專利名稱：微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可應(yīng)用于手機(jī)等便攜電子設(shè)備的微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及揚(yáng)聲器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器直接向空氣中輻射頻率在可聽(tīng)聲頻段范圍內(nèi)的聲波，聲波發(fā)散，難 以實(shí)現(xiàn)聲音定向性。聲頻定向揚(yáng)聲器通過(guò)超聲波在空氣中的非線性交互作用產(chǎn)生高指向性 的可聽(tīng)聲，而不依賴揚(yáng)聲器固有的特性。其主要工作原理是揚(yáng)聲器向空氣中發(fā)射調(diào)制有可 聽(tīng)聲信號(hào)的超聲波，由于空氣非線性傳播效應(yīng)解調(diào)了攜帶音頻信號(hào)的超聲波調(diào)制信號(hào)，產(chǎn) 生出高指向可聽(tīng)聲。與傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器系統(tǒng)比較，聲頻定向揚(yáng)聲器系統(tǒng)具有輸出聲音指向性 高，傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在諸如博物館、國(guó)際會(huì)議等要求存在多個(gè)互不干擾的聲源的場(chǎng)合具 有重要的應(yīng)用。但是現(xiàn)有的聲頻定向揚(yáng)聲器傳播方向單一，不能同時(shí)滿足多人同時(shí)接收信 息的需要。為聽(tīng)眾造成了使用的不便。本發(fā)明中提出了通過(guò)在多個(gè)指定位置裝置換能器， 以及控制換能器轉(zhuǎn)動(dòng)方向的方式達(dá)到聲頻信號(hào)多聲道傳播的特點(diǎn)?！拔⑿投嗦暤缆曨l定向揚(yáng)聲器”是基于微機(jī)械加工技術(shù)設(shè)計(jì)終端換能器，利用多個(gè) 微型超聲換能器分別將含有該音頻信號(hào)信息的超聲波信號(hào)發(fā)射到空氣中，經(jīng)非線性解調(diào)效 應(yīng)產(chǎn)生多方向高指向性可聽(tīng)聲的一種高新微型揚(yáng)聲器。微型超聲換能器則使得聲頻定向揚(yáng) 聲器的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到了如手機(jī)等便攜式電子設(shè)備，為個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的使用者帶來(lái)了全新 的使用體驗(yàn)。微型聲頻定向換能器可以采用PZT、PVDF、磁致伸縮材料或其它具有壓電效應(yīng)的材 料。由于當(dāng)外加適當(dāng)?shù)碾娂?lì)信號(hào)時(shí)，壓電材料即可產(chǎn)生較大的機(jī)械位移或壓力。因此， 將含有音頻信息的超聲波激勵(lì)信號(hào)施加在換能器上，便可轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，將信號(hào)發(fā)射出 去。但是，單個(gè)換能器單元輸出功率小，指向性差，接收靈敏度低，因此，本發(fā)明采用換能器 陣列，旨在改善換能器指向性、增加傳輸距離、提高輸出聲壓級(jí)、增大輸出功率等。本發(fā)明，換能器的擺放位置經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍在正負(fù)30°之間，通過(guò)對(duì) 換能器的控制，音頻信號(hào)可以覆蓋360°范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)應(yīng)用壓電材料(PZT或PVDF)、磁致伸縮材料或其他具有壓電 效應(yīng)的材料，制作微型聲頻定向換能器，該換能器能夠在20Hz 500kHz頻帶范圍內(nèi)有效地 工作。將上述換能器按照指定位置排列，并使用微機(jī)械加工技術(shù)制成的微致動(dòng)器為微型聲 頻換能器提供機(jī)械偏轉(zhuǎn)動(dòng)力，使得微型聲頻定向換能器能夠產(chǎn)生空間上的偏轉(zhuǎn)角。以進(jìn)一 步解決現(xiàn)有的聲頻定向揚(yáng)聲器的傳播方向單一的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)聲音多聲道定向傳播的效果。本發(fā)明提供的微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器包括多個(gè)單元組成的陣列式微型聲頻定向換能器；對(duì)應(yīng)于上述換能器的一個(gè)或多個(gè)微致動(dòng)器；
一個(gè)前置低通濾波器，用以濾除音頻信號(hào)頻帶外成分；一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，用以將模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；一個(gè)信號(hào)處理器，用以對(duì)AD采樣的音頻信號(hào)進(jìn)行處理；一個(gè)DA轉(zhuǎn)換器，用以將信號(hào)處理器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；一個(gè)或多個(gè)帶通濾波器，用以將DA輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)功率放大 后送給多個(gè)方向可調(diào)的陣列式微型聲頻定向換能器，通過(guò)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成超聲信號(hào) 按多方向傳播。超聲信號(hào)將在空氣中自解調(diào)產(chǎn)生高指向性可聽(tīng)聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生多聲道的 效果。通過(guò)控制微致動(dòng)器，可微調(diào)換能器角度。


圖1示出了微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器的工作流程圖；圖2示出了微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器的總體結(jié)構(gòu)圖；圖3示出了微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器的終端換能器陣列示意圖；圖4是陣列式微型換能器各子陣列配以微致動(dòng)器實(shí)例的轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖；圖5示出了換能器轉(zhuǎn)動(dòng)角度示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一個(gè)能多聲道傳播的微型聲頻定向揚(yáng)聲器，現(xiàn)在參照附圖中示例性實(shí)施對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。但本發(fā)明的內(nèi)容并不由此受到限制，相關(guān)領(lǐng)域的其它人員 在此基礎(chǔ)上所做改善及應(yīng)用應(yīng)視為在本發(fā)明內(nèi)容。圖1示出了微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器的硬件示意性結(jié)構(gòu)。聲頻定向揚(yáng)聲器由低通濾波器1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、信號(hào)處理系統(tǒng)3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器4、帶通濾波器5、功率放大器6、微 致動(dòng)器7以及換能器8構(gòu)成。音頻信號(hào)通過(guò)低通濾波器1濾除音頻信號(hào)的帶外成分，并輸 入到聲頻定向揚(yáng)聲器中。濾除音頻帶外成分的音頻信號(hào)處于20Hz 20kHz范圍內(nèi)，由模數(shù) 轉(zhuǎn)換器2將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器2后的信號(hào)處理系統(tǒng)可由單片機(jī)、專用信 號(hào)處理芯片(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)器件(FPGA)構(gòu)成等其它能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的集成 芯片或其它能實(shí)現(xiàn)調(diào)制算法的模擬電路，它將對(duì)AD轉(zhuǎn)換器2輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并 將處理后的信號(hào)送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器4，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。在數(shù)模轉(zhuǎn)換器4之后經(jīng)信 號(hào)帶通濾波器5對(duì)信號(hào)頻率帶寬進(jìn)行限制，濾除信號(hào)不需要的帶外成分，然后送至功率放 大器6放大、換能器8則用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)并同時(shí)向多方向發(fā)射。換能器發(fā)出的 超聲信號(hào)攜帶輸入的音頻信號(hào)信息，在空氣中發(fā)生非線性作用，解調(diào)為可聽(tīng)聲。微型聲頻定 向揚(yáng)聲器系統(tǒng)在多個(gè)特定位置安裝換能器8，同時(shí)可以通過(guò)微致動(dòng)器7調(diào)節(jié)其方向，進(jìn)而實(shí) 現(xiàn)聲音多聲道定向傳播。，圖2示出了以手機(jī)為例，微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器的總體結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)鍵盤(pán)9控 制中央控制器10播放音頻信號(hào)，經(jīng)中央控制器10調(diào)制后的信號(hào)送至多組換能器11，同時(shí)中 央控制器控制微致動(dòng)器12調(diào)整換能器的方向，可通過(guò)顯示器13直觀顯示。圖3示出了根據(jù)相控陣原理以及超聲解調(diào)原理，由換能器單元14組成的正四邊 形，六邊形結(jié)構(gòu)的微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器的終端換能器陣列，換能器單元14可以采用 PZT、PVDF、磁致伸縮材料或其它具有壓電效應(yīng)的材料。將含有音頻信息的超聲波激勵(lì)信號(hào)施加在換能器上，便可轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，將信號(hào)發(fā)射出去。為改善換能器指向性、增強(qiáng)傳輸 距離、提高輸出聲壓級(jí)、增大輸出功率，終端發(fā)射器采用換能器單元組成的陣列形式，本發(fā) 明設(shè)計(jì)的陣列并不局限于這兩種結(jié)構(gòu)，陣列可以是圓形，三角形，矩形等任意多邊形。圖4示出了微型換能器各子陣列15配以微致動(dòng)器16實(shí)例的轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖，圖4a顯 示微致動(dòng)器沒(méi)有接到中央處理器10轉(zhuǎn)動(dòng)指令的時(shí)候，換能器的狀態(tài)；圖4b，4c，4d顯示當(dāng)中 央處理器10發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)指令后，微致動(dòng)器控制換能器轉(zhuǎn)動(dòng)后的情形。圖5示出了換能器轉(zhuǎn)動(dòng)角度示意圖，本發(fā)明采用微致動(dòng)器控制換能器轉(zhuǎn)動(dòng)的角 度，最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度1°，最大偏轉(zhuǎn)角度達(dá)30°。
權(quán)利要求
一種微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器，由低通濾波器1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、信號(hào)處理系統(tǒng)3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器4、帶通濾波器5、功率放大器6，微致動(dòng)器7和換能器8八大部分組成。其中信號(hào)處理系統(tǒng)3可由單片機(jī)、信號(hào)處理器(DSP)或現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器，其特征在于系統(tǒng)工作頻率 20Hz-500kHzo
3 根據(jù)權(quán)利要求1，該系統(tǒng)可同時(shí)向多方向定向傳播音頻信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，終端換能器可通過(guò)中央處理系統(tǒng)控制微致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)換能器微調(diào)， 最小偏轉(zhuǎn)角度1°，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度30°，實(shí)現(xiàn)音頻360°范圍全平面覆蓋。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器，其特征在于，所述的功率放大 器的種類可以是模擬類功率放大器，包括A類，B類，AB類等，也可以是數(shù)字類功率放大器， 包括D類、E類和T類等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4，各微致動(dòng)器可以控制各個(gè)換能器單元偏向同一方向，也可以控 制各個(gè)換能器單元偏向不同方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，該系統(tǒng)特征在于，所用于發(fā)射超聲波的微型聲頻定向超聲換能器 的材料可以為壓電、磁致伸縮等能將電能或磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)的材料；微致動(dòng)器的執(zhí)行 機(jī)制可以是靜電力驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、電磁力驅(qū)動(dòng)、壓電力驅(qū)動(dòng)、動(dòng)熱膨脹力驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、 凝膠致動(dòng)等等。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，7，該系統(tǒng)終端換能器采用陣列形式，陣列可以是圓形，三角形，四 邊形等任意多邊形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1，7，8，所述的換能器陣列，其特征在于，陣列中包含單元的個(gè)數(shù)在2 個(gè)至1000個(gè)之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1，7，8，9，所述換能器的陣列，其特征在于，所采用的陣列單元可以 為同種單元或者是采用不同的單元。
全文摘要
微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及揚(yáng)聲器領(lǐng)域。微型多聲道聲頻定向揚(yáng)聲器是基于微機(jī)械加工技術(shù)設(shè)計(jì)終端換能器，由低通濾波器1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、信號(hào)處理系統(tǒng)3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器4、帶通濾波器5、功率放大器6、微致動(dòng)器7和換能器8構(gòu)成。音頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器1濾波，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器2轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。信號(hào)處理系統(tǒng)3可由單片機(jī)、信號(hào)處理芯片及現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)或其它能夠完成調(diào)制的數(shù)字電路構(gòu)成，用以對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器2輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)調(diào)制的信號(hào)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器5進(jìn)行濾波后，送至功率放大器6放大，不同位置的換能器8分別將其轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)，并且通過(guò)微致動(dòng)器7對(duì)換能器角度進(jìn)行調(diào)整，向多方向發(fā)射。實(shí)現(xiàn)可聽(tīng)聲多聲道定向傳播。
文檔編號(hào)H04R1/32GK101820564SQ20101012475
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者劉強(qiáng), 張瑩, 徐利梅, 李學(xué)生, 王祎, 許亮峰 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)