对音频进行超声波传播的装置和方法与流程

本发明涉及一种对音频进行超声波传播的装置和方法。

背景技术：

随着技术的发展，人们在业余时间的休闲娱乐活动也变得越来越多样化。如今的电视节目越来越丰富多彩，不仅电视频道众多，还有各类点播菜单，可以自由选择观看喜欢的电视剧、电影、娱乐节目、脱口秀、真人秀等等。台式电脑端和便携式智能设备端（手机、mp3、mp4、pda、pad等等）的娱乐项目就更加多元，不仅可以看视频，听歌，还可以玩游戏，许多桌游和手游产品凭借精美的画面、精良的人物和剧情设计，再配上逼真的音效，往往让用户痴迷不已。还有许多音乐发烧友，喜欢用音响设备欣赏音乐，使心灵得到陶冶。

在使用电视、电脑、手持设备的时候，大多数情况下都是将电视的音量开启，将电脑和手持设备的扬声器打开，让声音配合画面，使用户更好地接收信息，得到最佳的休闲放松体验。而在用音响欣赏音乐的时候，更是必须开启扬声器，否则无法达到听音乐的目的。

但是在很多情况下，从扬声器中外放的声音，会对某些人造成影响，甚至成为他们耳中的噪声，严重的甚至影响健康。比如，在学生宿舍里，如果某些同学开着电脑的扬声器打游戏，那么就会影响到其他正在看书的同学，使其不能集中精力，还会影响到已经休息的同学，降低其睡眠质量。而音乐发烧友在使用音响设备听音乐的时候，会不知不觉地提高扬声器的音量，在某些隔音不好的楼房中，会对邻居的休息和工作学习造成影响。对于有些有小婴儿的家庭，如果电视的音量较小，可能老人听不清，但是如果电视的音量太大，会影响小宝宝的睡眠，甚至对其听力发育造成影响。

技术实现要素：

本发明提供一种对音频进行超声波传播的装置和方法，利用超声波特性，通过将音频发生设备的音频信号加载到超声波信号上进行传播，需要接收音频信号的用户通过对超声波信号解调后获取音频信号，避免了传播过程中对环境造成噪声污染，且不会打扰到其他人，方案简单，易于实现，实用性强，应用面广。

为了达到上述目的，本发明提供一种对音频进行超声波传播的装置，该装置应用于各类音频发生设备，该装置包含：超声波调制发射模块和超声波接收解调模块，超声波调制发射模块与音频发生设备连接，将音频信号加载到超声波信号上，加载有音频信号的超声波信号通过介质传播，超声波接收解调模块收到超声波调制发射模块发出的超声波信号后，解调出音频信号，并进行播放；

所述的超声波调制发射模块包含：

音频数据接口，其输入端电性连接音频发生设备，用于提取音频发生设备产生的音频信号；

载波发生器，其用于产生高频振荡信号；

调制器，其输入端分别电性连接音频数据接口的输出端和载波发生器的输出端，用于将音频信号调制到高频振荡信号中；

发射信号处理电路，其输入端电性连接调制器的输出端，用于对调制器输出的信号进行处理，防止信号失真；

超声波发生器，其电性连接发射信号处理电路，用于在高频振荡信号的驱动下产生包含音频信息的超声波信号，并将该超声波信号发送出去；

所述的超声波接收解调模块包含：

超声波接收器，其设置在指定区域，用于接收超声波发生器发出的超声波信号；

解调器，其输入端电性连接超声波接收器的输出端，用于从超声波信号中解调出音频信号；

接收信号处理电路，其输入端电性连接解调器的输入端，用于对音频信号进行处理，防止信号失真；

音频输出模块，其电性连接接收信号处理电路的输出端，用于播放音频。

所述的调制器采用幅度调制器，解调器采用幅度解调器，采用幅度调制am方法对载波信号进行调制和解调。

所述的调制器采用频率调制器，解调器采用频率解调器，采用频率调制fm方法对载波信号进行调制和解调。

所述的调制器采用相位调制器，解调器采用相位解调器，采用相位调制pm方法对载波信号进行调制和解调。

所述的调制器采用脉宽调制器，解调器采用脉宽解调器，采用脉宽调制pwm方法对载波信号进行调制和解调。

所述的调制器采用数字频率调制器，解调器采用数字频率解调器，采用数字频率调制fsk方法对载波信号进行调制和解调。

所述的发射信号处理电路包含：

均衡器，其输入端电性连接调制器的输出端，用于补偿信号的非线性响应，防止信号失真；

滤波器，其输入端电性连接均衡器的输出端，用于过滤干扰；

放大器，其输入端电性连接滤波器的输出端，用于对信号进行功率放大。

所述的接收信号处理电路包含：

均衡器，其输入端电性连接解调器的输出端，用于补偿信号的非线性响应，防止信号失真；

滤波器，其输入端电性连接均衡器的输出端，用于过滤干扰；

放大器，其输入端电性连接滤波器的输出端，用于对信号进行功率放大。

所述的音频输出模块采用扬声器，或耳机。

本发明还提供一种对音频进行超声波传播的方法，包含以下步骤：

步骤s1、调制器将音频数据接口提取的音频信号调制到载波发生器产生的高频振荡信号中；

步骤s2、发射信号处理电路对调制器输出的信号进行处理；

步骤s3、超声波发生器在高频振荡信号的驱动下产生包含了音频信息的超声波信号，并将该超声波信号发送出去；

步骤s4、设置在指定区域的超声波接收器接收超声波发生器发出的超声波信号；

步骤s5、解调器从超声波信号中解调出音频信号；

步骤s6、接收信号处理电路对音频信号进行处理；

步骤s7、音频输出模块播放音频。

所述的调制器采用幅度调制am方法对载波信号进行调制，或者采用频率调制fm方法对载波信号进行调制，或者采用相位调制pm方法对载波信号进行调制，或者采用脉宽调制pwm方法对载波信号进行调制，或者采用数字频率调制fsk方法对载波信号进行调制，相应地，解调器202对应采用幅度解调方法对超声波信号进行解调，或者采用频率解调方法对超声波信号进行解调，或者采用相位解调方法对超声波信号进行解调，或者采用脉宽解调方法对超声波信号进行解调，或者采用数字频率解调方法对超声波信号进行解调。

所述的发射信号处理电路对调制器产生的高频振荡信号进行均衡、滤波和放大后，驱动超声波发生器产生超声波信号。

所述的接收信号处理电路对解调器解调出的音频信号进行均衡、滤波和放大后，通过音频输出模块播放。

本发明利用超声波特性，通过将音频发生设备的音频信号加载到超声波信号上进行传播，需要接收音频信号的用户通过对超声波信号解调后获取音频信号，避免了传播过程中对环境造成噪声污染，且不会打扰到其他人，方案简单，易于实现，实用性强，应用面广。

附图说明

图1是本发明提供的一种对音频进行超声波传播的装置的结构框图。

图2是本发明提供的一种对音频进行超声波传播的装置的具体电路框图。

图3是发射信号处理电路的电路框图。

图4是接收信号处理电路的电路框图。

图5是本发明提供的一种对音频进行超声波传播的方法的流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

声波经过信道（主要是空气）传播，到达人耳并使耳膜振动，使人可以听到声音。人能听到的声音大约有40多万种，由此可见人耳对声音的敏感度很高，但是人耳能听到的声音终归有限，并不能听到所有的声音，人耳所能听到的声音会有频率限制。

每种不同的声音其频率各不相同，声音的频率是通过赫兹来计算，而声音的大小是通过分贝来表示。在我们生活的环境中有各种各样的声音，这些声音的频率范围很大，从20~20000赫兹，强度通常在0~120分贝之间。假如声音达到140分贝，此时人会出现不适感，感到鼓膜刺痛。一般情况下，人对1000~8000赫兹频率的声音比较敏感，人平时讲话声的频率为500~2000赫兹。所以有时人们讲话会出现听不清的情况，因为低于1000赫兹，已经超过了人听力敏感的频率范围。由于声音本身所具有的特性，有时人们对于比较小的声音之间相差的3~4分贝的声音并不能够分辨的很清楚，而对于比较大的声音，即便是相差0.3分贝也会感觉到明显的变化。

以健康的年轻人为例，人耳能听到的声音的频率：20～20000赫兹。随着年龄增长，听到的频率范围越来越窄。28岁时：22～17000赫兹；40岁时：25～14000赫兹；60岁时：35～11000赫兹。

超声波是指振动频率大于20000hz以上的声波，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000hz），人在自然环境下无法听到和感受到，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

超声波的集中性和穿透性很好，超声波具有如下特性：

1、超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2、超声波可传递很强的能量。

3、超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4、超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

本发明就是利用了超声波的一个最基本也是最大的特点，那就是人耳无法听到，如果用超声波来代替人耳可听到的声波，将电视、电脑、手机等设备发出的音频信号通过超声波来传播，那么在传播过程中，就不会对其他人造成干扰，因为其他人听不到，就不会被打扰，而当超声波传播到需要接收音频信号的用户所在的区域时，需要接收音频信息的用户从接收到的超声波中提取音频信号即可。

如图1和图2所示，本发明提供一种对音频进行超声波传播的装置，该装置可以应用于各类音频发生设备，例如：电视机、台式电脑、智能手机、平板电脑、音箱设备等等。

该装置包含：超声波调制发射模块1和超声波接收解调模块2，超声波调制发射模块1与音频发生设备连接，将音频信号加载到超声波信号上，加载有音频信号的超声波信号通过介质传播，超声波接收解调模块2收到超声波调制发射模块1发出的超声波信号后，解调出音频信号，并进行播放。

较佳地，超声波调制发射模块1可以通过耳机插孔或者usb接口等外设接口与音频发生设备连接，而超声波接收解调设备2可以设计成便携形式，方便用户携带。

进一步地，所述的超声波调制发射模块1包含：

音频数据接口101，其输入端电性连接音频发生设备，用于提取音频发生设备产生的音频信号；

载波发生器102，其用于产生高频振荡信号；

调制器103，其输入端分别电性连接音频数据接口101的输出端和载波发生器102的输出端，用于将音频信号调制到高频振荡信号中；

发射信号处理电路104，其输入端电性连接调制器103的输出端，用于对调制器103输出的信号进行处理，防止信号失真；

超声波发生器105，其电性连接发射信号处理电路104，用于在高频振荡信号的驱动下产生包含音频信息的超声波信号，并将该超声波信号发送出去。

所述的超声波接收解调模块2包含：

超声波接收器201，其设置在指定区域，用于接收超声波发生器105发出的超声波信号；

解调器202，其输入端电性连接超声波接收器201的输出端，用于从超声波信号中解调出音频信号；

接收信号处理电路203，其输入端电性连接解调器202的输入端，用于对音频信号进行处理，防止信号失真；

音频输出模块204，其电性连接接收信号处理电路203的输出端，用于播放音频。

调制的种类很多，分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制：用模拟信号调制称为模拟调制，用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制（如对非相干光调制）等。调制的载波分别是脉冲，正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式，后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制，如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等。不同的调制方式有不同的特点和性能。

在本发明的一个实施例中，所述的调制器103和解调器202可以采用幅度调制器和幅度解调器，采用幅度调制am方法对载波信号进行调制。

幅度调制am是使载波的振幅按照所需传送信号的变化规律而变化，但频率保持不变的调制方法。调幅在有线电或无线电通信和广播中应用甚广。载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出，电视的图像信号使用调幅。调频的抗干扰能力强，失真小，但服务半径小。幅度调制可分为普通调幅（am），双边带调幅（dsb-am），单边带调幅（ssb-am）与残留边带调幅（vsb-am）几种不同方式。普通调幅信号的产生可将调制信号与直流相加，再与载波信号相乘，即可实现普通调幅。可采用低电平调幅方法和高电平调幅方法。采用包络检波或同步检波方法实现解调。

在本发明的另一个实施例中，所述的调制器103和解调器202可以采用频率调制器和频率解调器，采用频率调制fm方法对载波信号进行调制。

频率调制fm是通过调制信号线性地控制高频载波的频率。在频率调制中，是利用调制信号将载波的频率调高、降低或保持不变，在频率调制信号中，载波频率随着调制信号增加或减少，其偏离载波频率的频率偏移量，与调制信号的振幅油管，频率偏移的改变速率则与调制信号的频率有关。采用直接调频法或间接调频法进行频率调制，通常使用压控振荡器vco来进行调制，频率解调方法包含斜率检测、相移检测，比率检测，正交检测，锁相回路解调等。

在本发明的另一个实施例中，所述的调制器103和解调器202可以采用相位调制器和相位解调器，采用相位调制pm方法对载波信号进行调制。

相位调制pm是通过调制信号线性地控制高频载波的相位，载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化。调相和调频有密切的关系。调相时，同时有调频伴随发生；调频时，也同时有调相伴随发生，不过两者的变化规律不同。频率调制和相位调制的抗干扰能力强、失真小，但所占的频带宽度要比幅度调制信号宽。

在本发明的另一个实施例中，所述的调制器103和解调器202可以采用脉宽调制器和脉宽解调器，采用脉宽调制pwm方法对载波信号进行调制。

脉宽调制技术是通过对逆变电路开关的通断控制来实现对模拟电路的控制。脉宽调制技术的输出波形是一系列大小相等的脉冲，用于替代所需要的波形，以正弦波为例，也就是使这一系列脉冲的等值电压为正弦波，并且输出脉冲尽量平滑且具有较少的低次谐波。根据不同的需求，可以对各脉冲的宽度进行相应的调整，以改变输出电压或输出频率等值，进而达到对模拟电路的控制。具有操作简单、灵活性好、反应速度快等诸多特点，现已在通信、测量、功率变换、功率控制等多个方面都得到了广泛的应用。

在本发明的另一个实施例中，所述的调制器103和解调器202可以采用数字频率调制器和数字频率解调器，采用数字频率调制fsk方法对载波信号进行调制。

频移键控fsk是利用载波的频率变化来传递数字信息。fsk（frequency-shiftkeying）是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频fsk系统。技术上的fsk有两个分类，非相干和相干的fsk。在非相干的fsk，瞬时频率之间的转移是两个分立的价值观命名为马克和空间频率。在另一方面，在相干频移键控或二进制的fsk，是没有间断期在输出信号。在数字化时代，电脑通信在数据线路（电话线、网络电缆、光纤或者无线媒介）上进行传输，就是用fsk调制信号进行的，即把二进制数据转换成fsk信号传输，反过来又将接收到的fsk信号解调成二进制数据，并将其转换为用高，低电平所表示的二进制语言，这是计算机能够直接识别的语言。在二进制频移键控中，幅度恒定不变的载波信号的频率随着输入码流的变化而切换（称为高音和低音，代表二进制的1和0）。产生fsk信号最简单的方法是根据输入的数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器中切换。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种fsk信号称为不连续fsk信号。由于相位的不连续会造频谱扩展，这种fsk的调制方式在传统的通信设备中采用较多。随着数字处理技术的不断发展，越来越多地采用连继相位fsk调制技术。目前较常用产生fsk信号的方法是，首先产生fsk基带信号，利用基带信号对单一载波振荡器进行频率调制。相位连续的fsk信号的功率谱密度函数最终按照频率偏移的负四次幂衰落。如果相位不连续，功率谱密度函数按照频率偏移的负二次幂衰落。对于fsk信号的解调方式很多：相干解调、滤波非相干解调、正交相乘非相干解调。而fsk的非相干解调一般采用滤波非相干解调。在高斯白噪声信道环境下fsk滤波非相干解调性能较相干fsk的性能要差，但在无线衰落环境下，fsk滤波非相干解调却表现出较好的稳健性。fsk的数字化实现方法一般采用正交相乘方法加以实现。

在本发明的一个实施例中，所述的发射信号处理电路104和接收信号处理电路203的电路结构相同。

如图3所示，所述的发射信号处理电路104包含：

均衡器1041，其输入端电性连接调制器103的输出端，用于补偿信号的非线性响应，防止信号失真；

滤波器1042，其输入端电性连接均衡器1041的输出端，用于过滤干扰；

放大器1043，其输入端电性连接滤波器1042的输出端，用于对信号进行功率放大。

如图4所示，所述的接收信号处理电路203包含：

均衡器2031，其输入端电性连接解调器202的输出端，用于补偿信号的非线性响应，防止信号失真；

滤波器2032，其输入端电性连接均衡器2031的输出端，用于过滤干扰；

放大器2033，其输入端电性连接滤波器2032的输出端，用于对信号进行功率放大。

在本发明的另一个实施例中，如果超声波调制发射模块1和超声波接收解调模块之间的距离比较近，仍然处于同一个空间之内，比如都在同一个宿舍的范围之内，而宿舍内还有其他同学正在学习和休息，则所述的音频输出模块204可以采用耳机，以免打扰到其他人。而在另一个实施例中，由于超声波的穿透性很强，可以穿过固体，因此也可以将超声波接收解调模块2设置在与超声波调制发射模块1处于不同的空间，例如超声波调制发射模块1连接在位于客厅的音响设备上，而超声波接收解调模块2完全可以设置在卧室中，将卧室门关上后，此时，所述的音频输出模块204可以采用扬声器，这样既可避免打扰到别人，又得到了更好的音效。

如图5所示，本发明还提供一种对音频进行超声波传播的方法，具体包含以下步骤：

步骤s1、调制器103将音频数据接口101提取的音频信号调制到载波发生器102产生的高频振荡信号中；

步骤s2、发射信号处理电路104对调制器103输出的信号进行处理，防止信号失真；

步骤s3、超声波发生器105在高频振荡信号的驱动下产生包含了音频信息的超声波信号，并将该超声波信号发送出去；

步骤s4、设置在指定区域的超声波接收器201接收超声波发生器105发出的超声波信号；

步骤s5、解调器202从超声波信号中解调出音频信号；

步骤s6、接收信号处理电路203对音频信号进行处理，防止信号失真；

步骤s7、音频输出模块204播放音频。

其中，所述的调制器103可以采用幅度调制am方法对载波信号进行调制，或者采用频率调制fm方法对载波信号进行调制，或者采用相位调制pm方法对载波信号进行调制，或者采用脉宽调制pwm方法对载波信号进行调制，或者采用数字频率调制fsk方法对载波信号进行调制，相应地，解调器202也对应采用幅度解调方法对超声波信号进行解调，或者采用频率解调方法对超声波信号进行解调，或者采用相位解调方法对超声波信号进行解调，或者采用脉宽解调方法对超声波信号进行解调，或者采用数字频率解调方法对超声波信号进行解调。

所述的发射信号处理电路104对调制器103产生的高频振荡信号进行均衡、滤波和放大后，驱动超声波发生器105产生超声波信号。

所述的接收信号处理电路203对解调器202解调出的音频信号进行均衡、滤波和放大后，通过音频输出模块204播放。

本发明利用超声波特性，通过将音频发生设备的音频信号加载到超声波信号上进行传播，需要接收音频信号的用户通过对超声波信号解调后获取音频信号，避免了传播过程中对环境造成噪声污染，且不会打扰到其他人，方案简单，易于实现，实用性强，应用面广。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。