本發(fā)明涉及聲學(xué)參量陣技術(shù)，特別是涉及一種全頻帶聲波技術(shù)以及降低功耗的方法。

背景技術(shù)：

全頻帶聲波定向系統(tǒng)是基于聲學(xué)參量陣原理，其基本原理是通過(guò)不同高頻聲波在介質(zhì)中的非線性自解調(diào)作用產(chǎn)生高指向性的差頻可聽(tīng)聲，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)全頻帶自然音效定向揚(yáng)聲器。

聲波定向技術(shù)的研究最早可追溯到18世紀(jì)中葉心理學(xué)中的Tartini音調(diào)發(fā)現(xiàn)，即當(dāng)兩個(gè)穩(wěn)定的音調(diào)一起發(fā)出時(shí)，產(chǎn)生的第三聲也可聽(tīng)見(jiàn)。1962年布朗大學(xué)的物理學(xué)教授Peter Westervelt提出了參量聲學(xué)陣的概念，1965年，Berktay為Westvelt所提出的聲參量陣給出了更完整的理論解釋，推導(dǎo)出了遠(yuǎn)場(chǎng)中參量聲學(xué)陣的非線性自解調(diào)聲壓值與原波輸入信號(hào)包絡(luò)平方的二次時(shí)間到成正比，即“Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解”。但由于當(dāng)時(shí)超聲換能器性能和復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的限制，對(duì)于聲波定向系統(tǒng)的研制還一直出于實(shí)驗(yàn)研究階段。隨著超聲換能器性能的提高以及集成電路的快速發(fā)展，20世紀(jì)80年代初，日本開(kāi)始了聲波定向系統(tǒng)的具體制作，2001年左右美國(guó)ATC公司首次推出了一款名“超音頻聲音的商業(yè)化聲波定向系統(tǒng)”，之后幾年，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了對(duì)聲波定向系統(tǒng)的研制工作。

利用傳統(tǒng)的聲波定向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲波定向傳輸?shù)耐瑫r(shí)，是以犧牲大功率消耗以及的低轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)?；驹頌橥ㄟ^(guò)調(diào)制后的超聲寬帶信號(hào)進(jìn)超聲功放放大后加載到陣列換能器上，利用發(fā)出的超聲波信號(hào)在空氣中經(jīng)過(guò)非線性自解調(diào)作用產(chǎn)生了高指向性的低頻可聽(tīng)聲。但在這自解調(diào)作用下產(chǎn)生的可聽(tīng)聲能量相對(duì)于原超聲能量是很小的一部分，從而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率較低，無(wú)效功率消耗較大。

傳統(tǒng)的聲波定向系統(tǒng)在連續(xù)不間斷工作時(shí)處于較大功率下進(jìn)行，因此如果不采取有效的方法進(jìn)行降低功耗，將會(huì)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。傳統(tǒng)的聲波定向系統(tǒng)因沒(méi)有輸入音頻信號(hào)時(shí)，外界噪聲傳入以及系統(tǒng)電流噪聲信號(hào)中間經(jīng)過(guò)超聲功放放大，最后經(jīng)陣列換能器發(fā)出帶來(lái)強(qiáng)烈的噪聲問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于全頻帶聲波定向系統(tǒng)降低功耗的方法，以解決傳統(tǒng)的聲頻定向系統(tǒng)因連續(xù)不間斷發(fā)送載波信號(hào)而帶來(lái)不必要的功率損耗問(wèn)題，同時(shí)該方法使得系統(tǒng)功放無(wú)需連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作進(jìn)一步使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了很大提高。同時(shí)，降低系統(tǒng)電流噪聲，解決系統(tǒng)在沒(méi)有輸入音頻信號(hào)時(shí)，因外界噪聲傳入以及系統(tǒng)電流噪聲信號(hào)中間經(jīng)過(guò)超聲功放放大，最后經(jīng)陣列換能器發(fā)出帶來(lái)強(qiáng)烈的噪聲問(wèn)題。

本發(fā)明所涉及的全頻帶聲波定向系統(tǒng)包括：前級(jí)信號(hào)調(diào)理和ADC信號(hào)采樣，采集20～20kHz的音頻信號(hào)；信號(hào)調(diào)制處理，信號(hào)調(diào)制處理的方式可以是基于SSB、DSB、平方根調(diào)制算法結(jié)合聲參量陣學(xué)原理實(shí)現(xiàn)聲波定向技術(shù)的信號(hào)調(diào)制算法。

具體的，本發(fā)明的一種基于全頻帶聲波定向系統(tǒng)降低功耗的方法，包括下列步驟：

步驟1：系統(tǒng)開(kāi)啟后，檢測(cè)輸入端口是否存在音頻信號(hào)；若是，則執(zhí)行步驟2；否則執(zhí)行步驟3；

步驟2：將輸出端的載波信號(hào)幅值降低，例如降低到原來(lái)的0.2～0.5倍；

步驟3：判斷當(dāng)前音頻信號(hào)是否達(dá)到閾值，若是，則恢復(fù)輸出端載波信號(hào)幅值；否則執(zhí)行步驟2。

本發(fā)明根據(jù)原聲波定向系統(tǒng)因持續(xù)輸出大功率載頻信號(hào)帶來(lái)不必要的功率消耗而提出的一種自適應(yīng)調(diào)整載頻幅值的方法。同時(shí)，本發(fā)明還可以帶來(lái)較小輸出噪聲。在系統(tǒng)正常開(kāi)啟但不放音樂(lè)或使用麥克不講話，由于有小的噪聲輸入或者因電路引起的噪聲或因換能器激振引起噪聲信號(hào)時(shí)，該噪聲信號(hào)會(huì)和載頻信號(hào)一起通過(guò)超聲換能器發(fā)射出去，由于在空氣中非線性作用自解調(diào)出可聽(tīng)聲干擾噪聲，然而本方法可以很好的解決該問(wèn)題。

進(jìn)一步的，判斷當(dāng)前音頻信號(hào)是否達(dá)到閾值的具體方式可以從下述任選其一即可：

判決方式1：在系統(tǒng)初始化時(shí)，對(duì)輸入端口進(jìn)行信號(hào)采集，提取一段時(shí)序內(nèi)的信號(hào)s₂[n]，即環(huán)境噪聲，其中n∈[n1，n2]，n1、n2分別表示一段時(shí)序的起點(diǎn)和終點(diǎn)；并設(shè)置閾值其中d表示直流偏置值；當(dāng)輸入端口存在音頻信時(shí)，采集一段時(shí)序內(nèi)的音頻信號(hào)s₁[n]，其中n∈[n1，n2]；并對(duì)音頻信號(hào)s₁[n]進(jìn)行減直流偏置后平方求和處理，得到將與閾值T比較，若大于或等于閾值T，則判定當(dāng)前音頻信號(hào)達(dá)到閾值T。

判決方式2：在系統(tǒng)初始化時(shí)，對(duì)輸出端口進(jìn)行信號(hào)采集，提取一段信號(hào)序列y₂[n](環(huán)境噪聲的輸出信號(hào))，設(shè)置閾值T為所述信號(hào)序列的頻譜線；當(dāng)輸入端口存在音頻信時(shí)，對(duì)輸出端口進(jìn)行信號(hào)采集，提取一段音頻信號(hào)的輸出信號(hào)序列y₁[n]，并將輸出信號(hào)序列的頻譜線與閾值T比較，若大于或等于閾值T，則判定當(dāng)前音頻信號(hào)達(dá)到閾值T。

另外，還可以將上述兩種判決方式進(jìn)行融合判決，即設(shè)置第一、第二兩個(gè)判別器(第一判別器采用判決方式1，第二判別器采用判決方式2)，分別通過(guò)第一、第二判別器對(duì)當(dāng)前音頻信號(hào)是否達(dá)到閾值進(jìn)行判定，若到達(dá)閾值，則將判別結(jié)果記為1，否則記為0；對(duì)第一、第二判別器的判別結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和，并與融合閾值進(jìn)行比較，若大于或等于融合閾值(經(jīng)驗(yàn)值)，則恢復(fù)輸出端載波信號(hào)幅值；否則執(zhí)行步驟2。

綜上，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以基于已有的硬件平臺(tái)，無(wú)需增加任何硬件電路基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，為聲波定向系統(tǒng)減小了很大不必要的功率損耗，同時(shí)減少一定干擾噪聲。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中所運(yùn)用的聲波定向技術(shù)原理分析圖。

圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明降低功耗方法的聲波定向系統(tǒng)框圖。

圖3為本發(fā)明中自適應(yīng)載波幅值調(diào)整算法的實(shí)現(xiàn)框圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)是在基本聲波定向系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上進(jìn)行的，因此對(duì)于本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)具體的平臺(tái)給予講述，具體實(shí)施步驟如下：

圖1示出了為聲波定向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲波定向傳播的最基本原理。在超聲波陣列上發(fā)出兩個(gè)不同頻率的波f1和f2，在空氣中經(jīng)過(guò)非線性自解調(diào)作用產(chǎn)生了頻譜為f1+f2，f1-f2，2f1,2f2，以及還有原波f1，f2。由于原波f1，f2及f1+f2，2f1,2f2等均是超聲波，在空氣中會(huì)很快得到衰減，而f1-f2正是我們所需要的高指向差頻可聽(tīng)聲。

圖2示出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明降低功耗方法的聲波定向系統(tǒng)框圖，具體包括：

前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路1，音頻ADC采樣電路2，信號(hào)調(diào)制算法3，輸出控制器4，調(diào)制后PWM信號(hào)后級(jí)處理5，超聲陣列換能器6，數(shù)字功率放大器7，自適應(yīng)載波幅值調(diào)整算法處理8。20Hz-20kHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路1給ADC采集電路2，獲得的數(shù)字音頻信號(hào)一方面用于信號(hào)調(diào)制算法處理3；另一方面用于自適應(yīng)載波幅值調(diào)整算法處理8，之后由輸出控制器控制PWM信號(hào)輸出。輸出的PWM信號(hào)電壓需要作電平轉(zhuǎn)換處理，最后由數(shù)字功放輸出到超聲陣列換能器上。

圖3示出了本發(fā)明中自適應(yīng)載波幅值調(diào)整的實(shí)現(xiàn)框圖。系統(tǒng)開(kāi)啟一段時(shí)間內(nèi)，先初始化音頻信號(hào)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，由FPGA處理器采集并計(jì)算環(huán)境噪聲能量圖3中圖標(biāo)10，由獲得閾值1并傳給判別器1；以及對(duì)輸入信號(hào)s₃[n]調(diào)制后的信號(hào)序列y₂[n]的噪聲頻譜分析14，拓展序列y₂[n]計(jì)算DFS(或FFT，下同)，其中n＝0,...,N-1，獲得閾值2：其中(N表示每次獲取序列中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，e表示自然底數(shù)，j為虛數(shù)單位，K表示序列個(gè)數(shù))，并將閾值2傳給判別器2；

當(dāng)音頻信號(hào)輸入系統(tǒng)工作后，將間隔采集一段音頻序列并計(jì)算圖3中圖標(biāo)9，并將傳給判別器1；并對(duì)輸入信號(hào)s₄[n]調(diào)制后的信號(hào)序列y₁[n]進(jìn)行頻譜分析，拓展序列y₁[n]計(jì)算DFS，(n＝0,...,N-1)，獲得并傳給判別器2，其中

判別器1對(duì)與閾值1進(jìn)行比較，若大于或等于，則判決結(jié)果為1；否則為0。并向判別器3輸出判決結(jié)果；判別器2對(duì)與閾值2進(jìn)行比較，若大于或等于，則判決結(jié)果為1；否則為0。并向判別器3輸出判決結(jié)果。

判別器3對(duì)判別器1和判別器2的判決結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和，與預(yù)設(shè)的融合閾值進(jìn)行比較，并向輸出控制器發(fā)出對(duì)應(yīng)指令：若大于等于融合閾值，則發(fā)出恢復(fù)指令，由輸出控制器將輸出端的載波信號(hào)幅值下降到原來(lái)的1倍；若小于融合閾值，則發(fā)出下降指令，由輸出控制器將將輸出端的載波信號(hào)幅值下降到原來(lái)的0.2～0.5倍。

然后分別結(jié)合前面求的環(huán)境噪聲能量和調(diào)制后信號(hào)頻譜進(jìn)入判別器1或者判別器2，對(duì)判別結(jié)果進(jìn)行權(quán)值加權(quán)計(jì)算，最后對(duì)通過(guò)控制輸出控制器進(jìn)行輸出。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。