CN116744195B - 一种参量阵扬声器及其指向性偏转方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种参量阵扬声器及其指向性偏转方法，所述参量阵扬声器包括超声换能器阵列及与超声换能器阵列相连的延时和相位调整单元，超声换能器阵列包括多组发声通道，延时和相位调整单元用于调整每组发声通道的延时和相位，使得每组发声通道发射出的子波束的偏转角度及相位均相同，且多个子波束合并形成一个波束发射出。本发明通过将参量阵扬声器分组且通过对每组发声通道的延时和相位调整，将每组发声通道发出的波束的偏转角调整为一致，使参量阵扬声器在实现良好的指向性偏转效果的同时，保持辐射出的声波的指向性稳定。

Description

一种参量阵扬声器及其指向性偏转方法

技术领域

本发明涉及参量阵扬声器技术领域，具体涉及一种能实现指向性偏转的同时又能保持指向性稳定的参量阵扬声器及其指向性偏转方法。

背景技术

与传统扬声器的原理不同，参量阵扬声器是一种能够将音频信号定向发射的扬声器。

如图1所示，常规参量阵扬声器的发声原理是：由有限振幅超声（超声波频率分别为f1和f2）通过空气非线性自解调从而产生差频可听声（频率为f1-f2）。两种频率（频率f1和f2）的超声波在向前发射过程中，会解调出不同频段的超声波束，且两种频率具有累积效应。如图2所示，累积形成的频率为f1-f2的虚拟差频可听声的声源形成一个类似端射阵扬声器，从而实现高指向性的差频可听声波束，以及超长的差频可听声传播距离。

现有为了实现参量阵扬声器的声场指向性偏转，参量阵扬声器通常会采用具有多个通道的超声换能器阵列，通过调整各通道的延时和相位，使得参量阵扬声器发出的超声波发生偏转和聚焦，以使得声束向接收者定向发射，如图3所示。

但是，如图4所示，为上述参量阵扬声器聚焦且指向性向右偏转20°的声场分布仿真图，由该图可以看出，现有这种采用聚焦来偏转指向性的方式，会导致声波在聚焦点处指向性收窄，而过了聚焦点之后，指向性会变宽。这就使得接收者只有在聚焦点处指向性和听感最好，若偏离聚焦点，听感就会受到影响。

因此，如何设计一种能实现指向性偏转的同时又能保持指向性稳定的参量阵扬声器，是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现指向性偏转的同时又能保持指向性稳定的参量阵扬声器及其指向性偏转方法。

为实现上述目的，一方面，本发明提出了一种参量阵扬声器，包括超声换能器阵列及与所述超声换能器阵列相连的延时和相位调整单元，所述超声换能器阵列包括多组发声通道，所述延时和相位调整单元用于调整每组所述发声通道的延时和相位，使得每组发声通道发射出的子波束的偏转角度及相位均相同，且多个所述子波束合并形成一个波束发射出。

在一优选实施例中，所述超声换能器阵列由多个按阵列排布的超声换能器组成；每个所述超声换能器形成一个所述发声通道，每组所述发声通道输入一个驱动信号；或者所述超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列，每组所述超声换能器子阵列包括多个所述超声换能器且每组所述超声换能器子阵列形成一个所述发声通道。

在一优选实施例中，所述超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列时，每组所述超声换能器子阵列所具有的超声换能器的数量相同，均为N，N为大于等于2的整数，且每组超声换能器子阵列的第i个超声换能器组合形成一个驱动通道，i=1、2……N，每个所述驱动通道共用一个驱动信号。

在一优选实施例中，相邻两个超声换能器之间的间隙小于等于超声波波长的两倍，所述间隙为相邻两个超声换能器的中心点之间的距离。

在一优选实施例中，所述超声换能器阵列的分组数量小于等于10。

在一优选实施例中，每个超声换能器形成一组发声通道时，每个所述发声通道的相位调整为：

Ф_i= t_i×f₀×2×π；

其中，Ф_i表示第i组发声通道的相位，t_i为第i组发声通道相对于第1组发声通道的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率；

t_i= d_i/c0，

d_i=sqrt((x₁-x_i)^2+(y₁-y_i)^2+(z₁-z_i)^2) ×sin(θ)；

其中，t_i表示第i组发声通道相对第1组发声通道增加的延时对应的声传播距离，c0表示声波波速，(x₁,y₁,z₁)表示第1组发声通道的中心点的坐标，(x_i,y_i,z_i)表示第i组发声通道的中心点的坐标，θ表示每组发声通道发射出的子波束的偏转角度，i为1、2……P，P为超声换能器阵列的超声换能器数量，其为大于等于1的整数。

在一优选实施例中，所述超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列时，每个所述驱动通道的延时和相位调整为一致，且第1组发声通道的第j个超声换能器的相位调整为：

Ф_1j= t_1j×f₀×2×π；

其中，Ф_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器的相位，t_1j为第1组发声通道第j个超声换能器相对于第1组发声通道第1个超声换能器的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率；

T_1j= d_1j/c0，

d_1j=sqrt((x₁₁-x_1j)^2+(y₁₁-y_1j)^2+(z₁₁-z_1j)^2) ×sin(θ)；

其中，T_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器相对第1组发声通道第1个超声换能器增加的延时对应的声传播距离，c0表示声波波速，(x₁₁,y₁₁,z₁₁)表示第1组发声通道第1个超声换能器的中心点的坐标，(x_1j,y_1j,z_1j)表示第1组发声通道第j个超声换能器的中心点的坐标，θ表示每组发声通道发射出的子波束的偏转角度，j为1、2……N，N为每组发声通道的超声换能器数量，其为大于等于2的整数。

另一方面，本发明提出了一种参量阵扬声器的指向性偏转方法，包括：

S1，将参量阵扬声器的超声换能器阵列分为多组发声通道，通过延时和相位调整单元调整超声换能器阵列的每组发声通道的延时和相位；

S2，每组发声通道在输入的延时和相位控制下，发射出子波束，每组发声通道发射出的所述子波束的偏转角度及相位均相同；

S3，多个所述子波束合并形成一个波束发射出。

在一优选实施例中，所述超声换能器阵列由多个按阵列排布的超声换能器组成，所述S1中，将超声换能器阵列的每个超声换能器划分为一组发声通道，每组所述发声通道输入一个驱动信号，所述延时和相位调整单元调整每组发声通道的相位为：

Ф_i= t_i×f₀×2×π；

其中，Ф_i表示第i组发声通道的相位，t_i为第i组发声通道相对于第1组发声通道的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率；

t_i= d_i/c0，

d_i=sqrt((x₁-x_i)^2+(y₁-y_i)^2+(z₁-z_i)^2) ×sin(θ)；

其中，t_i表示第i组发声通道相对第1组发声通道增加的延时对应的声传播距离，c0表示声波波速，(x₁,y₁,z₁)表示第1组发声通道的中心点的坐标，(x_i,y_i,z_i)表示第i组发声通道的中心点的坐标，θ表示每组发声通道发射出的子波束的偏转角度，i为1、2……P，P为超声换能器阵列的超声换能器数量，其为大于等于1的整数。

在一优选实施例中，所述超声换能器阵列由多个按阵列排布的超声换能器组成，所述S1中，将超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列，每组所述超声换能器子阵列所具有的超声换能器的数量相同，均为N，N为大于等于2的整数，且每组所述超声换能器子阵列形成一个所述发声通道，且每组超声换能器子阵列的第i个超声换能器组合形成一个驱动通道，i=1、2……N，每个所述驱动通道共用一个驱动信号，且每个所述驱动通道的延时和相位调整为一致，第1组发声通道的第j个超声换能器的相位调整为：

Ф_1j= t_1j×f₀×2×π；

其中，Ф_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器的相位，t_1j为第1组发声通道第j个超声换能器相对于第1组发声通道第1个超声换能器的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率；

T_1j= d_1j/c0，

d_1j=sqrt((x₁₁-x_1j)^2+(y₁₁-y_1j)^2+(z₁₁-z_1j)^2) ×sin(θ)；

其中，T_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器相对第1组发声通道第1个超声换能器增加的延时对应的声传播距离，c0表示声波波速，(x₁₁,y₁₁,z₁₁)表示第1组发声通道第1个超声换能器的中心点的坐标，(x_1j,y_1j,z_1j)表示第1组发声通道第j个超声换能器的中心点的坐标，θ表示每组发声通道发射出的子波束的偏转角度，j为1、2……N，N为每组发声通道的超声换能器数量，其为大于等于2的整数。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、与现有通过采用聚焦来实现声波偏转指向性的方式不同，本发明将参量阵扬声器分组且通过对每组发声通道的延时和相位调整，将每组发声通道发出的波束的偏转角调整为一致，使参量阵扬声器在实现良好的指向性偏转效果的同时，保持辐射出的声波的指向性稳定，不会出现现有聚焦点处指向性收窄，过了聚焦点后指向性变宽的现象，且相对扩大了扬声器发出声波所辐射的范围，使听众者在该范围内接收声波较为均匀。

2、本发明通过将超声换能器阵列分多组驱动通道，每组驱动通道由同一输入信号驱动，在实现指向性偏转的同时，也减少了扬声器的驱动通道数，降低了系统整体的复杂度及成本。

附图说明

图1为现有技术中参量阵扬声器技术原理图；

图2为现有技术中参量阵扬声器高指向性定向传播的原理图；

图3为现有技术中参量阵扬声器指向性偏转的原理示意图；

图4为现有技术中参量阵扬声器指向性偏转的声学仿真示意图；

图5为本发明参量阵扬声器的结构框图；

图6为本发明实施例1参量阵扬声器的指向性偏转的原理示意图；

图7为本发明实施例1参量阵扬声器的指向性偏转的声学仿真示意图；

图8为本发明实施例2参量阵扬声器的指向性偏转的原理示意图；

图9为本发明实施例2参量阵扬声器的指向性偏转的声学仿真示意图；

图10为本发明参量阵扬声器的指向性偏转方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

本发明所揭示的一种参量阵扬声器及其指向性偏转方法，通过将参量阵扬声器分组且通过对每组发声通道的延时和相位调整，将每组发声通道发出的波束的偏转角调整为一致，使参量阵扬声器在实现良好的指向性偏转效果的同时，也保持了辐射出的声波的指向性稳定。

实施例1

结合图5和图6所示，本发明实施例1所揭示的一种参量阵扬声器，包括超声换能器阵列及延时和相位调整单元，超声换能器阵列包括多组发声通道，延时和相位调整单元与超声换能器阵列相连，用于调整每组发声通道的延时和相位，使得每组发声通道发射出的子波束的偏转角度及相位均相同，且多个子波束合并形成一个波束发射出。

具体地，超声换能器阵列由多个按阵列排布的超声换能器组成，实施时，超声换能器可以是静电式超声换能器，也可以是压电式超声换能器，本发明对此不做限定。本发明将超声换能器阵列分为多组发声通道，在本实施例1中，超声换能器阵列的每个超声换能器形成一个发声通道，每个发声通道接入一个驱动信号，如超声换能器阵列由6个并排分布的超声换能器组成，每个超声换能器为一个发声通道，且每个超声换能器接入一个驱动信号，即6个超声换能器分别由6个驱动信号驱动，且形成6个发声通道。

优选地，相邻两个超声换能器之间的间隙小于等于超声波波长的两倍，如超声频率f₀为40kHz，其在空气中对应的波长是340/40mm=8.5mm，所以，相邻两个超声换能器之间的间隙需要小于等于17mm。需要解释的是，这里的间隙为相邻两个超声换能器的中心点之间的距离。该间隙与扬声器指向性偏转的偏转精度相适配，比如精度高，发声通道数就会相应的增多，从而使发声通道间的间隙减小，反之，使发声通道间的间隙增大。

延时和相位调整单元与超声换能器阵列相连，用于调整每组发声通道的延时和相位，具体是将每组发声通道发出的波束的偏转角调整为一致，如定义偏转角度均为θ。具体地，在本实施例1中，若定义参量阵扬声器的超声波波速为c0，超声频率为f₀，每个超声换能器的指向性需要偏转的角度为θ，超声换能器阵列包含P个超声换能器，P为大于等于1的整数，定义第1个超声换能器的中心点的坐标为(x₁,y₁,z₁)，第i个超声换能器的中心点的坐标为(x_i,y_i,z_i)。延时和相位调整单元将第i个超声换能器的相位具体调整为：

Ф_i= t_i×f₀×2×π。

其中，Ф_i表示第i个超声换能器的相位，t_i为第i个超声换能器相对于第1个超声换能器的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率。

t_i= d_i/c0；

d_i=sqrt((x₁-x_i)^2+(y₁-y_i)^2+(z₁-z_i)^2) ×sin(θ)。

其中，d_i表示第i个超声换能器相对第1个超声换能器增加的延时对应的声传播距离，如图6所示，若从左往右数的第6个超声换能器为第1个超声换能器，则标示最左边的超声换能器相对第1个超声换能器的增加的声传播距离为d_i，c0表示声波波速，(x₁,y₁,z₁)表示第1个超声换能器的中心点的坐标，(x_i,y_i,z_i)表示第i个超声换能器的中心点的坐标，θ表示每个超声换能器所射出的子波束的偏转角度，i为1、2……P，P为超声换能器阵列的超声换能器数量，其为大于等于1的整数。

如图7所示，为该实施例1的超声换能器阵列指向性向右偏转20°的声场分布仿真图，由该图可以看出，本实施例1通过对每个超声换能器的发声延时和相位调整后，可以实现良好的指向性偏转，同时保持辐射出的声波的指向性稳定，不会出现现有聚焦点处指向性收窄，过了聚焦点后指向性变宽的现象，且相对扩大了扬声器发出声波所辐射的范围，使听众者在该范围内接收声波较为均匀。

实施例2

如图8所示，与实施例1不同的是，本发明实施例1所揭示的一种参量阵扬声器，其超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列，如M组超声换能器子阵列，M为大于等于1的整数，每组超声换能器子阵列由两个以上的多个超声换能器组成，每组超声换能器子阵列形成一个发声通道。优选地，超声换能器阵列的分组数量小于等于10组，分组数量太多会导致旁瓣的出现。

优选地，每组超声换能器子阵列所具有的超声换能器的数量相同，均为N，其中，N为大于等于2的整数，N×M=P，且每组超声换能器子阵列的第i个超声换能器组合形成一个驱动通道，I=1、2……N，每个驱动通道共用一个驱动信号。本实施例2通过将超声换能器阵列分多组驱动通道，每组驱动通道由同一输入信号驱动，在实现指向性偏转的同时，也减少了扬声器的驱动通道数，降低了系统整体的复杂度及成本。

如超声换能器阵列由6个超声换能器组成，将这6个超声换能器分为两个超声换能器子阵列，每个超声换能器子阵列形成一个发声通道，每个发声通道由3个超声换能器组成。其中，第1个超声换能器子阵列的第1个超声换能器与第2个超声换能器子阵列的第1个超声换能器相连形成一个驱动通道，第1个超声换能器子阵列的第2个超声换能器与第2个超声换能器子阵列的第2个超声换能器相连形成一个驱动通道，第1个超声换能器子阵列的第3个超声换能器与第2个超声换能器子阵列的第3个超声换能器相连形成一个驱动通道。与实施例1相比，本实施例2减少了超声换能器阵列的驱动通道，如该例子中，本实施例2将6个驱动通道减少为3个驱动通道。

优选地，延时和相位调整单元将每个驱动通道的延时和相位调整为一致。因每个驱动通道的延时和相位是一致的，而每个驱动通道是由每组超声换能器子阵列的第j个超声换能器组合形成的，所以，只要调整任意一组发声通道内的每个超声换能器的相位和延时，即能得到超声换能器阵列中全部超声换能器的相位和延时。具体地，本实施例2中，将第1组发声通道的第j个超声换能器的相位调整为：

Ф_1j= t_1j×f₀×2×π。

其中，Ф_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器的相位，t_1j为第1组发声通道第j个超声换能器相对于第1组发声通道第1个超声换能器的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率。

T_1j= d_1j/c0；

d_1j=sqrt((x₁₁-x_1j)^2+(y₁₁-y_1j)^2+(z₁₁-z_1j)^2) ×sin(θ)。

其中，T_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器相对第1组发声通道第1个超声换能器增加的延时对应的声传播距离，c0表示声波波速，(x₁₁,y₁₁,z₁₁)表示第1组发声通道第1个超声换能器的中心点的坐标，(x_1j,y_1j,z_1j)表示第1组发声通道第j个超声换能器的中心点的坐标，θ表示每组发声通道发射出的子波束的偏转角度，j为1、2……N，N为每组发声通道的超声换能器数量，其为大于等于2的整数。其计算原理与上述实施例1中的原理类似。

如图9所示，为该实施例2的超声换能器阵列指向性向右偏转20°的声场分布仿真图，由该图可以看出，本实施例2通过对每个超声换能器的发声延时和相位调整后，可以实现良好的指向性偏转，同时保持辐射出的声波的指向性稳定，不会出现现有聚焦点处指向性收窄，过了聚焦点后指向性变宽的现象，且相对扩大了扬声器发出声波所辐射的范围，使听众者在该范围内接收声波较为均匀。另外，通过将超声换能器阵列分多组驱动通道，每组驱动通道由同一输入信号驱动，在实现指向性偏转的同时，也减少了扬声器的驱动通道数，降低了系统整体的复杂度及成本。

如图10所示，本发明还揭示了一种参量阵扬声器的指向性偏转方法，具体包括以下步骤：

S1，将参量阵扬声器的超声换能器阵列分为多组发声通道，通过延时和相位调整单元调整每组发声通道的延时和相位。

S2，每组发声通道在输入的延时和相位控制下，发射出子波束，每组发声通道发射出的子波束的偏转角度及相位均相同。

S3，多个子波束合并形成一个波束发射出。

其中，参量阵扬声器的结构以及延时和相位调整单元调整延时和相位的原理可参照上述实施例1和实施例2中的具体描述，这里不做赘述。

本发明的优点在于，1、与现有通过采用聚焦来实现声波偏转指向性的方式不同，本发明将参量阵扬声器分组且通过对每组发声通道的延时和相位调整，将每组发声通道发出的波束的偏转角调整为一致，使参量阵扬声器在实现良好的指向性偏转效果的同时，保持辐射出的声波的指向性稳定，不会出现现有聚焦点处指向性收窄，过了聚焦点后指向性变宽的现象，且相对扩大了扬声器发出声波所辐射的范围，使听众者在该范围内接收声波较为均匀。2、本发明通过将超声换能器阵列分多组驱动通道，每组驱动通道由同一输入信号驱动，在实现指向性偏转的同时，也减少了扬声器的驱动通道数，降低了系统整体的复杂度及成本。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种参量阵扬声器，其特征在于，所述参量阵扬声器包括超声换能器阵列及与所述超声换能器阵列相连的延时和相位调整单元，所述超声换能器阵列包括多组发声通道，所述延时和相位调整单元用于调整每组所述发声通道的延时和相位，使得每组发声通道发射出的子波束的偏转角度及相位均相同，且多个所述子波束合并形成一个波束发射出；所述超声换能器阵列由多个按阵列排布的超声换能器组成；每个所述超声换能器形成一个所述发声通道，每组所述发声通道输入一个驱动信号；或者所述超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列，每组所述超声换能器子阵列包括多个所述超声换能器且每组所述超声换能器子阵列形成一个所述发声通道；所述超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列时，每组所述超声换能器子阵列所具有的超声换能器的数量相同，均为N，N为大于或等于2的整数，且每组超声换能器子阵列的第i个超声换能器组合形成一个驱动通道，i=1、2……N，每个所述驱动通道共用一个驱动信号；每个超声换能器形成一组发声通道时，每组所述发声通道的相位调整为：

Ф_i= t_i×f₀×2×π；

其中，Ф_i表示第i组发声通道的相位，t_i为第i组发声通道相对于第1组发声通道的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率；

t_i= d_i/c0，

d_i=sqrt((x₁-x_i)^2+(y₁-y_i)^2+(z₁-z_i)^2) ×sin(θ)；

其中，d_i表示第i组发声通道相对第1组发声通道增加的延时对应的声传播距离，c0表示声波波速，(x₁,y₁,z₁)表示第1组发声通道的中心点的坐标，(x_i,y_i,z_i)表示第i组发声通道的中心点的坐标，θ表示每组发声通道发射出的子波束的偏转角度，i为1、2……P，P为超声换能器阵列的超声换能器数量，其为大于或等于1的整数。

2.如权利要求1所述的一种参量阵扬声器，其特征在于，相邻两个超声换能器之间的间隙小于或等于超声波波长的两倍，所述间隙为相邻两个超声换能器的中心点之间的距离。

3.如权利要求1所述的一种参量阵扬声器，其特征在于，所述超声换能器阵列的分组数量小于或等于10。

4.如权利要求1所述的一种参量阵扬声器，其特征在于，所述超声换能器阵列分为多组超声换能器子阵列时，每个所述驱动通道的延时和相位调整为一致，且第1组发声通道的第j个超声换能器的相位调整为：

Ф_1j= t_1j×f₀×2×π；

其中，Ф_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器的相位，t_1j为第1组发声通道第j个超声换能器相对于第1组发声通道第1个超声换能器的延时，f₀为参量阵扬声器的超声频率；

T_1j= d_1j/c0，

d_1j=sqrt((x₁₁-x_1j)^2+(y₁₁-y_1j)^2+(z₁₁-z_1j)^2) ×sin(θ)；

其中，T_1j表示第1组发声通道第j个超声换能器相对第1组发声通道第1个超声换能器增加的延时对应的声传播距离，c0表示声波波速，(x₁₁,y₁₁,z₁₁)表示第1组发声通道第1个超声换能器的中心点的坐标，(x_1j,y_1j,z_1j)表示第1组发声通道第j个超声换能器的中心点的坐标，θ表示每组发声通道发射出的子波束的偏转角度，j为1、2……N，N为每组发声通道的超声换能器数量，其为大于或等于2的整数。

5.一种基于权利要求1~4任意一项所述的参量阵扬声器的指向性偏转方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，将参量阵扬声器的超声换能器阵列分为多组发声通道，通过延时和相位调整单元调整每组发声通道的延时和相位；

S2，每组发声通道在输入的延时和相位控制下，发射出子波束，每组发声通道发射出的所述子波束的偏转角度及相位均相同；

S3，多个所述子波束合并形成一个波束发射出。