一种基于超声波技术开发的定向扬声器系统技术方案

本实用新型专利技术涉及电子音频技术领域，具体涉及一种基于超声波技术开发的定向扬声器系统，包括音频信号输入单元、信号调制单元、超声波发生单元、红外感应器和微控制器；音频信号输入单元的输出端与信号调制单元电连接，信号调制单元的输出端与超声波发生单元的第一输入端电连接，红外感应器的输出端与微控制器电连接，微控制器与音频信号输入单元的第一输入端电连接；超声波发生单元包括至少两个不同频率的超声波换能器；信号调制单元将输入的音频信号调制到超声波载波信号之上。超声波换能器产生不同频率的超声波，在传播过程中相互作用产生的差频波具有高的指向性，实现声音信号的定向传播。红外感应器和微控制器自动控制扬声器系统开启和关闭。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电子音频
，具体涉及一种基于超声波技术开发的定向扬声器系统。
技术介绍
普通的扬声器发出的声波都是360度辐射出去的，即球面波。不同的频率、角度下，声波能量当然会有不同，只是常见的音箱在侧面、背面的声波能量比想象的要大得多，特别是低频，基本上是无方向性的；高频段方向性强一点，但在侧后方(45度/315度)也只是衰减3～6分贝左右而已，所以传统的扬声器系统发出的声音通常都是四面八方传播的，在需要声音定向传播的环境下，使用传统的扬声器系统就造成了很多的不便。例如，传统博物馆的陈列语言以实物、照片、文字说明、雕塑、模型等为主，有时会显得呆板，也不利于参观者了解展品的文化内涵。现代博物馆为了适应大众的精神需求，运用了很多声光电等科技手段，使展品更多地“活”起来，展示给参观者一个活灵活现的互动场景，使参观者在参观博物馆的时候，真正能够达到获取知识、陶冶情操的目的。但博物馆陈列的展品数目众多，而且地方空间有限，如果使用一般的扬声器发出的声音是面向四面八方传播，各个声音之间必然会相互干扰，让参观者有种像逛菜市场一样的感觉，让博物馆花费很大心血去营造的氛围大打折扣。如果有的导游讲解水平参差不齐，游客听得一知半解，错过即无法补充，环境嘈杂，也让游客观展心情受到影响。不少博物馆为此专门为观众提供了耳机，但长时间佩戴容易引起耳朵或头部的不适，不仅管理起来很麻烦，交叉使用耳机也不卫生，而且经常需要维护。再比如，在平时生活或工作中，你常常会想一个人听音乐，但又担心打扰到周围的人。在大多数人的脑海中，声音总是四周扩散性传播，无论是家里的音响还是电视机，还是晚上广场上大妈们跳的广场舞音乐，都是这样子，虽然可以大家共享，但有时候也可以说是烦人的噪音污染。那么，怎么样才能让声音集中起来，或者用专业术语说加强指向性呢？最常见的就是在喇叭单元前加号角，如图1所示，高音广播喇叭、歌舞厅里的专业音箱就是如此。号角音箱的低频没有改变，但中高频段的指向性加强了，基本上垂直、水平方向可以控制在100度以内，该角度以外可以衰减12分贝以上。喉口到号角出口的中间和两边的距离不等，那么声音传播到的时间也不等(就是说，出口部分的相位角差异很大)，所以出口部分的波阵面趋向于以喉口为中心的球面波。加了号角的音箱即使是球面波，声波的扩散角也比普通扬声器小的多。现在的远程投射号角已经有了些改变，如图2所示，将八字型号角的中间部分加了个菱型的塞子，号角中间的菱型塞子可以将高音在号角中间部分的声波做延时处理，使的声波从号角的喉口到号角的出口各部分的时间相等。也就是说，声波在该号角的出口各部分的相位角是相同的。那么，在号角的出口部分的波阵面趋向于柱型，实现声波的定向传播，使得声波传播方向之外的其他区域内几乎感受不到声音。除了号角外，另外一个方法就是让音箱发出柱面波，用多只喇叭单元进行排列，广播音柱是比较容易见到的柱面波音箱，它的垂直指向性很强，水平指向性一般。如果还要再加强指向性怎么办？声学工程师们研究出了“线性阵列”音箱。线性阵列是将数个中高音单元用物理加电子的方式进行处理，可以非常精确地控制指向性。物理的方式是在每个单元前加声学透镜，电子的方式是将音频信号数字化后进行分频及复杂的数字效果处理，然后转换为模拟信号分别对每个单元独立放大驱动。上述采用外加号角、菱型塞子或者采用多只喇叭单元定向排列的方式，都需要针对具体的适用场合对扬声器的结构进行繁琐和复杂的改进，不具有普遍适用性，因此对传统的扬声器系统进一步的进行改进和创新，实现音频的定向传播的同时，提高其普遍适用性，成为了目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷，本技术的目的是提供一种音频传播指向性强、具有红外自动感应功能、使用方便的基于超声波技术开发的定向扬声器系统。为了实现以上目的，本技术采用如下技术方案：一种基于超声波技术开发的定向扬声器系统，包括音频信号输入单元、信号调制单元、超声波发生单元、红外感应器和微控制器；音频信号输入单元的输出端与信号调制单元电连接，信号调制单元的输出端与超声波发生单元的第一输入端电连接，红外感应器的输出端与微控制器电连接，微控制器与音频信号输入单元的第一输入端电连接控制音频信号输入单元的开启和关闭；所述超声波发生单元包括至少两个不同频率的超声波换能器；所述信号调制单元将输入的音频信号调制到超声波载波信号之上。所述超声波发生单元包括并列布设的50～100个不同频率的超声波换能器。所述超声波换能器的频率在20kHz～40kHz之间。为了控制音量的大小，还包括音量调节单元，所述音量调节单元的输入端与音频信号输入单元的第二输入端电连接，音量调节单元的输出端与超声波发生单元的第二输入端电连接。本技术基于超声波技术开发的定向扬声器系统，相比传统的音频系统，增加了信号调制单元和超声波反生单元，通过音频信号输入单元接入音频信号后，经过信号调制单元，采用无线电调幅技术，将接入的音频信号调制到超声波载波信号之上，经过超声波发生单元的超声波换能器，将调制后的音频信号转换成超声波频率的声波，由于超声波换能器的频率不同，音频信号经过超声波换能器后产生不同频率的超声波，不同频率的超声波在空气中传播的过程中，由于空气的非线性声学效应，这些信号会发生交互作用和自解调，进而产生频率为原超声波的和频及差频的新波，差频声波落在可听声域，并且由于超声波具有高指向性，因此不同频率的超声波在传播过程中相互作用产生的差频波亦具有高的指向性，从而实现声音信号的定向传播，即定向发声。利用本技术超声波定向扬声器系统通过标准音频接口将声音聚集起来，像手电筒发出的光一样，将聚集的声音只向特定的方向和区域传播。同时，本技术基于超声波技术开发的定向扬声器系统，设置红外感应器和微控制器，当红外感应器在声音传播区域感应都人体后，向微控制器发送信号，微控制器接受到感应信号后，控制音频输入单元接入音频信息，当人体离开声音传播区域后，红外感应器感受不到人体，微控制器不能接触到感应信号，进而不能控制音频输入单元接入音频信号，从而终止扬声器播放声音，通过红外感应器和微控制器实现对扬声器的自动开启和关闭，节省了人工管理成本以及能源的损耗。附图说明图1是本技术
技术介绍
中所述的在喇叭单元前加号角的整体结构示意图；图2是本技术
技术介绍
中所述的在喇叭单元前加号角和菱形塞子的整体结构示意图；图3是本技术实施例提供的基于超声波技术开发的定向扬声器系统的工作原理框图。具体实施方式实施例一种基于超声波技术开发的定向扬声器系统，包括音频信号输入单元1、信号调制单元2、超声波发生单元3、红外感应器4和微控制器5；音频信号输入单元1的输出端与信号调制单元2电连接，信号调制单元2的输出端与超声波发生单元3的第一输入端电连接，红外感应器4的输出端与微控制器5电连接，微控制器5与音频信号输入单元1的第一输入端电连接控制音频信号输入单元1的开启和关闭；所述信号调制单元2将输入的音频信号调制到超声波载波信号之上；所述超声波发生单元3包括并列设置的50～100个不同频率的超声波换能器；其中超声波换能器的频率在20kHz～40kHz之间。可选的，为了控制音量的大小，还包括音量调节单元6，所述音量调节单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声波技术开发的定向扬声器系统，其特征在于，包括音频信号输入单元、信号调制单元、超声波发生单元、红外感应器和微控制器；音频信号输入单元的输出端与信号调制单元电连接，信号调制单元的输出端与超声波发生单元的第一输入端电连接，红外感应器的输出端与微控制器电连接，微控制器与音频信号输入单元的第一输入端电连接控制音频信号输入单元的开启和关闭；所述超声波发生单元包括至少两个不同频率的超声波换能器；所述信号调制单元将输入的音频信号调制到超声波载波信号之上。

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波技术开发的定向扬声器系统，其特征在于，包括音频信号输入单元、信号调制单元、超声波发生单元、红外感应器和微控制器；音频信号输入单元的输出端与信号调制单元电连接，信号调制单元的输出端与超声波发生单元的第一输入端电连接，红外感应器的输出端与微控制器电连接，微控制器与音频信号输入单元的第一输入端电连接控制音频信号输入单元的开启和关闭；所述超声波发生单元包括至少两个不同频率的超声波换能器；所述信号调制单元将输入的音频信号调制到超声波载波信号之上。2.如权利要求1所述的基于超声波技术开...

【专利技术属性】
技术研发人员：严思南，姚浩然，
申请(专利权)人：北京凡景新象科技发展有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11