CN110784799B - 一种声音定向传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种声音定向传输方法及系统，获取可听声被产生在指定空间的位置数据，在所述指定空间内，完成对扬声器的空间配置，构成声场汇聚区；获取目标可听声信号，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理和载波调制，得到可发射声信号；将可发射声信号发送至扬声器中，在声场汇聚区内完成自解调，实现声音的定向发射。利用不同位置的扬声器阵列，达到声场聚焦的目的，提高发射效率和可听声的能量；将包络信号中可听声带宽外的信号进行滤波，在频域中虑除无法物理实现的弱信号成分，同时减去载波成分，减少了失真，提高发射效率。

Description

一种声音定向传输方法及系统

技术领域

本公开涉及电子技术领域，尤其涉及一种声音定向传输方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

声波(20Hz-20kHz)的定向传播可通过指向性换能器或换能器阵列实现，换能器辐射面的最大尺度与发射的声波波长决定了所发射的声束的指向性开角的大小，即换能器尺寸越大，声波频率越高，则指向性越好，实现定向声传播的效果也越好，而在可听声范围内实现声音的定向传输需要的扬声器尺寸很大，波束开角很宽甚至呈半球形，且在波束开角范围外仍然存在旁瓣带来的声波泄露问题，无法满足现今对高指向性扬声器的需求。

因此，利用高频声波的高指向性和非线性声学的自解调原理来实现可听声定向传播，此时高频扬声器发射高指向性超声波，声波在空气中传播时的非线性效应可使声场中产生差频、和频、倍频声波。由于高频声波的高吸收特性，最终传播一段距离后只剩下频率较低的差频声波，该差频即是待发射的高指向性可听声。

现有的声频定向技术中发射波形的设计均存在超声波向低频可听声的转换效率低的问题，所需扬声器的发射信号功率特别强才能得到所需的可听声。另外现有技术方法得到的可听声信号针对单频信号失真较小，但对于实际可听声中包含多个频率或者连续频谱的声信号时，存在不同程度的幅度、频率、相位等方面的失真。

综上，通过非线性声学中参量阵的方式实现的定向声传输存在着以下难题：由于超声波向差频可听声的转换效率较低，对换能器的发射功率要求较高；传播过程中产生的差频可听声存在着畸变，与实际需要的声音之间存在着较大失真。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出一种声音定向传输方法及系统，利用不同位置的扬声器阵列，达到声场聚焦的目的，提高发射效率和可听声的能量；将包络信号中可听声带宽外的信号进行滤波，在频域中虑除无法物理实现的弱信号成分，同时减去载波成分，减少了失真，提高发射质量。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，本公开提供一种声音定向传输方法，包括：

获取可听声被产生在指定空间的位置数据，在所述指定空间内，完成对扬声器的空间配置，构成声场汇聚区；

获取目标可听声信号，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理和载波调制，得到可发射声信号；

将可发射声信号发送至扬声器中，在声场汇聚区内完成自解调，实现声音的定向发射。

作为可能的一些实现方式，所述空间配置包括，将若干个扬声器分别配置在所述指定空间构成的正多边形的边上，扬声器的声轴与边垂直，且若干条声轴聚焦在焦点上，构成声场汇聚区，完成扬声器的空间配置。

作为可能的一些实现方式，所述积分处理包括，对目标可听声信号进行双积分处理，初始化平方根法参数，所述参数满足平方根下的数值不为负号的最大的参数值，继而对目标可听声信号进行平方根处理。

作为可能的一些实现方式，所述滤波处理包括：获取扬声器带宽，以扬声器带宽为滤波带宽，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理，得到初始发射声信号。

作为可能的一些实现方式，所述载波调制包括，获取扬声器中心频率数据，对滤波处理后的初始发射声信号以扬声器中心频率为载波载频进行载波调制，得到可发射声信号。

第二方面，本公开提供一种声音定向传输系统，包括：

空间配置模块，其用于获取可听声被产生在指定空间的位置数据，在所述指定空间内，完成对扬声器的空间配置，构成声场汇聚区；

信号处理模块，其用于获取目标可听声信号，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理和载波调制，得到可发射声信号；

发射模块，其用于将可发射声信号发送至扬声器中，在声场汇聚区内完成自解调，实现声音的定向发射。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开一方面通过对扬声器的空间配置，利用不同位置的扬声器阵列，达到声场聚焦的目的，以便提高发射效率和可听声的能量，针对发射效率问题提出了一种提高发射效率的方法；

另一方面针对失真问题，现有声频定向技术中N阶近似平方根法，可以使得平方根法得以物理实现，且失真随着阶数的增大而增大，但高阶数意味着带宽的发射信号带宽的进一步增加，因此需要在阶数和误差之间寻找平衡。本公开考虑到信号失真问题，将包络信号中可听声带宽外的信号进行滤波，在频域中虑除无法物理实现的弱信号成分，同时减去载波成分，不仅减少了失真，而且提高了可听声的发射效率，同时还从多个换能器的布局考虑增大声场聚焦，提高发射效率，避免了系统的复杂性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开声频定向发声处理方法流程图示意图；

图2为本公开实施例中聚焦扬声器整列布局；

图3为本公开实施例中积分算法示意图；

图4为本公开实施例中平方根算法对频谱的影响示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

目前应用于声频定向发射的技术主要是基于非线性声学的自解调现象，利用超声波较好的指向性和自解调生成的差频可听声更高的指向性来实现定向发射。当超声波以某一指向性发射声波时，在其声轴方向上的高频强声波由于非线性会生成其和差频，其中和频声波由于衰减严重，传播一段距离后衰减，且其生成的和频波也是超声波不在可听声波频段内，因此和频波可以不予考虑。声场中的差频波会随着传播距离的增加逐渐积累，差频能量随着距离先增大随后再减小。因此在声传播的声轴方向上，差频可听声的声源可看做有很多虚拟声源构成的线阵，该虚拟线阵使差频波表现出很强的指向性，因此现有声频定向发声技术是通过该原理设计不同的发射信号形式以产生满足要求的高指向性可听声。

由非线性声学中的Berktay原场解可知，差频声波正比于原信号包络平方的时间导数，因此可按照该规律对发射波形进行设计，主要包括DSB法、SSB法、平方根法、双积分又平方根法等。

其中DSB法即双边带调制法，假设可听声信号为s(t)，则按照该方法该发射信号的包络为：

E(t)＝1+m·s(t)

SSB法即单边带调制法，假设

为可听声信号s(t)的希尔伯特变换，此时发射信号包络平方为：

平方根法即是将可听声进行平方根处理，其发射信号的包络为：

另外还包括改进AM法、N阶近似平方根法等，其中改进AM法即改进的幅度调制法，相比于DSB法，改进AM法具有更小的失真，同时比平方根法具有较小的带宽要求；N阶近似平方根法是解决平方根法的无限的信号带宽问题。

以上方法均可以生成所需要的差频信号，但是普遍存在失真和发射效率低的问题。

实施例1

如图1所示，本公开为了解决上述技术问题，提供一种声音定向传输方法，包括：

(1)获取可听声被产生在指定空间的位置数据，在所述指定空间内，完成对扬声器的空间配置，构成声场汇聚区；

(2)获取目标可听声信号，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理和载波调制，得到可发射声信号；

(3)将可发射声信号发送至扬声器中，在声场汇聚区内完成自解调，实现声音的定向发射。

所述步骤1中，所述空间配置为，获取可听声被产生在指定空间的位置数据，将若干个扬声器分别配置在所述指定空间构成的正多边形的边上，扬声器的声轴与边垂直，且若干条声轴聚焦在焦点上，构成声场汇聚区，完成扬声器的空间配置。

本公开首先针对发射效率低的问题，采用多扬声器阵列的布局，以多个扬声器的合理布局，利用声场聚焦原理，提高可听声的强度和整体效率，如图2所示，本实施例中，采用7个扬声器，根据指定空间，分别放置在正24边形的7条边上，每个扬声器的声轴与每条边垂直，由于每个扬声器发出的声波到达焦点的时间相同，则每个扬声器声场将汇聚于某一区域，该区域则为声频定向发射的声场汇聚区，对于更多扬声器的情况和更多边的多边形也同样可利用该方法布局。

所述步骤2中，所述积分处理包括，对目标可听声信号进行双积分处理，初始化平方根法参数，所述参数满足平方根下的数值不为负号的最大的参数值，继而对目标可听声信号进行平方根处理；

所述滤波处理包括：获取扬声器带宽，以扬声器带宽为滤波带宽，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理，得到初始发射声信号；

所述滤波处理采用低通滤波器，将包络信号中可听声带宽外的信号进行滤波，在频域中去除无法物理实现的弱信号成分。

本公开旨在设计每个扬声器的发射波形，以减小已有方法中不同程度的失真。由Berktay远场解可知，当发射波形为，

f(t)＝A₀E(t)sin(ω₀t)

其中ω₀为载波角频率，A₀为发射波形幅度，E(t)为发射波形的包络，则在声轴方向的远场自解调生成的声波可表示为，

可以看出，如果需要发送的可听声信号为s(t)，即令p_d(t)＝s(t)，则包络信号为，

目前的声频定向技术均是基于该方法，但由于平方根法产生的信号具有无限带宽，因此硬件无法实现，此时发射信号本身就会失真。

因此本公开在已知可听声信号s(t)的情况下，对该数字信号进行两次时间积分，如图3所示，一次积分算法为，

将积分结果带入上述E(t)公式中，确定参数m，参数m的确定应选取使得平方根下的数值不为负号的最大的m值，再执行平方根运算，平方根运算得到的信号带宽与数字信号采样率有关，单实际扬声器可发射声信号的带宽要远低于该信号带宽。

因此，还应将上述得到的信号进行滤波运算，即通过数字滤波器进行滤波，经过数字滤波后的信号加载到扬声器进行发射，由于目标可听声信号s(t)的频带是在20Hz-20kHz，一般在扬声器的频带内，而进行平方根运算后，E(t)的带宽变得很宽，

如图4所示，对1kHz的单频信号进行平方根运算后得到的信号频谱中，可以看出在初始可听声带宽时，信号下降的幅度很大，大于50dB，即使对该信号进行滤波，信号收到畸变也很小。

所述步骤2中，所述载波调制包括，获取扬声器中心频率数据，对滤波处理后的初始发射声信号以扬声器中心频率为载波载频进行载波调制，得到可发射声信号；

所述载波调制将滤波处理后的初始发射声信号减去载波，使可发射信号不需要额外的功率发射只包含载波信息的成分。

如图4中频谱中在1kHz位置的信号较强，且该频率成分不包含可听声的信息，只包含载波频率，因此将平方根并滤波后的信号应该减去载波，这样发射信号不需要额外的功率发射只包含载波信息的成分，可以进一步提高发射效率。

本公开提供一种声音定向传输系统，包括：

空间配置模块，其用于获取可听声被产生在指定空间的位置数据，在所述指定空间内，完成对扬声器的空间配置，构成声场汇聚区；

信号处理模块，其用于获取目标可听声信号，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理和载波调制，得到可发射声信号；

发射模块，其用于将可发射声信号发送至扬声器中，在声场汇聚区内完成自解调，实现声音的定向发射。

所述空间配置模块包括，将若干个扬声器分别配置在所述指定空间构成的正多边形的边上，扬声器的声轴与边垂直，且若干条声轴聚焦在焦点上，构成声场汇聚区，完成扬声器的空间配置。

所述信号处理模块包括，获取扬声器带宽和中心频率数据，以扬声器带宽为滤波带宽，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理；以扬声器中心频率为载波载频，对滤波处理后的信号进行载波调制，得到可发射声信号。

以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种声音定向传输方法，其特征在于，包括：

获取可听声被产生在指定空间的位置数据，在所述指定空间内，完成对扬声器的空间配置，构成声场汇聚区；

获取目标可听声信号，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理和载波调制，得到可发射声信号；

将可发射声信号发送至扬声器中，在声场汇聚区内完成自解调，实现声音的定向发射；

所述空间配置包括将若干个扬声器分别配置在所述指定空间构成的正多边形的边上，扬声器的声轴与边垂直，且若干条声轴聚焦在焦点上，构成声场汇聚区；

所述载波调制包括获取扬声器中心频率数据，对滤波处理后的初始发射声信号以扬声器中心频率为载波载频，将初始发射声信号减去载波，使得到的可发射信号不需要额外的功率去发射只包含载波信息的成分。

2.如权利要求1所述的一种声音定向传输方法，其特征在于，

所述积分处理包括，对目标可听声信号进行双积分处理，初始化平方根法参数，所述参数满足平方根下的数值不为负号的最大的参数值，继而对目标可听声信号进行平方根处理。

3.如权利要求1所述的一种声音定向传输方法，其特征在于，

所述滤波处理包括：获取扬声器带宽，以扬声器带宽为滤波带宽，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理，得到初始发射声信号。

4.如权利要求3所述的一种声音定向传输方法，其特征在于，

所述滤波处理采用低通滤波器，将包络信号中可听声带宽外的信号进行滤波，在频域中去除无法物理实现的弱信号成分。

5.一种声音定向传输系统，其特征在于，包括，

空间配置模块，其用于获取可听声被产生在指定空间的位置数据，在所述指定空间内，完成对扬声器的空间配置，构成声场汇聚区；

信号处理模块，其用于获取目标可听声信号，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理和载波调制，得到可发射声信号；

发射模块，其用于将可发射声信号发送至扬声器中，在声场汇聚区内完成自解调，实现声音的定向发射；

所述空间配置模块包括将若干个扬声器分别配置在所述指定空间构成的正多边形的边上，扬声器的声轴与边垂直，且若干条声轴聚焦在焦点上，构成声场汇聚区；

所述信号处理模块包括获取扬声器中心频率数据，对滤波处理后的初始发射声信号以扬声器中心频率为载波载频，将初始发射声信号减去载波，使得到的可发射信号不需要额外的功率去发射只包含载波信息的成分。

6.如权利要求5所述的一种声音定向传输系统，其特征在于，

所述信号处理模块包括，获取扬声器带宽数据，以扬声器带宽为滤波带宽，对积分处理后的目标可听声信号进行滤波处理。

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