[发明专利]具有三维音效的微型声频定向扬声器

说明书

技术领域

具有三维音效的微型声频定向扬声器，属于电子技术领域，特别涉及扬声器领域。

背景技术

现有的声频定向扬声器，是一种直接向空气中辐射经过预处理的超声波的声音发射装置，它的主要原理是利用超声波的高指向性的特点，将可听声信号调制到固定频率的超声波上，经过放大后由超声换能器向空气中发射。根据Berktay远场解理论，调制后的超声信号由于空气的非线性自解调作用，解调出高指向性的可听声，并且解调出的可听声幅度与调制信号包络平方的二阶时间导数成正比。由该技术产生的可听声具有很强的指向性，拥有较好的应用前景，但由于自解调出的可听声声音层次不分明，缺乏立体感，不能给听者带来理想的感官享受，因而其适用范围有一定的局限性。

另一项技术，现有的基于传统扬声器的三维虚拟听觉实现技术，能够产生逼真的三维音效，给听者带来全新的听觉享受。三维虚拟听觉实现主要是基于声学、听觉生理学，听觉心理学的一项技术。其主要原理是：首先，由于外界声音到达左右耳鼓膜的强度差以及声波到达左右耳鼓膜的时间差，会带来听者对声源位置、距离的判断。其次，人类的外耳廓的特殊形状也对到达人耳鼓膜之前的声波信号产生了天然的滤波、混频作用，会使听者产生对听觉环境的判断。根据上述原理，基于传统扬声器的三维虚拟听觉实现技术需要精确记录各个方位、不同强度、不同频率的声音在人耳鼓膜处产生的频响，来构建完备的数据库，通常被称为与头相关函数。该技术实现的关键步骤是在声频信号输出到扬声器之前使其与头相关函数进行卷积运算，使声频信号中包含声源位置、距离以及听觉环境的信息，从而使听者感受到身临其境的三维虚拟听觉的效果。

本发明，即具有三维音效的微型声频定向扬声器则是一种全新的扬声器，融合了声频定向传播与三维虚拟声效的共有特点，能够在产生高指向性可听声的同时，给听者带来逼真的三维虚拟听觉效果，拥有广泛的应用前景。

发明内容

具有三维音效的微型声频定向扬声器，是一种既能实现声音定向传播，又能产生虚拟三维音效的新型扬声器。它在满足听者对音频定向传播需要的同时，也满足了听者对更高品质音效的需求。此外，由于采用微机电系统(MEMS)技术制造微型超声换能器，使得本发明具有微小体积、低功耗的特点，能够广泛应用于各类便携式移动多媒体设备，例如手机、掌上游戏机、掌上电脑等。

具有三维音效的微型声频定向扬声器主要由以下几个部分组成：低通滤波器组单元，模数转换单元，信号处理单元，数摸转换单元，带通滤波器单元，功率放大单元，以及采用微机电系统技术制造的超声换能器阵列单元。其中信号处理单元为核心部分，它包括一个三维音效预处理算法模块和一个超声幅度调制模块。以下分别对各个组成单元进行详细说明：

低通滤波器组单元：可由硬件电路搭建，对输入的音频信号进行滤波处理，滤除高频噪声，仅保留20Hz～20kHz以内的可听声信号

模数转换单元：采用高精度、高速A/D芯片，对输入的模拟音频信号进行模数转换(若直接输入数字音频，可将本单元旁路)

信号处理单元：本单元包括两个主要模块。第一个模块将经过AD转换后的左右声道数字音频信号分别与相应的左右耳与头相关函数(HRTF)进行卷积，使卷积后的信号在携带普通音频信号信息的同时包含声源的位置、距离以及听觉空间的相关信息，完成三维音效预处理；第二个模块将已经完成三维音效预处理的可听声信号调制到频率为30kHz～70kHz的超声波上。

数模转换单元：对信号处理单元的输出数字信号进行D/A转换。由于在信号处理单元进行大量实时信号处理，为了保证后级输出音频信号的低失真度，采用高精度、高速D/A芯片。若后级采用数字功率放大器，则本单元可进行旁路处理。

带通滤波器组单元：可用硬件电路实现，以信号处理单元中所采用的超声信号作为中心频率，保留20kHz带宽内的频率成分，滤除各类杂波噪声

功率放大单元：对经带通滤波器组滤波后的输出信号进行放大处理，以驱动后级的微型超声换能器单元。功放类型可以是模拟式功率放大器，如A类、B类、AB类等，也可以是数字类功率放大器，如D类、E类、T类等。

微型超声换能器单元：采用微机电系统(MEMS)技术制造的微型换能器阵列，各个单元的形状可以为圆形、方形、长条形、环型、多边形等，数目可以由几个到几百个不等。微型超声换能器阵列的形式可以为圆形、方形、长条形、环型、多边形等。