声频定向扬声系统的研究与设计

叶先万 许明萱 吴松和 何仲涛 兰润琦

摘 要：隨着人们生活水平的提高，可发声电子设备的种类以及数量越来越多，传统扬声器发出的声音是全方位发散且不可控制方向的，给居民生活环境带来了许多噪声污染。基于此，采用FPGA与ARM的异构，结合声频定向理论以及超声相控理论设计出比较稳定的、可单向传输声波的声频定向系统，旨在从根源上除去噪声干扰，从而缓解噪声污染泛滥的现状，具有良好的应用前景。

关键词：噪声污染；声频定向；FPGA与ARM异构

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.24.088

1 设计原理与总体结构

1.1 设计原理

由Helmholtz提出的非线性声学理论可知，当两个不同频率（f1、f2）的超声波在空气中按照相同方向传播时，在空气的非线性解调作用下会产生频率分别为f1、f2、f1+f2、f1-f2四种主要频率波段，若超声波频率选取合适，得到的差波信号频率能够落在可听声域，能够被人耳分辨。由于超声波传播具有高指向性，使得差波信号可听声可以按照某个特定方向进行传播进而实现了定向发声。这便是声频定向的基本原理。

1.2 设计结构

设计采用超声波作为载波，通过op07集成运算放大模块，以单频声信号调制超声波，将可听声音信号调制到超声载波信号之上，并通过FPGA超声相控算法控制各阵元的延迟时间，使得各阵元延迟时间成等差数，即各个阵元的触发脉冲时序是一个等差数列，使发出的超声波束的合成波阵面具有一个指向角，从而实现波束方向的控制，之后并经换能器发射调幅波，在FPGA中利用数字信号调制算法处理，选取合适的超声波，将可听声调制到超声波信号上，在空气非线性解调作用下还原出可听声实现声音的定向传播。总体设计结构框图如图1所示。

2 整体设计过程

（1）生成DDS模块：将能够产生可听音频信号的电子设备通过精密的音频传输线或者通过蓝牙模块连接到前端的op07集成运算放大电路对可听声进行十二倍的放大，随后将放大后的音频信号接入到12位精密AD（采样时钟为1MHz）模拟信号采集模块，使音频模拟信号转化成数字信号。接着音频数字信号就被送入到FPGA，利用FPGA硬件的可编程特性，将预先采用matlab生成的数字正弦表固化到ROM中，并且产生合适的时钟读取此数字正弦表，组成DDS模块，该DDS模块可生成频率为45KHz的超声波正弦波载波。

（2）得到低频调制信号：将上述提及到的精密AD采集后的音频数字信与DDS模块产生的45Khz超声波正弦波信号送入到FPGA中的调制模块，进行调制算法处理。该调制算法处理是按照一定的时序逻辑运算进行运算的，可以实现对低频可听数字信号和45KHz超声载波信号进行调制，最终得到可听低频调制信号。

（3）将调制信号转换成模拟信号：将调制信号接入到12位精密DA模块，使可听低频调制数字信号变为模拟信号。在这里，设计成 8x8外部按键模块通过ARM与FPGA的HPS桥总线通讯控制FPGA的等差数列模块中的公差X，FPGA中的等差数列模块控制FPGA中的pwm输出模块，FPGA中的pwm输出模块连接到外部的RC电路，外部的RC电路连接到外部延迟模块，构成相位控制系统，该原理为使用者通过按键控制公差，从而改变等差模块里的每一项数值，第一项为1，及以后的每一项的数值为（1+（n-1）X），该等差数列模块中的每一项对应着pwm输出项中的每一项，代表着pwm输出每一项的占空比为1+（n-1）x2+95x （1≤n≤96）

（4）将声音信号转换成电信号：将pwm模块中的每一项接入RC电路，将pwm模块输出的电平信号转化为电压值，接入到延时电路中，延时电路根据输入的电压信号的差异对接入的每一路信号进行等差延时。

与此同时将精密DA转换来的模拟可听信号串联接入到延时电路模块，使每一路信号形成相位等差，再接入到后端分离对称互补推挽功率放大电路进行放大。

（5）将电信号转换为声波输出：将上述经放大后的电信号依次接入长方形超声波换能器阵列，使得各阵元延迟时间成等差数，从而实现了超声相控定向传输特性。在整个过程，FPGA将运算得到的数据实时通过HPS桥总线通讯送到STM32端，STM32对数据进行存储及管理，并且通过时序约定实现控制FPGA工作状态，并且将数据输送到LTM屏幕上，让使用者看到装置运行状态。

3 设计的创新点与意义

（1）在数字信号进行处理以及存储调用采用了FPGA与ARM异构，实现使用不同类型指令集和体系架构的计算单元，提高了数字信号处理的速度以及系统的稳定性，使整体程序设计变得简洁。

（2）在声频定向方向调节上，增加了FPGA相控算法，控制各阵元的延迟时间，使得各阵元延迟时间成等差数，即各个阵元的触发脉冲时序是一个等差数列，使发出的超声波束的合成波阵面具有一个指向角，从而实现波束方向的控制，使得不用移动设备只需通过按键调节就可实现精确定位，比现有的设备移动位置来实现方向的改变简便以及精确很多。

（3）在可生成可听音频信号电子设备与设计部分的连接方式上做了改进，加入了蓝牙模块，相对于现有产品只有一种音频数据线的连接方式，更加方便、精确。

（4）在前端功率放大电路方面，现流行使用的是D类数字功率放大电路，但其结构较复杂，稳定性不好，文章自主独立设计的模拟式功率放大电路，采用op07集成运算放大电路，使前端信号的放大模块更简单，更稳定，设计起来方便

（5）在后端信号功率放大时，现有装置大部分采用单差分OCL功率放大电路，随着性能的提升电路会变得越复杂，设计难度也会越大，会影响整体的稳定性。文章设计时使用分离互补对称推挽功率放大电路，刚好可以克服这一难题使性能稳定，设计简便。

4 结语

文章设计在市场现有的声频定向扬声器的基础上加以改造，在核心处理、电路设计、模块连接上都采用了更加灵活且更加高效的设计思想，最后旨在设计出一款更加稳定、精确、可推广的声频定向装置，能够切实地帮助人们减缓生活中的噪声污染，使人们的生活更加健康、智能！

参考文献

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