CN110393012A - 超指向性音响装置 - Google Patents

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CN110393012A
CN110393012A CN201780085221.5A CN201780085221A CN110393012A CN 110393012 A CN110393012 A CN 110393012A CN 201780085221 A CN201780085221 A CN 201780085221A CN 110393012 A CN110393012 A CN 110393012A
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吉田俊治
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Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

本发明的超指向性音响装置包括：生成载波信号的载波生成部(4)；利用音频信号来对载波生成部(4)所生成的载波信号进行振幅调制，从而生成调制波信号的调制部(6)；将音频信号转换成绝对值的绝对值转换部(7)；对经绝对值转换部(7)转换后的音频信后利用一次采样前的音频信号来进行指数型加权移动平均处理，推定出音频信号的声压级的指数型加权移动平均部(8)；以及对载波生成部(4)所生成的载波信号乘上指数型加权移动平均部(8)所推定出的声压级的乘法运算部(10)。

Description

超指向性音响装置
技术领域
本发明涉及一种使用超声波频带的载波信号将可听声音辐射至狭窄区域的超指向性音响装置。
背景技术
超指向性音响装置利用可听声音的音频信号对超声波频带的载波信号进行振幅调制，并将由此而得的调制波信号与该载波信号进行加运算，从而从超声波发射器辐射出。由此，在空气中载波信号与调制波信号产生非线性互相作用，载波信号与调制波信号之间产生差音，可听声音被自解调出。
该超指向性音响装置中，通过根据音频信号的声压级的变动来改变所辐射的载波信号的声压级，从而减小消耗功率(例如参照专利文献1)。专利文献1中公开的方法中，利用延迟线使希尔波特滤波器输出中的一部分信号延迟，根据剩余信号检测出瞬时包络，从而监测音频信号的声压级，基于该监测结果来改变载波信号的声压级。
现有技术文献
专利文献
专利文献1
日本专利特开2005-527992号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在专利文献1所公开的方法中，为了监测音频信号的声压级，需要使希尔波特滤波器输出中的一部分信号延迟。另外，例如图9所示，希尔波特滤波器具有多个延迟部。由此，在专利文献1所公开的方法中，具有如下问题：会产生对实用具有影响的延迟。
另外，如图9所示，在希尔波特滤波器中具有多个延迟部及多个加法运算部，因此具有电路规模变大，成本增加的技术问题。
本发明为了解决上述问题而得以完成，其目的在于，提供一种不存在实用上的延迟的超指向性音响装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的超指向性音响装置的特征在于，包括：生成载波信号的载波生成部；利用音频信号来对载波生成部所生成的载波信号进行振幅调制，从而生成调制波信号的调制部；将音频信号转换成绝对值的绝对值转换部；对经绝对值转换部转换后的音频信号利用一次采样前的音频信号来进行指数型加权移动平均处理，推定出音频信号的声压级的指数型加权移动平均部；以及对载波生成部所生成的载波信号乘上指数型加权移动平均部所推定出的声压级的乘法运算部。
发明效果
根据本发明，采用上述结构，因此不存在实用上的延迟。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超指向性音响装置的概要结构示例的框图。
图2是表示本发明的实施方式1中的SSB调制部的概要结构示例的框图。
图3是表示本发明的实施方式1中的指数型加权移动平均部的概要结构示例的框图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的超指向性音响装置的动作例的流程图。
图5A～图5D是表示本发明的实施方式1所涉及的超指向性音响装置的效果的一示例的图。
图6是表示本发明的实施方式2中的指数型加权移动平均部的概要结构示例的图。
图7A～图7C是表示本发明的实施方式2所涉及的超指向性音响装置的效果的一示例的图。
图8A～图8C是表示本发明的实施方式2所涉及的超指向性音响装置的效果的另一示例的图。
图9是表示现有的超指向性音响装置所使用的希尔波特滤波器的概要结构示例的框图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的超指向性音响装置的结构示例的框图。
如图1所示，超指向性音响装置包括调制器1、放大部2以及超声波发射部3。另外，调制器1包括：载波生成部4、增益调整部5、调制部6、绝对值转换部7、指数型加权移动平均部8、放大部9、乘法运算部10以及加法运算部11。
载波生成部4生成超声波频带的载波信号。该载波生成部4所生成的载波信号被输出至调制部6以及乘法运算部10。
增益调整部5对从外部输入的可听声音即音频信号的增益(振幅)进行调整。此时，增益调整部5将上述音频信号的增益调整为可实施后级处理的值。经该增益调整部5调整了增益的音频信号被输出至调制部6以及绝对值转换部7。
调制部6利用经增益调整部5调整了增益后的音频信号来对载波生成部4所生成的载波信号进行振幅调制，从而生成调制波信号。作为该调制部6使用进行SSB(SingleSideBand：单边带)调制的SSB调制部或进行DSB(DoubleSideBand：双边带)调制的DSB调制部。通过该调制部6生成的调制波信号被输出至加法运算部11。
绝对值转换部7将经增益调整部5调整了增益的音频信号转换成绝对值。经该绝对值转换部7转换成绝对值的音频信号被输出至指数型加权移动平均部8。
指数型加权移动平均部8对经绝对值转换部7转换成绝对值后的音频信号利用一次采样前的音频信号来进行指数型加权移动平均处理，推定出音频信号的声压级。表示由该指数型加权移动平均部8推定出的声压级的信号被输出至放大部9。
放大部9将表示由指数型加权移动平均部8推定出的声压级的信号进行放大。通过该放大部9增大后的信号被输出至乘法运算部10。
乘法运算部10将载波生成部4所生成的载波信号乘上经放大部9放大后的信号。利用该乘法运算部10将载波信号转换成可听声音自解调所需且足够的声压级。
加法运算部11将经乘法运算部10转换声压级后得到的载波信号与调制部6所生成的调制波信号进行加运算。经该加法运算部11将载波信号与调制波信号相加后得到的信号被输出至放大部2。
放大部2将经加法运算部11将载波信号与调制波信号相加后得到的信号进行放大。此时，放大部2将上述信号放大至可驱动超声波发射部3的电平为止。通过该放大部2增大后的信号被输出至超声波发射部3。
超声波发射部3将通过放大部2增大后的信号发射至空气中。该超声波发射部3由多个超声波发射元件(未图示)构成。
接着，参照图2，对调制部6的结构例进行说明。图2中示出作为调制部6使用通过延迟较少的维弗法(Weaver)进行SSB调制的SSB调制部的情况。
如图2所示，调制部6具有：正弦波生成部601、移相部602、乘法运算部603、乘法运算部604、低通滤波器(LPF)605、低通滤波器(LPF)606、基准频率生成部607、移相部608、乘法运算部609、乘法运算部610以及加减运算部611。
正弦波生成部601生成频率为音频信号的频带中心的正弦波信号。该正弦波生成部601所生成的正弦波信号被输出至移相部602及乘法运算部604。
此处，超指向性音响装置中处理的音频信号的频带例如为0.5[kHz]～8.0[kHz]的情况下，频带中心的频率为4.25[kHz]。此外，一般而言，大多以0.3[kHz]～10.0[kHz]左右的频带作为音频信号来进行处理。
移相部602将正弦波生成部601所生成的正弦波信号的相位提前π/2[rad.]。通过该移相部602相位被提前π/2[rad.]的正弦波信号被输出至乘法运算部603。
乘法运算部603将经移相部602相位被提前π/2[rad.]后的正弦波信号乘上经增益调整部5将增益调整后的音频信号。也就是说，乘法运算部603以相位被提前π/2[rad.]后的正弦波信号作为副载波信号，生成将音频信号进行振幅调制(DSB调制)后得到的调制波信号。通过该乘法运算部603生成的调制波信号被输出至低通滤波器605。
乘法运算部604将经正弦波生成部部601生成的正弦波信号乘上经增益调整部5将增益调整后的音频信号。也就是说，乘法运算部604以相位未错开的正弦波信号作为副载波信号，生成将音频信号进行振幅调制(DSB调制)后得到的调制波信号。通过该乘法运算部604生成的调制波信号被输出至低通滤波器606。
低通滤波器605从乘法运算部603所生成的调制波信号仅提取出音频信号的频带中心以下的低频信号。也就是说，低通滤波器605是截断频率为音频信号的频带中心频率的低通滤波器，在上述调制波信号中阻断上侧频带的边带分量，仅提取出下侧频带的边带分量。通过该低通滤波器605提取出的信号被输出至乘法运算部609。
低通滤波器606从乘法运算部604所生成的调制波信号仅提取出音频信号的频带中心以下的低频信号。也就是说，低通滤波器606是截断频率为音频信号的频带中心频率的低通滤波器，在上述调制波信号中阻断上侧频带的边带分量，仅提取出下侧频带的边带分量。通过该低通滤波器606提取出的信号被输出至乘法运算部610。
基准频率生成部607基于载波生成部4所生成的载波信号，生成频率为从该载波信号的频率错开音频信号的频带中心频率后的频率的正弦波信号(基准频率信号)。该基准频率生成部607所生成的正弦波信号被输出至移相部608及乘法运算部610。
例如音频信号的频带中心的频率为4.25[kHz]，载波信号的频率为fc的情况下，基准频率生成部607生成频率为fc+4.25[kHz]或fc－4.25[kHz]的正弦波信号。此外，基准频率生成部607将所生成的正弦波信号的频率设为fc+4.25[kHz]或fc－4.25[kHz]中的哪个取决于调制器1的调制动作。
此外，上述中示出了基准频率生成部607基于载波生成部4所生成的载波信号来生成正弦波信号的情况。然而，并不局限于此，也可以由自己来设定基准频率生成部607所生成的正弦波信号的频率。
移相部608将基准频率生成部607所生成的正弦波信号的相位提前π/2[rad.]。通过该移相部608相位被提前π/2[rad.]的正弦波信号被输出至乘法运算部609。
乘法运算部609将经移相部608相位被提前π/2[rad.]后的正弦波信号乘上由低通滤波器605提取出的信号。也就是说，乘法运算部609生成上侧频带与下侧频带的相位为反相的信号。通过该乘法运算部609生成的信号被输出至加减运算部611。
乘法运算部610将基准频率生成部607所生成的正弦波信号乘上由低通滤波器606提取出的信号。也就是说，乘法运算部610生成上侧频带与下侧频带的相位为同相的信号。通过该乘法运算部610生成的信号被输出至加减运算部611。
加减运算部611将乘法运算部609所生成的信号与乘法运算部610所生成的信号进行加运算，或者从乘法运算部610所生成的信号减去乘法运算部609所生成的信号以进行减运算。此外，加减运算部611是进行加运算处理还是进行减运算处理取决于调制器1的变动动作。
例如，在调制器1生成使用了上侧频带的边带分量的调制波信号的情况下，基准频率生成部607生成频率为fc+4.25[kHz]的正弦波信号，加减运算部611将乘法运算部609所生成的信号与乘法运算部610所生成的信号进行加运算。通过该加运算处理来抵消反相分量，生成具有同相的上侧频带的边带分量的调制波信号。
另外，在调制器1生成使用了下侧频带的边带分量的调制波信号的情况下，基准频率生成部607生成频率为fc－4.25[kHz]的正弦波信号，加减运算部611从乘法运算部610所生成的信号减去乘法运算部609所生成的信号以进行减运算。通过该减运算处理来抵消同相分量，生成具有反相的下侧频带的边带分量的调制波信号。
此外，调制波6根据超声波发射器3所辐射出的信号的声压频率特性，使用上侧频带的边带分量或下侧频带的边带分量中能高效地辐射信号的频带的边带分量。
另外，上述中示出了作为调制部6使用通过维弗法(Weaver)进行SSB调制的SSB调制部的情况。然而，并不局限于此，作为调制部6例如也可以使用通过非专利文献1所公开的Merigo法(メリゴ方式)进行SSB调制的SSB调制部。
非专利文献1
CQ出版社Ham journal 86号八月、1993年“采用Merigo法的SSB生成器与SSB解调器”
接着，参照图3，对指数型加权移动平均部8的结构例进行说明。
如图3所示，指数型加权移动平均部8具有：延迟部801、常数设定部802、乘法运算部803、常数设定部804、乘法运算部805以及加法运算部806。
延迟部801使经绝对值转换部7转换后的音频信号延迟一次采样间隔。经该延迟部801延迟后的音频信号被输出至乘法运算部803。
常数设定部802设定常数a。该常数a在大于0.5且小于1的范围内根据超指向性音响装置中的音频信号的采样数(分辨率)来适当设定。也就是说，指数型加权移动平均部8中，对一次采样前的音频信号施加较大的权重。此外，在常数a为接近于1的值的情况下，较能使音频信号的声压级的推定值曲线为平滑。表示该常数设定部802所设定的常数a的信号被输出至乘法运算部803。
乘法运算部803将常数设定部802所设定的常数a乘上经延迟部801延迟的音频信号。经该乘法运算部803乘上常数a后的一次采样前的音频信号被输出至加法运算部806。
常数设定部804设定常数(1－a)。表示该常数设定部804所设定的常数(1－a)的信号被输出至乘法运算部805。
乘法运算部805将经常数设定部804所设定的常数(1－a)乘上经绝对值转换部7转换后的音频信号。经该乘法运算部805乘上常数(1－a)后的音频信号被输出至加法运算部806。
加法运算部806将经乘法运算部803乘上常数a后的一次采样前的音频信号与经乘法运算部805乘上常数(1－a)后的音频信号进行加运算。
接下来，参照图4对实施方式1所涉及的超指向性音响装置的动作例进行说明。
如图4所示，在实施方式1所涉及的超指向性音响装置中，首先载波生成部4生成超声波频带的载波信号(步骤ST1)。
另外，增益调整部5对从外部输入的可听声音即音频信号的增益进行调整(步骤ST2)。
接着，调制部6利用经增益调整部5调整了增益后的音频信号来对载波生成部4所生成的载波信号进行振幅调制，从而生成调制波信号(步骤ST3)。
另外，绝对值转换部7将经增益调整部5调整了增益的音频信号转换成绝对值(步骤ST4)。
接着，指数型加权移动平均部8对经绝对值转换部7转换成绝对值的音频信号利用一次采样前的音频信号来进行指数型加权移动平均处理，推定出音频信号的声压级(步骤ST5)。
接着，放大部9将表示由该指数型加权移动平均部8推定出的声压级的信号进行放大(步骤ST6)。
接着，乘法运算部10将载波生成部4所生成的载波信号乘上经放大部9放大后的信号(步骤ST7)。由此，载波信号的声压级根据音频信号的声压级的变动而改变。
接着，加法运算部11将经乘法运算部10转换声压级后的载波信号与调制部6所生成的调制波信号进行加运算(步骤ST8)。
接着，放大部2对利用加法运算部11将载波信号与调制波信号相加后得到的信号进行放大(步骤ST9)。
接着，超声波发射部3将通过放大部2增大后的信号辐射至空气中(步骤ST10)。之后，由超声波发射部3辐射出的信号(载波信号及调制波信号)在空气中自解调成可听声音，形成束状的声场。
接下来，参照图5对实施方式1所涉及的超指向性音响装置的效果进行说明。图5A示出了输入至超指向性音响装置的音频信号。另外，图5B示出现有的超指向性音响装置的音频信号的声压级的监视结果。另外，图5C、5D示出实施方式1所涉及的超指向性音响装置的音频信号的声压级的推定结果。
现有的超指向性音响装置中，如图5B所示，音频信号的声压级的监视结果中产生延迟。
另一方面，如图5C、5D所示，实施方式1所涉及的超指向性音响装置中，音频信号的声压级的推定结果不产生延迟。此外，图5C中示出了常数a为0.98，一次采样前的音频信号的初始值为0.15时的推定结果，图5D中示出了常数a为0.99，一次采样前的音频信号的初始值为0.15时的推定结果。
此处，在实施方式1所涉及的超指向性音响装置中，指数型加权移动平均部8对音频信号进行指数型加权移动平均处理来对一次采样前的音频信号实施较大的加权，从而推定出音频信号的声压级。由此，指数型加权移动平均部8的处理是仅使用一次采样前的数据的简单计算，因此能够实现实用上不会产生延迟且规模较小的电路结构。另外，由于能以小规模的电路结构来实现指数型加权移动平均部8，因此能减小成本。
另外，上述中示出了对调制器1设置加法运算部11，超声波发射器3辐射出载波信号与调制波信号相加后的信号的情况。然而，不限于此，也可以构成为不对调制器1设置加法运算部11，超声波发射器3以载波信号与调制波信号相分离的状态进行辐射的情况。
如上所述，根据本实施方式1，包括：生成载波信号的载波生成部4；利用音频信号来对载波生成部4所生成的载波信号进行振幅调制，从而生成调制波信号的调制部6；将音频信号转换成绝对值的绝对值转换部7；对经绝对值转换部7转换后的音频信后利用一次采样前的音频信号来进行指数型加权移动平均处理，推定出音频信号的声压级的指数型加权移动平均部8；以及对载波生成部4所生成的载波信号乘上指数型加权移动平均部8所推定出的声压级的乘法运算部10，由此在实用上不会产生延迟。
实施方式2
如图1所示，实施方式1中，示出了使用单个指数型加权移动平均部8的情况。然而，并不限于此，如图6所示，也可以将多个指数型加权移动平均部8串联连接。图6中，示出了将4个指数型加权移动平均部8(8-1～8-4)串联连接的情况。
此外，各指数型加权移动平均部8中使用的常数a～d处于大于0.5且小于1的范围内，根据超指向性音响装置中的音频信号的采样数来适当设定。此外，各常数a～d无需相同，也可以是不同值。
接下来，参照图7对实施方式2所涉及的超指向性音响装置的效果进行说明。图7A示出了输入至超指向性音响装置的音频信号。此外，图7A所示的音频信号中包含无声区间。另外，图7B示出现有的超指向性音响装置的音频信号的声压级的监视结果。另外，图7C示出实施方式2所涉及的超指向性音响装置的音频信号的声压级的推定结果。
现有的超指向性音响装置中，如图7B所示，音频信号的声压级的监视结果中产生延迟。另外，图7B所示的监视结果中，对无声区间的响应性差。
另一方面，如图7C所示，实施方式2所涉及的超指向性音响装置中，音频信号的声压级的推定结果不产生延迟。另外，图7C所示的推定结果中，对无声区间的响应性较好。此外，图7C示出了常数a为0.9，常数b～d为0.88，一次采样前的音频信号的初始值为0.15时的推定结果。
此处，在实施方式2所涉及的超指向性音响装置中，指数型加权移动平均部8对音频信号进行指数型加权移动平均处理来对一次采样前的音频信号实施较大的加权，来推定出音频信号的声压级。由此，指数型加权移动平均部8的处理是仅使用一次采样前的数据的简单计算，因此能够实现实用上不会产生延迟且规模小的电路结构。另外，由于能以小规模的电路结构来实现指数型加权移动平均部8，因此能减小成本。
另外，通过将多个指数型加权移动平均部8串联连接，从而相对于实施方式1能够使得音频信号的声压级的推定值曲线更为平滑。
另外，图8中示出了因常数a～d的设定的不同而不同的效果。
图8A示出了输入至超指向性音响装置的音频信号。另外，图8B示出了常数a～d为0.965，一次采样前的音频信号的初始值为0.15时，实施方式2所涉及的超指向性音响装置的音频信号的声压级的推定结果。另外，图8C示出了常数a为0.99，常数b～d为0.95，一次采样前的音频信号的初始值为0.15时，实施方式2所涉及的超指向性音响装置的音频信号的声压级的推定结果。此外，图8C中的虚线表示图8B所示的推定结果的上升沿。
如图8B、8C所示，通过适当地设定常数a～d，从而能获得响应性较好(波形的上升及下降陡峭)的推定值曲线。
此外，本申请发明可以在该发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方式的任意构成要素进行变形、或在各实施方式中省略任意的构成要素。
工业上的实用性
本发明所涉及超指向性音响装置适用于实用上无延迟且利用超声波频带的载波信号将可听声音辐射至狭窄区域的超指向性音响装置等。
标号说明
1调制器、2放大部、3超声波发射器、4载波生成部、5增益调整部、6调制部、7绝对值转换部、8指数型加权移动平均部、9放大部、10乘法运算部、11加法运算部、601正弦波生成部、602移相部、603乘法运算部、604乘法运算部、605低通滤波器、606低通滤波器、607基准频率生成部、608移相部、609乘法运算部、610乘法运算部、611加减运算部、801延迟部、802常数设定部、803乘法运算部、804常数设定部、805乘法运算部、806加法运算部。

Claims (5)

1.一种超指向性音响装置，其特征在于，包括：
生成载波信号的载波生成部；
利用音频信号来对所述载波生成部所生成的载波信号进行振幅调制，从而生成调制波信号的调制部；
将所述音频信号转换成绝对值的绝对值转换部；
指数型加权移动平均部，该指数型加权移动平均部利用一次采样前的音频信号对经所述绝对值转换部转换后的音频信号进行指数型加权移动平均处理，推定出音频信号的声压级；以及
将所述载波生成部所生成的载波信号乘上所述指数型加权移动平均部所推定出的声压级的乘法运算部。
2.如权利要求1所述的超指向性音响装置，其特征在于，
多个所述指数型加权移动平均部串联连接。
3.如权利要求1所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述调制部是SSB调制部，该SSB调制部利用所述音频信号对所述载波生成部所生成的载波信号进行SSB调制。
4.如权利要求3所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述SSB调制部利用维弗法进行SSB调制。
5.如权利要求3所述的超指向性音响装置，其特征在于，
所述SSB调制部利用Merigo法(メリゴ方式)进行SSB调制。
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