[發(fā)明專利]利用數(shù)字化實時音頻信號驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置的方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010857180.0
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112055295B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任天令;田禾;喻國芳;王雪峰;韋雨宏;李驍時;楊軼
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學
• 主分類號: H04R23/00
• 分類號: H04R23/00;G10L19/26;G10L21/0208
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發(fā)明公開了一種利用數(shù)字化實時音頻信號驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置的方法及系統(tǒng)，該方法先對熱致發(fā)聲裝置前的模擬音頻信號進行轉(zhuǎn)換和濾波降噪；將經(jīng)過轉(zhuǎn)換和濾波降噪后的模擬音頻信號通過過采樣的方式轉(zhuǎn)換為10～16位高精度的數(shù)字信號流；對獲得的數(shù)字信號流進行數(shù)字濾波后通過信號的兩級數(shù)字化調(diào)制得到能夠隨時鐘信號變化的數(shù)字化的音頻信號流；對調(diào)制得到的數(shù)字化的音頻信號流進行整形和功率放大，得到用于驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置播放音頻的數(shù)字化的音頻信號流。所述系統(tǒng)包括輸入模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制模塊、輸出模塊和電源管理模塊。本發(fā)明實現(xiàn)了音頻信號的實時數(shù)字化轉(zhuǎn)換并驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置，有效消除了熱致發(fā)聲裝置的倍頻效應(yīng)，顯著降低了裝置發(fā)聲時的功耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于音頻驅(qū)動領(lǐng)域，特別是熱致發(fā)聲裝置驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用數(shù)字化實時音頻信號驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置的方法及系統(tǒng)，利用信號輸入模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制模塊和輸出模塊協(xié)同工作形成一條完整的信號處理鏈路，對輸入音頻信號進行實時數(shù)字化，并實現(xiàn)實時、高保真、低功耗驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置。

背景技術(shù)

目前在聲學領(lǐng)域及業(yè)界，主流的音頻播放揚聲器采用的是動圈、動鐵或壓電等方法，例如目前主流的動圈，其原理在于通過變頻的音頻信號產(chǎn)生磁場與永磁體的磁場相互作用，推動線圈或磁體運動以推動空氣，從而推動振膜振動發(fā)聲。該方法具備諸多優(yōu)點，但是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，及人們對便捷、超薄、可穿戴設(shè)備的追求，迫切需要一種可彎曲、超薄的聲學裝置產(chǎn)生。

熱致發(fā)聲原理，即利用超薄導(dǎo)電薄膜產(chǎn)生的熱量加熱空氣，使其膨脹或收縮，從而發(fā)出聲音。相比于傳統(tǒng)的動圈、動鐵或壓電，熱致發(fā)聲裝置本身無任何機械振動，僅僅依靠加熱空氣即可發(fā)聲。基于熱致發(fā)聲原理的聲學裝置不需要很大的垂直空間，相較于傳統(tǒng)的機械式(動圈、動鐵等)振動發(fā)聲裝置，大大降低了對垂直空間的需求。除此之外，基于熱致發(fā)聲原理的聲學裝置可采用多種材料制備，如鋁薄膜、石墨烯等具備良好熱學性能的材料，而這些材料大多具備超薄、可彎曲的優(yōu)勢，在可穿戴技術(shù)、超薄設(shè)備領(lǐng)域具備很大的應(yīng)用潛力。

由于基于熱致發(fā)聲的聲學裝置采用的是裝置發(fā)熱的方式加熱空氣發(fā)出聲音，其發(fā)熱功率與輸入信號為平方關(guān)系，即：P＝I²R，其中，P為聲學裝置的發(fā)熱功率，I為輸入聲學裝置的音頻信號，R為聲學裝置的電阻。輸入聲學裝置的音頻信號I是包含多種頻率的復(fù)合信號，當對音頻信號進行平方處理時，會出現(xiàn)倍頻及多倍頻的諧波信號，從而導(dǎo)致了裝置發(fā)聲的完全失真，這也是為何熱致發(fā)聲原理提出以來，未得到廣泛應(yīng)用的原因。

目前一種緩解失真的技術(shù)方案為采用“直流+交流”的方式驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置，這種方式雖然能夠獲得部分單頻信號，但其倍頻諧波信號依然存在，并且引入了很高的直流焦耳熱，進而導(dǎo)致熱聲發(fā)聲裝置發(fā)熱嚴重。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了為解決現(xiàn)有基于“直流+交流”模式驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置時產(chǎn)生的倍頻效應(yīng)，并實現(xiàn)實時驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置播放音頻信號的問題，本發(fā)明提供一種利用數(shù)字化實時音頻信號驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置的方法及系統(tǒng)，能夠有效消除熱致發(fā)聲裝置固有的倍頻效應(yīng)，并且能夠?qū)崟r驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置播放音頻信號。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提出的一種利用數(shù)字化實時音頻信號驅(qū)動熱致發(fā)聲裝置的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)對輸入熱致發(fā)聲裝置前的模擬音頻信號進行格式轉(zhuǎn)換和濾波降噪處理，將信號格式轉(zhuǎn)換為后級所需格式并消除模擬音頻信號傳輸過程中引入的噪聲；

2)將經(jīng)過進行格式轉(zhuǎn)換和濾波降噪處理后的模擬音頻信號通過過采樣的方式轉(zhuǎn)換為10～16位高精度的數(shù)字信號流；

3)對獲得的數(shù)字信號流進行數(shù)字濾波，然后通過信號的兩級數(shù)字化調(diào)制得到能夠隨時鐘信號變化的數(shù)字化的音頻信號流；所述兩級數(shù)字化調(diào)制是利用根據(jù)輸入音頻信號的特征隨著時鐘信號變化而變化的數(shù)字化信號來表示音頻信號的特征，在每個時鐘周期內(nèi)，信號保持固定特征，并將采樣得到的信號幅度通過調(diào)制運算并與參考值進行比較，從而輸出0或1的數(shù)字脈沖信號；