CN115938337B - 一种超声换能器阵列、定向发声控制方法及定向发声装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声换能器阵列、定向发声控制方法及定向发声装置，该超声换能器阵列包括间隔设置的至少两个超声换能器子阵列，任意两个相邻设置的超声换能器子阵列发出的超声波的发声频段不同，且任意两个相邻设置的超声换能器子阵列的发声区域相交汇，形成有超声交汇区域，超声交汇区域位于超声换能器阵列整个的声源辐射区域内，超声交汇区域的不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声；该超声换能器阵列可实现可听声高指向性并同时缩短传播距离，提高私密性。

Description

一种超声换能器阵列、定向发声控制方法及定向发声装置

技术领域

本发明涉及定向发声技术领域，尤其涉及一种超声换能器阵列、定向发声控制方法及定向发声装置。

背景技术

如图1所示，常规参量阵扬声器的发声原理是：由有限振幅超声（超声波频率分别为f1和f2）通过空气非线性自解调从而产生差频可听声（频率为f1-f2）。常规参量阵扬声器通常使用多个相同的超声换能器组成一个阵列，阵列中的超声换能器同时发射频率为f1和f2的超声波，单个超声换能器形状通常为圆形或方形，如图2、3所示。两种频率的超声波在向前发射过程中，会解调出不同频段的超声波束，且两种频率具有累积效应。如图4所示，累积形成的频率为f1-f2的虚拟差频可听声的声源形成一个类似端射阵扬声器，从而实现高指向性的差频可听声波束，以及超长的差频可听声传播距离。在无人头及其他遮挡物的情况下，常规参量阵扬声器形成的超声交汇区域（即可听声区域）如图5中阴影区域所示，该超声交汇区域中可听声声压级较高，如1kHz左右的可听声频段的声压级最高可达80dB。

在有人头、躯干及其他遮挡物的情况下，常规参量阵扬声器因为人头和躯干的反射，导致不同频率的超声交汇更多，超声交汇区域扩大为如图6所示的阴影区域，可见超声交汇区域超过了参量阵扬声器的声源辐射区域。正是因为超声交汇区域大，所以指向性弱，传播距离远，同时由于左右反射声增加难以确定具体可听声区域，在人的左右前后都可以听到声音，私密性较差。

然而，在一些如语音通话、网络会议等使用场景下应用参量阵扬声器时，希望在实现高指向性的同时实现短传播距离，从而减小使用区域中音频接收者后方声音、减小声波传播到墙面等造成的环境反射，提升发声的私密性。这是常规参量阵扬声器无法实现的。

因此，亟待寻找一种能同时实现高指向性、短传播距离及能提升发声私密性的参量阵扬声器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声换能器阵列、定向发声控制方法及定向发声装置，该超声换能器阵列能满足发出可听声的私密性要求。

为实现上述发明目的，本发明提出如下技术方案：

第一方面，提供一种超声换能器阵列，所述超声换能器阵列包括间隔设置的至少两个超声换能器子阵列，任意两个相邻设置的所述超声换能器子阵列发出的超声波的发声频段不同，且任意两个相邻设置的所述超声换能器子阵列的发声区域相交汇，形成有超声交汇区域，所述超声交汇区域位于所述超声换能器阵列整个的声源辐射区域内，所述超声交汇区域的不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声。

在一种较佳的实施方式中，所述至少两个超声换能器子阵列由一个超声换能器阵列分割形成，或者相独立设置。

在一种较佳的实施方式中，所述至少两个超声换能器子阵列的发声面位于同一平面内。

在一种较佳的实施方式中，任意两个相邻设置的所述超声换能器子阵列之间的间隔不大于0.2m。

在一种较佳的实施方式中，所述超声换能器阵列在与相应音频接收者的双耳相平行的水平方向的宽度不大于1.5m。

在一种较佳的实施方式中，相应音频接收者的双耳所形成的连线的中心点与所述超声换能器阵列的发声面之间的距离不大于2m。

在一种较佳的实施方式中，所述至少两个超声换能器子阵列相规则排布或相异形排布。

在一种较佳的实施方式中，所述至少两个超声换能器子阵列形成一维或二维阵列排布，或者形成环形阵列排布。

第二方面，提供一种定向发声控制方法，应用于如第一方面中任意一项所述的超声换能器阵列，所述方法包括：

相邻两个超声换能器子阵列的其中一个子阵列接收第一电信号，另一个子阵列接收第二电信号；

其中一个所述超声换能器子阵列在对应的所述第一电信号的作用下发出第一超声波束，另一个所述超声换能器子阵列在对应的所述第二电信号的作用下发出第二超声波束，所述第一超声波束与所述第二超声波束相交汇形成超声交汇区域，所述超声交汇区域的不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声。

第三方面，提供一种定向发声装置，所述定向发声装置包括如第一方面任意一项所述的超声换能器阵列。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种超声换能器阵列、定向发声控制方法及定向发声装置，该超声换能器阵列包括间隔设置的至少两个超声换能器子阵列，任意两个相邻设置的超声换能器子阵列发出的超声波的发声频段不同，且任意两个相邻设置的超声换能器子阵列的发声区域相交汇，形成有超声交汇区域，超声交汇区域位于超声换能器阵列整个的声源辐射区域内，超声交汇区域的不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声；本发明通过设置多个间隔设置的超声换能器子阵列，以及相邻两个超声换能器子阵列分别发出不同频段的超声波的方式，实现只有相邻两个超声换能器子阵列的波束交汇处才可解调产生可听声，从而减小超声换能器的可听声区域，实现可听声高指向性并同时缩短传播距离，提高应用该超声换能器阵列时的私密性。

附图说明

图1是背景技术中常规参量阵扬声器技术原理示意图；

图2、3分别是超声换能器为圆形或方形的超声换能器阵列；

图4是常规参量阵扬声器具有高指向性和长传播距离的远离示意图；

图5是常规参量阵扬声器传播路径没有人时可听声区域示意图；

图6是常规参量阵扬声器传播路径上有人时可听声区域示意图；

图7是实施例一中超声换能器辐射超声波的示意图；

图8是实施例一中超声换能器辐射超声波时差频可听声区域中有音频接收者时的示意图；

图9~11分别是实施例一中超声换能器阵列的不同布设方式的结构示意图；

图12是实施例二中超声换能器阵列的又一种布设方式的结构示意图；

图13是对应于图12中超声换能器辐射超声波的示意图。

图中标记：100，200-超声换能器阵列，10-超声交汇区域，20-声源辐射区域，30-第一超声换能器子阵列，40-第二超声换能器子阵列，50-第一差频可听声区域，60-第三超声换能器子阵列，70-第二差频可听声区域。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图7所示，本实施例提供一种超声换能器阵列100，该超声换能器阵列100包括间隔设置的至少两个超声换能器子阵列，任意两个相邻设置的超声换能器子阵列发出的超声波的发声频段不同。并且，任意两个相邻设置的超声换能器子阵列的发声区域交汇形成超声交汇区域10，该超声交汇区域10内不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声。该方式下所形成的超声交汇区域10位于该超声换能器阵列100整个的声源辐射区域20内，并且，超声交汇区域10远小于声源辐射区域20，从而减小该超声换能器阵列100的可听声区域，实现可听声高指向性并同时缩短传播距离，提高应用该超声换能器阵列100时的私密性。

上述，至少两个超声换能器子阵列中的任一超声换能器形状相同或不同，形状包括但不限于圆形、矩形中的至少一种。以及，超声换能器阵列100包括的至少两个超声换能器子阵列相规则排布或相异形排布，具体可以是：至少两个超声换能器子阵列形成一维阵列排布（图9）、二维阵列排布（图10）或环形阵列排布（图11）。需要说明的是，为定制化地实现可听声区域，上述的任意的排布方式及组合均适用本发明。

为了便于描述，本实施以超声换能器阵列100包括相邻设置的第一超声换能器子阵列30及第二超声换能器子阵列40为例作进一步的具体描述。第一超声换能器子阵列30发出第一超声频段f1的第一超声波束，第二超声换能器子阵列40发出第二超声频段f2的第二超声波束，并且f1与f2不同，部分第一超声波束与同时刻下的部分第二超声波束在传播方向上交汇形成超声交汇区域10。可以理解的是，超声交汇区域10位于声源辐射区域20内，即超声交汇区域10小于声源辐射区域20。

在一种实施方式中，第一超声换能器子阵列30的发声面与第二超声换能器子阵列40的发声面位于同一完整发声面内，该完整发声面向前方发送超声波。该完整发声面可以为平面，曲面或任意形状的完整发声面。当然，在其他实施方式中，第一超声换能器子阵列30的发声面与第二超声换能器子阵列40的发声面也可不位于同一平面上，如前后错位排布也适用本发明。

超声交汇区域10内不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声，该差频可听声位于第一差频可听声区域50内。如图7所示，当该超声交汇区域10内不存在音频接收者或者其他的遮挡物时，第一差频可听声区域50位于超声交汇区域10内且小于超声交汇区域10。如图8所示，当该超声交汇区域10内存在音频接收者时，由于音频接收者的头部或躯干等部位对超声波束造成一定程度的反射，不同频率的超声交汇更多，第一差频可听声区域50在各个方向上略有增大，但第一差频可听声区域50仍然位于声源辐射区域20内，且第一差频可听声区域50在各个方向上仍然远小于该超声换能器阵列100的声源辐射区域20。因此，当音频接收者位于该第一差频可听声区域50内时可以听到清晰的第一差频可听声，当音频接收者位于该第一差频可听声区域50外时则无法听到该第一差频可听声。

上述，为了便于描述，定义面朝超声换能器阵列100且位于第一差频可听声区域50的人员为音频接收者。

本实施例中的超声换能器阵列100所形成的第一差频可听声由于部分交汇的原因导致本身声压级略有下降，以及声压级随着传播距离减小的缘故，所形成第一差频可听声的传播距离缩短，即第一差频可听声区域50在传播方向上的长度减小，避免第一差频可听声继续向第一差频可听声区域50后方传送。因此，该超声换能器阵列100在传播方向上也远小于常规参量阵扬声器，能有效保证定向声的私密性要求。通常的，第一差频可听声区域50为预期所需形成的私密性较高的定向声区域，即超声换能器阵列100的对应的使用区域。

本实施例中，至少两个超声换能器子阵列由一个超声换能器阵列分割形成，任意两个相邻设置的超声换能器子阵列之间的间隔不大于0.2m。本实施例中，第一超声换能器子阵列30与第二超声换能器子阵列40为同一个超声换能器阵列分割形成，以使第一超声换能器子阵列30包括的任一第一超声换能器与第二超声换能器子阵列40包括的任一第二超声换能器之间的最小距离不大于0.2m。当然，在满足上述最小距离的前提下，第一超声换能器子阵列30与第二超声换能器子阵列40也可以独立设置，如分别属于两个不同的定向发声装置等方案，均适用于本发明。可以理解的是，本实施例中第一超声换能器子阵列30最接近第二超声换能器子阵列40的边沿与第二超声换能器子阵列40的相应边沿之间的距离实际为该最小距离。

本实施例对于声换能器阵列100的尺寸不作限制。为确保第一差频可听声区域50内的声压级及指向性，超声换能器阵列100在与相应音频接收者的双耳相平行的水平方向的宽度不大于1.5m。

以及，在定制化形成相应第一差频可听声区域50时，应确保音频接收者的双耳所形成的连线的中心点与超声换能器阵列100的发声面之间的距离不大于2m，以进一步确保可听声的声压级及指向性。

因此，本实施例可根据第一差频可听声区域50（即使用区域）的设置需求（即定向声私密性设置需求）对超声换能器阵列100的结构进行定制化调整，调整的参数包括但不限于第一超声换能器子阵列30的超声波辐射角度及频率f1、第二超声换能器子阵列40的超声波辐射角度及频率f2、第一超声换能器子阵列30与第二超声换能器子阵列40之间的相对位置关系及间隔距离、第一差频可听声区域50与超声换能器阵列100发声面之间的距离、超声换能器阵列100的发声面水平方向的宽度等。

综上，该超声换能器阵列通过优化结构减小相应的可听声区域，实现可听声高指向性并同时缩短传播距离，从而提高应用该超声换能器阵列时的私密性；更重要的是，即便可听声区域中出现语音接受者也不会破坏其私密性。

实施例二

如图12所示，在实施例一的基础上，本实施例进一步提供一种超声换能器阵列200，该超声换能器阵列200包括实施例一中的第一超声换能器子阵列30及第二超声换能器子阵列40，还包括第三超声换能子阵列60。该第三超声换能器子阵列60的发声面与第一超声换能器子阵列30或第二超声换能器子阵列40的发声面位于同一平面上。第三超声换能器子阵列60发出第三超声频段的第三超声波束。

在一种实施方式中，如图12所示，第三超声换能器子阵列60与第一超声换能器子阵列30间隔设置，第三超声频段与第一超声频段不同。部分第一超声波束与同时刻下部分第三超声波束在传播方向上交汇并解调产生第二差频可听声。如图13所示，第一差频可听声与第二差频可听声均位于第二差频可听声区域70内，第二差频可听声区域70位于超声换能器阵列200的声源辐射区域20内，即，该超声换能器阵列200发出的超声波整体形成远小于声源辐射区域20的第二差频可听声区域70。第三超声换能子阵列60与第一超声换能器子阵列30的间隔设置方式包括但不限于第三超声换能子阵列60与第一超声换能器子阵列30相邻设置、第三超声换能子阵列60绕设于第一超声换能器子阵列30外周等方式中的一种。

因此，本实施例通过将超声换能器阵列分成间隔设置的三个及以上超声换能子阵列的方式共同形成定制化的差频可听声区域，所形成的差频可听声区域具有较佳的指向性及短传播距离，私密性较佳。

实施例三

本实施例提供一种定向发声控制方法，应用于如实施例一或实施例二中的超声换能器阵列。该定向发声控制方法包括如下步骤：

S1、相邻两个超声换能器子阵列的其中一个超声换能器子阵列接收第一电信号，另一个超声换能器子阵列接收第二电信号。

其中，相邻两个超声换能器子阵列分别为如实施例一中所述的第一超声换能器子阵列及第二超声换能器子阵列，超声换能器阵列的相关描述参照前述实施例，此处将不作赘述。

S2、其中一个超声换能器子阵列在对应的第一电信号的作用下发出第一超声波束，另一个超声换能器子阵列在对应的第二电信号的作用下发出第二超声波束，第一超声波束与第二超声波束相交汇形成超声交汇区域，超声交汇区域的不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声。

上述，第一电信号或第二电信号可以包括交流电信号，也可以同时包括交流电信号与直流电信号。本实施例超声换能器将电信号转换为超声波信号的具体过程与现有技术相同，此处将不作进一步的描述。

实施例四

本实施例进一步提供一种定向发声装置，该定向发声装置包括如实施例一或实施例二中的超声换能器阵列，用于执行如实施例三中的定向发声控制方法，其形成的差频可听声区域具有较高的指向性及短传播距离，能有效提高应用场景下的发声私密性。

该定向发声装置为单面定向发声扬声器、双面定向发声扬声器、单面定向发声屏、双面定向发声屏中的一种。示例性的，当该定向发声装置为双面定向发声屏时，包括双面显示屏、分别集成于该双面显示屏相对两个显示面的两个超声换能器阵列。超声换能器阵列的具体结构参照实施例一或实施例二中的描述。

本实施例提供的定向发声装置通过将超声换能器阵列集成在现有装置的方式实现定向发声，有效实现该定向发声装置发声的私密性。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，即可将任意多个实施例进行组合，从而获得应对不同应用场景的需求，均在本申请的保护范围内，在此不再一一赘述。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声换能器阵列，其特征在于，所述超声换能器阵列包括间隔设置的至少两个超声换能器子阵列，任意两个相邻设置的所述超声换能器子阵列发出的超声波的发声频段不同，且任意两个相邻设置的所述超声换能器子阵列的发声区域相交汇，形成有超声交汇区域，所述超声交汇区域位于所述超声换能器阵列整个的声源辐射区域内，所述超声交汇区域的不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声；

任意两个相邻设置的所述超声换能器子阵列之间的间隔不大于0.2m；相应音频接收者的双耳所形成的连线的中心点与所述超声换能器阵列的发声面之间的距离不大于2m。

2.如权利要求1所述的超声换能器阵列，其特征在于，所述至少两个超声换能器子阵列由一个超声换能器阵列分割形成，或者相独立设置。

3.如权利要求1所述的超声换能器阵列，其特征在于，所述至少两个超声换能器子阵列的发声面位于同一平面内。

4.如权利要求1所述的超声换能器阵列，其特征在于，所述超声换能器阵列在与相应音频接收者的双耳相平行的水平方向的宽度不大于1.5m。

5.如权利要求1～4任意一项所述的超声换能器阵列，其特征在于，所述至少两个超声换能器子阵列相规则排布或相异形排布。

6.如权利要求5所述的超声换能器阵列，其特征在于，所述至少两个超声换能器子阵列形成一维或二维阵列排布，或者形成环形阵列排布。

7.一种定向发声控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1～6任意一项所述的超声换能器阵列，所述方法包括：

相邻两个超声换能器子阵列的其中一个超声换能器子阵列接收第一电信号，另一个超声换能器子阵列接收第二电信号；

其中一个所述超声换能器子阵列在对应的所述第一电信号的作用下发出第一超声波束，另一个所述超声换能器子阵列在对应的所述第二电信号的作用下发出第二超声波束，所述第一超声波束与所述第二超声波束相交汇形成超声交汇区域，所述超声交汇区域的不同发声频段的超声波在空气作用下自解调形成差频可听声。

8.一种定向发声装置，其特征在于，所述定向发声装置包括如权利要求1～6任意一项所述的超声换能器阵列。

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