一种超声波扬声器系统及其工作方法与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种超声波扬声器系统及其工作方法。

背景技术：

随着光电显示技术的快速发展，多媒体视听设备，特别是手机，正朝着全面屏方向发展。国内外各大厂商为了在屏幕上做到100％的极致，都在不遗余力的进步，出现了包括水滴屏、挖孔屏、极点屏、滑盖屏等各种设计。然而，此类设备的音响系统仍以传统内置式扬声器为主，加大屏占比的全面屏设计留给音箱的空间大大缩小，使得喇叭声音反射、缓冲次数随之变少，进而导致音质变差。虽然，分体式音箱技术可以暂时解决这些轻薄化多媒体设备的音质问题，但便携式要求、连线等新问题随之而来。

针对消费者日益增长的消费需求，传统扬声器基于一种线性模型，发散性传播方式，声音由声源振动激励空气直接产生，以球面波形式向各个方向传播，充满传播所及的整个空间，无法满足个人对于隐私性的要求。同时，在公众设备的使用可能会对场所内的其它人员行程干扰。因此，具有定向性声波传播特点的扬声器近年来日益受到人们的关注。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种超声波扬声器系统及其工作方法，具备声频定向功能，可保证个人设备的隐私性和公众设备之间的互不干扰，具备屏幕发声、高指向性、声压大、失真小、稳定性好、面积利用率大、构造简单和易制造等特点。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开一种超声波扬声器，包括基板、辐射层；基板包括依次层叠设置的空腔层、黏合层、基底层，基底层顶面黏合连接辐射层，基底层底面通过黏合层黏合连接空腔层顶面，空腔层顶面阵列设置有空腔，空腔内设置有超声波换能器单元，相邻超声波换能器单元距离＜声波半波长；辐射层包括依次层叠设置的电极层、压电材料层、极化材料层。

优选的，空腔为空腔层顶面通过刻蚀形成的盲孔或者通孔。

优选的，电极层、压电材料层、极化材料层、基底层、黏合层、空腔层依次层叠贴合连接，电极层、压电材料层、极化材料层、基底层、黏合层、空腔层尺寸相同。

优选的，辐射层为超声波薄膜材料。

优选的，辐射层为压电透明聚合物薄膜材料。

本发明还公开了上述系统的工作方法，包括以下步骤：

a、超声波发生器产生载波超声波；

b、将载波超声波和音频信号传入调制器，调制器将音频信号调制到载波超声波中，得到已调信号；

c、将已调信号输入功率放大器，得到振元驱动信号；

d、将振元驱动信号传入超声波换能器单元。

优选的，步骤a中，载波正弦信号的实现采用fpga来实现一个存储正弦数据表的方法，步骤如下：

a1、通过matlab产生正弦波一个周期内的数据表a；

a2、将数据表a通过ip核的方式存储到fpga内部模块中；

a3、从存储模块中读出正弦波的一个数据；

a4、将从模数转换器传回来的音频数据跟数据表a内的数据进行比较，确定四个比较点位置；

a5、根据四个比较点的位置确定方波信号的脉宽；

a6、根据方波信号的脉宽得到最后输出的波形。

优选的，步骤b中，声频定向信号处理算法使用的dsb调试算法流程为图3，其中，输入f(t)为可听声信号，m为调制系数，acosω0t为载波，其中a为载波幅值，ω0为载波角频率，载波频率为40khz，图3列出了dsb调制的原理，输入可听声信号的幅值与直流偏置的比值就是调制系统m，得到的信号通过与载波正弦信号相乘，最后得到的信号就是dsb信号，然后将dsb信号输出到参量扬声器中。

优选的，步骤c中，功率放大器采用全桥功率放大器，其作用是将fpga输出的信号进行功率放大，以进行后级对超声换能器的功率驱动；

滑动变阻器用于实现输出功率的调整，桥式功率放大器电路的设计包含两个场效应管芯片；

电路中通过非门对fpga输出的引脚与全桥电路进行隔离；

采用电平上拉和电容隔离的方式进行死区控制，全桥电路的上升沿死区为32ns，全桥电路的下降沿死区时间为19ns。

本发明的有益效果：

1、本发明的透明式屏幕定向超声波扬声器为屏幕本身作为发声器件，不需再外置扬声器，为无边框全面屏的实现中扬声器隐藏提供了根本的解决方案。

2、本发明扬声器为全透明式，与屏幕相结合完全不会对画质的呈现造成影响。

3、本发明采用的声频定向技术方案是整面布置辐射材料，通过空腔层所刻蚀的空腔分割阵元，与采用若干个完全独立的扬声器阵列相比，各个阵列的振动一直想更好，指向性更好，接线更简单，对声波的可控性增强。

4、本发明的透明式屏幕定向超声波扬声器结构简单，制造容易，成本低。

5、本发明具备声频定向功能，可保证个人设备的隐私性和公众设备之间的互不干扰。

6、本发明具备屏幕发声、高指向性、声压大、失真小、稳定性好、面积利用率大、构造简单和易制造等特点。

附图说明

图1为超声波扬声器的示意图；

图2为超声波扬声器工作方法的示意图；

图3为dsb调试算法流程图。

图中：1-基板、2-辐射层、3-空腔层、4-黏合层、5-基底层、6-极化材料层、7-压电材料层、8-电极层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1、图2所示，超声波扬声器本发明透明式屏幕定向超声波扬声器，包括基板1和辐射层2两部分，基板1与辐射层2组成发声屏幕，基板1包括空腔层3、黏合层4、基底层5；基底层5与发声屏幕等大，基底层5上表面与辐射层2紧贴连接在一起，基底层5下表面通过黏合层4与空腔层3相连，基底层5厚度根据辐射层2厚度与空腔大小可作调整，以不影响辐射层2振动厚度为厚度上限；辐射层2与基板1形成谐振腔；空腔层3上表面与黏合层4紧贴连接，空腔层3在接触面处以一定尺寸深度刻蚀形成的盲孔或通孔作为空腔；辐射层2为一种超声薄膜材料，至少包含三层结构：压电材料层7、电极层8和极化材料层6；基板1和辐射层2各层之间贴合，空腔层3所刻蚀空腔位置以上贴合的材料可视为独立的超声波换能器阵列单元。

从空腔层3与黏合层4的接触面处以一定深度在空腔层3上所刻蚀的空腔可为盲孔，也可以是通孔。基板1和辐射层2两部分之间以及这两部分的各组成层之间均为紧贴连接。基底层5和空腔层3的厚度可以根据辐射层2的厚度与刻蚀的空腔大小进行调整。

辐射层2为一种超声波薄膜材料，超声波薄膜材料是压电透明聚合物薄膜材料。

上述方案中，基板1是整个装置的支撑件；空腔与辐射层2形成谐振腔；基底层5是沉积辐射层2，并使辐射层2成形的装置；辐射层2是产生超声波的一种材料，当辐射层2上下电极加电，辐射层2将输入的电信号转换为机械振动，从而产生超声波，超声波经过非线性传播和交互式自解调后产生低频可听声信号。基底层5和空腔层3的厚度根据辐射层2的厚度与刻蚀的空腔大小进行调整，不同的辐射层2厚度会引起整个装置质量的变化，空腔的大小等于个阵元的大小，辐射层2厚度影响装置振动的固有频率，空腔的大小影响整个扬声器的声压级大小，两者均可通过基底层5和空腔层3厚度调整到满足要求的范围内，所以基底层5和空腔层3需根据实际采用的辐射层2的厚度和空腔大小做调整。

实际使用时，根据以下步骤：

a、超声波发生器产生载波超声波；

b、将载波超声波和音频信号传入调制器，调制器将音频信号调制到载波超声波中，得到已调信号；

c、将已调信号输入功率放大器，得到振元驱动信号；

d、将振元驱动信号传入超声波换能器单元。

步骤a中，载波正弦信号的实现采用fpga来实现一个存储正弦数据表的方法。首先通过matlab产生正弦波一个周期内的数据，然后将该数据表通过ip核的方式存储到fpga内部模块中，每次需要用到正弦波数据时，可以直接从存储模块中读出正弦波的一个数据。如此，每次将从模数转换器传回来的音频数据跟存储表内的数据进行比较，就可以确定四个比较点位置，根据四个比较点，就可以确定方波信号的每一个脉宽，这样就得到了最后输出的波形。

步骤b中，将待传输的声音信号加载到高频超声载波信号上，也就是是将声音信号搬移到高频载波上去，目的是把要传输的模拟信号变换成适合信道传输的高频信号，保证传输质量，声频定向信号处理算法使用的dsb调试算法如图3所示：输入f(t)为可听声信号，m为调制系数。acosω0t为载波，其中a为载波幅值，ω0为载波角频率，一般选择载波频率为40khz，图3列出了dsb调制的原理，输入可听声信号的幅值与直流偏置的比值就是调制系统m，得到的信号通过与载波正弦信号相乘，最后得到的信号就是dsb信号，然后将dsb信号输出到参量扬声器中。

步骤c中，功率放大器采用全桥功率放大器，其作用是将fpga输出的信号进行功率放大，以进行后级对超声换能器的功率驱动。滑动变阻器能够实现输出功率的调整，桥式功率放大器电路的设计包含两个场效应管芯片。电路中通过非门对fpga输出的引脚与全桥电路进行隔离。该方案采用电平上拉和电容隔离的方式进行死区控制，经过实际测量，方案中的全桥电路具有大概32ns的上升沿死区和19ns的下降沿死区时间。

可以多次按照步骤c进行操作，以取得全桥电路的上升沿死区和下降沿死区。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。