[发明专利]用于生成参数化声音的方法以及实施所述方法的装置

说明书

本发明公开了一种利用基于超声静电换能器的参数化声音系统产生参数化声音的方法。包括在音频信号处理器中用经处理的音频信号调制载波超声信号(包括基于音频信号电平的自适应频率滤波)、动态范围压缩、平方根运算、使用D类放大器放大经调制的超声信号、驱动静电换能器并向空气中产生经调制的超声波。用于参数化声音系统的静电换能器包括特定的背板结构，该背板结构改善了换能器的机电效率，并且还能够在单个背板上实现相控阵。所公开的静电换能器的制造方法包括在背板的表面上产生电极组，以形成各个单元。

技术领域

本发明涉及参数化声音生成领域，并且具体地涉及用于生成参数化声音的方法、用于生成此类参数化声音的参数化声音系统、用于生成超声波的此类系统的超声静电换能器以及制造此类超声静电换能器的方法。

背景技术

使用音频信号调制的超声波在空气中传播的同时经解调产生参数化声音。由于超声波与音频波相比具有较低的衍射，参数化系统允许在窄波束中传输声音。这使得能够创建可以听到声音但在其他地方声音减弱的局部区域。参数化声音的应用范围从个性化音频系统和定向广告到减轻耳鸣症状。

解调过程的非线性性质要求对音频信号进行预处理以反演非线性效应，从而使再现的声音具有低失真。预处理通常包括平方根运算，但也可以使用更复杂的反演方案。尽管这些年来参数化声音系统的声音质量有所提高，但仍存在一些基本局限。参数化系统缺乏低音响应，因为解调过程充当天然的高通滤波器。虽然可以应用均衡器来将频率响应平坦化，但要以减小再现的声音的整体音量为代价。这是由于参数化声音系统所能达到的最大音量受到人类可暴露的最大安全超声波压力水平的限制。因此，需要高音量声音再现的应用(比如说，音乐会)是不可行的。参数化系统也不太可能与Hi-Fi/Hi-End系统竞争，主要是由于其低音响应较差。

在美国专利US8,027,488中公开了参数化音频系统的最接近的现有技术。该系统的一个实施例包括将调制后的信号分离到两个频率范围并驱动两组不同的换能器，从而可以将较宽的频率范围传输到介质中。这在换能器实现和信号处理方面增加了不必要的复杂性，因为静电换能器可以具有非常宽的频率带宽。此外，解调过程有利于高频分量，因此，换能器响应对高频分量的衰减使整个系统具有一定的频率均衡。该系统的其他实施例包括音频预处理步骤，该步骤集成了输入的音频信号，这是增强低音响应的尝试。如已经提到的，这是以减小再现的参数化声音的整体音量为代价的，因为将需要大振幅的超声波，这具有人体暴露的安全上限。

通常，压电或静电换能器用于参数化声音系统。与静电换能器相比，压电换能器通常提供较高的输出压力水平，但具有较低的带宽。此外，压电换能器相对较小，并且由于参数化声音系统需要大口径扬声器以实现高质量和大音量的声音，因此所需的压电换能器的数量变得非常大，从而增加了此类参数化声音系统的成本。由于这些原因，在参数化声音系统的设计中更经常地遇到静电换能器。

通常，静电换能器由置于背板上的柔性聚合物膜组成。导电背板通常具有V形凹槽。背板为膜提供支撑，并且还充当电极。柔性膜具有金属化的导电顶层。聚合物层在膜的顶部导电表面和背板之间提供绝缘。当在膜和背板之间施加直流偏置的电信号时，由于静电力和由膜的弹性产生的相关弹性力，膜朝向或远离背板移动。每个凹槽与膜一起形成单个换能器单元。本质上，换能器是由许多同步振动的小单元产生的。值得注意的是，此类换能器的效率取决于凹槽轮廓，该凹槽轮廓例如可以是矩形、V形、U形或椭圆形。背板最靠近膜的部分(凹槽的头端)对膜的运动的影响最大，而最远的部分(凹槽的底部)对膜的运动的影响很小。因此，仅背板的某些部分有助于膜的吸引，这导致效率低下。另外，此类换能器的单元不能单独控制，因为它们都共享相同的电极。因此，无论它们的设计如何，共用同一背板的换能器不能作为相控阵系统使用，并且它们的压力场特性是固定的，不能以电子方式控制。当用于参数化声音系统中时，相控阵系统可以用来控制超声压力场的形状和波束，并因此控制再现的参数化声音的方向/定位。