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DSP在新型声频定向系统中的应用

电声技术 2007年第3期31卷 27-30页

作者：刘姗梅姚维徐利梅浙江大学电气工程学院浙江杭州310027 电子科技大学机械电子工程学院四川成都610054

针对目前声频定向技术中出现的声音扭曲等问题,提出一种基于DSP的解决方案,并设计出了相应的硬件系统。将实际系统输出与仿真相比较,结果证明系统能实时快速地处理前期信号,从而更好地解决声音扭曲等问题,为声频定向系统的进一步商业化... 详细信息

针对目前声频定向技术中出现的声音扭曲等问题,提出一种基于DSP的解决方案,并设计出了相应的硬件系统。将实际系统输出与仿真相比较,结果证明系统能实时快速地处理前期信号,从而更好地解决声音扭曲等问题,为声频定向系统的进一步商业化打好了基础。

关键词：声频定向音频信号处理数字信号处理

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基于FPGA的声频定向扬声器系统的设计

计算机测量与控制 2018年第2期26卷 154-157页

作者：朱荣钊刘晶刘文超周艳玲曾张帆湖北大学计算机与信息工程学院武汉430062 武汉晴川学院计算机学院武汉430204

传统扬声器系统在给人们生活带来便利的同时,也产生了很多噪声污染,比如广场舞音响,超市促销宣传喇叭;为了缓解噪声污染,构造独立的语音空间,提升大众生活质量,实现了基于FPGA的声频定向扬声器的设计;通过自主开发信号处理单元,设计功... 详细信息

传统扬声器系统在给人们生活带来便利的同时,也产生了很多噪声污染,比如广场舞音响,超市促销宣传喇叭;为了缓解噪声污染,构造独立的语音空间,提升大众生活质量,实现了基于FPGA的声频定向扬声器的设计;通过自主开发信号处理单元,设计功率放大电路,探究超声波换能器数目与指向性的影响,最终在FPGA上实现了信号的调制,不仅完成了可听声的定向传播,而且使系统具有更好的频率响应特性,从而构造出独立的语音空间,从根源上缓解噪声污染;除此之外,该系统在一定环境下进行了指向性测试,测试结果表明设计出的系统具有较强指向性,可以广泛用于国际会议、银行保密性通话、博物馆展厅等场合,无论军用还是民用,声频定向扬声器系统都具有极大的应用潜力。

关键词：声频定向换能器阵列 FPGA

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透明式定向发声换能器的研究与设计

透明式定向发声换能器的研究与设计

作者：杨雨珂电子科技大学

学位级别：硕士

透明式定向发声换能器作为一种新型超声换能器,有着音质好、高指向性和应用前景广等特点,尤其在电子应用领域,透明式定向发声换能器可以和屏幕相结合,将已调至的超声波信号发射至介质中,超声波在介质中传播时的非线性效应使得超声波信... 详细信息

透明式定向发声换能器作为一种新型超声换能器,有着音质好、高指向性和应用前景广等特点,尤其在电子应用领域,透明式定向发声换能器可以和屏幕相结合,将已调至的超声波信号发射至介质中,超声波在介质中传播时的非线性效应使得超声波信号自解调产生出可听声信号,能传播到很远的距离并且具有良好的指向性,相比于传统的声频定向换能器具有更大的优势。但基于透明式定向发声换能器的研究目前正处于起步阶段,相关的可实用的透明式功能材料稀少,并且,透明式换能器的加工工艺尚不成熟,透明式定向发声换能器仍存在技术实现困难的问题,为此,本文在现有的透明材料和加工工艺的基础上,设计一种新型的透明式定向发声换能器结构,并通过仿真和实验,开展基于声频定向应用领域透明式换能器的研究。本课题的具体研究工作主要包括:根据声频定向基本理论,研究透明式定向发声换能器的发声原理、固有频率对远近场临界距离的影响、超声载波频率对声场分布的影响。然后,通过总结归纳已产品化的换能器结构,提出本课题的透明式定向发声换能器技术要求,设计了一种基于逆压电效应的有效的透明式定向发声换能器结构——压电双夹片式的圆形多层悬膜透明式换能器结构,利用有限元仿真软件ANSYS和多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对所设计的换能器的不同尺寸、各层的不同厚度和弹性层的不同材料进行振动分析和声场的仿真分析,通过仿真得到一阶谐振频率和声压级的大小随着阵元半径的增大而降低、随着弹性层或绝缘层厚度增大而增大等影响,选择仿真结果符合设计研究目标的换能器进行样品的加工制作。最后,搭建实验测试平台,进行测试后得到换能器的频响曲线、指向性等结果。仿真与实验结果表明,所设计透明式定向发声换能器具有良好的指向性,主瓣波束的指向角在±30°之间;实验测试得到的一阶谐振频率和声压级的大小与通过理论计算和仿真得到的结果在误差范围内保持一致,换能器的工作频率在超声范围内(30kHz0kHz),声压级能达到70dB以上,验证了所设计的透明式定向发声换能器具有一定的可行性。

关键词：声频定向逆压电效应圆形多层悬膜透明式换能器多物理场仿真

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屏幕定向扬声器信号处理方法研究与实现

屏幕定向扬声器信号处理方法研究与实现

作者：钟长青电子科技大学

学位级别：硕士

基于参量阵原理的屏幕定向扬声器是一种能够同时呈现画面和产生高度指向性可听声的新型屏幕扬声器,它利用超声波在介质中自解调产生定向可听声。由于介质的自解调过程是非线性的,受温度、湿度、信号处理算法和屏幕定向扬声器本身特性等... 详细信息

基于参量阵原理的屏幕定向扬声器是一种能够同时呈现画面和产生高度指向性可听声的新型屏幕扬声器,它利用超声波在介质中自解调产生定向可听声。由于介质的自解调过程是非线性的,受温度、湿度、信号处理算法和屏幕定向扬声器本身特性等多种因素的影响,导致屏幕定向扬声器解调出的可听声存在失真,对设备的音质有较大影响,因此本论文主要围绕屏幕定向扬声器的谐波失真进行研究,为便携式设备的屏幕定向扬声器实现高保真音质提供一种可行的方案。根据非线性声学理论,本文首先阐明了参量阵屏幕定向扬声器的基本工作原理,从理论上推导了矩形换能器的指向性表达式,归纳出了阵列的指向性方程,明确了屏幕定向扬声器谐波失真的原因,指出了现有声学模型的不足之处。针对介质的非线性效应引起的屏幕定向扬声器谐波失真问题,本文通过系统辨识的方法来建立参量阵屏幕定向扬声器的数学模型,在该模型和双边带调制算法的基础之上,提出了一种基于非线性声学和自适应滤波基本理论的预失真补偿算法。从理论上探讨了本文提出的改进算法中的参数和参数对算法性能的影响,使用MATLAB验证了本文提出的算法相对于传统LMS算法、NLMS算法和SVSLMS算法具有更快的收敛速度和更好的稳定性。根据以上理论研究结果,本文以参量阵屏幕定向扬声器作为发声器件,选择对应的芯片设计了基于FPGA的屏幕定向扬声器硬件平台,搭建了屏幕定向扬声器的测试系统,对屏幕定向扬声器做了超声频率响应测试、可听声频率响应测试、指向性测试、声场形态测试以及失真测试。超声频率响应测试、可听声频率响应测试、指向性测试和声场测试的结果表明各项指标均符合使用标准,失真测试结果表明,本文算法相对于无预失真补偿的调制算法,各高阶谐波均有下降,总谐波失真降低了7.49%,测试结果验证了本文提出的补偿算法的有效性。结合本文的理论研究与实验测试结果,可以得出本文提出的补偿算法能够抑制屏幕定向扬声器谐波失真的结论,从而改善便携式设备的屏幕定向扬声器可听声音质。

关键词：声频定向屏幕发声声学参量阵谐波失真

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玻璃基压电薄膜超声换能器关键技术研究

玻璃基压电薄膜超声换能器关键技术研究

作者：李钰新电子科技大学

学位级别：硕士

多媒体设备正朝着轻薄化、全面屏方向发展,全新的屏幕结构设计大大缩小传统音箱的空间,让声音反射和缓冲次数减少,进而导致音质变差。本课题提出的定向屏幕扬声器方案,是将屏幕声场技术与声频定向原理相结合,利用压电薄膜超声换能器实... 详细信息

多媒体设备正朝着轻薄化、全面屏方向发展,全新的屏幕结构设计大大缩小传统音箱的空间,让声音反射和缓冲次数减少,进而导致音质变差。本课题提出的定向屏幕扬声器方案,是将屏幕声场技术与声频定向原理相结合,利用压电薄膜超声换能器实现屏幕兼具显示器与扬声器的双重功能,为便携式电子设备的沉浸式“音画一体”功能和家用多媒体设备的分区应用实现提供可行方案。首先,本文基于压电薄膜超声换能器基本原理,根据声频定向基本理论和具体应用场景,通过对比传统压电换能器结构,提出了适用于本课题应用需求的多层圆形压电薄膜结构为阵元结构并对其进行声学特性的理论分析。然后,以全透明为首要标准,为各功能层选择对应材料。以电击穿为重点考察指标,确定压电层材料为聚偏氟乙稀(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)。以高电-声转换效率为牵引,确定上下电极材料分别为氧化铟锡(Indium Tin Oxides,ITO)和钼(Mo)。其余的辅助性材料层以匹配压电层和电极层需求为主,结合现有成熟工艺进行选择。再采用选定材料参数确定单阵元的几何结构参数,包括:各材料层厚度、阵元半径。从声压级和指向性等声学性能以及实际的应用需求进行考虑,确定了换能器阵列排布的几何参数,包括:阵元间距、排列方式。就所确定模型采用多物理场仿真软件对其主要特性进行仿真分析,内容包括:频响、指向性和声场等。换能器的工作频率由频响曲线确认为40kHz,声压级最大可达107dB。指向性和声场仿真均在工作频率下进行,指向性角在±30°范围内,声场具有明显主瓣,并伴有幅值远小于主瓣的旁瓣。三项换能器关键指标均符合需求,完成方案的可行性验证。最后试制样品并进行测试,测试项目相较于仿真增加了一致性与可听声测试。频响、指向性的测试结果符合设计指标。可听声解调测试中,单频信号解调声压级均在60dB以上,但音频信号无法解调,通过声场测试与仿真对比,主要原因可能是由主瓣范围较窄。玻璃基压电薄膜超声换能器进一步优化后,作为屏幕扬声器、“音画一体”解决方案具有可行性和独特优势。

关键词：屏幕扬声器声频定向多层圆形压电薄膜结构透明式换能器多物理场仿真

基于小波分析的声频系统声反馈探测与抑制技术研究

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基于小波分析的声频系统声反馈探测与抑制技术研究

作者：黄子腾电子科技大学

学位级别：硕士

啸叫在扩音现场很常见，特别是当麦克风的灵敏度较高、系统的扩音增益较大时，这种现象更加明显。啸叫的危害非常大，表现为以下三点：第一，中断演讲，令听者和说者均不舒服;第二，影响功放系统性能的发挥，调音师为避免啸叫而不敢将... 详细信息

啸叫在扩音现场很常见，特别是当麦克风的灵敏度较高、系统的扩音增益较大时，这种现象更加明显。啸叫的危害非常大，表现为以下三点：第一，中断演讲，令听者和说者均不舒服;第二，影响功放系统性能的发挥，调音师为避免啸叫而不敢将音量调至最大;第三，损坏音响设备，啸叫的瞬间功率远超出扩音系统可承受的范围，将会对设备和人耳造成不可逆转的损伤。正是由于啸叫如此普遍，危害如此严重性，音频工作者在这方面投入很多精力，深入研究，并取得许多成果。传统的方法是对声场建立数学模型进行研究，但是声场并不是不变的，声场中的物体包括人的运动都会造成原有声场模型的变化，所以这种方法工程应用价值不高。随着电子技术的发展，科学家们试图以改变声音本身的特性来抑制啸叫，工程实践表明这种思路容易实现，成本相对较低，因而衍生出很多抑制啸叫的方法，比较典型的有：移频法、使用陷波器法、自动均衡法等。这些方法在一定程度上抑制啸叫，它们各有优缺点，应用的场合也不尽相同。比如移频法适合用在对音质要求不高的场合，而后两者成本较高，对调音师的技术要求也较高。综合上述分析，本研究的最终目标是研究出一种通用的、声音表达失真度小、系统响应迅速，同时能控制成本保证大规模推广的啸叫抑制方案。基于小波在机械故障诊断和数字音频压缩方面的成功应用经验，作者将小波分析算法应用于啸叫信号的探测，结合心理声学掩蔽作用消除啸叫，声音的失真度小，易于实现。该算法的核心思想是使用小波包对采样到的音频信号进行子带分割，并对分割得到的子带进行局部能量估算，以子带能量占帧能量的百分比设定阈值并作为啸叫判定条件，并以反相消除法将啸叫抑制。实验和仿真结果证明这种算法可行，并在抑制啸叫方面有优异的表现。

关键词：啸叫小波包变换子带能量声频定向心理声学