声频定向扬声器系统及其信号处理方法 【技术领域】
本发明涉及一种强指向性参量阵扬声器系统，尤其涉及一种将超声载波与音频信号在一步实现调制和放大的声频定向扬声器系统及其信号处理方法。
背景技术
声频定向扬声器又被称作指向性声学系统(directional acoustics system)、参量声学阵列(parametric acoustics array)、参量扬声器(parametric loudspeaker)等。由于其利用超声波在空气传播中的非线性交互作用产生高指向性自解调可听声，可实现声频声的定向传播。
一种声频定向扬声器系统的实现原理如图1所示，所示声频定向扬声器系统是基于数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)技术的数字系统实现信号处理。处理过程如下：首先将音频信号通过音频输入端11输入到模拟/数字转换器12中，再通过模拟/数字转换器12对输入至数字信号处理器13中的音频信号11进行模-数转换，将模拟的音频信号转换成所述数字信号处理器13可以处理的数字信号。在所述数字处理器13中完成两个步骤：第一步是失真预处理，第二步是将预处理过的音频信号与超声载波信号进行振幅键控调制(ASK)，生成超声载波调制信号。经过调制的音频信号再通过数字/模拟转换器14进行数-模转换之后送入到功率放大器15进行放大后，通过超声换能器16将超声波发射到空气中，利用所述超声声波在空气中传播时产生的非线性效应自我解调重新生产音频信号，被人耳听见。
然而，所述声频定向扬声器系统基于DSP的数字系统进行信号处理，受所述数字/模拟转换器14和所述功率放大器15的限制影响调制效果，且系统复杂，同时要求效率较高的参量阵系统需开发特殊的调制方法，导致系统成本较高，难以商用化。
【发明内容】
为解决上述声频定向扬声器系统系统复杂且系统成本高的问题，有必要提供一种系统简单且成本低的声频定向扬声器系统。
一种声频定向扬声器系统，其包括音频放大器、超声载波输入端、H桥电路、低通滤波器及超声波换能器，所述音频放大器及所述超声载波输入端分别电连接至所述H桥电路，所述H桥电路电连接至所述低通滤波器，所述低通滤波器电连接至所述超声波换能器。
作为上述声频定向扬声器系统的进一步改进，所述H桥电路用于对所述音频放大器输出的音频信号进行超声载波调制，生成超声载波调制信号并对所述超声载波调制信号功率放大。
作为上述声频定向扬声器系统的进一步改进，所述超声载波调制方式为振幅调制。
作为上述声频定向扬声器系统的进一步改进，所述超声载波调制方式为单边带调制。
作为上述声频定向扬声器系统的进一步改进，所述声频定向扬声器系统进一步包括一音频输入端，所述音频输入端电连接至所述音频放大器，音频信号通过所述音频输入端输入所述音频放大器。
作为上述声频定向扬声器系统的进一步改进，所述音频放大器对所述音频输入端输入的音频信号进行预处理，包括功率放大。
作为上述声频定向扬声器系统的进一步改进，所述超声载波输入端输入的超声载波频率为40kHz。
上述声频定向扬声器系统的信号处理方法，包括以下步骤：
对输入的音频信号进行预处理；
输入超声载波信号，同时完成所述经过预处理的音频信号和所述超声载波信号的调制及放大，生成超声载波信号；
对所述超声载波信号进行低通滤波；
将经过低通滤波后的超声载波信号输入到超声波换能器，生成强指向性的音频信号。
作为上述声频定向扬声器系统的信号处理方法的进一步改进，所述生成超声载波的调制过程采用振幅调制或者单边带调制。
本发明中采用H桥电路一步完成对超声载波及音频信号的超声载波调制及放大，所述声频定向扬声器系统信号处理过程采用不同于DSP信号的模拟信号处理方式，系统组成简单，效率高，且成本低。
【附图说明】
图1是一种与本发明相关的声频定向扬声器系统结构示意图。
图2本发明一种声频定向扬声器系统一较佳实施例的结构示意图。
图3是图2所示声频定向扬声器超声换能器的工作原理图。
【具体实施方式】
为了方便说明，下面结合图2、3对本发明所描述的声频定向扬声器系统及其信号处理方法进行说明。
如图2所示，所述声频定向扬声器系统2包括音频输入端21、音频放大器22、超声载波输入端23、H桥电路24、低通滤波器25及超声换能器26。所述音频输入端21电性连接至所述音频放大器22，所述音频放大器22电性连接至所述H桥电路24，并为所述H桥电路24提供电源。所述H桥电路24包括四个功率金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)管(未标示)。所述超声载波驱动端23也电性连接至所述H桥电路24。所述H桥电路24电性连接至所述低通滤波器25，所述低通滤波器25电性连接至所述超声换能器26。
本发明的声频定向扬声器系统2的一种信号处理方法包括以下步骤：首先音频信号通过所述的音频输入端21输入到所述音频放大器22进行预处理，预处理作用主要有增加音频信号强度、减少失真、增强低频等；经过所述音频放大器22放大处理后的音频信号输入到所述H桥电路24中，同时，所述超声波输入端23输入一超声波驱动信号以驱动所述H桥电路24，使得所述H桥驱动电路24的对角线相对两组MOS管高速开启与闭合，同时实现所述超声载波与经过所述音频放大器22放大后的音频信号的调制及放大，生成超声载波调制信号。所采用的载波调制的方法之一是双边带调制(Double-SideBand，DSB)，实现超声载波与音频信号的振幅调制。假设经过处理的音频信号为m(t)＝[A+m′(t)]，A为常数，表示直流分量，m′(t)代表交流分量。载波信号为U(t)＝sinωct，则双边带调制信号为[A+m′(t)]sinωct。在本实施例中，所述超声载波频率为40kHz，音频信号为1kHz。当所述音频信号与40kHz的超声载波信号进行双边带调制波(Double-Sideband Modulation，DSB)振幅调制后，得到的调制载波信号频谱成份为(40k±1k)Hz。进一步利用所述低通滤波器25对双边带调制信号进行滤波，滤掉超声高频信号及纹波，还原出原音频信号，即人耳能听到的音频信号，再将所述音频信号输入到所述超声波换能器26。
本实施例中，所述超声载波与音频信号的调制也可以采用单边带调制(Single Side-Band，SSB)，SSB信号的时域表示式为为m(t)希尔伯特变换。“+”为下边带，“-”为上边带。
所述声频定向扬声器2的超声波发射器26一般都是由若干个压电超声换能器组成的发射阵。采用高功率的超声换能器传输低频信号，达到增强解调音频信号的低频。如图3所示，所述低通滤波器25还原出的人耳可以听到的低频信号送入所述超声波换能器26，超声换能器26通过机械振动向空气中发射两列频率分别为f1，f2的超声波。这两列超声波在空气中产生非线性交互作用，从而最后生成了包括原超声信号f1，f2、和频信号f1+f2及差频信号f1-f2的复杂声波。由于声吸收系数α与频率地平方成正比，频率较高的超声波信号f1，f2，f1+f2将很快被空气吸收掉，剩下处于声频范围内的差频信号f1-f2在空气中高指向性传播。
本发明的声频定向扬声器系统2利用模拟的方法实现声频定向扬声器的声频高指向性传播，将超声载波及音频信号分开放大并通过成熟的H桥电路一步实现所述超声载波信号及音频信号的调制及放大，功放效率高，成本低。
以上仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。