一种定向声产生装置及方法.pdf

本发明提供一种定向声产生装置及方法，装置包括：信号预处理模块对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给脉冲宽度调制模块；脉冲宽度调制模块将处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号；驱动放大模块对已调制的超声载波信号进行驱动放大；超声换能器阵列模块将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音；超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，超声载波信号的载波频率根据每个阵元的工作频率设置。脉冲宽度调制结构比较简单，失真较小，具有良好的集成性和能效比。

权利要求书1.  一种定向声产生装置，其特征在于，包括：信号预处理模块、脉冲宽度调制模块、驱动放大模块和超声换能器阵列模块；所述信号预处理模块，用于对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给所述脉冲宽度调制模块；所述脉冲宽度调制模块，用于将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号；所述驱动放大模块，用于对所述已调制的超声载波信号进行驱动放大；所述超声换能器阵列模块，用于将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音；所述超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，所述超声载波信号的载波频率根据每个所述阵元的工作频率设置。2.  根据权利要求1所述的定向声产生装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制模块根据以下脉冲宽度调制传输函数进行脉冲宽度调制得到所述已调制的超声载波信号：So＝HPWM{St}；其中，So为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调制传输函数；所述超声载波信号的频率为fc；fc＝ft-fe；其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，fe为误差补偿因子，fe∈[-100,0)∪(0,100]。3.  根据权利要求2所述的定向声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率ft满足以下条件：3fsig≤ft≤fmos；其中，fsig为所述数字音频信号的最大频率，fmos为所述脉冲宽度调制模块中开关器件的最大频率。4.  根据权利要求1或2所述的定向声装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制的空载占空比为50％±10％。5.  根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列中的任意两个阵元的相位差小于90度。6.  根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述信号预处理模块，还用于当检测到所述数字音频信号为空载时，发送控制信号给所述脉冲宽度调制模块，所述脉冲宽度调制模块关闭。7.  根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述带通滤波器的截止频率和通带带宽由所述数字音频信号的带宽和超声换能器的带宽决定。8.  根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列的超声传感器阵列的阵型为矩形交错阵列或六边形加权阵列。9.  根据权利要求8所述的定向声装置，其特征在于，所述矩形交错阵列或六边形加权阵列中的阵元采用并联连接，且任意两个相邻阵元之间的中心间距d相等，且d满足如下条件：d≤2r+c4fc;]]>其中，r为阵元的振膜半径，fc为超声载波信号的频率，c为超声换能器在介质中的传播速度。10.  根据权利要求1所述的定向声装置，其特征在于，所述LC低通滤波电路中的电容由所述超声换能器阵列中超声传感器阵元的等效电容来提供，所述LC低通滤波电路中的电感Le满足以下条件：522nCπ2fc2≤Le≤518nCπ2fc2;]]>其中fc为超声载波信号的频率，C为所述超声换能器阵列中阵元的静态电容，n为所述超声换能器阵列中阵元的数量。11.  一种定向声产生方法，其特征在于，包括以下步骤：对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理；将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号；对所述已调制超声载波信号进行驱动放大；将放大后的已调制超声载波信号利用LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音。12.  根据权利要求11所述的定向声产生方法，其特征在于，所述利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号，具体利用如下脉冲宽度调制传输函数进行：So＝HPWM{St}；其中，So为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调制传输函数；所述超声载波信号的频率为fc；fc＝ft-fe；其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，ft大于20kHz；fe为误差补偿因子，fe∈[-100,0)∪(0,100]。

说明书一种定向声产生装置及方法
技术领域
本发明涉及定向声技术领域，特别涉及一种定向声产生装置及方法。
背景技术
定向声技术是一种将声波控制在空间某一区域内定向传输的技术，与传统扬声器发出的声波向各个方向传播不同，定向声技术只能在特定区域中传播声音，而在特定区域之外则衰减很快，几乎听不到声音，因此具有较好的私密性，也减少了噪音的产生，在军事以及民用领域均拥有广泛的应用前景。
国内外针对定向声技术开展了一些研究，其主要依据是Westervelt方程和Berktay远场解的两种参量声学阵理论，利用超声在空气中传播的非线性作用产生定向传播的可听声音。其中信号处理和调制方法是产生定向声的关键技术。
目前产生定向声的技术均比较复杂，并且成本很高，一般应用在军事领域，在民用应用的几乎没有。
因此，本领域技术人员需要提供一种定向声产生装置，能够降低成本，使定向声技术以及产品应用在民用领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种定向声产生装置及方法，能够降低成本，使定向声技术以及产品应用在民用领域。
本发明实施例提供一种定向声产生装置，包括：信号预处理模块、脉冲宽度调制模块、驱动放大模块和超声换能器阵列模块；
所述信号预处理模块，用于对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给所述脉冲宽度调制模块；
所述脉冲宽度调制模块，用于将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号；
所述驱动放大模块，用于对所述已调制的超声载波信号进行驱动放大；
所述超声换能器阵列模块，用于将放大后的已调制的超声载波信号通过 LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音；所述超声换能器中的超声传感器阵列包括多个阵元，所述超声载波信号的载波频率根据每个所述阵元的工作频率设置。
优选地，所述脉冲宽度调制模块根据以下脉冲宽度调制传输函数进行脉冲宽度调制得到所述已调制的超声载波信号：
So＝HPWM{St}；
其中，So为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调制传输函数；
所述超声载波信号的频率为fc；fc＝ft-fe；
其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，fe为误差补偿因子，fe∈[-100,0)∪(0,100]。
优选地，所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率ft满足以下条件：3fsig≤ft≤fmos；
其中，fsig为所述数字音频信号的最大频率，fmos为所述脉冲宽度调制模块中开关器件的最大频率。
优选地，所述脉冲宽度调制的空载占空比为50％±10％。
优选地，所述超声换能器阵列中的任意两个阵元的相位差小于90度。
优选地，所述信号预处理模块，还用于当检测到所述数字音频信号为空载时，发送控制信号给所述脉冲宽度调制模块，所述脉冲宽度调制模块关闭。
优选地，所述带通滤波器的截止频率和通带带宽由所述数字音频信号的带宽和超声换能器的带宽决定。
优选地，所述超声换能器阵列的超声传感器阵列的阵型为矩形交错阵列或六边形加权阵列。
优选地，所述矩形交错阵列或六边形加权阵列中的阵元采用并联连接，且任意两个相邻阵元之间的中心间距d相等，且d满足如下条件：
d≤2r+c4fc;]]>
其中，r为阵元的振膜半径，fc为超声载波信号的频率，c为超声换能器在介质中的传播速度。
优选地，所述LC低通滤波电路中的电容由所述超声换能器阵列中超声传感器阵元的等效电容来提供，所述LC低通滤波电路中的电感Le满足以下条件：
522nCπ2fc2≤Le≤518nCπ2fc2;]]>
其中fc为超声载波信号的频率，C为所述超声换能器阵列中阵元的静态电容，n为所述超声换能器阵列中阵元的数量。
本发明实施例还提供一种定向声产生方法，包括以下步骤：
对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理；
将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号；
对所述已调制超声载波信号进行驱动放大；
将放大后的已调制超声载波信号利用LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音。
优选地，所述利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号，具体利用如下脉冲宽度调制传输函数进行：
So＝HPWM{St}；
其中，So为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调制传输函数；
所述超声载波信号的频率为fc；fc＝ft-fe；
其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，ft大于20kHz；fe为误差补偿因子，fe∈[-100,0)∪(0,100]。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本实施例提供的定向声产生装置，利用脉冲宽度调制模块将超声载波信号用数字音频信号调制生成已调制的超声载波信号。为了解决脉冲宽度调制的信号幅度较小以及超声在空气中的低频效果差的问题，本发明中在前端对信号进行了预处理，包括对信号进行滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理。由于脉冲宽度调制结构比较简单，失真较小，而且具有良好的集成性和能效比，因此，本发明提供的这种装置可以应用在民用领域，例如，可以应用在银行的 柜台ATM机，医院的窗口、博物馆的讲解台等场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的定向声产生装置实施例一示意图；
图2是本发明提供的信号预处理模块内部结构示意图；
图3是本发明提供的定向声产生方法实施例一流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
装置实施例一：
参见图1，该图为本发明提供的定向声产生装置实施例一示意图。
本实施例提供的定向声产生装置，包括：信号预处理模块100、脉冲宽度调制模块200、驱动放大模块300和超声换能器阵列模块400；
所述信号预处理模块100，用于对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理，将处理后的信号发送给所述脉冲宽度调制模块；
需要说明的是，信号预处理模块100接收的是数字音频信号，如果定向声产生装置接收的是模拟音频信号，需要经过AD转换器，将模拟音频信号转换为数字音频信号之后，再输送给信号预处理模块100。
所述带通滤波器的截止频率和通带带宽由所述数字音频信号的带宽和超能换能器的带宽决定。
对滤波后的信号进行增益放大，可以弥补脉冲宽度调制中信号幅度较小的 问题。
低频补偿主要基于物理声学和心理学模型，根据人耳-频率响应曲线和声音信号的时域变化特点对于信号低频部分进行补偿。低频补偿可以弥补解调后的可听声音信号的低频效果较差的问题。
对低频补偿后的信号进行压缩限幅处理，其中压缩比可以在1.5-2的范围内取值，启动时间可以在50ms-70ms的范围内取值。
所述脉冲宽度调制模块200，用于将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号；
所述驱动放大模块300，用于对所述已调制的超声载波信号进行驱动放大；
所述超声换能器阵列模块400，用于将放大后的已调制的超声载波信号通过LC低通滤波电路匹配超声传感器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音；所述超声换能器的超声传感器阵列包括多个阵元，所述超声载波信号的载波频率根据每个所述阵元的工作频率设置。
超声换能器阵列主要由LC低通滤波电路和超声传感器阵列构成，可以根据实际应用场景选择矩形交错阵列或六边形加权阵列。
本实施例提供的定向声产生装置，利用脉冲宽度调制模块将超声载波信号用音频信号调制生成已调制的超声载波信号。为了解决脉冲宽度调制的信号幅度较小以及超声在空气中的低频效果差的问题，本发明中在前端对信号进行了预处理，包括对信号进行滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理。由于脉冲宽度调制结构比较简单，失真较小，而且具有良好的集成性和能效比。
装置实施例二：
参见图2，该图为本发明提供的信号预处理模块内部结构示意图。
本实施例提供的信号预处理模块包括：带通滤波子模块101、增益放大子模块102、低频补偿子模块103和压缩限幅子模块104；
带通滤波子模块101，用于对输入的数字音频信号进行带通滤波，将截止频率以外的信号均滤除掉；
增益放大子模块102，用于对带通滤波子模块输出的信号进行放大；
低频补偿子模块103，用于对增益放大子模块输出的信号进行低频补偿；
压缩限幅子模块104，用于对增益放大后的信号进行压缩限幅。
需要说明的是，本发明中对于信号的预处理均是与后续的脉冲宽度调节和超声换能器阵列相对应的，为了解决后续信号处理过程中存在的问题。从而在信号进入脉冲宽度调制模块之前就对信号进行处理，弥补脉冲宽度调制模块的弊端。从而保证超声换能器输出的信号不失真，并且在可听范围内。
本实施例中，所述脉冲宽度调制模块根据以下脉冲宽度调制传输函数进行脉冲宽度调制得到所述超声载波信号：
So＝HPWM{St}；
其中，So为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调制传输函数；
所述超声载波信号的频率为fc；fc＝ft-fe；
其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，fe为误差补偿因子，fe∈[-100,0)∪(0,100]，这样才可以产生可听声音。
fe若偏离该条件较大，则无法产生可听声音，若fe为0则会产生一种自激发的单频噪声，该噪声当输入数字音频信号的时候由于声音的掩蔽效应容易淹没，但是当输入数字音频信号为零时则会非常明显。
其中，HPWM函数由超声载波信号的频率fc、调制比m和载波比Cr确定。调制比m为St信号峰值与超声载波信号峰值Umax的比值，载波比Cr为超声载波信号的频率fc与St信号频率的比值。由于调制的超声信号在空气中自解调属于非线性效应，因此HPWM函数一般不用具体的解析表达式表示，其最优函数由实验测量的关键参数决定，根据HPWM最优函数可以设计相对应的PWM电路。
所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率ft满足以下条件：3fsig≤ft≤fmos；
其中，fsig为所述数字音频信号的最大频率，fmos为所述脉冲宽度调制模块中开关器件的最大频率。
理论上，若脉冲宽度调制采用规则采样方法，ft大于两倍的fsig即能满足采样定理。该值显然越大越好，一般D类功放中要求该值大于12倍的fsig，但 是定向声方法中调制载波必须工作在超声频段且必须远小于开关器件的最大频率fmos，经过实验确定ft在3～6倍fsig为最佳。
所述脉冲宽度调制的空载占空比为50％±10％。
其中，脉冲宽度调制的占空比为高电平脉宽时间和调制载波周期的比值。在定向声方法中该占空比是随着输入的数字音频信号不断变化的，当输入的数字音频信号为0时为空载状态。空载占空比将影响调制的超声信号在空气中自解调后的总失真度，当空载占空比为50％时影响最小，也即空载输出的高低电平信号有180度的相位差时，解调后的总失真度较小。随着空载占空比的偏离失真将增大，偏离程度大于10％时的失真将严重影响调制的超声信号在空气中自解调后的声音质量。
所述信号预处理模块，还用于当检测到所述数字音频信号为空载时，发送控制信号给所述脉冲宽度调制模块，所述脉冲宽度调制模块关闭。
所述超声换能器阵列中的任意两个阵元的相位差小于90度。任意两个阵元的相位差将影响调制后的超声信号在空气中自解调后的总失真度，随着相位差的增大，失真也随之增大，超过90度时将严重影响调制的超声信号在空气中自解调后的声音质量。因此，需要任意两个阵元的相位差小于90度。
由PWM脉冲宽度调制信号平均功率决定的信号总增益G＝G1*G2。
其中，G1为信号增益的增益倍数，G2为压缩限幅的增益倍数。
limG*Max{Si(t)}＝m*Uc；
其中，m为调制比，Uc为调制载波信号的峰值。
所述矩形交错阵列或六边形加权阵列中的阵元采用并联连接，且任意两个相邻阵元之间的中心间距d相等，且d满足如下条件：
d≤2r+c4fc;]]>
其中，r为阵元的振膜半径，fc为超声载波信号的频率，c为超声换能器在介质中的传播速度。
例如，40KHz超声载波信号在均匀空气中的半波长为4.25mm，但通常阵元的振膜半径r大于这个值，因此不可避免阵列波束中旁瓣的产生。这些旁瓣将严重影响阵列的指向性，因此为抑制这些旁瓣，需要d尽可能小，并且任意 两个阵元之间的中心间距相等。但是阵元本身还有封装，另外安装方式也影响d，这些误差根据理论推导和实验确定应该小于四分之一波长。
其中，d取值也将影响已调制的超声信号在空气中自解调后的总谐波失真，其最优值还受超声换能器的阵型和阵元的数量n影响。
另外，阵元的数量n也影响阵列的指向性，n越大其指向性相对越好。
需要说明的是，LC低通滤波电路主要是为了解决矩形交错阵列或六边形加权阵列的适配问题，用于消除脉冲宽度调制过程中产生的高频谐波以及开关器件产生的噪声。
由于通常选用的超声换能器中的超声传感器阵元为压电传感器，因此可用多个并联的阵元直接提供LC低通滤波电路中的电容，其等效电容值为：
Ce＝nC；
其中，C为阵元的静态电容，n为阵元的数量。
所述LC低通滤波电路中的电容由所述超声换能器阵列中的等效电容来实现，所述LC低通滤波电路中的电感Le满足以下条件：
522nCπ2fc2≤Le≤518nCπ2fc2;]]>
其中fc为超声载波信号的频率，C为所述超声换能器阵列中阵元的静态电容，n为所述超声换能器阵列中阵元的数量。
例如，本发明以上实施例提供的定向声装置，可以应用于银行的VTM/ATM机上，VTM/ATM机输出的音频经过该定向声装置可以发出定向声，使用户仅可以在有限的固定范围内听见VTM/ATM机播放的音频内容，有效保证了音频的内容的安全性和私密性。
另外，本发明实施例提供的定向声装置，也可以应用于博物馆的展位上，产生的定向声可以保证该展位区域内的观众可听，其他展位的观众不受该展位声音的干扰。有效降低了环境的嘈杂性，减少公共环境中的噪声污染。
基于以上实施例提供的一种定向声装置，本发明实施例还提供一种定向声产生方法，下面结合附图来详细介绍。
方法实施例一：
参见图3，该图为本发明提供的定向声产生方法实施例一流程图。
本实施例提供的定向声产生方法，包括以下步骤：
S301：对输入的数字音频信号依次进行带通滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理；
需要说明的是，如果定向声产生装置接收的是模拟音频信号，需要经过AD转换器，将模拟音频信号转换为数字音频信号之后，再进行带通滤波。
对滤波后的信号进行增益放大，可以弥补脉冲宽度调制中信号幅度较小的问题。
低频补偿主要基于物理声学和心理学模型，根据人耳-频率响应曲线和声音信号的时域变化特点对于信号低频部分进行补偿。低频补偿可以弥补解调后的可听声音信号的低频效果较差的问题。
对低频补偿后的信号进行压缩限幅处理，其中压缩比可以在1.5-2的范围内取值，启动时间可以在50ms-70ms的范围内取值。
S302：将所述处理后的信号利用脉冲宽度调制得到调制后的超声载波信号；
S303：对所述超声载波信号进行驱动放大；
S304：将放大后已调制的超声载波信号利用超声换能器阵列发射出超声信号，利用超声信号在空气中的非线性传播产生定向声音。
超声换能器阵列主要由LC低通滤波电路和超声传感器阵列构成，可以根据实际应用场景选择矩形交错阵列或六边形加权阵列。
本实施例提供的定向声产生装置，利用脉冲宽度调制模块用音频信号调制超声载波信号。为了解决脉冲宽度调制的信号幅度较小以及超声在空气中的低频效果差的问题，本发明中在前端对信号进行了预处理，包括对信号进行滤波、增益放大、低频补偿和压缩限幅处理。由于脉冲宽度调制结构比较简单，失真较小，而且具有良好的集成性和能效比，因此，本发明提供的这种装置可以应用在民用领域，例如，可以应用在银行的柜台ATM机，医院的窗口、博物馆的讲解台等场合。
所述利用脉冲宽度调制得到已调制的超声载波信号，具体利用如下脉冲宽度调制传输函数进行：
So＝HPWM{St}；
其中，So为已调制的超声载波信号；St为输入的数字音频信号；HPWM为脉冲宽度调制传输函数；
所述超声载波信号的频率为fc；fc＝ft-fe；
其中，ft为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，ft大于20kHz；fe为误差补偿因子，fe∈[-100,0)∪(0,100]。
例如，本发明以上实施例提供的方法，可以应用于银行的VTM/ATM机上，VTM/ATM机输出的音频经过该定向声装置可以发出定向声，使用户仅可以在有限的固定范围内听见VTM/ATM机播放的音频内容，有效保证了音频的内容的安全性和私密性。
另外，本发明实施例提供的方法，也可以应用于博物馆的展位上，产生的定向声可以保证该展位区域内的观众可听，其他展位的观众不受该展位声音的干扰。有效降低了环境的嘈杂性，减少公共环境中的噪声污染。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。