專利名稱：高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定向聲傳輸技術(shù)，特別涉及一種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
定向聲傳輸在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛的應(yīng)用，定向聲傳輸技術(shù)就是將聲波以集束的方式傳輸，就是使聲源具有指向性的技術(shù)。例如，展覽館兩個(gè)相鄰展柜如果使用指向性聲源進(jìn)行展品介紹，那么它們各自的觀眾就能互不干擾地聽(tīng)到自己所參觀的展品的介紹。但是，在某些場(chǎng)合，不僅需要聲波能夠定向傳播，還需要聲波能夠遠(yuǎn)距離傳播，即聲源能夠發(fā)射高強(qiáng)聲波，如軍警用遠(yuǎn)程聲波警示、壓制、海上船舶間遠(yuǎn)距離語(yǔ)音通信、機(jī)場(chǎng)驅(qū)趕鳥(niǎo)群等場(chǎng)合。 目前，在較近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲波的指向性一般采用參量陣技術(shù)，即將音頻聲調(diào)制到超聲載波上，利用超聲波在空氣中傳播過(guò)程中的非線性作用，就能夠把調(diào)制上去的音頻聲自解調(diào)出來(lái)，又因?yàn)槌暰哂泻芎玫闹赶蛐?，所以就使得自解調(diào)出來(lái)的音頻聲也具有了指向性，從而實(shí)現(xiàn)定向聲發(fā)射。但是，由于受到超聲非線性作用的物理原理的限制，這種方法的能量轉(zhuǎn)換效率非常低，很難實(shí)現(xiàn)高聲強(qiáng)聲波的發(fā)射，同時(shí)其諧波失真也很嚴(yán)重。
這需要將定向聲傳輸技術(shù)和遠(yuǎn)距離聲傳輸技術(shù)(即高強(qiáng)聲波發(fā)射技術(shù))結(jié)合起來(lái)，以滿足現(xiàn)實(shí)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種高效、便捷的高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法及其裝置，
能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離定向聲傳輸，以滿足社會(huì)現(xiàn)實(shí)中軍警用、商用、民用等各種需求。 由聲學(xué)基本原理可知，當(dāng)把多個(gè)聲源布放成陣列的形式，其指向性會(huì)比單個(gè)聲源
的指向性大幅提高，而且，由揚(yáng)聲器直接發(fā)射音頻聲，能量轉(zhuǎn)換效率很高。綜合以上情況考
慮，本發(fā)明采取用陣列信號(hào)處理電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列的方法從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲
強(qiáng)聲波。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法，該方法采用陣列信號(hào)處理電路分別驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波，其包括以下步驟 1)首先，對(duì)每一路揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行預(yù)先訓(xùn)練以獲得各路揚(yáng)聲器陣列的傳遞函數(shù)；
2)通過(guò)音頻信號(hào)采集模塊101將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸出音頻數(shù)字信號(hào)； 3)根據(jù)步驟1)中獲得的傳遞函數(shù)，對(duì)步驟2)輸出的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理后分多路輸出； 4)由若干功率放大器分別對(duì)輸出的每一路音頻信號(hào)進(jìn)行放大，并分別驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，每一路揚(yáng)聲器陣列之間互相獨(dú)立工作；
5
5)由多路揚(yáng)聲器陣列發(fā)射高聲強(qiáng)的指向性聲波； 其中，所述的步驟3)中的信號(hào)處理包括分頻處理、頻帶預(yù)加權(quán)處理和波束形成處理三部分，首先，通過(guò)分頻處理把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)；然后，基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)心理聲學(xué)參數(shù)，通過(guò)頻帶預(yù)加權(quán)處理對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整；最后，通過(guò)波束形成處理來(lái)調(diào)節(jié)各路小陣列的輸入信號(hào)的相位，使得各路的輸出聲音在遠(yuǎn)場(chǎng)位置同向疊加，以提高指向性。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的分頻處理是采用子帶劃分方法和頻帶分割技術(shù)把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)；所述的子帶劃分方法包括均勻子帶劃分、倍頻程子帶劃分或Bark域子帶劃分；所述的頻帶分割技術(shù)采時(shí)頻域轉(zhuǎn)換技術(shù)，包括多相濾波技術(shù)、短時(shí)傅立葉技術(shù)或MDCT技術(shù)。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的頻帶預(yù)加權(quán)處理是基于心理聲學(xué)模型，并根據(jù)人耳對(duì)聲音感知特性和輸入信號(hào)特性，對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，以使得人耳在目標(biāo)處聽(tīng)到的聲音最響。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的波束形成處理采用時(shí)域方法實(shí)現(xiàn)，先將子頻帶信號(hào)合成寬帶信號(hào)，再經(jīng)由濾波器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅調(diào)相然后輸出；其中，所述的濾波器可采用無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器1IR、有限沖激響應(yīng)濾波器FIR或格形濾波器，濾波器系數(shù)的獲取可采用自適應(yīng)逆濾波算法，包括最小均方算法LMS、遞歸最小二乘算法或快速仿射投影算法FAP。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的波束形成處理采用頻域方法實(shí)現(xiàn)，可采用掃頻分析或最長(zhǎng)序列的方法先測(cè)量出各通道對(duì)應(yīng)各路揚(yáng)聲器陣列的頻率響應(yīng)，再根據(jù)頻率響應(yīng)由DSP模塊對(duì)各頻帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，最后把各頻帶信號(hào)進(jìn)行合成得到各路的輸入信號(hào)。 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明還提供了一種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其
特征在于，該裝置采用陣列信號(hào)處理電路分別驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波，具體包括 —音頻信號(hào)采集模塊101，用于獲得需要發(fā)射的音頻模擬電信號(hào)； —A/D轉(zhuǎn)換模塊102，用于將所述音頻信號(hào)采集模塊101獲得的音頻模擬電信號(hào)由
模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為音頻數(shù)字信號(hào)； —信號(hào)處理模塊103，輸入端與所述A/D轉(zhuǎn)換模塊102的輸出端連接，用于將需要發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸； —功率放大器組104，與所述信號(hào)處理模塊103的多路輸出分別連接，用于功率放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列； 多路揚(yáng)聲器陣列105，用于最終的聲發(fā)射； 其中，所述的信號(hào)處理模塊103包括分頻處理單元、頻帶預(yù)加權(quán)處理單元和波束形成處理單元三部分，所述的分頻處理單元，用于把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)；所述的頻帶預(yù)加權(quán)處理單元，用于基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)心理聲學(xué)參數(shù)，對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整；所述的波束形成處理單元，用于調(diào)節(jié)各路小陣列的輸入信號(hào)的相位，使得各路的輸出聲音在遠(yuǎn)場(chǎng)位置同向疊加，以提高指向性。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的多路揚(yáng)聲器陣列可以是將大的揚(yáng)聲器陣列按區(qū)域分割為幾個(gè)小陣列，每個(gè)小陣列形成一路揚(yáng)聲器陣列，并有一個(gè)輸入端。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的的音頻信號(hào)采集模塊101包括一傳聲器
701和一控制/存儲(chǔ)單元702。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的音頻信號(hào)采集模塊101和A/D轉(zhuǎn)換模塊102可以是MP3、電腦音頻輸出口或錄音筆。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的揚(yáng)聲器陣列包括動(dòng)圈揚(yáng)聲器陣列、蜂鳴器陣列、壓電陶瓷換能器陣列或壓電薄膜陣列。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的揚(yáng)聲器陣列采用整體式壓電陶瓷換能器陣列； 所述的整體式壓電陶瓷換能器陣列包括對(duì)應(yīng)地設(shè)置有若干孔的前蜂窩板201和后蜂窩板202，所述的前蜂窩板201和后蜂窩板202上下疊放固定，形成若干蜂窩孔，每一個(gè)蜂窩孔內(nèi)容置一個(gè)壓電陶瓷換能器； 所述的壓電陶瓷換能器由上而下依次固定有聲輻射基片204、電極基片205、壓電陶瓷片206，該壓電陶瓷換能器通過(guò)設(shè)置在聲輻射基片204上下表面的兩個(gè)密封墊圈203 —體嵌入后蜂窩板202的孔相對(duì)于前蜂窩板201的孔內(nèi)凹所形成的空間里；其中，所述的電極基片205和壓電陶瓷片206分別連接位于壓電陶瓷換能器下方的電極連接腳對(duì)207的一端，該電極連接腳對(duì)207的另一端插入印刷電路板208的插孔內(nèi)； 所述的印刷電路板208固定扣合在蜂窩板上，其上的電極連接腳對(duì)207多路分別布線形成整體式壓電陶瓷換能器陣列；其中，每一路壓電陶瓷換能器由若干蜂窩孔內(nèi)的壓電陶瓷換能器并聯(lián)形成小陣列，該小陣列有兩根線，一根線連接該路壓電陶瓷換能器小陣列內(nèi)的所有電極基片205，另一根線連接該路壓電陶瓷換能器小陣列內(nèi)的所有壓電陶瓷片206。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的前蜂窩板201和后蜂窩板202采用耐腐蝕、有韌性、高強(qiáng)度的材料制成，可以選用不銹鋼、鋁合金或尼龍。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的前蜂窩板201上的蜂窩孔可以是直筒形、錐形或號(hào)筒形。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的密封墊圈203為橡膠圈，兩個(gè)密封墊圈的厚度之和略大于后蜂窩板202的厚度。這樣，兩個(gè)密封墊圈由前蜂窩板201和PCB印刷電路板208擠壓至后蜂窩板202的厚度，固定住兩個(gè)密封墊圈之間夾著的聲輻射基片204，同時(shí)又起到密封的作用。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的聲輻射基片204采用有彈性、有韌性的材料制成，包括薄尼龍片或薄塑料片。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的電極基片205為一導(dǎo)電金屬或合金薄片。
作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的壓電陶瓷片206不與電極基片205接觸的一面做鍍導(dǎo)電金屬處理，所述的導(dǎo)電金屬包括銀。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的功率放大器組104可以選擇包括A類、B類、AB類或D類功率放大器組成；如果選用D類功放，信號(hào)處理模塊103和功率放大器組104之間就直接連接；如果選用A類、B類或AB類功放，則信號(hào)處理模塊103和功率放大器組104之間還需加接一 D/A轉(zhuǎn)換模塊901。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的方法和裝置通過(guò)陣列信號(hào)處理電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波。
本發(fā)明在工程上實(shí)現(xiàn)這一方法則有一些特殊設(shè)計(jì)。由于常規(guī)揚(yáng)聲器(即動(dòng)圈揚(yáng)聲
器，又稱喇叭)體積大質(zhì)量大，在一定的陣列面積內(nèi)能夠布放的聲源個(gè)數(shù)較少，所以組成的
陣列指向性受限制，而且這種陣列功耗很大、體型笨重、使用不便。本發(fā)明根據(jù)壓電陶瓷發(fā)
聲原理特別設(shè)計(jì)了一種整體式的壓電換能器陣列以取代傳統(tǒng)揚(yáng)聲器陣列，并提供了包括信
號(hào)處理模塊的一整套裝置從而從工程實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波。 與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器陣列相比，本發(fā)明中的裝置體積小、重量輕、效率高、使用方便、指向
性更好。與參量陣相比，本發(fā)明中的方法和裝置實(shí)現(xiàn)了高聲強(qiáng)聲波的發(fā)射、能量轉(zhuǎn)換效率
高。同時(shí)，本發(fā)明中的裝置在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了惡劣環(huán)境下的使用，進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)和防
腐蝕選材，可以應(yīng)對(duì)海上的惡劣環(huán)境，應(yīng)用范圍更加廣泛。


圖1表示本發(fā)明方法流程和裝置結(jié)構(gòu)的原理圖； 圖2表示本發(fā)明的整體式壓電陶瓷換能器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3表示本發(fā)明的整體式壓電陶瓷換能器陣列中單個(gè)蜂窩孔單元的分解結(jié)構(gòu)剖面示意圖； 圖4表示本發(fā)明的整體式壓電陶瓷換能器陣列中單個(gè)蜂窩孔單元的組合結(jié)構(gòu)剖面示意圖； 圖5表示本發(fā)明的整體式壓電陶瓷換能器陣列中前蜂窩板201的單個(gè)蜂窩孔單元可選擇的幾種形狀的剖面示意圖； 其中，圖5a是直筒形蜂窩孔的剖面；圖5b是錐形蜂窩孔的剖面；圖5c是號(hào)筒形蜂窩孔的剖面； 圖6表示本發(fā)明的方法中的信號(hào)處理的流程示意 圖7表示信號(hào)采集模塊101的結(jié)構(gòu)示意 圖8表示信號(hào)處理模塊103的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9表示功率放大器組104選用A類、B類或AB類的情況下，本發(fā)明的裝置相應(yīng)所做的改變的示意圖； 圖10表示波束形成處理模塊803采用時(shí)域?qū)崿F(xiàn)方法時(shí)的結(jié)構(gòu)示意 圖11表示波束形成處理模塊803采用頻域?qū)崿F(xiàn)方法時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)識(shí)101、音頻信號(hào)采集模塊102、A/D轉(zhuǎn)換模塊103、信號(hào)處理模塊104、功率放大器組105、壓電式陣列201、前蜂窩板202、后蜂窩板203、密封墊圈204、聲輻射基片205、電極基片206、壓電陶瓷片207、電極連接腳對(duì)208、 PCB印制電路板701、傳聲器702、控制/存儲(chǔ)單元801、分頻處理單元802、頻帶預(yù)加權(quán)處理單元
803、波束形成處理單元8
901 、 D/A轉(zhuǎn)換模塊
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 本發(fā)明利用聲源陣列能夠獲得更強(qiáng)指向性的原理，配合陣列信號(hào)處理即波束形成技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)音頻聲遠(yuǎn)距離的定向傳輸。 先詳細(xì)介紹本發(fā)明提供的一種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法。該方法需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)
行預(yù)先訓(xùn)練，以獲得揚(yáng)聲器陣列的傳遞函數(shù)，留作信號(hào)處理時(shí)的參數(shù)選擇依據(jù)。對(duì)于本領(lǐng)域
的技術(shù)人員而言，這種預(yù)先訓(xùn)練的方法是信號(hào)處理的常規(guī)方法，因此不再進(jìn)行詳細(xì)敘述。 —種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法，如圖1所示，包括如下步驟 1)對(duì)多路揚(yáng)聲器陣列的各路分別進(jìn)行預(yù)先訓(xùn)練以獲得其各自的傳遞函數(shù)； 2)采集音頻信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換； 3)根據(jù)步驟1)中獲得的傳遞函數(shù)，基于心理聲學(xué)模型，結(jié)合波束形成技術(shù)，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，并分多路輸出； 4)由多個(gè)功率放大器分別對(duì)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理的音頻信號(hào)進(jìn)行放大，并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列； 5)揚(yáng)聲器陣列發(fā)射高聲強(qiáng)的指向性聲波。 在上述技術(shù)方案中，步驟1)所述多路揚(yáng)聲器陣列是指將大的陣列按區(qū)域分割為
幾個(gè)小陣列，每個(gè)小陣列稱為一路并有一個(gè)輸入端，各路之間獨(dú)立工作。 在上述技術(shù)方案中，步驟2)所述音頻信號(hào)采集是指由傳聲器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為
模擬電信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)化將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，步驟2)中最終獲得的數(shù)字信號(hào)也可以由MP3、電腦音頻輸出口 、錄音筆等能夠直接輸出數(shù)字化音頻信號(hào)的裝置提供。 在上述技術(shù)方案中，步驟3)所述信號(hào)處理包括分頻處理、頻帶預(yù)加權(quán)處理和波束形成處理三部分組成，如圖6所示。其中分頻處理是把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)。頻帶預(yù)加權(quán)是基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)響度級(jí)曲線等心理聲學(xué)參數(shù)對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整。波束形成處理是用來(lái)調(diào)節(jié)各路小陣列的輸入信號(hào)的相位，使得各路的輸出聲音在遠(yuǎn)場(chǎng)位置同向疊加，提高指向性。 在上述技術(shù)方案中，步驟4)中的功率放大器可以選擇包括A類、B類、AB類、D類在內(nèi)的各種類型功放。如果選用D類功放，如圖l，信號(hào)處理模塊103和功率放大器組104之間就直接連接；如果選用A類、B類或AB類功放，如圖9，則信號(hào)處理模塊103和功率放大器組104之間還需加接一 D/A轉(zhuǎn)換模塊。 在上述技術(shù)方案中，步驟5)中所述揚(yáng)聲器陣列包括動(dòng)圈揚(yáng)聲器陣列(即喇叭陣列)、蜂鳴器陣列、壓電陶瓷換能器陣列、壓電薄膜陣列。
—種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，如圖1所示，包括
—音頻信號(hào)采集模塊101，用于獲得需要發(fā)射的音頻信號(hào)。 —A/D轉(zhuǎn)換模塊102，用于將所述音頻信號(hào)采集模塊101獲得的音頻信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 —信號(hào)處理模塊103，輸入端與所述A/D轉(zhuǎn)換模塊102的輸出端連接，用于將需要發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸。 —功率放大器組104，與所述信號(hào)處理模塊103的多路輸出相連接，用于功率放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列。 —壓電式陣列105，用于最終的聲發(fā)射。 在上述技術(shù)方案中，如圖7所示，音頻信號(hào)采集模塊101由一傳聲器701和一控制/存儲(chǔ)單元702組成。 進(jìn)一步地，所述音頻信號(hào)采集模塊101和A/D轉(zhuǎn)換模塊102可以由MP3、電腦音頻輸出口、錄音筆等能夠直接輸出數(shù)字化音頻信號(hào)的裝置取代，即所述信號(hào)處理模塊103的輸入端可以直接與能夠輸出數(shù)字音頻信號(hào)的裝置連接。 在上述技術(shù)方案中，如圖8所示，信號(hào)處理模塊103由三部分組成，分頻處理單元801，頻帶預(yù)加權(quán)處理單元802和波束形成處理單元803。 進(jìn)一步地，所述分頻處理單元801的作用是將寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)，可采用的子帶劃分方法包括均勻子帶劃分、倍頻程子帶劃分、Bark域子帶劃分等常用子帶劃分方法；可采用的頻帶分割技術(shù)包括多相濾波技術(shù)、短時(shí)傅立葉技術(shù)、MDCT技術(shù)等時(shí)頻域轉(zhuǎn)換技術(shù)。 進(jìn)一步地，所述頻帶預(yù)加權(quán)處理單元802的作用是，基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)人耳對(duì)聲音感知特性(如響度級(jí)曲線)和輸入信號(hào)特性，對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，使得人耳在目標(biāo)處聽(tīng)到的聲音最響。 進(jìn)一步地，所述波束形成處理單元803的作用是調(diào)節(jié)各路小陣列的輸入信號(hào)的相位，使得各路的輸出聲音在遠(yuǎn)場(chǎng)位置同向疊加，提高指向性。 進(jìn)一步地，所述波束形成處理單元803可采用的技術(shù)手段包括時(shí)域方法和頻域方
法。時(shí)域?qū)崿F(xiàn)方法如圖io所示，先將子頻帶信號(hào)合成寬帶信號(hào)，再經(jīng)由濾波器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅調(diào)
相然后輸出。其中濾波器可采用無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器1IR、有限沖激響應(yīng)濾波器FIR或格形濾波器等常用濾波器。濾波器系數(shù)的獲取可采用最小均方算法LMS、遞歸最小二乘算法和快速仿射投影算法FAP等常用自適應(yīng)逆濾波算法。頻域?qū)崿F(xiàn)方法如圖ll所示，可采用掃頻分析、最長(zhǎng)序列等方法先測(cè)量出各通道(對(duì)應(yīng)各路小陣列)的頻率響應(yīng)，再根據(jù)頻率響應(yīng)由DSP模塊對(duì)各頻帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，最后把各頻帶信號(hào)進(jìn)行合成得到各路的輸入信號(hào)。
在上述技術(shù)方案中，所述壓電式陣列105的結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述壓電式陣列105由前蜂窩板201、后蜂窩板202、密封墊圈203、聲輻射基片204、電極基片205、壓電陶瓷片206、電極連接腳對(duì)207、PCB印刷電路板208組成。對(duì)應(yīng)著前蜂窩板201和后蜂窩板202的每個(gè)蜂窩孔都有一套密封墊圈203、聲輻射基片204、電極基片205、壓電陶瓷片206和電極連接腳對(duì)207，圖2中只示意了中心軸上的一套。 進(jìn)一步地，圖3示意了所述壓電式陣列105各組成部分的剖面。其中，圖5a是直
筒形蜂窩孔的剖面201、圖5b是錐形蜂窩孔的剖面202、圖5c是號(hào)筒形蜂窩孔的剖面。 進(jìn)一步地，圖4示意了所述壓電式陣列105 —個(gè)蜂窩孔組裝后的剖面。 進(jìn)一步地，所述前蜂窩板201和后蜂窩板202可以選用不銹鋼、鋁合金、尼龍等耐
腐蝕、有韌性、高強(qiáng)度的材料。 進(jìn)一步地，所述前蜂窩板201上的蜂窩孔可以是直筒形、錐形、號(hào)筒形。如圖5所示，示意了直筒形的剖面501、錐形的剖面502、號(hào)筒形的剖面503。
進(jìn)一步地，所述密封墊圈203為橡膠圈，每個(gè)蜂窩孔對(duì)應(yīng)兩個(gè)密封墊圈，兩個(gè)密封墊圈的厚度之和略大于后蜂窩板202的厚度，由前蜂窩板201和PCB印刷電路板208擠壓至后蜂窩板202的厚度，從而固定住兩個(gè)密封墊圈之間夾著的聲輻射基片204，同時(shí)又起到密封的作用。 進(jìn)一步地，所述聲輻射基片204為一薄尼龍片或一薄塑料片，或類似的有彈性、有韌性的材料，與所述電極基片205膠合。所述電極基片205為一導(dǎo)電金屬或合金薄片，與所述壓電陶瓷片206膠合，其中壓電陶瓷片206非與205膠合的一面做鍍銀(或其他導(dǎo)電金屬)處理。 進(jìn)一步地，所述電極連接腳對(duì)207的一端分別與電極基片205和壓電陶瓷片206連接，另一端插入PCB印刷電路板208上的插孔并焊接。 進(jìn)一步地，所述PCB印刷電路板208按區(qū)域劃分為多路小陣列并分別布線，每一路有兩根線，通過(guò)電極連接腳對(duì)207分別與該路區(qū)域內(nèi)的各蜂窩孔內(nèi)的電極基片205和壓電陶瓷片206連接，即一根線全部連接該區(qū)域內(nèi)的電極基片205，另一根線全部連接該區(qū)域內(nèi)的壓電陶瓷片206，以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)所有蜂窩孔并聯(lián)。各路的輸入端分別與功率放大器組104所對(duì)應(yīng)的各輸出端相連接。 本發(fā)明中的方法的實(shí)際流程如圖1所示獲取需定向傳播的音頻信號(hào)后送給信號(hào)處理模塊(如圖6所示)，經(jīng)過(guò)分頻處理、頻帶預(yù)加權(quán)處理和波束形成處理后送至功率放大模塊，放大后經(jīng)由揚(yáng)聲器陣列發(fā)射。 該方法的重點(diǎn)在于信號(hào)處理和揚(yáng)聲器陣列的設(shè)計(jì)。信號(hào)處理的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)預(yù)先訓(xùn)練所獲得傳遞函數(shù)，基于心理聲學(xué)模型，結(jié)合波束形成技術(shù)，并分多路輸出，從而實(shí)現(xiàn)高聲強(qiáng)聲波的定向傳輸。具體實(shí)施步驟為將寬帶信號(hào)分割為多個(gè)子頻帶信號(hào)；基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)人耳對(duì)聲音感知特性，如響度級(jí)曲線(表征了人耳對(duì)各個(gè)頻率點(diǎn)聲音的敏感度)，以及預(yù)先訓(xùn)練獲得的傳遞函數(shù)中有關(guān)幅度的部分參數(shù)，對(duì)子頻帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅；將經(jīng)過(guò)調(diào)幅的子帶信號(hào)合成為一寬帶信號(hào)；將合成后的寬帶信號(hào)對(duì)應(yīng)揚(yáng)聲器陣列的各路小陣列的傳遞函數(shù)進(jìn)行調(diào)相，以期各路小陣列的輸出在遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)位置上同向疊加；多路信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)陣列發(fā)射定向高聲強(qiáng)聲波。揚(yáng)聲器陣列的選用思路是相同大小的面積里面盡可能多的布放陣列單元、每個(gè)單元的輸出盡可能的大、能耗低、輕便?？梢允褂酶鞣N符合上述條件的揚(yáng)聲器陣列。 另外，本發(fā)明還給出了一種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置。如圖l所示，該裝置包括一音頻信號(hào)采集模塊101、一 A/D轉(zhuǎn)換模塊102、一信號(hào)處理模塊103、一功率放大器組104、一壓電式陣列105。各模塊的功能與所述方法相對(duì)應(yīng)，不再重復(fù)敘述。需要特別說(shuō)明的是，所述壓電式陣列是一經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的整體式壓電換能器陣列，具有發(fā)射聲壓級(jí)高、能耗低、指向角小、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是該裝置的核心部分，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3和圖4所示，按前蜂窩板201在上、后蜂窩板202在下的方式將兩者固定在一起；將聲輻射基片204、電極基片205、壓電陶瓷片206按順序粘接在一起作為一個(gè)整體；按兩個(gè)密封墊圈203分別位于聲輻射基片204的兩側(cè)的方式，將粘接好的整體輻射片放入蜂窩板的空穴內(nèi)，壓電陶瓷片206的一面朝上；將電極連接腳對(duì)207插入PCB印制電路板208的孔位內(nèi)并焊牢；將焊有電極連接腳對(duì)207的一面朝下把PCB印制電路板208扣在蜂窩板上并固定。
本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用廣泛，可用于軍警營(yíng)地周邊警戒、警示；警用驅(qū)散非法聚集人群；大型集會(huì)人群的引導(dǎo)疏散；低空飛行器向限定范圍內(nèi)的地面目標(biāo)廣播；軍警用遠(yuǎn)程聲 波警示、壓制；海上船舶間遠(yuǎn)距離語(yǔ)音通信；機(jī)場(chǎng)驅(qū)趕鳥(niǎo)群等既需要指向性又需要遠(yuǎn)距離 傳播聲音的場(chǎng)合。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)射聲壓級(jí)高、指向性好、能量轉(zhuǎn)換效率高、裝置體積 小、重量輕、使用方便、能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境。 在對(duì)本發(fā)明中的裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量之后，獲得如下數(shù)據(jù) 1)裝置正前方10米處聲壓級(jí)達(dá)116dB，根據(jù)聲學(xué)原理推算可知，100米處聲壓級(jí)可 達(dá)96dB ; 2) i皆振頻率2. 9kHz ; 3)衰減6dB時(shí)的偏離角度為4. 5° (此處的角度是指偏離中心軸一側(cè)的角度，即 偏離中心軸4.5。時(shí)聲壓級(jí)下降了 6dB)，衰減10dB時(shí)的偏離角度為7。，衰減30dB時(shí)的偏 離角度為9。；
4)功耗為200W ; 5)機(jī)械尺寸為小850毫米(直徑)X100毫米(厚度)；
6)質(zhì)量為30kg。 由上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高聲強(qiáng)聲波的定向發(fā)射，同又具有了能耗 低、輕便等優(yōu)點(diǎn)。 最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
1權(quán)利要求
一種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法，該方法采用陣列信號(hào)處理電路分別驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波，其包括以下步驟1)首先，對(duì)每一路揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行預(yù)先訓(xùn)練以獲得各路揚(yáng)聲器陣列的傳遞函數(shù)；2)通過(guò)音頻信號(hào)采集模塊(101)將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸出音頻數(shù)字信號(hào)；3)根據(jù)步驟1)中獲得的傳遞函數(shù)，對(duì)步驟2)輸出的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理后分多路輸出；4)由若干功率放大器分別對(duì)輸出的每一路音頻信號(hào)進(jìn)行放大，并分別驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，每一路揚(yáng)聲器陣列之間互相獨(dú)立工作；5)由多路揚(yáng)聲器陣列發(fā)射高聲強(qiáng)的指向性聲波；其中，所述的步驟3)中的信號(hào)處理包括分頻處理、頻帶預(yù)加權(quán)處理和波束形成處理三部分，首先，通過(guò)分頻處理把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)；然后，基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)心理聲學(xué)參數(shù)，通過(guò)頻帶預(yù)加權(quán)處理對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整；最后，通過(guò)波束形成處理來(lái)調(diào)節(jié)各路小陣列的輸入信號(hào)的相位，使得各路的輸出聲音在遠(yuǎn)場(chǎng)位置同向疊加，以提高指向性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法，其特征在于，所述的分頻處理是 采用子帶劃分方法和頻帶分割技術(shù)把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)；所述的子帶劃 分方法包括均勻子帶劃分、倍頻程子帶劃分或Bark域子帶劃分；所述的頻帶分割技術(shù)采 時(shí)頻域轉(zhuǎn)換技術(shù)，包括多相濾波技術(shù)、短時(shí)傅立葉技術(shù)或MDCT技術(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法，其特征在于，所述的頻帶預(yù)加權(quán) 處理是基于心理聲學(xué)模型，并根據(jù)人耳對(duì)聲音感知特性和輸入信號(hào)特性，對(duì)每個(gè)子頻帶信 號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，以使得人耳在目標(biāo)處聽(tīng)到的聲音最響。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法，其特征在于，所述的波束形成處 理采用時(shí)域方法實(shí)現(xiàn)，先將子頻帶信號(hào)合成寬帶信號(hào)，再經(jīng)由濾波器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅調(diào)相然后輸 出；其中，所述的濾波器可采用無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器1IR、有限沖激響應(yīng)濾波器FIR或格形 濾波器，濾波器系數(shù)的獲取可采用自適應(yīng)逆濾波算法，包括最小均方算法LMS、遞歸最小 二乘算法或快速仿射投影算法FAP。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法，其特征在于，所述的波束形成處 理采用頻域方法實(shí)現(xiàn)，可采用掃頻分析或最長(zhǎng)序列的方法先測(cè)量出各通道對(duì)應(yīng)各路揚(yáng)聲器 陣列的頻率響應(yīng)，再根據(jù)頻率響應(yīng)由DSP模塊對(duì)各頻帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，最后把各頻帶信號(hào) 進(jìn)行合成得到各路的輸入信號(hào)。
6. —種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，該裝置采用陣列信號(hào)處理電路分別 驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波，具體包括一音頻信號(hào)采集模塊(101)，用于獲得需要發(fā)射的音頻模擬電信號(hào)；一A/D轉(zhuǎn)換模塊(102)，用于將所述音頻信號(hào)采集模塊(101)獲得的音頻模擬電信號(hào)由 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為音頻數(shù)字信號(hào)；一信號(hào)處理模塊(103)，輸入端與所述A/D轉(zhuǎn)換模塊(102)的輸出端連接，用于將需要 發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸；一功率放大器組(104)，與所述信號(hào)處理模塊(103)的多路輸出分別連接，用于功率放大以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器陣列；多路揚(yáng)聲器陣列(105)，用于最終的聲發(fā)射；其中，所述的信號(hào)處理模塊(103)包括分頻處理單元、頻帶預(yù)加權(quán)處理單元和波束形 成處理單元三部分，所述的分頻處理單元，用于把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)；所 述的頻帶預(yù)加權(quán)處理單元，用于基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)心理聲學(xué)參數(shù)，對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào) 進(jìn)行增益調(diào)整；所述的波束形成處理單元，用于調(diào)節(jié)各路小陣列的輸入信號(hào)的相位，使得各 路的輸出聲音在遠(yuǎn)場(chǎng)位置同向疊加，以提高指向性。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的多路揚(yáng)聲器 陣列可以是將大的揚(yáng)聲器陣列按區(qū)域分割為幾個(gè)小陣列，每個(gè)小陣列形成一路揚(yáng)聲器陣 列，并有一個(gè)輸入端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的的音頻信號(hào) 采集模塊(101)包括一傳聲器(701)和一控制/存儲(chǔ)單元(702)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的音頻信號(hào)采 集模塊(101)和A/D轉(zhuǎn)換模塊(102)可以是MP3、電腦音頻輸出口或錄音筆。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的揚(yáng)聲器陣列 包括動(dòng)圈揚(yáng)聲器陣列、蜂鳴器陣列、壓電陶瓷換能器陣列或壓電薄膜陣列。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6或10所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的揚(yáng)聲器 陣列采用整體式壓電陶瓷換能器陣列；所述的整體式壓電陶瓷換能器陣列包括對(duì)應(yīng)地設(shè)置有若干孔的前蜂窩板(201)和后 蜂窩板(202)，所述的前蜂窩板(201)和后蜂窩板(202)上下疊放固定，形成若干蜂窩孔，每 一個(gè)蜂窩孔內(nèi)容置一個(gè)壓電陶瓷換能器；所述的壓電陶瓷換能器由上而下依次固定有聲輻射基片(204)、電極基片(205)、壓電 陶瓷片(206)，該壓電陶瓷換能器通過(guò)設(shè)置在聲輻射基片(204)上下表面的兩個(gè)密封墊圈 (203) —體嵌入后蜂窩板(202)的孔相對(duì)于前蜂窩板(201)的孔內(nèi)凹所形成的空間里；其 中，所述的電極基片(205)和壓電陶瓷片(206)分別連接位于壓電陶瓷換能器下方的電極 連接腳對(duì)(207)的一端，該電極連接腳對(duì)(207)的另一端插入印刷電路板(208)的插孔內(nèi)；所述的印刷電路板(208)固定扣合在蜂窩板上，其上的電極連接腳對(duì)(207)多路分別 布線形成整體式壓電陶瓷換能器陣列；其中，每一路壓電陶瓷換能器由若干蜂窩孔內(nèi)的壓 電陶瓷換能器并聯(lián)形成小陣列，該小陣列有兩根線，一根線連接該路壓電陶瓷換能器小陣 列內(nèi)的所有電極基片(205)，另一根線連接該路壓電陶瓷換能器小陣列內(nèi)的所有壓電陶瓷 片(206)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的前蜂窩板 (201)和后蜂窩板(202)采用耐腐蝕、有韌性、高強(qiáng)度的材料制成，可以選用不銹鋼、鋁合金 或尼龍。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的前蜂窩板 (201)上的蜂窩孔可以是直筒形、錐形或號(hào)筒形。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的密封墊圈 (203)為橡膠圈，兩個(gè)密封墊圈的厚度之和略大于后蜂窩板(202)的厚度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的聲輻射基片(204)采用有彈性、有韌性的材料制成，包括薄尼龍片或薄塑料片。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的電極基片 (205)為一導(dǎo)電金屬或合金薄片。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的壓電陶瓷 片(206)不與電極基片(205)接觸的一面做鍍導(dǎo)電金屬處理，所述的導(dǎo)電金屬包括銀。
18. 根據(jù)權(quán)利要求6所述高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的裝置，其特征在于，所述的功率放大器 組(104)可以選擇包括A類、B類、AB類或D類功率放大器組成；如果選用D類功放，信號(hào) 處理模塊(103)和功率放大器組(104)之間就直接連接；如果選用A類、B類或AB類功放， 則信號(hào)處理模塊(103)和功率放大器組(104)之間還需加接一D/A轉(zhuǎn)換模塊(901)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高聲強(qiáng)定向聲波發(fā)射的方法及其裝置，該方法采用陣列信號(hào)處理電路分別驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波，所述的信號(hào)處理包括分頻處理、頻帶預(yù)加權(quán)處理和波束形成處理三部分，首先，通過(guò)分頻處理把寬帶數(shù)字信號(hào)分解成多個(gè)子頻帶信號(hào)；然后，基于心理聲學(xué)模型，根據(jù)心理聲學(xué)參數(shù)，通過(guò)頻帶預(yù)加權(quán)處理對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整；最后，通過(guò)波束形成處理來(lái)調(diào)節(jié)各路小陣列的輸入信號(hào)的相位，使得各路的輸出聲音在遠(yuǎn)場(chǎng)位置同向疊加，以提高指向性。本發(fā)明的裝置，采用陣列信號(hào)處理電路分別驅(qū)動(dòng)多路揚(yáng)聲器陣列，和一種整體式壓電陶瓷換能器陣列，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳輸高聲強(qiáng)聲波。
文檔編號(hào)G10K11/18GK101719368SQ20091025981
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者吳鳴, 張維, 楊軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所