一种利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法与流程

本发明涉及声波传输可控制技术领域，尤其涉及的是一种利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法。

背景技术

传统的信息传输和控制方法，很难实现商品与通用音视频设备播放的节目产生实时性的关联动作，如：当电视播放商品的广告时，如何实现该商品产生动作，引起消费者的关注。而传统的技术，如无线电、红外线和超声波就是常用的信息传递和控制手段，但它们各有不足之处。无线电波不适用于易燃易爆场所，人们对于其辐射所带来的健康问题颇有顾虑；红外线由于沿直线传播，因而极易被障碍物阻挡；而超声波的发射需要专门的器件或装置，且不能使用常用音频设备播放；也不能与通用音视频设备播放的节目产生实时性的关联动作。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法，旨在解决现有信息传输及信号控制手段存在的电磁辐射对健康不利、红外线的直线传播易被阻挡及超声波需要专门的装置发射装置;不能与通用音视频设备播放的节目产生实时性的关联动作的问题。

本发明的技术方案如下：

一种利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，包括：

用于发出控制响应设备的音频控制信号的发射装置；

设置在所述响应设备上的用于接收并处理所述音频控制信号的接收装置；

设置在所述接收装置上的用于接收所述音频控制信号的接收传感器；

设置在所述接收装置上的用于处理所述音频控制信号并控制所述响应设备作出响应动作的信号处理器；

设置在所述接收传感器与所述信号处理器之间的用于放大所述音频控制信号的第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器可简化或取消；

设置在所述接收传感器与所述信号处理器之间的用于衰减所述音频控制信号以外的噪声信号的滤波器，所述滤波器可简化或取消；

其中，所述接收传感器、所述第一放大器、所述滤波器、所述第二放大器及所述信号处理器依次电性连接。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述音频控制信号发射装置包括手机、平板电脑、音响、电视、场馆大型音响设备。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述音频控制信号发射装置的音频发射器包括电磁式扬声器、压电式扬声器、静电感应式扬声器。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述滤波器为带通滤波器或高通滤波器。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述音频控制信号频率介于16khz～20khz之间，且为连续的单频信号，双频信号、多频信号、双频或多频的组合信号或经调制的信号。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述接收传感器为压电陶瓷传感器，其谐振频率介于16khz～20khz之间。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述声波信号处理器为mcu、dsp或音频解调器。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述声波信号处理器采用fft算法进行信息处理。

所述的利用声波进行信息传输和控制的装置，其中，所述声波信号的传播介质包括空气、液体或固体。

一种利用声波进行信息传输和控制的实现方法，其中，包括步骤：

a、发射装置发出频率介于16khz～20khz之间的音频控制信号与节目信号的叠加信号；

b、设置在所述响应设备接收装置上的接收传感器接到所述叠加信号，将其转化为音频控制信号并发送至第一放大器进行信号放大；

c、所述第一放大器将信号放大后将其发送至滤波器；

d、所述滤波器对所述音频控制信号进行滤波处理后将其发送至第二放大器；

e、所述第二放大器将信号放大后将其发送至信号处理器；

f、所述信号处理器控制响应装置做出响应动作。

有益效果：本发明所提供的一种利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法，通过音频控制信号发射装置发出音频控制信号与节目信号叠加后的声波信号，再经接收、放大、滤波、再放大后，由信号处理器控制响应设备作出响应性动作，有效避免了现有信息传输及信号控制手段存在的电磁辐射对健康不利、红外线的直线传播易被阻挡及超声波需要专门的发射装置的问题。使用通用音频设备作为发射装置，有效克服了噪声的干扰，控制响应装置作出响应性动作，达到响应动作与节目实时性的相关联的效果。

附图说明

图1为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例的原理示意图。

图2为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例中取消第二放大器的原理示意图。

图3为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例中取消第一放大器和第二放大器的原理示意图。

图4为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例中取消滤波器和第二放大器的原理示意图。

图5为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的实现方法较佳实施例的流程图。

图6为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的实现方法较佳实施例的pcb板上各元器件电性连接关系及功能框图。

具体实施方式

本发明提供一种利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，其为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例的原理示意图，所述利用声波进行信息传输和控制的装置，包括：

用于发出控制响应设备的音频控制信号的发射装置1；

设置在所述响应设备上的用于接收并处理所述音频控制信号的接收装置2；

设置在所述接收装置上的用于接收所述音频控制信号的接收传感器211；

设置在所述接收装置上的用于处理所述音频控制信号并控制所述响应设备作出响应性动作的声波信号处理器212。

设置在所述接收传感器与所述声波信号处理器之间的用于放大所述声波信号的第一放大器213和第二放大器214，所述第一放大器213和第二放大器214可简化或取消；

设置在所述接收传感器211与所述声波信号处理器212之间的用于衰减所述音频控制信号以外的噪声信号的滤波器215，所述滤波器可简化或取消。其中，所述接收传感器、所述第一放大器、所述滤波器、所述第二放大器及所述信号处理器依次电性连接。

具体的，所述噪声信号主要是与所述音频控制信号同时发出的节目信号，这是因为所述音频控制信号是叠加在音频播放设备所播放的节目中的。例如，电视机中播放广告时，音频控制信号叠加在节目信号中，两种信号一起通过电视机的扬声器播出，因此，若要清晰的辨别并接收到音频控制信号，就需要使用滤波器将其他干扰信号衰减削弱，只保留音频控制信号。

需要说明的是，本发明所述“声波信号”是指在传输介质中传播的机械波信号，“音频控制信号”是指电信号。具体的，本发明采用的声波为机械波，由于没有电磁场，所以不会对人体产生有害的电磁辐射;相比于光线传播，声波的衍射能力更强，即使不透明物体也可以绕过去进行传播。一般地，人耳可识别的声波频率范围是20hz～20khz。而实际上人耳对于16khz以上的声波信号相当迟钝，需要达到更高的声压人耳才能感受到。此外，人的听觉还具有屏蔽效应，即弱音会被强音淹没现象，在听觉上低幅度的声波信号会被强的声波信号覆盖掉，导致人耳不能分辨出低幅度的声波信号。因此，在正常节目源叠加相对幅度很小的16khz～20khz音频控制信号，人耳就很难觉察到该音频控制信号，不会对正常生活造成干扰。因此，利用16khz～20khz的声波信号作为控制信号，在使用较低幅度且与其它较强的频率信号共同播放时，人耳就很难觉察到。由于音频控制信号相对很小，为了将较弱的该音频控制信号从环境噪声中分离出来，需对频率介于16khz～20khz之间的音频控制信号进行处理，以能实现其对响应设备的控制。

进一步地，本发明中所述音频控制信号发射装置1包括手机、平板电脑、音响、电视、场馆大型音响设备。由于16khz～20khz频率属于音频范围，因此，可使用普通音频播放设备作为声波信号发射源，并将该声波信号经处理后用于控制其他装置的信号指令。因此，普通音频设备如手机、电视、大型音响设备等均可作为声波信号发射源。

进一步地，所述音频控制信号发射装置1的音频发射器（spk）111包括电磁式扬声器、压电式扬声器、静电感应式扬声器。当然，也可以采用其他音频播放器件。

进一步地，如图1所示，所述声波信号通过传输介质3进行传播，所述传输介质3可以包括空气、液体或固体。由于声波是机械波，因此可在液体或固体介质进行传播，实现对响应设备的控制。

进一步地，所述音频控制信号频率介于16khz～20khz之间，且可为连续的单频信号、双频信号、多频信号、双频或多频的组合信号或经调制的信号，如ask（amplitudeshiftkeying，幅移键控）或fsk（frequencyshiftkeying，频移键控）调制信号。

进一步地，所述接收传感器211为压电陶瓷传感器，其谐振频率介于16khz～20khz之间。常见的音频接收器件（mic）一般采用驻集体话筒、硅麦克风（siliconmicrophone）、动圈式话筒等作为传感器。但以上几种传感器的频率特性较为平坦，接收到的节目源信号和来自环境的噪声明显大于音频控制信号的幅度，这样就要求其后级的滤波器对噪声信号具有强烈的衰减作用，或者要求处理器具有较强信号处理能力，才能将音频控制信号检测出来，且滤波器及处理器均要需要使用高性能器件，导致成本高昂。本发明中的接收器件采用具有固有机械谐振频率的传感器，该类传感器具有良好的选频作用。广泛应用于超声波领域的压电陶瓷材料接收器就是这类传感器中的一种。其可以将接收器谐振频率调整至音频范围16khz～20khz之间，且对谐振频率之外的音频信号有较强衰减作用，降低了后级滤波器和处理器的性能要求，同时，由于压电陶瓷传感器器为无源器件，不需要消耗电源电压，可简化设计，降低成本。

进一步地，所述滤波器为带通滤波器或高通滤波器。如图1所示，所述滤波器215设置在所示第一放大器213和第二放大器214之间。第一放大器213（op1）将来自mic的微弱音频控制信号放大，并发送至滤波器215（fl1）进行滤波。滤波器215（fl1）可以采用带通滤波器，其中心频率介于16khz～20khz之间，也可采用高通滤波器，其截止频率>16khz。经滤波后的信号经第二放大器（op2）进一步放大，再发送至信号处理器212（ic）处理。

进一步地，如图1所示，所述信号处理器212（ic）为mcu、dsp（digitalsignalprocessor，数字信号处理器）或音频解调器。信号处理器212（ic）用于对接收到的信号进行判断，方法可以是通过检查信号幅度、频率来判断。优选的，所述信号处理器采用fft（fastfouriertransform），快速傅立叶变换）算法进行信息处理。当处理器212（ic）检测到符合指定特征的信号后，如：特定频率、特定调制信息，即可根据接收到的信息执行相应的动作指令。

需要指出的是，所述第一放大器213、所述第二放大器214和所述滤波器215（fl1）并非必备的器件，当接收器件（mic）具有优良的灵敏度时，所述第一放大器213、所述第二放大器214可以简化或取消；当接收器件（mic）具有优良的频率选择性能时，所述滤波器215（fl1）可简化或取消。几种较佳的实施例请参阅图2-4，其中，图2为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例中取消第二放大器的原理示意图，图3为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例中取消第一放大器和第二放大器的原理示意图，图4为本发明所述利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例中取消滤波器和第二放大器的原理示意图。如图2所示，当接收器件（mic）具有优良的灵敏度时，所述第二放大器214可取消，简化所述接收装置2的设计；如图3所示，当接收器件（mic）具有足够的灵敏度时，所述第一放大器和所述第二放大器214均可取消，使得所述接收装置2的设计更加简化；如图4所示，当接收器件（mic）具有优良的灵敏度和频率选择性能时，所述第二放大器214和所述滤波器215（fl1）可取消。

需要说明书的是，所述接收装置2可采用pcb板，其中所述接收传感器211、第一放大器213、第二放大器214、滤波器215及处理器212可设置在所述pcb板的顶层或底层。同时，所述接收装置2还包括提供电能的电池，所述电池与所述pcb板相连接。

基于上述装置实施例，本发明还提供一种利用声波进行信息传输和控制的实现方法。如图5所示，所述利用声波进行信息传输和控制的实现方法包括步骤：

s100、发射装置发出频率介于16khz～20khz之间的音频控制信号与节目信号的叠加信号；

s200、设置在所述响应设备接收装置上的接收传感器接到所述叠加信号，将其转化为音频控制信号并发送至第一放大器进行信号放大；

s300、所述第一放大器将信号放大后将其发送至滤波器；

s400、所述滤波器对所述音频控制信号进行滤波处理后将其发送至第二放大器；

s500、所述第二放大器将信号放大后将其发送至信号处理器；

s600、所述信号处理器控制响应装置做出响应动作。

具体实施时，发出控制响应设备的音频控制信号的发射装置发射出频率介于16khz～20khz之间的音频控制信号，设置在所述响应设备接收装置上的接收传感器接到所述音频控制信号，则将其发送至第一放大器进行信号放大，所述第一放大器将信号放大后将其发送至滤波器，所述滤波器对所述音频控制信号进行滤波处理后将其发送至第二放大器，所述第二放大器将信号放大后将其发送至信号处理器，所述信号处理器控制所述响应设备做出响应性动作。

进一步地，请参阅图6，其是本发明所述的利用声波进行信息传输和控制的装置较佳实施例的元器件之间电性连接关系及功能框图。如图6所示，发射装置的音频发射器（spk）发出的是音频控制信号与节目信号的叠加信号，其频率介于16khz～20khz之间，通过声波介质传输给接收装置。接收装置的接收传感器、第一放大器、滤波器、第二放大器、信号处理器依次电连接，所述信号处理器还连接有执行装置。较佳的，所述接收传感器可设置在pcb板的底层，所述第一放大器、所述滤波器、所述第二放大器、所声波信号处理器可设置在pcb板的顶层。如图6所示，接收传感器一端接地，另一端通过电阻r1与第一放大器连接，电阻r2为第一放大器的保护电阻。第一放大器包括正、负极，其一端接地，另一端通过r3、电容器c1、c3与滤波器连接。滤波器的也包括正、负极，且一端接地，另一端通过电容器c4、电阻r6与第二放大器连接。所述电容器c1与c4之间还设置有电容器c2、电阻r4、r5。所述第二放大器通过电容器c5信号处理器连接，电阻r7为第二放大器的保护电阻。如图6所示，信号处理器（mcu），包括vdd（即信号处理器的电源脚）、ad（即mcu的模拟/数字转换输入脚）、gnd（即mcu的电源地）、端口1、2、3、4、5、6、7、8，其中，端口1连接vdd，端口3接地，端口4与第二放大器连接，端口5通过d1（即发光二极管）、电阻r3接地。d1、电阻r8组成了所述执行装置，用于执行经处理器处理后的音频控制信号指令，作出响应性动作。

基于上述利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法实施例，为了更好的理解本发明，下面举出应用案例进一步说明。

应用案例1：一种利用声波进行信息传输和控制的某品牌啤酒杯子，在所述啤酒杯子底部设置本发明所述的接收装置，所述接收装置包括接收传感器、放大器、滤波器及处理器。当电视机中播放该品牌啤酒的广告时，由于广告的音频信号中叠加了音频控制信号，两种信号同时通过电视机的扬声器播出，所述啤酒杯子接收到声波信号，转化为音频控制信号，然后根据音频控制信号传递的指令信息作出振动、发光等动作，这样观众就与广告产生了互动的效果，增强了趣味性，也推广了品牌。

应用案例2：一种利用声波进行信息传输和控制的发光棒。在某足球比赛场馆，在观众手中的发光棒内置本发明所述的接收装置，当观众所支持的球队进球时，音频控制信号通过场馆大型音响设备播出，由于采用本发明的装置，所述发光棒接收装置可以有效克服环境噪声的干扰，接收到控制信号，然后根据控制信号传递的指令信息产生振动、发光等动作，增强了趣味性与互动性。

综上所述，本发明所提供的利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法，装置包括：发射装置；接收装置；设置在所述接收装置上的接收传感器、第一放大器和第二放大器、滤波器及信号处理器。利用声波进行信息传输和控制的装置及其实现方法，通过音频控制信号发射装置发出的声波信号经接收、放大、滤波、再放大后，由处理器控制响应设备作出响应性动作，现有信息传输及信号控制手段存在的电磁辐射对健康不利、红外线的直线传播易被阻挡及超声波需要专门的装置发射且无法直接用来控制其他设备做出响应动作的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。