使用超声相控阵的安静的驾驶舱通信的制作方法

1.本公开总体上涉及通信系统。更具体地，本公开涉及允许飞行员与空中交通控制塔台和其他方进行通信的超声相控阵扬声器系统。


背景技术：

2.飞机的座舱(cockpit)可能是相当嘈杂的环境。在整个飞行中的可能的多个时间，坐在这种嘈杂环境中的飞行员或副飞行员将需要彼此通信，并通过无线电与空中交通控制(air traffic control，atc)清楚且准确地接收和通信重要信息，以便各方理解。目前，这已通过头戴式耳机完成。头戴式耳机的优点是将空中交通控制指令直接传送到飞行员(和副飞行员)的耳朵，并通过位于飞行员或副飞行员的嘴部附近的近讲麦克风将飞行员或副飞行员的通信传输回atc。
3.因此，传统上，飞机飞行员和副飞行员在飞行期间佩戴头戴式耳机，包括附接有悬臂麦克风的噪声隔离或主动降噪头戴式耳机。这种头戴式耳机通常采用具有拾音图案的近讲麦克风，该拾音图案设计为拾取飞行员的语音，同时拒绝源自其他方向的声音。它们起到了良好的作用，但是存在问题。
4.常规头戴式耳机的一个问题是，佩戴它们可能变得不舒服，特别是对于长时间佩戴。许多头戴式耳机上的耳罩向脸部侧面并且有时向耳朵施加压力，如果佩戴太紧则可能干扰血液流动。佩戴时耳罩内的空气也变得非常温热和不新鲜，因此飞行员有时需要摘下头戴式耳机，以给他们的耳朵一些新鲜空气。
5.此外，由于它们阻挡了大部分的环境座舱声音，因此飞行员和副飞行员可能需要摘下头戴式耳机，以便与座舱内的其他人(诸如并未同样佩戴头戴式耳机的机组乘务员或其他人员)进行对话。
6.在常规飞机中，头戴式耳机提供高度重要的通信功能，但是它不是飞机内唯一产生音频声音的系统。飞机还配备有警报信号系统，其通过驾驶舱(flight deck)扬声器系统在所有方向上广播警报。警报系统必须设计为相当响亮，使得它可以越过座舱内的环境噪声被飞行员和副飞行员听到。然而，对于公务机，在起飞和降落期间，座舱和客舱之间的所有门都需要保持打开。因此，这些警报信号容易传输通过客舱，从而对乘客造成不必要的打扰。
7.在现代商务飞机中，对于为飞机乘客提供安静、舒适的环境越来越感兴趣。然而，由于驾驶舱通信和警报信号系统消息的重要性，迄今为止难以阻止座舱声音传播到乘客客舱中。因此，传统上，飞行员被委托佩戴头戴式耳机，并且警报系统消息向乘客客舱中的某种传播是不可避免的。


技术实现要素：

8.所公开的飞行员通信系统采用不同方法，该方法减少飞行员和副飞行员对头戴式耳机的依赖，以彼此通信并与空中交通控制(atc)通信。使用相控阵超声换能器扬声器系
统，飞行员和副飞行员可以在嘈杂的座舱中容易地彼此通信，并且可以与空中交通控制进行清楚且准确的通信，而无需佩戴头戴式耳机。该系统向飞行员和副飞行员提供增强的信噪比(snr)，同时使到其他方向(即，乘客客舱)的信号最小化，因此即使在座舱-客舱门打开时，飞行员和副飞行员也可以轻易听到对话、atc通信和警报声音，而不会打扰客舱中的乘客。
9.该系统没有使用常规扬声器来用足以克服环境噪声的响亮的通信系统音频填充座舱，而是使用超声换能器阵列，其在窄超声波束中将系统音频指引到飞行员的耳朵。超声波束采用人耳听不见的频率的超声载波。系统音频在该超声载波上进行调制，并因此与载波一起在波束的方向上传播。当波束在到达飞行员耳朵的路线中经过空气分子时，调制波通过与空气分子的相互作用而变为自然解调。由于这种自然解调，飞行员能够听到解调后的音频信号，听起来就像来自常规扬声器。
10.根据一方面，飞行员通信系统采用声换能器，其设置在驾驶舱上并定位成在至少一个飞行员坐席位置的方向上发射声波。调制器电路被耦合以从航空电子通信系统接收音频信号并且还被耦合以驱动声换能器。调制器电路向声换能器提供具有由音频信号调制的超声载波频率的电信号，从而使声换能器在至少一个飞行员坐席位置的方向上通过声学空间传送超声声能波束，该超声声能波束通过穿过换能器与飞行员坐席位置之间的空气分子而被自然地解调，从而使音频信号能够被至少一个飞行员坐席位置处的人类听力听见。
11.在另一方面，通过以下步骤来提供向飞机的飞行员通信音频信息的方法：从航空电子通信系统获得音频信号，并且在超声载波上调制音频信号以产生调制后的超声信号。航空电子通信系统可以包括所有无线电(包括但不限于空中交通控制)、对讲机(驾驶舱和客舱)、机组警报信号系统等。通过声换能器将调制后的超声信号作为超声声束传送给飞行员，该超声声束通过穿过换能器与飞行员之间的空气而变为自然解调，从而使音频信号能够被飞行员听见。
附图说明
12.本文描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的，而不是所有可能的实现方式。附图的特定选择并不旨在限制本公开的范围。
13.图1是示例性飞机的驾驶舱的俯视图，示出了超声相控阵扬声器系统的一种可能的布置；
14.图2是图1的驾驶舱的一部分对于飞行员和副飞行员在坐下时看起来的样子的剖视图，并且也示出了超声相控阵扬声器系统的一种可能的布置；
15.图3a至图3c是波形图，示出了用于实现超声相控阵的不同调制技术；
16.图4是示出如何在飞行员通信系统中使用插入的时间延迟对换能器波束图案进行指引的图；
17.图5是示出超声相控阵换能器或扬声器系统的一个实施例的示意图；
18.图6是示出超声相控阵换能器或扬声器系统的进一步细节的示意图；
19.图7a至图7c是示出超声相控阵换能器或扬声器系统的其他实施例的示意图；
20.图8a至图8g是可用于飞行员通信系统的一些不同的换能器或扬声器布置实施例的平面图。
具体实施方式
21.参考图1和图2，超声相控阵通信系统12的实施例部署在飞机的驾驶舱10上。超声相控阵通信系统电子组件可以放置在任何便利的位置，因此在12处所示的位置仅仅是示例性的。该系统包括超声换能器阵列14(这里示出了两个这样的阵列，一个用于飞行员，一个用于副飞行员)。超声相控阵通信系统耦合到飞机航空电子通信系统16以接收音频信号，诸如来自空中交通控制的语音无线电通信、来自机组乘务员的对讲消息、飞机听觉警报消息等。在图1和图2中，航空电子通信系统16以虚线示出，以指示该系统的物理位置可以部署在任何便利的地方。
22.超声相控阵通信系统12及其相关联的换能器阵列14直接向每个飞行员20提供超声声能的窄波束22。每个波束包括超声声学载波，其已被调制以承载来自航空电子通信系统的音频信号。在从大约30khz到150khz的示例性频率范围内，超声载波远高于人类听力范围，并且本身是听不见的。
23.尽管许多不同的调制模式是可能的，但是在图3a至图3c中已经示出了三种。图3a示出了幅度调制(am)，其中来自飞机航空电子通信系统的音频信号用于调制超声载波的幅度。图3b示出了频率调制(fm)，其中来自飞机航空电子通信系统的音频信号用于调制超声载波的频率。图3c示出了一种形式的脉冲宽度调制(pwm)，其中来自飞机航空电子通信系统的音频信号对超声载波的占空比进行调制。在am和fm调制情况下，超声载波通常基于正弦波形，如图所示。pwm情况提供了其他选项，其中载波可以采用不同占空比的方波形式，因此很好地适于使用高效d类放大器进行放大。
24.不管选择何种调制模式，调制后的超声波束都通过穿过空气而变为自然解调。因此，作为与波束穿过的声学空间中的空气分子相互作用的自然结果，信号被解调，从而使包含来自航空电子通信系统的消息的音频信号能够被飞行员20听见。
25.超声相控阵优选地包括紧密分组的多个单独的声换能器，诸如压电换能器。紧密的换能器间隔与高频超声载波相结合，产生窄波束，窄波束使声能集中，因此声能优选地在视线上(line-of-sight)从换能器阵列直接传播到飞行员。在实际实施例中，换能器阵列的五瓦电功率将产生高达115db或更高数量级的声压级(spl)。如果需要更高的声压级(例如，140db)，则可以使用更多的电功率。在这种系统中，所传送的声学信号可以具有从大约500hz到4khz的频率范围，这对于语音信号的良好可懂度通常是足够的。
26.当波束从每个超声换能器阵列向外传播时，在距离换能器的前2至3米内存在最小的波束发散。因此，超声波束将保持向飞行员位置的完全方向性，并且由于座舱的几何形状相对受限，波束将撞击一个或多个表面(侧壁、天花板、地板、飞行员的衣服等)并早在其到达客舱之前变得衰减。因此，飞行员能够从其在驾驶舱上的座位听到解调后的音频，但是坐在飞机乘客客舱中的人将听不到，这是因为超声波因撞击吸音表面(诸如吸音墙以及天花板和地毯)或乘客衣服而被吸收。
27.在一个实施例中，相控阵可以以电子方式被馈送具有仔细控制的单独时间或相位延迟的单独信号，以影响波束的电子引导(steering)。为了更好地理解波束引导是如何实现的，请参考图4，其示出了布置为线性阵列的两个换能器(例如，扬声器)。当两个换能器相干地馈送有相同的正弦超声载波信号时，从每个换能器发出的载波是同相的，并且声音将好像从换能器的平面(即，从垂直于水平轴(如图4中所示)的方向)直接产生。
28.然而，当换能器之一由延迟了时间增量dt的信号馈送时，两个换能器的相应波前之间的相长和相消干涉将在成角度的方向上产生最响亮的集合声音，与水平轴不再垂直而是成角度θ，如图4中所示。通过知道音频频率的波长，可以用三角法计算角度方向。根据以下等式，频率(f)和波长(λ)与相位速度(v)相关：
29.f＝v/λ
30.为了在图4中所示的方向(角度θ)上引导波束，来自左侧换能器(图4中)的信号被延迟了时间dt，该时间dt被计算为导致以下事实，即，来自左侧换能器(图4中)的信号必须穿过附加距离d，以便其波前与来自右侧换能器(图4中)的波前同相。可以使用以下三角关系为给定角度θ计算该延迟dt：
31.dt＝s sin(θ)/c
32.其中s是换能器间距，并且c是空气中的声速。
33.对定时进行控制(即，对单独的换能器波的相位进行控制)不仅可以用于在特定方向上引导集合超声波束，还可以用于将单独的换能器波聚焦到所需点上。等式是相同的：dt＝dx/c。其中dx是从换能器到所需点的距离之间的差，并且c是声速。
34.在设计换能器之间的间隔时，建议选择避免形成强的栅瓣或旁瓣的间隔。栅瓣是相对于声波长，在单独的换能器元件之间具有大且均匀的距离的结果。因此，优选地，应选择小的间隔(相对于超声波长)，以使栅瓣最小化。如上所述，小于超声载波的1/2波长的间隔可以用于使栅瓣或旁瓣最小化。
35.现在参考图5，现在将描述用于产生调制超声波束的示例性电子电路。来自航空电子通信系统16的音频输入在调制器32中与来自超声振荡器30的超声载波混合，以产生调制后的超声载波。调制器32被配置为实现预定义的调制模式，诸如图3a至图3c中所示的那些模式之一。
36.如果需要电子波束引导，则该效果由时间延迟(相位延迟)调整电路34施加。调整电路通过将调制后的超声载波细分到多个通道中来进行工作，构成换能器阵列14的每个单独的换能器一个通道。调整电路34选择性地将所计算的时间延迟插入到一个或多个单独的通道中，以产生图4中所示的波束引导效果。如果需要，则提供调整控制或接口36，以允许手动地或通过自动控制将波束引导到所需的方向。这种调整是有用的，例如用于微调波束方向，从而将超声波束22准确地指引到飞行员20。
37.为了在飞行员的位置处产生足够的声压级，电路包括用于多个通道中的每一个的放大级。这可以使用合适的功率放大器38(每个通道一个)来实现。中间驱动器电路40可以用于在时间延迟调整电路34和功率放大器38的阻抗之间提供合适的匹配。
38.如果需要，可以使用现场可编程门阵列(fpga)电路42来实现一个或多个所示组件。在这种实现方式中，超声振荡器、调制器和时间延迟功能是使用逻辑门实现的，这些逻辑门在fpga中可编程地定义以执行上述功能。虽然已经示出了fpga电路，但是可以使用fpga、微处理器、数字信号处理器(dsp)或其组合来实现控制硬件。
39.参考图6，更详细地示出了fpga实现方式。使用模数转换器50将航空电子通信系统16提供的音频输入从模拟形式转换为数字形式。然后将转换后的数字音频馈送到fpga 42，fpga 42使用内部生成的超声载波来产生超声调制信号，该超声载波已使用所提供的数字音频进行调制。fpga产生多通道输出(构成超声换能器阵列14的每个单独的换能器一个输
出)。
40.然后将来自fpga 42的多通道输出馈送到多通道数模转换器电路52，其将每个数据流转换成模拟信号。然后将这些模拟信号馈送到放大器38以驱动换能器。
41.如上所述，可以使用非正弦载波来调制超声波束，诸如图3c中描绘的脉宽调制载波。图7a中示出了实现这种调制的一个示例性电路。图7a的电路可以使用诸如专用集成电路的分立元件来实现，或者可以使用fpga 42来实现以执行pwm功能。如图7a中所描绘的，可以使用脉宽调制控制器电路60。这种pwm控制器电路通常用于实现开关电源，但是可以用于产生由所公开的驾驶舱通信系统使用的调制超声波形。
42.pwm控制器电路60的输出可以根据需要馈送到合适的栅极驱动器电路(每个换能器14一个)，以提供适当的电压和足够的电流来驱动功率mosfet晶体管开关66。在所示电路中，针对每个换能器14使用一对功率mosfet晶体管，从而以推挽配置进行操作以实现换能器的更高功率。该电路也可以在没有p沟道fet的情况下使用n沟道fet来实现。
43.图7b描绘了基于全h桥配置的替代实施例。图7c描绘了基于采用+v和-v电源轨的全h桥配置的另一替代实施例。
44.在图8a至图8g中已经示出了几种不同的间隔开的换能器配置图案。其他配置图案也是可能的。这些配置图案可以单独使用或组合使用。换能器14各自根据预定义的配置图案进行布置，诸如但不限于图8a至图8g中所示的那些示例。
45.图8a示出了线性阵列，其中换能器沿着共同的直线居中。换能器根据预定义的间隔图案间隔开(例如，相等地间隔、对数地间隔或具有其他间隔)，并且各自优选地由耦合到时间延迟调整电路的专用音频信号传输线馈送。以该方式，时间延迟调整电路能够向每个换能器发送或接收精确定时的音频信号。这种精确定时的音频信号的作用是产生阵列波束图案。
46.在图8a中所示的线性阵列的情况下，波束图案可以由时间延迟调整电路控制以提供一维波束引导。因此，线性阵列很好地适于部署在驾驶舱位置中，其中线性阵列大体位于包括飞行员和副飞行员的头部的平面中。
47.图8b示出了弯曲的或曲线形阵列，其中换能器沿着共同的曲线居中。与图8a的线性阵列一样，换能器可以相等地间隔开、对数地间隔或以两边对称性间隔开。曲线形阵列很好地适于部署在由机身形状决定的具有自然弯曲表面的座舱部分中。与线性阵列一样，曲线形阵列的换能器可以由耦合到时间延迟调整电路的专用音频信号传输线馈送。
48.图8c示出了圆形阵列。优选地，换能器相等地间隔，各自由耦合到时间延迟调整电路的专用音频信号传输线馈送。圆形阵列很好地适于布置在座舱的天花板上，诸如飞行员头部上方和前方。圆形阵列可以提供二维波束引导。
49.图8d示出了同心圆形阵列。优选地，换能器绕每个同心圆相等地间隔，各自由耦合到时间延迟调整电路的专用音频信号传输线馈送。
50.图8e示出了螺旋形阵列，其中换能器14根据对数图案间隔。换能器各自由耦合到时间延迟调整电路的专用音频信号传输线馈送。螺旋形阵列可以提供不同的换能器间隔。这是遵循螺旋形图案的自然结果；然而，此外，单独的换能器可以基于对数关系间隔开。
51.图8f示出了正方形或直线组成形(rectilinear)阵列。换能器各自由耦合到时间延迟调整电路的专用音频信号传输线馈送。正方形阵列类似于圆形阵列，提供二维波束引
导。正方形阵列适于包装约束做出决定的应用中。
52.图8g示出了行簇(row cluster)配置，其中换能器14紧密地包装成几何形状。该配置具有将声能集中到小区域中以增加声学信号幅度的优点。
53.尽管图8a至图8d中所示的换能器间隔是均匀的，但是实际上，换能器之间的间隔可以是恒定的、线性的、对数的或基于其他因素。
54.尽管在前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现如本文考虑的示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置中进行各种改变。