阅读说明：本技术 一种可扩展、波束可控的定向声波发射装置 (Expandable and wave beam controllable directional sound wave transmitting device ) 是由 史创 任晶 王越 许可 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种可扩展、波束可控的定向声波发射装置,属于定向声波发射技术领域。本发明的定向声波发射装置包括音频数字化单元、信号处理单元、信号放大电路和参量阵阵列,其中,音频数字化单元与信号处理单元电连接,音频数字化单元用于将音频文件数字化处理,信号处理单元用于音频信号的预处理,调制和控制处理的实现,并将信号处理单元输出的调制信号经信号放大单元后再输出到后级的参量阵阵列,经参量阵列发射至非线性介质,通过非线性介质的非线性作用产生定向声波。本发明将声音定向投射到特定的区域,减少其他区域的声音干扰,降低噪声污染。(The invention discloses an expandable directional sound wave transmitting device with controllable wave beams, and belongs to the technical field of directional sound wave transmission. The directional sound wave transmitting device comprises an audio digitization unit, a signal processing unit, a signal amplification circuit and a parametric array, wherein the audio digitization unit is electrically connected with the signal processing unit and is used for digitizing an audio file, the signal processing unit is used for preprocessing an audio signal and realizing modulation and control processing, a modulation signal output by the signal processing unit is output to a subsequent parametric array after passing through the signal amplification unit and is transmitted to a nonlinear medium through the parametric array, and directional sound waves are generated through the nonlinear action of the nonlinear medium. The invention projects the sound to a specific area in a directional way, reduces the sound interference of other areas and reduces the noise pollution.)

一种可扩展、波束可控的定向声波发射装置

技术领域

本发明涉及定向声波发射技术领域，具体涉及一种种可扩展、波束可控的定向声波发射装置。

背景技术

噪声污染问题日益严重，越来越多的人开始了解并意识到这个“看不见的杀手”正在侵蚀着我们的身心健康。由于声波在空气中传播不具有指向性，因此人们的社会活动和传统扬声器发出的声音向四周扩散，容易造成噪声污染。噪声使人们在休息时得不到安静，尤为让人烦恼，极易引起邻里纠纷。传统的扬声器已经渐渐不能满足人们生活的各类特殊需要，越来越多的场合也需要一种声音传播具有高指向性，噪音污染小并且声音效果好的的扬声设备。基于线性声学理论，只有通过扬声器阵列和声聚焦才能形成定向发声装置，但是这会导致设备体积大，不易挪动，且只能在特定环境使用的限制，以及成本较高。采用非线性声学理论中参量阵构成定向发声装置低频指向性强，体积小易于携带可以使用于多种环境。

参量阵是通过换能器阵发出沿着同一方向的两列频率不等的高频超声波，在传播过程中通过介质的非线性效应，产生初始声波和频及差频。该差频声波具有良好的指向性。如申请号为CN201210576384.2，申请名称为“基于声参量阵声束反射的音频特效器”；以及申请号为CN201010538214.6，申请名称为“参量阵音频播放系统”的专利申请中，均公开了采用参量阵技术对音频进行播放的参量阵发声装置，虽然由于参量阵的技术特性，具有低频方向性好，但是现有的参量阵发声方案依然存在低频声压级低，波束可控性不足，可扩展性不够等技术问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的参量阵差频声压级低且可扩展性不足的技术问题，提供一种用于降低噪声污染的可扩展、波束可控的定向声波发射装置，以适用于需要声波定向发射的应用场景。

本发明的一种可扩展、波束可控的定向声波发射装置，包括音频数字化单元、信号处理单元、信号放大单元和参量阵阵列；

音频数字化单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，所述音频数字化单元用于对音频文件进行数字化处理，如以SD(Secure Digital Memory Card)卡和/或网络为媒介存储数字化的音频信号；

信号处理单元，对输入的音频信号进行调制处理，并将调制信号输入后级的信号放大单元；

信号放大单元，用于对输入的调制信号进行功率放大处理，以驱动后级的参量阵阵列；

参量阵阵列，由多列的超声换能器构成阵列，每列均以同一型号且中心频率一致的超声换能器为组成单元，所述参量阵阵列将经信号放大单元的调制信号接入参量阵阵列的不同发射通道，经参量阵列发射至非线性介质(如空气、水等)，通过非线性介质的非线性作用产生波束可控的定向声波；

其中，信号处理单元包括：信号调制模块、调制信号数字化模块和波束形成单元；

信号调制模块，其输出端与调制信号数字化模块的输入端连接，用于对音频信号进行预处理(包括音频信号幅度的调整与调制系数的生成)和双边带调制(DSB)，并将双边带调制(DSB)信号输出到调制信号数字化模块；

调制信号数字化模块，其输出端与波束形成单元的输入端连接，用于将调制信号经过脉冲密度调制(PDM)得到比特流的调制信号，从而使得信号处理单元输出的信号直接以0,1数字信号直接输出，不仅节省了资源，减小设备体积，而且还使得设备与设备之间的通信变得简单，虽然数字信号方便输出和通信，但是在量化过程中会产生量化噪声，因而本发明通过提高采样时钟频率的同时采取高阶脉冲密度调制(PDM)，将量化噪声推向高于载波频率的频带范围，降低可用频带范围的量化噪声，从而降低双边带调制(DSB)信号数字化过程中产生的量化噪声；

波束形成单元，其输出端与信号放大单元的输入端连接，波束形成单元通过控制每个发射通道(即波束形成单元的输入通道)的调制信号的相位，从而实现声束的偏转；

进一步的，本申请中，由于比特流的调制信号只有一位数据，根据波束形成原理，波束形成单元对相邻发射通道的比特流的调制信号进行整数倍的时钟周期延迟，从而实现声束的偏转；

进一步的，对于包括主设备和从属设备的定向声波发射装置，所述信号处理单元还包括同步模块，用于同步主设备发送的数据和从属设备接收的数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)数字化实现声波定向发射，无传统参量阵技术中的AD和DA模块，使装置小型化方便携带并降低成本；

(2)本发明基于波束形成单元实现声束的偏转，从而使得本发明可以根据实际情况在线编程加载波束形成设计，以满足不同环境的需求，不再通过转动机械来调整波束方向，方便控制。

(4)本发明以PDM比特流信号输出和通信，不仅节省了处理器的资源，还使得使得设备与设备之间的通信变得简单，可扩展形成大阵列，能够解决差频声源级低的问题。

附图说明

图1为

具体实施方式

中，本发明的定向声波发射装置的结构示意图。

图2为具体实施方式中，多控制器联合实现大阵列的示意图。

图3为具体实施方式中，本发明的定向声波发射装置的电路结构示意图。

图4为具体实施方式中，主控制内部信号处理过程示意图。

图5为具体实施方式中，PDM调制和噪声整形电路结构示意图。

图6为均匀线性阵列实现波束偏转的结构示意图。

具体实施方式

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。

本发明的可扩展、波束可控的定向声波发射装置，适用于需要声波定向发射的场合，可以降低噪声，不影响他人，也可以用于保护个人信息。本发明的定向声波发射装置无传统的模数转换和数模转换模块，信号以数字化方式读入信号处理单元，在信号处理单元中将输入信号调制成PDM比特流信号，以数字信号输出，节省了模数转换和数模转换模块占用的资源和体积，使设备小型化方便携带。数字信号的输出使设备之间可以联合通信形成大阵列，可以解决参量阵差频声源极低的问题。如果对于声束方向有要求，可以在线编程实现外部加载波束形成设计，实现波束的偏转。

参见图1，本发明的可扩展、波束可控的定向声波发射装置，包括用于存储语音信息的音频数字化单元101，用于接收音频信号并进行预处理(如幅度归一化)、调制处理的信号处理单元102_1～102_n(n表示发射通道数)，用于对信号处理元输出的数字信号进行功率放大的功率放大电路103_1～103_n，用于产生定向声波的参量阵阵列104_1～104_n。其中，将处理单元102_1作为主控制器，处理单元102_2～102_n作为从属控制器。所述主控制器依次与音频数字化单元101，功率放大电路103_1相连，参量阵阵列104_1相连，第2个从属控制器与音频数字化单元101，功率放大电路103_2、以及参量阵阵列104_2依次相连，依次类推其它从属控制器的连接关系，从而构成一种可扩展、波束可控的定向声波发射装置，如图2所示。

本发明的一种可扩展、波束可控的定向声波发射装置的音频数字化单元、信号处理单元、功率放大电路和参量阵阵列具体为：

音频数字化单元的输出端与信号处理单元的输入端连接，本发明将音频的数字处理省去模数转换模块，以SD(Secure Digital Memory Card)卡、网络为媒介存储数字化的音频信号。

信号处理单元用于对音频数字化单元输出的音频信号进行调制处理，并将调制信号经信号放大单元后再输出到后级的参量阵阵列，经参量阵列发射至非线性介质(如空气、水等)，通过非线性介质的非线性作用产生定向声波。该信号处理单元可以基于DSP器件(Digital Signal Processor)或FPGA(Field Programmable Gate Array)器件实现。

本具体实施方式中，信号处理单元包括：同步模块、信号调制模块、调制信号数字化模块、波束形成单元；

其中，主控制器与从属控制器设有同步模块，用于在形成大阵列时，同步主设备发送的数据和从属设备接收的比特流数据。主控制器和从属控制采用同步时钟，主控制器发送比特流数据至从属控制器，从属控制器通过异步FIFO实现数据的缓存，主控制器发送时钟同步信号至从属控制器同步时钟，就可以实现主从设备之间的数据同步，从而实现多设备联合形成大阵列。

信号调制模块，用于对输入的音频信号进行幅度归一化的预处理，得到信号，再对其进行调制处理，得到调制信号并输出到调制信号数字化模块；本具体实施方式中，信号调制模块依次包括：幅度归一化模块、调制比模块、电平调整模块和音频载波发生器，如图3所示。

调制信号数字化模块，用于将调制信号经过PDM调制得到比特流的调制信号，从而使得信号处理单元输出的调制信号直接以0,1数字信号直接输出，不仅节省了资源，减小设备体积，而且还使得设备与设备之间的通信变得简单；

波束形成单元，通过控制每个输入通道的调制信号的相位，从而实现声束的偏转；

信号放大单元包括功率放大模块，用于提高以IO口输出的数字信号的驱动能力，以驱动后级参量阵阵列；

参量阵阵列，由多列的换能器构成阵列，每列均以同一型号且中心频率一致的超声换能器为组成单元，将所述经功率放大后的数字信号接入不同发射通道，经参量阵阵列的发射后，产生波束可控的定向声波。

参见图4，本发明的可扩展、波束可控的定向声波发射装置的主控制器内的信号处理过程为：

定向声波发射装置启动后，首先调用主控制器的定向发射程序，使定向声波发射装置工作于既定的软硬件状态下。

各处理器单元读取储在SD卡中，或者从网络中下载的，经过数字化处理后的语音信号x(n)。然后在处理器单元对语音信号x(n)进行预处理和调制。幅度归一化模块将数字化音频信号x(n)进行幅度归一化，得到x₁(n)，其幅值等于1V，或者小于且近似于1V，即与1V的偏差不超过预设阈值；再次，调制比模块将信号x₁(n)乘以系数m得到调制信号x₂(n)，其中为m调制比,取值范围共0＜m≤1；对调制信号x₂(n)进行电平调整，即加1，得到调制信号x₃(n)；音频载波发生器产生高频载波x_c(n)＝40kHz，并通过乘法器将高频载波和调制信号x₃(n)相乘，得到信号x₄(n)。

各信号之间的关系为：

x₂(n)＝mx₁(n)；

x₃(n)＝1+x₂(n)；

x₄(n)＝x_c(n)x₃(n)；

参见图5，本具体实施方式中，调制信号数字化模块包括PDM调制和噪声整形处理，因为PDM调制虽然可以将调制信号调制成数字信号，但是其缺点在于使用了非常高的采样率和仅仅单比特的量化精度，造成了较高的量化噪声；为了进一步降低该量化噪声，本发明的调制信号数字化模块包括了求和器，积分器，比较器(量化器)和延迟器四个主要模块，其中求和器和积分器均包括两个，信号x₄(n)经输入第一求和器，依次经过第一积分器、第二求和器和第二积分器后进入量化器，且量化器的输出还通过延迟器分别输入两个求和器；量化器的输出即为转化后的PDM比特流信号x₅(n)。即本发明中，在将信号x₄(n)转化为PDM比特流信号x₅(n)的处理过程中，由于调制信号数字化模块的电路中设置了两个积分器，从而将量化噪声推向更高的频率范围，即可实现降噪和单比特信号输出的目的。

图6示出了均匀线性阵列实现波束偏转的结构示意图，阵元等间距分布，间隔为d(即换能器的直径)，x₀(t)～x_n-1(t)表示n个比特流的调制信号，定义期望波束偏转的角度为θ，信号到达1阵元时，相对于阵元0的波程差为dsinθ，信号到达阵元m时相对于阵元0的传播延时为：

其中，c为声速。则相位λ表示波长。

根据期望信号发射信号的角度θ，根据

计算出各个阵元所需的延迟时间，再通过给噪声整形后每路比特流的加对应的延迟，可实现波束偏转，达到调解发射方向的目的。

即，本发明的可扩展、波束可控的定向声波发射装置，在信号处理中将调制信号处理成PDM比特流信号，并以该数字信号进行多个处理单元之间的通信从而将单个参量阵阵列可扩展形成大阵列，使得定向声波传播的更远；并在可扩展的基础上增加了对于波束的控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。