摘要：聲頻定向揚聲器應用領域廣闊，通過研究超聲波定向聲頻的發射原理，設計并制作了超聲波微型定向揚聲器，經過對樣機的實際測試，聲音指向性明顯，具備實際應用價值。
關鍵詞：定向揚聲器;超聲波;聲頻定向
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聲波定向揚聲器具有非常廣闊的應用前景，既可用于商業領域，利用其定向輻射特性，在大型綜合商場、博物館等展廳、機場候機廳、廣告牌和廣場舞等惡劣聲學環境中，達到提高語言清晰度和減少聲污染等功能。也可用于反恐防暴，使用較高強度的聲波定向揚聲器對人群發送一束聲波，讓其難受而退，且不造成人身傷害，若加大聲波的功率則可用于軍事，使敵人喪失行動能力[1]。
1 定向聲波的原理
使用超聲波揚聲器來加強指向性，其原理是利用超聲波的強指向性來實現定向聲波傳播的目的。超聲波因為頻率較高，波長較短，不容易發生衍射，指向角較小，擁有較好的指向性，而可聽聲波的頻率較低，波長較長，容易發生衍射，從而繞過傳播過程中的障礙[2]。利用超聲波的強指向性，超聲波揚聲器將超聲波作為載波信號，再將音頻信號調制到超聲波中實現在空氣中的定向傳輸，并最終在空氣中實現白解調，即可使人耳能夠聽到被還原的音頻信號。
2 超聲波微型定向揚聲器設計方案
2.1 超聲波微型定向揚聲器的整體設計
聲頻定向系統主要包括四個核心部件：控制器、調制器、放大器和發聲模塊。音源采用數字音頻輸入，以適應多媒體便攜式設備接口。調制器使用NE555芯片作為產生高頻信號的核心，諧振頻率為使得揚聲器器輸出最大聲功率，既能有效控制白解調信號的失真，又能讓白解調信號的傳輸足夠遠，諧振頻率控制在超聲載波頻段30kHz-70kHz之間。發聲模塊采用了壓電陶瓷單元陣列來增大聲輸出功率，增強指向性，解決單個壓電陶瓷元件的不足，因此對電源的要求較高，使用36V直流電源供電。
2.2 系統各模塊的設計
2.2.1 控制芯片
主控采用STM32F系列中的低功耗芯片為基礎，可以實現基本功能的前提下減少功耗來延長使用時間[3]。為了優化使用體驗，增加揚聲器的功能，控制單元采用了一塊基于Blue-tooth5.0的組件，如圖1所示，可以連接智能設備實現信號的傳輸和語音控制、紅外遙控、sd卡和usb輸入功能。
2.2.2 調制與功放模塊
超聲波微型定向揚聲器的音源支持數字音頻輸入，以適應多媒體便攜式沒備接口。數字音頻可直接進入信號處理環節，不需任何轉換，減輕了處理器轉換信號和數字濾波所帶來的負擔，使處理器能夠更高效的處理聲頻定向算法[4]。信號采集模塊采用的是AUX數字信號輸入，此接口可以兼容大部分的設備，并且可以減少信號的失真。由于發聲模塊是多個單元組成的陣列，需要更大的功率推動，所以采用了兩顆LM675T組成的25W的功放模塊，并配合NE555為核心的調制組件，實現信號的調制和放大[5]，如圖2所示。
2.2.3 發聲模塊
發聲模塊采用的陶瓷壓電元件在施加壓力的時候會放出電流，反之在給它施加電流的時候會震動，并且震動的頻率和對其施加的電流頻率相同，所以可以發出超聲波;但是單個的元件很小，難以發出響度較大的聲音，所以要多個組成陣列[6，7]，如圖3所示。設計中注意放大器與壓電陶瓷組件的最佳阻抗匹配，可將功率最大化地施加到發聲模塊上。
2.3 揚聲器軟件設計
超聲波微型定向揚聲器軟件工作流程主要包括：初始化各部件;采集數字音頻信號;低頻提升均衡濾波處理;輸出到相應的通道;根據算法，處理器將數據進行信號脈沖調制處理，最后輸出至功率放大器。
2.4 揚聲器外觀設計
考慮到便攜性和耐久性問題，外殼包裝采用了聚甲基丙烯酸甲酯可塑性高分子材料，外觀效果如圖4所示。
3 結論
根據聲頻定向的工作原理，設計并制作了可用于多種設備的超聲波微型定向揚聲器，具體包括信號處理、功率放大、用壓電陶瓷超聲波揚聲器陣列作為發聲部件等，實現可聽聲音的定向傳播。通過對樣機的實際測試，聲音指向性明顯。
參考文獻：
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[5]蒲剛，姜麗峰，一種數字式聲頻定向揚聲器調制方法[J].電聲技術，2013，37(3)：13-17.
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[7]邱俊，張秀琴，李紅元.定向發聲的超聲波模組[P].中國：CN109547911A，2019-03-29.
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