TWI538526B - 指向性揚聲裝置與產生指向性聲波的方法 - Google Patents

Description

指向性揚聲裝置與產生指向性聲波的方法

本揭露是有關於一種揚聲裝置與聲波產生方法，且特別是有關於一種指向性揚聲裝置與產生指向性聲波的方法。

現今許多的電子產品均內建揚聲裝置(例如，揚聲器、喇叭...等)。但是，由於傳統的揚聲裝置是採用開放式的擴音，因此在開放空間中，揚聲裝置很容易對週遭的其他人造成困擾，且無法維護使用者的隱私。再者，雖然使用者可藉由配戴耳機的方式來維護隱私，但是長久配戴耳機往往會導致使用者感受到悶熱或是不舒適...等感覺。因此，具有指向功能的揚聲裝置深受使用者的青睞，並逐漸成為市場的主流。

對於具有指向功能的揚聲裝置來說，現有技術大多採用振幅調變(amplitude modulation，簡稱AM)方式來達到揚聲裝置的指向性。然而，由於振幅調變波在傳播上容易受到雜訊的干擾，因此現有具有指向功能的揚聲裝置所發出的聲音往往音質不佳。因此，如何兼顧揚聲裝置的指向性與音訊品質，已是揚聲裝置在設計上所欲解決的一項課題。

本揭露提供一種指向性揚聲裝置與產生指向性聲波 的方法，利用相位調變技術與超音波的特性，在特定方向上重現聲波並藉此提升音訊品質。

本揭露之實施例提出一種指向性揚聲裝置，包括補償電路、調變電路以及發射電路。補償電路依據原始音頻訊號的頻譜特性對原始音頻訊號的增益進行補償，並據以產生音頻校正訊號。調變電路利用音頻校正訊號對超音波訊號進行相位調變，並據以產生相位調變訊號。發射電路響應於相位調變訊號而沿著特定方向發射出超聲波束，且超聲波束沿著特定方向在空氣中自解調成聲波。

本揭露之實施例提出一種產生指向性聲波的方法，適用於一指向性揚聲裝置，包括下列步驟：依據原始音頻訊號的頻譜特性對原始音頻訊號的增益進行補償，以產生音頻校正訊號；利用音頻校正訊號對超音波訊號進行相位調變，以產生相位調變訊號；以及，響應於相位調變訊號而沿著特定方向發射出超聲波束，其中超聲波束沿著特定方向在空氣中自解調成聲波。

為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為依據本揭露一實施例之指向性揚聲裝置的方塊示意圖。如圖1所示，指向性揚聲裝置100包括補償電路110、調變電路120以及發射電路130。其中，調變電路120耦接補償電路110，且發射電路130耦接調變電路120。

在操作上，補償電路110接收一原始音頻訊號S11。此外，補償電路110會依據原始音頻訊號S11的頻譜特性，對原始音頻訊號S11的增益進行補償，並據以產生一音頻校正訊號S12。舉例來說，倘若原始音頻訊號S11分布在多個頻段中，補償電路110會依據所述多個頻段產生多個增益值，並利用這些增益值對原始音頻訊號S11的增益進行補償，進而產生音頻校正訊號S12。

在本揭露之實施例中，補償電路110包括快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transformation，簡稱FFT)單元111、頻譜分析單元112、訊號補償單元113以及反快速傅立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transformation，簡稱IFFT)單元114。其中，原始音頻訊號S11輸入快速傅立葉轉換單元111，快速傅立葉轉換單元111會將原始音頻訊號S11切割成多個連續的音框。此外，快速傅立葉轉換單元111再對所述多個音框進行快速傅立葉轉換運算，以將原始音頻訊號S11轉換成一頻域訊號S21。

換言之，透過快速傅立葉轉換單元111，時域中的原始音頻訊號S11將被轉換至頻域，進而致使補償電路110可在頻域上分析原始音頻訊號S11的頻譜特性。例如，圖2為依據本揭露一實施例之用以說明原始音頻訊號在轉換上的波形示意圖。其中，圖2的上半部繪示為在時域中的原始音頻訊號S11，且切割後的原始音頻訊號S11可例如是包括音框210。再者，快速傅立葉轉換單元111會對音框210進行快速傅立葉轉換運算，進而產生如圖2之下半 部所示的頻域訊號S21。

頻譜分析單元112耦接快速傅立葉轉換單元111，會以一預設頻率間隔將頻域訊號S21劃分成多個區段訊號。以圖2所示之頻域訊號S21為例，倘若預設頻率間隔被設定為500Hz，則頻譜分析單元112會把頻域訊號S21劃分成區段訊號S211~S214。

訊號補償單元113耦接頻譜分析單元112，會依據每一區段訊號所對應的頻段產生一增益值，並利用所述增益值對所對應區段訊號的增益進行補償。在本揭露之實施例中，訊號補償單元113內建有一增益對照表，且此增益對照表記錄著多個預設頻段與多個預設增益值的對應關係。在應用上，訊號補償單元113會依據每一區段訊號所對應的頻段查詢增益對照表中的多個預設頻段，以從多個預設增益值中選擇所述區段訊號所對應的一增益值。

例如，如圖2所示，訊號補償單元113會根據區段訊號S211所對應的頻段(0~500Hz)取得一增益值K1，並依據區段訊號S211所對應的頻段(500~1000Hz)取得一增益值K2。以此類推，訊號補償單元113會依據區段訊號S213~S214所對應的頻段，依序取得增益值K3~K4。此外，訊號補償單元113會利用增益值K1對區段訊號S211的增益進行補償，亦即訊號補償單元113會利用增益值K1放大區段訊號S211。以此類推，訊號補償單元113會利用增益值K2~K4分別對應放大區段訊號S212~S214。

在本揭露之實施例中，補償電路110是針對原始音頻 訊號S11的低頻成分進行補償，但不以此為限。因此，當區段訊號所對應之頻段的中心頻率越低，則所對應的增益值也就越大。例如，以圖2所示之區段訊號S211~S214為例，由於區段訊號S211~S214所對應之頻段的中心頻率越來越高，因此區段訊號S211~S214所對應之增益值K1~K4也就越來越小，亦即K1>K2>K3>K4，但不以此為限。

反快速傅立葉轉換單元114耦接訊號補償單元113。當區段訊號進行補償後，反快速傅立葉轉換單元114會對補償後的區段訊號進行反快速傅立葉轉換運算，以產生音頻校正訊號S12。換言之，當區段訊號進行補償後，補償電路110會透過反快速傅立葉轉換單元114將位在頻域的區段訊號轉換至時域，進而產生位在時域中的音頻校正訊號S12。

調變電路120耦接補償電路110之反快速傅立葉轉換單元114，利用音頻校正訊號S12對一超音波訊號S22進行相位調變，並據以產生一相位調變訊號S13。在本揭露之實施例中，調變電路120包括訊號產生單元121與相位調變單元122。其中，訊號產生單元121用以產生所述超音波訊號S22。相位調變單元122接收音頻校正訊號S12與超音波訊號S22。此外，相位調變單元122更將音頻校正訊號S12與超音波訊號S22進行相位調變。亦即，相位調變單元122會依據音頻校正訊號S12的振幅變化，來調整超音波訊號S22的相位，進而產生相位調變訊號S13。

如在本揭露之一實施例中，音頻校正訊號S12與超音 波訊號S22的相位調變方式將可如式(1)所示：S(t)=cos(2πf_ct+△θ＊m(t)+θ₀)………式(1)

其中，S(t)為相位調變訊號S13，m(t)為音頻校正訊號S12，f_c為超音波訊號的頻率，△θ為相位偏移量，且θ₀為初始相位。藉此，音頻校正訊號S12將可承載在超音波訊號上。

再者，發射電路130耦接調變電路120之相位調變單元122，會響應於相位調變訊號S13而沿著一特定方向發射出一超聲波束(ultrasound beam)UB1。在本揭露之實施例中，發射電路130包括濾波放大單元131與超音波陣列132。其中，濾波放大單元131會對相位調變訊號S13進行濾波與放大處理。例如，濾波放大單元131會濾除相位調變訊號S13的雜訊。此外，濾波放大單元131會放大相位調變訊號S13，以致使相位調變訊號S13有足夠的能量可以驅動超音波陣列132。藉此，在發射電路130的驅動下，超音波陣列132會將經濾波放大後的相位調變訊號S13轉換成超聲波束UB1，並沿著所述特定方向發射出超聲波束UB1。亦即，在一開放空間中，超聲波束UB1會沿著所述特定方向來前進。此外，超聲波束UB1在空氣中傳播時會因應空氣的非線性特性而產生自解調效應(self-demodulation effect)，亦即超聲波束UB1會自解調成一聲波。

在本揭露之實施例中，超音波陣列132主要是將所接 收到的電訊號(亦即，相位調變訊號S13)，轉換成可在空間中傳播的機械波(亦即，超聲波束UB1)。此外，由於相位調變訊號S13是由音頻校正訊號S12與超音波訊號S22調變而成，因此超聲波束UB1將相當於一調變波，且此調變波是由一載波(亦即，超聲波)與人耳可聽見的聲波所合成。因此，當超聲波束UB1透過非線性交互作用(nonlinearly interaction)而自解調時，將可在特定方向上產生人耳可以聽見的聲波。亦即，超聲波束UB1會沿著一特定方向在空氣中自解調成聲波。

如圖3為依據本揭露一實施例之指向性揚聲裝置的應用示意圖。如圖3所示，指向性揚聲裝置100設置在一開放空間中，並可沿著特定方向發射出超聲波束UB1。此時，位在超聲波束UB1之傳遞方向(亦即，特定方向)上的人們310~320，將可聆聽到由超聲波束UB1自解調後的聲波，亦即人們310~320可以聽到由指向性揚聲裝置100所發出的聲音。相對地，其餘的人們330~350則無法聽到指向性揚聲裝置100所發出的聲音。

換言之，指向性揚聲裝置100可在開放空間中沿著特定方向產生人耳可以聽見的聲音，亦即指向性揚聲裝置100具有定向傳音的功能。因此，對於使用者而言，指向性揚聲裝置100在使用上不僅可以保有隱私，還可避免對週遭的人們造成影響。相對地，還可減少環境中不必要的噪音，進而有助於降低公共場所的環境噪音。再者，由於本揭露之指向性揚聲裝置100是採用相位調變技術，因此 指向性揚聲裝置100所發射出的超聲波束UB1在傳播上不易受到雜訊的影響，進而有助於提升指向性揚聲裝置100的音訊品質。

除此之外，由於指向性揚聲裝置100在傳送聲音之前已對原始音頻訊號S11的增益進行補償，因此指向性揚聲裝置100還有助於降低聲音的失真。主要的原因在於，原始音頻訊號分佈在多頻段中，相對於整個頻帶中不可能位在各個頻段之原始音頻訊號的增益都相同。亦即，可能會有位在某些頻段之原始音頻訊號的增益會比較小，如低頻成分的增益會比較小。因此，倘若沒有針對各頻段的原始音頻訊號的增益分別進行對應的補償，則由原始音頻訊號轉換而成的聲波，其增益較小的部份(如低頻成分)的失真就很容易發生。

舉例來說，圖4A為依據本揭露一實施例之在沒有對原始音頻訊號進行補償下所量測到之聲波的頻譜圖，且圖4B為依據本揭露一實施例之在對原始音頻訊號進行補償下所量測到之聲波的頻譜圖。如圖4A所示，在沒有對原始音頻訊號之增益進行補償的情況下，聲波的低頻部份因音量較小，使得在進行調變為超聲波束時很容易發生失真現象，而讓使用者可以很容易地感受到聲音的失真。相對地，如圖4B所示，在對原始音頻訊號之增益進行補償的情況下，聲波的低頻部份因音量趨近於其高頻部份的音量，使得進行調變為超聲波束時，不會發生聲音的失真現象。相對地，使用者也將無法輕易地感受到聲音的失真。

圖5為依據本揭露一實施例之產生指向性聲波的方法流程圖。如圖5所示，在步驟S510中，依據原始音頻訊號的頻譜特性對原始音頻訊號的增益進行補償，以產生音頻校正訊號。此外，在步驟S520中，利用音頻校正訊號對超音波訊號進行相位調變，以產生相位調變訊號。再者，在步驟S530中，響應於相位調變訊號而沿著一特定方向發射出超聲波束。藉此，超聲波束將沿著特定方向在空氣中自解調成聲波。至於圖5中各步驟S510~S530的細部流程與相關說明已包含在上述各個實施例中，故在此不予贅述。

綜上所述，本揭露所列舉之指向性揚聲裝置與指向性聲波的產生方法，是利用相位調變技術與人耳聽不見超音波的特性，在特定方向上重現聲波。藉此，指向性揚聲裝置將可在開放空間中沿著特定方向產生人耳可以聽見的聲音，進而保有使用者的隱私，並可避免對週遭的人們造成影響。此外，由於指向性揚聲裝置是採用相位調變技術，因此指向性揚聲裝置所發射出的超聲波束在傳播上不易受到雜訊的影響，進而有助於提升指向性揚聲裝置的音訊品質。此外，由於指向性揚聲裝置在傳送聲音之前已對原始音頻訊號的增益進行補償，因此指向性揚聲裝置還有助於降低聲音的失真。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本 揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧指向性揚聲裝置

110‧‧‧補償電路

120‧‧‧調變電路

130‧‧‧發射電路

111‧‧‧快速傅立葉轉換單元

112‧‧‧頻譜分析單元

113‧‧‧訊號補償單元

114‧‧‧反快速傅立葉轉換單元

121‧‧‧訊號產生單元

122‧‧‧相位調變單元

131‧‧‧濾波放大單元

132‧‧‧超音波陣列

S11‧‧‧原始音頻訊號

S12‧‧‧音頻校正訊號

S13‧‧‧相位調變訊號

UB1‧‧‧超聲波束

210‧‧‧音框

S21‧‧‧頻域訊號

S211~S214‧‧‧區段訊號

S22‧‧‧超音波訊號

310~350‧‧‧人們

圖1為依據本揭露一實施例之指向性揚聲裝置的方塊示意圖。

圖2為依據本揭露一實施例之用以說明原始音頻訊號在轉換上的波形示意圖。

圖3為依據本揭露一實施例之指向性揚聲裝置的應用示意圖。

圖4A為依據本揭露一實施例之在沒有對原始音頻訊號進行補償下所量測到之聲波的頻譜圖。

圖4B為依據本揭露之一實施例之在對原始音頻訊號進行補償下所量測到之聲波的頻譜圖。

圖5為依據本揭露一實施例之產生指向性聲波的方法流程圖。

100‧‧‧指向性揚聲裝置

110‧‧‧補償電路

120‧‧‧調變電路

130‧‧‧發射電路

111‧‧‧快速傅立葉轉換單元

112‧‧‧頻譜分析單元

113‧‧‧訊號補償單元

114‧‧‧反快速傅立葉轉換單元

121‧‧‧訊號產生單元

122‧‧‧相位調變單元

131‧‧‧濾波放大單元

132‧‧‧超音波陣列

S11‧‧‧原始音頻訊號

S12‧‧‧音頻校正訊號

S13‧‧‧相位調變訊號

UB1‧‧‧超聲波束

S21‧‧‧頻域訊號

S22‧‧‧超音波訊號

Claims (10)

1. 一種指向性揚聲裝置，包括：一補償電路，依據一原始音頻訊號的頻譜特性對該原始音頻訊號的增益進行補償，並據以產生一音頻校正訊號，其中該原始音頻訊號分布在多個頻段中，該補償電路依據該些頻段的中心頻率產生多個增益值，且該些增益值反比於該些頻段的中心頻率，該補償電路利用該些增益值對該原始音頻訊號的增益進行補償，以產生該音頻校正訊號；一調變電路，利用該音頻校正訊號對一超音波訊號進行相位調變，並據以產生一相位調變訊號；以及一發射電路，響應於該相位調變訊號而沿著一特定方向發射出一超聲波束，且該超聲波束沿著該特定方向在空氣中自解調成一聲波。
2. 如申請專利範圍第1項所述之指向性揚聲裝置，其中該補償電路包括：一快速傅立葉轉換單元，對該原始音頻訊號進行快速傅立葉轉換運算，以將該原始音頻訊號轉換成一頻域訊號；一頻譜分析單元，以一預設頻率間隔將該頻域訊號劃分成多個區段訊號；一訊號補償單元，依據該些區段訊號所對應的該些頻段的中心頻率產生該些增益值，並利用該些增益值對該些區段訊號的增益進行補償；以及一反快速傅立葉轉換單元，依序對補償後的該些區段 訊號進行反快速傅立葉轉換運算，以產生該音頻校正訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之指向性揚聲裝置，其中該調變電路包括：一訊號產生單元，用以產生該超音波訊號；以及一相位調變單元，將該音頻校正訊號與該超音波訊號進行相位調變，並據以產生該相位調變訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之指向性揚聲裝置，其中該發射電路包括：一濾波放大單元，對該相位調變訊號進行濾波與放大處理；以及一超音波陣列，響應於來自該濾波放大單元的該相位調變訊號而沿著該特定方向發射出該超聲波束。
5. 如申請專利範圍第1項所述之指向性揚聲裝置，其中該濾波放大單元包括一功率放大器，且該功率放大器用以放大該相位調變訊號。
6. 一種產生指向性聲波的方法，適用於一指向性揚聲裝置，包括：依據一原始音頻訊號的頻譜特性對該原始音頻訊號的增益進行補償，以產生一音頻校正訊號，其中依據該原始音頻訊號的頻譜特性對該原始音頻訊號的增益進行補償，以產生該音頻校正訊號的步驟包括：依據該原始音頻訊號所分布的多個頻段的中心頻率產生多個增益值，且該些增益值反比於該些頻段的中心頻率；以及 利用該些增益值對該原始音頻訊號的增益進行補償，以產生該音頻校正訊號；利用該音頻校正訊號對一超音波訊號進行相位調變，以產生一相位調變訊號；以及響應於該相位調變訊號而沿著一特定方向發射出一超聲波束，其中該超聲波束沿著該特定方向在空氣中自解調成一聲波。
7. 如申請專利範圍第6項所述之產生指向性聲波的方法，其中依據該原始音頻訊號所分布的該些頻段的中心頻率產生該些增益值的步驟包括：對該原始音頻訊號進行快速傅立葉轉換運算，以將該原始音頻訊號轉換成一頻域訊號；以一預設頻率間隔將該頻域訊號劃分成多個區段訊號；以及依據該些區段訊號所對應的該些頻段的中心頻率產生該些增益值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之產生指向性聲波的方法，其中利用該些增益值對該原始音頻訊號的增益進行補償，以產生該音頻校正訊號的步驟包括：利用該些增益值對該些區段訊號的增益進行補償；以及依序對補償後的該些區段訊號進行反快速傅立葉轉換運算，以產生該音頻校正訊號。
9. 如申請專利範圍第6項所述之產生指向性聲波的 方法，其中利用該音頻校正訊號對該超音波訊號進行相位調變，以產生該相位調變訊號的步驟包括：產生該超音波訊號；以及將該音頻校正訊號與該超音波訊號進行相位調變，以產生該相位調變訊號。
10. 如申請專利範圍第6項所述之產生指向性聲波的方法，其中響應於該相位調變訊號而沿著該特定方向發射出該超聲波束的步驟包括：對該相位調變訊號進行濾波與放大處理；以及利用經由濾波並放大後的該相位調變訊號驅動一超音波陣列，以產生該超聲波束。