專利名稱：基于消費電子設(shè)備的聲頻定向揚聲器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于消費電子設(shè)備的聲頻定向揚聲器系統(tǒng)，它包括信號處理 系統(tǒng)，功率放大器和定向換能器三個主要部分，屬于信號處理領(lǐng)域和揚聲器系統(tǒng) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲頻定向系統(tǒng)是一種利用超聲波在空氣中的非線性傳播效應(yīng)產(chǎn)生高指向性 可聽聲的一種新型揚聲器系統(tǒng)。音頻信號經(jīng)過處理后形成含有該音頻信號信息的 超聲波信號，由聲頻定向揚聲器的發(fā)聲設(shè)備——換能器將該超聲波發(fā)射到空氣 中，然后該超聲波在空氣中會自解調(diào)出其中含有的音頻信號，形成一個具有很強 指向性的可聽聲信號?，F(xiàn)代社會中，手機、媒體播放器、便攜式DVD/VCD、筆記本電腦消費電子 設(shè)備已經(jīng)非常成熟并且?guī)缀踹_到了個人化，然而現(xiàn)今所有的消費電子設(shè)備，在音 頻信號輸出方面一直采用了傳統(tǒng)的擴散式揚聲器，這使得這些設(shè)備在個人使用時 必須佩帶耳機，否則所發(fā)出的聲音就會影響他人或泄露個人信息，不具有保密性。 特別是手機等在使用時必須將人耳與揚聲器靠得很近，從而使用戶在使用時極為 不方便，還有損傷人耳的隱患。因此， 一種具有指向性的、能提供私人視聽空間 的、能傳播較遠(yuǎn)距離的發(fā)聲系統(tǒng)的研究是有價值的。當(dāng)前，用于普通場合的定向 揚聲器系統(tǒng)正處于研發(fā)狀態(tài)，然而，還沒有一種基于消費電子設(shè)備的聲頻定向揚 聲器問世。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于消費電子設(shè)備的聲頻定向揚聲器系統(tǒng)，以便用 戶擁有獨立的視聽空間，保證設(shè)備在使用過程中個人信息不被泄漏或不影響他 人，并且提供更舒適方便的操作方式。本發(fā)明的目的通過信號處理、信號功率放大、電聲轉(zhuǎn)換三部分來實現(xiàn)。信號 處理可以以DSP或是FPGA為硬件平臺進行設(shè)計，目的是完成所期望輸出信號 的預(yù)處理——包括濾波和失真補償，并對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，加載算法對信號
進行調(diào)制。功率放大部分主要是高效率、高功率地完成信號的功率放大，并解決 與后級超聲換能器的輸出阻抗匹配問題。電聲轉(zhuǎn)換即通過超聲換能器，將處理完 成后的信號加載到其上從而發(fā)射出定向超聲波，以此解調(diào)出定向聲頻。為實現(xiàn)以上目的，該系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號調(diào)制模塊都必須根據(jù) 所要求的音頻質(zhì)量和算法調(diào)制載頻，選用處理能力適合的型號。由于超聲換能器阻抗呈電抗性會大大提升其上的發(fā)熱損耗，產(chǎn)生更大的聲 壓，更有效率地完成超聲波發(fā)射。因此，選用的換能器制作材料可以為壓電材料 ——包括壓電陶瓷、PZT、 PVDF膜，也可以為磁致伸縮或是其他壓電材料。在 本發(fā)明的一個具體實施例中，選用PVDF鍍銀膜作為換能器的材料。由于負(fù)載呈電容性，因此功率放大器的設(shè)計中，阻抗匹配尤為重要，如果處 理不善，負(fù)載將會在高頻信號的驅(qū)動下近似短路，會造成燒毀元器件和換能器的 空難性后果，在本發(fā)明的一個實施例中，可以利用電感、LC回路、變壓器進行 阻抗變換和匹配。考慮到容性負(fù)載所需要的高功率，為了使功率放大器自身發(fā)熱 損耗達到最小，效率達到最高,該系統(tǒng)的功率放大器選用開關(guān)型數(shù)字功率放大器， 如D類、E類、F類、T類等。在本發(fā)明的一個實施例中，選用D類功率放大器 作為設(shè)計對象進行系統(tǒng)集成。


圖1示出了置于手機處理芯片外部的聲頻定向系統(tǒng)的功能流程框圖。 圖2示出了嵌入于手機處理芯片內(nèi)部的聲頻定向系統(tǒng)的功能流程框圖。 圖中l(wèi).手機信號處理芯片，2.聲頻定向系統(tǒng)，3.A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，4.數(shù)字信 號調(diào)制模塊，5.D類功率放大器，6.負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)，7.聲頻定向揚聲器。
具體實施方式
圖1示出了按照本發(fā)明所設(shè)計的一獨立于手機處理芯片外部的聲頻定向系 統(tǒng)的實施例。由圖可見，在手機天線接收到無線電信號后直接傳輸?shù)绞謾C內(nèi)部的 信號處理芯片l，該芯片經(jīng)濾波、下變頻等處理后提取出包含在無線電調(diào)制信號 中的音頻信號，并將其轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出到聲頻定向系統(tǒng)2的A/D轉(zhuǎn)換器3， 經(jīng)3采樣后，所得數(shù)字信號直接送到可由DSP或FPGA實現(xiàn)的數(shù)字信號調(diào)制模 塊4，由4調(diào)制后的信號再經(jīng)過D類功率放大器5放大后，通過負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)6， 加載到聲頻定向揚聲器7上驅(qū)動其振動發(fā)射超聲波。
圖2示出了按照本發(fā)明所設(shè)計的另一嵌入于手機處理芯片內(nèi)部的聲頻定向 系統(tǒng)的實施例。無線電信號的接收過程與圖1中的實施例l相同，在該實施例中， 聲頻定向系統(tǒng)的信號處理和放大部分集成到了手機信號處理芯片中，這樣可以減 少信號被處理的環(huán)節(jié)，增強了實時性與可靠性。不僅如此，由于現(xiàn)在手機的信號 處理芯片都釆用數(shù)字信號處理的方式，這使得信號在與聲頻定向系統(tǒng)的銜接上更 為方便，A/D轉(zhuǎn)換器3也可以省略不用，減小了集成元器件的成本，也消除了信 號在A/D轉(zhuǎn)換過程中的所引入的失真。在各器件都滿足的情況下，這種將聲頻 定向系統(tǒng)2嵌入到手機芯片1內(nèi)部的方式可達到減小體積，降低成本的效果。
權(quán)利要求
1 .一種用于消費電子設(shè)備的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一A/D轉(zhuǎn)換器以接收手機芯片所生成的模擬音頻信號并采樣輸出數(shù)字信號。如果該系統(tǒng)所接收的信號已采樣為數(shù)字信號，則A/D轉(zhuǎn)換器可以省略。一數(shù)字信號調(diào)制模塊，將采樣后的信號進行算法調(diào)制處理，將其以算法所描述的特定方式加載到超聲波。一功率放大器，用于接收已調(diào)制信號并將其功率以高效率地放大。一D/A轉(zhuǎn)換器以使經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸入模擬功率放大器。如果采用數(shù)字功率放大器，則D/A轉(zhuǎn)換器可以省略。一負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)，用以使功率放大器的輸出最大功率地加載到換能器負(fù)載上。一聲頻定向換能器，以定向發(fā)射超聲波給接聽者，其中該超聲頻段部分經(jīng)空氣自解調(diào)而還原為原音頻信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，用于發(fā)射超聲波的定 向超聲換能器，可以由若干個陣列發(fā)射單元構(gòu)成，也可以為一個整體獨立的換能 器。
3. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)字信號調(diào)制模塊對 信號失真進行補償。
4. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)字信號調(diào)制模塊將 信號以算法所描述的方式加載到超聲波頻段。
5. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，功率放大器可以為數(shù) 字式開關(guān)放大器，包括D類、E類、F類、T類或其他數(shù)字功率放大器。
6. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)字信號調(diào)制模塊將 調(diào)制后的信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎B(tài)或是三態(tài)的開關(guān)式信號。
7. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，以數(shù)字功率放大器接 收已調(diào)制信號并將其功率高效率地開關(guān)式放大。
8. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，以模擬功率放大器接 收已調(diào)制后的模擬信號進行線性放大。
9.如權(quán)利要求1所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)字功率放大器通過負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)與換能器相連接以保證高效率、大功率的輸出。
10.如權(quán)利要求l所述的聲頻定向系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)可用于手機、 媒體播放器、便攜式DVD/VCD、筆記本電腦等任何有音頻輸出的電子設(shè)備。
全文摘要
一種基于消費電子設(shè)備的聲頻定向系統(tǒng)包括A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以接收電子設(shè)備芯片所生成的模擬音頻信號并采樣輸出數(shù)字信號。一數(shù)字信號調(diào)制模塊，采樣后的信號通過該模塊進行算法調(diào)制處理，將其以算法所描述的特定方式加載到超聲波。一功率放大器，用于接收已調(diào)制信號并將其功率以高效率地放大，如果是模擬功放，功放前需加一D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器。一負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)，用以使功率放大器的輸出最大功率地加載到換能器負(fù)載上。一聲頻定向換能器，以定向發(fā)射超聲波給接聽者，其中該超聲頻段部分經(jīng)空氣自解調(diào)而還原為原音頻信號。由于超聲波具有指向性，因此在其內(nèi)部所解調(diào)出的可聽音頻也具有定向性而形成定向可聽聲。
文檔編號H04S7/00GK101111095SQ20071004950
公開日2008年1月23日 申請日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月12日
發(fā)明者徐利梅, 輝 李, 祎 王 申請人:電子科技大學(xué)