CN115002611A - 一种超声波指向性颈戴式音响系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种音响系统，具体地说，涉及一种超声波指向性颈戴式音响系统。其包括硬件装置和终端设备，所述硬件装置内部承载有数据接收模块、头部角度感应模块、数据处理模块和超声波指向性发射装置，其中：所述数据接收模块接收终端设备输出的音频信号；所述头部角度感应模块用于获取使用者头部扭动的角度信息；所述超声波指向性发射装置获取数据处理模块PWM调制过的音频信号，并通过超声波换能阵列以波束成形的方式输出音频信号。本发明中形成的随动声场可以方便地保证运动过程中使用者的音频隐私，并且在不限制使用者头部姿态的情况下使使用者独享个性化的声学环境。

Description

一种超声波指向性颈戴式音响系统

技术领域

本发明涉及一种音响系统，具体地说，涉及一种超声波指向性颈戴式音响系统。

背景技术

超声波频率在人耳的听力范围之外，故超声波不会对人耳传递任何听觉影响。然而超声波在空气中传播具有高指向性与非线性原理，因此将音频信号以幅度调制的方式加载于超声信号之上可以产生高指向性音频波束，所述高指向性音频波束在空气中传播能够自解调后，从而传达所述音频信号。

目前市面上的颈挂式音响虽然已经经过设计，极力避免影响到除使用者以外的人，但是由于全向发声单元的使用，导致目前市面上的颈挂式音响仍会有漏音的现象发生，从而导致使用者的音频隐私泄露。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波指向性颈戴式音响系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种超声波指向性颈戴式音响系统，包括硬件装置和终端设备，所述硬件装置内部承载有数据接收模块、头部角度感应模块、数据处理模块和超声波指向性发射装置，其中：

所述数据接收模块形成硬件装置的输入端与终端设备输出端连接，以接收终端设备输出的音频信号；

所述头部角度感应模块用于获取使用者头部扭动的角度信息；

所述数据处理模块输入端与数据接收模块和头部角度感应模块连接，所述数据处理模块用于获取数据接收模块获得的音频信号以及头部角度感应模块获得的使用者头部扭动的角度信息，并根据所述头部角度信息计算声学波束成形所需参数；

所述超声波指向性发射装置输入端与数据处理模块输出端连接，用于获取数据处理模块PWM调制过的音频信号，并通过超声波换能阵列以波束成形的方式输出音频信号，且音频信号输出方向在所述角度信息形成的参数调整下始终朝向使用者的耳朵。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明所提供的超声波指向性颈戴式音响系统中，形成的随动声场可以方便地保证运动过程中使用者的音频隐私，并且在不限制使用者头部姿态的情况下使使用者独享个性化的声学环境；

而且配合人工智能与数字信号处理的方法生成一种可以跟随使用者的具有极强指向性的声场，该声场在保证使用者的电话、语音信息隐私的前提下，也不会对使用者之外的人群产生影响。

2.本发明所提供的超声波指向性颈戴式音响系统中，陀螺仪检测的角度变化数据输入至人工神经网络，在肩部角度下倾超过10-20度时以及颈部扭转角度超过30-55度时，人工神经网络的输出端控制位于扭转侧的超声波指向性发射装置的声音降低，以便于驾驶员进行沟通，还能降低声音对驾驶员的干扰。

3.本发明所提供的超声波指向性颈戴式音响系统中，通过人工神经网络控制超声波指向性发射装置改变发射超声波的角度，而且跑步过程中颈戴圈角度变化频率往往是固定的，所以可以直接通过人工神经网络计算出该规律，直接控制超声波指向性发射装置成规律性发出对应角度的超声波，这样会更加的高效，超声波指向性也会更加精准。

附图说明

图1为本发明整体模块装置示意图；

图2为本发明数据处理模块结构示意图；

图3为本发明数字信号采集模块电路原理示意图；

图4为本发明中信号发送和接收电路原理示意图；

图5为本发明中滤波器电路原理示意图；

图6为本发明中编码模块原理示意图；

图7为本发明中超声波驱动芯片内部电路示意图；

图8为本发明中有声区、无声区形成示意图；

图9为本发明中硬件装置结构示意图。

图中各个标号意义为：

100、颈戴圈；100a、肩部状态检测区；100b、颈部状态检测区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种超声波指向性颈戴式音响系统，如图1所示，该音响系统包括硬件装置和终端设备，终端设备与硬件装置双向连接，而硬件装置内部承载有数据接收模块、头部角度感应模块、数据处理模块、超声波指向性发射装置和语音接收装置，其中：

数据接收模块形成硬件装置的输入端与终端设备输出端连接，以接收终端设备输出的音频信号，这里数据接收模块的数据接收形式为有线连接方式或者无线连接方式；

头部角度感应模块用于获取使用者头部扭动的角度信息，头部角度感应模块对头部扭动角度信息的获取可使用陀螺仪感应肩颈部肌肉起伏，或使用面向使用者头部的声学、光学雷达进行直接测量；

语音接收装置形成硬件装置的输出端与终端设备输入端连接，用以接收使用者的说话信息，并将说话信息反馈至终端设备，常见的使用方式就是接收使用者接打电话或者回复信息的说话信息，在终端设备允许的情况下，可以利用说话信息配合终端设备完成一些指令的控制，例如：语音切歌、语音拨打电话等等；

上述的数据接收模块和头部角度感应模块的输出端均与数据处理模块输入端相连，数据处理模块用于获取数据接收模块获得的音频信号以及头部角度感应模块获得的使用者头部扭动的角度信息，并根据头部角度信息计算声学波束成形所需参数；

超声波指向性发射装置输入端与数据处理模块输出端连接，用于获取数据处理模块PWM调制过的音频信号，并通过超声波换能阵列以波束成形的方式输出音频信号，且音频信号输出方向在角度信息形成的参数调整下始终朝向使用者的耳朵，请参阅图8所示，在使用者耳朵和超声波指向性发射装置之间形成有声区，其余空间内均为无声区，从而形成随动声场。

需要说明的是，硬件装置形状可塑，从而为使用者提供最佳使用状态，图8中，佩戴于人体颈部具有开口的弧状结构为硬件装置，其开口供硬件装置套在颈部外，再利用肩部以及脊椎对硬件装置进行支撑，而且形状可塑的硬件装置能够调节开口的开度大小，以适应颈部粗细不同的使用者佩戴，保证硬件装置能够为使用者提供最佳使用状态。

进一步说明的是，终端设备为智能手机、平板电脑或者PC机。

本实施例中数据处理模块依据声学波束成形参数对获得的音频信号进行数字信号处理，并对数字信号处理过的音频信号进行PWM调制，将数字信号处理过的音频信号调制在40KHz的方波之上。

具体的如图2所示，数据处理模块包括滤波器、压缩模块、数字信号编码模块、信号调整模块和数据信号输出模块，滤波器的输出端与压缩模块的输入端连接，压缩模块的输出端与数据信号编码模块的输入端连接，数据信号编码模块的输出端与信号调整模块的输入端连接，信号调整模块的输出端与数据信息输出模块的输入端连接，其中：

滤波器用于滤除数据信息，压缩模块在滤波器滤除数据信息后将数字信号空间压缩，然后数字信号编码模块对超声波指向发声数据信息（也就是上述的音频信号）进行编码，编码的依据是波束成形的参数，编码后，信号调整模块利用PWM调制超声波指向发声数据信息，最后通过数据信息输出模块将调制后的超声波指向发声数据信息向超声波指向性发射装置输出。

如图3-图7所示，本实施例中超声波指向性发射装置内承载有数字信号采集模块，数字信号采集模块用于采集数据信息输出模块输出的超声波指向发声数据信息，数字信号采集模块包括4通道TMS320DM8168芯片、A/D转换模块、TMS320VC5402芯片和信号发送和接收单元，其中4通道TMS320DM8168芯片的输出端与A/D转换模块的输入端连接，TMS320VC5402芯片与A/D转换模块和信号发送和接收单元连接；

在具体使用时，TMS320DM8168是一款浮点DSP C674x+ARM Cortex-A8高性能多媒体处理器，该芯片采用的CPU为TI TMS320DM8168，浮点DSP C674x+ ARM Cortex-A8；主频：930MHz（DSP）+1.1GHz（ARM），ROM为1GByte NAND FLASH，RAM为1G/2GByteDDR3，加密芯片为1x ATAES132A-SHER；

主控芯片TMS320VC5402 内部集成了多个处理核，包括ARM子系统、DSP处理子系统、编解码子系统等，ARM子系统要负责对其他外围电路的配置和控制，DSP处理子系统负责对音频数据信息进行压缩编码、滤波和格式转换等工作，DSP处理子系统负责多媒体数据的管理工作；

此外，超声波指向性发射装置的超声波驱动由图7中的超声波驱动芯片L298N进行驱动，具体原理如下：

超声波驱动芯片集成了两个功率输出级(A；B)，功率输出级为桥式配置，其输出可根据输入状态驱动共模式或差分模式的电感负载；流过负载的电流在感应输出处从电桥流出，一个外部电阻(RSA；RSB)可以检测电流的强度，其中：每个桥由四个栅极驱动，其输入为In1、EnA和In4、EnB；当En输入高时，In输入设置桥接状态；En输入的低状态会抑制桥接，且所有输入都是TTL兼容的，在此原理下每个桥的栅极都与超声波指向性发射装置的超声波发射器连接在一起，以在高电压、大电流的驱动下形成稳定的超声波。

数字信号采集模块采用多路多媒体复用可同时对四路模拟多媒体信号转换为数字多媒体信号，将采集到的音频数据信息通过AD转换器，将采集到的音频数据信息转换为数字化数据信息，再经过定标器处理制定音频信号的格式，然后在TMS320VC5402 芯片处理下，将数字多媒体格式发送到信号发送和接收单元。数字信号采集模块支持16路数字音频多媒体或者音频数据信息的输入，可接收ITU-R BT.656和BT.1120格式两种格式的数字多媒体或者音频信号。通过解码器输入端输入的多路多媒体信号数字化后复用在一路输出，提高主控芯片VP口的利用率。

超声波指向性发射装置在发送过程中，经过音频信号的调制、滤波放大和阻抗匹配处理，必要的话要对音频数据信息进行衰减或者耦合处理，将输出的数据信息送到模块中的滤波器后经过增益控制电路再进入信息调制模块，在这一过程中滤除掉信号中的高频噪声，并将信号调节到合适的电压范围，最终恢复到原始的发送数据，传输到主控单元中进行处理。其中调制解调模块使用了双核架构的载波通信芯片SM2400，具有N-PLC优化的DSP和数据32位控制器。发动后的数据信息通过音频数据信息接收模块接收使用。

如图5所示，滤波器包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、三极管q1、三极管q2、三极管q3、三极管q4、二极管d1、二极管d2和芯片u，其中，电阻r1的第一端连接于信号输入端vi，电阻r1的第二端连接于电容c1的第一端，电容c1的第二端连接于二极管d1的p极和电阻r2的第一端，二极管d1的n极连接于电源端vcc，电阻r2的第二端连接于三极管q1的集电极，三极管q1的基极连接于信号输入端vi，三极管q1的发射极连接于电容c2的第一端，电容c2的第二端连接于三极管q2的基极，三极管q2的集电极连接于芯片u的引脚2和电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接于二极管d1的n极和芯片u的引脚1，三极管q2的发射极连接于电阻r4的第一端，电阻r4的第二端连接于芯片u的引脚3和接地端gnd，二极管d2的p极连接于芯片u的引脚6，二极管d2的n极连接于电阻r5的第一端，电阻r5的第二端连接于三极管q4的发射极，三极管q4的基极连接于芯片u的引脚5，三极管q4的集电极连接于电容c3的第一端、电容c4的第一端和信号输出端vo，电容c3的第二端连接于三极管q3的集电极，三极管q3的基极连接于芯片u的引脚4，三极管q3的发射极连接于电阻r6的第一端，电阻r6的第二端连接于电容c4的第二端和接地端gnd。

值得说明的是，压缩模块为32个子带频域信号组合模块。

此外，通过听觉滤波器，纯音信号通过该滤波器，而噪声信号只有通带范围内的部分信号能通过，通带以外的频率成分则被抑制，只有通过该滤波器的噪声才对掩蔽起作用。聆听复音时启动多个听觉滤波器。听觉能够计算各滤波器输出端的信噪比。当信噪比达到或者超过听阈因子时，即可听到该频率成分。

压缩模块在工作过程中，通常认为20Hz到16kHz有25个临界频带，该数据信息具有一定带宽的连续噪声所掩蔽时，如果该纯音刚好被听到时的功率等于这一频带内的噪声功率，这个带宽为临界频带宽度。对各个子带每12个样点进行一次比例因子计算。先定出12个样点中绝对值的最大值。查比例因子表中比这个最大值大的 最小值作为比例因子。用6比特表示。以12个样本为一组，每组样本经过时间-频率变换 之后进行一次比特分配并记录一个比例因子，一组音频样本数据信息进行压缩。

除此之外，数字信号编码模块包括DSP处理模块和与DSP处理模块连接的四路音频信号调理电路、数字发送电路、LCD液晶显示屏和隔离模块。通过进行数字信号编码，大大提高了压缩效率，提高了信噪比，压缩后的音频数据不易失真。

进一步的，信号调整模块包括CA3140运放放大电路。运放是运算放大器的简称。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，该模块能够将音频分成2路信息。

在上述实施方式的基础上还有如下实施方式：

如图9所示，硬件装置包括一侧具有开口的颈戴圈100，且颈戴圈100为柔性材质（例如：硅胶材质），使用时通过开口将颈戴圈100佩戴在使用人员的颈部周围，并利用肩部对颈戴圈100进行支撑，另外，佩戴后颈戴圈100与颈部贴合的一侧设置有颈部状态检测区100b，对应肩部的位置设置有肩部状态检测区100a，并在肩部状态检测区100a和颈部状态检测区100b上搭载陀螺仪，以通过肩部状态检测区100a上的陀螺仪获取肩部的一个角度变化，通过颈部状态检测区100b上的陀螺仪获取颈部的一个角度变化，同时生成肩部角度变化数据和颈部角度变化数据。

接着将肩部角度变化数据和颈部角度变化数据视为回归问题，然后借助人工神经网络对超声波指向性发射装置进行控制，其中：肩部角度变化数据和颈部角度变化数据作为输入端输入至人工神经网络，人工神经网络的输出端用于对超声波指向性发射装置进行控制，具体控制场景如下：

场景1、驾驶员需要与副驾上的人员进行沟通时，驾驶员的肩部以及头部会在不影响驾驶的情况下轻微的向副驾上的人员偏移，此时肩部状态检测区100a和颈部状态检测区100b上搭载的陀螺仪都能够检测到颈部和肩部的角度变化，形成相应的肩部角度变化数据和颈部角度变化数据，然后肩部角度变化数据和颈部角度变化数据输入至人工神经网络，在肩部角度下倾超过10-20度时以及颈部扭转角度超过30-55度时，人工神经网络的输出端控制位于扭转侧的超声波指向性发射装置的声音降低，以便于驾驶员进行沟通；

在场景1的基础上延伸出场景2，因为头部扭转还有可能是看后视镜，看后视镜大多都是需要转向的，这时候需要一个精神集中的状态，所以也可以适当降低扭转侧超声波指向性发射装置的声音，以降低声音对驾驶员的干扰；

场景3、颈戴圈100还可以在使用人员跑步时使用，但是颈戴圈100是被肩部支撑的，所以在跑步过程中肩部的摆动和颈部的扭动都会影响超声波指向性发射装置发射超声波的方向，而这个方向变化频率是非常快的，所以只通过头部角度感应模块很难及时作出调整，所以利用肩部状态检测区100a和颈部状态检测区100b上搭载的陀螺仪检测出颈戴圈100的角度变化数据，然后输入至人工神经网络，通过人工神经网络控制超声波指向性发射装置改变发射超声波的角度，而且跑步过程中颈戴圈100角度变化频率往往是固定的，所以可以直接通过人工神经网络计算出该规律，直接控制超声波指向性发射装置成规律性发出对应角度的超声波，这样会更加的高效，超声波指向性也会更加精准。

需要说明的是，在佩戴颈戴圈100时，人工神经网络会对颈戴圈100的初始角度进行重置，这样陀螺仪检测的角度变化是以重置的初始角度计算的，从而降低角度计算的误差。

进一步说明的是，在场景3中人工神经网络对陀螺仪检测出的角度变化按照规律反向调整超声波指向性发射装置的发射角度即可。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种超声波指向性颈戴式音响系统，包括硬件装置和终端设备，其特征在于：所述硬件装置内部承载有数据接收模块、头部角度感应模块、数据处理模块和超声波指向性发射装置，其中：

所述数据接收模块形成硬件装置的输入端与终端设备输出端连接，以接收终端设备输出的音频信号；

所述头部角度感应模块用于获取使用者头部扭动的角度信息；

所述数据处理模块输入端与数据接收模块和头部角度感应模块连接，所述数据处理模块用于获取数据接收模块获得的音频信号以及头部角度感应模块获得的使用者头部扭动的角度信息，并根据所述头部角度信息计算声学波束成形所需参数；

所述超声波指向性发射装置输入端与数据处理模块输出端连接，用于获取数据处理模块PWM调制过的音频信号，并通过超声波换能阵列以波束成形的方式输出音频信号，且音频信号输出方向在所述角度信息形成的参数调整下始终朝向使用者的耳朵。

2.根据权利要求1所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述数据接收模块的数据接收形式为有线连接方式或者无线连接方式。

3.根据权利要求1所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述硬件装置为形状可塑且具有开口的弧状结构。

4.根据权利要求1所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述终端设备包括智能手机、平板电脑或者PC机。

5.根据权利要求1所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述数据处理模块包括滤波器、压缩模块、数字信号编码模块、信号调整模块和数据信号输出模块，所述滤波器的输出端与压缩模块的输入端连接，所述压缩模块的输出端与数据信号编码模块的输入端连接，所述数据信号编码模块的输出端与信号调整模块的输入端连接，所述信号调整模块的输出端与数据信息输出模块的输入端连接，其中：

滤波器用于滤除数据信息，压缩模块在滤波器滤除数据信息后将数字信号空间压缩，然后数字信号编码模块对音频信号进行编码，编码后，信号调整模块利用PWM调制音频信号，最后通过数据信息输出模块将调制后的音频信号向超声波指向性发射装置输出。

6.根据权利要求1所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述滤波器包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、三极管q1、三极管q2、三极管q3、三极管q4、二极管d1、二极管d2和芯片u，其中，所述电阻r1的第一端连接于信号输入端vi，所述电阻r1的第二端连接于所述电容c1的第一端，所述电容c1的第二端连接于所述二极管d1的p极和所述电阻r2的第一端，所述二极管d1的n极连接于电源端vcc，所述电阻r2的第二端连接于所述三极管q1的集电极，所述三极管q1的基极连接于所述信号输入端vi，所述三极管q1的发射极连接于所述电容c2的第一端，所述电容c2的第二端连接于所述三极管q2的基极，所述三极管q2的集电极连接于所述芯片u的引脚2和所述电阻r3的第一端，所述电阻r3的第二端连接于所述二极管d1的n极和所述芯片u的引脚1，所述三极管q2的发射极连接于所述电阻r4的第一端，所述电阻r4的第二端连接于所述芯片u的引脚3和接地端gnd，所述二极管d2的p极连接于所述芯片u的引脚6，所述二极管d2的n极连接于所述电阻r5的第一端，所述电阻r5的第二端连接于所述三极管q4的发射极，所述三极管q4的基极连接于所述芯片u的引脚5，所述三极管q4的集电极连接于所述电容c3的第一端、所述电容c4的第一端和信号输出端vo，所述电容c3的第二端连接于所述三极管q3的集电极，所述三极管q3的基极连接于所述芯片u的引脚4，所述三极管q3的发射极连接于所述电阻r6的第一端，所述电阻r6的第二端连接于所述电容c4的第二端和接地端gnd。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述硬件装置内部还承载有语音接收装置，所述语音接收装置形成硬件装置的输出端与终端设备输入端连接，用以接收使用者的说话信息，并将说话信息反馈至终端设备。

8.根据权利要求7所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述硬件装置包括一侧具有开口的颈戴圈（100），使用时通过开口将所述颈戴圈（100）佩戴在使用人员的颈部周围，并利用肩部对颈戴圈（100）进行支撑，另外，佩戴后所述颈戴圈（100）与颈部贴合的一侧设置有颈部状态检测区（100b），对应肩部的位置设置有肩部状态检测区（100a），并在所述肩部状态检测区（100a）和颈部状态检测区（100b）上搭载陀螺仪，以通过陀螺仪完成角度数据的检测；

所述颈戴圈（100）内搭载有人工神经网络，角度数据作为输入端输入至人工神经网络，并通过人工神经网络的输出端对超声波指向性发射装置进行控制。

9.根据权利要求8所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述人工神经网络的输出端对超声波指向性发射装置的控制包括：发出声音的控制以及发射角度的控制。

10.根据权利要求8所述的超声波指向性颈戴式音响系统，其特征在于：所述颈戴圈（100）为柔性材质。

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