CN107708041A - 一种超指向性扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超指向性扬声器，包括机壳，设置于机壳中的一个以上的超声换能器，超声换能器安装于PCB板上，PCB板安装于机壳中，所述机壳上还安装有红外传感器，当有人通过后，红外传感器会给信号处理主板触发信号，激活整个扬声器对目标区域播放声音。运用声音传感器阵列将调制有声音信号的超声波声频载波信号发射到空气中，由于超声波的高指向特性，在超声波束方向上，空气分子与超声波发生非线性交互作用，从而将超声波高频信号降低和转化到人耳可听到的低频频谱产生可听声，此过程的重要副产品便是声波能被严密地聚焦于收听环境内的某确定方向上，且传播距离较远。

Description

一种超指向性扬声器

技术领域

本发明涉及一种扬声器，具体涉及一种超指向性扬声器。

背景技术

超指向性扬声器技术是一种利用不同频率的超声波信号在空气中传播时由于空气介质的非线性作用而产生的具有可听差频信号的技术。目前世界上的声频定向系统还都处于实验样品向产品转化阶段，还存在诸多关键理论和关键技术有待突破，如信号处理、换能器制作以及功率放大等方面的理论与技术。声频定向系统目前面临的主要问题在于如何提高音频传输效率和音质，音频传输效率和音质问题一直是影响声频定向系统发展应用的主要因素。

超指向性扬声器系统生成的可听声频能量通常只占发射超声波总能量很小一部分，本专利采用放大效率更高的D类功放。D类功放相较于A类、AB类功放的放大效率得到了极大的提升。

但是当放大效率得到提升后，音频系统整体会存在较大的总谐波失真（THD），减小D类功放的THD对声频定向系统的效率、音质改善具有较大的现实意义。本专利针对总体谐波失真提出了互调失真补偿算法降低整体系统的THD。

超指向性扬声器系统普遍采用超声换能器作为发射设备，超声换能器的性能特征直接决定了声频定向系统的音频传输效率和音质。同时，超声换能器是一种强非线性时变系统，在不同的工作频率下阻抗等特性差别很大。

目前市面上存在一些基于反射原理的声聚焦扬声器亦称为聚音罩。配置透明材质直径20~30in的声反射罩，通过抛物线形的声反射结构进行聚声，但是整体聚声效果并不理想，不能完全达到定向传播声音的效果。因此产生了基于参量阵技术的指向性扬声器。

实现参量阵扬声器的技术流程可简述为: ( 1) 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, 第一步是互调失真处理, 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；(2) 将该调制信号用功率放大器放大后, 通过超声波发射器发射到空气中, 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。其中, 信号处理部分及超声波发射器部分是参量阵扬声器实现和进一步发展的关键。

目前日常生活中普遍使用的扬声器基本上都是传统扬声器，此扬声器中，无论传感器的设计是何种结构, 都具有一个“直接传输”的共同点，原理上是由一特定机构直接激励空气分子运动产生可以收听的声波。因为传统扬声器具有发射元件, 它的主要缺点是因可移动模的质量问题和发射组件导致的失真,由于发射组件导致的失真而产生的相关问题分别存在于低频,中频和高频频谱内,采用低音, 中音和高音扬声器可部分地解决存在的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能以更高的效率、更低的失真度、更强的功率发射具有更尖锐指向性的声波。通过蓝牙传输、U盘读取、TF卡读取等方式丰富了音箱人机交互的方式，让音箱更加智能。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种超指向性扬声器，包括机壳，设置于机壳中的一个以上的超声换能器，超声换能器安装于PCB板上，PCB板安装于机壳中，所述机壳上还安装有红外传感器，当有人通过后，红外传感器会给信号处理主板触发信号，激活整个扬声器对目标区域播放声音。

所述信号处理主板上安装有电源适配器、数字功放、长距离信号传输线接口端子、音量调节旋钮、信号输入端口、红外开关、红外传感器、信号指示灯以及电源开关，信号处理主板外部包裹边缘屏蔽条，电源适配器插入外部电源，整个信号处理主板通过操作遥控器远程控制。

作为优选的技术方案，还包括一音频输入板。

作为优选的技术方案，所述音频输入板包括蓝牙输入、USB端口输入、TF内存卡输入。

作为优选的技术方案，所述操作遥控器上设置有EQ按键，分别为Normal、Class、Jazz、Rock、Bass以及POP。

作为优选的技术方案，超声换能器共有139个，换能器中心点连线构成60°夹角排列，换能器引脚连线互相平行排列。

作为优选的技术方案，PCB板四周有6个凸起为螺丝固定孔位，PCB整体通过螺栓进行固定。

作为优选的技术方案，超指向性扬声器安装于桌面、墙面或者内嵌天花板或者安装于地面上。

作为优选的技术方案，还包括有声束保护吸声结构，在障碍物表面铺设吸声物体。

作为优选的技术方案，所述超指向性扬声器主要包括音频输入、电源模块、信号处理系统电路以及超声换能器。

一种互调失真处理的方法，具体包括：

（一）音频信号输入后，乘上调制系数m，对其做希尔伯特变换，再做取平方操作，通过计算式；

（二）求出单边带调制包络平方。其中，然后再利用与计算得到失真项，由于失真项内部含有一部分直流分量，因此需要对失真项进行直流滤波；

（三）完成以上一套计算后便完成了对原始输入信号的一阶补偿，然而如果要尽可能多的去除掉单边带调制引起的互调失真，需要对进行多阶补偿；

（四）将之前得到的音频信号重新作为原始信号，再次迭代回最开始阶段，循环往复，一般情况下，迭代2到3次即可消除大部分的互调失真，此时可以将所得信号输出作为之后单边带调制的原始信号。

本发明的有益效果是：本发明超指向性扬声器则是用完全不同的技术在空气中间接创造声波。该系统运用声音传感器阵列将调制有声音信号的超声波声频载波信号发射到空气中，由于超声波的高指向特性，在超声波束方向上，空气分子与超声波发生非线性交互作用，从而将超声波高频信号降低和转化到人耳可听到的低频频谱产生可听声，此过程的重要副产品便是声波能被严密地聚焦于收听环境内的某确定方向上，且传播距离较远。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的换能器阵列板的结构示意图；

图2为本发明的超指向扬声器系统总体原理图；

图3为信号处理系统的系统框图；

图4为单边带调制系统框图；

图5为互调失真处理的系统框图；

图6为阻抗匹配网络的结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，通过左端信号接收端子2引入差分信号，输送到超声换能器上，PCB板上共有139个换能器2，换能器2中心点连线构成60°夹角排列，换能器引脚连线互相平行排列。PCB板四周6个凸起4为螺丝固定孔位，PCB板3整体通过螺栓进行固定。

信号处理主板上安装有电源适配器、数字功放、长距离信号传输线接口端子、音量调节旋钮、信号输入端口、红外开关、红外传感器、信号指示灯以及电源开关，信号处理主板外部包裹边缘屏蔽条，电源适配器插入外部电源，整个信号处理主板通过操作遥控器远程控制。

音频输入板集成了多种音频输入方式，包括蓝牙输入、USB端口输入、TF内存卡输入。

蓝牙音频接收板支持最新V4.2的蓝牙设备，空旷无障碍环境下最大传输距离15米。

U盘/TF内存卡播放功能，支持WAV、WMA、FLAC、APE、MP3五种格式的音频，能够实现无损音频重现播放。

产品可通过遥控对所有功能实现操作，方便用户进行远程遥控操作，有更好的产品使用效果。在音频模式中，通过遥控器，可以对歌曲进行快进快退的操作。长按上一首的按键实现快退功能，长按下一首的按键实现快进功能。

同样音频输入板可实现多种音效的输入，通过EQ按键可以进行选择。分别为Normal（正常）、Class（古典）、Jazz（爵士）、Rock（摇滚）、Bass（重低音）、POP（流行）。通过表面的热释电人体红外传感器检测人体是否靠近，感应距离：5-8米，模块整体输出信号控制整体系统的开关作用。

超指向性扬声器具有比普通扬声器更强的指向性，距离扬声器5-10m位置处可以听到清晰的、给人以“耳边细语”感觉的声音，而整个大厅范围仍保持安静；如果向左、右偏离1m就完全听不到声音。这三种安装方式都可以带来较好的声场效果，创造出理想的听音位置。

声束保护吸声结构

然而需要注意的是，当声波传播过程中遇到坚硬障碍物体（如墙壁、箱体）会发生反射散射，从而导致声波波束不可控的情况，无法得到一个较优的声场重现。因此在这种情况下，本专利申明使用新型吸声结构从而减少空间障碍引起的波束散射情况，在障碍物表面铺设吸声物体能够保证声场的单一性。

根据声频定向工作原理和系统组成，超指向性扬声器系统总体方案如图2所示，包括超指向性扬声器主要包括音频输入、电源模块、信号处理系统电路以及超声换能器。

通过音频输入接口输入原始音频后，送入信号处理系统电路后，信号经过电路处理后通过超声波换能器发射出来。超声波在空气中由于非线性效应自解调产生可听声，将原始音频输入还原出来。

如图3所示，其中信号处理部分为整体系统的核心部分，主要包括信号处理平台、功率放大器和阻抗匹配网络等，其中信号处理平台包括了信号、滤波、A/D 转换和 DSP 等部分。选用DSP 作为主处理器的原因在于它可以通过编程快速灵活地实现各种信号处理算法，与其他数字信号处理平台如 ARM、FPGA、ASIC 等相比，DSP 系统具有开发周期短、成本低以及编程灵活等优点。

超指向性系统的音源同时支持数字音频和模拟音频输入，以适应不同的多媒体便携式设备接口。数字音频可不经任何转换直接进入信号处理环节，为 DSP处理器减轻了信号转换和数字滤波带来的负担，使处理器能够更高效的处理声频定向算法。对于不能集成声频定向系统也不具备数字音频输出接口的设备，则可使用系统预留的模拟音频输入接口，模拟音频信号经过调理和滤波电路，滤除20Hz~20kHz 以外的可听声带外成分，然后由A/D 转换器转换为数字音频信号，进入 DSP 处理器。音频信号被采集到 DSP 内部后，由信号处理算法对音频信号进行超声载波调制，然后将已调制信号以数字方式送至数字功率放大器，被放大后的信号进入匹配网络做滤波和阻抗变换处理，驱动换能器振动发声，向空气中发射出携带有可听声信息的超声波。

动态范围指音频信号中极静电平到极响电平间的“距离”，输入的音频信号动态范围经常无法控制，对于一些动态范围较宽的源素材音频信号左右声道输入后首先经过动态范围压缩。

动态范围控制是以标称源电平为中心。对于高于该正常电平临界点的信号，其电平或响度将被降低;而对于低于该点的信号，其电平或响度将被提高。经过动态范围处理后，音频信号将整体提高清晰度，使得目标听众更易听懂。

均衡滤波器：

可听声信号先经过均衡滤波器，提升低频，用以补偿 Berktay远场解中包络平方二次导引起的 12dB/倍频程高频提升。

高通滤波器，滤除150hz以下的可听声信号

计入高通滤波器的目的是，当调制信号存在频率很低的分量时，系统很难高效地重现这些信号，因此会使得大量能量浪费。

低通滤波器，滤出15000hz以下的可听声信号；

加入低通滤波器的目的是，当载波频率选定为40kHz时，差频信号将不低于25kHz。25kHz的声波仍旧在人们的可听声范围以外，因此将不会为系统带来噪声干扰。如果不加低通滤波器，将会产生可听声干扰，影响系统的最终相应。

如图4所示，其为单边带调制系统框图，希尔伯特变换（Hilbert）在单边带调制SSB调制的过程中运用到希尔伯特变化（Hilbert）变换，是在不改变原信号肤质的情况下将信号的相位移动90度。

希尔变换对可用下式表示：

互调失真处理

对于单边带调制而言，当输入仅仅为单频信号时，输出信号中仅仅只有两个频率分量。因此经过空气的非线性效应后可解调成原本的输入信号。而当输入信号为宽带信号时，输出的信号会出现明显的互调失真。因此我们必须需要通过信号处理算法对原信号进行失真处理，降低最终输出信号的互调失真成分。

如图5所示，（一）音频信号输入后，乘上调制系数m，对其做希尔伯特变换，再做取平方操作，通过计算式；

（二）求出单边带调制包络平方。其中，然后再利用与计算得到失真项，由于失真项内部含有一部分直流分量，因此需要对失真项进行直流滤波；

（三）完成以上一套计算后便完成了对原始输入信号的一阶补偿，然而如果要尽可能多的去除掉单边带调制引起的互调失真，需要对进行多阶补偿；

（四）将之前得到的音频信号重新作为原始信号，再次迭代回最开始阶段，循环往复，一般情况下，迭代2到3次即可消除大部分的互调失真，此时可以将所得信号输出作为之后单边带调制的原始信号。

D类功率放大器

系统使用D 类数字功率放大器由于晶体管工作在开关方式，实际效率可以达到 90%以上，极大地降低了能源损耗，并可以较小的体积实现大功率输出，在便携式设备中得到了广泛应用，因此，本设计中采用 D 类开关放大技术设计微型声频定向系统的功率放大器。D类功率放大器的基本原理是将输入信号与高频三角波比较产生脉冲宽度调制(PWM)信号，PWM 信号经由驱动电路驱动后级功率器件（如开关晶体管、MOS 管等）快速开关得到放大后的 PWM 波，然后经低通滤波器滤除高频谐波后，还原出期望的被放大后的输入信号。为使得输入信号经 PWM 调制后不产生严重失真，三角波频率一般取输入信号频率的 10 倍以上。

阻抗匹配网络：

由于超声换能器是一种强非线性时变系统，在不同的工作频率下阻抗的那个特性差别很大。因此，在声频定向系统中需要对超声换能器进行频率特性分析及阻抗匹配，以达到最高的传输效率和最佳的音质效果。

如图6所示，超声波换能器可以等效为以上电学模型。当超声波换能器以远低于内部固有谐振频率工作时，换能器的电学特性相当于一个电容器，称为静态电容，主要取决于传感器材料的几何尺寸和电极面积，近似为常数。当超声波换能器在内部固有谐振频率附近工作时，换能器具有很强的非线性和时变性，微小的频率改变就会导致换能器阻抗特性的较大变化。压电陶瓷超声换能器可以等效为一个静态电容与动态电阻、动态电容和动态电感串联电路相并联的等效电路模型。

使用电感-电容式匹配是由于其可以灵活调节电感和电容的值来更好地进行匹配，所以应用较为广泛。再换能器谐振频率上，动态电感和动态电容可以忽略，由阻抗匹配的原理可得匹配电感和匹配电容之间的关系式为：。

本实施例中，使用到D类功率放大器驱动超声换能器工作，但由于超声换能器为容性负载，很容易产生因高次谐波产生的D类功放过流保护现象，导致系统无法正常运作。高次谐波过流保护是一种特殊的过功率现象，在电路设计完全正确，常规功率测试未超过额定功率的前提下，该种保护问题较为隐蔽。ZOBEL网络是通过和超声换能器并联阻容网络，通过补偿超声换能器的感性而一直换能器阻抗的抬升。

信号处理技术方面，主要理论依据是Westervelt的声学参量阵理论，由于这些理论没有精确解析解，只能进行近似处理，导致使用的信号处理方法多样化，已经实现的例如DSBAM、SSBAM、平方根法、双积分又平方根法、TDSB 法等方法并没有统一的理论体系，在这些方法下产生出的自解调可听声信号影响因素难以确定，给声场分析带来了困难。本设计中使用Berktay声学参量阵理论，并针对这种理论本身存在的12dB/倍频程的频率响应切斜缺陷，弥补了超指向性扬声器的低频响应，已达到更好的频率响应。在滤波操作方面，本发明中使用了更多的滤波器，能够更好地还原最初音频信号，滤出噪声。

在功率放大技术方面，由于超指向性扬声器并不是直接通过振动空气分子而产生可听声，而是通过超声间接产生，导致其电声效率较低，产生出的可听声波能耗仅占整体能耗的一小部分，使用效率较低的 AB 类线性功放难以满足声频定向系统大功率输出要求，通常采用 D 类、E 类、G 类或 T 类等全数字开关式高效率功率放大技术。此外，由于超指向性扬声器的阻抗变化动态范围很大，负载特性多为容性，工作在超声频段时的阻抗非常低，对功率放大器驱动能力要求较高，因此本设计在功率放大器与换能器之间加入一级阻抗匹配网络，一方面滤除高频开关功放自身的高次谐波，另一方面和换能器一起构建谐振网络，使得电功率最大化地施加在换能器两端，以使换能器产生出更大的声压级。

在换能器技术方面，作为超指向性扬声器系统的发声部件，换能器的固有频率、带宽、振幅、超声指向性等指标直接决定了系统的输出声功率、频率响应、指向性等性能参数。本专利中设计了特殊的超声波换能器阵列排布方式，通过该种排布方式，最终的声波可以形成更窄、更细的波束，已达到超指向性的最终效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超指向性扬声器，其特征在于：包括机壳，设置于机壳中的一个以上的超声换能器，超声换能器安装于PCB板上，PCB板安装于机壳中，所述机壳上还安装有红外传感器，当有人通过后，红外传感器会给信号处理主板触发信号，激活整个扬声器对目标区域播放声音。

2.如权利要求1所述的超指向性扬声器，其特征在于：所述信号处理主板上安装有电源适配器、数字功放、长距离信号传输线接口端子、音量调节旋钮、信号输入端口、红外开关、红外传感器、信号指示灯以及电源开关，信号处理主板外部包裹边缘屏蔽条，电源适配器插入外部电源，整个信号处理主板通过操作遥控器远程控制。

3.如权利要求1所述的超指向性扬声器，其特征在于：还包括一音频输入板，所述音频输入板包括蓝牙输入、USB端口输入、TF内存卡输入。

4.如权利要求2所述的超指向性扬声器，其特征在于：所述操作遥控器上设置有EQ按键，分别为Normal、Class、Jazz、Rock、Bass以及POP。

5.如权利要求1所述的超指向性扬声器，其特征在于：超声换能器共有139个，换能器中心点连线构成60°夹角排列，换能器引脚连线互相平行排列。

6.如权利要求1所述的超指向性扬声器，其特征在于：PCB板四周有6个凸起为螺丝固定孔位，PCB整体通过螺栓进行固定。

7.如权利要求1所述的超指向性扬声器，其特征在于：超指向性扬声器安装于桌面、墙面或者内嵌天花板或者安装于地面上。

8.如权利要求1所述的超指向性扬声器，其特征在于：还包括有声束保护吸声结构，在障碍物表面铺设吸声物体。

9.如权利要求1至10任意一项所述的超指向性扬声器，其特征在于：所述超指向性扬声器主要包括音频输入、电源模块、信号处理系统电路以及超声换能器。

10.一种互调失真处理的方法，其特征在于：具体包括：

（一）音频信号输入后，乘上调制系数m，对其做希尔伯特变换，再做取平方操作，通过计算式；

（二）求出单边带调制包络平方；其中，然后再利用与计算得到失真项，由于失真项内部含有一部分直流分量，因此需要对失真项进行去直流滤波；

（三）完成以上一套计算后便完成了对原始输入信号的一阶补偿，然而如果要尽可能多的去除掉单边带调制引起的互调失真，需要对进行多阶补偿；

（四）将之前得到的音频信号重新作为原始信号，再次迭代回最开始阶段，循环往复，一般情况下，迭代2到3次即可消除大部分的互调失真，此时可以将所得信号输出作为之后信号调制的原始信号。