CN101203062A - 数字式声频定向扬声器及数字音频信号处理方法 - Google Patents

Abstract

数字式声频定向扬声器及数字音频信号处理方法，自动增益控制模块对音源信号幅值进行调节，经滤波器滤除音频信号带外成分以降低噪声，信号采集模块将音频模拟信号转换为数字信号，在数字信号处理模块内完成对音频数字信号的近似平方根算法或其他算法的处理并输出两态电平至开关式功率放大器，匹配网络确保阻抗匹配，超声换能器用于将电信号转换为声压信号。换能器发出的超声信号携带输入的音频信号信息，在空气中发生非线性作用，解调为可听声。遥控接收单元接收遥控发射单元发出的指令，可控制指向角度、音量、传输距离、音效、声音指向等参数。

Description

数字式声频定向扬声器及数字音频信号处理方法

技术领域

发明涉及超声波应用技术，尤其涉及利用超声波制作定向扬声器的设备和方法。

背景技术

在一些要求声音局部传播而区域间不能产生相互干扰的场合，如：多国会议，在飞机、餐厅、游戏室、网吧等，常常需要为不同坐位或区域的人提供不同的声音服务，如多国语音、背景音乐、对话等。这就需要定向扬声器。传统的定向扬声器一般是利用可听声的曲面反射、阵列等效果而非超声波来产生指向性可听声，其实质是传统扬声器的改良，指向性效果很差。因此，在这些场合考虑怕影响他人只好忍受佩戴耳机之苦。

利用超声波在空气中的非线性传播效应产生高指向性可听声的声频定向扬声器，其音频信号经过信号处理后形成含有该音频信号信息的超声信号，由声频定向扬声器的发声设备——换能器将该超声波发射到空气中。该超声波在空气中自解调出音频信号，形成指向性很强的可听声信号

1962年，布朗大学的物理学教授Peter Westervelt首次提出了参量阵理论：换能器向介质中发出超声波，超声波在沿其传播轴传播过程中通过非线性作用解调出声频信号；这种不断解调出来的声频波累积叠加起来，沿声波传播轴形成一系列虚拟声源阵，即所谓的参量阵；参量阵使得声频波的能量在声波前进方向上不断得到加强；由于超声波具有很强的指向性，传播主轴方向以外这种叠加加强效应很微弱，这最终导致声频波在主传播轴方向具有了很高的指向性。参量阵的提出为产生高指向性声频波的实现提供了理论依据。

1965年，在Westervelt提出的参量阵理论基础上，H.O.Berktay进一步提出了有关参量阵更精确、更完整的理论解释，并提出了声频定向扬声器利用超声波非线性传播效应产生高指向性可听声的自解调理论模型：含有音频信号信息的超声波自解调出的可听声声压P(t)的幅值正比于换能器发出的超声波信号包络E(t)平方的二次时间导数，

即 $P\left(t\right)\∝\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}{E}^2\left(t\right)$ 式(1)

式(1)被称作“Berktay远声场解”。它假设这时声源足够远，以至于可以忽略任何超声波(一次波或称基波)的存在。事实上，这个解对近场也是正确的，但此时超声波与解调信号同时存在。

在Westervelt和Berktay提出的参量声学阵理论基础上，后续研究者针对声频定向扬声器提出了双边带调制(DSB)算法、平方根算法、双积分又平方根算法、单边带调制(SSB)算法等，但这些算法仍存在不足：

采用双边带调制(DSB)算法的系统中，解调后的音频信号幅度与调制系数m成正比，其二次谐波幅度与m²成正比。系统失真随着m的减小而减小，但同时转换效率也降低了；在调制前进行平方根算法可产生合适的调制包络且调制系数可取较大的值，但需要无限的信号带宽来实现。无限带宽的物理装置难以实现，并且无限带宽会引发谐波失真等新的问题；先进行双积分然后开方的声频信号预处理方法失真较小，但数字实现较为繁琐，对系统实时处理性能要求较高，同时也存在需要无限实现带宽的问题。

此外，多数声频定向扬声器的超声换能器为高电抗负载，采用线性放大器驱动效率低下，而采用开关式功率放大器可保证较高效率。现行D类功率放大器所需开关频率至少为待放大信号最高频率的10倍以上。声频定向扬声器中待放大信号为超声信号，所需开关频率因此会变得很高。这使得转换效率大大降低，且超声换能器为电抗性负载，直接加载高频信号会导致器件烧毁。

因此，在现有条件下，现行声频定向扬声器功能单一、配套设施不完善、不够人性化。一经安装，对音量、指向性角度、声音的传播方向、音效处理、远程控制等方面无法实时调节，会给使用者带来诸多不便。

发明内容

本发明的目的是在综合现有数字声频扬声器技术方案的基础上，提出更为完善的方法和产品。采用开关式放大器保证功放效率，在数字处理模块中进行近似平方根算法以及自动增益控制、多级反馈、失真补偿等，保证扬声器系统失真度小，指向性强，带宽要求低。

本发明的目的是这样达到的：

一种数字式声频定向扬声器，其特征在于，包括：根据输入的音源信号幅值自动调节增益的自动增益控制模块，滤除音频信号频率以外成分的滤波器，模拟、数字转换的信号采集模块，对数字音频信号进行处理，输出两态电平信号的数字信号处理模块，对两态电平信号进行功率放大的开关式放大器，将信号加载到换能器上的匹配网络，将电信号转换为超声信号的换能器，以及遥控接收单元和遥控发射单元。

所述自动增益控制模块由自动增益控制放大器及外围电路构成，所述数字信号处理模块是单片机、嵌入式处理器、数字信号处理芯片(DSP)、现场可编程逻辑器件(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或其他数字集成芯片及可完成数字信号处理的数字电路中的一种或数种，具有多种扩展接口。所述开关式放大器是D类、E类、F类、G类、H类、T类或其他。滤波器为模拟滤波器或数字滤波器，种类是低通滤波器或带通滤波器。

数字式声频定向扬声器的数字信号处理方法，处理过程：对音频信号进行预处理，包括自动增益控制、滤波、量化等；在数字信号处理模块中采用近似平方根算法或其它算法使得音频信号失真度小，带宽要求降低；在数字信号处理模块中做失真补偿、信号均衡，信号反馈、特殊音效等处理，使得扬声器系统失真度小，指向性强；将数字信号进行脉冲调制产生两态电平信号输出至开关式放大器，再经匹配网络驱动超声换能器；遥控接收单元接收遥控发射单元发出的指令，对指向角度、音量、传输距离、音效、声音指向等参数进行控制。

在数字信号处理模块中采用的近似平方根算法是对平方根算法进行Maclaurin级数展开，具体表达式为 $\{1+\frac{1}{2}\mathrm{mf}\left(t\right)-\frac{1}{2\·4}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^2+\frac{1\·3}{2\·4\·6}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^3+L\}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),$ 其中f(t)为归一化后的输入音频数字信号，范围为-1～1。

所述近似平方根算法根据系统的失真度要求及系统性能选择的阶数为等于或大于2，调制系数m取值范围为0～1，ω_c取值范围为30KHz～100KHz。

所述数字信号处理模块输出的两态电平，每相隔一个脉冲或多个脉冲的高电平或低电平有相同特征；至少其中一组相隔一个脉冲或多个脉冲的高电平所组成的方波信号包含经算法处理的信号的信息；其中一组相隔一个脉冲或多个脉冲的高电平所组成的序列插入两态信号的低电平后组成方波信号，该方波信号占空比固定或不固定；每相邻两个高电平或低电平间隔时间大于后级开关放大器开关器件死区时间；调制方式是脉冲幅度调制或脉冲宽度调制或脉冲位置调制或其改进，所述脉冲宽度调制及脉冲位置调制其脉冲信号频率、幅度可以固定或不固定。

所述自动增益控制是指对输入信号的电压、电流、功率参数的控制，采用自动增益控制放大器及外围电路调整的方式，或采用实时软件检测输入信号峰峰值调整或以上两种方式的结合；所述滤波器采用数字滤波器时在数字信号处理模块中完成，其截止频率根据音源信号最大频率确定；信号均衡、失真补偿采用电感、变压器等感性元件抵消换能器容抗，并与之构成谐振回路，谐振频率等于或接近换能器的谐振频率的方法。

利用多级反馈以降低系统噪声；加载在超声换能器上电信号经解调器反馈到采集模块前端；数字信号处理模块内部算法做反馈；匹配网络前端方波信号经电平转换反馈到数字信号处理模块；

通过数字信号处理模块的扩展接口，实现对声频定向扬声器的视频扩展、存储介质扩展、远程控制。通过存储介质存储音频信号、视频信号，无需外部任何音源设备介入或其他信号载入。

对声频定向扬声器的单个或多个单元进行控制。

本发明具有的优点：近似平方根算法开拓了定向扬声器的数字处理方法。本发明充分利用数字信号处理模块与其他模块的配合，由自动增益控制模块对音源信号幅值进行调节，采用开关式功率放大器，在数字信号处理模块内对音频数字信号的近似平方根算法或其他算法的处理，以及多级反馈降噪，多单元控制等音效处理，不仅能将声音传播限制在特定区域内，还可通过遥控制指向角度、音量、传输距离、音效、声音指向等参数，随意改变特定区域的位置，具有极高的声音控制特性。其质量大大提高，实现高指向性可听声，指向性好，失真度低，应用场所范围大大提高。

附图说明

图1为数字式声频定向扬声器的硬件示意性结构；

图2为数字信号处理多种扩展接口示意图；

图3为低通滤波器的频率响应曲线；

图4为带通滤波器的频率响应曲线；

图5为经平方根近似算法与平方根算法的波形的对比图；

图6为调制系数m与相对误差的关系；

图7为实现平方根算法的流程图；

图8为近似平方根算法的流程图；

图9为产生两态电平方波的实现方式之一；

图10为产生两态电平方波的实现方式之二；

图11为产生两态电平方波的实现方式之三；

图12为产生两态电平方波的实现方式之四；

图13为扬声器系统功率放大器部分一实施例；

图14为匹配网络一具体实施例；

图15为多声道实现方式示意图；图16为遥控器结构操作面板示意图。

具体实施方式

本发明旨在搭建一个能实现音频信号自动增益调节、滤波、量化，并对数字信号进行平方根算法、平方根近似算法或其它算法处理，经脉冲调制产生两态脉冲信号，进行功率放大后完成声压信号输出的系统。现在参照附图中示例性实施对本发明进行详细说明。但本发明的内容并不由此受到限制，相关领域的其它人员在此基础上所做改善及应用应视为在本发明内容。

参见附图

图1示出了数字式声频定向扬声器的结构示意图。声频定向扬声器由自动增益模块1、滤波器2、信号采集模块3、数字信号处理模块4、开关式放大器5、匹配网络6、超声换能器7、遥控发射单元8、遥控接收单元9构成。自动增益模块1由自动增益放大器及外围电路组成，以适合多种音源输入。滤波器2可以是低通滤波器、带通滤波器，其功能在于滤除音频信号带外成分降低噪声，经滤波的音频模拟信号处于0～20KHz或20Hz～20KHz范围内。信号采集模块3将音频模拟信号转换为数字信号，典型应用为模拟数字转换器，采样频率为30KHz或30KHz以上。数字信号处理模块4为专用数字信号处理芯片(DSP)、现场可编程逻辑门器件(FPGA)或其它能进行数字信号处理的集成芯片或集成电路，完成对音频数字信号的近似平方根算法或其它算法的处理，并输出两态电平至开关式功率放大器5。开关式放大器5可以是D类、E类、F类、G类、H类、T类或其它开关式放大器。匹配网络6采用电感、变压器等感性元件抵消换能器容抗，并与之构成谐振回路。超声换能器7将电信号转换为声压信号，谐振频率范围20KHz～500KHz，其材料为压电陶瓷、压电晶体、压电聚合物等材料，结构为专利号200510022430.4中阐述的结构。换能器发出的超声信号携带输入的音频信号信息，在空气中发生非线性作用，解调为可听声。遥控发射单元8由使用者控制，方便控制声频定向扬声器的各个参数，如指向角度、音量、传输距离、音效、声音指向等。可以为另一操作终端，如计算机或其它可发出指令的操作设备；也可以是以某感应方式传输操作指令的发射单元，如红外线、声音、光线、颜色等。遥控接收单元9接收遥控发射单元8发出的指令，可单独控制系统中某一个或多个模块，与数字信号处理模块4连接，可设置音频处理模式、指向性角度、多种声效选择；与超声换能器安装装置连接，可进行转动角度控制，从而控制声音指向；与可进行音量调节连接，分别调节自动增益模块后端、数字信号处理模块和开关式功率放大器。

图2示出数字信号处理多种扩展接口，包括：GPIB、PXI、VXI、USB、PCI、I2C、RS232/485、CAN、WLAN、蓝牙、网络通讯等，实现对声频定向扬声器的视频扩展、存储介质扩展、远程控制等功能。通过存储介质存储音频信号、视频信号、多种设定模式，无需外部任何音源设备介入或信号载入。

图3为低通滤波器的频率响应曲线，截止频率为20KHz，通常采用的音源设备输出有效频率最大值不足20KHz，根据音源设备输出信号调节截止频率。

图4为带通滤波器的频率响应曲线，通频带为20Hz～20KHz，滤除直流成分并保证音频有效频率成分通过。

图5为经平方根近似算法与平方根算法的波形的对比图，由图可以看出近似阶数越大时，近似曲线与理想的原始曲线靠得越近，即误差越小。但相应要求的带宽也越宽，算法也越复杂，花在计算上的时间也越多。当阶数很高时，会带来实时性不能满足要求的缺点。根据整个系统的性能选用合适的阶数以满足系统声音失真度和实时性要求，本发明中采用的阶数等于或大于2阶。

图6示出了调制系数m与相对误差的关系，当m增大时，一阶近似、二阶近似及三阶近似算法的相对误差都呈增大趋势；m取相同值时，近似阶数越高，其相对误差越小。图中可以看出，如果允许的最大相对误差为2％，当m＝0.5时二阶近似、三阶近似都可以满足要求，但当m＝0.7时，三阶近似也满足不了要求，必须取三阶以上的近似才能满足近似精度要求。因此选择符合要求的近似阶数和调制系数是保证信号满足精度要求的基本条件。

图7为实现平方根算法的流程图，通过图1中所示的数字处理系统，对模数转换器得到的音频信号进行数值归一化，范围为-1～1之间，得到f(t)，计算通过数字带通或低通滤波器进行频率带宽限制，进行调制。在此需声明，作归一化是根据

中的1的数量级进行的，这里需保证1+m·f(t)大于或等于0，可以将1乘以相应的数值，m·f(t)的绝对值接近这一相应的数值即可。此外，为了提高整个系统的声音质量，可以在某一步前加入数字滤波器或其它改进声音质量的数字信号处理方式。载波频率ω_c取值范围30KH～100KHz。

图8为近似平方根算法的流程图，这里只列举3阶的近似算法，实际应用中根据系统要求采用合适的阶数。本方法的优点在于可以利用数字信号实现或软件与硬件配合的方式灵活实现全频带音频输出。

同平方根算法相同，进行归一化为了将m·f(t)接近1，可做上面平方根同样的处理，让m·f(t)接近某一数值，而无须归一化。另可在某一步前加入数字滤波器或其它改进声音质量的数字信号处理方式。载波频率ω_c取值范围30KH～100KHz。

近似平方根算法具体实现如下：将音频信号进行归一化处理，即将音频信号幅度调节到-1～1范围内，得到相应的信号f(x)，根据系统需要选用合适的阶数及调制系数的值。

根据泰勒级数的概念，如果f(x)在点x₀的某个邻域内具有各阶导数f′(x)，f″(x)，…，f⁽ⁿ⁾(x)，…，这时可以将f(x)展开成泰勒级数

$f\left(x\right)=f\left(x_0\right)+f^{\′}\left(x_0\right)(x-x_0)+\frac{f^{\′\′}\left(x_0\right)}{2!}{(x-x_0)}^2+L+\frac{f^{\left(n\right)}\left(x_0\right)}{n!}{(x-x_0)}^n+R_n\left(x\right)$ (式2)

式中，R_n为拉格朗日型余项：

$R_n\left(x\right)=\frac{f^{(n+1)}\left(\mathrm{\ξ}\right)}{(n+1)!}{(x-x_0)}^{n+1}$ (式3)

式中，ξ是x与x₀之间的某个值。

式2中，取x₀＝0，得

$f\left(x\right)=f\left(0\right)+f^{\′}\left(0\right)x+\frac{f^{\′\′}\left(0\right)}{2!}{x}^2+L+\frac{f^{\left(n\right)}\left(0\right)}{n!}{x}^n+L$ (式4)

级数展开式式4即为函数f(x)的Maclaurin级数展开，且该级数展开对于f(x)是唯一的。对于函数F(x)＝(1+x)^m而言，在x∈(-1，1)时可展开为以下Maclaurin级数

$F\left(x\right)=1+\mathrm{mx}+\frac{m(m-1)}{2!}{x}^2+L+\frac{m(m-1)L(m-n+1)}{n!}{x}^n+L$ (式5)

当 $m=\frac{1}{2}$ 时，则有

$\sqrt{1+x}=1+\frac{1}{2}x-\frac{1}{2\·4}{x}^2+\frac{1\·3}{2\·4\·6}{x}^3-\frac{1\·3\·5}{2\·4\·6\·8}{x}^4+L,(-1\≤x\≤1)$ (式6)

对于平方根算法而言，一般取mf(t)∈[-1，1]，即满足式6的展开条件，因此 $P_1\left(t\right)=P_0\sqrt{1+m\·f\left(t\right)}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)$ 可展开成Maclaurin级数

$P_1\left(t\right)=P_0\{1+\frac{1}{2}\mathrm{mf}\left(t\right)-\frac{1}{2\·4}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^2+\frac{1\·3}{2\·4\·6}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^3-\frac{1\·3\·5}{2\·4\·6\·8}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^4+L\}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)$ (式7)

根据式7可以取P₁(t)为Maclaurin级数的前一阶、两阶、三阶、…、n阶项分别构成P₁(t)的一阶、二阶、三阶、…、n阶近似算法。下列三式分别是式7的一阶、二阶、三阶近似：

$P_1\left(t\right)=P_0[1+\frac{1}{2}\mathrm{mf}\left(t\right)]\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)$ (式8)

$P_1\left(t\right)=P_0\{1+\frac{1}{2}\mathrm{mf}\left(t\right)-\frac{1}{2\·4}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^2\}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)$ (式9)

$P_1\left(t\right)=P_0\{1+\frac{1}{2}\mathrm{mf}\left(t\right)-\frac{1}{2\·4}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^2+\frac{1\·3}{2\·4\·6}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^3\}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)$ (式10)

根据式8、9、10，与式1要求的无限带宽相比，当ω_c＝2π×40000时(即载波频率为40KHz)，一阶近似只要求信号频带范围为20KHz～60KHz，二阶要求带宽为0～80KHz，三阶近似要求带宽为0～100KHz。

平方根近似算法可以通过实际的物理系统实现，通过慎选近似阶数和调制系数，将使系统的精度满足要求，在减小失真度方面具有更大优势。

脉冲调制方法产生两态电平，由经相同或不同算法处理的数字音频信号经相同或不同脉冲调制方法得到n列脉冲信号，其调制方法可以是脉冲宽度调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制或其它改进衍生脉冲调制方法，脉冲调制频率等于或接近前面调制算法中用到的载波信号ω_c；叠加m列频率固定或不固定、占空比固定或不固定的方波信号，其频率等于或接近载波频率ω_c，占空比变化范围根据n列调制脉冲信号高电平或低电平时间间隔决定；前所述n列脉冲信号与m列方波信号叠加后所组成的脉冲信号，高电平或低电平时间间隔需大于后级放大器开关器件的死区时间。n的取值范围等于或大于1，m的取值范围等于或大于0。

图9示出产生两态电平方式，由经算法处理的信号与三角波或锯齿波作比较得到PWM信号。

图10为n列图9所产生的方波叠加的框图，其中每一列三角波或锯齿波频率可以彼此相同或不同。

图11示出另一种产生两态电平方式，由经预处理的信号与三角波做比较得到PWM信号，叠加与开关频率相同频率的方波信号。

图12为图10所产生的方波叠加n列固定占空比的方波，其中这n方波占空比和频率可以彼此相同或不同。

图13为扬声器系统功率放大器部分一实施例，图中驱动芯片接收数字信号处理模块所输出的双声道已调制脉冲波，并将其转化为4路独立的驱动信号以控制H桥4个MOSFET的通断。H桥上侧MOSFET漏极所接直流电源决定了该放大器的放大增益。经MOSFET放大后的脉冲波信号接入到匹配网络进行阻抗匹配及滤波后，输出到换能器两极进行驱动。本发明中自动增益控制使得声频定向扬声器系统适用于更多的音源设备。现有的各种音源设备输出音频信号最大峰峰值有所不同，而对于参考电压固定的采集模块来说，采集幅值较小的音频信号有效分辨率较低，故在信号采集模块前端加入自动增益控制模块以提高采集模块的有效分辨率；参考电压较小的采集模块采集幅值较大的音频信号时又会出现波形消顶、噪声增大等问题。

图14为匹配网络一具体实施例，该网络由2个Butterworth滤波器构成，根据换能器的特性及参数，可以计算出网络中各个元件相应的值。该网络还可以为其它匹配方式，如：变压器匹配、双电感匹配等等。不同的匹配网络内所用的元件参数需根据换能器和网络结构进行设定。本发明中经功率放大后的脉冲波信号接入到匹配网络，进行阻抗匹配及滤波后，输出到换能器两极进行驱动。匹配网络可以由变压器、双电感、电感电容串并联或滤波器等组成，所用元件参数根据换能器和网络结构决定。

图15为多声道实现方式示意图，经数字信号处理系统产生l列脉冲信号，经由l个开关式放大器、匹配网络、超声换能器，l个换能器通过放置位置的不同可产生不同音效，其中l的取值等于或大于1。利用多声道输入可提高音质、增强音效。

图16为遥控器结构操作面板示意图，A区为数字式声频定向扬声器安装云台转动方向控制键，A区中心为电源开关；B区为数字及字母键，通过输入设置扬声器各参数；C为设置，设置选项包含指向角度、音量、传输距离、音效、声音指向；D为确定键，待设置参数完毕按下。本发明的遥控单元可单独控制系统中某一个或多个模块。使用者通过遥控器设定声频定向扬声器各种参数与工作模式，如指向角度、音量、传输距离、音效、声音指向等，与之配套的遥控发射单元可以为另一操作终端，如计算机或其它可发出指令的操作设备；也可以是某感应方式，如红外线、声音、颜色等。本发明中可通过旋钮或遥控方式对音量进行调节，音量调节环节可在自动增益模块后端、数字信号处理模块、开关式放大器模块等。

此外，系统利用多级反馈以降低系统噪声：加载在超声换能器上电信号经解调器反馈到采集模块前端；数字信号处理模块内部算法做反馈；匹配网络前端方波信号经电平转换反馈到数字信号处理模块。

Claims (10)

1.一种数字式声频定向扬声器，其特征在于，包括：根据输入的音源信号幅值自动调节增益的自动增益控制模块，滤除音频信号频率以外成分的滤波器，模拟、数字转换的信号采集模块，对数字音频信号进行处理，输出两态电平信号的数字信号处理模块，对两态电平信号进行功率放大的开关式放大器，将信号加载到换能器上的匹配网络，将电信号转换为超声信号的换能器，以及遥控接收单元和遥控发射单元。

2.如权利要求1所述的声频定向扬声器，其特征在于：所述自动增益模块由自动增益放大器和外围电路构成，所述数字信号处理模块是单片机、嵌入式处理器、数字信号处理芯片(DSP)、现场可编程逻辑器件(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或其他数字集成芯片及可完成数字信号处理的数字电路中的一种或数种，具有多种扩展接口；所述开关式放大器是D类、E类、F类、G类、H类、T类或其他；所述滤波器为模拟滤波器或数字滤波器，种类是低通滤波器或带通滤波器。

3.一种数字式声频定向扬声器的数字音频信号处理方法，其特征在于：处理过程是：对音频信号进行预处理，包括自动增益控制、滤波、量化等；在DSP、FPGA或其它数字信号处理模块中采用近似平方根算法或其它算法使得音频信号失真度小，带宽要求降低；在数字信号处理模块中做失真补偿、信号均衡、信号反馈、特殊音效等处理，使得扬声器系统失真度小，指向性强；将数字信号进行脉冲调制产生两态电平信号输出至开关式放大器，再经匹配网络驱动超声换能器；遥控接收单元接收遥控发射单元发出的指令，对指向角度、音量、传输距离、音效、声音指向等参数进行控制。

4.如权利要求3所述的数字音频信号处理方法，其特征在于；所述在数字信号处理模块中采用的近似平方根算法是对平方根算法进行Maclaurin级数展开，具体表达式为 $\{1+\frac{1}{2}\mathrm{mf}\left(t\right)-\frac{1}{2\·4}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^2+\frac{1\·3}{2\·4\·6}{\left[\mathrm{mf}\left(t\right)\right]}^3+L\}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),$ 其中f(t)为归一化后的输入音频数字信号，范围为-1～1。

5.根据权利要求4所述的数字音频信号处理方法，其特征在于：所述近似平方根算法根据系统的失真度要求及系统性能选择的阶数为等于或大于2，调制系数m取值范围为0～1，ω_c取值范围为30KHz～100KHz。

6.根据权利要求3中所述的数字音频信号处理方法，其特征在于：所述数字信号处理模块输出的两态电平，每相隔一个脉冲或多个脉冲的高电平或低电平有相同特征；或至少其中一组相隔一个脉冲或多个脉冲的高电平所组成的方波信号包含经算法处理的信号信息；或其中一组相隔一个脉冲或多个脉冲的高电平所组成的序列插入两态信号的低电平后组成方波信号，该方波信号占空比固定或不固定；或每相邻两个高电平或低电平间隔时间大于后级开关放大器开关器件死区时间；调制方式是脉冲幅度调制或脉冲宽度调制或脉冲位置调制或其改进，所述脉冲宽度调制及脉冲位置调制其脉冲信号频率、幅度可以固定或不固定。

7.根据权利要求3中所述的数字音频信号处理方法，其特征在于：所述自动增益控制是指对输入信号的电压、电流、功率参数的控制，采用自动增益控制放大器及外围电路调整的方式，或采用实时软件检测输入信号峰峰值调整或以上两种方式的结合；所述滤波器采用数字滤波器时在数字信号处理模块中完成，其截止频率根据音源信号最大频率确定；信号均衡、失真补偿采用电感、变压器等感性元件抵消换能器容抗，并与之构成谐振回路，谐振频率等于或接近换能器的谐振频率的方法。

8.根据权利要求3中所述的数字音频信号处理方法，其特征在于：信息反馈是多级反馈：加载在超声换能器上电信号经解调器反馈到采集模块前端；数字信号处理模块内部算法做反馈；匹配网络前端方波信号经电平转换反馈到数字信号处理模块。

9.根据权利要求3中所述的数字音频信号处理方法，其特征在于：通过数字信号处理模块的扩展接口，实现对声频定向扬声器的视频扩展、存储介质扩展、远程控制；通过存储介质存储音频信号、视频信号，无需外部任何音源设备介入或其他信号载入。

10.根据权利要求3中所述的数字音频信号处理方法，其特征在于：对声频定向扬声器的单个或多个单元进行控制。

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