声频

通信术语

又称“音频”。人耳可闻的振动频率。频率范围约从20—20000赫。

定义

声频又称“音频”。人耳可闻的振动频率。频率范围约从20~20000赫。

实际上20000赫兹的声音是不易听觉的！当声压很大时才能听到。而很多人耳能听见的最高音是15.8k赫兹，但是16-19K是无声的，超高频声一般是通过人颅骨的振动感受到的，是一种感觉,也可以说一种听感，但你实际上用耳朵没有听见。有些音响能放到35kHz，但再高会没有意义了。

在电子行业内，常用晶体管设计出功率放大器用来驱动声频的信号，变到人类能听懂理解的频段。晶体管如今渐渐的和三极管的含义交叉。在声频处理中，还有一种和晶体管作用接近，但是一般在高端音响设备中用胆机处理。

声频定向系统

声频定向系统目前在世界上又被称作参量声学阵（parametric acoustic array）、参量扬声器（parametric loudspeaker）、音频聚光灯（audio spotlight）、声束扬声器（audio beam loudspeaker）、超声频声音（hypersonic sound）、指向性声学系统（directional acoustic system）等等，尚未形成统一称谓。与传统扬声器发出的声波全向传播不同，它可将可听声控制在空间中某一区域内定向传播（相应技术被称作“声频定向技术”）。在此区域外听到的声音将很微弱或根本听不到声音。声频定向系统的这种独特声波产生能力使其成为了第一种可实现可听声定向传播的声源。

作为一种新概念声源，声频定向系统目前在世界上还处于研究的初级阶段，其相关理论及技术还不很成熟。这些理论与技术上的不成熟阻碍了声频定向系统的进一步发展，解决这些问题对于推动声频定向系统的进一步发展具有重要意义。

声频定向系统的原理

声频定向系统是通过利用超声波在空气中的非线性传播效应产生高指向性可听声的（即实现声频定向）。这种非线性过程可通过Helmholtz提出的非线性声学理论进行初步的解释。

根据Helmholtz的非线性声学理论，两平面波在不均匀介质中非线性传播的二阶场可描述为如图2-1所示的关系。当向超声换能器输入两列频率分别为关、关的电信号时，超声换能器通过机械振动向空气中发射两列频率分别为f1、f2的超声波。这两列超声波在空气中传播的过程中将产生非线性交互作用，从而生成了包括基频f1、f2，其和频f1+f2、差频f1-f2及各阶谐波在内的复杂声波。由于声衰减系数a与频率的平方成正比，频率较高的超声波信号f1、f2、f1+f2及各次谐波将很快被空气吸收掉，剩下处于声频范围内的差频信号f1-f2在空气中继续传播。

声频定向系统研究历史

声频定向系统的研究最早可追溯到18世纪中叶心理声学中Tartini音调的发现，即当两个稳定的音调一齐发声时，由于它们的线性叠加而产生的第三个音也是可以听得见的。Tartini音调是一个主观音调，即使是两列频率很近的超声波信号也能使人听到这种线性叠加导致的声音变动。此后，Helmholtz指出：两个音调在空气中传播可以通过非线性作用产生它们的差频、和频。其理论预测结果与实测结果吻合。 20世纪30、40年代，贝尔实验室A.L. Thuras、 R.T. Jenkins、H. T.O'Neil及L. J. Black等进一步对这种由于声波在空气中“变形传播”的非线性作用产生新频率成分的机理做出了合理的解释。此类早期的非线性声学研究为利用声波的非线性传播效应产生可听声打下了基础。

1962年，布朗大学的物理学教授Westervelt提出了参量声学阵的概念。参量声学阵的提出为利用空气中声波的非线性传播效应产生指向性声束提供了理论依据。1965年，Berktay进一步提出了参量声学阵的精确的、更完整的理论解释。更为重要的是，Berktay推导出了远场中参量声学阵自解调信号声压幅值正比于原输入信号包络平方的二次时间导，即“Berktay远场解”。通过“Berktay远场解”可知：只要将输入信号中的所有频率成分合理融入到一调制包络中，最后就可以通过参量声学阵得到包含这些频率成分的高指向性声束。这为利用参量阵原理制作声频定向系统提供了直接的理论依据。

参量声学阵最初以其高指向性在水下声纳技术中得到了应用，这主要得益于其在低频时的高指向性响应特性。但是，由于空气的声衰减系数比水的声衰减系数要大得多，而其非线性系数却较水的要小，这就使得在空气中实现参量声学阵相对比较困难。

声频定向系统研究方向

商业研究群体以获取商业利益为目的，故其研究成果很少公开发表。相反，学术研究群体则发表了较多的研究成果，并逐渐形成了以下几个主要研究方向：

（1）声束偏转

该方向主要通过声学相控阵原理来实现声束的偏转。例如：Olszewski等人采用机电复合的相控阵技术实现了声束的偏转。 Yamada等采用自适应FIR滤波器对三个全向扬声器的指向性进行了控制。新加坡南洋理工大学Gan Woon-Seng等提出相控阵的最小偏转角受到数字系统采样间隔限制，对于一个几百kHz的采样频率而言，其最小的偏转角度间隔较大（近260）；在此基础上，提出了一种分别对载波和边带频率进行延迟的算法，以使在不增大采样频率的情况下，通过最小的计算量得到最小偏转角度。鉴于相控阵技术不能实现声束的无级连续偏转，因此其研究仅限于学术研究。

(2)信号处理理论与方法

早期的研究者在声频定向系统的信号处理方法方面取得到了一些成果，为声频定向系统的发展做出了较大贡献。如日本研究人员提出了DSB法、SSB法及平方根法，并提出通过一个均衡器或换能器性能设计可获得一个平坦的频率响应特性以减小声音失真；Pompei提出了一种较好的信号处理方法—双积分又平方根法；美国ATC公司则提出了一种截断双边带（TDSB-Truncated Double Side Band）法，并指出SSB法可用于复杂信号的处理中。

近年来，这方面的研究也受到高度重视，例如：Yang Dekun等将进化算法应用到了参量声学阵的信号处理当中;新加坡南洋理工大学的Karnapi Furi Andi等采用FPGA作为声频定向系统数字信号处理平台；Lee Kelvin Chee-Mun等则以一个带宽效率递归执行方法开发了一个P阶均衡器用于校正声频定向系统固有的基带失真，并成功使带内残留失真成分的抑制水平大于70dB。

(3)声场理论及声束形状控制

该研究方向主要包括声场相关计算与求解、声束形状控制两部分内容。这两部分内容对于控制声频定向系统的声波空间分布、声场特性评估具有重要意义。在声场相关计算与求解研究工作中，Zheng M等对参量声学阵解析解的角度响应进行了研究，并对偏离轴的远场幅值及相位响应进行了解析求解；Sha Kan等提出了一种用于计算矩形平面源产生的散射声束场的复合虚拟源法，使获取精确解的时间比Fresnel积分及Ocheltree方法大大减少；Yang Jun等开发出了一种用于快速数字评估的非线性声波传播的拟线性解析求解法，并提出一种用于二阶场内和频与差频、二次谐波成分快速数字评估的拟线性解析计算模型，成功将五维积分减少为一维积分。

在声束形状控制研究中，Pompei等提出通过采用大尺寸阵元以消除旁瓣的方法，并通过小心选择阵元形状、重叠单元，使得最大化扫描角度可被交换，从而减轻单元间的空间要求；Tan Khim、Jun Yang和Woon-Seng Gan等通过采用一种阵列信号处理算法—延时求和法，对解调信号的波束宽度与旁瓣进行控制，并指出采用Chebyshev权重函数可获得旁瓣水平的改善；Jun Huang等坏良据惠更斯原理提出一个数学模型以仿真超声线性阵列的声场特性，得出了指向性函数，并详细探讨了换能器单元相互距离、换能器个数、单元宽度，以及换能器中心频率给声束指向性带来的影响；2006年，Yang Jun等进一步提出了Chebyshev窗函数算法，以利用声学非线性及阵列信号处理技术以控制声束旁瓣水平，并采用SSB法，通过对载波和边带频率添加不同权重，获得了一个常宽声束。

(4)换能器理论与技术

作为声频定向系统的关键部件，换能器性能对系统性能具有很大影响。这主要体现在换能器在较大程度上决定了声频定向系统输出功率大小，音质好坏，指向性强弱与旁瓣、栅瓣大小等。但由于换能器具有制作难度大，与系统其它部分匹配困难等问题，因此大多数研究者并未对之进行深入研究。除ATC公司外，其他研究者一般都购买现成产品组装成换能器阵，这在很大程度上导致了他们在声频定向系统实现上的困难。虽然在换能器关键技术上进行的研究较少，但在其设计理论上还是有研究者进行了相关研究，如Jun Yang等提出了一种用于决定矩形声源的自、互辐射阻抗的通用求解法，采用该方法可有效地计算独立成型、位于硬无限障板上的活塞式声源的辐射阻抗；Kan Sha、Jun Yang等另外也开发了一种数字模型以计算无限障板内安装的均一、柔性振动矩形片的自、互辐射阻抗。

(5}应用研究

作为一种新概念声源，目前声频定向系统的应用领域还不十分明朗，为此一些研究者对该领域进行了相应的探索，如Kanemaki N等认为声频定向系统可用于电信会议中；K. Aoki等认为声频定向系统可应用于人行道上，通过声音引导行人（尤其是盲人）安全行走；Nakadai Kazuhiro等提出声频定向系统可用于人与人形机的声音交互中，即给人形机安上一个声频定向系统，这样当人与人形机同时说话时，人形机只会接收到人的声音，从而可提高人形机的语音识别能力；Svanfeldt Gunilla等则提出声频定向系统可应用于语音失真分析上。

(6)功率放大技术

早在20世纪70年代就有人提出采用单频载波开关调制作为一种提高水下声学参量阵电声效率的简单、实用方法，该方法接近于理想效率。在较长的一段时期内，采用类似方法以提高声频定向系统电声效率一直为众多研究者所采用。

(7)替代技术研究

除了利用超声波在空气中的非线性传播效应产生高指向性可听声外，Enomoto Seigo等提出可利用边界面的控制原理来实现一种新的指向性声源，并通过数字计算与实验对其系统设计与控制效应基本特征构建准则进行了验证。

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