一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法技术

本发明专利技术公开一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，根据超声波的高指向性，能够使音箱发射的音频像手电筒射出的光一样沿直线传播；因此，本发明专利技术采取载波+侧带波技术，将原有技术“高频超声波与目标可听声做乘法”的原理改做“两束超声波做加法”。将指定的音频经过电脑编程，改做两束超声波，即载波与侧带波，分别由两个超声波扬声器发射，先发射再在空气中合成。并且单独的载波和侧带波都不可听。最终达到了只有一小部分指定区域声音可听的效果，实现音箱外放也能达到仅有一人能听到声音，其他人不受干扰的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物理领域，涉及声音合成技术，具体涉及一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法。
技术介绍
(一)普通扬声器的局限性普通的扬声器，在外放的时候，由于可听声声波在空气中的球面波传递，使得在声音衰减至极小之前，整个空间内都能够听见。这使得在空间之中，不论是否为扬声器的指定听者都能听到扬声器的声音。尽管为了应对这种声污染问题专利技术了耳机，但仍然存在不方便戴耳机的情况。(二)参量扬声器(parametricloudspeaker)的局限性为应对普通扬声器可听空间过大的问题，上世纪开始科学家开始研究将扩散球面波缩减成聚焦声柱的可能性，于是衍生了大量对于聚焦声音的研究。其中较为著名并较为成功的是美国和日本有关参量阵扬声器的研究绍。现有的参量阵扬声器一般采用的是高频声调幅技术，利用乘法器将复杂波形的音乐加在高频载波之上，如图1、如图2所示。基于超声波的高指向性，参量阵扬声器能够使声频定向传播。达到了声频定向的效果，因此又叫做定向音箱。但由于超声波易于反射的特点，使得当前的参量阵扬声器在狭小室内反射严重，可听空间增大，使用失去了其定向传播的特点，同时参量阵扬声器的可听范围是一从扬声器开始直至声音衰减至不可听的单侧无限长圆柱体，使得在指定听者的身前身后仍能听见声音，如图3所示。由于这样缺陷存在，大大缩减了声频定向技术的实用领域。除了在空旷地带使用的军用型声频定向装置外，当前市面上的室内使用的声频定向扬声器多采用垂直发射的方式，如图4所示；而垂直发射的方式，不仅由于声音的来回反射影响了音色，并且扬声器安放的位置也大大受到了限制。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，在普通音箱和参量阵扬声器的基础之上，进一步缩减可听空间的范围，将无限长的圆柱体缩减成有限体积的球体，解决了原有参量阵扬声器由于反射可听范围会超过预想值的问题。一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，通过下述步骤实现：步骤1：在外壳中安装超声波环能器，构成扬声器。步骤2：选取步骤1中扬声器两个，对称设置，且使两个扬声器的发射方向相交。步骤3：由一个扬声器播放固定频率f1的正弦波，同时另一个扬声器播放频率f2的超声波音乐，且f2的频率接近f1的频率；由此在两个扬声器间的相交的区域内，可以收集到稳定的频率f3＝|f1-f2|的可听音乐。本专利技术的优点在于：1、本专利技术将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，能控制可听空间范围，只有与音箱距离满足一定条件的位置才能听到声音；2、本专利技术将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，将普通音箱的大范围可听空间，和普通定向音箱的柱体可听空间，缩减为空间中的一个点可听(或称一个很小的球状空间)，能避免多余声场的噪音干扰，可应用于广场舞、商场广告展示等；3、本专利技术将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，与普通音箱或定向音箱不同，声音最强的位置不再是距离音箱位置最近的地方，而是指定的空间某点；因此，可在空间中构造物理立体声场，音箱外放即可达到耳机一般“仿佛有人在你左耳边说话”的效果。附图说明图1为参量阵扬声器的乘法原理；图2为参量阵扬声器的乘法电路图；图3为参量阵扬声器反射效果示意图；图4为参量阵扬声器摆放局限性图5为本专利技术将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法原理图；图6为本专利技术方法中超声波换能器排列方式示意图；图7为超声波换能器发射40Khz超声波时，声波能量特性示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，如图5所示，具体方法如下：步骤1：排列安装超声波换能器；如图6所示，将超声波换能器排列成紧密的六边形超声波换能器阵列，每边5个，固定安装于外壳上开设的对应安装孔内，构成扬声器。本专利技术中超声波换能器采用TCT40-16R/T，其各参数分别为：标称频率：40KHz；发射声压at10V(0dB＝0.02mPa)：≥110dB；静电容量at1KHz,<1V(PF)：2000±30％；超声波换能器外形为圆柱形，并设有正负两极引脚，如图7所示，在超声波换能器发射40Khz超声波时，声波能量主要集中在发射方向正负30度以内，具有超声波集中汇聚、不易扩散的特性步骤2：空间位置设计；采用两个步骤1中得到的扬声器，令分别为扬声器A与扬声器B,通过支架支撑定位，且使扬声器A与扬声器B对称设置，同时使扬声器A与扬声器B的发射方向相交，夹角优选为90°，如图5所示。由于超声波的汇聚性强，使得扬声器A与杨声器B中的超声波换能器所发射的超声波产生一个交叉区域，为可听区域，在这一区域声音会进行重新合成。步骤3：播放音乐；由扬声器A由扬声器A中各个超声波换能器同步播放固定频率f1的正弦波(载波)，同时由扬声器B中各个超声波换能器同步播放频率f2的超声波音乐(侧带波)，f2为f1附近频率值。由此在两个扬声器间的交叉区域内，可以收集到稳定的频率f3＝|f1-f2|的可听原始音乐。本专利技术中选取f1＝40khz，f2＝f1±10khz，可符合目前超声波元件的物理特性，在这个频率下超声波元件的性能最好。若超声波元件的频宽很大或可定制，则f1可以更高，f1越高则超声波的指向性越强，可听空间范围便可越精确，并不是一个不可改变的值。上述扬声器B中各个超声波换能器同步播放的超声波音乐，需要由待播放的原音乐通过下述方式转换得到，如图5所示，具体如下：1)将需播放的正常频率原音乐，离散拆解成为n个振幅不同的单频声音的合成；其中，n为正整数，取值范围为1～30，根据对质量的不同要求具体确定。2)将步骤A中每个单频声音的频率统一加上f1。3)将增加频率后的各个单频声音重新合成，形成一段多频复杂超声波音频，即步骤3中扬声器B所播放的超声波音乐。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，其特征在于：通过下述步骤实现：步骤1：在外壳中安装超声波环能器，构成扬声器；步骤2：选取步骤1中扬声器两个，对称设置，且使两个扬声器的发射方向相交；步骤3：由一个扬声器播放固定频率f1的正弦波，同时另一个扬声器播放频率f2的超声波音乐，且f2的频率接近f1的频率；由此在两个扬声器间的相交的区域内，可以收集到稳定的频率f3＝|f1‑f2|的可听音乐。

【技术特征摘要】
1.一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，其特征在于：通过下述步骤实现：步骤1：在外壳中安装超声波环能器，构成扬声器；步骤2：选取步骤1中扬声器两个，对称设置，且使两个扬声器的发射方向相交；步骤3：由一个扬声器播放固定频率f1的正弦波，同时另一个扬声器播放频率f2的超声波音乐，且f2的频率接近f1的频率；由此在两个扬声器间的相交的区域内，可以收集到稳定的频率f3＝|f1-f2|的可听音乐。2.如权利要求1所述一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，其特征在于：步骤1中，超声波换能器排列成紧密的六边形超声波换能器阵列，固定安装于外壳上开设的对应安装孔内。3.如权利要求1所述一种将超声波合成可听声音并控制可听空间范围的方法，其特征在于：超声波换能器采用TCT40-16R/T，标称频率：4...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世达，刘虎，王垚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11