一种基于主动解调的自沉默定向声学系统

摘要

本发明公开了一种基于主动解调的自沉默定向声学系统，所述的自沉默定向声学系统是由声参量阵、自沉默控制系统、对冲式发声面板和主动解调装置组成。本发明依据参量扬声器可发出定向声音的特性，并结合使用本发明中所述的声音自沉默和主动解调技术，就可使参量声源有效发出定向、定距的声波束。

说明书

技术领域

一种基于主动解调的自沉默定向声学系统，涉及参量扬声器领域，特别涉及到参量声源实现定向、定距发声的处理方法和装置。

背景技术

常规发声扬声器已经得到了很广泛的应用，比如，常规音响、手机扬声器、电视音响、耳机、会场音响等都属于目前常用的发声装置，它们大都是基于动圈式原理的发声装置。此类扬声器根据具体应用场合的需求往往会在系统内部做均衡、滤波、放大、混响、多声道、压缩与限幅等处理，这样就可获得需要的音响效果。但基于常规声学理论的声学装置也有一个共性，那就是发出的声音不可控，它发出的声音是向周围空间全向传播的。在很多应用场合只希望在一个空间内的特定区域可以听到声音，而其他区域保持安静，很显然现在的传统扬声器技术和当前的声学装置都还不能有效的满足这种需要。

要控制声音的传播方向，目前常用的方法有三种，第一种是在传统发声设备外围加一个聚音罩，这种技术的实现是基于物理反射原理，效果较差；第二种是增大传统扬声器的尺寸，因为声音能否定向传播与声源的尺寸有直接的关系，当声信号的波长与声源尺寸比较接近时，声波可表现出较好的方向性，可听声频率在20Hz~20kHz之间，其波长在17mm~17m之间，很显然通过设计一个巨大的扬声器来实现定向传播声音的方法是不切实际的；第三种方法就是参量阵技术，把声音信号调制在超声信号上，然后通过超声换能器件发出，这样的方法可以实现声音的定向传播，可参考由H. O. Berktay和D. J. Leahy发表的论文《Farfield performance of parametric transmitters》，但是这种方法只可以定向传播，声音能量比较集中的参量声波束传播距离比较远，因此它并不能完全实现声音的空间定距传播。

本专利公开的一种基于主动解调的自沉默定向声学系统，不仅可以实现声音的强定向传播，还可以有效控制声音的传播距离，这种技术在私密声信号保护、防止声音污染、声音特效方面的应用是有利的。在本专利的一个实施例中已经很好的应用了该技术。本专利所述的基于主动解调的自沉默定向声学系统包括数字信号处理技术、换能器阵列布局设计以及主动解调模组设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用自沉默技术可定距传播声音的定向声学装置和方法，它使听众只可在定向声学设备的近场才可听到声音，这种技术可以解决定向扬声器因声音暴露而产生的声频敏感信息泄露以及噪音污染等问题，还可让听众获得一种奇妙的听觉体验。

本发明的另一个目的是针对定向声学设备在近场范围内声音失真的问题，提供一种可促进其在近场自解调的主动式解调装置，实现参量声源可在近场发出高辨识度可听声的目的。

为实现发明中所述技术，基于主动解调的自沉默定向声学系统通过以下技术方案实现，系统包括声参量阵列，自沉默控制模块，对冲式发声面板，主动解调装置。

声参量阵模块是音频信号依次通过预处理、PWM调制、负载匹配、功率放大、直至经过后级的参量阵列面板发出具有指向性的可听声。

自沉默处理系统，在数字音频信号进行调制之前，把单路输入的数字音频信号转换为相同的两通道信号，第一通道信号通过两级希尔伯特变换后进行PWM调制，两级希尔伯特变换可完成信号的180°的相移；第二通道的信号经过一个可调增益模块，可调增益模块可以控制相位互反的两通道信号的幅度差，幅度差值是决定声音传播距离的主要因素；为保持与第一通道信号同步进行调制，这里对第二通道的音频信息进行延时处理；前级信号处理完成后把两通道的声频信号调制到超声载波上。

如专利所述的经过调制的两路信号要分别与后级进行负载匹配，因为负载是呈容性的，所以为了得到最佳的功率输出，就需要用感性器件抵消负载容抗。负载匹配后的两路信号通过D类功率放大单元进行功率放大。

对冲式发声面板，面板上布局的换能器件的特性是完全一致的，根据发声面板上布局的换能器件的电气连接特性不同而把它分为两类；第一类换能器件是通过连接线接在第一通道信号输出端上，第二类换能器件是通过连接线接在第二通道信号输出端上；两类换能器件在基板上均匀布局，均匀布局的两类换能器件所发出的相位相反的声波束在传播的过程中可以有效的进行抵消，声波束抵消的程度可通过声自沉默模块中的增益控制模块进行控制。

主动声解调模块，其实是一个复杂的声反射腔体。发声面板所发出的已调超声波束在传播的过程中经非线性交互作用解调出可听声，在发声面板近场范围的自解调过程不充分，所以可听声失真较严重。为了使听众可在发声面板近场听到清晰的声音信号，专利提供了一种主动声解调模块，它是通过声反射原理使已调超声在一个声反射腔体内传播足够的距离从而促进声音的自解调，其实这是用空间反射换取了声波束的传播距离的过程。

 本发明首次提出可实现定距传播的定向扬声器，并公开了一种针对参量声源的主动声解调方法，这样就解决了传统定向声学设备的远场声音暴露和近场声音失真的问题。由本专利所述的基于主动解调的自沉默声学系统解决了参量声源的两个关键问题，这使其可更有效的应用在防声音干扰、敏感信息保护、声音特效、室内主动降噪方面。

附图说明

图1是基于主动解调的自沉默定向声学系统的总结构图。

图2是自沉默控制模块工作流程图。

图3是对冲式发声面板换能器阵列布局第一个实施例的示意图。

图4是对冲式发声面板换能器阵列布局第二个实施例的示意图。

图5是对冲式发声面板换能器阵列布局第三个实施例的示意图。

图6是主动声解调模块的结构图。

图7是主动声解调模块的分解图。

图8是主动声解调模块截面工作示意图。

具体实施方式

本发明旨在设计一个具有定距传播特性的定向声学设备，并结合附图对实施例进行了详细说明，所述实施例只是为了说明该技术方案，专利包括范围并不由此受到限制。

图1示出了基于主动声解调的自沉默定向声学系统的总结构图。首先是声源1进入参量阵声学系统2，声源1为整个系统提供音频输入并首先经过模拟低通滤波器3，人耳可听声频率范围是20Hz~20kHz，实施例中低通滤波所设计的低通截止频率为20kHz。模数转换单元4完成声频信号的数字化，数字化后的声频信号进入数字信号处理平台5，实施例中选择FPGA做为核心处理器，同样可以采用DSP、ARM平台实现此类功能。信号预处理模块6对音频信号进行数字滤波和均衡处理，分别完成高精度滤波和信号补偿功能，接着声频信号转换为相同两通道信号并进入自沉默控制功能模块。如图2所示，第一通道的信号通过两级希尔伯特变换模块8完成180°的移相处理，第二通道的信号依次通过增益控制和延时控制模块7。两级希尔伯特运算比较耗时，为了确保两路信号可对相同的声频信号进行同步幅度调制，对第二路信号进行了延时控制。增益控制是为了调节两路信号的声音强度差，这是控制声音传播距离的主要因素。调制模块9完成两通道声频信号的PWM调制，这里PWM调制包括单载波调制和双载波调制，其中双载波调制指的是两种不同频率的超声信号的叠加作为载波信号。

图3示出了对冲式发声面板换能器阵列布局的第一个实施例。对冲式发声面板的基本原理是通过面板上的两类换能器件发出两路相位相反的声频信号，相位相反的信号在传播过程中会进行抵消，这样就可通过控制两通道声频信号幅度差达到控制声频信号传播距离的目的。换能器阵列布局的一个关键因素就是要确保两类换能器件在基板上的均匀性。图3中器件14是第一类换能器件，器件15是可发出与第一类换能器件声音反向的第二类换能器件，两类换能器件特性完全一致，这里是根据它们的电气连接不同而分为两类，这两类器件按交叉的方式均匀的布局在基板12上；与图3中所示的器件布局类似，图4中第一类器件14和第二类器件15是以一行为单位交叉布局在基板12表面上；图5中两类器件的布局是以3个换能器件为一单位，其中3个第一类器件组成第一类器件单元14，同样的3个第二类器件组成第二类器件单元15，两类器件单元以均匀交叉的方式布局在基板12上。

图6示出了主动声解调模块的结构图。它是由发声面板12、发射板16、反射板17、外壳前盖19及四周外壳构成的一个腔体，反射板上均匀分布有通音孔18，X轴的方向示出了声波束的传播轴线方向。发射板16和发射板17有两个功能，一是对声波束进行反射，二是声波束可经反射板的通音孔传出。两反射板的通音孔在发射板上的位置是不同的，这样的设计确保了声音需经过多次的反射才可从后级的通音孔传出，声波束在反射腔体内的多次反射是已调超声在一个较小的腔体内充分完成声音自解调的关键。图7是主动声解调模块的结构分解图。对冲式发声面板12与反射板16、反射板16与发射板17之间的距离在2毫米至30厘米之间。图8示出了主动声解调模块截面的工作示意图，它的腔体包括2个反射面和腔体前盖。对冲式发声面板12的一个发声单元发出声波20，声波首先到达主动声解调模块的第一个反射板，声波束的一部分通过了反射板的通声空，另一部分波束经反射板反射到达发声面板后再次反射，声波入射角和反射角相同。在主动声解调模块内的声波束经过多次交互反射最终会从腔体内发出，这样就可在主动声解调模块的近场就听到充分解调后的声音信号。

应该理解专利所述实施例只是为了说明该技术的原理应用，相关领域技术人员在理解该技术原理和原则后同样可以做出多种同等修改和替换，权利要求书的内容就是为了涵盖所有此类修改和替换。