CN101262712A

CN101262712A - 一种声音定向传播音响系统

Info

Publication number: CN101262712A
Application number: CNA2007100553917A
Authority: CN
Inventors: 付庆兴; 梁继才
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2008-09-10

Abstract

本发明涉及一种音响系统，尤其是一种可把声波聚焦在较窄空间内、集成一束，实现声音定向传播的音响系统。一种声音定向传播音响系统，包括音频信号调节器、载波信号发生器、幅度调制器、带通滤波器、均衡器、功率放大器、压电超声波发射器；其特征为：输入到该系统的音频信号通过调制方式装载到高频(频率f_c≥40kHz)载波上，调制后的信号经过滤波及均衡处理、放大后，驱动一种压电超声波发射器产生具有较高指向性的超声波，包含音频信息的高能超声波在空气传播中产生非线性交互作用，进一步解调、还原出与音频信号相对应的声音。

Description

一种声音定向传播音响系统

技术领域

本发明涉及一种音响系统，尤其是一种可把声波聚焦在较窄空间内、集成一束，实现声音定向传播的音响系统。

背景技术

传统的音响系统通常利用电磁力驱动锥型盆产生活塞运动，与空气直接耦合发出声音，这类音响所发出的声波是多向传播的。根据声学理论，频率大于二十千赫(20kHz)的超声波具有较高的指向性，而且随着频率的进一步提高，指向性更强；声压超过一定门限(例如：100分贝)的声波在传播时，会与传播媒介(例如：空气)产生非线性交互作用，导致谐波成分的出现；另外，两种基波(例如：f₁，f₂)在空气中的非线性交互作用，会产生(f₁-f₂)及(f₁+f₂)两个新的分量。运用这些理论，一些人着手研究声音定向技术及相关的音响系统，例如，公告号为CN20052008308.7的专利申请公开了一种超声波扬声器，调幅超声波、等幅超声波信号分别驱动2个超声波换能器产生2束超声波，在空气中干涉解调出普通的声波。虽然这个超声波扬声器能实现一定程度的声音定向传播，但与指向性好、转换效率高、失真小的实用化目标应该还有很大的距离。要想开发出一个真正实用的声音定向传播音响系统，必须解决核心传感器设计及语音信号预处理的难题，否则所开发的系统或者极其庞大、造价高，或者声音扭曲严重、电声转换效率低。

发明内容

为了克服现有音响系统的缺点，本发明提供一种指向性高、失真小、成本低、转换效率高的音响系统。

本发明所采用的技术方案是：一种声音定向传播音响系统，包括音频信号调节器、载波信号发生器、振幅调制器、带通滤波器、均衡器、功率放大器、压电超声波发射器，其特征在于：输入到该系统的音频信号通过调制方式装载到高频(频率f_c≥40kHz)载波上，调制后的信号经过滤波及均衡处理、放大后，驱动一种压电超声波发射器(压电陶瓷超声波传感器阵列或压电聚合物薄膜传感器阵列)产生具有较高指向性的超声波，包含音频信息的高能超声波在空气传播中产生非线性交互作用，进一步解调、还原出与音频信号相对应的声音。

采用一种带通滤波器，其频带范围为：f_c-20kHz≤f≤f_c+5kHz，最好是：20kHz＜f≤f_c+3kHz，这里f_c为载波频率，声音扭曲被有效控制；

采用一种压电陶瓷超声波传感器阵列，其包含了系列紧集排列的传感器单元，每个单元包含一个压电陶瓷振子和至少一个阻抗匹配器，所有振子弹性连接到一个最好是印刷电路板的框架上。这些特征使得超声波发射器的指向性好、电声转换效率高，包含这种发射器的声音定向传播音响系统所产生的可听声波也具有很好的方向性，并可传播到很远距离；

采用一种压电聚合物薄膜传感器阵列，其包含了一体化的压电薄膜及含有系列紧密排列沟槽的框架，薄膜进一步粘结到所附框架的沟槽边沿上，其分布在沟槽上面的部分则悬空、自由振动，形成系列压电聚合物薄膜振子，所有振子具有弧形曲面形状特征。这些特征使得超声波发射器指向性好、电声转换效率高，包含这种发射器的声音定向传播音响系统所产生的可听声波也具有很好的方向性，并可传播到很远距离；

采用一种薄膜热塑成型工艺加工压电聚合物薄膜传感器阵列，可靠性高、制造成本低。

附图说明

图1是本发明所述的声音定向传播音响系统的总体架构图，其中，11是音频信号调节器，12是载波信号发生器，13是幅度调制器，14是带通滤波器，15是均衡器，16是功率放大器，17是压电超声波发射器。

图2显示空气中传播的超声波及经非线性作用产生的次级谐波成分。

图3显示带通滤波作用的效果。

图4是本发明所述的压电陶瓷超声波传感器阵列实施例一，2是传感器单元，41是振子，42是阻抗匹配器，43是支撑，44是反面空腔，45是连接媒介，46是导线引脚，47是框架。

图5显示本发明所述的一种阻抗匹配器。

图6是本发明所述的压电陶瓷超声波传感器阵列实施例二。

图7是本发明所述的压电聚合物薄膜超声波传感器阵列实施例一，71是压电聚合物薄膜，72是支撑框架，73是沟槽，74是沟槽边沿。

图8是本发明所述的压电聚合物薄膜超声波传感器阵列实施例二。

图9显示本发明所述的压电聚合物薄膜超声波传感器的加工方法。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的声音定向传播音响系统包括音频信号调节器11、载波信号发生器12、幅度调制器13、带通滤波器14、均衡器15、功率放大器16、压电超声波发射器17。来自广播、电视、电脑、VCD/DVD/MP3播放机或麦克风的音频信号g(t)(频率范围：20Hz～20kHz)输入到信号调节器11后变为：

E(t)＝1+∫∫mg(t)dt²(1)

调节器11的主要功能是对音源信号g(t)进行二次积分处理、增益处理，并把信号正则化到一个单位峰值，这里m是调制深度系数，当m＝1时，达到100％调制。载波信号发生器12是一个晶体振荡器，产生高频载波信号sin(2πf_ct)，这里f_c≥40kHz。E(t)是调制信号，用来幅度调制载波信号，调制后的信号为：

y(t)＝E(t)sin(2πf_ct)(2)

假设g(t)只包含单一频率成分f₁，调制后的信号y(t)将包含f_c+f₁和f_c-f₁两个频率成分。如图2所示，在空气中传播的超声波至少包含f_c、f_c-f₁和f_c+f₁三个频率成分。非线性作用的结果将产生f₁和2f₁两个次级谐波。超声波具有指向性特征，它们在空气传播中逐渐解调出的可听声波也因之具有方向性。次级谐波处于人耳可听范围，f₁是音源信号的频率，2f₁的存在则使这类音响系统还原出的声音扭曲失真。对于真正的语音或音乐输入信号，非线性作用所产生的次级谐波分量更为复杂，声音扭曲失真也更为严重。如果不进行正确的信号失真处理，将难以开发出实用的声音定向传播音响系统。本发明采用一个带通滤波器14来降低声音扭曲。带通滤波器14的频带范围设定为：f_c-20kHz≤f≤f_c+5kHz，最好是：20kHz＜f≤f_c+3kHz，这里f_c为载波频率。如图3所示，使用这个带通滤波器，引起声音扭曲的2f₁分量被大大降低。经过调制波信号滤波处理后，我们采用均衡器15补偿电路元件和超声波发射器17的非线性响应，从而进一步提高了音响系统的保真性。调制后的信号经过失真处理、放大后，驱动超声波发射器17发射超声波。根据当前的发明，我们采用了一种压电型超声波传感器阵列来发射高能量、高指向的超声波。

如图4所示，一种压电陶瓷超声波传感器阵列包含11个单元2，这些单元2最好以蜂窝架构方式紧密排列在一起。对于一个实际的传感器阵列而言，它可以包含更多的单元，可以是方形、圆形及其他形状。传感器单元2包含一个压电陶瓷振子41；所述的振子41可以是方形、圆形及其他形状，双层振子41可包含单层片状压电陶瓷及与其粘接的单层金属薄片，也可包含两片粘结在一起且极化方向相反的压电陶瓷。在驱动信号作用下，振子41产生纵向弯曲运动并通过空气媒介进一步产生超声波。为了解决压电陶瓷振子与空气阻抗不匹配的问题，本发明在振子与空气之间加上阻抗匹配器42，用以提高传感器的超声波发射效率。如图4所示，阻抗匹配器42是一种锥形、质量轻、刚度高的金属薄片，它固定到振子上；如图5所示，阻抗匹配器42是一种孔径逐渐增大的扩声孔，它放置在振子前端。如图4所示，陶瓷振子41连接到支撑43上，并形成一个反面空腔44。这里，环状的连接媒介45最好选用弹性、易变形的粘结材料，例如：硅胶。如图6所示，陶瓷振子41通过背面连接媒介45直接固定到框架47上。这里，连接媒介45可选用泡沫、软性橡胶等弹性、易变形的材料，在其上下表面包含了粘结层。如图4所示，所有的传感器单元通过各自的支撑43、导线引脚46紧固到一个刚性框架47上，框架47最好是一个印刷电路板。

如图7所示，一种压电聚合物薄膜超声波传感器阵列包含一体化的柔性压电聚合物薄膜71和一个支撑框架72。在框架上，加工了很多沟槽73，典型的沟槽形状是圆形(如图7所示)和长方形(如图8所示)。框架材料可以选择金属或塑料，最好是金属。一体化薄膜71的部分区域紧固粘结到框架沟槽边沿74上，分布在沟槽顶面的部分则悬空、自由振动，形成了很多周边被约束的压电聚合物薄膜超声波振子41。这里，振子41是曲面型压电薄膜，曲面曲率半径的大小直接影响振子的固有频率。由于压电薄膜的阻抗与空气阻抗相匹配，所以这类超声波传感器不需要附加的阻抗匹配器。当前的发明也给出了加工这类传感器的方法，如图9所示：首先，一体化的压电聚合物薄膜71平整粘结到框架72上，框架包含很多沟槽73；接着，薄膜被缓慢升温到至少70°以上，同时在其表面作用着均匀分布力F，压力差的存在使得沟槽上的平面薄膜产生弹塑性变形，变成了弧形曲面薄膜；最后，当温度降低到室温时，永久性的塑性变形(曲面形状)保持在振子中。在这个加工中，由于作用力、温度分布均匀，使得所有的振子特性趋于一致，这个特性增强了传感器的电声转换效率。

Claims

1. 一种声音定向传播音响系统，包括音频信号调节器、载波信号发生器、振幅调制器、带通滤波器、均衡器、功率放大器、压电超声波发射器，其特征在于：输入到该系统的音频信号通过调制方式装载到高频(频率f_c≥40kHz)载波上，调制后的信号经过滤波及均衡处理、放大后，驱动一种压电超声波发射器产生具有较高指向性的超声波，包含音频信息的高能超声波在空气传播中产生非线性交互作用，进一步解调、还原出与音频信号相对应的声音。

2. 如权利要求1所述的声音定向传播音响系统，其特征在于：所述的带通滤波器，其频带范围为：f_c-20kHz≤f≤f_c+5kHz，最好是：20kHz＜f≤f_c+3kHz，这里f_c为载波频率。

3. 如权利要求1所述的声音定向传播音响系统，其特征在于：所述的压电超声波发射器是一种压电陶瓷或压电聚合物薄膜传感器阵列。

4. 如权利要求3所述的声音定向传播音响系统，其特征在于：所述的压电陶瓷传感器阵列包含系列紧密排列的传感器单元；所述的传感器单元包含一个振子和至少一个阻抗匹配器；所述的振子至少包含一层片状压电陶瓷，并弹性连接到一个公共框架上；所述的阻抗匹配器可以是一种固定到振子中心上的锥形、轻质量、高刚度的金属薄片，或者是一种置于振子前端、具有一定厚度、孔径逐渐增大的扩声孔；所述的框架最好是一个印刷电路板。

5. 如权利要求3所述的声音定向传播音响系统，其特征在于：所述的压电聚合物薄膜传感器阵列包含一体化的薄膜及拥有系列紧密排列沟槽的框架；所述的薄膜紧固粘结到框架沟槽边沿上，其分布在沟槽上面的部分则悬空、自由振动，形成系列压电聚合物薄膜振子；所述的振子具有弧形曲面形状特征，振子尺寸及曲面曲率半径大小决定传感器的机械固有频率。

6. 如权利要求3所述的声音定向传播音响系统，其特征在于：所述的压电聚合物薄膜传感器阵列运用成本低、可靠性高的热塑成型工艺加工而成。

7. 如权利要求6所述的声音定向传播音响系统，其特征在于：所述的热塑成型工艺至少包含：(1)一体化薄膜平整粘结到拥有系列沟槽特征的框架上，并被缓慢升温到至少70°以上；(2)在薄膜表面作用均匀分布力F，使沟槽上的平面薄膜产生弹塑性变形，变成弧形曲面薄膜；(3)降温到室温，保持永久性塑性变形(曲面形状)在振子中。