CN108737940B - 一种高指向性特种扬声器扩声系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高指向性特种扬声器扩声系统，所述前置信号放大器电性连接至数字电源与核心微控制器，前置信号放大器输出的一路纯模拟信号与核心微控制器输出的数字信号分别送至数字电源进行纯硬件载波调制，控制后级的双极性调制激励电路，包络调制后的超声波方波信号送至LC谐振电路。本发明结构简单，使用纯硬件电路实现，彻底解决数字采集电路因速度原因无法良好复现音频信号的问题，双极性调制激励电路的调制方式为单端与双极性混合调制，进一步提升系统响应速度，提升输出音质，实现小音量播放下大幅降低系统功耗以及底噪，大音量下自动提升发射功率，保证输出足够的声强。

Description

一种高指向性特种扬声器扩声系统
技术领域
本发明涉及定向扩声或远程传声领域，具体是一种高指向性特种扬声器扩声系统。
背景技术
超声波定向扩声系统又称为有源定向扬声器：传统扬声器发出的声波是向四面八方传播的，若要实现定向效果，扬声器与对应声学结构需要做到很大的体积。超声波定向扩声系统利用了超声波的强指向性特点，将普通音频信号加载于高频超声波信号上，之后经过特定的调制与发射，可使调制后的超声信号进行高指向性传播，在传播过程中高频超声波信号自然衰减，进入人耳后被自然地进行二次低通滤波，处在扬声器指向区域内的人即可听到原本的音频信号。
传统的超声波定向扩声系统大多是基于数字信号处理(DSP)或调频(FM)进行信号调制：首先对音频信号进行放大，然后使用数字信号处理器(DSP)进行采样后调制，因音频信号是很复杂的模拟信号，DSP性能不足将造成输出超声波信号质量受到严重影响，若采用高性能DSP处理器虽然可以改善调制质量，但会使系统成本过于高昂，难以进行商业化应用；或者直接使用音频信号干预超声波发射频率进行调频(FM)调制，特点是响应速度远高于DSP方案，但超声波换能器组件7拥有固定的谐振频点，调频调制会使超声波换能器组件7严重偏离最佳工作点，导致换能器效率低下，发热量偏高，严重的情况下甚至会烧毁超声波换能器组件7，且调频调制需要对电路进行繁琐的调试，同样不适用于商业化产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高指向性特种扬声器扩声系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高指向性特种扬声器扩声系统，所述超声波定向扩声系统包括前置信号放大器、核心微控制器、模拟电源、数字电源、双极性调制激励电路、LC谐振升压电路、超声波换能器组件，所述前置信号放大器电性连接至数字电源与核心微控制器，并向核心微控制器传送音频采集信息，前置信号放大器输出的一路纯模拟信号与核心微控制器输出的数字信号分别送至数字电源进行纯硬件载波调制，控制后级的双极性调制激励电路，双极性调制激励电路的电源由模拟电源提供，包络调制后的超声波方波信号送至LC谐振电路，转换为电压较高的正弦波振荡信号，驱动超声波换能器组件，同时LC谐振电路返回后级工作状态数据至核心微控制器。
作为本发明进一步的方案：用模拟电源与数字电源分别接管双极性调制激励电路的前置驱动部分与大功率后级驱动电路。
作为本发明进一步的方案：核心微控制器采集前置信号放大器输出的模拟信号，对数字电源进行调制，改变双极性调制激励电路的激励强度，作用于超声波换能器组件，从前置信号放大器引出偏置音频信号，对数字电源进行二次调制。
作为本发明进一步的方案：双极性调制激励电路的调制方式为单端与双极性混合调制，双极性调制激励电路的载波频率为28—39.4KHz可调，引入动态调制方式，系统中核心微控制器，根据输入音频信号的强弱自动改变双极性调制激励电路的平均输出功率。
作为本发明再进一步的方案：在双极性调制激励电路后加入LC谐振升压电路，与双极性调制激励电路输出的超声波振荡信号进行谐振，将大功率激励电路输出的方波信号转为正弦波。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单，使用纯硬件电路实现，彻底解决数字采集电路因速度原因无法良好复现音频信号的问题，做到高速跟随调制，使双极性调制激励电路的激励强度高度跟随音频信号，推动超声波换能器组件发射调制后的超声波，双极性调制激励电路的调制方式为单端与双极性混合调制，进一步提升系统响应速度，提升输出音质，实现小音量播放下大幅降低系统功耗以及底噪，大音量下自动提升发射功率，保证输出足够的声强。
附图说明
图1为高指向性特种扬声器扩声系统的结构框图。
图中：1-前置信号放大器、2-核心微控制器2、3-模拟电源、4-数字电源、5-双极性调制激励电路、6-LC谐振升压电路、7-超声波换能器组件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1，一种高指向性特种扬声器扩声系统，所述超声波定向扩声系统包括前置信号放大器1、核心微控制器2、模拟电源3、数字电源4、双极性调制激励电路5、LC谐振升压电路6、超声波换能器组件7，所述前置信号放大器1电性连接至数字电源4与核心微控制器2，并向核心微控制器2传送音频采集信息，前置信号放大器输出的一路纯模拟信号与核心微控制器2输出的数字信号分别送至数字电源4进行纯硬件载波调制，控制后级的双极性调制激励电路5，双极性调制激励电路5的电源由模拟电源3提供，包络调制后的超声波方波信号送至LC谐振电路6，转换为电压较高的正弦波振荡信号，驱动超声波换能器组件7，同时LC谐振电路6返回后级工作状态数据至核心微控制器2，监控电路实时输出功率与状态，便于进行动态调制、最大功率限制以及异常情况下闭锁输出，保护电路的安全。
本发明的工作原理：使用模拟电源3与数字电源4分别接管双极性调制激励电路5的前置驱动部分与大功率后级驱动电路，分离供电可大幅提升系统的稳定性，核心微控制器2采集前置信号放大器1输出的模拟信号，对数字电源4进行调制，改变双极性调制激励电路5的激励强度，作用于超声波换能器组件7，从前置信号放大器1引出偏置音频信号，对数字电源4进行二次调制，使用纯硬件电路实现，彻底解决数字采集电路因速度原因无法良好复现音频信号的问题，做到高速跟随调制，使双极性调制激励电路5的激励强度高度跟随音频信号，推动超声波换能器组件7发射调制后的超声波，大幅提升输出音质，双极性调制激励电路5的调制方式为单端与双极性混合调制，进一步提升系统响应速度，提升输出音质，双极性调制激励电路5的载波频率为28—39.4KHz可调，以适应市面上大多数超声波换能器组件7，引入动态调制方式，系统中核心微控制器2的作用为使MCU监控并管理系统工作状态，根据输入音频信号的强弱自动改变双极性调制激励电路5的平均输出功率，实现小音量播放下大幅降低系统功耗以及底噪，大音量下自动提升发射功率，保证输出足够的声强，同时监控调制电路工作状态，一旦出现异常立即闭锁输出并保护系统，防止意外损坏超声波换能器组件7及调制电路，载波频率由MCU控制，根据超声波换能器组件7的最佳工作频率写入后固化，保证载波频率的稳定性，使超声波换能器组件7工作在最佳状态，在双极性调制激励电路5后加入LC谐振升压电路6，与双极性调制激励电路5输出的超声波振荡信号进行谐振，将大功率激励电路输出的方波信号转为正弦波，大幅降低超声波换能器组件7自身的噪音，同时将振幅提升至电源电压的2-3倍，可在很低的电源电压(3—12V)条件下给与超声波换能器组件7足够强的激励信号，对于系统的小型化与便携化具有很大的帮助。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种高指向性特种扬声器扩声系统，其特征在于，所述高指向性特种扬声器扩声系统包括前置信号放大器（1）、核心微控制器（2）、模拟电源（3）、数字电源（4）、双极性调制激励电路（5）、LC谐振升压电路（6）、超声波换能器组件（7），所述前置信号放大器（1）电性连接至数字电源（4）与核心微控制器（2），并向核心微控制器（2）传送音频采集信息，前置信号放大器输出的一路纯模拟信号与核心微控制器（2）输出的数字信号分别送至数字电源（4）进行纯硬件载波调制，控制后级的双极性调制激励电路（5），双极性调制激励电路（5）的电源由模拟电源（3）提供，包络调制后的超声波方波信号送至LC谐振电路（6），转换为电压较高的正弦波振荡信号，驱动超声波换能器组件（7），同时LC谐振电路（6）返回后级工作状态数据至核心微控制器（2）。
2.根据权利要求1所述的高指向性特种扬声器扩声系统，其特征在于，用模拟电源（3）与数字电源（4）分别接管双极性调制激励电路（5）的前置驱动部分与大功率后级驱动电路。
3.根据权利要求1所述的高指向性特种扬声器扩声系统，其特征在于，核心微控制器（2）采集前置信号放大器（1）输出的模拟信号，对数字电源（4）进行调制，改变双极性调制激励电路（5）的激励强度，作用于超声波换能器组件（7），从前置信号放大器（1）引出偏置音频信号，对数字电源（4）进行二次调制。
4.根据权利要求1所述的高指向性特种扬声器扩声系统，其特征在于，双极性调制激励电路（5）的调制方式为单端与双极性混合调制，双极性调制激励电路（5）的载波频率为28—39.4KHz可调，引入动态调制方式，系统中核心微控制器（2）根据输入音频信号的强弱自动改变双极性调制激励电路（5）的平均输出功率。
5.根据权利要求1所述的高指向性特种扬声器扩声系统，其特征在于，在双极性调制激励电路（5）后加入LC谐振升压电路（6），与双极性调制激励电路（5）输出的超声波振荡信号进行谐振，将大功率激励电路输出的方波信号转为正弦波。
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