基于超声波的微型定向扬声器的设计

来源:期刊VIP网所属分类:综合论文发布时间:2020-04-26浏览:

  摘要:声频定向扬声器应用领域广阔,通过研究超声波定向声频的发射原理,设计并制作了超声波微型定向扬声器,经过对样机的实际测试,声音指向性明显,具备实际应用价值。

  关键词:定向扬声器;超声波;声频定向

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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白解调,即可使人耳能够听到被还原的音频信号。

  2 超声波微型定向揚声器设计方案

  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,既能有效控制白解调信号的失真,又能让白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没备接口。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。

  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。

  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.

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文章名称: 基于超声波的微型定向扬声器的设计

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