TW200412176A - Apparatus and method for generating a directional acoustic wave - Google Patents

Description

200412176 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明是有關於一種超聲波技術。特別是關於一種產 生指向性聲波之裝置與方法，具有指向性發聲功能，可應 用於短距離小空間之範圍。 先前技術 超聲波在曰常生活中已有廣泛之應用。其應用程度可從醫 學之應用，探測器，到日常洗滌物品死角之應用。然而， 由於超聲波之頻寬係屬於人耳之音頻範圍之外，超聲波不 會直接對人之聽覺效應有所影響。然而，經過對超聲波在· 空氣介質的物理效應進一步研究後，超聲波有一些特性可 兹利用。 超聲波之重要特徵之一為其在空氣中傳播具有很強的 指向性。這就是為什麼蝙蝠可用聲定位的方法在黑暗中找 到飛蛾。然而超音波屬於’’不可聽π波長，因此，將可聽聲 波（2 0 Κ Η ζ以内的聲波），調制進入超聲後，藉由超 音波載具的高指向性，將可聽聲以集束的方法送出，在傳 送的過程t，該調制波和大氣形成一種非線性的交互作 用，稱為"自解調制"，從而將可聽聲釋放出來，這一連串 的過程達成了將可聽聲以集束方式傳遞的作用。 根據上述之物理特性，在傳統之技術中已有一些應 # 用。第1圖繪示傳統之產生指向性聲波之裝置之方塊圖。 於第1圖中，產生指向性聲波之裝置包括一濾波器1 0 0，一

10164twf. ptd 第6頁 200412176 五、發明說明（2) 調幅單元1 0 2，一超聲波調變單元1 0 8，一功率放大器 1 04，一超聲波發聲元件1 06。 · 上述濾波器1 0 0，可接收一音頻訊號，而進行一般之 濾波動作，而後輸出被濾波後之信號。’超聲波調變單元 1 0 8則是可產生一超聲載波。其由濾波器100輸出之信號與 超聲波調變單元1 0 8輸出之超聲載波，被輸入到調幅單元 1 0 2。調幅單元1 0 2則將被濾波後之信號調制，而載入於超 聲載波中。此含有前述音頻訊號之超聲載波經功率放大器 1 0 4放大後，再輸入於超聲波發聲元件1 〇 6。超聲波發聲元 件1 0 6以具有指向性之一方向，對一聽者傳播。 如前述，超聲波在空氣中，係以一極度非線性方式自j 解調。經一些行進距離後，音頻訊號會從超聲載波中，解 調出來，轉變為人耳可聽之音頻。為了達到有更高之指向 性，以及較佳的自解調，長距離傳播，等等之效果，超聲 波發聲元件1 0 6係由多個發聲單元1 0 6 a，以一特殊設計之 陣列方式組成。- 第2圖繪示一發聲單元1 0 6 a之陣列結構示意圖。於第2 圖中，例如多個發聲單元1 0 6 a構成一對稱之安排。發聲單 元1 0 6 a之陣列排列方式有多種特述設計。由於超聲波之自 解調是極度非線性，傳統上陣列之設計是考慮之重點。 一般，發聲單元106a之數量愈多，其可傳播之距離較 長，而音響失真的情形也較小。傳統上其數量為數十個至Φ 數百個不等。另外，由於自解調是靠空氣介質而達成，其 需要一段距離方能達到足夠的解調程度。也就是說，傳統

10164twf. ptd 第7頁 200412176 五、發明說明（3) 的設計並不適用於短距離封閉空間的應用。另外，大量之 發聲單元1 〇 6 a除了會使尺寸加大外，製造成_本也會增加。 特別是，針對日常生活之方便應用，以及便％宜價格之考 量。如果發聲單元1 〇 6 a之數量減少。但是同時，勢必要犧 牲低失真度的要求。而在短距離的使用，更會影響聲音重 生的品質。 所謂短距離的使用係指發聲處到聽者的距離相較而言 較短例如1公尺的範圍。當超聲波繼續傳播一些距離後就 因衰減而不再可被聽到。由於超聲波具有指向性，於是聲 音可僅存於一小的封閉空間。然而，由於上述之原因，傳 統之設計，有困難於形成此小的聲音封閉空間。然而，此0 種小的聲音封閉空間，具有高度個人化或隱私性的特點， 在現今的日常生活型態有其一定程度的需求。而多個使用 者可以在一起，而聲音不互相干擾。未來超聲波之應用， 可預計愈來愈大。 發明内容 有鑑於此，本發明提供一種產生指向性聲波之裝置與 方法，可依所欲傳播的距離，可以僅使用單一或是少量的 發聲單元，例如約小於等於五個，以非陣列或陣列方式傳 播，達到小聲音封閉空間的效果。 本發明提供一種產生指向性聲波之裝置與方法，可提 昇超聲波在空氣中自解調的效果。除了可適用達到短距離

10164twf. ptd 第8頁 200412176 五、發明說明（4) 的封閉空間，在長距離傳播時，由於自解調的效果的提 昇，可減少發聲單元陣列之數量，而降低成本以及簡化設 計複雜度。 本發明提供之一種產生指向性聲波之裝置包括：一前 置補償單元，以接收一音頻訊號，並且根據設計選定之一 超聲波空氣自解調機制，進行一預先補償，而後輸出一信 號。一超聲波調變單元，可提供一超聲載波。一調幅單 元，接收該前置補償單元所輸出之該信號與接收該超聲波 調變單元所輸出之該超聲載波，使該信號載入該超聲載 波。一功率放大器，接收該調幅單元之輸出。一指向性超 聲波束發射元件，以發出該超聲載波給一接聽者，其中該餐 超聲載波經空氣自解調而還原該音頻訊號。 本發明提供之一種產生指向性聲波之方法，包括：接 收一音頻訊號。對該音頻訊號，根據設計選定之一超聲波 空氣自解調機制，進行一預先補償信號處理，得到一被補 償音頻訊號。將該被補償音頻訊號，載入一超聲載波。放 大該超聲載波。又，藉由空氣，傳送該超聲載波給在一距 離之一聽者，其中該超聲載波具有一指向性，且經該超聲 波空氣自解調機制，使該音頻訊號，可被空氣自解調，允 許該聽者收聽該音頻訊號之内容。 為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易 · 懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下：

10164twf. ptd 第9頁 200412176 五、發明說明（5) 實施方式 本發明的主要特徵之一係於進行調幅動作，將音訊調 制載入一超聲載波前，先對一音頻訊號做一預先補償，其 係根據所設計選定之一超聲波空氣自解調機制，進行一預 先補償。因此，超聲波於空氣自解調時，音頻訊號可較容 易被解調出來。如此以降低超聲波發生單元之陣列設計， 進而允許使用單一單元之非陣列結構之設計。可至少達到 小聲音封閉空間的設計。 根據本發明之設計原則，第3圖繪示依照本發明，一 種產生指向性聲波之裝置之方塊圖。於第3圖中，本發明 g丨 之一種產生指向性聲波之裝置包括一前置補償單元2 0 0， 以接收一音頻訊號，並且根據設計選定之一超聲波空氣自 解調機制，進行一預先補償，而後輸出一信號。其中，音 頻訊號可以是由一音響裝置（未示），所傳送之一音頻訊號 電信號，也可以式一般之聲音訊號。其中音頻訊號電信號 例如是音響裝置裝置預計輸出給喇叭之信號。諸如這些信 號，有些需要做一些信號轉換，其應為手此技藝者所了 解，而不詳述。換句話，音頻訊號泛指符合前置補償單元 200規格之音頻信號。此前置補償單元200係本發明之主要 特徵之一，其可增加後續超聲波於空氣介質自解調的效 果。 ❿ 一超聲波調變單元204，可提供一超聲載波。一調幅 單元2 0 2，可接收前置補償單元2 0 0所輸出之信號與接收超

10164twf. ptd 第10頁 200412176 五、發明說明（6) 聲波調變單元2 0 4所輸出之超聲載波，而使信號被載入於 超聲載波中。 一功率放大器2 0 6，接收調幅單元2 0 2之輸出信號，而 放大之。一指向性超聲波束發射元件2 0 8，以發出超聲載 波給一接聽者（未示），其中超聲載波經空氣自解調而還原 重生可聽之音頻訊號。其中指向性超聲波束發射元件2 0 8 可為由單一或是少量元件，例如小於等於五個之元件所組 成之一簡單小單元設計，或是一陣列設計。傳統上，超聲 波束發射元件之數量約在數十個到數百個之數。另外特別 是，在需求一小聲音封閉空間時，指向性超聲波束發射元 件2 0 8可為單一之發聲單元。另外，指向性超聲波束發射 元件2 0 8之指向範圍例如為約小於3 0 ° 。而傳播範圍例如 可為約小於1 0公尺。當然，如果設計係為了高指向性或是 遠距離傳播，其距離可達1 0 0公尺以上。於二者狀況，前 置補償單元2 0 0皆可產生明顯效果。 又，前置補償單元200也包括濾波之功能。經由前置 補償單元2 0 0之預先補償，可允許該指向性超聲波束發射 元件2 0 8，於一短距離，例如1公尺，就能有足夠之解調程 度，使一收聽者可聽到該音頻訊號之内容。此處所短距離 係指約為1 0公尺以内。因此，本發明之前置補償單元 2 0 0，可產生非傳統技藝所能預期的效果。 另外，本發明也提出一種產生指向性聲波之方法，包❿ 括首先接收一音頻訊號。而後對該音頻訊號，根據設計選 定之一超聲波空氣自解調機制，進行一預先補償信號處

10164twf. ptd 第11頁 200412176 五、發明說明（7) 理，得到一被補償音頻訊號。將該被補償音頻訊號，載入 一超聲載波。放大該超聲載波，以及藉由空氣，傳送該超 聲載波給在一距離之一聽者，其中該超聲載波具有一指向 性，且經該超聲波空氣自解調機制，使該音頻訊號，可被 空氣自解調，允許該聽者收聽該音頻訊號之内容。 括 包 可 如 例 上 用 應 際 實 在 明 發 本 βτ 有 只 Ο 用 使 之 所 場 樂 娛 及 以 點 地 公 辦 與 庭 家 在 自用 各適 以可 可也 aj 介 ， 人性 著特 味的 音y單 其簡 。及 音率 聲功 到低 受有 感明 可發 們本 人。 的境 向環 方音 束聲 立日有 些享 於 置 裝 式 定 固 或 式 攜 可 些 器 助 輔 位 數 人 個 如 例 話 ^¾ ^B 行 甾 月 式 攜 可 腦 型 上 桌 是 或 又 等 等 其 〇 用 使 之 所 場 的 效 聲 殊 特 要 需 他 其 和 體 媒 多 在 環音 或播 4向 群. 人定 雜所 。吵場 效在共 聲 公 繞用， 環殳館 的d f %, ^ 三傳如 到向例 達定， 以吣號 ，隹信 源砠頻 舞耳❹立曰 擬在放 虛 播 生3·， 產 中 可 境 以 話4.信 通 通 和 向 定 f.L 揭 指 向 定 於 用 可 其 〇 用 使 之 信 通 密 保 頻 音 在 話 通 之 人 個 及 涉 和 議 會 話 電 及 因此，本發明可有多項優點例如： 1. 高指向性。利用超聲換能器的高指向性，可定向 播放音頻信號。 ilttl ill

II

mm lit» 10164twf. ptd 第12頁 200412176 五、發明說明（8) 2. 近距離傳播。由於信號預先補償，可於短距離即 可將音頻信號解調，而構成一聲音封閉空間。 3. 輕便，小空間的設計。由於沒有音箱結構和磁鐵 線圈，可以減低重量與體積大小。 綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上， 然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離 本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此 本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為 準〇

10164twf. ptd 第13頁 200412176 圖式簡單說明 第1圖繪示傳統之產生指向性聲波之裝置之方塊圖； 第2圖繪示第1圖中發聲單元之陣列結構示意圖；以及 第3圖繪示依照本發明，一種產生指向性聲波之裝置 之方塊圖。 圖式標記說明： 1 00 濾波器 1 0 2，2 0 2 調幅單元 1 0 4，2 0 6 功率放大器 106 ‘陣列超聲波發聲單元 1 08，2 0 4 超聲波調變單元 2 0 0 前置補償單元 2 0 8 超聲波發聲單元

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Claims (1)

1. 200412176 六、申請專利範圍 1. 一種產生指向性聲波之裝置，包括： 一前置補償單元，以接收一音頻訊號，並且根據設計 選定之一超聲波空氣自解調機制，進行一預先補償，而後 輸出一信號； 一超聲波調變單元，可提供一超聲載波； 一調幅單元，接收該前置補償單元所輸出之該信號與 接收該超聲波調變單元所輸出之該超聲載波，使該信號載 入該超聲載波； 一功率放大器，接收該調幅單元之輸出；以及 一指向性超聲波束發射元件，以發出該超聲載波給一 接聽者，其中該超聲載波經空氣自解調而還原該音頻訊 _丨 號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之產生指向性聲波之裝 置，其中該指向性超聲波束發射元件包括小於等於5個發 聲早70。 3. 如申請專利範圍第1項所·述之產生指向性聲波之裝 置，其中該指向性超聲波束發射元件之一指向範圍為約 <30 ° 〇 4. 如申請專利範圍第1項所述之產生指向性聲波之裝 置，其中該前置補償單元包括濾波功能。 5. 如申請專利範圍第1項所述之產生指向性聲波之裝 置，其中經該前置補償單元之預先補償，可允許該指向性 超聲波束發射元件，於一短距離就能有足夠之解調程度， 使一收聽者可聽到該音頻訊號之内容。

   10164twf. ptd 第15頁 200412176 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第1項所述之產生指向性聲波之裝 置，其中該短距離約為約< 1 〇公尺。 7 . ^如申請專利範圍第1項所述之產生.指向性聲波之裝 置，其中該指向性超聲波束發射元件為一陣列元件。 8. 如申請專利範圍第1項所述之產生指向性聲波之裝 置，其中該音頻訊號包括一音頻電信號。 9 . 一種產生指向性聲波之方法，包括： 接收一音頻訊號； 對該音頻訊號，根據設計選定之一超聲波空氣自解調 機制，進行一預先補償信號處理，得到一被補償音頻訊 號； 將該被補償音頻訊號，載入一超聲載波； 放大該超聲載波；以及 藉由空氣，傳送該超聲載波給在一距離之一聽者，其 中該超聲載波具有一指向性，且經談超聲波空氣自解調機 制，使該音頻訊號，可被空氣自解調，允許該聽者收聽該 音頻訊號之内容。 10. 如申請專利範圍第9項所述之產生指向性聲波之 裝置，其中該聽者之該距離為約< 1 0 公尺。 1 1. 如申請專利範圍第9項所述之產生指向性聲波之 裝置，其中藉由該預先補償信號處理，使該音頻訊號於1 公尺之内即有一足夠解調程度。 12. 如申請專利範圍第9項所述之產生指向性聲波之 裝置，其中該指向性之範圍為約< 3 0 ° 。

   10164twf. ptd 第16頁 200412176 六、申請專利範圍 13. 如申請專利範圍第9項所述之產生指向性聲波之 裝置，其中該預先補償信號處理之一補償程度，係依據預 計之該聽者之·該距離而調整。 14. 如申請專利範圍第9項所述之產生指向性聲波之 裝置，其中該音頻訊號包括一音頻電信號。

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