CN103338421A - 一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电子工程领域，尤其涉及一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法及装置，所述方法包括下述步骤：对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波；将预处理后的超声波进行调幅处理；通过声频阵列发送放大处理后的信号源和放大处理后的调幅超声波信号源。本发明通过对声音进行处理，将处理后的声音进行发送，使得发送到特定的空间以后，只在特定的空间内产生特定声音的声场，实现对声音的空间定位传输。

Description

一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法及装置

技术领域

本发明属于电子工程领域，尤其涉及一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法及装置。

背景技术

在家庭娱乐中，当用户在夜深观看电视时，如果为了不影响到家人的休息就需要佩戴耳机等设备来进行娱乐，例如在电视前看电视，为了不影响到别人睡眠，就需要佩戴耳机来进行观看。当在公共场合，例如咖啡厅里面有时需要在不同的区域中根据不同的环境设置来播放不同的背景音乐，使得在不同的区域座位上听到的音乐不一样，但是由于声音之间会相互干扰，使得在不同的区域中如果不进行有效的隔离难以做到对声音的有效隔离。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法及装置，旨在提供一个局部的可听声场空间，使得声音可以根据空间定位进行传输。

本发明实施例是这样实现的，一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法，所述方法包括下述步骤：

对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波；

将预处理后的超声波进行调幅处理；

通过声频阵列发送放大处理后的信号源和放大处理后的调幅超声波信号源。

进一步的，所述对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波的具体步骤包括:

对信号源进行空气中超声波自解调的逆处理；

对预处理后的信号源进行声学均衡器处理。

进一步的，所述将预处理后的超声波进行调幅处理的具体步骤包括：

将预处理后的超声波与cos(w_ct)相乘；

生成无载波的双边带幅调制信号。

进一步的，所述通过声频阵列发送放大处理后的超声波信号源和放大处理后的调幅超声波信号源的具体步骤包括：

通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的信号源；

通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的调幅超声波信号源。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用声频阵列进行区域传输声音的装置，所述装置包括：

预处理单元，用于对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波；

调幅单元，用于将预处理后的超声波进行调幅处理；

发送单元，用于通过声频阵列发送放大处理后的信号源和放大处理后的调幅超声波信号源。

进一步的，所述预处理单元包括:

处理单元，用于对信号源进行空气中超声波自解调的逆处理；

均衡单元，用于对预处理后的信号源进行声学均衡器处理。

进一步的，所述调幅单元包括：

调幅相乘单元，用于将预处理后的超声波与cos(w_ct)相乘；

调幅生成单元，用于生成无载波的双边带幅调制信号。

进一步的，所述发送单元包括：

信号源发送单元，用于通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的信号源；

调幅超声波发送单元，用于通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的调幅超声波信号源。

本发明实施例通过一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法及装置，通过对声音进行处理，将处理后的声音进行发送，使得发送到特定的空间以后，只在特定的空间内产生特定声音的声场，实现对声音的空间定位传输。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法的实现流程图；

图2是本发明第一实施例提供的两点阵列的声音进行叠加的示意图；

图3是本发明第一实施例提供的两个方向波束到达目标叠加区域的示意图；

图4是本发明第一实施例提供的包络信号的示意图；

图5是本发明第一实施例提供的频谱图的示意图；以及

图6是本发明第二实施例提供的一种采用声频阵列进行区域传输声音的装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明第一实施例提供的一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法的实现流程，详述如下：

S101，对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波。

首先对信号源x(t)进行预处理得到g(t)，预处理的目的在于对空气中超声波自解调的逆处理。由于空气中超声波自解调后声强与包络函数平方对时间的二次导数成正比。

其中k为比例系数，m为调制系数。同时由于空气作为信道传输系统，空气传输的响应不是平坦的，所以预处理可以加入声学均衡器处理，其中预处理的过程可以采用数字信号处理的方式，也可以用模拟信号处理的方式进行。在预处理的过程中还可以对信号进行相位的调制，对相位进行提前或延迟。

S102，将预处理后的超声波进行调幅处理。

由于声场在空气中进行传输时只有一种自解调方式，只能使用满足非线性声场规律的调制技术，应用振幅调制AM方式将原始的音频转换为超声波，用输入的音频信号对超声载波信号进行振幅调制，并且假定载波角频率ωc正弦波，于是可以得到已调制声波的声强：P(d,t)=P₀E(t)sin(w_ct)其中P₀为常数。根据声学中的研究，调制包络函数E(t)和自解调二次音频的声压级P之间的关系可以简化为下面的形式：由此公式可以得到一个重要的结论：再现的二次音频和包络函数平方对时间的二次导数成正比。只要调幅前的信号预处理，例如二次导数的逆过程，即可达到再现可听声的目的。对于单一天线阵列的指向性发射，只要振幅足够大，那么朝一个方向都能听到声音。

在具体的实施过程中可以将预处理后的超声波进行调幅处理，具体的为先与cos(w_ct)相乘，即可产生无载波的双边带幅度调制信号g(t)cos(w_ct)。

S103，通过声频阵列发送放大处理后的信号源和放大处理后的调幅超声波信号源。

通过声频阵列1发送放大处理后的调幅超声波信号源，通过控制声频阵列中发送的信号之间的相位差，阵列产生方向性波束，方向性波束向目标区域传播。天线阵列组成的声频阵列实现方式有多种，下面就以简单的两点线阵列作为例子。如图2所示，两个强度都为B的声源在离中心r距离的A点叠加，可得

$P_A=\frac{B}{r}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\πr}/\mathrm{\λ})}\frac{\sin \left[(2\mathrm{\πd}/\mathrm{\λ})\sin \mathrm{\θ}\right]}{\sin \left[(\mathrm{\πd}/\mathrm{\λ})\sin \mathrm{\θ}\right]}$

利用上表达式，得出指向性函数 $R(\mathrm{\θ},0)=\frac{P_A\left(\mathrm{\θ}\right)}{P_A\left(0\right)}=\frac{\sin \left[(2\mathrm{\πd}/\mathrm{\λ})\sin \mathrm{\θ}\right]}{2\sin \left[(\mathrm{\πd}/\mathrm{\λ})\sin \mathrm{\θ}\right]}$

该式表示以θ=0方向的幅度为基准，归一化其他θ方向时的幅度。可以类推到n个点线阵列情况。对于不同方向的θ，R(θ,0)的值分布不一样，从而体现阵列指向性。

通过声频阵列发送放大处理后的信号源，即发送载波频率的正弦波cos(w_ct)，载波频率的正弦波cos(w_ct)未经过预处理和幅度调制，载波频率的正弦波cos(w_ct)只要调节功率幅度后得到A₀cos(w_ct)，声频阵列2以类似声频阵列1方式工作发射。

如图3所示。两个方向波束到达目标叠加区域，超声的非线性自解调性质作用于频率w_c的载波及频率w_c±w的调制信号，产生差频w的信号，即音频信号频率。假设载波频率的正弦波幅度为A′₀，即A′₀cos(w_ct+φ)。而调制信号为A′₁g(t)cos(w_ct+θ)。可以看到存在两个相位θ、φ，通过延迟相位很容易能让两个相位相等或相差2π倍数。那么叠加的信号为[A′₀+A′₁g(t)]cos(w_ct+φ),信号包络E′(t)=A′₀+A′₁g(t)。通过代入

可得解调后声强

其中

进行二次倒数后得到P_d∝x(t)，解调后即可再现可听音频信号。

由若干个天线单元以一定方式排列组成天线阵列。天线阵列的主要目的是获得较强方向性的波束，例如可以通过控制各个天线单元之间的相位延迟，使波在某些地方叠加，某些地方抵消，从而让波束在指定方向传播。通过将信号源进行预处理得到较高频率的超声波，对应所需天线长度就可以很短，从而解决了声波音频信号频率低、波长较长，不容易天线发射的问题，同时通过把无线电技术中天线阵列理论应用到声学产生指向性音频，两个不同频率的有限振幅超声波在空气介质中相互之间发生非线性干涉作用。通过利用单组阵列的超声发射，达到定向传播目的。下面就叙述两组阵列共同作用，形成一小片区域的作用进行说明。首先从双边带振幅调制来说明。如图4所示可以看到包络由两部分时域信号组成，一部分是载波为ωc、幅度A0正弦波，另一部分是调制信号x(t)叠加造成的幅度变化。k为比例系数。表达式：

A(t)=[A₀+k*x(t)]*cos(w_ct)

取x(t)=cos(wt)，

也可以写成

A(t)=A₀*[1+m*cos(wt)]*cos(w_ct)=E(t)*cos(w_ct)

展开上式可得， $A\left(t\right)=A_0\cos \left(w_{c}t\right)+A_0\frac{m}{2}*\cos \left[(w+w_c)t\right]+A_0\frac{m}{2}*\cos \left[(w-w_c)t\right]$

如图5所示，从频谱角度来看，包络可以认为由两部分组成：载波分量和上下边带分量。利用两组天线阵列，一组天线阵列只传输载波频率分量ωc，另一组阵列只传输信号的上边带ωc+ω和下边带调制分量ωc-ω，即载波抑制的双边带调制。通过利用两组天线阵列的控制方向性传播波束，到达目标空间时叠加形成一个局部的可听声场空间，即声音有了定位空间进行传输的能力。

本发明实施例通过上述方式，一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法，通过对声音进行处理，将处理后的声音进行阵列发送，通过阵列中不同的发射点发送的不同信号，使得信号在发送到特定的空间以后，只在特定的空间内产生特定声音的声场，实现对声音的空间定位传输。

实施例二：

图6示出了本发明第二实施例提供的一种采用声频阵列进行区域传输声音的装置的结构图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

预处理单元61，用于对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波。

预处理单元用于通过处理单元对首先对信号源x(t)进行预处理得到g(t)，预处理的目的在于对空气中超声波自解调的逆处理。

同时由于空气作为信道传输系统，均衡单元，用于对预处理后的信号源进行声学均衡器处理，空气传输的响应不是平坦的，所以预处理可以加入声学均衡器处理，其中预处理的过程可以采用数字信号处理的方式，也可以用模拟信号处理的方式进行。在预处理的过程中还可以对信号进行相位的调制，对相位进行提前或延迟。

调幅单元62，用于将预处理后的超声波进行调幅处理。

调幅单元具体包括：调幅相乘单元，用于将预处理后的超声波与cos(w_ct)相乘，使得调幅后的超声波振幅足够大，朝一个方向都能听到声音；调幅生成单元，用于生成无载波的双边带幅调制信号，双边带幅调制信号可以自解调性质作用于频率w_c的载波及频率w_c±w的调制信号，产生差频w的信号，即音频信号频率。

发送单元63，用于通过声频阵列发送放大处理后的信号源和放大处理后的调幅超声波信号源。

发送单元通过信号源发送单元发送经过功率放大处理后的信号源；以及通过调幅超声波发送单元，发送经过功率放大处理后的调幅超声波信号源。发送的信号源都是通过声波阵列进行发送，在具体的发送中可以是两个方向的波束进行叠加，也可以是多个方向的波束进行叠加，通过波束的叠加产生叠加区域，利用超声的非线性自调解性质作用产生载波和谐波，并与其它发送阵列的信号产生和频与差频，最终在特定的空间内产生特定声音的声场，实现对声音的在空间上的声音的定位传输。

本发明实施例通过上述方式，一种采用声频阵列进行区域传输声音的装置，通过对声音进行处理，将处理后的声音进行阵列发送，通过阵列中不同的发射点发送的不同声音信号，不同的声音信号之间进行叠加，最终在指定的区域内播放需要播放的音频，使得信号在发送到特定的空间以后进行播放，实现声音的根据空间的需要进行传输并播放。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用声频阵列进行区域传输声音的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波；

将预处理后的超声波进行调幅处理；

通过声频阵列发送放大处理后的信号源和放大处理后的调幅超声波信号源。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波的具体步骤包括:

对信号源进行空气中超声波自解调的逆处理；

对预处理后的信号源进行声学均衡器处理。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将预处理后的超声波进行调幅处理的具体步骤包括：

将预处理后的超声波与cos(w_ct)相乘；

生成无载波的双边带幅调制信号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过声频阵列发送放大处理后的超声波信号源和放大处理后的调幅超声波信号源的具体步骤包括：

通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的信号源；

通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的调幅超声波信号源。

5.一种采用声频阵列进行区域传输声音的装置，其特征在于，所述装置包括：

预处理单元，用于对信号源进行预处理，将信号源转换为超声波；

调幅单元，用于将预处理后的超声波进行调幅处理；

发送单元，用于通过声频阵列发送放大处理后的信号源和放大处理后的调幅超声波信号源。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述预处理单元包括:

处理单元，用于对信号源进行空气中超声波自解调的逆处理；

均衡单元，用于对预处理后的信号源进行声学均衡器处理。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述调幅单元包括：

调幅相乘单元，用于将预处理后的超声波与cos(w_ct)相乘；

调幅生成单元，用于生成无载波的双边带幅调制信号。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述发送单元包括：

信号源发送单元，用于通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的信号源；

调幅超声波发送单元，用于通过声频阵列产生方向性波束发送经过功率放大处理后的调幅超声波信号源。

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