中协智能告诉你超声波应用于音频行业的几大好处

发布时间 : 2018-04-13 点击次数 :

超声波是一种频率大于20000Hz的机械波,因为其频率大于人类耳朵所能听到的上限频率而得名。 超声波技术被广泛应用于医学、军事、工业、农业等领域,给人们带来了很多便利。 其在音频行业也有很多应用,可以解决很多痛点问题,逐渐成长为音频行业的新翘楚。

认识超声波

声波是一种常见的机械波,成年人的耳朵所能听到的声波范围为16Hz-20000Hz,称为可听声波,为了便于记忆,一般记为20Hz-20000Hz。

其实,人耳所能听到声波的频率是与年龄相关的,随着年龄的增长,人耳所能听到声波频率范围会变小。 幼儿能听到30000Hz~40000Hz的声波,听觉好的成年人能听到的声波频率常在30Hz~16000Hz之间。 50岁以上的人只能听到13000Hz的声波,老年人则常在50Hz~10000Hz之间。 而且老年人会首先丧失对高频信号的听觉,并会逐渐向中频和低频发展,一旦发展到中频时就会影响到交际能力。

低于20Hz的声波称为次声波,而高于20000Hz的声波则称为超声波。 超声波的特点是,方向性好(与功率和频率呈正相关关系),穿透能力强,易于获得较集中的声能。

超声波解决定向传播问题

由于可听声波通常频率较低,传播时为球面波,因此在空气中传播的过程中极易衰减,传输距离较短。 而且当可听声波到达受众时,往往声强变得很弱,影响了语音清晰度。

超声波具有定向的传播特性,根据声学理论,频率大于20KHz的高频信号在传输过程中具有良好的指向性,频率越高其定向性越好。

如果将超声波作为载波信号,再将音频信号调制到高频信号中实现在空气中的定向传输,并最终在空气中实现自解调,即可使人耳能够听到被还原的音频信号。

具体地说,基于超声波的声波定向传播技术,其基本原理是将可听声音信号调制到超声载波信号之上,并由超声换能器发射到空气中。 不同频率的超声波在空气传播的过程中,由于空气的非线性声学效应,这些信号会发生交互作用和自解调,从而产生频率为原超声频率之和(和频)与频率之差(差频)的新声波。 只要超声波选取合适,差频声波则落在可听声区间,即20Hz-20000Hz。 这样,借助超声波本身的高指向性,即实现了声音定向传播的过程。

20世纪 60年代Westervelt(韦斯特维尔特)和 Berktay等人发现了超声波在空气中非线性传播的自解调效应。

20世纪80年代,日本Kamkura T等人成功制作了这种扬声器装置,从而实验上验实了这种原理的正确,2002年美国人Joseph则继续推动了该项技术在实际中的应用。

目前美国、德国和日本业已开始推行应用这种技术,新加坡和中国科学院声学研究所也正在进行这方面研究。 目前,国内包括江苏中协在内的音频行业领先企业,已经率先发布了基于超声波调制的定向扬声器阵列,很好地实现了声波的定向传播,并被应用于多个行业。 普通扬声器传播的信号是球面波,是向四面八方传输的,而且在传输的过程中会产生衰减。 而超声波扬声器传播的信号是定向的,向夹角很小的同一个方向传输,在传输的过程中几乎不会发生衰减,信号到达受众时,可以自行解调,从而保证受众可以听到声音。

由于单个超声波扬声器传播角度较小,为了提升传输效果,可以使用多个超声波扬声器组成阵列,向多个不同受众区域定向发射信号。 超声波扬声器实现声音定向传播,在很多行业有众多应用。

智慧舞场

随着人民生活水平的提高,很多人尤其是老年人都喜欢在晚间去舞场跳舞,一方面可以了陶冶情操,同时也能够交际到更多朋友,提升生活质量。 但是舞场默认使用的是普通扬声器,因此声波会向四面八方传播,一旦声音稍大,舞场周围的人不堪其扰,有的引发了纠纷,有的则会直接报警。

采用了超声波扬声器进行声音的定向传播,建立智慧舞场,则可以很好地解决这个问题。

公安维稳

社会的运行是一个非常复杂的过程,军事与警察对于维护国家和人民的安全十分重要。 采用超声波扬声器来实现定向强声传输,可以驱逐敌对分子,震慑恐怖分子,为国家、社会和人民提供新型高科技安防设备,大大提升了民众的安全感。 只有维护社会的稳定才能保证平安,而维稳系统的工作人员在与社会极端分子进行对话时,通过超声波扬声器进行定向传播,可以提高交流的效率,有效地化解矛盾。

超声波扬声器也可以应用在监狱安防、海上执法、边境防卫、主权宣誓等场合。

博物馆、文化馆

博物馆、文化馆是文化的载体,也是保护和传承人类文明的重要殿堂。 中国博物馆、文化馆事业已有100多年的历史,成为中国历史和辉煌文化的记录者,也是中国人民理解历史、思考当下、开启未来的见证者。 在博物馆和文化馆等场景,超声波扬声器也有用武之地。这些场景的特点是,环境复杂,噪声较大。 有时,讲解者的声音通过普通的扬声器会很快衰减,而通过超声波定向扬声器,则可以将自己要表达的内容向指定区域传播(比如仅向自己的旅行团),提升了效率。

银行金融

银行营业厅和ATM机的语音提示声音往往会播放一些敏感信息,这些信息是仅能传达给特定的人。同时,对等候区的客户定向广播,而当有特殊情况发生时,警报声或通知也只需要传达给相关的工作人员和保安人员。

超市、专卖店

超市、专卖店的商品介绍,可以在多个特定的区域进行同时播放,营造清静的购买环境,可以吸引消费者购买,也能够使声音不会侵犯到他人的空间。

教育、养老院

教育行业的学生,尤其是小学生,注意力不容易集中,关注度不够好,通过超声波扬声器对其进行定向传播内容,可以激发他们的学习兴趣,提高学习成绩。

养老院里有不少老人,他们中间有很多人有听觉障碍,通过超声波扬声器对其进行定向传播,可以提升听力,提高老人们的获得感与幸福感。

超声波解决声反馈问题

扩声系统可分为四类:室内扩声系统、厅堂扩声系统、公共广播系统和专用会议系统。

室内扩声系统的应用场景随处可见,最为常见的有:学校里某个班级,几十名学生在一起上课;培训机构里一对多上小课等。 厅堂扩声系统和室内扩声系统比较类似,厅堂扩声系统应用空间要大得多,比如: 大学里一个专业甚至是一个院系在一起上公共课,某党总支或党组党员集中在一起召开会议,学习党的理论知识,某机关专业工程人员聚在一起开会,布置新的工作任务等。

室内扩声系统与公共广播系统和专用会议系统有共同点,它们一般都由麦克风、功率放大器、扬声器“三大件”组成。

实际都会使用调音台/均衡器,对信号进行高低音调节、润色、混合等处理,以保证音质完美。 但是它们之间的区别也显而易见,公共广播系统注重的是“到达”,只要广播的内容能够被传输到扬声器就可以了。 而且麦克风和功率放大器、扬声器在不同的房间,因此不会产生声反馈、自激和啸叫; 专用会议系统也叫音响会议系统,它和室内扩声系统,在关注“到达”的同时,往往注重的是“音质”; 在室内扩声系统和厅堂扩声系统中,麦克风、功放和扬声器一般在较近的空间里(比如一个房间内),很容易产生声反馈、自激和啸叫,必须要进行反馈抑制。 此时必须要添加反馈抑制器,但是目前反馈抑制器的效果都不是很好。

在上述超声波扬声器阵列的基础上,再加上功率放大器和麦克风,即可组成一种基于超声波定向传输的室内扩声系统。 此室内扩声系统最大的特点是无需反馈抑制器,并不会产生啸叫现象,很好地解决了传统室内扩声系统的“顽疾”。 其原理非常简单,麦克风用于将采集的音频信号发送到功率放大器,进行音频信号的放大。

超声波扬声器将音频信号作为基带信号对载波进行调制,并将调制后的超声波向受众区域定向发射,到达受众时会自解调为可听声波。 由于是定向传播,因此声波不会进入麦克风,不会形成声反馈,无需反馈抵制器也不会产生啸叫现象。

超声波解决麦克风灵敏度问题

在室内扩声系统和厅堂扩声系统中,麦克风、功放和扬声器一般在较近的空间里(比如一个房间内),很容易产生声反馈、自激和啸叫。

由于容易产生啸叫问题,因此麦克风灵敏度往往较低,演讲者与麦克风超过1米之后,麦克风便无法拾音,演讲者只能固定在一定的范围内。 如果使用超声波进行声波的定向传播,声波不会进入麦克风,就不会形成声反馈,也不会产生啸叫现象。 这样,麦克风的灵敏度可以得以提高,比如[-45dB,-38dB]之间,由于麦克风的灵敏度较高,麦克风拾取声音的范围将会变得较大,比如5米,这样演讲者活动的范围也就会相应变大。


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