CN1519059A

CN1519059A - 产生指向性声波的装置与方法

Info

Publication number: CN1519059A
Application number: CNA031008658A
Authority: CN
Inventors: 李晓东
Original assignee: RUIXUN CO Ltd
Current assignee: Fortemedia Inc
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-11

Abstract

一种产生指向性声波的装置包括：一前置补偿单元，以接收一音频信号，并且根据设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿，而后输出一信号。一超声波调变单元，可提供一超声载波。一调幅单元，接收该前置补偿单元所输出的该信号与接收该超声波调变单元所输出的该超声载波，使该信号加载该超声载波。一功率放大器，接收该调幅单元的输出。一指向性超声波束发射元件，以发出该超声载波给一接听者，其中该超声载波经空气自解调而还原该音频信号。由于超声波的指向性，其自解调现像只能在波束进行的局部发生，因此所载的可听声只能在该区域内可以听到，从而形成指向性声波束。

Description

产生指向性声波的装置与方法

技术领域

本发明是有关于一种超声波技术。特别是关于一种产生指向性声波的装置与方法，具有指向性发声功能，可应用于短距离小空间的范围。

背景技术

超声波在日常生活中已有广泛的应用。其应用程度可从医学的应用，探测器，到日常洗涤物品死角的应用。然而，由于超声波的频宽属于人耳的音频范围之外，超声波不会直接对人的听觉效应有所影响。然而，经过对超声波在空气介质的物理效应进一步研究后，超声波有一些特性可兹利用。

超声波的重要特征之一为其在空气中传播具有很强的指向性。这就是为什么蝙蝠可用声定位的方法在黑暗中找到飞蛾。然而超音波属于“不可听”波长，因此，将可听声波(20KHz以内的声波)，调制进入超声后，通过超音波载具的高指向性，将可听声以集束的方法送出，在传送的过程中，该调制波和大气形成一种非线性的交互作用，称为“自解调制”，从而将可听声释放出来，这一连串的过程达成了将可听声以集束方式传递的作用。

根据上述的物理特性，在传统的技术中已有一些应用。图1为传统的产生指向性声波的装置的方框图。于图1中，产生指向性声波的装置包括一滤波器100，一调幅单元102，一超声波调变单元108，一功率放大器104，一超声波发声元件106。

上述滤波器100，可接收一音频信号，而进行一般的滤波动作，而后输出被滤波后的信号。超声波调变单元108则是可产生一超声载波。其由滤波器100输出的信号与超声波调变单元108输出的超声载波，被输入到调幅单元102。调幅单元102则将被滤波后的信号调制，而加载于超声载波中。此含有前述音频信号的超声载波经功率放大器104放大后，再输入于超声波发声元件106。超声波发声元件106以具有指向性的一方向，对一听者传播。

如前述，超声波在空气中，以一极度非线性方式自解调。经一些行进距离后，音频信号会从超声载波中，解调出来，转变为人耳可听的音频。为了达到有更高的指向性，以及较佳的自解调，长距离传播，等等的效果，超声波发声元件106由多个发声单元106a，以一特殊设计的阵列方式组成。

图2为一发声单元106a的阵列结构示意图。于图2中，例如多个发声单元106a构成一对称的安排。发声单元106a的阵列排列方式有多种特述设计。由于超声波的自解调是极度非线性，传统上阵列的设计是考虑的重点。

一般，发声单元106a的数量愈多，其可传播的距离较长，而音响失真的情形也较小。传统上其数量为数十个至数百个不等。另外，由于自解调是靠空气介质而达成，其需要一段距离方能达到足够的解调程度。也就是说，传统的设计并不适用于短距离封闭空间的应用。另外，大量的发声单元106a除了会使尺寸加大外，制造成本也会增加。特别是，针对日常生活的方便应用，以及便宜价格的考量。如果发声单元106a的数量减少。但是同时，势必要牺牲低失真度的要求。而在短距离的使用，更会影响声音重生的品质。

所谓短距离的使用是指发声处到听者的距离相较而言较短例如1米的范围。当超声波继续传播一些距离后就因衰减而不再可被听到。由于超声波具有指向性，于是声音可仅存于一小的封闭空间。然而，由于上述的原因，传统的设计，有困难于形成此小的声音封闭空间。然而，此种小的声音封闭空间，具有高度个人化或隐私性的特点，在现今的日常生活型态有其一定程度的需求。而多个使用者可以在一起，而声音不互相干扰。未来超声波的应用，可预计愈来愈大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种产生指向性声波的装置与方法，可依所欲传播的距离，可以仅使用单一或是少量的发声单元，例如约小于等于五个，以非阵列或阵列方式传播，达到小声音封闭空间的效果。

本发明提供一种产生指向性声波的装置与方法，可提升超声波在空气中自解调的效果。除了可适用达到短距离的封闭空间，在长距离传播时，由于自解调的效果的提升，可减少发声单元阵列的数量，而降低成本以及简化设计复杂度。

本发明提供的一种产生指向性声波的装置包括：一前置补偿单元，以接收一音频信号，并且根据设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿，而后输出一信号。一超声波调变单元，可提供一超声载波。一调幅单元，接收该前置补偿单元所输出的该信号与接收该超声波调变单元所输出的该超声载波，使该信号加载该超声载波。一功率放大器，接收该调幅单元的输出。一指向性超声波束发射元件，以发出该超声载波给一接听者，其中该超声载波经空气自解调而还原该音频信号。

本发明提供的一种产生指向性声波的方法，包括：接收一音频信号。对该音频信号，根据设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿信号处理，得到一被补偿音频信号。将该被补偿音频信号，加载一超声载波。放大该超声载波。又，通过空气，传送该超声载波给在一距离的一听者，其中该超声载波具有一指向性，且经该超声波空气自解调机制，使该音频信号，可被空气自解调，允许该听者收听该音频信号的内容。

附图说明

图1为传统的产生指向性声波的装置的方框图；

图2为图1中发声单元的阵列结构示意图；以及

图3为依照本发明，一种产生指向性声波的装置的方框图。

100：滤波器

102，202：调幅单元

104，206：功率放大器

106：阵列超声波发声单元

108，204：超声波调变单元

200：前置补偿单元

208：超声波发声单元

具体实施方式

本发明的主要特征之一是于进行调幅动作，将音频调制加载一超声载波前，先对一音频信号做一预先补偿，其是根据所设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿。因此，超声波于空气自解调时，音频信号可较容易被解调出来。如此以降低超声波发生单元的阵列设计，进而允许使用单一单元的非阵列结构的设计。可至少达到小声音封闭空间的设计。

根据本发明的设计原则，图3为依照本发明，一种产生指向性声波的装置的方框图。于图3中，本发明的一种产生指向性声波的装置包括一前置补偿单元200，以接收一音频信号，并且根据设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿，而后输出一信号。其中，音频信号可以是由一音响装置(未示)，所传送的一音频信号电信号，也可以式一般的声音信号。其中音频信号电信号例如是音响装置装置预计输出给喇叭的信号。诸如这些信号，有些需要做一些信号转换，其应为熟悉此技艺者所了解，而不详述。换句话，音频信号泛指符合前置补偿单元200规格的音频信号。此前置补偿单元200为本发明的主要特征之一，其可增加后续超声波于空气介质自解调的效果。

一超声波调变单元204，可提供一超声载波。一调幅单元202，可接收前置补偿单元200所输出的信号与接收超声波调变单元204所输出的超声载波，而使信号被加载于超声载波中。

一功率放大器206，接收调幅单元202的输出信号，而放大之。一指向性超声波束发射元件208，以发出超声载波给一接听者(未示)，其中超声载波经空气自解调而还原重生可听的音频信号。其中指向性超声波束发射元件208可为由单一或是少量元件，例如小于等于五个的元件所组成的一简单小单元设计，或是一阵列设计。传统上，超声波束发射元件的数量约在数十个到数百个之数。另外特别是，在需求一小声音封闭空间时，指向性超声波束发射元件208可为单一的发声单元。另外，指向性超声波束发射元件208的指向范围例如为约小于30°。而传播范围例如可为约小于10米。当然，如果设计是为了高指向性或是远距离传播，其距离可达100米以上。于二者状况，前置补偿单元200皆可产生明显效果。

又，前置补偿单元200也包括滤波的功能。经由前置补偿单元200的预先补偿，可允许该指向性超声波束发射元件208，于一短距离，例如1米，就能有足够的解调程度，使一收听者可听到该音频信号的内容。此处所短距离指约为10米以内。因此，本发明的前置补偿单元200，可产生非传统技艺所能预期的效果。

另外，本发明也提出一种产生指向性声波的方法，包括首先接收一音频信号。而后对该音频信号，根据设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿信号处理，得到一被补偿音频信号。将该被补偿音频信号，加载一超声载波。放大该超声载波，以及通过空气，传送该超声载波给在一距离的一听者，其中该超声载波具有一指向性，且经该超声波空气自解调机制，使该音频信号，可被空气自解调，允许该听者收听该音频信号的内容。

本发明在实际应用上例如可包括：

1.在家庭与办公地点以及娱乐场所的使用。只有那些音束方向的人们可感受到声音。其意味着人们可以各自享有声音环境。本发明有低功率及简单的特性，也可适用于一些可携式或固定式装置，例如个人数字辅助器(PDA)，行动电话，可携式计算机，又或是桌上型计算机，等等。

2.在多媒体和其它需要特殊声效的场所的使用。其可产生虚拟声源，以达到三维的环绕声效。

3.在远距离的定向传声的使用。在吵杂的人群或环境中，播放音频信号，例如体育馆，公共场所的定向播音和通话。

4.在音频保密通信的使用。其可用于定向指挥，定向通信以及电话会议和涉及个人的通话。

因此，本发明可有多项优点例如：

1.高指向性。利用超声换能器的高指向性，可定向播放音频信号。

2.近距离传播。由于信号预先补偿，可于短距离即可将音频信号解调，而构成一声音封闭空间。

3.轻便，小空间的设计。由于没有音箱结构和磁铁线圈，可以减低重量与体积大小。

Claims

1.一种产生指向性声波的装置，其特征是，该装置包括：

一前置补偿单元，以接收一音频信号，并且根据设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿，而后输出一信号；

一超声波调变单元，可提供一超声载波；

一调幅单元，接收该前置补偿单元所输出的该信号与接收该超声波调变单元所输出的该超声载波，使该信号加载该超声载波；

一功率放大器，接收该调幅单元的输出；以及

一指向性超声波束发射元件，以发出该超声载波给一接听者，其中该超声载波经空气自解调而还原该音频信号。

2.如权利要求1所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该指向性超声波束发射元件包括小于等于5个发声单元。

3.如权利要求1所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该指向性超声波束发射元件的一指向范围为约＜30°。

4.如权利要求1所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该前置补偿单元包括滤波功能。

5.如权利要求1所述的产生指向性声波的装置，其特征是，经该前置补偿单元的预先补偿，可允许该指向性超声波束发射元件，于一短距离就能有足够的解调程度，使一收听者可听到该音频信号的内容。

6.如权利要求1所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该短距离约为约＜10米。

7.如权利要求1所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该指向性超声波束发射元件为一阵列元件。

8.如权利要求1所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该音频信号包括一音频电信号。

9.一种产生指向性声波的方法，其特征是，该方法包括：

接收一音频信号；

对该音频信号，根据设计选定的一超声波空气自解调机制，进行一预先补偿信号处理，得到一被补偿音频信号；

将该被补偿音频信号，加载一超声载波；

放大该超声载波；以及

通过空气，传送该超声载波给在一距离的一听者，其中该超声载波具有一指向性，且经该超声波空气自解调机制，使该音频信号，可被空气自解调，允许该听者收听该音频信号的内容。

10.如权利要求9所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该听者的该距离为约＜10米。

11.如权利要求9所述的产生指向性声波的装置，其特征是，通过该预先补偿信号处理，使该音频信号于1米之内即有一足够解调程度。

12.如权利要求9所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该指向性的范围为约＜30°。

13.如权利要求9所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该预先补偿信号处理的一补偿程度，依据预计的该听者的该距离而调整。

14.如权利要求9所述的产生指向性声波的装置，其特征是，该音频信号包括一音频电信号。