聲頻定向揚聲系統(tǒng)的研究與設計

葉先萬 許明萱 吳松和 何仲濤 蘭潤琦

摘 要：隨著人們生活水平的提高，可發(fā)聲電子設備的種類以及數量越來越多，傳統(tǒng)揚聲器發(fā)出的聲音是全方位發(fā)散且不可控制方向的，給居民生活環(huán)境帶來了許多噪聲污染?；诖?，采用FPGA與ARM的異構，結合聲頻定向理論以及超聲相控理論設計出比較穩(wěn)定的、可單向傳輸聲波的聲頻定向系統(tǒng)，旨在從根源上除去噪聲干擾，從而緩解噪聲污染泛濫的現狀，具有良好的應用前景。

關鍵詞：噪聲污染；聲頻定向；FPGA與ARM異構

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.24.088

1 設計原理與總體結構

1.1 設計原理

由Helmholtz提出的非線性聲學理論可知，當兩個不同頻率（f1、f2）的超聲波在空氣中按照相同方向傳播時，在空氣的非線性解調作用下會產生頻率分別為f1、f2、f1+f2、f1-f2四種主要頻率波段，若超聲波頻率選取合適，得到的差波信號頻率能夠落在可聽聲域，能夠被人耳分辨。由于超聲波傳播具有高指向性，使得差波信號可聽聲可以按照某個特定方向進行傳播進而實現了定向發(fā)聲。這便是聲頻定向的基本原理。

1.2 設計結構

設計采用超聲波作為載波，通過op07集成運算放大模塊，以單頻聲信號調制超聲波，將可聽聲音信號調制到超聲載波信號之上，并通過FPGA超聲相控算法控制各陣元的延遲時間，使得各陣元延遲時間成等差數，即各個陣元的觸發(fā)脈沖時序是一個等差數列，使發(fā)出的超聲波束的合成波陣面具有一個指向角，從而實現波束方向的控制，之后并經換能器發(fā)射調幅波，在FPGA中利用數字信號調制算法處理，選取合適的超聲波，將可聽聲調制到超聲波信號上，在空氣非線性解調作用下還原出可聽聲實現聲音的定向傳播?？傮w設計結構框圖如圖1所示。

2 整體設計過程

（1）生成DDS模塊：將能夠產生可聽音頻信號的電子設備通過精密的音頻傳輸線或者通過藍牙模塊連接到前端的op07集成運算放大電路對可聽聲進行十二倍的放大，隨后將放大后的音頻信號接入到12位精密AD（采樣時鐘為1MHz）模擬信號采集模塊，使音頻模擬信號轉化成數字信號。接著音頻數字信號就被送入到FPGA，利用FPGA硬件的可編程特性，將預先采用matlab生成的數字正弦表固化到ROM中，并且產生合適的時鐘讀取此數字正弦表，組成DDS模塊，該DDS模塊可生成頻率為45KHz的超聲波正弦波載波。

（2）得到低頻調制信號：將上述提及到的精密AD采集后的音頻數字信與DDS模塊產生的45Khz超聲波正弦波信號送入到FPGA中的調制模塊，進行調制算法處理。該調制算法處理是按照一定的時序邏輯運算進行運算的，可以實現對低頻可聽數字信號和45KHz超聲載波信號進行調制，最終得到可聽低頻調制信號。

（3）將調制信號轉換成模擬信號：將調制信號接入到12位精密DA模塊，使可聽低頻調制數字信號變?yōu)槟M信號。在這里，設計成 8x8外部按鍵模塊通過ARM與FPGA的HPS橋總線通訊控制FPGA的等差數列模塊中的公差X，FPGA中的等差數列模塊控制FPGA中的pwm輸出模塊，FPGA中的pwm輸出模塊連接到外部的RC電路，外部的RC電路連接到外部延遲模塊，構成相位控制系統(tǒng)，該原理為使用者通過按鍵控制公差，從而改變等差模塊里的每一項數值，第一項為1，及以后的每一項的數值為（1+（n-1）X），該等差數列模塊中的每一項對應著pwm輸出項中的每一項，代表著pwm輸出每一項的占空比為1+（n-1）x2+95x （1≤n≤96）

（4）將聲音信號轉換成電信號：將pwm模塊中的每一項接入RC電路，將pwm模塊輸出的電平信號轉化為電壓值，接入到延時電路中，延時電路根據輸入的電壓信號的差異對接入的每一路信號進行等差延時。

與此同時將精密DA轉換來的模擬可聽信號串聯(lián)接入到延時電路模塊，使每一路信號形成相位等差，再接入到后端分離對稱互補推挽功率放大電路進行放大。

（5）將電信號轉換為聲波輸出：將上述經放大后的電信號依次接入長方形超聲波換能器陣列，使得各陣元延遲時間成等差數，從而實現了超聲相控定向傳輸特性。在整個過程，FPGA將運算得到的數據實時通過HPS橋總線通訊送到STM32端，STM32對數據進行存儲及管理，并且通過時序約定實現控制FPGA工作狀態(tài)，并且將數據輸送到LTM屏幕上，讓使用者看到裝置運行狀態(tài)。

3 設計的創(chuàng)新點與意義

（1）在數字信號進行處理以及存儲調用采用了FPGA與ARM異構，實現使用不同類型指令集和體系架構的計算單元，提高了數字信號處理的速度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整體程序設計變得簡潔。

（2）在聲頻定向方向調節(jié)上，增加了FPGA相控算法，控制各陣元的延遲時間，使得各陣元延遲時間成等差數，即各個陣元的觸發(fā)脈沖時序是一個等差數列，使發(fā)出的超聲波束的合成波陣面具有一個指向角，從而實現波束方向的控制，使得不用移動設備只需通過按鍵調節(jié)就可實現精確定位，比現有的設備移動位置來實現方向的改變簡便以及精確很多。

（3）在可生成可聽音頻信號電子設備與設計部分的連接方式上做了改進，加入了藍牙模塊，相對于現有產品只有一種音頻數據線的連接方式，更加方便、精確。

（4）在前端功率放大電路方面，現流行使用的是D類數字功率放大電路，但其結構較復雜，穩(wěn)定性不好，文章自主獨立設計的模擬式功率放大電路，采用op07集成運算放大電路，使前端信號的放大模塊更簡單，更穩(wěn)定，設計起來方便

（5）在后端信號功率放大時，現有裝置大部分采用單差分OCL功率放大電路，隨著性能的提升電路會變得越復雜，設計難度也會越大，會影響整體的穩(wěn)定性。文章設計時使用分離互補對稱推挽功率放大電路，剛好可以克服這一難題使性能穩(wěn)定，設計簡便。

4 結語

文章設計在市場現有的聲頻定向揚聲器的基礎上加以改造，在核心處理、電路設計、模塊連接上都采用了更加靈活且更加高效的設計思想，最后旨在設計出一款更加穩(wěn)定、精確、可推廣的聲頻定向裝置，能夠切實地幫助人們減緩生活中的噪聲污染，使人們的生活更加健康、智能！

參考文獻

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