[发明专利]一种定向声产生装置及方法

说明书

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。

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：

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]。

优选地，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；