声频定向扬声器及其转向方法与流程

本发明涉及扬声器领域，特别是涉及一种声频定向扬声器及其转向方法。

背景技术：

物联网的兴起极大地方便了人们的生活方式，也极大地促进了智能家居行业的发展，使智能家居产品拥有较好的发展前景和市场预期。在一个智能家庭系统中，私密信息交互是非常重要的一部分，例如人们希望在其欣赏音乐的同时能尽可能不影响周边其它人。

出于这个目的，声频定向扬声器应运而生，获得了较多的关注和研究，并已经实现了可以商用的声频定向扬声器。声频定向扬声器对输入的音频信号进行调制、放大后通过超声波换能器阵列定向传播。可实现指向性极强的可听声声束，而在该声束以外的环境产生的音量极小甚至听不到。

然而，由于声频定向扬声器具有高度指向性，当用户在移动方位后将难以听到声频定向扬声器的声音，需要手动调节声频定向扬声器的方位，十分不便。而且由于市面上的超声换能器容易出现性能不一致，采用其组成的阵列常产生声束旁瓣，导致定向性能变差。

技术实现要素：

鉴于上述状况，本发明提供一种自适应转向的声频定向扬声器及其转向方法。

本发明实施例提供了一种声频定向扬声器，包括扬声器主体和设于扬声器主体上、用于定向传播音频信号的超声换能器阵列，所述扬声器主体下方设有底座，所述底座上固设有步进电机，所述步进电机与所述扬声器主体通过旋转杆相连，所述扬声器主体还设置有控制器、麦克风组件、声波信号处理单元、方位检测单元，其中，

所述麦克风组件与所述声波信号处理单元电性连接，用于接收声波信号，并将所述声波信号发送至所述信号处理单元；

所述声波信号处理单元根据所述声波信号的到达时间差，确定所述声波信号的信号源的位置，并向所述控制器发送所述信号源的位置信息；

所述方位检测单元，用于检测和向所述控制器发送所述超声换能器阵列的朝向方位信息；

所述控制器与所述步进电机、声波信号处理单元及方位检测单元电性连接，用于根据所述信号源的位置信息及所述超声换能器阵列的朝向方位信息确定所述超声换能器阵列需要转动的方向和角度，并驱动所述步进电机工作，使所述超声换能器阵列朝向方位正对所述信号源。

上述声频定向扬声器，其中，所述扬声器主体上还设置有多个旁瓣单元，所述多个旁瓣单元位于所述超声换能器阵列周围，每个所述旁瓣单元包括至少一个超声换能器，每个所述旁瓣单元的超声换能器的相位、响度单独进行控制，用于消除超声换能器阵列产生的声束旁瓣。

上述声频定向扬声器，其中，所述旁瓣单元设置4个，分别位于所述超声换能器阵列的四个角上。

上述声频定向扬声器，其中，所述麦克风组件包括多个插入所述超声换能器阵列间隙中的麦克风，多个所述麦克风组成一个线性的麦克风阵列。

上述声频定向扬声器，其中，所述麦克风组件包括4个麦克风。

上述声频定向扬声器，其中，所述扬声器主体上还设置有无线通讯单元，客户端通过所述无线通讯单元向所述声频扬声器发送音频信号。

上述声频定向扬声器，其中，所述步进电机上设有带齿轮的转轴，所述旋转杆的下端套接在所述转轴上，所述下端的内表面设有与所述齿轮匹配的齿槽，所述旋转杆的上端固定在所述扬声器主体的底部。

本发明实施例还提供了一种声频定向扬声器转向方法，所述声频定向扬声器上设置有超声换能器阵列，所述超声换能器阵列中设置有用于接收声波信号的麦克风组件，所述方法包括：

根据TDOA算法处理所述麦克风组件接收的声波信号，确定所述声波信号的信号源的位置；

计算超声换能器阵列当前的朝向方位与所述信号源的位置之间角度；

所述超声换能器阵列旋转所述角度，使所述超声换能器阵列朝向方位正对所述信号源。

上述方法，其中，所述超声换能器阵列旋转所述角度，使其朝向方位正对所述信号源的步骤包括：

判断所述角度是否为零；

当所述角度不为零时，所述超声换能器阵列旋转所述角度，使其朝向方位正对所述信号源。

本发明通过麦克风组件获取声波信号，根据声波信号来源的位置和超声换能器阵列当前的朝向方位，确定超声换能器阵列需要转动的方向和角度，继而驱动步进电机工作，使扬声器主体旋转相应的角度，确保所超声换能器阵列朝向方位正对声波信号的信号源。

超声换能器阵列的朝向方位与音频信号定向传播的方向一致，音频信号始终朝向声波信号的信号源传播，实现了声频定向扬声器的自适应转向。当一个家庭环境中一部分人需要欣赏音乐，另一部分人需要看书或休息时，声频定向扬声器传播的声音始终朝向在活动、发出声音的那部分人，为用户为带来更愉快、更方便的体验

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的声频定向扬声器的立体分解图；

图2为本发明第一实施例提出的声频定向扬声器的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提出的声频定向扬声器的结构框图；

图4为本发明第二实施例提出的声频定向扬声器的结构示意图；

图5为本发明第三实施例提出的声频定向扬声器转向方法的流程图。

主要元件符号说明

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1至图3，为本发明第一实施例提供的一种声频定向扬声器，包括扬声器主体1及扬声器主体1下方的底座2。所述底座2为加厚的金属底座，使其拥有足够的重量撑起整个声频定向扬声器。底座2上设有通孔21，步进电机3通过螺丝固定于底座2的通孔21内。步进电机3上设有伸出通孔21、上端带齿轮的转轴31，旋转杆4的下端套接在转轴31上，旋转杆4的下端的内表面设有与所述齿轮匹配的齿槽。旋转杆4的上端固定在扬声器主体1的底部，当步进电机3启动时，带动转轴31和旋转杆4旋转，进而带动扬声器主体1转动。

扬声器主体1上设置了超声换能器阵列11、控制器12、麦克风组件13、声波信号处理单元14及方位检测单元15。超声换能器阵列11设置在扬声器主体1的前面板上，由多个超声换能器组成的阵列，用于定向传播音频信号。

麦克风组件13与声波信号处理单元14电性连接，用于接收声波信号，并将所述声波信号发送至声波信号处理单元14。麦克风组件13包括4个插入超声换能器阵列间隙中的麦克风，4个麦克风组成一个线性的麦克风阵列。既不影响超声换能器阵11的功能也不影响该声频扬声器的整体外观。

声波信号处理单元14根据所述声波信号的到达时间差，确定所述声波信号的信号源的位置，并向控制器12发送所述信号源的位置信息。

方位检测单元15，用于检测和向控制器12发送超声换能器阵列的朝向方位信息。

控制器12与步进电机3、声波信号处理单元14、方位检测单元15电性连接。该控制器12用于接收所述信号源的位置信息及超声换能器阵列11的朝向方位信息，并根据接收的信息确定超声换能器阵列11需要转动的方向和角度以及驱动步进电机3工作，使扬声器主体1旋转相应的角度。确保超声换能器阵列11朝向方位正对所述信号源。

本发明实施例中，扬声器主体1上还设有无线通讯单元，客户端通过无线通讯单元向该声频扬声器发送音频信号，实现音频信号的无线传输和远程控制。该无线通讯单元使用的无线通讯方式为Zigbee、Z-Wave、蓝牙、Wifi及RF射频中的一种。

本实施例通过麦克风组件获取声波信号，根据声波信号来源的位置和超声换能器阵列当前的朝向方位，确定超声换能器阵列需要转动的方向和角度，继而驱动步进电机工作，使扬声器主体旋转相应的角度，确保所超声换能器阵列朝向方位正对声波信号的信号源。

超声换能器阵列的朝向方位与音频信号定向传播的方向一致，音频信号始终朝向声波信号的信号源传播，实现了声频定向扬声器的自适应转向。当一个家庭环境中一部分人需要欣赏音乐，另一部分人需要看书或休息时，声频定向扬声器传播的声音始终朝向在活动、发出声音的那部分人，为用户为带来更愉快、更方便的体验

实施例2

请参阅图4，为本发明第二实施例提供的一种声频定向扬声器，其与第一实施例提供的声频定向扬声器结构大抵相同，不同之处在于，扬声器主体1的前面板上设置了4个旁瓣单元16，分别位于超声换能器阵列11的四角。每个旁瓣单元16包括至少一个超声换能器，每个旁瓣单元16的超声换能器的相位、响度单独进行控制，用于消除超声换能器阵列11可能产生的声束旁瓣。需要说明的是旁瓣单元不限于4个，在本发明的其他实施例中，旁瓣单元可以设置8个，分别位于超声换能器阵列的四角和四个边的中间。

本实施例中四个旁瓣单元独立传播音频信号，可以在声频定向扬声器出厂前通过调试参数来调节四个旁瓣的超声换能器的相位、响度，以消除因各个超声换能器性能不一致导致的声束旁瓣，形成更好的指向性。

实施例3

请参阅图5，为本发明第三实施例提供了一种声频定向扬声器转向方法的流程图，所述声频定向扬声器上设置有超声换能器阵列，所述超声换能器阵列中设置有用于接收声波信号的麦克风组件，所述方法包括步骤S10～S40：

S10，根据到达时间差算法(Time Difference of Arrival，TDOA)处理所述麦克风组件接收的声波信号，确定所述声波信号的信号源所处的位置；

S20，计算超声换能器阵列当前的朝向方位与所述信号源的位置之间角度；

S30，判断所述角度是否为零，当所述角度不为零时执行步骤S40，当所述角度为零时转至步骤S10；

S40，超声换能器阵列旋转所述角度，使所述超声换能器阵列朝向方位正对所述信号源。

本实施提供了一种声频定向扬声器转向的方法，实现声频定向扬声器的自适应转向，使超声换能器阵列朝向方位始终正对声波信号的信号源。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。