[发明专利]一种定向声产生装置及方法

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；所述带通滤波由带通滤波器实现，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；

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：

S_o＝H_PWM{S_t}；

其中，S_o为已调制的超声载波信号；S_t为输入的数字音频信号；H_PWM为脉冲宽度调制传输函数；所述超声载波信号的频率为f_c；f_c＝f_t-f_e；其中，f_t为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，f_e为误差补偿因子，f_e∈[-100,0)∪(0,100]；

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，所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率f_t满足以下条件：3f_sig≤f_t≤f_mos；

其中，f_sig为所述数字音频信号的最大频率，f_mos为所述脉冲宽度调制模块中开关器件的最大频率。

3.根据权利要求1所述的定向声产生装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制的空载占空比为50％±10％。

4.根据权利要求1所述的定向声产生装置，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。

5.根据权利要求1所述的定向声产生装置，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。

6.根据权利要求1所述的定向声产生装置，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。

7.根据权利要求6所述的定向声产生装置，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：

其中，r为阵元的振膜半径，f_c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。

8.根据权利要求1所述的定向声产生装置，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：

其中f_c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。

9.一种定向声产生方法，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；

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：

S_o＝H_PWM{S_t}；

其中，S_o为已调制的超声载波信号；S_t为输入的数字音频信号；H_PWM为脉冲宽度调制传输函数；所述超声载波信号的频率为f_c；f_c＝f_t-f_e；其中，f_t为所述超声换能器阵列中阵元的中心工作频率，f_t大于20kHz；f_e为误差补偿因子，f_e∈[-100,0)∪(0,100]；

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。