具备安全装置的可编程参量阵扬声器

1.本发明属于参量阵工程应用领域，具体涉及一种具备安全装置的可编程参量阵扬声器。


背景技术：

2.传统的扬声器发射的声波不具备指向性或指向性较弱，参量阵中的超声换能器发射两个频率相近的超声载波与边带信号具备强指向性，所以将音频信号调制到超声载波上，通过超声换能器发射到空气中，超声在空气中传播，利用空气的非线性效应在传播过程中产生高次谐波、和频率、差频率，其中唯一可听的是差频率，利用调制方式产生的差频率就是原有的音频信号，其继承了超声波的强指向性，即定向传播音频信号。
3.实际应用中，如申请号为202010636697.7，申请名称为“一种可扩展、波束可控的定向声波发射装置”；以及申请号为202010636455.8，申请名称为“基于参量阵原理的定点声波发射装置”的专利申请中，公开了基于参量阵的可控区域的定向音频发射技术，运用参量阵产生的音频可以在听者听到声音的同时不影响周围的人，减少噪音的产生，虽然目前的方案可以利用参量阵原理产生可控的定向音频，但是参量阵发出声波的声压级比常规扬声器大，所以音量过大则可能会损伤听者的听力，在参量阵扬声器中融合音量安全装置成为需要解决的技术问题，并且现有方案的参量阵信号处理部分大多使用数字集成芯片和模拟芯片来完成，不便于在不改变硬件的情况下升级技术。


技术实现要素：

4.本发明的发明目的在于：目前的参量阵产生定向音频发射技术仅能控制声波的指向、数量和距离，不能控制声波的音量，本发明为参量阵定向传播音频提供了一种安全装置，可以根据人到参量阵的距离以及反射音频的强度来调节参量阵的输出幅度，保护听者不会暴露在高强度声压级下，减小损伤听力的风险，并且使用可编程器代替现有参量阵系统中的数字集成芯片和模拟芯片，增加系统稳定性的同时便于后续迭代更新。
5.本发明提供的具备安全装置的可编程参量阵扬声器，包括音频采集模块、信号处理模块和参量阵扬声器阵列和麦克风音量检测模块；
6.音频采集模块，包含模数转换器与音频接口，将待定向传输的音频信号通过音频接口连接至模数转换器，将其转换为数字信号，音频采集模块的输出端连接至信号处理模块的输入端；
7.信号处理模块，包含可编程器，接收来自音频采集模块的数字信号输入，基于所述可编程器在模块内进行调制操作和后处理操作，所述调制操作将音频信号调制至超声换能器的谐振频率及带宽内，所述后处理操作将调制操作输出的超声信号的输出形式匹配后级功率放大器的输入形式；信号处理模块的输出端连接至参量阵扬声器阵列的输入端；
8.参量阵扬声器阵列，包含多个超声换能器构成阵列和与之匹配的功率放大器，参量阵扬声器阵列的前端为功率放大器，后端为超声换能器，参量阵扬声器阵列用于将携带
音频信息的超声信号发射至空气中，经过空气自解调还原出可听音频信号；
9.麦克风音量检测模块，包含麦克风、模数转换器和音频检测器，麦克风(工作频率需包含人耳能听到的范围)接收参量阵扬声器阵列的发射音频经过人体反射后的音频信号，由模数转换器采样为数字信号，再由音频检测器检测人体反射的音频信号的强度，基于该音频信号的强度控制参量阵扬声器阵列的输出幅度。
10.进一步的，麦克风音量检测模块的音频检测器检测人体反射的音频信号的强度具体为：采用可编程器检测麦克风采集的信号与发出音频的相关程度，计算出反射音频(人体反射的音频信号)的幅度与时间差，由此来控制参量阵扬声器阵列的输出幅度。
11.进一步的，信号处理模块的调制操作的调制方式包括但不限于：如双边带、单边带、平方根、改进幅度；调制操作将预处理后的信号调制为与参量阵扬声器阵列中的功率放大器相匹配的形式，如模拟信号或单比特信号等。
12.进一步的，参量阵扬声器阵列的多个超声换能器为相同谐振频率、相同带宽，且多个超声换能器共轴排列，参量阵扬声器阵列的各功率放大器的工作频率范围与超声换能器相匹配。
13.进一步的，所述信号处理模块和音频检测器均包含可编程器，可由同一可编程器进行信号处理，亦可采用不同的可编程器进行信号处理。
14.进一步的，可编程器采用现场可编程逻辑门阵列实现，可后续升级或替换为其他型号的可编程芯片。
15.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有效增益是：
16.(1)具有多种可选择的调制方式与后处理方式，使装置更具备普适性；
17.(2)具有音量安全装置，通过匹配滤波和恒虚警检测等方式计算人到参量阵的距离和反射声波的幅度，调整参量阵扬声器阵列的输出幅度，以此保护听者的听力安全；
18.(3)采用现场可编程逻辑门阵列实现调制、后处理和音频检测等操作，便于后续改进、升级和大规模部署系统。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1为具体实施方式中，具备安全装置的可编程参量阵扬声器的系统实现框图。
21.图2为具体实施方式中，信号处理模块示意图。
22.图3为具体实施方式中，参量阵扬声器阵列示意图。
23.图4为具体实施方式中，参量阵非线性效应示意图。
24.图5为具体实施方式中，麦克风音量检测模块示意图。
25.图6为具体实施方式中，麦克风音量检测模块中音频检测器仿真结果图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方
式作进一步地详细描述。
27.本发明提供了一种参量阵安全装置，适用于使用参量阵传输定向音频时，检测听者离参量阵的位置，以及反射声波的强度，以此来调节参量阵的发射功率，在不干扰参量阵正常工作的情况下，保证定向音频传播范围内听者的安全。本发明使用模数转换器在输入端将音频转换为数字信号，在输出端使用数模转换器将数字信号转换为超声信号，直接交由功率放大器和超声换能器进行输出，调制、后处理、音频检测等操作均使用现场可编程逻辑门阵列处理，相比于模拟器件，该方案体积小、稳定性高、易升级、易大量部署。
28.本发明的具备安全装置的可编程参量阵扬声器，包括：音频采集模块、信号处理模块和参量阵扬声器阵列、麦克风音量检测模块；
29.音频采集模块使用耳机接口将外部设备的音频传入并通过模数转换器转换为数字信号音频，然后将数字信号音频传输到信号处理模块，其中，外部设备可以选择存储卡中预先录制好的音频，或是手机播放的音频，或是麦克风实时输入音频；
30.信号处理模块使用可编程器(如可编程芯片)读入数字信号音频并进行调制、后处理等操作，将音频调制至超声载波上，再使用后处理方法将调制后的超声信号的输出形式匹配后级功率放大器的输入形式；
31.信号处理模块中的调制方式最常见的是双边带调制、单边带调制、平方根调制和改进幅度调制等方式，不同调制方式对总谐波失真的抑制程度不同，且不同的调制方式对超声换能器的输出带宽需求也不同，所以应当根据系统的实际所需指标来选择合适的调制方式；
32.所述调制方式使用可编程芯片产生高频载波信号，且调制后的超声信号应当包含载波和至少一个边带信号，且边带信号的频率与载波信号频率的差值为原音频信号的频率，才能利用空气的非线性效应还原出音频信号；
33.信号处理模块中的后处理方式是根据参量阵扬声器阵列的功率放大器来选择的，如果是d类功率放大器，则采用脉冲密度调制，将调制后的信号转换为单比特的形式；如果是a、b、ab类功率放大器，则采用数模转换器，将调制后的信号转换为模拟信号，以匹配功率放大器的输入形式；
34.参量阵扬声器阵列最前端是功率放大器，接收来自调制和后处理之后的超声信号，功率放大器的工作频率范围、超声换能器的谐振频率和调制载波频率三者互相匹配，功率放大器的带宽、超声换能器的带宽、音频带宽三者互相匹配；超声换能器将功率放大后的电信号转换为超声信号并发射在空气中，调制后的超声信号在空气中传播时能自解调出音频信号，若有听者出现在定向音频区域内时，则能听到声音并且人体会反射部分声音至麦克风处；
35.麦克风音量检测模块的最前端是麦克风，能采集人体反射的音频信号，由模数转换器转换为数字信号，交由后端音频检测器的可编程芯片对反射声波进行检测；
36.麦克风音量检测模块的音频检测器使用可编程芯片实现匹配滤波器检测反射信号是否存在，获得最大信噪比输出，形成峰值，再使用恒虚警检测器检测峰值出现的位置与大小，通过峰值出现的位置可以算出人与参量阵之间的距离，根据峰值大小可以计算出反射声波的强度，以调控参量阵扬声器阵列的输出幅度。
37.调控参量阵扬声器阵列的输出幅度分两种情况，若检测不出峰值，则无需调整参
量阵的输出幅度；若检测出峰值，则按照参量阵输出声压与人到参量阵距离呈线性的规则来调整参量阵的输出幅度。
38.作为一种可能的实现方式，如图1所示，本发明实施例提供的参量阵安全装置使用模数转换器实时读入外部音频文件，将音频转换为数字信号，交由信号处理模块，调制为超声信号，再后处理以匹配功率放大器的工作频率范围及带宽，超声换能器阵列将携带信息的超声信号定向发射到空气中，经过空气的非线性效应自解调出可听音频，人在数米处外听见声音的同时也会反射部分声音至麦克风处，麦克风接收到反射声音后，经过模数转换器采集进音频检测器当中，使用匹配滤波器在回波中检测音频信号是否存在，再利用恒虚警检测器检测是否存在反射音频以及反射音频出现的时刻，若存在反射音频则可以计算匹配滤波后的峰值幅度，并根据时间差计算听者到参量阵之间的距离，以控制参量阵的输出幅度，即可利用参量阵效应产生定向音频，减小噪音的产生，并且也可以兼顾到听者的听力安全。
39.外部设备如mp3、存储卡、手机等通过音频线连接在本发明的音频接口上，由外部设备播放的音频文件将会被定向传输。由于数字信号比模拟信号抗干扰能力更强、便于处理、设备集成化更高，所以音频首先经过模数转换器，转换为数字信号传递给信号处理模块。
40.根据图2，信号处理模块首先对数字音频信号进行调制操作，可编程芯片内部产生的载波，调制操作中将音频信号通过双边带调制、单边带调制、平方根调制和改进幅度调制中的任一种，调制至超声频率，再根据后级功率放大器的类型，选择合适的后处理方式，若为d类功率放大器，则应当采用脉冲密度调制，将超声信号处理为单比特信号，使用单比特信号比使用数模转换器来说硬件资源开销更小、体积更小，更宜用在小型化设备上，但需要系统工作在较高的时钟频率下；若为a、b、ab类功率放大器，则应当采用数模转换器将超声信号处理为模拟信号，易于控制噪声，但会增加设备体积。
41.即图2所示的信号处理模块包括调制单元和后处理单元，其中，调制单元内配置多种惯用的调制方式，每个调制方式所对应的调制子单元通过选择器接入后端的后处理单元，以实现调制单元选取所配置的多种调制方式中的任一种，不同的调制子单元的功能均由可编程芯片实现，并且通过可编程芯片可以选择不同调制方式。对当前输入的音频信号进行调制处理后，输入至后处理单元进行后处理，后处理单元包括脉冲密度调制单元和数模转换器，两者通过选择器接入后端的参量阵扬声器阵列的功率放大器，基于后端的功率放大器的类型接通脉冲密度调制单元或数模转换器，具体的选取可通过可编程芯片实现。
42.信号处理模块中，调制操作以双边带调制为例，假设输入的音频信号g(t)为单音信号，即g(t)＝sin(ω1t)，其中ω1为音频信号g(t)的音频频率，即原始音频频率，则双边带调制的方式将音频信号调制为f(t)＝[1+mg(t)]sin(ω0t)，其中m是调制系数，ω0为调制载波的频率，调制包络e(t)＝1+mg(t)，使用berktay远场模型来描述空气的自解调还原音频，解调信号为：该式包含音频信号g(t)的谐波2ω1，由于m＜1，且高次谐波在空气中衰减更快，故超声信号经过一定传播距离后能自解调出音频信号。其中，β表示空气的非线性系数，p0表示调制载波的幅度，α表示调制载波的声吸收系数，ρ0表示空气的密度，c0表示空气中的声速，z表示观测点到参量阵扬声器阵列的
距离。
[0043]
信号处理模块中，后处理操作包含脉冲密度调制与数模转换器两种实现方式，后处理为了将超声信号的输出形式与后级功率放大器相匹配。脉冲密度调制使用较高的采样率，将不同幅度的数字信号量化为快速变换的单比特信号，其优点是可以在可编程芯片内完成；使用数模转换器则不需要很高的采样率，产生的量化噪声与数模转换器的位数有关。
[0044]
根据图3，参量阵扬声器阵列的前端是功率放大器，若系统采用单比特后处理方式，则使用d类功率放大器，将单比特的开关信号与高频三角波相比较，再与功率放大电路相连，d类功率放大器使用金属氧化物场效应管，因此效率很高、产生的热量很低；若系统采用数模转换器后处理方式，则可以采用a、b、ab类功率放大器，a类功率放大器产生的热量很高，失真极小，是理想的高保真功率放大器，b类放大器与a类放大器的特性相反，效率较高，但是失真较大，ab类功率放大器兼容了a类和b类功率放大器的优点。功率放大器连接超声换能器阵列，超声换能器将输入的电功率转换成超声波再传递出去，在可编程芯片中可以针对阵列进行波束赋形、多波束等算法，以灵活控制定向音频区域。
[0045]
图4描述了参量阵的非线性效应解调出音频信号的原理。当参量阵发出两个频率相近的高强度的主频率超声波束时，由于空气非线性性质，在波束的方向上产生不同频率的二次声成分，包含和频率、差频率、高次谐波。但是，和频率与高次谐波因为频率过高而在空气中衰减很快，并且由于频率高过20khz，所以人类无法听见，只有差频率因为衰减较小，并且在人耳可听频率范围内，所以可以跨越一段距离被人听见。差频率因为是在超声波束中生成的，没有超声波束就没有差频率，所以差频率继承了超声波的高指向性，因此参量阵扬声器可以依靠超声的高指向性来产生高指向性的音频波束。
[0046]
根据图5，麦克风音量检测模块，使用麦克风采集人体反射的音频信号，由于参量阵自解调需要一定的传播距离，所以将麦克风置于参量阵中心时，麦克风只会收到反射的音频信号不会收到直接解调出的音频。使用模数转换器将反射声转换为数字信号，应用中可截取时长为t的音频，使用匹配滤波的方法检测，根据berktay远场模型，解调出来音频与原音频负相关，故选取滤波器h(t)＝-g(t-t)，其中，t为音频信号总长度，假设麦克风接收到的回波信号为s(t)，匹配滤波器的输出为若有人出现在参量阵的音频传播区域，并且参量阵发出的声音较大时，匹配滤波的输出会出现峰值，利用恒虚警检测器即可检出反射声是否存在，若存在就标出反射峰值出现的时刻，由此计算出人与参量阵的距离，结合反射音频的幅度来调控参量阵的发射幅度。
[0047]
人耳可听的声压范围为0.00002pa至20pa，由于参量阵发射的定向音频中混合着超声，为了保证安全，在近距离范围内可听的音频声压不宜过高，本发明调控音量的步骤如下：
[0048]
若检测不到反射音频峰值，则代表音频传到人处时的音量已经较小，且人距离参量阵较远，超声频率部分的能量对人的影响较小，无需对音量进行调节；
[0049]
其次，若能检测到反射音频峰值，则按照声压与距离呈线性的规则选取安全音量，选定声压阈值为pth，声压阈值对应的距离为d，静音距离阈值为dth。即人与参量阵之间的距离为d时，参量阵输出声压峰值不高于pth；人距离参量阵dth时，参量阵不输出音频。综上可得其中l为人到参量阵距离，p为参量阵输出声压峰值。可取的典型声
压阈值pth＝20pa，声压阈值对应的距离d＝5米，静音距离阈值dth＝0.5米。
[0050]
为了演示本发明实施例提供的具备安全装置的可编程参量阵扬声器的效果，系统的采样率为4mhz，阵列由40个超声换能器共轴排列而成，输出声压峰值为20pa，麦克风放置在换能器阵列的中央，音频信号选取500hz至8000hz线性调频信号以覆盖典型的参量阵发声频段，采用调制系数为0.9的双边带调制，选取载波频率为40khz，也是超声换能器的常见谐振频率，在3米处仿真皮肤材质的反射面以模拟听者，参量阵的中央放置一个麦克风，接收反射音频，匹配滤波器选取时长t＝0.1秒的音频进行，恒虚警检测器的虚警概率p
fa
＝10-3
，图6展示了麦克风音量检测模块匹配滤波后的输出以及恒虚警检测后的结果。结果表明，使用恒虚警检测器约在第470000个采样点输出峰值，即音频延迟了约0.0175秒到达麦克风，距离约为3m，由于检测到明显的峰值，则此时按照线性规则计算参量阵的输出声压峰值，应减小至11.1pa。
[0051]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
[0052]
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。