筒形的剖面501、锥形的剖面502、号筒形的剖面503。
进一步地，所述密封垫圈203为橡胶圈，每个蜂窝孔对应两个密封垫圈，两个密封垫圈的厚度之和略大于后蜂窝板202的厚度，由前蜂窝板201和PCB印刷电路板208挤压至后蜂窝板202的厚度，从而固定住两个密封垫圈之间夹着的声辐射基片204，同时又起到密封的作用。 进一步地，所述声辐射基片204为一薄尼龙片或一薄塑料片，或类似的有弹性、有韧性的材料，与所述电极基片205胶合。所述电极基片205为一导电金属或合金薄片，与所述压电陶瓷片206胶合，其中压电陶瓷片206非与205胶合的一面做镀银(或其他导电金属)处理。 进一步地，所述电极连接脚对207的一端分别与电极基片205和压电陶瓷片206连接，另一端插入PCB印刷电路板208上的插孔并焊接。 进一步地，所述PCB印刷电路板208按区域划分为多路小阵列并分别布线，每一路有两根线，通过电极连接脚对207分别与该路区域内的各蜂窝孔内的电极基片205和压电陶瓷片206连接，即一根线全部连接该区域内的电极基片205，另一根线全部连接该区域内的压电陶瓷片206，以实现该区域内所有蜂窝孔并联。各路的输入端分别与功率放大器组104所对应的各输出端相连接。 本发明中的方法的实际流程如图1所示获取需定向传播的音频信号后送给信号处理模块(如图6所示)，经过分频处理、频带预加权处理和波束形成处理后送至功率放大模块，放大后经由扬声器阵列发射。 该方法的重点在于信号处理和扬声器阵列的设计。信号处理的设计思路是根据预先训练所获得传递函数，基于心理声学模型，结合波束形成技术，并分多路输出，从而实现高声强声波的定向传输。具体实施步骤为将宽带信号分割为多个子频带信号；基于心理声学模型，根据人耳对声音感知特性，如响度级曲线(表征了人耳对各个频率点声音的敏感度)，以及预先训练获得的传递函数中有关幅度的部分参数，对子频带信号进行调幅；将经过调幅的子带信号合成为一宽带信号；将合成后的宽带信号对应扬声器阵列的各路小阵列的传递函数进行调相，以期各路小阵列的输出在远场目标位置上同向叠加；多路信号经放大后驱动阵列发射定向高声强声波。扬声器阵列的选用思路是相同大小的面积里面尽可能多的布放阵列单元、每个单元的输出尽可能的大、能耗低、轻便。可以使用各种符合上述条件的扬声器阵列。 另外，本发明还给出了一种高声强定向声波发射的装置。如图l所示，该装置包括一音频信号采集模块101、一 A/D转换模块102、一信号处理模块103、一功率放大器组104、一压电式阵列105。各模块的功能与所述方法相对应，不再重复叙述。需要特别说明的是，所述压电式阵列是一经特殊设计的整体式压电换能器阵列，具有发射声压级高、能耗低、指向角小、适应恶劣环境等优点，是该装置的核心部分，其结构如图2、图3和图4所示，按前蜂窝板201在上、后蜂窝板202在下的方式将两者固定在一起；将声辐射基片204、电极基片205、压电陶瓷片206按顺序粘接在一起作为一个整体；按两个密封垫圈203分别位于声辐射基片204的两侧的方式，将粘接好的整体辐射片放入蜂窝板的空穴内，压电陶瓷片206的一面朝上；将电极连接脚对207插入PCB印制电路板208的孔位内并焊牢；将焊有电极连接脚对207的一面朝下把PCB印制电路板208扣在蜂窝板上并固定。
本发明的实际应用广泛，可用于军警营地周边警戒、警示；警用驱散非法聚集人群；大型集会人群的引导疏散；低空飞行器向限定范围内的地面目标广播；军警用远程声 波警示、压制；海上船舶间远距离语音通信；机场驱赶鸟群等既需要指向性又需要远距离 传播声音的场合。本发明的优点在于发射声压级高、指向性好、能量转换效率高、装置体积 小、重量轻、使用方便、能够适应恶劣环境。 在对本发明中的装置进行实际测量之后，获得如下数据 1)装置正前方10米处声压级达116dB，根据声学原理推算可知，100米处声压级可 达96dB ; 2) i皆振频率2. 9kHz ; 3)衰减6dB时的偏离角度为4. 5° (此处的角度是指偏离中心轴一侧的角度，即 偏离中心轴4.5。时声压级下降了 6dB)，衰减10dB时的偏离角度为7。，衰减30dB时的偏 离角度为9。；
4)功耗为200W ; 5)机械尺寸为小850毫米(直径)X100毫米(厚度)；
6)质量为30kg。 由上述实测数据可以看出本发明实现了高声强声波的定向发射，同又具有了能耗 低、轻便等优点。 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
1权利要求
一种高声强定向声波发射的方法，该方法采用阵列信号处理电路分别驱动多路扬声器阵列，以实现远距离定向传输高声强声波，其包括以下步骤1)首先，对每一路扬声器阵列进行预先训练以获得各路扬声器阵列的传递函数；2)通过音频信号采集模块(101)将声音信号转化为模拟电信号，再进行A/D转换后输出音频数字信号；3)根据步骤1)中获得的传递函数，对步骤2)输出的音频数字信号进行信号处理后分多路输出；4)由若干功率放大器分别对输出的每一路音频信号进行放大，并分别驱动多路扬声器阵列，每一路扬声器阵列之间互相独立工作；5)由多路扬声器阵列发射高声强的指向性声波；其中，所述的步骤3)中的信号处理包括分频处理、频带预加权处理和波束形成处理三部分，首先，通过分频处理把宽带数字信号分解成多个子频带信号；然后，基于心理声学模型，根据心理声学参数，通过频带预加权处理对每个子频带信号进行增益调整；最后，通过波束形成处理来调节各路小阵列的输入信号的相位，使得各路的输出声音在远场位置同向叠加，以提高指向性。
2. 根据权利要求1所述高声强定向声波发射的方法，其特征在于，所述的分频处理是 采用子带划分方法和频带分割技术把宽带数字信号分解成多个子频带信号；所述的子带划 分方法包括均匀子带划分、倍频程子带划分或Bark域子带划分；所述的频带分割技术采 时频域转换技术，包括多相滤波技术、短时傅立叶技术或MDCT技术。
3. 根据权利要求1所述高声强定向声波发射的方法，其特征在于，所述的频带预加权 处理是基于心理声学模型，并根据人耳对声音感知特性和输入信号特性，对每个子频带信 号进行增益调整，以使得人耳在目标处听到的声音最响。
4. 根据权利要求1所述高声强定向声波发射的方法，其特征在于，所述的波束形成处 理采用时域方法实现，先将子频带信号合成宽带信号，再经由滤波器实现调幅调相然后输 出；其中，所述的滤波器可采用无限冲激响应滤波器1IR、有限冲激响应滤波器FIR或格形 滤波器，滤波器系数的获取可采用自适应逆滤波算法，包括最小均方算法LMS、递归最小 二乘算法或快速仿射投影算法FAP。
5. 根据权利要求1所述高声强定向声波发射的方法，其特征在于，所述的波束形成处 理采用频域方法实现，可采用扫频分析或最长序列的方法先测量出各通道对应各路扬声器 阵列的频率响应，再根据频率响应由DSP模块对各频带信号进行调相，最后把各频带信号 进行合成得到各路的输入信号。
6. —种高声强定向声波发射的装置，其特征在于，该装置采用阵列信号处理电路分别 驱动多路扬声器阵列，以实现远距离定向传输高声强声波，具体包括一音频信号采集模块(101)，用于获得需要发射的音频模拟电信号；一A/D转换模块(102)，用于将所述音频信号采集模块(101)获得的音频模拟电信号由 模拟信号转化为音频数字信号；一信号处理模块(103)，输入端与所述A/D转换模块(102)的输出端连接，用于将需要 发射的信号进行处理以实现远距离定向传输；一功率放大器组(104)，与所述信号处理模块(103)的多路输出分别连接，用于功率放大以驱动扬声器阵列；多路扬声器阵列(105)，用于最终的声发射；其中，所述的信号处理模块(103)包括分频处理单元、频带预加权处理单元和波束形 成处理单元三部分，所述的分频处理单元，用于把宽带数字信号分解成多个子频带信号；所 述的频带预加权处理单元，用于基于心理声学模型，根据心理声学参数，对每个子频带信号 进行增益调整；所述的波束形成处理单元，用于调节各路小阵列的输入信号的相位，使得各 路的输出声音在远场位置同向叠加，以提高指向性。
7. 根据权利要求6所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的多路扬声器 阵列可以是将大的扬声器阵列按区域分割为几个小阵列，每个小阵列形成一路扬声器阵 列，并有一个输入端。
8. 根据权利要求6所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的的音频信号 采集模块(101)包括一传声器(701)和一控制/存储单元(702)。
9. 根据权利要求6所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的音频信号采 集模块(101)和A/D转换模块(102)可以是MP3、电脑音频输出口或录音笔。
10. 根据权利要求6所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的扬声器阵列 包括动圈扬声器阵列、蜂鸣器阵列、压电陶瓷换能器阵列或压电薄膜阵列。
11. 根据权利要求6或10所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的扬声器 阵列采用整体式压电陶瓷换能器阵列；所述的整体式压电陶瓷换能器阵列包括对应地设置有若干孔的前蜂窝板(201)和后 蜂窝板(202)，所述的前蜂窝板(201)和后蜂窝板(202)上下叠放固定，形成若干蜂窝孔，每 一个蜂窝孔内容置一个压电陶瓷换能器；所述的压电陶瓷换能器由上而下依次固定有声辐射基片(204)、电极基片(205)、压电 陶瓷片(206)，该压电陶瓷换能器通过设置在声辐射基片(204)上下表面的两个密封垫圈 (203) —体嵌入后蜂窝板(202)的孔相对于前蜂窝板(201)的孔内凹所形成的空间里；其 中，所述的电极基片(205)和压电陶瓷片(206)分别连接位于压电陶瓷换能器下方的电极 连接脚对(207)的一端，该电极连接脚对(207)的另一端插入印刷电路板(208)的插孔内；所述的印刷电路板(208)固定扣合在蜂窝板上，其上的电极连接脚对(207)多路分别 布线形成整体式压电陶瓷换能器阵列；其中，每一路压电陶瓷换能器由若干蜂窝孔内的压 电陶瓷换能器并联形成小阵列，该小阵列有两根线，一根线连接该路压电陶瓷换能器小阵 列内的所有电极基片(205)，另一根线连接该路压电陶瓷换能器小阵列内的所有压电陶瓷 片(206)。
12. 根据权利要求11所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的前蜂窝板 (201)和后蜂窝板(202)采用耐腐蚀、有韧性、高强度的材料制成，可以选用不锈钢、铝合金 或尼龙。
13. 根据权利要求11所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的前蜂窝板 (201)上的蜂窝孔可以是直筒形、锥形或号筒形。
14. 根据权利要求11所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的密封垫圈 (203)为橡胶圈，两个密封垫圈的厚度之和略大于后蜂窝板(202)的厚度。
15. 根据权利要求11所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的声辐射基片(204)采用有弹性、有韧性的材料制成，包括薄尼龙片或薄塑料片。
16. 根据权利要求11所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的电极基片 (205)为一导电金属或合金薄片。
17. 根据权利要求11所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的压电陶瓷 片(206)不与电极基片(205)接触的一面做镀导电金属处理，所述的导电金属包括银。
18. 根据权利要求6所述高声强定向声波发射的装置，其特征在于，所述的功率放大器 组(104)可以选择包括A类、B类、AB类或D类功率放大器组成；如果选用D类功放，信号 处理模块(103)和功率放大器组(104)之间就直接连接；如果选用A类、B类或AB类功放， 则信号处理模块(103)和功率放大器组(104)之间还需加接一D/A转换模块(901)。
全文摘要
本发明涉及一种高声强定向声波发射的方法及其装置，该方法采用阵列信号处理电路分别驱动多路扬声器阵列，以实现远距离定向传输高声强声波，所述的信号处理包括分频处理、频带预加权处理和波束形成处理三部分，首先，通过分频处理把宽带数字信号分解成多个子频带信号；然后，基于心理声学模型，根据心理声学参数，通过频带预加权处理对每个子频带信号进行增益调整；最后，通过波束形成处理来调节各路小阵列的输入信号的相位，使得各路的输出声音在远场位置同向叠加，以提高指向性。本发明的装置，采用阵列信号处理电路分别驱动多路扬声器阵列，和一种整体式压电陶瓷换能器阵列，以实现远距离定向传输高声强声波。
文档编号G10K11/18GK101719368SQ20091025981
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年11月4日
发明者吴鸣, 张维, 杨军 申请人:中国科学院声学研究所