[发明专利]参量扬声器的驱动

说明书

技术领域

本发明涉及参量扬声器的驱动。更具体而非排他地说，本发明涉及参量扬声器单边带（sideband）调制的预补偿。

背景技术

近些年，着重于空间感知的声音供给（provision）越来越受到关注。具体而言，这种声音供给在许多应用当中都是产生高指向性窄音频束（beam）的理想之选。例如，在从置于用户前方的物理声换能器产生虚拟的背面或侧面声源的虚拟环绕声音系统中，高指向性音频束通过墙壁反射到用户侧面或背面，从而可在这些反射点上感知虚拟声源。

但是，这种高指向性窄束很难由传统的音频带扬声器产生。因此，有人根据来自超声换能器的超声辐射提出替代方法。这种扬声器被称为参量扬声器。就本质而言，参量扬声器是通过对音频信号调制的高强度超声载波进行非线性解调来产生可听音的设备。参量扬声器的引人之处在于声音再现，因为它们在音频频率上拥有极高的指向性。

因此，参量扬声器使用可提供高指向声束的超声换能器。一般而言，扬声器的指向性（窄度）取决于与波长相比的扬声器大小。可听音的波长范围从几英寸到数英尺，由于这些波长可与多数扬声器的大小进行比较，因此声音一般全向传播。但对于超声换能器而言，波长要小得多，因此可创建远大于辐射波长的声源，从而形成高指向性极窄束。

此高指向性束例如可被更好地控制，并且例如可以精确地指向所需反射点。

驱动超声换能器的超声信号通过使用所呈现音频信号的派生音频信号对超声载波信号进行幅度调制来生成。此调制信号从声换能器辐射出来。超声信号不直接由人类听众感知，但音频信号可以自动听到，无需任何特定的功能、接收装置或助听装置。具体而言，从换能器到听众的音频通道中的任何非线性均可充当解调器，从而再现音频信号。这种非线性可以在传输路径中自动发生。具体而言，作为传输介质的空气本质上呈现出可使超声变得可听的非线性特性。因此，空气本身的非线性属性可对高强度超声信号进行音频解调。通过这种方式，超声信号可以被自动进行解调来为听众提供音频声音。

使用参量扬声器进行音频辐射的实例和进一步说明例如可以在麻省理工学院的F. Joseph·Pompei于2002年发表的博士论文“Sound from Ultrasound: The Parametric Array as an Audible Sound Source”中找到。

已经发现，参量扬声器用来发声的非线性解调过程不幸地会造成严重的音频信号非线性失真。已经提出多种参量扬声器失真减少预处理方案，但是这些方案的效率与效率、带宽和处理复杂度之间的平衡相关。

Berktay于1965年发表于J. Sound Vib., 2(4) ，第435-461页的文章“Possible exploitation of non-linear acoustic in underwater transmitting applications”提供了指示空气中参量效应所创建的解调音频信号与调制包络                                                平方的二阶导数成比例的解析性远场近似，即：

。

传统的参量扬声器系统使用简单的载波信号调幅（AM），即，换能器驱动信号通常采用如下形式：

其中是载波信号的角频率，是驱动信号的包络。

为了补偿超声信号空中解调导致的非线性失真，有人提出对待呈现音频信号进行预补偿。具体而言，有人提出根据以下公式产生包络信号来预补偿音频信号：

这种理想的调制包络通过逆转非线性解调操作来提供，由于传输的信号必须为真实信号，因此只有导致无失真分量的音频信号的调制包络才能使用这种方法。

但是，有人提出使用单边带（SSB）调制替代标准的双边带（DSB）AM调制来调制参量扬声器系统中的超声载波。

标准调制方案被称为双边带（DSB）AM调制，因为载波频率幅度调制产生两个边带：上边带（USB）和下边带（LSB）。这些边带的带宽与调制包络相同，并且包含调制信息，如图1所示，该图示出驱动信号的音频频谱101、载波频率103和生成的DSB AM调制信号105。

理想情况下，AM结合理想的平方根包络预补偿导致在解调后理论上无失真的音频信号。但是存在多种实际问题。平方根运算引入了无限谐序（harmonic sequence），因此需要高信号处理带宽，原则上导致具有无限频谱的预补偿信号。