CN110933558A - 一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备，其中定向发声方法应用于电子设备，该电子设备包括超声换能器，首先获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；根据第一位置信息、第二位置信息以及超声换能器的位置，确定超声换能器的旋转角度；控制超能换能器按照旋转角度进行旋转，以使旋转后的超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。本申请技术方案可以实现动态、实时的定向发声效果，使得用户在保护个人隐私或工作机密的同时，不对同一空间内的其他人产生干扰，很大程度上的减少集体工作与生活的噪声干扰。

Description

一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备

技术领域

本发明涉及音频技术领域，特别是涉及一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备。

背景技术

定向发声技术，顾名思义，就是声音不再像传统扬声器那样360度扩散声音，而是有方向的、沿着一定的路径传送声音。这项技术能将广场舞噪音、校园广播声音锁定在特定区域、解决扰民难题外，它还可以运用在博物馆做展品、商超做商品的解说，拓宽了展品、商品信息传达方式，也不会造成声音污染。

在现代人的生活中，手机成了密不可分的一部分，根据QuestMobile去年发布的《中国移动互联网2018年半年大报告》显示，中国移动互联网用户对互联网的依赖越发强烈，人均单日使用时长达289.7分钟。同时大部分时间被移动社交、网络视频所占据，因此如果将定向发声技术嵌入电子设备中，那么可以预想这样的生活，同一空间中，如办公室内、客厅中等多人聚集的开放环境，数人均可利用具备定向发声装置的电子设备一边欣赏各自的音频(定向声波)，一边毫无障碍地彼此交谈，此时只有自己可以听到这一定向音频，既能保持自己的隐私空间，不被他人听见，亦不会对彼此产生干扰，这将会给我们日常的工作与生活带来极大的便利。

然而，现有的定向发声装置只能在特定的方向发出声音，当用户相对电子设备的位置信息变化时，可能面临脱离定向发声区域、无法接收到定向声波的问题。

发明内容

本发明提供一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备，以实现动态、实时的音频定向发声效果。

为了解决上述问题，本发明公开了一种定向发声方法，应用于电子设备，所述电子设备包括超声换能器，所述方法包括：

获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；

根据所述第一位置信息、所述第二位置信息以及所述超声换能器的位置，确定所述超声换能器的旋转角度；

控制所述超能换能器按照所述旋转角度进行旋转，以使旋转后的所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。

在一种可选的实现方式中，所述获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息的步骤，包括：

获取用户的第一位置信息，以及所述用户在所述第一位置的第一人脸图片；

对所述第一人脸图片进行人脸识别，得到第一人脸识别结果；

当所述用户发生位移后，获取第二人脸图片；

对所述第二人脸图片进行人脸识别，得到第二人脸识别结果；

当所述第二人脸识别结果与所述第一人脸识别结果匹配时，将所述第二人脸图片对应的位置信息确定为所述用户位移后的第二位置信息。

在一种可选的实现方式中，所述根据所述第一位置信息、所述第二位置信息以及所述超声换能器的位置，确定所述超声换能器的旋转角度的步骤，包括：

获取所述第一位置与所述超声换能器的位置之间的第一距离；

获取所述第二位置与所述超声换能器的位置之间的第二距离；

根据所述第一位置信息以及所述第二位置信息，确定所述第一位置与所述第二位置之间的第三距离；

根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离，确定所述超声换能器的旋转角度。

在一种可选的实现方式中，所述方法还包括：

获取音频信号和超声载波信号；

对所述音频信号和所述超声载波信号进行调制，得到载有所述音频信号的超声频信号；

对所述超声频信号进行功率放大，并发送至所述超声换能器，以使所述超声换能器将功率放大后的所述超声频信号转换为定向传播的超声波，所述超声波进入空气后能够自解调出可闻声波。

为了解决上述问题，本发明还公开了一种定向发声装置，应用于电子设备，所述电子设备包括超声换能器，所述装置包括：

第一模块，被配置为获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；

第二模块，被配置为根据所述第一位置信息、所述第二位置信息以及所述超声换能器的位置，确定所述超声换能器的旋转角度；

第三模块，被配置为控制所述超能换能器按照所述旋转角度进行旋转，以使旋转后的所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。

为了解决上述问题，本发明还公开了一种超声换能器，所述超声换能器包括基体、嵌于所述基体内的可旋转结构以及设置在所述可旋转结构表面的振动膜。

在一种可选的实现方式中，所述振动膜的材料为聚偏氟乙烯。

在一种可选的实现方式中，所述振动膜为圆片膜、圆柱膜或球形膜。

为了解决上述问题，本发明还公开了一种电子设备，所述电子设备包括：

处理器，被配置为执行指令，以实现任一实施例所述的定向发声方法；存储器，被配置为存储所述处理器的可执行指令；

以及任一实施例所述的超声换能器，被配置为产生定向传播的超声波。

在一种可选的实现方式中，所述电子设备还包括机身以及设置在所述机身一侧的摄像头，所述摄像头用于采集人脸图片并发送至所述处理器；

其中，所述超声换能器靠近所述摄像头设置且与所述摄像头位于所述机身的同一侧；或者，所述超声换能器设置在可隐藏于所述机身内部的升降结构上。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

本申请技术方案提供了一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备，其中定向发声方法应用于电子设备，该电子设备包括超声换能器，首先获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；根据第一位置信息、第二位置信息以及超声换能器的位置，确定超声换能器的旋转角度；控制超能换能器按照旋转角度进行旋转，以使旋转后的超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。本申请技术方案通过对用户位移前后的位置信息进行实时检测，并控制超能换能器根据用户的实时位置信息而旋转，使得超声换能器发出的超声波始终能够覆盖用户所处的位置，从而可以实现动态、实时的定向发声效果，使得用户在保护个人隐私或工作机密的同时，不对同一空间内的其他人产生干扰，很大程度上的减少集体工作与生活的噪声干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请一实施例提供的一种定向发声方法的步骤流程图；

图2示出了本申请一实施例提供的获取第一位置信息和第二位置信息的步骤流程图；

图3示出了本申请一实施例提供的获取定向传播的超声波的步骤流程图；

图4示出了本申请一实施例提供的基于超声波的声频定向传播技术原理；

图5示出了本申请一实施例提供的确定超声换能器旋转角度的示意图；

图6示出了本申请一实施例提供的人脸姿态自由度示意图；

图7示出了本申请一实施例提供的用户音频输出模式选择界面示意图；

图8示出了本申请一实施例提供的获取定向传播的超声波的物理结构示意图；

图9示出了本申请一实施例提供的一种定向发声方法具体实现方式的步骤流程图；

图10示出了本申请一实施例提供的另一种定向发声方法具体实现方式的步骤流程图；

图11示出了本申请一实施例提供的一种超声换能器的结构示意图；

图12示出了本申请一实施例提供的一种电子设备的结构示意图；

图13示出了本申请一实施例提供的一种超声换能器设置方式的结构示意图；

图14示出了本申请一实施例提供的另一种超声换能器设置方式的结构示意图；

图15示出了本申请一实施例提供的一种定向发声装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

基于超声的声音定向传播技术是一种可使声音以波束在一定方向传播的新声源技术，如图4所示，其基本原理是将可听声音信号调制到超声载波信号之上，并由超声换能器发射到空气中，超声波发出不同频率(f1、f2)的超声波在空气中传播的过程中，由于空气的非线性声学效应，这些信号会发生交互作用和自解调，进而产生频率为原超声频率f1、f2、原超声频率之和(和频f1+f2)、频率之差(差频f1-f2)的新声波。若超声载波信号选取合适，那么差频声波(f1-f2)可落在可听声区域，获得可闻声波。这样，借助超声波本身的高指向性，可以实现声音定向传播的过程，使可闻声波传播到特定位置，实现只在特定区域内才被听见的效果。

为了解决现有技术用户在移动过程中可能脱离定向发声区域的问题，本申请一实施例提供了一种定向发声方法，应用于电子设备，电子设备包括超声换能器，超声波换能器用于将输入的电功率转换为可以定向传播的超声波。

参照图1，本实施例提供的定向发声方法可以包括：

步骤101：获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置。

具体地，第一位置为用户位移前的初始位置，假设第一位置位于超声换能器的定向发声区域(direction1)内，用户能够接收到定向声波，获取用户在第一位置的坐标等信息，即第一位置信息。用户移动到第二位置后，获取第二位置的坐标等信息，即第二位置信息。后续会详细介绍具体如何获取第一位置信息和第二位置信息。

步骤102：根据第一位置信息、第二位置信息以及超声换能器的位置，确定超声换能器的旋转角度。

在一种可选的实现方式中，可以首先获取第一位置与超声换能器的位置之间的第一距离l₁；获取第二位置与超声换能器的位置之间的第二距离l₂，然后根据第一位置信息以及第二位置信息，确定第一位置与第二位置之间的第三距离l_v；进而根据第一距离l₁、第二距离l₂以及第三距离l_v，确定超声换能器的旋转角度θ。

由于第一位置、第二位置以及超声换能器的位置之间的连线构成三角形，如图5所示，因此可以利用余弦定理，确定超声换能器的旋转角度θ，计算公式如下：

cosθ＝(l₁ ²+l₂ ²-l_v ²)/2l₁ l₂

具体地，可以采用电子设备自带的距离传感器(如红外线传感器、超声波传感器等)测量得到超声换能器的位置与第一位置之间的第一距离l₁，以及超声换能器的位置与第二位置之间的第一距离l₂。需要说明的是，由于距离传感器通常位于摄像头附近，并且距离传感器与超声换能器之间的距离相对于用户与超声换能器之间的距离要小得多，因此可以将距离传感器与用户之间的距离确定为超声换能器与用户之间的距离。

另外，还可以根据第一位置信息以及超声换能器的位置信息计算得到第一距离l₁，根据第二位置信息以及超声换能器的位置信息计算得到第二距离l₂。

步骤103：控制超能换能器按照旋转角度进行旋转，以使旋转后的超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。

在具体实现中，超声换能器例如可以包括基体、嵌于基体内的可旋转结构以及设置在可旋转结构表面的振动膜(如圆片膜)，后续实施例会详细介绍该超声换能器的具体结构。需要说明的是，凡是能够改变超声波传播方向的超声换能器均适用于本实施例提供的定向发声方法。

为了使位移后的用户仍然能够接收到定向声波，可以控制超声换能器按照旋转角度进行旋转，使得第二位置位于旋转后的超声换能器的定向发声区域(direction2)内，即旋转后的超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。

本实施例提供的定向发声方法，通过对用户位移前后的位置信息进行实时检测，并控制超能换能器根据用户的实时位置信息而旋转，使得超声换能器发出的超声波始终能够覆盖用户所处的位置，从而可以实现动态、实时的定向发声效果，使得用户在保护个人隐私或工作机密的同时，不对同一空间内的其他人产生干扰，很大程度上的减少集体工作与生活的噪声干扰。

在实际应用中，用户可以根据实际的音频输出需求选择传统扬声器模式(开放)或定向发声模式输出模式(隐私)，参照图7示出了供用户选择发声模式的用户界面，当用户选择定向发声模式输出模式时，可以采用本实施例提供的定向发声方法实现定向发声。

在一种可选的实现方式中，参照图2，步骤101具体可以包括：

步骤201：获取用户的第一位置信息，以及用户在第一位置的第一人脸图片。

步骤202：对第一人脸图片进行人脸识别，得到第一人脸识别结果；

步骤203：当用户发生位移后，获取第二人脸图片。

步骤204：对第二人脸图片进行人脸识别，得到第二人脸识别结果。

步骤205：当第二人脸识别结果与第一人脸识别结果匹配时，将第二人脸图片对应的位置信息确定为用户位移后的第二位置信息。

如图5所示，用户在3D空间中的位置变化由6个因素确定，即沿X、Y、Z轴的平移、旋转。考虑到用户沿Z轴方向的平移只需要用户对音量进行调节就可以补偿，另外用户绕Z轴的旋转较少发生，因此本实施例仅以用户在XY平面内的平移为例进行说明，第一位置信息和第二位置信息主要取决于由XY轴构建的二维空间内的人脸追踪。

在具体实现中，可以首先采用电子设备上的摄像头等图像采集装置采集用户在第一位置(初始位置)处的第一人脸图片，然后对第一人脸图片进行人脸识别，例如通过提取第一人脸图片中的面部特征点(五官、五官间距离及轮廓线等)，建立第一人脸的虚拟人脸数据库，并得到第一人脸识别结果，如第一人脸对应的身份信息等。

为了获取用户的第一位置信息，可以以某一面部特征点为坐标原点建立一个二维坐标系，坐标原点可选择鼻尖、两眼角间中心点等受面部表情变化等噪声影响较小的刚性区域，参照图6示出了以鼻尖作为坐标原点的坐标系示意图。Shape index特征可表示每一点领域的凹凸程度，并与坐标系独立。点P的Shape Index值可由它的最大曲率k₁(p)和最小主曲率k₂(p)得到，如

由于鼻尖与双耳(接收可闻声波)位于相近的或者同一水平面上，同时也是面部最突出的区域，因此可通过Shape index值可以确定鼻尖候选区域，另外由于鼻尖位于面部中间位置，以此作为几何约束，可以相对准确地从鼻尖候选区域中确定鼻尖位置，即第一坐标原点o1。用户的第一位置信息可以为第一原点o1的坐标信息，然后利用第一坐标原点o1可以建立一个坐标系P1。

当用户发生位移后，采用摄像头采集第二人脸图片，并对第二人脸图片进行人脸识别，例如通过提取第二人脸图片中的面部特征点，得到第二人脸识别结果，如第二人脸对应的身份信息等。然后对比第二人脸识别结果与第一人脸识别结果，例如可以将第二人脸图片中的面部特征(如面部特征或灰度等级等)在上述虚拟人脸数据库中进行匹配。具体可以通过主成分分析方法(Principal component analysis，PCA)、线性判别分析方法(linear discriminantanalysis，LDA)或Gabor判别分析法(Gabor discriminantanalysis)等算法对第一人脸识别结果和第二人脸识别结果进行匹配计算，当第二人脸对应的身份信息与第一人脸对应的身份信息相同时，即第一人脸识别结果和第二人脸识别结果匹配，则可以将第二人脸图片对应的位置信息确定为第二位置信息。

同理，以第二人脸图片中的鼻尖作为第二原点o2建立新的坐标系P2，将新坐标系P2中的原点位置信息映射到原始坐标系P1中，可以获得第二位置在坐标系P1中的坐标信息，得到第二位置信息。根据第一位置信息和第二位置信息可以确定用户的移动轨迹向量V和移动距离l_v。

本实现方式中，在人像识别和追踪技术下，通过人脸识别锁定发声对象，并实时检测发声对象的位置信息，根据发声对象的实时位置信息确定超声换能器的旋转角度，并控制超声换能器按照旋转角度进行旋转，使其顺着发声对象的动作轨迹移动，实现动态、实时的音频定向发声效果。

在一种可选的实现方式中，参照图3，本实施例提供的定向发声方法还可以包括：

步骤301：获取音频信号和超声载波信号。

步骤302：对音频信号和超声载波信号进行调制，得到载有音频信号的超声频信号。

步骤303：对超声频信号进行功率放大，并发送至超声换能器，以使超声换能器将功率放大后的超声频信号转换为定向传播的超声波，超声波进入空气后能够自解调出可闻声波。

在实际应用中，参照图8，电子设备还可以包括声频信号发生单元、载波信号发生单元、信号处理单元以及功率放大单元等。其中，声频信号发生单元用于产生音频信号，并将音频信号发送至信号处理单元。载波信号发生单元用于产生超声载波信号，并将超声载波信号发送至信号处理单元。

信号处理单元用于对声频信号与超声载波信号进行调制，将音频信号调制到超声载波信号之上，得到载有音频信号的超声频信号。信号处理单元主要是根据空气的非线性作用进行逆向调制，确保载有音频信号的超声频信号经过功率放大单元、超声换能器后能够在空气非线性作用下自解调出可闻声波。

例如可以采用DSP技术，通过算法求解KZK方程的结果以及功率放大器和超声换能器的性能特性为依据，优化调制算法，以超声波自解调后得到的可闻声波失真最小为目标，实现对声频信号与超声载波信号的调制。KZK方程描述了超声波非线性作用，为声频定向提供了非线性超声学理论基础和求解声场的时域起点：

其中：p为声压，co是声速，δ是声音扩散度，β是非线性系数，ρ₀是空气密度，τ＝t-z/c₀是延迟时间，，

是拉普拉斯算子。求解KZK方程可以得到超声声场中的声压分布的两个分量：p₁、p₂，p＝p₁+p₂。其中p₁是超声波线性作用结果，称为一次声压，p₂是超声波非线性作用结果，称为2次声压，求解KZK方程的结果为声频定向扬声系统的信号调制算法提供依据。

信号处理单元将调制得到的载有音频信号的超声频信号发送至功率放大单元进行功率放大，使得放大后的功率符合超声换能器的额定功率，最后由超声换能器将功率放大后的超声频信号转换为定向传播的超声波并有效地辐射到空气中，超声波进入空气后能够自解调出可闻声波。

具体地，当超声换能器受到超声频信号的周期性电场激励时，圆片膜将受迫振动产生超声波(超声频率为f1和f2)向空间辐射，由于空气的非线性声学效应，这些超声波信号会发生交互作用和自解调，进而产生频率为原超声频率f1、f2、原超声频率之和(和频f1+f2)、频率之差(差频f1-f2)的新声波。由信号处理单元在对声频信号与超声载波信号进行调制的过程中设计好差频声波(f1-f2)落在可听声区域。这样，借助超声波本身的高指向性，可以实现声音定向传播的过程。

本实施例提供的定向发声方法的执行主体可以为电子设备的处理器，上述的信号处理单元以及功率放大单元也都可以集成到电子设备的处理器中，这样既有利用节省电子设备空间实现轻薄化，同时方便与电子设备与其他模块间进行信号传递与协调运作。

参照图9示出了一种定向发声方法具体实现方式的步骤流程图。首先通过摄像头拍照，获取第一人像的面部信息并利用人脸识别算法锁定目标用户人像；利用位移前后的照片中人像坐标变化以及距离感应器测出的目标人像距离，获取目标人像的实时位置信息，计算定向发声装置(超声换能器)需要旋转的角度；控制定向发声装置(超声换能器)随着人像的移动而移动，达到动态、实时定向发声的音频输出效果。

参照图10示出了另一种定向发声方法具体实现方式的步骤流程图。首先通过前置摄像头拍照，提取第一人像面部信息(五官、轮廓灯特征)，同时测量目标人像距离移动终端的距离l₁；利用第一人像的脸部特征规律建立模板人脸数据库；摄像头拍照采集第二人像面部信息，通过模板法或特征法与第一人像进行匹配，若匹配则定义为目标用户；计算目标人像相对移动终端产生的位移l_v，同时传感器测量此时人像距离移动终端的距离l₂；计算定向发声装置(超声换能器)追踪目标人像需要旋转的角度，控制定向发声装置(超声换能器)旋转相应的角度，向目标对象定向发声。

本实施例提供的定向发声方法，首先利用人脸识别算法锁定发声对象，再利用用户位移前后的坐标映射获取发声对象的实时位置信息信息，并计算出超声换能器需要旋转的角度，控制超声换能器随着用户移动而移动、达到动态定向发声的音频输出效果。因此电子设备可以实现对发声对象位置信息的实时检测，并根据实时数据控制超声换能器旋转，使其顺着发声对象的动作轨迹移动，实现动态、实时的音频定向发声效果，打破了之前电子设备定向发声方向固定、使用受限的状况，使得用户在使用定向发声系统保护音频隐私的情况下，使用过程中也获得更大程度的定位精准度和移动自由度，这对于电子设备的定向发声用户体验提升方面将有很大程度的突破，同时使得用户在保护个人隐私或工作机密的同时，不对同一空间内的他人产生干扰，很大程度上的减少集体工作与生活的噪声干扰。

本申请另一实施例还提供了一种超声换能器，参照图11，超声换能器包括基体、嵌于基体内的可旋转结构以及设置在可旋转结构表面的振动膜。

本实施例提供的超声换能器适用于上述任一实施例提供的定向发声方法。在定向发声系统中，对超声换能器的频率特性、阻抗特性以及谐波失真率等都有特殊性要求。超声换能器的辐射角以及发声功率等都可以通过结构和材料等进行调整。

其中，可旋转结构例如可以为可旋转球体。

在本实施例中，振动膜可以选择具有强压电性、柔韧性、宽频响、质量轻、易成形并且易与空气声阻抗匹配特性的聚偏氟乙烯PVDF(极化β相晶体)材料。

振动膜的结构形式可以设置为可以为圆片、圆柱或球形等。在实际应用中振动膜可以为圆片膜，圆片膜振动的一阶自然频率可由下式确定：

其中：f₀是膜振动的自然频率，R是振膜的有效半径，T是圆片膜边缘单位长度上的张力，ρc是膜单位面积的平均质量。

图11示出的超声换能器，振动膜为PVDF圆片膜，其覆于一可旋转球形结构的表面，可旋转球形结构嵌于基体中，实现模拟眼球的设计结构，这样在运作过程中可以实现360°旋转的自由度，更能满足电子设备对于旋转自由度的高需求。

当超声换能器受到超声频信号的周期性电场激励时，圆片膜将受迫振动产生超声波(超声频率为f1和f2)向空间辐射，由于空气的非线性声学效应，这些超声波信号会发生交互作用和自解调，进而产生频率为原超声频率f1、f2、原超声频率之和(和频f1+f2)、频率之差(差频f1-f2)的新声波。可以在前端信号调制过程中设计好使得差频声波(f1-f2)落在可听声区域。。样，借助超声波本身的高指向性，可以实现声音定向传播的过程。

本申请另一实施例还提供了一种电子设备，参照图12，该电子设备可以包括：

处理器，被配置为执行指令，以实现如任一实施例所述的定向发声方法；存储器，被配置为存储处理器的可执行指令；

以及如任一实施例所述的超声换能器，被配置为产生定向传播的超声波。

电子设备还包括机身以及设置在机身一侧的摄像头，摄像头用于采集人脸图片(如第一位置的第一人脸图片以及第二位置的第二人脸图片)并发送至处理器。

在一种实现方式中，参照图13，超声换能器可以靠近摄像头设置且与摄像头位于机身的同一侧。

为了避免可闻声波经过障碍物引起的声波损失或噪声的情况，可以将超声换能器设置于电子设备的表面，如本实现方式中将超声换能器置于摄像头旁边，一方面超声换能器距离摄像头距离较近，在距离探测与计算过程中可以忽略超声换能器与摄像头之间的距离，使旋转角度的计算结果更为准确，另一方面，设置在电子设备表面的超声换能器直接面向用户，在启动定向发声模式时可以快速调用，节省响应时间。

在另一种实现方式中，参照图14，超声换能器设置在可隐藏于机身内部的升降结构上。

本实现方式利用升降结构实现定向发声模式下超声换能器的调用，升降结构可以设置在电子设备的机身中，在扬声器模式下超声换能器隐藏于机身中，这种隐藏式结构可以使电子设备具有更大的屏占比，给予屏幕设计更大的自由度。

本实施例提供的电子设备可以包括手机、平板、笔记本等。下面以手机为例进行说明。如图12示出了电子设备的结构示意图，主要包括处理器、射频单元、网络模块、电源、存储器、接口单元、用户输入单元、显示单元、传感器、音频输出单元等。

射频单元主要用来接收、发射射频信号，把基带送过来的低频小功率信号转变成适合在空间传送的高频大功率信号，以及把从天线接收的高频信号转变成为基带能够处理的低频信号，主要包括对接收信号的滤波、信号放大、调制等，以及语音基带信号的调制、变频和功率放大等功能。

处理器是智能手机的核心部件，类似计算机中的中央处理器，它是整台智能手机的控制中枢系统，也是逻辑部分的控制核心。微处理器通过运行存储器内的软件及调用存储器内的数据库，达到对手机整体监控的目的。凡是要处理的数据都要经过CPU来完成，手机各个部分的管理等都离不开微处理器这个司令部的统一、协调指挥。电源是在智能手机系统中承担对电能的变换、分配、检测及其他电能管理职责。同时，还可以对电池充电进行管理和控制。

存储器要用来存储手机的主程序、字库、用户程序、用户数据等，包括有多种：Flash存储器、RAM随机存储器、ROM只读存储器等。RAM随机存储器主要用于存储智能手机运行时的程序和数据，ROM中的数据是由手机制造商事先编好固化在里面的一些程序，使用者不能随意更改，主要用于检查手机系统的配置情况，并提供最基本的输入输出(I/O)程序。Flash存储器断电时仍能保存数据，通常被用来保存设置信息，如用户对手机的设置信息等。

接口单元主要包括USB接口、耳机接口等，可以通过数据线与电脑或充电器连接，或连接耳机。

输入单元主要用于接收来自手机用户输入的字符信息，包括用户设置或功能控制等有关的键信号，主要通过键盘、鼠标、手写笔、功能键等外部输入设备，以及手机终端的触控显示面板。

显示单元主要用来驱动显示屏的电信号进行图像显示，同时识别输入的人工指令，并将指令送至处理器进行处理。当用户通过输入单元进行信号输入时，经由处理器处理过的数据传递至显示单元，进行相应的画面显示变换。

手机的音频输出单元主要处理手机的声音信号，它负责接收和发射音频信号，是实现手机听见对方声音的关键元件。音频输出单元可以包括用于非定向发声模式的传统扬声器，以及用于定向发声模式的超声换能器。

音频处理器对基带信号进行解码、D/A转换等处理后输出音频信号。

手机中传感器主要包括距离传感器、光线传感器、重力传感器、加速度传感器等传感装置。手机中的距离传感器主要用于感知物体距离手机的距离，这样可以感知手机是否被贴在耳朵上讲电话，若是则会进入听筒模式，同时关闭屏幕来防止脸部皮肤接触屏幕误操作。

其中距离传感器对用户的距离感知数据还可以被用于计算目标用户的位置信息，以协助超声换能器对发声对象进行跟踪。距离传感器主要是通过发射能量波束并被物体反射，计算波束发射到被物体反射回来的时间以计算与物体之间的距离。常见的能量波束包括超声波、激光、红外光等。

光线传感器主要是用来控制屏幕亮度的传感器，重力传感器及加速度传感器等都是用来增强用户体验的相关传感装置，此处不再赘述。

本申请另一实施例还提供了一种定向发声装置，应用于电子设备，电子设备包括超声换能器，参照图15，该定向发声装置可以包括：

第一模块1501，被配置为获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；

第二模块1502，被配置为根据所述第一位置信息、所述第二位置信息以及所述超声换能器的位置，确定所述超声换能器的旋转角度；

第三模块1503，被配置为控制所述超能换能器按照所述旋转角度进行旋转，以使旋转后的所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。

在一种可选的实现方式中，第一模块1501具体可以被配置为：

获取用户的第一位置信息，以及所述用户在所述第一位置的第一人脸图片；

对所述第一人脸图片进行人脸识别，得到第一人脸识别结果；

当所述用户发生位移后，获取第二人脸图片；

对所述第二人脸图片进行人脸识别，得到第二人脸识别结果；

当所述第二人脸识别结果与所述第一人脸识别结果匹配时，将所述第二人脸图片对应的位置信息确定为所述用户位移后的第二位置信息。

在一种可选的实现方式中，所述第二模块1502具体可以被配置为：

获取所述第一位置与所述超声换能器的位置之间的第一距离；

获取所述第二位置与所述超声换能器的位置之间的第二距离；

根据所述第一位置信息以及所述第二位置信息，确定所述第一位置与所述第二位置之间的第三距离；

根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离，确定所述超声换能器的旋转角度。

在一种可选的实现方式中，还可以包括：

第四模块，被配置为获取音频信号和超声载波信号；

第五模块，被配置为对所述音频信号和所述超声载波信号进行调制，得到载有所述音频信号的超声频信号；

第六模块，被配置为对所述超声频信号进行功率放大，并发送至所述超声换能器，以使所述超声换能器将功率放大后的所述超声频信号转换为定向传播的超声波，所述超声波进入空气后能够自解调出可闻声波。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

本申请实施例提供了一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备，其中定向发声方法应用于电子设备，该电子设备包括超声换能器，首先获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；根据第一位置信息、第二位置信息以及超声换能器的位置，确定超声换能器的旋转角度；控制超能换能器按照旋转角度进行旋转，以使旋转后的超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。本申请技术方案通过对用户位移前后的位置信息进行实时检测，并控制超能换能器根据用户的实时位置信息而旋转，使得超声换能器发出的超声波始终能够覆盖用户所处的位置，从而可以实现动态、实时的定向发声效果，使得用户在保护个人隐私或工作机密的同时，不对同一空间内的其他人产生干扰，很大程度上的减少集体工作与生活的噪声干扰。

另外，本申请在考虑超声换能器定向发声效果的同时，融合了当前电子设备通用的结构和美观设计，市场及用户接受度较高。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语″包括″、″包含″或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句″包括一个......″限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种定向发声方法、装置、超声换能器及电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种定向发声方法，其特征在于，应用于电子设备，所述电子设备包括超声换能器，所述方法包括：

获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；

根据所述第一位置信息、所述第二位置信息以及所述超声换能器的位置，确定所述超声换能器的旋转角度；

控制所述超能换能器按照所述旋转角度进行旋转，以使旋转后的所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。

2.根据权利要求1所述的定向发声方法，其特征在于，所述获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息的步骤，包括：

获取用户的第一位置信息，以及所述用户在所述第一位置的第一人脸图片；

对所述第一人脸图片进行人脸识别，得到第一人脸识别结果；

当所述用户发生位移后，获取第二人脸图片；

对所述第二人脸图片进行人脸识别，得到第二人脸识别结果；

当所述第二人脸识别结果与所述第一人脸识别结果匹配时，将所述第二人脸图片对应的位置信息确定为所述用户位移后的第二位置信息。

3.根据权利要求1所述的定向发声方法，其特征在于，所述根据所述第一位置信息、所述第二位置信息以及所述超声换能器的位置，确定所述超声换能器的旋转角度的步骤，包括：

获取所述第一位置与所述超声换能器的位置之间的第一距离；

获取所述第二位置与所述超声换能器的位置之间的第二距离；

根据所述第一位置信息以及所述第二位置信息，确定所述第一位置与所述第二位置之间的第三距离；

根据所述第一距离、所述第二距离以及所述第三距离，确定所述超声换能器的旋转角度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的定向发声方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取音频信号和超声载波信号；

对所述音频信号和所述超声载波信号进行调制，得到载有所述音频信号的超声频信号；

对所述超声频信号进行功率放大，并发送至所述超声换能器，以使所述超声换能器将功率放大后的所述超声频信号转换为定向传播的超声波，所述超声波进入空气后能够自解调出可闻声波。

5.一种定向发声装置，其特征在于，应用于电子设备，所述电子设备包括超声换能器，所述装置包括：

第一模块，被配置为获取用户位移前的第一位置信息以及位移后的第二位置信息，其中，所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第一位置；

第二模块，被配置为根据所述第一位置信息、所述第二位置信息以及所述超声换能器的位置，确定所述超声换能器的旋转角度；

第三模块，被配置为控制所述超能换能器按照所述旋转角度进行旋转，以使旋转后的所述超声换能器发出的超声波传播路径覆盖第二位置。

6.一种超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包括基体、嵌于所述基体内的可旋转结构以及设置在所述可旋转结构表面的振动膜。

7.根据权利要求6所述的超声换能器，其特征在于，所述振动膜的材料为聚偏氟乙烯。

8.根据权利要求6或7所述的超声换能器，其特征在于，所述振动膜为圆片膜、圆柱膜或球形膜。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

处理器，被配置为执行指令，以实现如权利要求1至4中任一项所述的定向发声方法；

存储器，被配置为存储所述处理器的可执行指令；

以及如权利要求6至8任一项所述的超声换能器，被配置为产生定向传播的超声波。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备还包括机身以及设置在所述机身一侧的摄像头，所述摄像头用于采集人脸图片并发送至所述处理器；

其中，所述超声换能器靠近所述摄像头设置且与所述摄像头位于所述机身的同一侧；或者，所述超声换能器设置在可隐藏于所述机身内部的升降结构上。

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