CN111818422B - 基于参量阵原理的定点声波发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参量阵原理的定点声波发射装置，属于定向声波发射技术领域。为了解决现有参量阵扬声器只能定向传输却不都能限定声场长度的技术问题，以及进一步提高对参量阵扬声器所形成声场的集中位置的控制程度，本发明提出了一种可限定声场长度的定点声波发射装置。本发明通过将所采集音频信号以额外的不同的载波频率来反相调制并发射来限定主调制信号所形成声场长度，实现了限定参量阵扬声器所发射声波的长度的功能。在参量阵扬声器具有高指向性的基础上进一步限定了其形成声场的空间位置。同时，也为声音的保密传输、有源噪声控制等领域提供了更为准确有效的声场形成方法。

Description

基于参量阵原理的定点声波发射装置

技术领域

本发明属于定向声波发射技术领域，具体涉及基于参量阵原理的定点声波发射装置。

背景技术

参量阵扬声器是现代一种用于限定声场范围的声场形成技术。参量阵扬声器主要由信号采集模块、信号处理模块和超声换能器阵列组成。其工作方式是通过信号采集器对需要发射的音频信号进行采集并将之转换为数字信号传递至信号处理器。再由信号处理器对齐进行调制、数模转换或脉冲密度调制和功率放大等过程将信号输出至超声换能器阵列。已调制至超声频段的信号经超声换能器阵列发射至空气或其他非线性介质中，经由介质的非线性作用，因介质中会存在包括被信号采集器采集的原始音频信号，从而被人耳所感知。

参量阵扬声器区别于普通扬声器阵列的地方在于，其具有非常高的指向性以及更小的尺寸。利用参量阵扬声器可以在更多的场景中实现声音的定向传输，从而减小了声音对非指定方向位置的人的影响或者提高了保密性。但目前的参量阵扬声器仅仅实现了定向传播，所发射声音可以避免被非指定方向的人接收，但对于指定方向的或处于声波反射方向的非期望的声音接收者仍然会听到该系统所发射的声波，成为了定向声波发射技术实用化过程中必须要解决的难题。

发明内容

本发明的发明目的在于：为了解决现有参量阵扬声器只能定向传输却不都能限定声场长度的技术问题，提出了一种基于参量阵原理的定点声波发射装置。本发明的定点声波发射装置将所采集音频信号通过两个或两个以上不同载波频率调制并发射来实现限定声场长度的目的。

本发明的基于参量阵原理的定点声波发射装置，包括信号采集模块，数据处理模块和参量阵扬声器组合；

其中，信号采集模块置于定点声波发射装置的最前端，可采用多种方式实现，可以利用常用的ADC(模拟数字转换器)芯片，ADC内外设置均可，用于对输入的音频信号进行采集并将之转换为数字信号，而后将数字信号传递至信号处理模块；

所述信号处理模块用于对音频信号进行处理，使之成为能够驱动后级的参量阵扬声器组合的调制信号，且该调制信号经过参量阵扬声器发射后可以在空气等介质的非线性作用下还原出音频信号；

所述信号处理模块包括至少一种调制方式，信号处理模块基于其中一种调制方式将音频信号调制至超声频段，且音频信号被包含在调制信号所具有的信号分量的差频信号中；

所述信号处理模块对音频信号进行调制处理时，使用至少两个不同的超声频率作为载波频率，分别对音频信号进行调制，产生至少两个不同载波频率的调制信号；定义N(N>＝2)表示载波频率数，将多个超声频率表示为：s1,s2,...sN，则对应的调制信号为：f1,f2,...fN。

其中，用其中一个辅调制信号(次调信号)sB(B∈[1,N])或多个调制信号产生的声波来限制另一个主调制信号sA(A∈[1,N])产生的声波的长度，两者载波频率满足fB<fA，辅调制信号sB所形成声场强度在指定声场长度以内小于主调制信号sA所形成声场强度，在指定声场长度以外与主调制信号sA所形成声场强度相等；

其中，所述辅调制信号sB所调制的音频信号与主调制信号sA所调制音频信号相位相反，从而使得在指定声场长度以内主调制信号sA所形成声场被削弱10dB，在指定声场长度以外主调制信号sA所形成声场强度被大幅度削弱甚至完全抵消，从而将主调制信号sA经空气非线性作用产生的声场限定在指定长度以内；

进一步的，所述信号处理模块包括DAC(数字模拟转换器)或脉冲密度调制器，其中DAC用于对音频信号进行数字信号到模拟信号的转换；脉冲密度调制器对音频信号通过脉冲密度调制进行噪声整形后利用数字IO输出；

进一步的，所述信号处理模块包括功率放大电路，用于对DAC或数字IO输出的信号进行功率放大，以驱动后级的参量阵扬声器组合；

所述参量阵扬声器组合，包括以至少两种不同超声频率为中心频率的超声换能器阵列，每个超声换能器阵列均以同一型号超声换能器为组成单元；

其中，超声环能器阵列的中心频率均对应于信号处理模块中对音频信号进行调制处理时所采用的载波频率，信号处理模块输出的每个调制信号分别传递至中心频率等于其载波频率的超声换能器阵列中，通过该超声换能器阵列将输入的调制信号(主调制信号)发射至空气中，经由传输介质的非线性作用而产生音频信号波束，在指定距离位置被其它中心频率的超声换能器阵列所发射的调制信号(次调制信号)经由非线性作用而产生的音频信号削弱或增强，以此对产生的音频波束的长度和/或位置进行限定。即，经由其非线性作用以及次调制信号对主调制信号的限定长度以外的削弱，最终形成限定长度的声场。

进一步的，所述非线性介质为空气和/或水。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的定点声波发射装置通过将单一载波频率的参量阵扬声器系统改进为多载波频率的参量阵扬声器系统，本发明通过其中的辅调制信号来削弱主调制信号的长度的方法，实现了限定参量阵扬声器所发射声波的长度的技术效果。在参量阵扬声器具有高指向性的基础上进一步限定了其形成声场的空间位置。同时，也为声音的保密传输、有源噪声控制等领域提供了更为准确有效的声场形成方法。

附图说明

图1是一种参量阵原理的定点声波发射装置的结构框图；

图2是40kHz中心频率的参量阵扬声器声场仿真结果图；

图3是90kHz中心频率的参量阵扬声器声场仿真结果图；

图4是本实例中两调制信号所产生声场叠加后的仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本发明针对现有参量阵扬声器只能定向传输却不都能限定声场长度的技术问题，提出了一种可限定声场长度的定点声波发射装置，并且本发明还能进一步提升对参量阵扬声器所形成声场的集中位置的控制程度。本发明通过两个不同载波频率的调制信号与相应中心频率的超声换能器阵列在指定距离声场相互抵消的方式，达到对参量阵扬声器所形成声场长度的限制效果。从而使得本发明在参量阵扬声器具有高指向性的基础上进一步限定了其形成声场的空间位置。同时，也为声音的保密传输、有源噪声控制等领域提供了更为准确有效的声场形成方法。

如图1所示，本实施例的定点声波发射装置包括信号采集模块、信号处理模块和超声换能器阵列构成的参量阵扬声器组合(即不同中心频率的换能器组合)。

其中，信号处理模块包括双边带调制(DSB)器、脉冲密度调制器和功率放大电路；

其中，双边带调制器和脉冲密度调制器对音频信号的调制处理在数字域中完成，本实例数字域中还包括升采样和数字滤波，信号处理模块的其余处理部分在模拟域完成。

各模块间具体实现关系为：

信号采集模块采用精密ADC芯片实现，以200kHz的采样频率对输入的音频信号进行采样，从而在很大程度上保证了信号的原始信息。采样后将电压转换为16bit的数字信号，将信号传递至信号处理模块的双边带调制器进行双边带调制(DSB)。

在信号处理模块中，为了防止调制后信号的频谱混叠以及达到脉冲密度调制所需的采样频率，先对输入的1路数字信号进行升采样，升采样倍数可根据脉冲密度调制需要与整体结构而定，本实施例中为7倍升采样。升采样后需要配合低通数字滤波器以滤除由升采样带来的额外信号分量。得到滤波的数字信号后将之分为两路，分别与40kHz和90kHz的载波数字信号相乘，形成两路双边带调制信号。

其中，在确定了两路双边带调制信号后，便可以通过以下公式对本发明的定点声波发射装置所形成声场沿垂直于发射面的方向上的声压级-距离曲线进行预测：

其中，p_d表示初始源强度密度，β为非线性系数，S₀为波源面积，ρ₀为空气密度，c₀为空气中的声速，P为初始声压，α为衰减系数，E(t)为调制信号的包络函数，z′为观测点的坐标，各参数(E(t)、P与α等)的下标1和2分别对应两路调制(AM)信号，

z为轴坐标。E₁(t)＝(1+m₁x(t))，E₂(t)＝(1-m₂x(t))，x(t)为输入信号，根据限定声场的距离，两路AM信号的幅度m₁和m₂可根据公式进行调整，调制公式具体为：

接着分别对两路AM信号进行脉冲密度调制，将信号转换成为包含完整调制信号分量的1bit信号，然后分别从数字芯片的单个IO口进行输出。脉冲密度调制是一种1bit量化的噪声整形算法，其包含多种噪声整形结构，根据所调制信号的频段进行选择设计即可，本发明不做具体限定。

对于经过脉冲密度调制的数字芯片IO口直接输出的1bit输出信号，其功率无法驱动较大型超声换能器阵列，可以通过功率放大器进行电压与功率的放大。在本实施例中通过功率放大器将信号放大至大约10Vpp，功率最大可达30W以上，以驱动后级超声换能器阵列组合。

超声换能器阵列组合的布局方式可根据实际需求自行设计，超声换能器阵列组合只需满足共轴条件即可。

为了更准确的对本实例中信号传递及变化过程进行说明，以输入音频信号s0为例，本发明的定点声波发射装置的信号传递及变化过程具体为：。

输入音频信号s0经信号采集模块以200kHz采样频率进行采集，得到16bit的数字信号。该数字信号进入信号处理模块，先经过7倍升采样与相应的数字滤波，得到采样率为1.4MHz的数字音频信号s1。此时将s1分为两路分别添加偏移量后与40kHz和90kHz数字载波信号进行相乘运算，其中与90kHz得相乘前对音频信号做反相处理，进而得到两路双边带调制信号s2和s3，分别对应40kHz载波频率和90kHz载波频率。接着对两路调制信号分别进行脉冲密度调制，分别得到1bit信号s21和s31。两路信号再通过功率放大器得到电压与功率的放大，由于功率放大器的频谱特性，经过功放的信号成分主要为s21中的s2和s31中的s3，从而分别驱动后级的以40kHz为中心频率的超声换能器阵列和以90kHz为中心频率的超声换能器阵列。在s2和s3以一定功率被发射到空气中后，由于空气的非线性作用，被调制在s2和s3中的音频信号会得到一定程度的解调从而还原在空气中。再由于s2的载波频率低于s3的载波频率使得其声压-距离曲线可在远处与s3接近重合而近处明显弱于s3，如图2和图3所示，同时由于两者中音频信号相位相反，在空气中累加后其声波便可以很大程度的削弱s3在较远处的声场而对近处声场削弱较小。从而达到了对参量阵扬声器的声场长度限制的效果，如图4所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，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；所公开的所有特征、或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，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.基于参量阵原理的定点声波发射装置，其特征在于，包括信号采集模块，信号处理模块和参量阵扬声器组合；

其中，所述信号采集模块以200kHz的采样频率对待发射的音频信号进行采样，并对采样信号进行数模转换，得到16bit的数字信号再传递至信号处理模块；

所述信号处理模块包括双边带调制器、脉冲密度调制器和功率放大电路，信号处理器以两个不同的超声频率作为载波频率，对输入的音频信号进行载波调制处理，得到两个调制信号：在信号处理模块中，对输入的数字信号进行升采样后进行低通数字滤波，得到滤波的数字信号，再将滤波的数字信号分为两路并分别与两路载波数字信号相乘，形成两路双边带调制信号，其中，两路双边带调制信号的幅度的调制公式为：

m₁，m₂分别表示两路双边带调制信号的幅度，α₁，α₂分别表示两路双边带调制信号的衰减系数，P₁，P₂分别表示两路双边带调制信号的初始声压，z′表示观测点的坐标；分别对两路双边带调制信号进行脉冲密度调制，将信号转换成为包含完整调制信号分量的1bit信号；

并将各调制信号经功率放大电路传递至参量阵扬声器组合；各调制信号经参量阵扬声器组合进行发射后能在非线性介质作用下还原出音频信号；所述两个调制信号中，将其中一个定义为主调制信号，另一个调制信号为辅调制信号，且主调制信号与辅调制信号的相位相反，主调制信号的载波频率大于辅调制信号的载波频率；

所述参量阵扬声器组合，包括两个超声换能器阵列，每个超声换能器阵列分别输入一个调制信号，且超声换能器阵列的中心频率与输入的调制信号的载波频率相等。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个超声换能器阵列均以同一型号超声换能器为组成单元。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，参量阵扬声器组合中，超声换能器阵列共轴。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非线性介质为空气和/或水。

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