基于超声波的微型定向扬声器的设计
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作者:李子涛 吴俊强
摘要：声频定向扬声器应用领域广阔，通过研究超声波定向声频的发射原理，设计并制作了超声波微型定向扬声器，经过对样机的实际测试，声音指向性明显，具备实际应用价值。
关键词：定向扬声器;超声波;声频定向
中图分类号：TN643 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）05-0236-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
声波定向扬声器具有非常广阔的应用前景，既可用于商业领域，利用其定向辐射特性，在大型综合商场、博物馆等展厅、机场候机厅、广告牌和广场舞等恶劣声学环境中，达到提高语言清晰度和减少声污染等功能。也可用于反恐防暴，使用较高强度的声波定向扬声器对人群发送一束声波，让其难受而退，且不造成人身伤害，若加大声波的功率则可用于军事，使敌人丧失行动能力[1]。
1 定向声波的原理
使用超声波扬声器来加强指向性，其原理是利用超声波的强指向性来实现定向声波传播的目的。超声波因为频率较高，波长较短，不容易发生衍射，指向角较小，拥有较好的指向性，而可听声波的频率较低，波长较长，容易发生衍射，从而绕过传播过程中的障碍[2]。利用超声波的强指向性，超声波扬声器将超声波作为载波信号，再将音频信号调制到超声波中实现在空气中的定向传输，并最终在空气中实现白解调，即可使人耳能够听到被还原的音频信号。
2 超声波微型定向揚声器设计方案
2.1 超声波微型定向扬声器的整体设计
声频定向系统主要包括四个核心部件：控制器、调制器、放大器和发声模块。音源采用数字音频输入，以适应多媒体便携式设备接口。调制器使用NE555芯片作为产生高频信号的核心，谐振频率为使得扬声器器输出最大声功率，既能有效控制白解调信号的失真，又能让白解调信号的传输足够远，谐振频率控制在超声载波频段30kHz-70kHz之间。发声模块采用了压电陶瓷单元阵列来增大声输出功率，增强指向性，解决单个压电陶瓷元件的不足，因此对电源的要求较高，使用36V直流电源供电。
2.2 系统各模块的设计
2.2.1 控制芯片
主控采用STM32F系列中的低功耗芯片为基础，可以实现基本功能的前提下减少功耗来延长使用时间[3]。为了优化使用体验，增加扬声器的功能，控制单元采用了一块基于Blue-tooth5.0的组件，如图1所示，可以连接智能设备实现信号的传输和语音控制、红外遥控、sd卡和usb输入功能。
2.2.2 调制与功放模块
超声波微型定向扬声器的音源支持数字音频输入，以适应多媒体便携式没备接口。数字音频可直接进入信号处理环节，不需任何转换，减轻了处理器转换信号和数字滤波所带来的负担，使处理器能够更高效的处理声频定向算法[4]。信号采集模块采用的是AUX数字信号输入，此接口可以兼容大部分的设备，并且可以减少信号的失真。由于发声模块是多个单元组成的阵列，需要更大的功率推动，所以采用了两颗LM675T组成的25W的功放模块，并配合NE555为核心的调制组件，实现信号的调制和放大[5]，如图2所示。
2.2.3 发声模块
发声模块采用的陶瓷压电元件在施加压力的时候会放出电流，反之在给它施加电流的时候会震动，并且震动的频率和对其施加的电流频率相同，所以可以发出超声波;但是单个的元件很小，难以发出响度较大的声音，所以要多个组成阵列[6，7]，如图3所示。设计中注意放大器与压电陶瓷组件的最佳阻抗匹配，可将功率最大化地施加到发声模块上。
2.3 扬声器软件设计
超声波微型定向扬声器软件工作流程主要包括：初始化各部件;采集数字音频信号;低频提升均衡滤波处理;输出到相应的通道;根据算法，处理器将数据进行信号脉冲调制处理，最后输出至功率放大器。
2.4 扬声器外观设计
考虑到便携性和耐久性问题，外壳包装采用了聚甲基丙烯酸甲酯可塑性高分子材料，外观效果如图4所示。
3 结论
根据声频定向的工作原理，设计并制作了可用于多种设备的超声波微型定向扬声器，具体包括信号处理、功率放大、用压电陶瓷超声波扬声器阵列作为发声部件等，实现可听声音的定向传播。通过对样机的实际测试，声音指向性明显。
参考文献：
[1]彭妙颜，周锡韬，定向扬声器系统特性及其在展陈建筑中的应用[J].电声技术，2015，39（8）：21-30，53.
[2]朱荣钊，刘晶，刘文超，等.基于FPGA的声频定向扬声器系统的设计[J].计算机测量与控制，2018，26（2）：154-157.
[3]王佑翔.微型声频定向扬声器的信号处理方法研究与实现[D].成都：电子科技大学，2010.
[4]李学生.微型声频定向系统理论及关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2012.
[5]蒲刚，姜丽峰，一种数字式声频定向扬声器调制方法[J].电声技术，2013，37（3）：13-17.
[6]黄波超，基于扬声器阵列的声场定向技术研究[D].大连：大连理工大学，2011.
[7]邱俊，张秀琴，李红元.定向发声的超声波模组[P].中国：CN109547911A，2019-03-29.
【通联编辑：光文玲】
收稿日期：2019-11-10
基金项目：2（）19年江苏省大学生创新训练项目（2019016X）
作者简介：李子涛（1999-），男，江苏邳州人，专科，主要研究方向为物联网应用技术;吴俊强（1968-），男，江苏宜兴人，副教授，硕士，千要研究方向为物联网及云计算技术。
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