一种定向声产生装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及定向声技术领域，特别涉及一种定向声产生装置及方法。
【背景技术】
[0002] 定向声技术是一种将声波控制在空间某一区域内定向传输的技术，与传统扬声器 发出的声波向各个方向传播不同，定向声技术只能在特定区域中传播声音，而在特定区域 之外则衰减很快，几乎听不到声音，因此具有较好的私密性，也减少了噪音的产生，在军事 以及民用领域均拥有广泛的应用前景。
[0003] 国内外针对定向声技术开展了一些研宄，其主要依据是Westervelt方程和 Berktay远场解的两种参量声学阵理论，利用超声在空气中传播的非线性作用产生定向传 播的可听声音。其中信号处理和调制方法是产生定向声的关键技术。
[0004] 目前产生定向声的技术均比较复杂，并且成本很高，一般应用在军事领域，在民用 应用的几乎没有。
[0005] 因此，本领域技术人员需要提供一种定向声产生装置，能够降低成本，使定向声技 术以及产品应用在民用领域。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种定向声产生装置及方法，能够降低成本，使 定向声技术以及产品应用在民用领域。
[0007] 本发明实施例提供一种定向声产生装置，包括：信号预处理模块、脉冲宽度调制模 块、驱动放大模块和超声换能器阵列模块；
[0008] 所述信号预处理模块，用于对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、 低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给所述脉冲宽度调制模块；
[0009] 所述脉冲宽度调制模块，用于将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制 的超声载波信号；
[0010] 所述驱动放大模块，用于对所述已调制的超声载波信号进行驱动放大；
[0011] 所述超声换能器阵列模块，用于将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低通 滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生 定向声音；所述超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，所述超声载波信号的载波 频率根据每个所述阵元的工作频率设置。
[0012] 优选地，所述脉冲宽度调制模块根据以下脉冲宽度调制传输函数进行脉冲宽度调 制得到所述已调制的超声载波信号：
[0013] S0=HPWM{SJ；
[0014] 其中，S。为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；Hpwm为脉冲宽度调 制传输函数；
[0015] 所述超声载波信号的频率为fe;f。=ft_fe;
[0016]其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，为误差补偿因子，feG[-100,0)U(0,100]〇
[0017] 优选地，所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率ft满足以下条件： Sfsig^ f f mos；
[0018] 其中，fsig为所述数字音频信号的最大频率，为所述脉冲宽度调制模块中开关 器件的最大频率。
[0019] 优选地，所述脉冲宽度调制的空载占空比为50% ±10%。
[0020] 优选地，所述超声换能器阵列中的任意两个阵元的相位差小于90度。
[0021] 优选地，所述信号预处理模块，还用于当检测到所述数字音频信号为空载时，发送 控制信号给所述脉冲宽度调制模块，所述脉冲宽度调制模块关闭。
[0022] 优选地，所述带通滤波器的截止频率和通带带宽由所述数字音频信号的带宽和超 声换能器的带宽决定。
[0023] 优选地，所述超声换能器阵列的超声传感器阵列的阵型为矩形交错阵列或六边形 加权阵列。
[0024] 优选地，所述矩形交错阵列或六边形加权阵列中的阵元采用并联连接，且任意两 个相邻阵元之间的中心间距d相等，且d满足如下条件：
【主权项】
1. 一种定向声产生装置，其特征在于，包括：信号预处理模块、脉冲宽度调制模块、驱 动放大模块和超声换能器阵列模块； 所述信号预处理模块，用于对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频 补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给所述脉冲宽度调制模块； 所述脉冲宽度调制模块，用于将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超 声载波信号； 所述驱动放大模块，用于对所述已调制的超声载波信号进行驱动放大； 所述超声换能器阵列模块，用于将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低通滤波 电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向 声音；所述超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，所述超声载波信号的载波频率 根据每个所述阵元的工作频率设置。
2. 根据权利要求1所述的定向声产生装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制模块根据 以下脉冲宽度调制传输函数进行脉冲宽度调制得到所述已调制的超声载波信号： S0 - H PWM{St}; 其中，S。为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；Hpwm为脉冲宽度调制传 输函数； 所述超声载波信号的频率为。= f t-fe; 其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，为误差补偿因子， fee [-100,0) U (0,100] 〇
3. 根据权利要求2所述的定向声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列中阵元的中 心工作频率ft满足以下条件：3f sig彡f t彡 其中，fsig为所述数字音频信号的最大频率，fm()S为所述脉冲宽度调制模块中开关器件 的最大频率。
4. 根据权利要求1或2所述的定向声装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制的空载占空 比为 50% ±10%。
5. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列中的任意两 个阵元的相位差小于90度。
6. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述信号预处理模块，还用于当检 测到所述数字音频信号为空载时，发送控制信号给所述脉冲宽度调制模块，所述脉冲宽度 调制t吴块关闭。
7. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述带通滤波器的截止频率和通 带带宽由所述数字音频信号的带宽和超声换能器的带宽决定。
8. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列的超声传感 器阵列的阵型为矩形交错阵列或六边形加权阵列。
9. 根据权利要求8所述的定向声装置，其特征在于，所述矩形交错阵列或六边形加权 阵列中的阵元采用并联连接，且任意两个相邻阵元之间的中心间距d相等，且d满足如下条 件：
其中，r为阵元的振膜半径，f。为超声载波信号的频率，c为超声换能器在介质中的传 播速度。
10. 根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述LC低通滤波电路中的电容由 所述超声换能器阵列中超声传感器阵元的等效电容来提供，所述LC低通滤波电路中的电 感Le满足以下条件：
其中f。为超声载波信号的频率，C为所述超声换能器阵列中阵元的静态电容，η为所述 超声换能器阵列中阵元的数量。
11. 一种定向声产生方法，其特征在于，包括以下步骤： 对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理； 将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号； 对所述已调制超声载波信号进行驱动放大； 将放大后的已调制超声载波信号利用LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超 声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音。
12. 根据权利要求11所述的定向声产生方法，其特征在于，所述利用脉冲宽度调制得 到已调制的超声载波信号，具体利用如下脉冲宽度调制传输函数进行： S0 - H PWM{St}; 其中，S。为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；Hpwm为脉冲宽度调制传 输函数； 所述超声载波信号的频率为。= f t-fe; 其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，ft大于20kHz ;fe为误差补偿 因子，fee [-100,0) U (0, 100]。
【专利摘要】本发明提供一种定向声产生装置及方法，装置包括：信号预处理模块对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给脉冲宽度调制模块；脉冲宽度调制模块将处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号；驱动放大模块对已调制的超声载波信号进行驱动放大；超声换能器阵列模块将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音；超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，超声载波信号的载波频率根据每个阵元的工作频率设置。脉冲宽度调制结构比较简单，失真较小，具有良好的集成性和能效比。
【IPC分类】H04R3-00, H04R1-32
【公开号】CN104853279
【申请号】CN201510309689
【发明人】常乐, 常鑫, 陈宏
【申请人】北京小声科技有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年6月8日