專利名稱：數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器及數(shù)字音頻信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及超聲波應(yīng)用技術(shù)，尤其涉及利用超聲波制作定向揚(yáng)聲器的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
在一些要求聲音局部傳播而區(qū)域間不能產(chǎn)生相互千擾的場合，如多國會議，在飛 機(jī)、餐廳、游戲室、網(wǎng)吧等，常常需要為不同坐位或區(qū)域的人提供不同的聲音服務(wù)，如 多國語音、背景音樂、對話等。這就需要定向揚(yáng)聲器。傳統(tǒng)的定向揚(yáng)聲器一般是利用可 聽聲的曲面反射、陣列等效果而非超聲波來產(chǎn)生指向性可聽聲，其實(shí)質(zhì)是傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的 改良，指向性效果很差。因此，在這些場合考慮怕影響他人只好忍受佩戴耳機(jī)之苦。
利用超聲波在空氣中的非線性傳播效應(yīng)產(chǎn)生高指向性可聽聲的聲頻定向揚(yáng)聲器，其 音頻信號經(jīng)過信號處理后形成含有該音頻信號信息的超聲信號，由聲頻定向揚(yáng)聲器的發(fā) 聲設(shè)備——換能器將該超聲波發(fā)射到空氣中。該超聲波在空氣中自解調(diào)出音頻信號，形 成指向性很強(qiáng)的可聽聲信號
1962年，布朗大學(xué)的物理學(xué)教授Peter Westervelt首次提出了參量陣?yán)碚摀Q能器 向介質(zhì)中發(fā)出超聲波，超聲波在沿其傳播軸傳播過程中通過非線性作用解調(diào)出聲頻信號； 這種不斷解調(diào)出來的聲頻波累積疊加起來，沿聲波傳播軸形成一系列虛擬聲源陣，即所 謂的參量陣；參量陣使得聲頻波的能量在聲波前進(jìn)方向上不斷得到加強(qiáng)；由于超聲波具 有很強(qiáng)的指向性，傳播主軸方向以外這種疊加加強(qiáng)效應(yīng)很微弱，這最終導(dǎo)致聲頻波在主 傳播軸方向具有了很高的指向性。參量陣的提出為產(chǎn)生高指向性聲頻波的實(shí)現(xiàn)提供了理 論依據(jù)。
1965年，在Westervelt提出的參量陣?yán)碚摶A(chǔ)上，H. 0. Berktay進(jìn)一步提出了有 關(guān)參量陣更精確、更完整的理論解釋，并提出了聲頻定向揚(yáng)聲器利用超聲波非線性傳播 效應(yīng)產(chǎn)生高指向性可聽聲的自解調(diào)理論模型含有音頻信號信息的超聲波自解調(diào)出的可
聽聲聲壓P(f)的幅值正比于換能器發(fā)出的超聲波信號包絡(luò)E(t)平方的二次時間導(dǎo)數(shù)，
即<formula>complex formula see original document page 4</formula> 式(1)
式(1)被稱作"Berktay遠(yuǎn)聲場解"。它假設(shè)這時聲源足夠遠(yuǎn)，以至于可以忽略任何 超聲波(一次波或稱基波)的存在。事實(shí)上，這個解對近場也是正確的，但此時超聲波 與解調(diào)信號同時存在。
在Westervelt和Berktay提出的參量聲學(xué)陣?yán)碚摶A(chǔ)上，后續(xù)研究者針對聲頻定向 揚(yáng)聲器提出了雙邊帶調(diào)制(DSB)算法、平方根算法、雙積分又平方根算法、單邊帶調(diào)制 (SSB)算法等，但這些算法仍存在不足
采用雙邊帶調(diào)制(DSB)算法的系統(tǒng)中，解調(diào)后的音頻信號幅度與調(diào)制系數(shù)M成正比，其二次諧波幅度與附2成正比。系統(tǒng)失真隨著附的減小而減小，但同時轉(zhuǎn)換效率也降低了；在調(diào)制前進(jìn)行平方根算法可產(chǎn)生合適的調(diào)制包絡(luò)且調(diào)制系數(shù)可取較大的值，但需要無限 的信號帶寬來實(shí)現(xiàn)。無限帶寬的物理裝置難以實(shí)現(xiàn)，并且無限帶寬會引發(fā)諧波失真等新 的問題；先進(jìn)行雙積分然后開方的聲頻信號預(yù)處理方法失真較小，但數(shù)字實(shí)現(xiàn)較為繁瑣， 對系統(tǒng)實(shí)時處理性能要求較高，同時也存在需要無限實(shí)現(xiàn)帶寬的問題。
此外，多數(shù)聲頻定向揚(yáng)聲器的超聲換能器為高電抗負(fù)載，采用線性放大器驅(qū)動效率 低下，而采用開關(guān)式功率放大器可保證較高效率?，F(xiàn)行D類功率放大器所需開關(guān)頻率至 少為待放大信號最高頻率的10倍以上。聲頻定向揚(yáng)聲器中待放大信號為超聲信號，所需 開關(guān)頻率因此會變得很高。這使得轉(zhuǎn)換效率大大降低，且超聲換能器為電抗性負(fù)載，直 接加載高頻信號會導(dǎo)致器件燒毀。
因此，在現(xiàn)有條件下，現(xiàn)行聲頻定向揚(yáng)聲器功能單一、配套設(shè)施不完善、不夠人性 化。 一經(jīng)安裝，對音量、指向性角度、聲音的傳播方向、音效處理、遠(yuǎn)程控制等方面無 法實(shí)時調(diào)節(jié)，會給使用者帶來諸多不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在綜合現(xiàn)有數(shù)字聲頻揚(yáng)聲器技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，提出更為完善的方 法和產(chǎn)品。采用開關(guān)式放大器保證功放效率，在數(shù)字處理模塊中進(jìn)行近似平方根算法以 及自動增益控制、多級反饋、失真補(bǔ)償?shù)?，保證揚(yáng)聲器系統(tǒng)失真度小，指向性強(qiáng)，帶寬 要求低。
本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的
一種數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器，其特征在于，包括根據(jù)輸入的音源信號幅值自動調(diào) 節(jié)增益的自動增益控制模塊，濾除音頻信號頻率以外成分的濾波器，模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換的 信號采集模塊，對數(shù)字音頻信號進(jìn)行處理，輸出兩態(tài)電平信號的數(shù)字信號處理模塊，對兩態(tài)電平信號進(jìn)行功率放大的開關(guān)式放大器，將信號加載到換能器上的匹配網(wǎng)絡(luò)，將電 信號轉(zhuǎn)換為超聲信號的換能器，以及遙控接收單元和遙控發(fā)射單元。
所述自動增益控制模塊由自動增益控制放大器及外圍電路構(gòu)成，所述數(shù)字信號處理 模塊是單片機(jī)、嵌入式處理器、數(shù)字信號處理芯片(DSP)、現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)、 復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)或其他數(shù)字集成芯片及可完成數(shù)字信號處理的數(shù)字電路中 的一種或數(shù)種，具有多種擴(kuò)展接口。所述開關(guān)式放大器是D類、E類、F類、G類、H類、 T類或其他。濾波器為模擬濾波器或數(shù)字濾波器，種類是低通濾波器或帶通濾波器。
數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器的數(shù)字信號處理方法，處理過程對音頻信號進(jìn)行預(yù)處理， 包括自動增益控制、濾波、量化等；在數(shù)字信號處理模塊中采用近似平方根算法或其它 算法使得音頻信號失真度小，帶寬要求降低；在數(shù)字信號處理模塊中做失真補(bǔ)償、信號 均衡，信號反饋、特殊音效等處理，使得揚(yáng)聲器系統(tǒng)失真度小，指向性強(qiáng)；將數(shù)字信號 進(jìn)行脈沖調(diào)制產(chǎn)生兩態(tài)電平信號輸出至開關(guān)式放大器，再經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動超聲換能器； 遙控接收單元接收遙控發(fā)射單元發(fā)出的指令，對指向角度、音量、傳輸距離、音效、聲 音指向等參數(shù)進(jìn)行控制。
在數(shù)字信號處理模塊中采用的近似平方根算法是對平方根算法進(jìn)行Maclaurin級數(shù)
展開，具體表達(dá)式為<formula>complex formula see original document page 6</formula>，其中/(0為
2 2*4 2-4-6
歸一化后的輸入音頻數(shù)字信號，范圍為-1 1。
所述近似平方根算法根據(jù)系統(tǒng)的失真度要求及系統(tǒng)性能選擇的階數(shù)為等于或大于2，
調(diào)制系數(shù)m取值范圍為0 1， ^取值范圍為30KHz 100KHz。
所述數(shù)字信號處理模塊輸出的兩態(tài)電平，每相隔一個脈沖或多個脈沖的高電平或低 電平有相同特征；至少其中一組相隔一個脈沖或多個脈沖的高電平所組成的方波信號包 含經(jīng)算法處理的信號的信息；其中一組相隔一個脈沖或多個脈沖的高電平所組成的序列 插入兩態(tài)信號的低電平后組成方波信號，該方波信號占空比固定或不固定；每相鄰兩個 高電平或低電平間隔時間大于后級開關(guān)放大器開關(guān)器件死區(qū)時間；調(diào)制方式是脈沖幅度 調(diào)制或脈沖寬度調(diào)制或脈沖位置調(diào)制或其改進(jìn)，所述脈沖寬度調(diào)制及脈沖位置調(diào)制其脈 沖信號頻率、幅度可以固定或不固定。
所述自動增益控制是指對輸入信號的電壓、電流、功率參數(shù)的控制，采用自動增益 控制放大器及外圍電路調(diào)整的方式，或采用實(shí)時軟件檢測輸入信號峰峰值調(diào)整或以上兩 種方式的結(jié)合；所述濾波器采用數(shù)字濾波器時在數(shù)字信號處理模塊中完成，其截止頻率根據(jù)音源信號最大頻率確定；信號均衡、失真補(bǔ)償采用電感、變壓器等感性元件抵消換 能器容抗，并與之構(gòu)成諧振回路，諧振頻率等于或接近換能器的諧振頻率的方法。
利用多級反饋以降低系統(tǒng)噪聲；加載在超聲換能器上電信號經(jīng)解調(diào)器反饋到采集模 塊前端；數(shù)字信號處理模塊內(nèi)部算法做反饋；匹配網(wǎng)絡(luò)前端方波信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換反饋到 數(shù)字信號處理模塊；
通過數(shù)字信號處理模塊的擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)對聲頻定向揚(yáng)聲器的視頻擴(kuò)展、存儲介質(zhì) 擴(kuò)展、遠(yuǎn)程控制。通過存儲介質(zhì)存儲音頻信號、視頻信號，無需外部任何音源設(shè)備介入 或其他信號載入。
對聲頻定向揚(yáng)聲器的單個或多個單元進(jìn)行控制。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)近似平方根算法開拓了定向揚(yáng)聲器的數(shù)字處理方法。本發(fā)明充 分利用數(shù)字信號處理模塊與其他模塊的配合，由自動增益控制模塊對音源信號幅值進(jìn)行 調(diào)節(jié)，采用開關(guān)式功率放大器，在數(shù)字信號處理模塊內(nèi)對音頻數(shù)字信號的近似平方根算 法或其他算法的處理，以及多級反饋降噪，多單元控制等音效處理，不僅能將聲音傳播 限制在特定區(qū)域內(nèi)，還可通過遙控制指向角度、音量、傳輸距離、音效、聲音指向等參 數(shù)，隨意改變特定區(qū)域的位置,具有極高的聲音控制特性。其質(zhì)量大大提高，實(shí)現(xiàn)高指向 性可聽聲，指向性好，失真度低，應(yīng)用場所范圍大大提高。


圖1為數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器的硬件示意性結(jié)構(gòu)；
圖2為數(shù)字信號處理多種擴(kuò)展接口示意圖3為低通濾波器的頻率響應(yīng)曲線；
圖4為帶通濾波器的頻率響應(yīng)曲線；
圖5為經(jīng)平方根近似算法與平方根算法的波形的對比圖6為調(diào)制系數(shù)^與相對誤差的關(guān)系；
圖7為實(shí)現(xiàn)平方根算法的流程圖8為近似平方根算法的流程圖9為產(chǎn)生兩態(tài)電平方波的實(shí)現(xiàn)方式之一；
圖10為產(chǎn)生兩態(tài)電平方波的實(shí)現(xiàn)方式之二；
圖11為產(chǎn)生兩態(tài)電平方波的實(shí)現(xiàn)方式之三；
圖12為產(chǎn)生兩態(tài)電平方波的實(shí)現(xiàn)方式之四；
圖13為揚(yáng)聲器系統(tǒng)功率放大器部分一實(shí)施例；
圖14為匹配網(wǎng)絡(luò)一具體實(shí)施例；
圖15為多聲道實(shí)現(xiàn)方式示意圖；圖16為遙控器結(jié)構(gòu)操作面板示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明旨在搭建一個能實(shí)現(xiàn)音頻信號自動增益調(diào)節(jié)、濾波、量化，并對數(shù)字信號進(jìn) 行平方根算法、平方根近似算法或其它算法處理，經(jīng)脈沖調(diào)制產(chǎn)生兩態(tài)脈沖信號，進(jìn)行 功率放大后完成聲壓信號輸出的系統(tǒng)。現(xiàn)在參照附圖中示例性實(shí)施對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說 明。但本發(fā)明的內(nèi)容并不由此受到限制，相關(guān)領(lǐng)域的其它人員在此基礎(chǔ)上所做改善及應(yīng) 用應(yīng)視為在本發(fā)明內(nèi)容。
參見附圖
圖1示出了數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)示意圖。聲頻定向揚(yáng)聲器由自動增益模塊 1、濾波器2、信號采集模塊3、數(shù)字信號處理模塊4、開關(guān)式放大器5、匹配網(wǎng)絡(luò)6、超 聲換能器7、遙控發(fā)射單元8、遙控接收單元9構(gòu)成。自動增益模塊l由自動增益放大器 及外圍電路組成，以適合多種音源輸入。濾波器2可以是低通濾波器、帶通濾波器，其 功能在于濾除音頻信號帶外成分降低噪聲，經(jīng)濾波的音頻模擬信號處于0 20KHz或 20Hz 20KHz范圍內(nèi)。信號采集模塊3將音頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，典型應(yīng)用為模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為30KHz或30KHz以上。數(shù)字信號處理模塊4為專用數(shù)字信號處 理芯片(DSP)、現(xiàn)場可編程邏輯門器件(FPGA)或其它能進(jìn)行數(shù)字信號處理的集成芯片 或集成電路，完成對音頻數(shù)字信號的近似平方根算法或其它算法的處理，并輸出兩態(tài)電 平至開關(guān)式功率放大器5。開關(guān)式放大器5可以是D類、E類、F類、G類、H類、T類或 其它開關(guān)式放大器。匹配網(wǎng)絡(luò)6采用電感、變壓器等感性元件抵消換能器容抗，并與之 構(gòu)成諧振回路。超聲換能器7將電信號轉(zhuǎn)換為聲壓信號，諧振頻率范圍20KHz 500KHz， 其材料為壓電陶瓷、壓電晶體、壓電聚合物等材料，結(jié)構(gòu)為專利號200510022430. 4中闡 述的結(jié)構(gòu)。換能器發(fā)出的超聲信號攜帶輸入的音頻信號信息，在空氣中發(fā)生非線性作用， 解調(diào)為可聽聲。遙控發(fā)射單元8由使用者控制，方便控制聲頻定向揚(yáng)聲器的各個參數(shù)， 如指向角度、音量、傳輸距離、音效、聲音指向等?？梢詾榱硪徊僮鹘K端，如計算機(jī)或 其它可發(fā)出指令的操作設(shè)備；也可以是以某感應(yīng)方式傳輸操作指令的發(fā)射單元，如紅外 線、聲音、光線、顏色等。遙控接收單元9接收遙控發(fā)射單元8發(fā)出的指令，可單獨(dú)控 制系統(tǒng)中某一個或多個模塊，與數(shù)字信號處理模塊4連接，可設(shè)置音頻處理模式、指向
性角度、多種聲效選擇；與超聲換能器安裝裝置連接，可進(jìn)行轉(zhuǎn)動角度控制，從而控制 聲音指向；與可進(jìn)行音量調(diào)節(jié)連接，分別調(diào)節(jié)自動增益模塊后端、數(shù)字信號處理模塊和 開關(guān)式功率放大器。
圖2示出數(shù)字信號處理多種擴(kuò)展接口，包括GPIB、PXI、VXI、USB、PCI、I2C、RS232/485、 CAN、 WLAN、藍(lán)牙、網(wǎng)絡(luò)通訊等，實(shí)現(xiàn)對聲頻定向揚(yáng)聲器的視頻擴(kuò)展、存儲介質(zhì)擴(kuò)展、遠(yuǎn) 程控制等功能。通過存儲介質(zhì)存儲音頻信號、視頻信號、多種設(shè)定模式，無需外部任何 音源設(shè)備介入或信號載入。
圖3為低通濾波器的頻率響應(yīng)曲線，截止頻率為20KHz，通常采用的音源設(shè)備輸出有 效頻率最大值不足20KHz，根據(jù)音源設(shè)備輸出信號調(diào)節(jié)截止頻率。
圖4為帶通濾波器的頻率響應(yīng)曲線，通頻帶為20Hz 20KHz，濾除直流成分并保證音 頻有效頻率成分通過。
圖5為經(jīng)平方根近似算法與平方根算法的波形的對比圖，由圖可以看出近似階數(shù)越 大時，近似曲線與理想的原始曲線靠得越近，即誤差越小。但相應(yīng)要求的帶寬也越寬， 算法也越復(fù)雜，花在計算上的時間也越多。當(dāng)階數(shù)很高時，會帶來實(shí)時性不能滿足要求 的缺點(diǎn)。根據(jù)整個系統(tǒng)的性能選用合適的階數(shù)以滿足系統(tǒng)聲音失真度和實(shí)時性要求，本 發(fā)明中采用的階數(shù)等于或大于2階。
圖6示出了調(diào)制系數(shù)m與相對誤差的關(guān)系，當(dāng)m增大時， 一階近似、二階近似及三 階近似算法的相對誤差都呈增大趨勢；附取相同值時，近似階數(shù)越高，其相對誤差越小。 圖中可以看出，如果允許的最大相對誤差為2%，當(dāng)m = 0.5時二階近似、三階近似都可以 滿足要求，但當(dāng)附=0.7時，三階近似也滿足不了要求，必須取三階以上的近似才能滿足 近似精度要求。因此選擇符合要求的近似階數(shù)和調(diào)制系數(shù)是保證信號滿足精度要求的基 本條件。
圖7為實(shí)現(xiàn)平方根算法的流程圖，通過圖1中所示的數(shù)字處理系統(tǒng)，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的音頻信號進(jìn)行數(shù)值歸一化，范圍為-i i之間，得到y(tǒng)xo，計算<formula>complex formula see original document page 9</formula>通過數(shù)字帶通或低通濾波器進(jìn)行頻率帶寬限制，進(jìn)行調(diào)制。在此需聲明，作歸一化是根據(jù)<formula>complex formula see original document page 9</formula>中的1的數(shù)量級進(jìn)行的，這里需保證l + m.f(t)大于或等于0，可以將l乘以相應(yīng)的數(shù)值，m./X0的絕對值接近這一相應(yīng)的數(shù)值即可。此外，為了提高整個系統(tǒng)的 聲音質(zhì)量，可以在某一步前加入數(shù)字濾波器或其它改進(jìn)聲音質(zhì)量的數(shù)字信號處理方式。載波頻率ωc取值范圍30KH 100KHz。
圖8為近似平方根算法的流程圖，這里只列舉3階的近似算法，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)系 統(tǒng)要求采用合適的階數(shù)。本方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)或軟件與硬件配合的 方式靈活實(shí)現(xiàn)全頻帶音頻輸出。
同平方根算法相同，進(jìn)行歸一化為了將m.f(t)接近l，可做上面平方根同樣的處理，讓m.f(t)接近某一數(shù)值，而無須歸一化。另可在某一步前加入數(shù)字濾波器或其它改進(jìn)聲 音質(zhì)量的數(shù)字信號處理方式。載波頻率ωc取值范圍30KH 100KHz。
近似平方根算法具體實(shí)現(xiàn)如下將音頻信號進(jìn)行歸一化處理，即將音頻信號幅度調(diào) 節(jié)到-1 1范圍內(nèi)，得到相應(yīng)的信號f(x)，根據(jù)系統(tǒng)需要選用合適的階數(shù)及調(diào)制系數(shù)的值。
根據(jù)泰勒級數(shù)的概念，如果f(x)在點(diǎn)x。的某個鄰域內(nèi)具有各階導(dǎo)數(shù)f'(x)， f"(x)，…，f(n)(x)，…，這時可以將f(x)展開成泰勒級數(shù)
f(x)= f(x0)+f'(x0)(x-x0)+f"(x0)/2 (x-x0)2+L+ f(n)(x0)/n! (x-x0)n +Rn(x) (式2)
式中，Rn為拉格朗曰型余項(xiàng)
Rn(x)=f(n+1)(ε)/(n+1)! (x-x0)n+1 (式3)
式中，ε是x與x。之間的某個值。
式2中，取x0=0，得
f(x)=f(0)+f'(0)+f"(0)/2!+L_+f(n)(0)/n!xn+L (式4)
級數(shù)展開式式4即為函數(shù)f(x)的Maclaurin級數(shù)展開，且該級數(shù)展開對于f(x)是唯一的。對于函數(shù)F(x)=(1+x)m而言，在x∈(-l，l)時可展開為以下Maclaurin級數(shù)
F(x)=1+mx+m(m-1)/2! x2+L+ m(m-1)L(m-n+1)/n!xn +L (式5)
當(dāng)m=1/2時，則有
<formula>complex formula see original document page 11</formula>， (-1≤x≤1) (式6)
對于平方根算法而言， 一般取mf(t)ε[-1,1]，即滿足式6的展開條件，因此
<formula>complex formula see original document page 11</formula>可展開成Maclaurin級數(shù)
<formula>complex formula see original document page 11</formula>(式7)
根據(jù)式7可以取P1(t)為Maclaurin級數(shù)的前一階、兩階、三階、…、"階項(xiàng)分別構(gòu)
成P1(t)的一階、二階、三階、…、"階近似算法。下列三式分別是式7的一階、二階、 三階近似
<formula>complex formula see original document page 11</formula>(式8)
<formula>complex formula see original document page 11</formula>(式9)
<formula>complex formula see original document page 11</formula>(式10)
根據(jù)式8、 9、 10，與式l要求的無限帶寬相比，當(dāng)wc=2x40000時(即載波頻率為
40KHz)， 一階近似只要求信號頻帶范圍為20KHz 60KHz， 二階要求帶寬為0 80KHz，三 階近似要求帶寬為0 100KHz。
平方根近似算法可以通過實(shí)際的物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過慎選近似階數(shù)和調(diào)制系數(shù)，將 使系統(tǒng)的精度滿足要求，在減小失真度方面具有更大優(yōu)勢。
脈沖調(diào)制方法產(chǎn)生兩態(tài)電平，由經(jīng)相同或不同算法處理的數(shù)字音頻信號經(jīng)相同或不 同脈沖調(diào)制方法得到n列脈沖信號，其調(diào)制方法可以是脈沖寬度調(diào)制、脈沖位置調(diào)制、 脈沖幅度調(diào)制或其它改進(jìn)衍生脈沖調(diào)制方法，脈沖調(diào)制頻率等于或接近前面調(diào)制算法中 用到的載波信號化；疊加m列頻率固定或不固定、占空比固定或不固定的方波信號，其
頻率等于或接近載波頻率％ ，占空比變化范圍根據(jù)n列調(diào)制脈沖信號高電平或低電平時 間間隔決定；前所述n列脈沖信號與m列方波信號疊加后所組成的脈沖信號，高電平或 低電平時間間隔需大于后級放大器開關(guān)器件的死區(qū)時間。n的取值范圍等于或大于1， m 的取值范圍等于或大于0。
圖9示出產(chǎn)生兩態(tài)電平方式，由經(jīng)算法處理的信號與三角波或鋸齒波作比較得到PWM 信號。
圖10為n列圖9所產(chǎn)生的方波疊加的框圖，其中每一列三角波或鋸齒波頻率可以彼此相同或不同。
圖11示出另一種產(chǎn)生兩態(tài)電平方式，由經(jīng)預(yù)處理的信號與三角波做比較得到PWM信 號，疊加與開關(guān)頻率相同頻率的方波信號。
圖12為圖10所產(chǎn)生的方波疊加n列固定占空比的方波，其中這n方波占空比和頻 率可以彼此相同或不同。
圖13為揚(yáng)聲器系統(tǒng)功率放大器部分一實(shí)施例，圖中驅(qū)動芯片接收數(shù)字信號處理模塊 所輸出的雙聲道已調(diào)制脈沖波，并將其轉(zhuǎn)化為4路獨(dú)立的驅(qū)動信號以控制H橋4個MOSFET 的通斷。H橋上側(cè)M0SFET漏極所接直流電源決定了該放大器的放大增益。經(jīng)M0SFET放大 后的脈沖波信號接入到匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗匹配及濾波后，輸出到換能器兩極進(jìn)行驅(qū)動。 本發(fā)明中自動增益控制使得聲頻定向揚(yáng)聲器系統(tǒng)適用于更多的音源設(shè)備?，F(xiàn)有的各種音 源設(shè)備輸出音頻信號最大峰峰值有所不同，而對于參考電壓固定的采集模塊來說，采集 幅值較小的音頻信號有效分辨率較低，故在信號采集模塊前端加入自動增益控制模塊以 提高采集模塊的有效分辨率；參考電壓較小的采集模塊采集幅值較大的音頻信號時又會 出現(xiàn)波形消頂、噪聲增大等問題。
圖14為匹配網(wǎng)絡(luò)一具體實(shí)施例，該網(wǎng)絡(luò)由2個Butterworth濾波器構(gòu)成，根據(jù)換能 器的特性及參數(shù)，可以計算出網(wǎng)絡(luò)中各個元件相應(yīng)的值。該網(wǎng)絡(luò)還可以為其它匹配方式， 如變壓器匹配、雙電感匹配等等。不同的匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所用的元件參數(shù)需根據(jù)換能器和 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定。本發(fā)明中經(jīng)功率放大后的脈沖波信號接入到匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行阻抗匹 配及濾波后，輸出到換能器兩極進(jìn)行驅(qū)動。匹配網(wǎng)絡(luò)可以由變壓器、雙電感、電感電容 串并聯(lián)或?yàn)V波器等組成，所用元件參數(shù)根據(jù)換能器和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定。
圖15為多聲道實(shí)現(xiàn)方式示意圖，經(jīng)數(shù)字信號處理系統(tǒng)產(chǎn)生l列脈沖信號，經(jīng)由l個開 關(guān)式放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)、超聲換能器，l個換能器通過放置位置的不同可產(chǎn)生不同音效， 其中l(wèi)的取值等于或大于l。利用多聲道輸入可提高音質(zhì)、增強(qiáng)音效。
圖16為遙控器結(jié)構(gòu)操作面板示意圖，A區(qū)為數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器安裝云臺轉(zhuǎn)動方 向控制鍵，A區(qū)中心為電源開關(guān)；B區(qū)為數(shù)字及字母鍵，通過輸入設(shè)置揚(yáng)聲器各參數(shù)；C 為設(shè)置，設(shè)置選項(xiàng)包含指向角度、音量、傳輸距離、音效、聲音指向；D為確定鍵，待設(shè) 置參數(shù)完畢按下。本發(fā)明的遙控單元可單獨(dú)控制系統(tǒng)中某一個或多個模塊。使用者通過 遙控器設(shè)定聲頻定向揚(yáng)聲器各種參數(shù)與工作模式，如指向角度、音量、傳輸距離、音效、聲音指向等，與之配套的遙控發(fā)射單元可以為另一操作終端，如計算機(jī)或其它可發(fā)出指令的操作設(shè)備；也可以是某感應(yīng)方式，如紅外線、聲音、顏色等。本發(fā)明中可通過旋鈕或遙控方式對音量進(jìn)行調(diào)節(jié)，音量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)可在自動增益模塊后端、數(shù)字信號處理模塊、開關(guān)式放大器模塊等。
此外，系統(tǒng)利用多級反饋以降低系統(tǒng)噪聲加載在超聲換能器上電信號經(jīng)解調(diào)器反饋到采集模塊前端；數(shù)字信號處理模塊內(nèi)部算法做反饋；匹配網(wǎng)絡(luò)前端方波信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換反饋到數(shù)字信號處理模塊。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器，其特征在于，包括根據(jù)輸入的音源信號幅值自動調(diào)節(jié)增益的自動增益控制模塊，濾除音頻信號頻率以外成分的濾波器，模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換的信號采集模塊，對數(shù)字音頻信號進(jìn)行處理，輸出兩態(tài)電平信號的數(shù)字信號處理模塊，對兩態(tài)電平信號進(jìn)行功率放大的開關(guān)式放大器，將信號加載到換能器上的匹配網(wǎng)絡(luò)，將電信號轉(zhuǎn)換為超聲信號的換能器，以及遙控接收單元和遙控發(fā)射單元。
2、 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向揚(yáng)聲器，其特征在于所述自動增益模塊由自 動增益放大器和外圍電路構(gòu)成，所述數(shù)字信號處理模塊是單片機(jī)、嵌入式處理器、數(shù) 字信號處理芯片(DSP)、現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD) 或其他數(shù)字集成芯片及可完成數(shù)字信號處理的數(shù)字電路中的一種或數(shù)種，具有多種擴(kuò) 展接口；所述開關(guān)式放大器是D類、E類、F類、G類、H類、T類或其他；所述濾波 器為模擬濾波器或數(shù)字濾波器，種類是低通濾波器或帶通濾波器。
3、 一種數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于處理過 程是對音頻信號進(jìn)行預(yù)處理，包括自動增益控制、濾波、量化等；在DSP、 FPGA或 其它數(shù)字信號處理模塊中采用近似平方根算法或其它算法使得音頻信號失真度小，帶 寬要求降低；在數(shù)字信號處理模塊中做失真補(bǔ)償、信號均衡、信號反饋、特殊音效等 處理，使得揚(yáng)聲器系統(tǒng)失真度小，指向性強(qiáng)；將數(shù)字信號進(jìn)行脈沖調(diào)制產(chǎn)生兩態(tài)電平 信號輸出至開關(guān)式放大器，再經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動超聲換能器；遙控接收單元接收遙控發(fā) 射單元發(fā)出的指令，對指向角度、音量、傳輸距離、音效、聲音指向等參數(shù)進(jìn)行控制。
4、 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于；所述在數(shù)字信號 處理模塊中采用的近似平方根算法是對平方根算法進(jìn)行Maclaurin級數(shù)展開，具體表達(dá)式為<formula>complex formula see original document page 2</formula>，其中f(t)為歸一化后的輸入音頻數(shù)字信號，范圍為-1 1。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于所述近似平方根算法根據(jù)系統(tǒng)的失真度要求及系統(tǒng)性能選擇的階數(shù)為等于或大于2，調(diào)制系數(shù)m取 值范圍為0 1， ^取值范圍為30KHz 100KHz。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于所述數(shù)字信 號處理模塊輸出的兩態(tài)電平，每相隔一個脈沖或多個脈沖的高電平或低電平有相同特征；或至少其中一組相隔一個脈沖或多個脈沖的高電平所組成的方波信號包含經(jīng)算法處理的信號信息；或其中一組相隔一個脈沖或多個脈沖的高電平所組成的序列插入兩態(tài)信號的低電平后組成方波信號，該方波信號占空比固定或不固定；或每相鄰兩個高 電平或低電平間隔時間大于后級開關(guān)放大器開關(guān)器件死區(qū)時間；調(diào)制方式是脈沖幅度 調(diào)制或脈沖寬度調(diào)制或脈沖位置調(diào)制或其改進(jìn)，所述脈沖寬度調(diào)制及脈沖位置調(diào)制其 脈沖信號頻率、幅度可以固定或不固定。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于所述自動增益控制是指對輸入信號的電壓、電流、功率參數(shù)的控制，采用自動增益控制放大器及外圍電路調(diào)整的方式，或采用實(shí)時軟件檢測輸入信號峰峰值調(diào)整或以上兩種方式的結(jié) 合；所述濾波器采用數(shù)字濾波器時在數(shù)字信號處理模塊中完成，其截止頻率根據(jù)音源 信號最大頻率確定；信號均衡、失真補(bǔ)償采用電感、變壓器等感性元件抵消換能器容 抗，并與之構(gòu)成諧振回路，諧振頻率等于或接近換能器的諧振頻率的方法。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于信息反饋是多級反饋加載在超聲換能器上電信號經(jīng)解調(diào)器反饋到采集模塊前端；數(shù)字信號處理模塊內(nèi)部算法做反饋；匹配網(wǎng)絡(luò)前端方波信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換反饋到數(shù)字信號處理模塊。
9、 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于通過數(shù)字信號處理模塊的擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)對聲頻定向揚(yáng)聲器的視頻擴(kuò)展、存儲介質(zhì)擴(kuò)展、遠(yuǎn)程控制；通過存儲介質(zhì)存儲音頻信號、視頻信號，無需外部任何音源設(shè)備介入或其他信號 載入。
10、 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的數(shù)字音頻信號處理方法，其特征在于對聲頻定向揚(yáng)聲器的單個或多個單元進(jìn)行控制。
全文摘要
數(shù)字式聲頻定向揚(yáng)聲器及數(shù)字音頻信號處理方法，自動增益控制模塊對音源信號幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)濾波器濾除音頻信號帶外成分以降低噪聲，信號采集模塊將音頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在數(shù)字信號處理模塊內(nèi)完成對音頻數(shù)字信號的近似平方根算法或其他算法的處理并輸出兩態(tài)電平至開關(guān)式功率放大器，匹配網(wǎng)絡(luò)確保阻抗匹配，超聲換能器用于將電信號轉(zhuǎn)換為聲壓信號。換能器發(fā)出的超聲信號攜帶輸入的音頻信號信息，在空氣中發(fā)生非線性作用，解調(diào)為可聽聲。遙控接收單元接收遙控發(fā)射單元發(fā)出的指令，可控制指向角度、音量、傳輸距離、音效、聲音指向等參數(shù)。
文檔編號H04R3/00GK101203062SQ20071004956
公開日2008年6月18日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者徐利梅, 祎 王 申請人:徐利梅