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探讨超声波在微型定向扬声器设计中的应用

2020-04-27 306 上传者：管理员

摘要：声频定向扬声器具有广阔的应用空间，基于对研究超声波定向声频的发射原理的研究，设计出超声波微型定向扬声器，并对样机进行了实践测试，声音指向性良好，在实际应用中的价值较高。

关键词：
声污染
声频定向
定向扬声器
超声波
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声波定向扬声器具有非常广阔的应用前景，既可用于商业领域，利用其定向辐射特性，在大型综合商场、博物馆等展厅、机场候机厅、广告牌和广场舞等恶劣声学环境中，达到提高语言清晰度和减少声污染等功能。也可用于反恐防暴，使用较高强度的声波定向扬声器对人群发送一束声波，让其难受而退，且不造成人身伤害，若加大声波的功率则可用于军事，使敌人丧失行动能力[1]。

1、定向声波的原理

使用超声波扬声器来加强指向性，其原理是利用超声波的强指向性来实现定向声波传播的目的。超声波因为频率较高，波长较短，不容易发生衍射，指向角较小，拥有较好的指向性，而可听声波的频率较低，波长较长，容易发生衍射，从而绕过传播过程中的障碍[2]。利用超声波的强指向性，超声波扬声器将超声波作为载波信号，再将音频信号调制到超声波中实现在空气中的定向传输，并最终在空气中实现自解调，即可使人耳能够听到被还原的音频信号。

2、超声波微型定向扬声器设计方案

2.1 超声波微型定向扬声器的整体设计

声频定向系统主要包括四个核心部件：控制器、调制器、放大器和发声模块。音源采用数字音频输入，以适应多媒体便携式设备接口。调制器使用NE555芯片作为产生高频信号的核心，谐振频率为使得扬声器器输出最大声功率，既能有效控制自解调信号的失真，又能让自解调信号的传输足够远，谐振频率控制在超声载波频段30kHz~70kHz之间。发声模块采用了压电陶瓷单元阵列来增大声输出功率,增强指向性，解决单个压电陶瓷元件的不足，因此对电源的要求较高，使用36V直流电源供电。

2.2 系统各模块的设计

2.2.1 控制芯片

主控采用STM32F系列中的低功耗芯片为基础，可以实现基本功能的前提下减少功耗来延长使用时间[3]。为了优化使用体验，增加扬声器的功能，控制单元采用了一块基于Blue-tooth5.0的组件，如图1所示，可以连接智能设备实现信号的传输和语音控制、红外遥控、sd卡和usb输入功能。

2.2.2 调制与功放模块

超声波微型定向扬声器的音源支持数字音频输入，以适应多媒体便携式设备接口。数字音频可直接进入信号处理环节，不需任何转换，减轻了处理器转换信号和数字滤波所带来的负担，使处理器能够更高效的处理声频定向算法[4]。信号采集模块采用的是AUX数字信号输入，此接口可以兼容大部分的设备，并且可以减少信号的失真。由于发声模块是多个单元组成的阵列，需要更大的功率推动，所以采用了两颗LM675T组成的25W的功放模块，并配合NE555为核心的调制组件，实现信号的调制和放大[5]，如图2所示。

图1蓝牙接收模块;图2调制与功放模块

2.2.3 发声模块

发声模块采用的陶瓷压电元件在施加压力的时候会放出电流，反之在给它施加电流的时候会震动，并且震动的频率和对其施加的电流频率相同，所以可以发出超声波；但是单个的元件很小，难以发出响度较大的声音，所以要多个组成阵列[6,7]，如图3所示。设计中注意放大器与压电陶瓷组件的最佳阻抗匹配，可将功率最大化地施加到发声模块上。

图3压电陶瓷发声阵列;图4外观效果

2.3 扬声器软件设计

超声波微型定向扬声器软件工作流程主要包括：初始化各部件；采集数字音频信号；低频提升均衡滤波处理；输出到相应的通道；根据算法，处理器将数据进行信号脉冲调制处理，最后输出至功率放大器。

2.4 扬声器外观设计

考虑到便携性和耐久性问题，外壳包装采用了聚甲基丙烯酸甲酯可塑性高分子材料，外观效果如图4所示。3结论根据声频定向的工作原理，设计并制作了可用于多种设备的超声波微型定向扬声器，具体包括信号处理、功率放大、用压电陶瓷超声波扬声器阵列作为发声部件等，实现可听声音的定向传播。通过对样机的实际测试，声音指向性明显。

参考文献：

[1]彭妙颜,周锡韬.定向扬声器系统特性及其在展陈建筑中的应用[J].电声技术,2015,39(8):21-30,53.

[2]朱荣钊,刘晶,刘文超,等.基于FPGA的声频定向扬声器系统的设计[J].计算机测量与控制,2018,26(2):154-157.

[3]王佑翔.微型声频定向扬声器的信号处理方法研究与实现[D].成都:电子科技大学,2010.

[4]李学生.微型声频定向系统理论及关键技术研究[D].成都:电子科技大学,2012.

[5]蒲刚,姜丽峰.一种数字式声频定向扬声器调制方法[J].电声技术,2013,37(3):13-17.

[6]黄波超.基于扬声器阵列的声场定向技术研究[D].大连:大连理工大学,2011.

[7]邱俊,张秀琴,李红元.定向发声的超声波模组[P].中国:CN109547911A,2019-03-29.

李子涛,吴俊强.基于超声波的微型定向扬声器的设计[J].电脑知识与技术,2020,16(5):236-237.

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