CN104581492B - 可产生超声波的听筒及其构成的多媒体设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可产生超声波的听筒，包括扬声器、音腔、出声孔、泄露孔、设置在音腔中的麦克、比较器、滤波器，出声孔尺寸被扩大化以使扬声器产生的目标频率的声波或超声波能从出声孔中出射，工作时给扬声器提供目标频率的输入信号，麦克监听音腔中的声音频率，比较器将声音频率与目标频响曲线比较，将输入信号通过滤波器进行曲线拟合，使得出声孔处的目标频响曲线的频率在3KHz以上时仍可以通过出声孔，且频响曲线在声波频率在小于3KHz部分不发生改变。该方案能使得听筒发出所需频率的超声波，该超声波听筒能广泛应用于基于超声波手势识别的多媒体设备，并对听筒声音的质量没有任何影响；不用增加多媒体设备的成本，也无需修改多媒体设备的硬件电路。

Description

可产生超声波的听筒及其构成的多媒体设备

技术领域

本发明涉及一种用于多媒体设备的听筒，尤其是用于移动设备领域。

背景技术

随着科技的发展和智能多媒体设备的应用越来越广，手势识别技术也开始进入人们的生活，应用多媒体设备上的麦克和扬声器可以接收和发送超声波，基于超声波的手势识别技术可以广泛应用于多媒体设备，使多媒体设备达到更好的交互功能，最大的一个优点是不用增加多媒体设备的成本，也无需修改多媒体设备的硬件电路。

人耳可感受的声音频率范围在16~20KHZ之间，而基于超声波的手势识别需要发出20Khz~500MHz的声波，在现有的听筒中不能实现。早期移动电话的听筒设计，延用家用有线电话的设计，造型较大，听筒设计也较大。随着科学技术的发展，移动电话造型趋于小型化，尤其在吵杂的环境下逾显声音变小，通话品质低落。使用者将听筒紧贴在耳朵上，让其密闭性更佳，达到更好的通话效果，但却造成使用者耳朵疼痛，脸颊发热等不适感。基于上述听筒设计的缺点，主要是因为听筒与耳朵间密闭性不佳造成的，为了改进该缺失，防止声音泄露，就在声音泄露部分（低频带）补偿，即增加泄露孔和减小出声孔，这就是防止声音泄露的低频加强型听筒。这种听筒的特点：在压力场条件下使用，使用时直接贴在人耳上，其负载是人耳；频响范围只覆盖语言频段（300~3400Hz）；听筒的出声孔很小，过滤了语音高频段。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种新型的超声波听筒设计方案，该方案能使听筒发出所需频率的超声波，目标频响曲线的频率在3KHz以上时仍可以通过出声孔，且频响曲线在声波频率在小于3KHz部分不发生改变，即不改变听筒的声音质量也能发出超声波。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可产生超声波的听筒，包括扬声器、音腔、出声孔、泄露孔、设置在所述的音腔中的麦克，用于对音腔中扬声器发出的声音频率进行实时监听；比较器，用于将麦克监听到的声音频率与目标频率进行比较；滤波器，用于根据比较器的比较结果对扬声器的输入信号进行调整；所述的出声孔尺寸被扩大化以使扬声器产生的目标频率的声波或超声波能从出声孔中出射，工作时给扬声器提供目标频率的输入信号，麦克监听音腔中的声音频率，比较器将声音频率与目标频响曲线比较，将输入信号通过滤波器进行曲线拟合，使得出声孔处的目标频响曲线的频率在3KHz以上时仍可以通过出声孔，且频响曲线在声波频率在小于3KHz部分不发生改变。

作为本发明进一步的改进，所述的滤波器采用最小二乘法进行曲线拟合。

作为本发明进一步的改进，所述的出声孔的最小尺寸是由扬声器尺寸、音腔尺寸、超声波频率的参数所决定。

根据本发明的另一方面，还提供了一种具有如上所述的可产生超声波的听筒的多媒体设备。

作为本发明进一步的改进，包括固定式设备和便携式设备。

作为本发明进一步的改进，所述的便携式设备包括手机、平板电脑。

由于采用了以上技术手段，该方案能使得听筒发出所需频率的超声波，该超声波听筒能广泛应用于基于超声波手势识别的多媒体设备，并对听筒声音的质量没有任何影响；不用增加多媒体设备的成本，也无需修改多媒体设备的硬件电路。

附图说明

附图1所示为现在常用听筒结构图；

附图2所示为常用听筒的等效电路图；

附图3所示为传统技术中听筒目标频响曲线；

附图4所示为根据本发明的可产生超声波的听筒结构图；

附图5所示为根据本发明的可产生超声波的听筒原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

常用听筒的设计如附图1所示，主要由出声孔、音腔、泄露孔和扬声器组成，图中10为出声孔，11是音腔，12是扬声器，13为泄露孔，14为人的耳朵，15表示扬声器发出的声压，其工作原理是：电动式听筒利用载流导体（由音频电流馈电的音圈）在永久磁体的磁场之间相互作用，使音圈震动而带动振膜振动，其能量变换方式是电能—机械能—声能。随着电流强度和方向的变化，音圈在磁隙中来回振动，振动的周期等于输入电流的周期，而振动的幅度，则正比于瞬间作用电流的强弱。如果给听筒输入一个超声波目标频率的信号，则能使听筒产生该频率的超声波，输入信号的能量越大，产生的超声波能量越大。

本方案的目的是提供一种新型的超声波听筒设计方案，该方案能使听筒发出所需频率的超声波，目标频响曲线的频率在3KHz以上时仍可以通过出声孔，且目标频响曲线在声波频率在小于3KHz部分不发生改变，即不改变听筒的声音质量也能发出超声波。在理论上等效的看，音腔相当于一个电容，出声孔相当于一个电感，听筒的扬声器相当于一个电流源，人的耳朵相当于一个电阻负载。扬声器发出的声波，对耳朵来说是一种声压信号，由于耳朵与听筒之间是不完全封闭的，部分声压信号通过泄露孔泄露出去，使得耳朵听到的声压信号处于平稳。电容和电感组成了一个无源低通滤波器，过滤声音的高频部分，等效图如图2所示。因而可以得出，出声孔越小，电感越大，可以通过的频率越小，高频部分过滤的越多；而出声孔越大，电感越小，可以通过的频率越高，声音中的高频信号就越多。所以，扩大出声孔，听筒扬声器发出的超声波能通过出声孔，然而与此同时带来的另一个问题就是在播放声音的时候也会同时产生不需要的噪音，使得正常使用过程中音频失真现象的产生。

如何解决上述新产生的问题，首先需要了解影响音质的一个重要因素是其扬声器的频率响应特性。该频响特性主要跟扬声器单元、腔体结构以及电路有关。目前，多媒体设备的听筒设计均采用音腔、出声孔和泄露孔的结构，听筒设计时，耳朵听到的声音应该是接收到声音的最佳还原，而声音是由频率响应来表现的，扬声器的频率响应就是用曲线来表示扬声器的输出声压级与频率之间的关系，特性曲线要求低频时也能有高的音压，并且在曲线在1K~10K的区间要曲线平稳。该频率响应曲线为目标频响曲线。当听筒中发出超声波后，频率响应曲线发生变化，不能通过GSM认证。多媒体设备的频响曲线符合通话要求，300-30KHz的语音部分声压级较高，噪声较小，符合人体听觉特性的听筒频响曲线为如图3所示的“马鞍形”曲线，该目标频响曲线一定在上限曲线和下限曲线之间，由图可知，当频率大于3KHz时，声音衰减非常快，而我们要求的听筒能发出超声波，即频率大于3KHz时，该部分曲线仍然处于上限曲线和下限曲线之间，且不会衰减为0，出声孔能发出超声波。

参见附图4所示，本发明提出一种能发超声波的听筒设计方案，21是麦克，22为听筒的音腔，23为听筒中的扬声器，24为比较器，25为滤波器，26为听筒的出声孔，27为泄露孔。首先，相对于传统的听筒，本发明对出声孔尺寸进行扩大，以使扬声器产生的目标频率的声波或超声波能从出声孔中出射（关于出声孔尺寸问题说明如下，出声孔的具体尺寸是由扬声器尺寸、音腔尺寸、超声波频率的参数所决定的，在任一听筒系统中，一旦上述参数是确定的情况下，则以上出声孔尺寸的临界值仅仅是数学计算的问题，因而此处的核心思想在于针对传统小尺寸出声孔进行扩大化）；其次，在音腔中设置监听麦克，本发明采用有源的方法进行调制，监听麦克的体积非常小，可以置于出声孔内，该麦克用于监听音腔中的声音频率，另外设置比较器与滤波器，比较器用于将麦克监听到的声音频率与目标频率进行比较，滤波器用于根据比较器的比较结果对扬声器的输入信号进行调整，使得出声孔的频率大于3KHZ的声波可以通过超声波发出，而目标频响曲线在声波频率在小于3KHz部分不发生改变。

附图4中的听筒的等效电路原理图如图5所示，图中输入信号目标频率表达式为X[n]，如果音腔中的麦克监听到的频率为Y[n]，比较器将Y[n]与X[n]进行比较，调节滤波器使得根据比较结果通过滤波器采用最小二乘法进行曲线拟合，当e[n]为0时，说明滤波器调节完成，频响曲线在高频部分，即频率大于3KHZ的声波可以通过超声波发出，而目标频响曲线在声波频率在小于3KHz部分不发生改变。

可以看出，根据以上的可产生超声波的听筒可以广泛应用于多媒体设备，包括固定式设备和便携式设备，例如手机、平板电脑、PC电脑、多媒体一体机等，可以实现听筒的复合用途，在需要播放声音频率时作为传统用途，并且不会影响音质，在需要使用基于超声波的手势识别时，则根据要求发射超声波信号。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可产生超声波的听筒，包括扬声器、音腔、出声孔、泄露孔，其特征在于，还包括：

设置在所述的音腔中的麦克，用于对音腔中扬声器发出的声音频率进行实时监听；

比较器，用于将麦克监听到的声音频率与目标频率进行比较；

滤波器，用于根据比较器的比较结果对扬声器的输入信号进行调整；其中：

所述的出声孔尺寸被扩大化以使扬声器产生的目标频率的声波或超声波能从出声孔中出射，工作时给扬声器提供目标频率的输入信号，麦克监听音腔中的声音频率，比较器将声音频率与目标频响曲线比较，将输入信号通过滤波器进行曲线拟合，使得出声孔处频率大于3KHz以上的声波信号仍可以通过出声孔，且频响曲线在声波频率在小于3KHz部分不发生改变。

2.根据权利要求1所述的可产生超声波的听筒，其特征在于：所述的滤波器采用最小二乘法进行曲线拟合。

3.根据权利要求1所述的可产生超声波的听筒，其特征在于：所述的出声孔的最小尺寸是由扬声器尺寸、音腔尺寸、超声波频率的参数所决定。

4.一种多媒体设备，其特征在于：具有如权利要求1或2所述的可产生超声波的听筒。

5.根据权利要求4所述的多媒体设备，其特征在于：包括固定式设备或便携式设备。

6.根据权利要求5所述的多媒体设备，其特征在于：所述的便携式设备包括手机、平板电脑。