[发明专利]用于参数扬声器系统的调制器处理

说明书

本发明的领域：

本发明涉及参数扬声器，这种扬声器当被高频或超声波激励用于重放可听范围的频率时使用空气的非线性。特别地，本发明涉及用于参数扬声器的信号处理和调制器。

先有技术：

空气中的参数阵列是从向一空气柱引入足够强度的音频调制超声波信号的结果。自解调，或下变换，沿空气柱发生，其结果是产生可听到的声音信号。这一过程的发生是由于已知的物理原理，即当不同频率的两个声波在同一介质中同时发出时，由两个声波的非线性相互作用(参数相互作用)而产生具有包含了两个频率的和与差的波形的声波。于是，如果两个原始的声波是超声波且它们之间的差选择为音频频率，则通过参数相互作用可产生可听到的声音。然而，由于空气柱下变换过程中的非线性在声音输出中导入了失真。这种失真能够相当严重，对于适度的调制电平可能出现30％或更大的失真。

降低调制电平可降低失真，但这是以即降低输出量和又降低功率效率为代价的。

1965年，Berktay以公式说明了从参数扬声器二次组合输出(可听到的声音)正比于调制包络平方的二次导数。Berktay证明，在远声场被解调的信号p(t)正比于平方后调制包络的二次导数。

这被称为参数声阵列的“Berktay远声场解”。Berktay观察了远声场，因为在那里不再有超声信号(按定义)。近声场解调产生相同的音频信号，但是有超声存在，这必然被导入一般的解中。由于近声场的超声是不可听到的，它能够被忽略，并按此假设Berktay解在近声场也是有效的。

这一关系对于空气中参数扬声器最早的应用是在1985年对于参数扬声器的调制器的设计。这一进展包括平方根函数用于调制包络。使用平方根函数对自然平方函数进行了补偿，自然平方函数使向空气发出的被调制的边带信号的包络失真。业内专业人员也已证明，平方根双边带信号在理论上能够产生低失真的系统，但是以无限的系统和换能器带宽为代价的。产生任何具有无限带宽容量的装置是不实际的。此外，任何重大带宽的实现都意味着不可听到的超声原频率在低边带将向下延伸进入可闻听范围，并引起新的失真，这种失真至少与由无限带宽平方根预处理系统所消除的失真同样糟。

在典型的应用中，所需的信号有30kHz到50kHz的超声载波被调幅(AM)，然后被放大，并施加到超声波换能器。如果超声波强度有足够的幅度，则空气柱将在某种长度(长度一部分取决于载波频率和柱形状)上执行解调或下转换。诸如授予Tanaka等人的U.S.专利No.4,823,908称，为从超声波发射实现参数音频输出的调制方式使用带有载波频率和边带频率的双边带信号，边带频率由对应于所需的音频频率的频率差在信号两边隔开。

例如，如图1所示，当把6kHz调幅到40kHz载波时，产生边带频率。图2示出载波频率(40kHz)现在由34kHz低边带和46kHz高边带相伴。现在出现三个成分34kHz，40kHz和46kHz，这给出真正的6kHz包络。如前所述，在用作为如图3所示的调制信号之前6kHz信号被求平方根。使用通过平方根函数对40kHz载波的调制信号产生的频谱生成图4所示的频谱成分。对6kHz施以平方根函数产生无限谐波，且AM频谱具有上和下边带频率，这些频率也无限远离载波。因为换能器边带的限制和类似的问题，不可能实现这种系统。

实际上，五个或六个谐波足以给出理想平方根波的好的近似。然而，即使当谐波数被限制时，低边带频率仍然降低进入音频范围而生成失真。在以上图1到4的例子中，需要被发射的低边带频率是34，28，16，10和4kHz。这就产生了这样的问题，即可闻听频率(16，10和4kHz)将要与超声波频率一同发射而构成所需的调制包络。

对原始信号施以平方根函数降低或消除了被调制的音频中的失真，但是这生成了不希望有可听到的被发射的频率。在先有技术的当前状态下，只能在高失真(避免平方根函数)或具有较小失真的宽边带需求(使用平方根函数)之间进行选择。

而且，对任何给定的超声波频率的求平方根信号只是对低电平信号是有效的。在超声波功率电平增加以提供大的音频输出时，理想的包络从信号的平方根向音频信号本身(或1倍信号)移动。