[發明專利]參量揚聲器的驅動

有效

• 申請號: 201180035880.0
• 申請日: 2011-07-18
• 公開（公告）號: CN103004234A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: W.J.拉姆;R.M.亞爾特斯
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦電子股份有限公司
• 主分類號: H04R3/04
• 分類號: H04R3/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 董寧;汪揚

技術領域

本發明涉及參量揚聲器的驅動。更具體而非排他地說，本發明涉及參量揚聲器單邊帶（sideband）調制的預補償。

背景技術

近些年，著重于空間感知的聲音供給（provision）越來越受到關注。具體而言，這種聲音供給在許多應用當中都是產生高指向性窄音頻束（beam）的理想之選。例如，在從置于用戶前方的物理聲換能器產生虛擬的背面或側面聲源的虛擬環繞聲音系統中，高指向性音頻束通過墻壁反射到用戶側面或背面，從而可在這些反射點上感知虛擬聲源。

但是，這種高指向性窄束很難由傳統的音頻帶揚聲器產生。因此，有人根據來自超聲換能器的超聲輻射提出替代方法。這種揚聲器被稱為參量揚聲器。就本質而言，參量揚聲器是通過對音頻信號調制的高強度超聲載波進行非線性解調來產生可聽音的設備。參量揚聲器的引人之處在于聲音再現，因為它們在音頻頻率上擁有極高的指向性。

因此，參量揚聲器使用可提供高指向聲束的超聲換能器。一般而言，揚聲器的指向性（窄度）取決于與波長相比的揚聲器大小。可聽音的波長范圍從幾英寸到數英尺，由于這些波長可與多數揚聲器的大小進行比較，因此聲音一般全向傳播。但對于超聲換能器而言，波長要小得多，因此可創建遠大于輻射波長的聲源，從而形成高指向性極窄束。

此高指向性束例如可被更好地控制，并且例如可以精確地指向所需反射點。

驅動超聲換能器的超聲信號通過使用所呈現音頻信號的派生音頻信號對超聲載波信號進行幅度調制來生成。此調制信號從聲換能器輻射出來。超聲信號不直接由人類聽眾感知，但音頻信號可以自動聽到，無需任何特定的功能、接收裝置或助聽裝置。具體而言，從換能器到聽眾的音頻通道中的任何非線性均可充當解調器，從而再現音頻信號。這種非線性可以在傳輸路徑中自動發生。具體而言，作為傳輸介質的空氣本質上呈現出可使超聲變得可聽的非線性特性。因此，空氣本身的非線性屬性可對高強度超聲信號進行音頻解調。通過這種方式，超聲信號可以被自動進行解調來為聽眾提供音頻聲音。

使用參量揚聲器進行音頻輻射的實例和進一步說明例如可以在麻省理工學院的F.?Joseph·Pompei于2002年發表的博士論文“Sound?from?Ultrasound:?The?Parametric?Array?as?an?Audible?Sound?Source”中找到。

已經發現，參量揚聲器用來發聲的非線性解調過程不幸地會造成嚴重的音頻信號非線性失真。已經提出多種參量揚聲器失真減少預處理方案，但是這些方案的效率與效率、帶寬和處理復雜度之間的平衡相關。

Berktay于1965年發表于J.?Sound?Vib.,?2(4)?，第435-461頁的文章“Possible?exploitation?of?non-linear?acoustic?in?underwater?transmitting?applications”提供了指示空氣中參量效應所創建的解調音頻信號與調制包絡????????????????????????????????????????????????平方的二階導數成比例的解析性遠場近似，即：

。

傳統的參量揚聲器系統使用簡單的載波信號調幅（AM），即，換能器驅動信號通常采用如下形式：

其中是載波信號的角頻率，是驅動信號的包絡。

為了補償超聲信號空中解調導致的非線性失真，有人提出對待呈現音頻信號進行預補償。具體而言，有人提出根據以下公式產生包絡信號來預補償音頻信號：

這種理想的調制包絡通過逆轉非線性解調操作來提供，由于傳輸的信號必須為真實信號，因此只有導致無失真分量的音頻信號的調制包絡才能使用這種方法。

但是，有人提出使用單邊帶（SSB）調制替代標準的雙邊帶（DSB）AM調制來調制參量揚聲器系統中的超聲載波。

標準調制方案被稱為雙邊帶（DSB）AM調制，因為載波頻率幅度調制產生兩個邊帶：上邊帶（USB）和下邊帶（LSB）。這些邊帶的帶寬與調制包絡相同，并且包含調制信息，如圖1所示，該圖示出驅動信號的音頻頻譜101、載波頻率103和生成的DSB?AM調制信號105。

理想情況下，AM結合理想的平方根包絡預補償導致在解調后理論上無失真的音頻信號。但是存在多種實際問題。平方根運算引入了無限諧序（harmonic?sequence），因此需要高信號處理帶寬，原則上導致具有無限頻譜的預補償信號。