本发明涉及汽车喇叭技术领域，具体涉及到一种发出的提示音方向可控、音量可调、种类可选的汽车喇叭系统及其工作方法。
背景技术：
汽车喇叭是汽车行驶中对行人和其他车辆起最直接的提示警醒的工具。汽车喇叭一般设计如下：在方向盘的装饰膜下安装一个触点控制开关，当给予这个开关的压力达到一定程度的时候，汽车喇叭处于工作状态。目前，汽车喇叭按声音动力分为两种：电喇叭和气喇叭。电喇叭是通过不断地通电与断电，使金属膜片振动从而发出声音，而气喇叭是通过空气流的压缩使金属膜片振动发出声音。
目前这两种汽车喇叭都有共同的特点：一是发出的声音是全向发散的，无指向性。这不仅不能向特定的需要避让的人群发出警示，而且还给其它无关人群带来干扰和噪声，另外音量提高之后，高分贝的汽车喇叭声还造成噪声污染，使旁人心情烦躁。二是只能发出单一音量的汽车喇叭声。
中国专利文献公开了申请号为201410767279.6的一种环境友好型车辆定向喇叭系统，通过超声波检测车辆附近的行人，经数据处理后控制相应的定向喇叭向该行人方向发声；另一方面是通过专用短程通信技术模块实现车辆之间喇叭声的通信传递，该系统通过以上方法可以减少对环境的噪声干扰。但，该系统仍存有改进之处：1、该系统要求车辆安装16个超声波检测器和16个定向喇叭，装置不仅在实际安装中存在一定的难度，而且安装的装置过多，造成对资源的一种浪费；2、该系统实现对前方车辆的提示警醒是通过专用短程通信技术模块之间的通信来实现，所以要实现该功能要求每辆汽车都必须安装专用短程通信技术模块，这在实际应用中很难实现；3、喇叭音量大小只是根据超声波检测到的距离信息进行调节，这样的单一判断条件并不准确，当出现在同样的距离下，对象无论是小孩还是大人，无论是一个人还是一群人，汽车喇叭的音量大小都是相同的，这样的设计缺乏交互性、灵活性和实用性。
因此，针对以上调查所得到的目前汽车喇叭的使用情况和设计方向，为了能够更有效地应用汽车喇叭，很有必要设计一套既能够符合相关部门规定同时又能够满足驾驶员在复杂多样的道路情况下对行人与其他车辆发出方向可控、音量可调、种类可选的提示音的喇叭系统。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可控汽车喇叭系统，克服传统汽车喇叭发声的无方向性、及单一音量、单一声音类型的缺点。在本发明中，第一，驾驶员可以通过人机交互显示模块划定目标区域实现对指定方向行人或其它车辆发出声音提示。第二，无论是何种声音，驾驶员都能主动控制喇叭提示音的大小，且对音量控制是连续的。第三，汽车喇叭除了能发出传统的喇叭提示音外还可以发出“有车，请注意避让”等个性化提示音。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种可控汽车喇叭系统，该系统包括摄像头、人机交互显示模块、中央控制模块和汽车喇叭模块。摄像头采集的道路实时路况显示在人机交互显示模块的显示屏幕上，使用者通过人机交互显示模块划定目标区域，即是需要发出提示音的指定方向行人或其它车辆区域，以及指定提示音；中央控制模块根据目标区域产生控制信息和调制提示音为声频发射信号；汽车喇叭模块把特定音量的声频发射信号通过超声换能器转换为超声，且以窄波束的形式发射到空气中，在有效长度内通过空气的强烈非线性交互作用，解调出可听声波，让指定方向行人或其它车辆听到提示音，而其它方向听不到。
所述的摄像头是用于拍摄道路的实时路况，车身前后都有一个摄像头供使用者根据需要切换，实时显示在人机交互显示模块的显示屏幕上。
所述的人机交互显示模块，通过交互性的界面使用者划出目标区域（行人或车辆），形成提示音的定向传播范围、选择提示音的声音类型、选择提示音的音量大小，通过触摸屏来实现；提示音的定向传播范围通过使用者在触摸屏上显示的实时路况画面上划出的目标区域，触摸点的位置信息感应获得；语音选择选项由传统的喇叭提示音和个性化提示音组成，个性化提示音可以自己录制存储在中央控制模块；音量调节可以滑动触摸屏上的触摸圆点连续调节音量大小。
所述中央控制模块的组成包括：控制单元、声音信号产生单元、角度和距离计算单元和一个可拆卸的存储卡。中央控制模块的主要功能包括：1.根据人机交互显示模块上的采集信息，包括目标区域的位置信息、提示音的声音类型、提示音的音量大小信息，来控制汽车喇叭模块的工作；2.控制摄像头的开启；3.储存摄像头拍摄的视频到存储卡，录制个性化提示音来存储。
上述控制单元控制各个模块的协调工作，控制摄像头的开启，控制摄像视频的存储，控制汽车喇叭模块的开启等。
上述声音信号产生单元，根据使用者选择的提示音的声音类型将某种传统喇叭提示音或个性化提示音作为声频信号，然后乘以相应的载波信号，变成声频发射信号，其频段为超声换能器所支持的频段。同时，根据使用者选择的提示音的音量大小信息，调整声频发射信号的幅度。
上述角度和距离计算单元，根据使用者在人机交互显示模块上划出的目标区域，指定的提示音的定向范围，以及当前车辆的行驶速度，计算出实际环境中目标区域相对于车身的角度和距离，再根据计算的角度换算成声频定向扬声器的角度偏移信息，根据计算的距离再次调整声频发射信号的幅度。
上述可拆卸的存储卡储存摄像头拍摄的视频和使用者录制的个性化提示音。
所述汽车喇叭模块包括3个声频定向扬声器、旋转转盘和角度控制单元。声频定向扬声器以声学参量阵理论为基础，对中央控制模块调制声频信号后得到的声频发射信号通过超声换能器转换为超声发射到空气中，在有效长度内通过空气的强烈非线性交互作用，解调出可听声波。由于超声波具有很强的指向性，主传播轴以外的区域叠加效应非常微弱，最终导致可听声在主传播轴方向形成具有高度指向性的声束，即是该声频扬声器将可听声投射到一指定区域内，在此区域才可以听到声音。
上述声频定向扬声器包括数模转换器、功率放大器、超声换能器和物理聚焦器，其上层放置数模转换器和功率放大器，中层为超声换能器及其背衬层，下层是物理聚焦器。超声换能器的上面用非透声材料制作的背衬进行封装，形成背衬层。调制声频信号后得到的声频发射信号经过数模转换和功率放大后发送给超声换能器，由其转换为超声波，然后超声波在物理聚焦器中聚焦后形成窄波束，在空气中通过非线性作用自解调出可听声，从而在窄波束指定的方向上被听到。
上述物理聚焦器为上宽下窄双抛物体结构，由一个上抛物线和下抛物线组合相交的非重复的双抛物线旋转构成，上抛物线旋转得到上面的宽抛物体，下抛物线旋转得到下面的窄抛物体，上抛物线和下抛物线是共用焦点的；双抛物体采用透声材料制作成透声层，外层涂非透声层，使得超声换能器产生的超声波只在这个双抛物体里面传播；超声换能器发出的超声波到达宽抛物体的透声层边界后被反射聚集到焦点，焦点作为一个点源再发出超声波，发出的超声波到达窄抛物体的透声层边界后被平行发出，这一过程有能量的聚集。另外，由于上面的宽抛物体宽，下面的窄抛物体窄，可以有更窄的波束，让发射范围缩小，具有更窄的指向性，定位目标人群更为精确。
上述旋转转盘和角度控制单元用来控制3个声频定向扬声器旋转的角度，根据中央控制模块发送的角度偏移信息工作，角度控制单元控制旋转转盘转动相应的声频定向扬声器旋转到指定的角度。每个声频定向扬声器负责的范围可以设置，这里假设每个声频定向扬声器负责的范围设为1200，角度控制单元接收到扬声器偏移角度信息指令后，就查找出对应负责范围的声频定向扬声器，再微调到指定的角度，并且让其开始工作。如，3个声频定向扬声器a、b、c，各自负责的范围为0-1200，1200-2400，2400-3600，当需要向134度方向的行人发出提示语音，则声频定向扬声器b工作，且角度控制单元控制其指向134度。
基于上述的一种可控汽车喇叭系统的工作步骤如下：
（1）汽车启动后，系统自动启动。中央控制模块控制单元向摄像头发送控制信号。摄像头收到控制信号后，开始工作，开始存储所拍视频于存储卡。同时，摄像头拍摄到的实时路况传输到人机交互显示模块上进行实时显示。
（2）当驾驶员需要对前方其他车辆或者行人发出提醒信号时，通过人机交互显示模块划出目标区域、选择输入提示音的声音类型、输入提示音的音量大小，并将信息传输给中央控制模块。
（3）中央控制模块的声音信号产生单元根据人机交互显示模块获取的提示音的声音类型将某种传统喇叭提示音或个性化提示音作为声频信号，然后乘以相应的载波信号，变成声频发射信号。同时，根据使用者选择的提示音的音量大小信息，调整声频发射信号的幅度。
（4）中央控制模块的角度和距离计算单元，依照当前车辆的行驶速度，计算出实际环境中目标区域相对于车身的角度和距离，再根据计算的角度换算成声频定向扬声器需要偏移的角度，获得角度偏移信息，传给汽车喇叭模块的角度控制单元，根据计算的距离再次调整声频发射信号的幅度。
（5）汽车喇叭模块中的角度控制单元收到角度偏移信息指令后，先选择出负责对应区域的一个声频扬声器工作，然后控制旋转转盘转动该声频扬声器到指定方向。
（6）汽车喇叭模块中的数模转换器和功率放大器对声频发射信号依次进行数模转换和功率放大后发送给超声换能器，由其转换为超声波，然后超声波在物理聚焦器中聚焦后形成窄波束，在空气中通过非线性作用自解调出可听声，从而目标区域的人群听到相应的提示声音。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明汽车喇叭把特定音量的声频发射信号通过超声换能器转换为超声，且以窄波束的形式发射到空气中，在有效长度内通过空气的强烈非线性交互作用，解调出可听声波，让指定方向行人或其它车辆听到提示音，而其它方向听不到，减少了对其它方向上无关人群的噪声干扰。
（2）本发明汽车喇叭除了根据声频定向扬声器的声学参量阵理论来定向，还利用物理聚焦器来实现更窄波束下超声波能量的聚集发送。物理聚焦器上面的宽抛物体宽，下面的窄抛物体窄，可以有更窄的波束，缩小发射范围，从而具有更窄的指向性，定位目标人群更为精确。
（3）本发明汽车喇叭发出的提示音音量可互动多重控制，根据目标区域的距离和驾驶员根据实际情况主动地连续调节汽车喇叭的音量大小来调整音量，克服了传统喇叭不便控制音量而带来的单一刺耳的噪声污染。
（4）本发明汽车喇叭发出的提示音种类多样，既可以是传统喇叭提示音，也可以是“有车，请注意避让”等多种个性化提示音。
（5）本发明实现了视频的实时传输和保存，可作为宝贵的驾驶路况参考资料，可以合并行车记录仪的功能。
附图说明
图1是本发明可控汽车喇叭系统的结构框图；
图2是本发明声频定向扬声器结构示意图；
图3是本发明声频定向扬声器中上宽下窄双抛体结构物理聚焦器的纵截面示图；
图4是本发明汽车喇叭模块的结构示意；
图5是本发明人机交互显示模块的界面图；
图6是本发明可控汽车喇叭系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领技术人员可以根据现有技术实现或理解的。
如图1所示，是本发明可控汽车喇叭系统的结构框图。由四部分组成：一是汽车喇叭模块，包括3个声频定向扬声器、旋转转盘和角度控制单元，发出方向可控、音量可调、种类可选的提示音；二是中央控制模块，包括控制单元、声音信号产生单元、角度和距离计算单元和一个可拆卸的存储卡，产生控制信息给其他模块，特别是声音信号产生单元产生声频发射信号给汽车喇叭模块的相应的声频定向扬声器，以及角度和距离计算单元产生目标区域的角度和距离发送给汽车喇叭模块的角度控制单元；三是摄像头，拍摄实时路况；四是人机交互显示模块，获取驾驶员输入的信息，如划出目标区域，输入提示音的声音类型、提示音的音量大小信息，和显示相关信息，如实时显示摄像头拍摄的实时路况。
如图2所示，是本发明汽车声频定向扬声器结构示意图，包括数模转换器201、功率放大器202、超声换能器203和物理聚焦器204，分为三层结构，其上层放置数模转换器201和功率放大器202，中层为超声换能器203及其背衬层205，下层是物理聚焦器204。超声换能器的上面用非透声材料制作的背衬进行封装，以防止超声从背面传播，形成背衬层205。调制声频信号后得到的声频发射信号经过数模转换和功率放大后发送给超声换能器，由其转换为超声波，然后超声波在物理聚焦器中聚焦后形成窄波束，在空气中通过非线性作用自解调出可听声，从而在窄波束指定的方向上被听到。
如图3所示，是本发明声频定向扬声器中上宽下窄双抛体结构物理聚焦器的纵截面示意图，由一个上抛物线和下抛物线组合相交的非重复的双抛物线旋转构成，上抛物线旋转得到上面的宽抛物体，下抛物线旋转得到下面的窄抛物体，上抛物线和下抛物线是共用焦点的；双抛物体采用透声材料制作成透声层，外层涂非透声层，使得超声换能器产生的超声波只在这个双抛物体里面传播；超声换能器发出的超声波到达宽抛物体的透声层边界后被反射聚集到焦点，焦点作为一个点源再发出超声波，发出的超声波到达窄抛物体的透声层边界后被平行发出，形成发声区域，这一过程有能量的聚集。另外，由于上面的宽抛物体宽，下面的窄抛物体窄，形成更窄的波束，让发声区域范围缩小，具有更窄的指向性，定位目标人群更为精确。
如图4所示，是本发明汽车喇叭模块的结构示意，包括3个声频定向扬声器、旋转转盘和角度控制单元。这里假设3个声频定向扬声器（401、402、403），每个声频定向扬声器负责的范围设为1200，401负责的范围为0-1200，402负责的范围为1200-2400，403负责的范围2400-3600；旋转转盘404和角度控制单元405用来控制3个声频定向扬声器旋转的角度。旋转转盘和声频定向扬声器由支撑架406来连接和支撑。角度控制单元根据中央控制模块发送的角度偏移信息，判断和查找出对应负责范围的声频定向扬声器，然后控制旋转转盘转动相应的声频定向扬声器旋转到指定的角度并且让其开始工作。如，当需要向1340方向的行人发出提示语音，则声频定向扬声器402工作，且角度控制单元控制旋转转盘转动，使得声频定向扬声器402指向1340。
如图5所示，是本实施例人机交互显示模块的界面图；中间区域显示摄像头拍摄的实时路况，前后摄像头拍摄的实时路况可以分屏显示或者切换显示，驾驶员可以触摸点击画面中的行人或车辆，划出目标区域，再把目标区域的位置信息传输到中央控制模块。下方区域是音量调节滑动条，可以滑动圆点实现对音量的连续控制；右边区域包括菜单、确定、返回和更多这4个功能键，使用者可以通过菜单栏进入选择喇叭播放的声音类型。
如图6所示，是本发明可控的汽车喇叭系统的工作流程图。
（1）汽车启动后，系统自动启动。中央控制模块控制单元向摄像头发送控制信号。摄像头收到控制信号后，开始工作，开始存储所拍视频于存储卡。同时，摄像头拍摄到的实时路况传输到人机交互显示模块上进行实时显示。
（2）当驾驶员需要对前方其他车辆或者行人发出提醒信号时，通过人机交互显示模块划出目标区域、选择输入提示音的声音类型、输入提示音的音量大小，并将信息传输给中央控制模块。
（3）中央控制模块的声音信号产生单元根据人机交互显示模块获取的提示音的声音类型将某种传统喇叭提示音或个性化提示音作为声频信号，然后乘以相应的载波信号，变成声频发射信号。同时，根据使用者选择的提示音的音量大小信息，调整声频发射信号的幅度。
（4）中央控制模块的角度和距离计算单元，依照当前车辆的行驶速度，计算出实际环境中目标区域相对于车身的角度和距离，再根据计算的角度换算成声频定向扬声器需要偏移的角度，获得角度偏移信息，传给汽车喇叭模块的角度控制单元，根据计算的距离再次调整声频发射信号的幅度。
（5）汽车喇叭模块中的角度控制单元收到角度偏移信息指令后，先选择出负责对应区域的一个声频扬声器工作，然后控制旋转转盘转动该声频扬声器到指定方向。
（6）汽车喇叭模块中的数模转换器和功率放大器对声频发射信号依次进行数模转换和功率放大后发送给超声换能器，由其转换为超声波，然后超声波在物理聚焦器中聚焦后形成窄波束，在空气中通过非线性作用自解调出可听声，从而目标区域的人群听到相应的提示声音。