又稱“音頻”。人耳可聞的振動頻率。頻率范圍約從20—20000赫。

中文名聲頻外文名audio frequency拼    音shēngpín釋    義音頻

目錄

1 定義

2 聲頻定向系統(tǒng)

3 聲頻定向系統(tǒng)的原理

4 聲頻定向系統(tǒng)研究歷史

5 聲頻定向系統(tǒng)研究方向

定義編輯 語音

聲頻又稱“音頻”。人耳可聞的振動頻率。頻率范圍約從20~20000赫。

實際上20000赫茲的聲音是不易聽覺的！當聲壓很大時才能聽到。而很多人耳能聽見的最高音是15.8k赫茲，但是16-19K是無聲的，超高頻聲一般是通過人顱骨的振動感受到的，是一種感覺,也可以說一種聽感，但你實際上用耳朵沒有聽見。有些音響能放到35kHz，但再高會沒有意義了。

在電子行業(yè)內(nèi)，常用晶體管設計出功率放大器用來驅(qū)動聲頻的信號，變到人類能聽懂理解的頻段。晶體管如今漸漸的和三極管的含義交叉。在聲頻處理中，還有一種和晶體管作用接近，但是一般在高端音響設備中用膽機處理。

聲頻定向系統(tǒng)編輯 語音

聲頻定向系統(tǒng)目前在世界上又被稱作參量聲學陣（parametric acoustic array）、參量揚聲器（parametric loudspeaker）、音頻聚光燈（audio spotlight）、聲束揚聲器（audio beam loudspeaker）、超聲頻聲音（hypersonic sound）、指向性聲學系統(tǒng)（directional acoustic system）等等，尚未形成統(tǒng)一稱謂。與傳統(tǒng)揚聲器發(fā)出的聲波全向傳播不同，它可將可聽聲控制在空間中某一區(qū)域內(nèi)定向傳播（相應技術被稱作“聲頻定向技術”）。在此區(qū)域外聽到的聲音將很微弱或根本聽不到聲音。聲頻定向系統(tǒng)的這種獨特聲波產(chǎn)生能力使其成為了第一種可實現(xiàn)可聽聲定向傳播的聲源。

作為一種新概念聲源，聲頻定向系統(tǒng)目前在世界上還處于研究的初級階段，其相關理論及技術還不很成熟。這些理論與技術上的不成熟阻礙了聲頻定向系統(tǒng)的進一步發(fā)展，解決這些問題對于推動聲頻定向系統(tǒng)的進一步發(fā)展具有重要意義。 [1] 

聲頻定向系統(tǒng)的原理編輯 語音

圖2-1

圖2-1

聲頻定向系統(tǒng)是通過利用超聲波在空氣中的非線性傳播效應產(chǎn)生高指向性可聽聲的（即實現(xiàn)聲頻定向）。這種非線性過程可通過Helmholtz提出的非線性聲學理論進行初步的解釋。

根據(jù)Helmholtz的非線性聲學理論，兩平面波在不均勻介質(zhì)中非線性傳播的二階場可描述為如圖2-1所示的關系。當向超聲換能器輸入兩列頻率分別為關、關的電信號時，超聲換能器通過機械振動向空氣中發(fā)射兩列頻率分別為f1、f2的超聲波。這兩列超聲波在空氣中傳播的過程中將產(chǎn)生非線性交互作用，從而生成了包括基頻f1、f2，其和頻f1+f2、差頻f1-f2及各階諧波在內(nèi)的復雜聲波。由于聲衰減系數(shù)a與頻率的平方成正比，頻率較高的超聲波信號f1、f2、f1+f2及各次諧波將很快被空氣吸收掉，剩下處于聲頻范圍內(nèi)的差頻信號f1-f2在空氣中繼續(xù)傳播。

聲頻定向系統(tǒng)研究歷史編輯 語音

聲頻定向系統(tǒng)的研究最早可追溯到18世紀中葉心理聲學中Tartini音調(diào)的發(fā)現(xiàn)，即當兩個穩(wěn)定的音調(diào)一齊發(fā)聲時，由于它們的線性疊加而產(chǎn)生的第三個音也是可以聽得見的。Tartini音調(diào)是一個主觀音調(diào)，即使是兩列頻率很近的超聲波信號也能使人聽到這種線性疊加導致的聲音變動 [2]  。此后，Helmholtz指出：兩個音調(diào)在空氣中傳播可以通過非線性作用產(chǎn)生它們的差頻、和頻。其理論預測結果與實測結果吻合。 [3]  20世紀30、40年代，貝爾實驗室A.L. Thuras、 R.T. Jenkins、H. T.O'Neil及L. J. Black等進一步對這種由于聲波在空氣中“變形傳播”的非線性作用產(chǎn)生新頻率成分的機理做出了合理的解釋。此類早期的非線性聲學研究為利用聲波的非線性傳播效應產(chǎn)生可聽聲打下了基礎。

1962年，布朗大學的物理學教授Westervelt提出了參量聲學陣的概念。參量聲學陣的提出為利用空氣中聲波的非線性傳播效應產(chǎn)生指向性聲束提供了理論依據(jù)。1965年，Berktay進一步提出了參量聲學陣的精確的、更完整的理論解釋。更為重要的是，Berktay推導出了遠場中參量聲學陣自解調(diào)信號聲壓幅值正比于原輸入信號包絡平方的二次時間導，即“Berktay遠場解”。通過“Berktay遠場解”可知：只要將輸入信號中的所有頻率成分合理融入到一調(diào)制包絡中，最后就可以通過參量聲學陣得到包含這些頻率成分的高指向性聲束。這為利用參量陣原理制作聲頻定向系統(tǒng)提供了直接的理論依據(jù)。

參量聲學陣最初以其高指向性在水下聲納技術中得到了應用，這主要得益于其在低頻時的高指向性響應特性。但是，由于空氣的聲衰減系數(shù)比水的聲衰減系數(shù)要大得多，而其非線性系數(shù)卻較水的要小，這就使得在空氣中實現(xiàn)參量聲學陣相對比較困難。

聲頻定向系統(tǒng)研究方向編輯 語音

商業(yè)研究群體以獲取商業(yè)利益為目的，故其研究成果很少公開發(fā)表。相反，學術研究群體則發(fā)表了較多的研究成果，并逐漸形成了以下幾個主要研究方向：

（1）聲束偏轉(zhuǎn)

該方向主要通過聲學相控陣原理來實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)。例如：Olszewski等人采用機電復合的相控陣技術實現(xiàn)了聲束的偏轉(zhuǎn)。 Yamada等采用自適應FIR濾波器對三個全向揚聲器的指向性進行了控制。新加坡南洋理工大學Gan Woon-Seng等提出相控陣的最小偏轉(zhuǎn)角受到數(shù)字系統(tǒng)采樣間隔限制，對于一個幾百kHz的采樣頻率而言，其最小的偏轉(zhuǎn)角度間隔較大（近260）；在此基礎上，提出了一種分別對載波和邊帶頻率進行延遲的算法，以使在不增大采樣頻率的情況下，通過最小的計算量得到最小偏轉(zhuǎn)角度。鑒于相控陣技術不能實現(xiàn)聲束的無級連續(xù)偏轉(zhuǎn)，因此其研究僅限于學術研究。 [4] 

(2)信號處理理論與方法

早期的研究者在聲頻定向系統(tǒng)的信號處理方法方面取得到了一些成果，為聲頻定向系統(tǒng)的發(fā)展做出了較大貢獻。如日本研究人員提出了DSB法、SSB法及平方根法，并提出通過一個均衡器或換能器性能設計可獲得一個平坦的頻率響應特性以減小聲音失真；Pompei提出了一種較好的信號處理方法—雙積分又平方根法；美國ATC公司則提出了一種截斷雙邊帶（TDSB-Truncated Double Side Band）法，并指出SSB法可用于復雜信號的處理中。

近年來，這方面的研究也受到高度重視，例如：Yang Dekun等將進化算法應用到了參量聲學陣的信號處理當中;新加坡南洋理工大學的Karnapi Furi Andi等采用FPGA作為聲頻定向系統(tǒng)數(shù)字信號處理平臺；Lee Kelvin Chee-Mun等則以一個帶寬效率遞歸執(zhí)行方法開發(fā)了一個P階均衡器用于校正聲頻定向系統(tǒng)固有的基帶失真，并成功使帶內(nèi)殘留失真成分的抑制水平大于70dB。

(3)聲場理論及聲束形狀控制

該研究方向主要包括聲場相關計算與求解、聲束形狀控制兩部分內(nèi)容。這兩部分內(nèi)容對于控制聲頻定向系統(tǒng)的聲波空間分布、聲場特性評估具有重要意義。在聲場相關計算與求解研究工作中，Zheng M等對參量聲學陣解析解的角度響應進行了研究，并對偏離軸的遠場幅值及相位響應進行了解析求解；Sha Kan等提出了一種用于計算矩形平面源產(chǎn)生的散射聲束場的復合虛擬源法，使獲取精確解的時間比Fresnel積分及Ocheltree方法大大減少；Yang Jun等開發(fā)出了一種用于快速數(shù)字評估的非線性聲波傳播的擬線性解析求解法，并提出一種用于二階場內(nèi)和頻與差頻、二次諧波成分快速數(shù)字評估的擬線性解析計算模型，成功將五維積分減少為一維積分。

在聲束形狀控制研究中，Pompei等提出通過采用大尺寸陣元以消除旁瓣的方法，并通過小心選擇陣元形狀、重疊單元，使得最大化掃描角度可被交換，從而減輕單元間的空間要求；Tan Khim、Jun Yang和Woon-Seng Gan等通過采用一種陣列信號處理算法—延時求和法，對解調(diào)信號的波束寬度與旁瓣進行控制，并指出采用Chebyshev權重函數(shù)可獲得旁瓣水平的改善；Jun Huang等壞良據(jù)惠更斯原理提出一個數(shù)學模型以仿真超聲線性陣列的聲場特性，得出了指向性函數(shù)，并詳細探討了換能器單元相互距離、換能器個數(shù)、單元寬度，以及換能器中心頻率給聲束指向性帶來的影響；2006年，Yang Jun等進一步提出了Chebyshev窗函數(shù)算法，以利用聲學非線性及陣列信號處理技術以控制聲束旁瓣水平，并采用SSB法，通過對載波和邊帶頻率添加不同權重，獲得了一個常寬聲束。

(4)換能器理論與技術

作為聲頻定向系統(tǒng)的關鍵部件，換能器性能對系統(tǒng)性能具有很大影響。這主要體現(xiàn)在換能器在較大程度上決定了聲頻定向系統(tǒng)輸出功率大小，音質(zhì)好壞，指向性強弱與旁瓣、柵瓣大小等。但由于換能器具有制作難度大，與系統(tǒng)其它部分匹配困難等問題，因此大多數(shù)研究者并未對之進行深入研究。除ATC公司外，其他研究者一般都購買現(xiàn)成產(chǎn)品組裝成換能器陣，這在很大程度上導致了他們在聲頻定向系統(tǒng)實現(xiàn)上的困難。雖然在換能器關鍵技術上進行的研究較少，但在其設計理論上還是有研究者進行了相關研究，如Jun Yang等提出了一種用于決定矩形聲源的自、互輻射阻抗的通用求解法，采用該方法可有效地計算獨立成型、位于硬無限障板上的活塞式聲源的輻射阻抗；Kan Sha、Jun Yang等另外也開發(fā)了一種數(shù)字模型以計算無限障板內(nèi)安裝的均一、柔性振動矩形片的自、互輻射阻抗。

(5}應用研究

作為一種新概念聲源，目前聲頻定向系統(tǒng)的應用領域還不十分明朗，為此一些研究者對該領域進行了相應的探索，如Kanemaki N等認為聲頻定向系統(tǒng)可用于電信會議中；K. Aoki等認為聲頻定向系統(tǒng)可應用于人行道上，通過聲音引導行人（尤其是盲人）安全行走；Nakadai Kazuhiro等提出聲頻定向系統(tǒng)可用于人與人形機的聲音交互中，即給人形機安上一個聲頻定向系統(tǒng)，這樣當人與人形機同時說話時，人形機只會接收到人的聲音，從而可提高人形機的語音識別能力；Svanfeldt Gunilla等則提出聲頻定向系統(tǒng)可應用于語音失真分析上。

(6)功率放大技術

早在20世紀70年代就有人提出采用單頻載波開關調(diào)制作為一種提高水下聲學參量陣電聲效率的簡單、實用方法，該方法接近于理想效率。在較長的一段時期內(nèi)，采用類似方法以提高聲頻定向系統(tǒng)電聲效率一直為眾多研究者所采用。

(7)替代技術研究

除了利用超聲波在空氣中的非線性傳播效應產(chǎn)生高指向性可聽聲外，Enomoto Seigo等提出可利用邊界面的控制原理來實現(xiàn)一種新的指向性聲源，并通過數(shù)字計算與實驗對其系統(tǒng)設計與控制效應基本特征構建準則進行了驗證。