對音頻進行超聲波傳播的裝置和方法與流程
2023-06-04 10:36:19
本發明涉及一種對音頻進行超聲波傳播的裝置和方法。
背景技術：
隨著技術的發展，人們在業餘時間的休閒娛樂活動也變得越來越多樣化。如今的電視節目越來越豐富多彩，不僅電視頻道眾多，還有各類點播菜單，可以自由選擇觀看喜歡的電視劇、電影、娛樂節目、脫口秀、真人秀等等。桌上型電腦端和可攜式智能設備端（手機、mp3、mp4、pda、pad等等）的娛樂項目就更加多元，不僅可以看視頻，聽歌，還可以玩遊戲，許多桌遊和手遊產品憑藉精美的畫面、精良的人物和劇情設計，再配上逼真的音效，往往讓用戶痴迷不已。還有許多音樂發燒友，喜歡用音響設備欣賞音樂，使心靈得到陶冶。
在使用電視、電腦、手持設備的時候，大多數情況下都是將電視的音量開啟，將電腦和手持設備的揚聲器打開，讓聲音配合畫面，使用戶更好地接收信息，得到最佳的休閒放鬆體驗。而在用音響欣賞音樂的時候，更是必須開啟揚聲器，否則無法達到聽音樂的目的。
但是在很多情況下，從揚聲器中外放的聲音，會對某些人造成影響，甚至成為他們耳中的噪聲，嚴重的甚至影響健康。比如，在學生宿舍裡，如果某些同學開著電腦的揚聲器打遊戲，那麼就會影響到其他正在看書的同學，使其不能集中精力，還會影響到已經休息的同學，降低其睡眠質量。而音樂發燒友在使用音響設備聽音樂的時候，會不知不覺地提高揚聲器的音量，在某些隔音不好的樓房中，會對鄰居的休息和工作學習造成影響。對於有些有小嬰兒的家庭，如果電視的音量較小，可能老人聽不清，但是如果電視的音量太大，會影響小寶寶的睡眠，甚至對其聽力發育造成影響。
技術實現要素：
本發明提供一種對音頻進行超聲波傳播的裝置和方法，利用超聲波特性，通過將音頻發生設備的音頻信號加載到超聲波信號上進行傳播，需要接收音頻信號的用戶通過對超聲波信號解調後獲取音頻信號，避免了傳播過程中對環境造成噪聲汙染，且不會打擾到其他人，方案簡單，易於實現，實用性強，應用面廣。
為了達到上述目的，本發明提供一種對音頻進行超聲波傳播的裝置，該裝置應用於各類音頻發生設備，該裝置包含：超聲波調製發射模塊和超聲波接收解調模塊，超聲波調製發射模塊與音頻發生設備連接，將音頻信號加載到超聲波信號上，加載有音頻信號的超聲波信號通過介質傳播，超聲波接收解調模塊收到超聲波調製發射模塊發出的超聲波信號後，解調出音頻信號，並進行播放；
所述的超聲波調製發射模塊包含：
音頻數據接口，其輸入端電性連接音頻發生設備，用於提取音頻發生設備產生的音頻信號；
載波發生器，其用於產生高頻振蕩信號；
調製器，其輸入端分別電性連接音頻數據接口的輸出端和載波發生器的輸出端，用於將音頻信號調製到高頻振蕩信號中；
發射信號處理電路，其輸入端電性連接調製器的輸出端，用於對調製器輸出的信號進行處理，防止信號失真；
超聲波發生器，其電性連接發射信號處理電路，用於在高頻振蕩信號的驅動下產生包含音頻信息的超聲波信號，並將該超聲波信號發送出去；
所述的超聲波接收解調模塊包含：
超聲波接收器，其設置在指定區域，用於接收超聲波發生器發出的超聲波信號；
解調器，其輸入端電性連接超聲波接收器的輸出端，用於從超聲波信號中解調出音頻信號；
接收信號處理電路，其輸入端電性連接解調器的輸入端，用於對音頻信號進行處理，防止信號失真；
音頻輸出模塊，其電性連接接收信號處理電路的輸出端，用於播放音頻。
所述的調製器採用幅度調製器，解調器採用幅度解調器，採用幅度調製am方法對載波信號進行調製和解調。
所述的調製器採用頻率調製器，解調器採用頻率解調器，採用頻率調製fm方法對載波信號進行調製和解調。
所述的調製器採用相位調製器，解調器採用相位解調器，採用相位調製pm方法對載波信號進行調製和解調。
所述的調製器採用脈寬調製器，解調器採用脈寬解調器，採用脈寬調製pwm方法對載波信號進行調製和解調。
所述的調製器採用數字頻率調製器，解調器採用數字頻率解調器，採用數字頻率調製fsk方法對載波信號進行調製和解調。
所述的發射信號處理電路包含：
均衡器，其輸入端電性連接調製器的輸出端，用於補償信號的非線性響應，防止信號失真；
濾波器，其輸入端電性連接均衡器的輸出端，用於過濾幹擾；
放大器，其輸入端電性連接濾波器的輸出端，用於對信號進行功率放大。
所述的接收信號處理電路包含：
均衡器，其輸入端電性連接解調器的輸出端，用於補償信號的非線性響應，防止信號失真；
濾波器，其輸入端電性連接均衡器的輸出端，用於過濾幹擾；
放大器，其輸入端電性連接濾波器的輸出端，用於對信號進行功率放大。
所述的音頻輸出模塊採用揚聲器，或耳機。
本發明還提供一種對音頻進行超聲波傳播的方法，包含以下步驟：
步驟s1、調製器將音頻數據接口提取的音頻信號調製到載波發生器產生的高頻振蕩信號中；
步驟s2、發射信號處理電路對調製器輸出的信號進行處理；
步驟s3、超聲波發生器在高頻振蕩信號的驅動下產生包含了音頻信息的超聲波信號，並將該超聲波信號發送出去；
步驟s4、設置在指定區域的超聲波接收器接收超聲波發生器發出的超聲波信號；
步驟s5、解調器從超聲波信號中解調出音頻信號；
步驟s6、接收信號處理電路對音頻信號進行處理；
步驟s7、音頻輸出模塊播放音頻。
所述的調製器採用幅度調製am方法對載波信號進行調製，或者採用頻率調製fm方法對載波信號進行調製，或者採用相位調製pm方法對載波信號進行調製，或者採用脈寬調製pwm方法對載波信號進行調製，或者採用數字頻率調製fsk方法對載波信號進行調製，相應地，解調器202對應採用幅度解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用頻率解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用相位解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用脈寬解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用數字頻率解調方法對超聲波信號進行解調。
所述的發射信號處理電路對調製器產生的高頻振蕩信號進行均衡、濾波和放大後，驅動超聲波發生器產生超聲波信號。
所述的接收信號處理電路對解調器解調出的音頻信號進行均衡、濾波和放大後，通過音頻輸出模塊播放。
本發明利用超聲波特性，通過將音頻發生設備的音頻信號加載到超聲波信號上進行傳播，需要接收音頻信號的用戶通過對超聲波信號解調後獲取音頻信號，避免了傳播過程中對環境造成噪聲汙染，且不會打擾到其他人，方案簡單，易於實現，實用性強，應用面廣。
附圖說明
圖1是本發明提供的一種對音頻進行超聲波傳播的裝置的結構框圖。
圖2是本發明提供的一種對音頻進行超聲波傳播的裝置的具體電路框圖。
圖3是發射信號處理電路的電路框圖。
圖4是接收信號處理電路的電路框圖。
圖5是本發明提供的一種對音頻進行超聲波傳播的方法的流程圖。
具體實施方式
以下根據圖1～圖5，具體說明本發明的較佳實施例。
聲波是物體機械振動狀態（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經敲擊後，它就上下振動，這種振動狀態通過空氣媒質向四面八方傳播，這便是聲波。
聲波經過信道（主要是空氣）傳播，到達人耳並使耳膜振動，使人可以聽到聲音。人能聽到的聲音大約有40多萬種，由此可見人耳對聲音的敏感度很高，但是人耳能聽到的聲音終歸有限，並不能聽到所有的聲音，人耳所能聽到的聲音會有頻率限制。
每種不同的聲音其頻率各不相同，聲音的頻率是通過赫茲來計算，而聲音的大小是通過分貝來表示。在我們生活的環境中有各種各樣的聲音，這些聲音的頻率範圍很大，從20~20000赫茲，強度通常在0~120分貝之間。假如聲音達到140分貝，此時人會出現不適感，感到鼓膜刺痛。一般情況下，人對1000~8000赫茲頻率的聲音比較敏感，人平時講話聲的頻率為500~2000赫茲。所以有時人們講話會出現聽不清的情況，因為低於1000赫茲，已經超過了人聽力敏感的頻率範圍。由於聲音本身所具有的特性，有時人們對於比較小的聲音之間相差的3~4分貝的聲音並不能夠分辨的很清楚，而對於比較大的聲音，即便是相差0.3分貝也會感覺到明顯的變化。
以健康的年輕人為例，人耳能聽到的聲音的頻率：20～20000赫茲。隨著年齡增長，聽到的頻率範圍越來越窄。28歲時：22～17000赫茲；40歲時：25～14000赫茲；60歲時：35～11000赫茲。
超聲波是指振動頻率大於20000hz以上的聲波，其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000hz），人在自然環境下無法聽到和感受到，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。
超聲波的集中性和穿透性很好，超聲波具有如下特性：
1、超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。
2、超聲波可傳遞很強的能量。
3、超聲波會產生反射、幹涉、疊加和共振現象。
4、超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生強烈的衝擊和空化現象。
本發明就是利用了超聲波的一個最基本也是最大的特點，那就是人耳無法聽到，如果用超聲波來代替人耳可聽到的聲波，將電視、電腦、手機等設備發出的音頻信號通過超聲波來傳播，那麼在傳播過程中，就不會對其他人造成幹擾，因為其他人聽不到，就不會被打擾，而當超聲波傳播到需要接收音頻信號的用戶所在的區域時，需要接收音頻信息的用戶從接收到的超聲波中提取音頻信號即可。
如圖1和圖2所示，本發明提供一種對音頻進行超聲波傳播的裝置，該裝置可以應用於各類音頻發生設備，例如：電視機、桌上型電腦、智慧型手機、平板電腦、音箱設備等等。
該裝置包含：超聲波調製發射模塊1和超聲波接收解調模塊2，超聲波調製發射模塊1與音頻發生設備連接，將音頻信號加載到超聲波信號上，加載有音頻信號的超聲波信號通過介質傳播，超聲波接收解調模塊2收到超聲波調製發射模塊1發出的超聲波信號後，解調出音頻信號，並進行播放。
較佳地，超聲波調製發射模塊1可以通過耳機插孔或者usb接口等外設接口與音頻發生設備連接，而超聲波接收解調設備2可以設計成便攜形式，方便用戶攜帶。
進一步地，所述的超聲波調製發射模塊1包含：
音頻數據接口101，其輸入端電性連接音頻發生設備，用於提取音頻發生設備產生的音頻信號；
載波發生器102，其用於產生高頻振蕩信號；
調製器103，其輸入端分別電性連接音頻數據接口101的輸出端和載波發生器102的輸出端，用於將音頻信號調製到高頻振蕩信號中；
發射信號處理電路104，其輸入端電性連接調製器103的輸出端，用於對調製器103輸出的信號進行處理，防止信號失真；
超聲波發生器105，其電性連接發射信號處理電路104，用於在高頻振蕩信號的驅動下產生包含音頻信息的超聲波信號，並將該超聲波信號發送出去。
所述的超聲波接收解調模塊2包含：
超聲波接收器201，其設置在指定區域，用於接收超聲波發生器105發出的超聲波信號；
解調器202，其輸入端電性連接超聲波接收器201的輸出端，用於從超聲波信號中解調出音頻信號；
接收信號處理電路203，其輸入端電性連接解調器202的輸入端，用於對音頻信號進行處理，防止信號失真；
音頻輸出模塊204，其電性連接接收信號處理電路203的輸出端，用於播放音頻。
調製的種類很多，分類方法也不一致。按調製信號的形式可分為模擬調製和數字調製：用模擬信號調製稱為模擬調製，用數據或數位訊號調製稱為數字調製。按被調信號的種類可分為脈衝調製、正弦波調製和強度調製（如對非相干光調製）等。調製的載波分別是脈衝，正弦波和光波等。正弦波調製有幅度調製、頻率調製和相位調製三種基本方式，後兩者合稱為角度調製。此外還有一些變異的調製，如單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。脈衝調製也可以按類似的方法分類。此外還有複合調製和多重調製等。不同的調製方式有不同的特點和性能。
在本發明的一個實施例中，所述的調製器103和解調器202可以採用幅度調製器和幅度解調器，採用幅度調製am方法對載波信號進行調製。
幅度調製am是使載波的振幅按照所需傳送信號的變化規律而變化，但頻率保持不變的調製方法。調幅在有線電或無線電通信和廣播中應用甚廣。載波信號的振幅隨著調製信號的某種特徵的變換而變化。例如，0或1分別對應於無載波或有載波輸出，電視的圖像信號使用調幅。調頻的抗幹擾能力強，失真小，但服務半徑小。幅度調製可分為普通調幅（am），雙邊帶調幅（dsb-am），單邊帶調幅（ssb-am）與殘留邊帶調幅（vsb-am）幾種不同方式。普通調幅信號的產生可將調製信號與直流相加，再與載波信號相乘，即可實現普通調幅。可採用低電平調幅方法和高電平調幅方法。採用包絡檢波或同步檢波方法實現解調。
在本發明的另一個實施例中，所述的調製器103和解調器202可以採用頻率調製器和頻率解調器，採用頻率調製fm方法對載波信號進行調製。
頻率調製fm是通過調製信號線性地控制高頻載波的頻率。在頻率調製中，是利用調製信號將載波的頻率調高、降低或保持不變，在頻率調製信號中，載波頻率隨著調製信號增加或減少，其偏離載波頻率的頻率偏移量，與調製信號的振幅油管，頻率偏移的改變速率則與調製信號的頻率有關。採用直接調頻法或間接調頻法進行頻率調製，通常使用壓控振蕩器vco來進行調製，頻率解調方法包含斜率檢測、相移檢測，比率檢測，正交檢測，鎖相迴路解調等。
在本發明的另一個實施例中，所述的調製器103和解調器202可以採用相位調製器和相位解調器，採用相位調製pm方法對載波信號進行調製。
相位調製pm是通過調製信號線性地控制高頻載波的相位，載波的相位對其參考相位的偏離值隨調製信號的瞬時值成比例變化。調相和調頻有密切的關係。調相時，同時有調頻伴隨發生；調頻時，也同時有調相伴隨發生，不過兩者的變化規律不同。頻率調製和相位調製的抗幹擾能力強、失真小，但所佔的頻帶寬度要比幅度調製信號寬。
在本發明的另一個實施例中，所述的調製器103和解調器202可以採用脈寬調製器和脈寬解調器，採用脈寬調製pwm方法對載波信號進行調製。
脈寬調製技術是通過對逆變電路開關的通斷控制來實現對模擬電路的控制。脈寬調製技術的輸出波形是一系列大小相等的脈衝，用於替代所需要的波形，以正弦波為例，也就是使這一系列脈衝的等值電壓為正弦波，並且輸出脈衝儘量平滑且具有較少的低次諧波。根據不同的需求，可以對各脈衝的寬度進行相應的調整，以改變輸出電壓或輸出頻率等值，進而達到對模擬電路的控制。具有操作簡單、靈活性好、反應速度快等諸多特點，現已在通信、測量、功率變換、功率控制等多個方面都得到了廣泛的應用。
在本發明的另一個實施例中，所述的調製器103和解調器202可以採用數字頻率調製器和數字頻率解調器，採用數字頻率調製fsk方法對載波信號進行調製。
頻移鍵控fsk是利用載波的頻率變化來傳遞數字信息。fsk（frequency-shiftkeying）是信息傳輸中使用得較早的一種調製方式，它的主要優點是實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。最常見的是用兩個頻率承載二進位1和0的雙頻fsk系統。技術上的fsk有兩個分類，非相干和相干的fsk。在非相干的fsk，瞬時頻率之間的轉移是兩個分立的價值觀命名為馬克和空間頻率。在另一方面，在相干頻移鍵控或二進位的fsk，是沒有間斷期在輸出信號。在數位化時代，電腦通信在數據線路（電話線、網絡電纜、光纖或者無線媒介）上進行傳輸，就是用fsk調製信號進行的，即把二進位數據轉換成fsk信號傳輸，反過來又將接收到的fsk信號解調成二進位數據，並將其轉換為用高，低電平所表示的二進位語言，這是計算機能夠直接識別的語言。在二進位頻移鍵控中，幅度恆定不變的載波信號的頻率隨著輸入碼流的變化而切換（稱為高音和低音，代表二進位的1和0）。產生fsk信號最簡單的方法是根據輸入的數據比特是0還是1，在兩個獨立的振蕩器中切換。採用這種方法產生的波形在切換的時刻相位是不連續的，因此這種fsk信號稱為不連續fsk信號。由於相位的不連續會造頻譜擴展，這種fsk的調製方式在傳統的通信設備中採用較多。隨著數字處理技術的不斷發展，越來越多地採用連繼相位fsk調製技術。目前較常用產生fsk信號的方法是，首先產生fsk基帶信號，利用基帶信號對單一載波振蕩器進行頻率調製。相位連續的fsk信號的功率譜密度函數最終按照頻率偏移的負四次冪衰落。如果相位不連續，功率譜密度函數按照頻率偏移的負二次冪衰落。對於fsk信號的解調方式很多：相干解調、濾波非相干解調、正交相乘非相干解調。而fsk的非相干解調一般採用濾波非相干解調。在高斯白噪聲信道環境下fsk濾波非相干解調性能較相干fsk的性能要差，但在無線衰落環境下，fsk濾波非相干解調卻表現出較好的穩健性。fsk的數位化實現方法一般採用正交相乘方法加以實現。
在本發明的一個實施例中，所述的發射信號處理電路104和接收信號處理電路203的電路結構相同。
如圖3所示，所述的發射信號處理電路104包含：
均衡器1041，其輸入端電性連接調製器103的輸出端，用於補償信號的非線性響應，防止信號失真；
濾波器1042，其輸入端電性連接均衡器1041的輸出端，用於過濾幹擾；
放大器1043，其輸入端電性連接濾波器1042的輸出端，用於對信號進行功率放大。
如圖4所示，所述的接收信號處理電路203包含：
均衡器2031，其輸入端電性連接解調器202的輸出端，用於補償信號的非線性響應，防止信號失真；
濾波器2032，其輸入端電性連接均衡器2031的輸出端，用於過濾幹擾；
放大器2033，其輸入端電性連接濾波器2032的輸出端，用於對信號進行功率放大。
在本發明的另一個實施例中，如果超聲波調製發射模塊1和超聲波接收解調模塊之間的距離比較近，仍然處於同一個空間之內，比如都在同一個宿舍的範圍之內，而宿舍內還有其他同學正在學習和休息，則所述的音頻輸出模塊204可以採用耳機，以免打擾到其他人。而在另一個實施例中，由於超聲波的穿透性很強，可以穿過固體，因此也可以將超聲波接收解調模塊2設置在與超聲波調製發射模塊1處於不同的空間，例如超聲波調製發射模塊1連接在位於客廳的音響設備上，而超聲波接收解調模塊2完全可以設置在臥室中，將臥室門關上後，此時，所述的音頻輸出模塊204可以採用揚聲器，這樣既可避免打擾到別人，又得到了更好的音效。
如圖5所示，本發明還提供一種對音頻進行超聲波傳播的方法，具體包含以下步驟：
步驟s1、調製器103將音頻數據接口101提取的音頻信號調製到載波發生器102產生的高頻振蕩信號中；
步驟s2、發射信號處理電路104對調製器103輸出的信號進行處理，防止信號失真；
步驟s3、超聲波發生器105在高頻振蕩信號的驅動下產生包含了音頻信息的超聲波信號，並將該超聲波信號發送出去；
步驟s4、設置在指定區域的超聲波接收器201接收超聲波發生器105發出的超聲波信號；
步驟s5、解調器202從超聲波信號中解調出音頻信號；
步驟s6、接收信號處理電路203對音頻信號進行處理，防止信號失真；
步驟s7、音頻輸出模塊204播放音頻。
其中，所述的調製器103可以採用幅度調製am方法對載波信號進行調製，或者採用頻率調製fm方法對載波信號進行調製，或者採用相位調製pm方法對載波信號進行調製，或者採用脈寬調製pwm方法對載波信號進行調製，或者採用數字頻率調製fsk方法對載波信號進行調製，相應地，解調器202也對應採用幅度解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用頻率解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用相位解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用脈寬解調方法對超聲波信號進行解調，或者採用數字頻率解調方法對超聲波信號進行解調。
所述的發射信號處理電路104對調製器103產生的高頻振蕩信號進行均衡、濾波和放大後，驅動超聲波發生器105產生超聲波信號。
所述的接收信號處理電路203對解調器202解調出的音頻信號進行均衡、濾波和放大後，通過音頻輸出模塊204播放。
本發明利用超聲波特性，通過將音頻發生設備的音頻信號加載到超聲波信號上進行傳播，需要接收音頻信號的用戶通過對超聲波信號解調後獲取音頻信號，避免了傳播過程中對環境造成噪聲汙染，且不會打擾到其他人，方案簡單，易於實現，實用性強，應用面廣。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。