基于超聲波的微型定向揚聲器的設(shè)計

李子濤 吳俊強

摘要：聲頻定向揚聲器應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，通過研究超聲波定向聲頻的發(fā)射原理，設(shè)計并制作了超聲波微型定向揚聲器，經(jīng)過對樣機的實際測試，聲音指向性明顯，具備實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：定向揚聲器;超聲波;聲頻定向

中圖分類號：TN643 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）05-0236-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

聲波定向揚聲器具有非常廣闊的應(yīng)用前景，既可用于商業(yè)領(lǐng)域，利用其定向輻射特性，在大型綜合商場、博物館等展廳、機場候機廳、廣告牌和廣場舞等惡劣聲學(xué)環(huán)境中，達到提高語言清晰度和減少聲污染等功能。也可用于反恐防暴，使用較高強度的聲波定向揚聲器對人群發(fā)送一束聲波，讓其難受而退，且不造成人身傷害，若加大聲波的功率則可用于軍事，使敵人喪失行動能力[1]。

1 定向聲波的原理

使用超聲波揚聲器來加強指向性，其原理是利用超聲波的強指向性來實現(xiàn)定向聲波傳播的目的。超聲波因為頻率較高，波長較短，不容易發(fā)生衍射，指向角較小，擁有較好的指向性，而可聽聲波的頻率較低，波長較長，容易發(fā)生衍射，從而繞過傳播過程中的障礙[2]。利用超聲波的強指向性，超聲波揚聲器將超聲波作為載波信號，再將音頻信號調(diào)制到超聲波中實現(xiàn)在空氣中的定向傳輸，并最終在空氣中實現(xiàn)白解調(diào)，即可使人耳能夠聽到被還原的音頻信號。

2 超聲波微型定向揚聲器設(shè)計方案

2.1 超聲波微型定向揚聲器的整體設(shè)計

聲頻定向系統(tǒng)主要包括四個核心部件：控制器、調(diào)制器、放大器和發(fā)聲模塊。音源采用數(shù)字音頻輸入，以適應(yīng)多媒體便攜式設(shè)備接口。調(diào)制器使用NE555芯片作為產(chǎn)生高頻信號的核心，諧振頻率為使得揚聲器器輸出最大聲功率，既能有效控制白解調(diào)信號的失真，又能讓白解調(diào)信號的傳輸足夠遠，諧振頻率控制在超聲載波頻段30kHz-70kHz之間。發(fā)聲模塊采用了壓電陶瓷單元陣列來增大聲輸出功率，增強指向性，解決單個壓電陶瓷元件的不足，因此對電源的要求較高，使用36V直流電源供電。

2.2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計

2.2.1 控制芯片

主控采用STM32F系列中的低功耗芯片為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)基本功能的前提下減少功耗來延長使用時間[3]。為了優(yōu)化使用體驗，增加揚聲器的功能，控制單元采用了一塊基于Blue-tooth5.0的組件，如圖1所示，可以連接智能設(shè)備實現(xiàn)信號的傳輸和語音控制、紅外遙控、sd卡和usb輸入功能。

2.2.2 調(diào)制與功放模塊

超聲波微型定向揚聲器的音源支持數(shù)字音頻輸入，以適應(yīng)多媒體便攜式?jīng)]備接口。數(shù)字音頻可直接進入信號處理環(huán)節(jié)，不需任何轉(zhuǎn)換，減輕了處理器轉(zhuǎn)換信號和數(shù)字濾波所帶來的負擔(dān)，使處理器能夠更高效的處理聲頻定向算法[4]。信號采集模塊采用的是AUX數(shù)字信號輸入，此接口可以兼容大部分的設(shè)備，并且可以減少信號的失真。由于發(fā)聲模塊是多個單元組成的陣列，需要更大的功率推動，所以采用了兩顆LM675T組成的25W的功放模塊，并配合NE555為核心的調(diào)制組件，實現(xiàn)信號的調(diào)制和放大[5]，如圖2所示。

2.2.3 發(fā)聲模塊

發(fā)聲模塊采用的陶瓷壓電元件在施加壓力的時候會放出電流，反之在給它施加電流的時候會震動，并且震動的頻率和對其施加的電流頻率相同，所以可以發(fā)出超聲波;但是單個的元件很小，難以發(fā)出響度較大的聲音，所以要多個組成陣列[6，7]，如圖3所示。設(shè)計中注意放大器與壓電陶瓷組件的最佳阻抗匹配，可將功率最大化地施加到發(fā)聲模塊上。

2.3 揚聲器軟件設(shè)計

超聲波微型定向揚聲器軟件工作流程主要包括：初始化各部件;采集數(shù)字音頻信號;低頻提升均衡濾波處理;輸出到相應(yīng)的通道;根據(jù)算法，處理器將數(shù)據(jù)進行信號脈沖調(diào)制處理，最后輸出至功率放大器。

2.4 揚聲器外觀設(shè)計

考慮到便攜性和耐久性問題，外殼包裝采用了聚甲基丙烯酸甲酯可塑性高分子材料，外觀效果如圖4所示。

3 結(jié)論

根據(jù)聲頻定向的工作原理，設(shè)計并制作了可用于多種設(shè)備的超聲波微型定向揚聲器，具體包括信號處理、功率放大、用壓電陶瓷超聲波揚聲器陣列作為發(fā)聲部件等，實現(xiàn)可聽聲音的定向傳播。通過對樣機的實際測試，聲音指向性明顯。

參考文獻：

[1]彭妙顏，周錫韜，定向揚聲器系統(tǒng)特性及其在展陳建筑中的應(yīng)用[J].電聲技術(shù)，2015，39（8）：21-30，53.

[2]朱榮釗，劉晶，劉文超，等.基于FPGA的聲頻定向揚聲器系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2018，26（2）：154-157.

[3]王佑翔.微型聲頻定向揚聲器的信號處理方法研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[4]李學(xué)生.微型聲頻定向系統(tǒng)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[5]蒲剛，姜麗峰，一種數(shù)字式聲頻定向揚聲器調(diào)制方法[J].電聲技術(shù)，2013，37（3）：13-17.

[6]黃波超，基于揚聲器陣列的聲場定向技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2011.

[7]邱俊，張秀琴，李紅元.定向發(fā)聲的超聲波模組[P].中國：CN109547911A，2019-03-29.

【通聯(lián)編輯：光文玲】

收稿日期：2019-11-10

基金項目：2（）19年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（2019016X）

作者簡介：李子濤（1999-），男，江蘇邳州人，專科，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù);吳俊強（1968-），男，江蘇宜興人，副教授，碩士，千要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)。