CN101453679A - 参量阵扬声器及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及强指向性参量阵扬声器领域，它将音频信号与超声载波信号进行调制，利用超声载波的强指向性得到强指向性的音频信号波束。具体指一种参量阵扬声器及其信号处理方法，采用不同频率的换能器单元组成发射阵，发射功率放大后的超声载波调制信号，以增强超声辐射强度，输出稳定足够的信号，使音频信号选择合适的载波频率，从而扩展音频频响，改善扬声器性能，可广泛的应用控制噪声干扰的场合。

Description

参量阵扬声器及其信号处理方法

【技术领域】

本发明涉及一种强指向性参量阵扬声器，将音频信号与超声载波信号进行调制，利用超声载波的强指向性得到强指向性的音频信号波束，具体指一种参量阵扬声器及其信号处理方法。

【背景技术】

早在上世纪60年代提出参量阵的概念至今，参量阵理论逐步应用到扬声器领域，并已出现相关产品。参量阵扬声器的原理不同于一般意义上的扬声器，其原理是利用超声载波在空气介质中传播时的非线性效应生成音频信号，当两列不同频率超声波沿同一方向传播时，产生的差频信号可为人耳察觉，从而实现扬声器的功能。

参量阵扬声器的实现，一般如图1所示，可简要表述为：首先对输入的音频信号进行信号处理，其中信号处理主要分两步，第一步是失真预处理，第二步是将预处理过的音频信号与超声载波信号进行振幅调制，生成超声载波调制信号；然后将该调制信号用功率放大器进行功率放大后，通过超声换能器将超声波发射到空气中，利用该信号在空气中传播时产生的非线性效应自我解调重新生成音频信号，被人耳听见。在参量阵扬声器的体系结构中，信号处理部分是参量阵扬声器实现和进一步发展的关键之一。

在信号处理过程中，载波调制的作用是将预处理过的音频信号与超声载波信号进行振幅调制，生成超声载波调制信号。其基本结构如图2所示，载波调制的基本方法之一是双边带DSB(double sideband)调制。假设包络信号E(t)，预处理信号为E₁(t)，超声载波信号U(t)，则DSB已调制载波信号为E₁(t)×U(t)，在载波频率两边成双边带分布，经过功率放大和超声换能器发射高强度超声载波调制信号。由于频谱中出现了很多的谐波，故调制放大后信号经超声换能器在超声发射阵的辐射能力低，导致发射出的超声载波信号能量要小，在空气中解调的音频信号也小。即超声辐射频率响应满足输出稳定足够的信号，这势必影响参量阵扬声器的性能。

【发明内容】

本发明的目的在于解决参量阵扬声器输出的超声载波调制信号不能产生稳定足够信号的问题，而提出一种参量阵扬声器及其信号处理方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种参量阵扬声器，包括基板及固定在基板上的超声换能器，在基板上组成阵列的超声换能器采用不同固有频率的超声换能器单元组成。

优选的，超声换能器单元排列成行列式或同心环状，相邻行列或环形的超声换能器单元的固有频率是不同的。

如上述参量阵扬声器的信号处理方法，包括以下步骤：

对输入的音频信号进行失真预处理；

将处理过的音频信号进行振幅调制，生成超声载波调制信号；

将超声载波调制信号用功率放大器进行功率放大后，通过超声换能器参量阵列发射；

其中，功率放大器放超声载波调制信号放大后，通过带有至少二种固有频率的超声换能器组成的参量阵列发射，以增强超声辐射强度。

本发明一种参量阵扬声器及其信号处理方法，采用不同频率的换能器单元组成发射阵列，发射功率放大后的超声载波调制信号，以增强超声辐射强度，稳定输出信号，使音频信号选择合适的载波频率，从而扩展音频频响，改善扬声器性能，可广泛的应用控制噪声干扰的场合。

【附图说明】

图1为本发明参量阵扬声器的体系结构图；

图2为本发明信号处理中载波调制结构示意图；

图3为本发明一实施例超声换能器发射阵超声辐射频响图；

图4为图3的超声换能器发射阵的频响图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明作详细说明。

本发明一种扬声器信号处理方法，首先对有用的音频信号进行预处理，预处理的作用主要有增加信号强度、减少失真、增强低频。假设音频信号g(t)，包络信号E(t)＝1+mg(t)，其中m为调制系数。所调制的有限振幅高强度超声载波p₁＝p₀E(t)sinω₀(t)，ω₀为超声波圆频率。由于超声载波在空气中传播的非线性作用，可求得解调信号 $P_2\left(t\right)\∝\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}{E}^2\left(t\right)=\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}{[1+\mathrm{mg}\left(t\right)]}^2$ 其中包含次级解调音频信号 $p_s\left(t\right)\∝\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}2\mathrm{mg}\left(t\right),$ 二次谐波失真信号 $p_d\left(t\right)\∝\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}{m}^2{g}^2\left(t\right).$ 由于失真信号p_d(t)与调制系数m²有关，想要有较小的失真，要求非常小的调制系数m，如果m小于1，则失真信号将远小于解调音频信号p_s(t)。不过，由于p_s(t)与m成正比，m变小，会导致解调音频信号p_s(t)也会变小。为了提高p_s(t)，需要增大超声载波信号p₀以及信号源的横截面积^[6]。另外，还可求得次级解调音频信号p_s(t)的Fourier频谱转换式p_s(ω)与对应频率平方ω²成正比，所以解调音频信号的频响曲线会有12dB/oct的斜率，在进行振幅调制之前，要对原始音频信号进行-12dB/oct的预处理。

接着对预处理的音频信号进行载波调制，载波调制的作用是将预处理过的音频信号与超声载波信号进行振幅调制，生成超声载波调制信号。载波调制的基本方法之一是双边带DSB(double sideband)调制。假设包络信号E(t)＝1+g(t)，预处理之后的信号为E₁(t)，载波信号U(t)＝sinω_ct，则DSB调制信号为E₁(t)×U(t)。假设设有6kHz纯音信号g(t)＝sin(2×π×6000×t)，载波调制前先进行开平方减少失真预处理，由于开平方之后音频信号的频谱成分将包含n×6kHz(n＝1、2、3...)的谐波，当预处理过的音频包络信号与40kHz超声载波信号进行DSB振幅调制后，得到的调制载波信号频谱成份为40k±(n×6k)Hz，在载波频率两边成双边带分布。除了双边带DSB调制外，还有单边带SSB(single sideband)调制，SSB调制只保留了单边带，设包络信号E(t)＝1+g(t)，载波信号U(t)＝sinω_ct，则SSB调制信号为 $\frac{1}{2}E\left(t\right)\cos {\mathrm{\ω}}_{c}t\±\frac{1}{2}\hat{E}\left(t\right)\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t$ ，其中

是E(t)的Hilbert变换，±号分别代表了下边带和上边带。

无论是双边带DSB调制，还是单边带SSB调制后的信号，都要经过功率放大器对频率分量进行放大，同样对里面的无用信号也进行了放大，为了得到需要的音频信号，需要通过超声换能器阵消除载波信号，参量阵扬声器中的超声波发射器大都是由若干个压电超声换能器组成的发射阵。

本发明参量阵扬声器的发射阵列采用不同固有频率的超声换能器单元组成，超声换能器单元排列成行列式或同心环状，相邻行列或环形的超声换能器单元的固有频率是不同的。即每行的超声换能器单元的固有频率是不同的，也可相邻同心环之间的超声换能器单元的固有频率是不同的，当然也包括相邻超声换能器单元的固有频率是不同的，有利于增加输出解调信号的效率，减少换能器的所需带宽，另外，采用高功率的换能器传输低频信号，从而增强解调音频信号的低频。

采用不同固有频率的超声换能器单元组成发射阵，假设取40kHz和45kHz的超声换能器单元组成行列式发射阵，其发射阵的超声辐射频响如图3所示，由于发射阵在40kHz和45kHz辐射能力最强，此时可以取42.5kHz作为载波频率；当然，发射阵中的固有频率的超声换能器单元不止有两种，可以是三种、四种等等，如40kHz、43kHz和45kHz的超声换能器单元，通过叠加效应，则发射阵的超声辐射频响波峰图近似为一条水平线，在这个相对广泛的频响辐范围内，其任何频率信号作为载波频率，其辐射能力都很强。另设扫频信号的频率为x Hz，那么加到发射阵上的信号即为42.5k±xHz，在下边带时，当x＝1kHz或者2.5kHz时，对应的加到发射阵的信号为42.5k-1k＝41.5kHz和42.5k-2.5k＝40kHz；在上边带，对应的加到发射阵的信号为42.5k+1k＝43.5kHz和42.5k+2.5k＝45kHz，由于图3中超声发射阵在41.5kHz比40kHz辐射能力差，43.5kHz比45kHz辐射能力差，发射出的超声载波信号42kHz比41kHz能量要小，导致在空气中解调的1kHz比2.5kHz要小，使得音频频宽扩展到2.5kHz处，从而扩展音频频响范围，以改善扬声器性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1、一种参量阵扬声器，包括基板及固定在基板上的超声换能器，其特征在于：在基板上组成阵列的超声换能器采用不同固有频率的超声换能器单元组成。

2、根据权利要求1所述的参量阵扬声器，其特征在于：超声换能器单元排列成行列式或同心环状，相邻行列或环形的超声换能器单元的固有频率是不同的。

3、一种如权利要求1所述参量阵扬声器的信号处理方法，包括以下步骤：

对输入的音频信号进行失真预处理；

将处理过的音频信号进行振幅调制，生成超声载波调制信号；

将超声载波调制信号用功率放大器进行功率放大后，通过超声换能器参量阵列发射；

其特征在于：功率放大器放超声载波调制信号放大后，通过带有至少二种固有频率的超声换能器组成的参量阵列发射，以增强超声辐射强度。

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