基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法及装置
1.本发明属于扬声器技术领域，提出了一种基于声聚焦的参量阵扬声器增强低频响应的方法及装置。
背景技术：
2.参量阵扬声器的工作原理是将待播放的音频声信号调制到超声载波上，调制后的声信号经过放大器放大后由超声换能器发声，音频声信号在空气中经由空气的非线性效应自解调出来，由人耳听到。相较于传统的扬声器而言，参量阵扬声器能在低频产生较强的指向性，有利于定向声的传输，提高语音的保密性。
3.参量阵扬声器的一个主要缺点是低频响应差，音频声频率每降低一半，声压级大约减小12db(m.yoneyama,j.fujimoto,y.kawamo,and s.sasabe(1983)“the audio spotlight:an application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design,”j.acoust.soc.am.73(5),1532
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1536)。常规方法是通过增大扬声器尺寸、超声载波能量来增强低频响应，并使用滤波器对频响曲线进行补偿，但该方法所需功率增大、功耗大，超声换能器在较强的激励下易发生非线性失真，影响音频声的音质。因此如何增强低频响应成为了参量阵扬声器技术领域的首要问题。
技术实现要素：
4.为了解决现有参量阵扬声器低频响应差的问题，本发明提出一种基于声聚焦的方法，增加焦点附近的低频声压级。本发明另一目的是提供实现上述方法的装置。
5.本发明方法采用的技术方案为：
6.基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法，包括以下步骤：
7.(1)确定需要低频响应增强的听音位置，设为声聚焦的焦点；
8.(2)计算出超声换能器阵列各单元声信号聚焦到焦点的时延；
9.(3)对所述超声换能器阵列各单元的超声载波信号进行延时，生成聚焦超声信号；
10.(4)将待播放的音频信号调制到所述聚焦超声信号上，经过放大器放大后驱动超声换能器发声。
11.进一步地，所述超声换能器阵列各单元的辐射面位于同一平面，超声换能器阵列的中心频率为30khz到100khz。
12.进一步地，所述超声换能器阵列各单元相同。
13.进一步地，所述步骤(3)中，对所述超声换能器阵列各单元的超声载波信号进行延时的公式为：
[0014][0015]
其中c0是空气中的声速，单元的中心位置坐标为rs＝(xs,ys,0)，焦点的位置为rf＝(xf,yf,zf)，超声换能器阵列的辐射面位于笛卡尔坐标系的z＝0平面。
[0016]
本发明实现上述方法的装置，包括时延处理器、调制处理器、功率放大器和超声换能器阵列；所述时延处理器对所述超声换能器阵列各单元的超声载波信号进行延时，达到声聚焦的目的；所述调制处理器将待播放的音频信号调制到超声载波信号，调制后的信号经过功率放大器放大后，通过超声换能器阵列辐射发声。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明针对需要增强响应的听音位置，计算出超声换能器阵列单元的时延，使音频声聚焦在焦点，显著增强低频声的响应，相对于普通的参量阵扬声器，不增加功耗，对硬件平台要求低。
附图说明
[0018]
图1是聚焦参量阵扬声器的结构框图。
[0019]
图2是超声换能器阵列示意图，图中表示的是3
×
6矩形阵列，阵列单元为圆形超声换能器。
[0020]
图3是半径0.1m的圆形聚焦参量阵扬声器的实验室原型照片。
[0021]
图4是实验所用圆形聚焦参量阵扬声器单元的通道编号示意图。
[0022]
图5是参量阵扬声器的二维声场实验测量(左列)和仿真结果(右列)，其中频率为512hz；(a)、(b)为无聚焦；(c)、(d)的焦距为0.2m；(e)、(f)的焦距为1m。
[0023]
图6是轴线音频声声压级(spl)；(a)频率512hz、焦距0.2m；(b)频率1024hz、焦距0.2m；(c)频率512hz、焦距1m。
具体实施方式
[0024]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
[0025]
本发明提出的聚焦参量阵扬声器低频响应增强装置的结构框图如图1所示，包括时延处理器、调制处理器、功率放大器和超声换能器。其中，时延处理器对不同通道的超声载波信号进行延时，达到声聚焦的目的，调制处理器将待播放的音频信号调制到超声载波信号，调制后的信号经过功率放大器放大后，通过超声换能器辐射发声。
[0026]
本实施例还提供一种基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法，具体步骤如下：
[0027]
(1)如附图2所示，阵列由若干超声换能器单元组成，且辐射面位于同一平面。以阵列中心o为坐标原点，建立笛卡尔右手系oxyz，换能器辐射面位于平面z＝0。超声换能器单元的形状无要求，图中展示的是圆形单元，也可以是矩形、三角等形状。超声换能器单元的中心频率为30khz到100khz。单元的排列方式不限定，可以是紧凑排列也可以间隔排列，能实现聚焦即可。
[0028]
(2)确定需要增强低频响应的听音空间位置，设置为声聚焦的焦点，记坐标为rf＝(xf,yf,zf)。
[0029]
(3)记单个超声换能器单元的中心位置坐标为rs＝(xs,ys,0)，计算出该换能器聚焦在焦点的时延：
[0030]
[0031]
其中c0是空气中的声速。
[0032]
(4)对各换能器单元的超声载波信号按式(1)的计算结果进行延时，得到聚焦超声信号，实现声聚焦的相位控制。
[0033]
(5)将待播放的音频信号调制到聚焦超声信号上，得到调制信号，经过放大器放大后驱动超声换能器发声。
[0034]
如图3所示，本实施例制作的圆形聚焦参量阵扬声器原型由367个半径为5mm的圆形超声换能器(型号为murata ma40s4s)组成。超声换能器单元紧凑排列，相邻超声换能器单元的中心间距为1cm。实验中的焦点位置设置在阵列的中心轴线上，即z轴上坐标为rf＝(0,0,zf)的点。几何中心到坐标原点距离相同的超声换能器单元组成同一通道，并按距离从小到大依次编号为1到37，共37个通道。图4每个圆圈表示1个超声换能器单元，圆圈内数字表示该单元的通道编号。例如，最中间的换能器单元编号为通道1。表1列出了每个通道的超声换能器单元数量，以及这些单元到坐标原点的距离。例如，通道2共6个换能器单元，通道内每个单元到坐标原点的距离为1cm。实验中超声载波的频率为40khz。根据式(1)计算出所有换能器通道的时延，并施加到所有通道。
[0035]
表1超声换能器单元中心到坐标原点的距离
[0036][0037]
图5是参量阵扬声器的xoz平面二维声场实验测量和仿真结果，其中音频声频率为512hz。图5的(a)、(b)表明参量阵扬声器在无聚焦时主要能量在轴线附近，具有较高的指向性。图5的(c)、(d)的参量阵扬声器的焦距为0.2m，可观察到在焦点z＝0.2m附近的声压级明显高于无聚焦的情况。图5的(e)、(f)的参量阵扬声器的焦距为1m，可观察到聚焦效果稍有
减弱，但在焦点附近仍高于无聚焦的情况。
[0038]
图6是聚焦参量阵扬声器在轴线上的音频声声压级实验测量和仿真结果对比。(a)图的音频声频率为512hz，焦距为0.2m，可观察到在焦点附近的音频声声压级有明显增加，具体约为15.7db。(b)图的音频声频率为1024hz，焦距为0.2m，可观察到焦点附近的音频声声压级的增大量减小，约为7.1db，在低频512hz时音频声声压级的增强效果更显著。(c)图的音频声频率为512hz，焦距为1m，焦点附近的声压级增大量约为4.1db，焦距越近，增强效果越明显。
技术特征：
1.基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)确定需要低频响应增强的听音位置，设为声聚焦的焦点；(2)计算出超声换能器阵列各单元声信号聚焦到焦点的时延；(3)对所述超声换能器阵列各单元的超声载波信号进行延时，生成聚焦超声信号；(4)将待播放的音频信号调制到所述聚焦超声信号上，并经信号放大后驱动超声换能器阵列发声。2.如权利要求1所述的基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法，其特征在于，所述超声换能器阵列各单元的辐射面位于同一平面，超声换能器阵列的中心频率为30khz到100khz。3.如权利要求1所述的基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法，其特征在于，所述超声换能器阵列各单元相同。4.如权利要求1所述的基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对所述超声换能器阵列各单元的超声载波信号进行延时的公式为：其中c0是空气中的声速，单元的中心位置坐标为r
s
＝(x
s
,y
s
,0)，焦点的位置为r
f
＝(x
f
,y
f
,z
f
)，超声换能器阵列的辐射面位于笛卡尔坐标系的z＝0平面。5.实现如权1所述基于声聚焦的参量阵扬声器低频响应增强的方法的装置，其特征在于，该装置包括时延处理器、调制处理器、功率放大器和超声换能器阵列；所述时延处理器对所述超声换能器阵列各单元的超声载波信号进行延时，达到声聚焦的目的；所述调制处理器将待播放的音频信号调制到超声载波信号，调制后的信号经过功率放大器放大后，通过超声换能器阵列辐射发声。
技术总结
本发明属于扬声器技术领域，公开了一种基于声聚焦的参量扬声器低频响应增强的方法及装置。该方法包括以下步骤：(1)确定需要低频响应增强的听音位置，设为声聚焦的焦点；(2)计算出超声换能器各阵列各单元声信号聚焦到焦点的时延；(3)对超声换能器各阵列各单元的超声载波进行延时，生成聚焦超声信号；(4)将待播放的音频信号调制到聚焦超声信号上，并经信号放大后驱动超声换能器阵列发声。本发明的方法能够显著增强焦点附近的音频声声压级，在低频时的提升效果更明显。的提升效果更明显。的提升效果更明显。
