CN103168480B - 改善的参量信号处理和发射器系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成参量信号的信号处理系统（10），其包含可操作用于压缩音频输入信号的动态范围的音频压缩器（14a，14b），以及可操作用于均衡音频信号的均衡网络（16a，16b）。低通滤波器（18a，18b）可操作用于去除音频信号的高部分，并且高通滤波器（20a，20b）可操作用于去除音频信号的低部分。振荡器电路（22a，22b）可操作用于生成载波信号，并且调制电路（23）可操作用于将音频信号与载波信号组合，从而产生至少一个经调制载波信号。

Description

改善的参量信号处理和发射器系统及相关方法

相关领域的交叉参考

要求2010年6月14日提交的美国临时专利申请序列号61/354，533，以及2011年2月12日提交的美国临时专利申请序列号61/445，195的优先权，该两个申请每个都以其全部内容合并在此作为参考。

技术领域

本发明一般涉及在音频再现中使用的信号处理系统的领域。

背景技术

非线性换能例如空气中的参量阵（parametricarray）起因于充足强度的音频调制的超声信号引入气柱。自解调或降频变换沿气柱发生，导致可听声学信号的产生。该过程的发生是由于已知物理原理，即，当具有不同频率的两个声波在相同介质中同时辐射时，包括两个频率的和与差的经调制波形由两个声波的非线性的（参量的）互作用产生。当两个原声波是超声波并且它们之间的差被选择为音频频率时，可以由参量相互作用生成可听声音。

尽管已在众多出版物中提出非线性换能的理论，但利用该感兴趣现象的商业尝试基本失败。对这种技术大部分完整的基本概念，尽管在实验室条件下相对容易实施和展示，但不适于其中相对高的音量输出为必需的应用。由于现有技术的技术特性已应用于需要高音量水平的商业或工业应用，在不适当的系统中已导致参量产生的声音输出的失真。

无论发射器是压电发射器或PVDF膜或静电发射器，为实现有用量值的音量水平，常规系统经常需要以强水平驱动发射器。这些强水平经常大于发射器设备的物理限制，导致高水平的失真或高比率的发射器故障，或两者皆有，而没有实现许多商业应用所需要的量值。

解决这些问题的努力包括这样的技术例如将音频信号求平方根、利用带有在较高音量转换到双边带（“DSB”）振幅/幅度调制的在低音量水平的单边带（“SSB”）振幅/幅度调制、递归纠错技术等。尽管这些技术中的每个都已证明具有一些价值，但它们没有单独地或组合地允许创造具有高质量、低失真和高输出音量的参量发射器系统。实际上，本发明人已发现在某些条件下，上述技术中的一些实际导致比在没有这些现有技术存在的相似部件的精制系统更多的测量失真。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供用于生成超声信号的信号处理系统，包括可操作用于压缩音频输入信号的动态范围的音频压缩器。均衡网络可以可操作用于均衡音频信号。低通滤波器可以可操作用于去除音频信号的高部分，并且高通滤波器可以可操作用于去除音频信号的低部分。振荡器电路可以可操作用于生成载波信号。调制电路可以可操作用于将音频信号与载波信号组合，从而产生至少一个经调制载波信号。

根据本发明的另一方面，用于生成参量信号的信号处理系统可以包括：可操作用于压缩音频输入信号的动态范围的音频压缩器；可操作用于均衡音频信号的均衡网络；可操作用于去除音频信号的高部分的低通滤波器和可操作用于去除音频信号的低部分的高通滤波器；可操作用于生成载波信号的振荡器电路；以及可操作用于将音频信号与载波信号组合从而产生至少一个经调制载波信号的调制电路。

根据本发明的另一方面，用于生成参量信号的信号处理系统可以基本包括：可操作用于压缩音频输入信号的动态范围的音频压缩器；可操作用于均衡音频信号的均衡网络；可操作用于去除音频信号的高部分的低通滤波器和可操作用于去除音频信号的低部分的高通滤波器；可操作用于生成载波信号的振荡器电路；以及可操作用于将音频信号与载波信号组合从而产生至少一个经调制载波信号的调制电路。

根据本发明的另一方面，提供用于生成可以作为参量波发射的经调制载波信号的方法，其包含：压缩音频输入信号的动态范围从而生成经压缩音频信号；均衡音频信号从而生成经均衡音频信号；对音频信号进行带通滤波从而生成经滤波音频信号；以及用经压缩音频信号调制载波信号从而生成经调制载波信号。

根据本发明的另一方面，提供用于生成参量声音的方法，包括：i）用信号处理系统处理音频输入信号，该信号处理系统包括：可操作用于压缩音频输入信号的动态范围的音频压缩器；均衡网络；可操作用于去除音频信号的高部分的低通滤波器；可操作用于去除音频信号的低部分的高通滤波器；可操作用于生成载波信号的振荡器电路；以及可操作用于将音频信号与载波信号组合从而产生至少一个经调制载波信号的调制电路；ii）向发射器组件提供至少一个经调制载波信号；以及iii）从发射器组件发射经调制载波信号进入非线性介质。

本发明的另外特征和优点将从以下连同附图的详细描述变得明显，该详细描述和附图一起作为示例说明本发明的特征。

附图说明

以下附图图示说明用于执行本发明的示例性实施例。相似参考标号在附图中指代本发明的不同视图或实施例中的相似部分。

图1是根据本发明的一个实施例的示例性信号处理系统的框图；

图2是根据本发明的实施例的示例性放大器和发射器布置的框图；

图3A是由常规信号处理系统生成的典型双边带调制信号的频率响应曲线，该曲线与在其上重叠的根据本发明的改善频率响应曲线（具有增加的振幅）一起示出；

图3B是由常规信号处理系统生成的典型单边带调制信号的频率响应曲线，该曲线与在其上重叠的根据本发明的改善频率响应曲线（具有增加的振幅）一起示出；

图4是图示说明根据本发明的一个实施例的处理音频信号的示例性方法的流程图；

图5是根据本发明的实施例的示例性发射器的示意透视图；

图6是图5的发射器的一个实施例的示意端视图；

图7是图5的发射器的另一配置的示意端视图；

图8是图5的发射器的另一配置的局部示意端视图；

图9是图5的发射器的另一配置的局部示意端视图；

图10是由常规信号处理系统生成的典型信号的频率响应曲线，该曲线与在其上重叠的根据本发明的改善频率响应曲线（具有增加的振幅）一起示出；

图11是根据本发明的实施例策略上选择通过将保护屏从发射器面有目的隔开而产生的驻波的频率的一个方式的图形表示；

图12是根据本发明的实施例的示例性放大器和发射器布置的框图；

图13是根据本发明的实施例的示例性放大器和发射器布置的框图；

图14是根据本发明的实施例的示例性放大器和发射器布置的框图；

图15是根据本发明的实施例的在感应器/变压器组件中使用的罐形铁芯（potcore）的剖面图；

图16是由常规信号处理系统生成的信号的频率响应曲线，该曲线与在其上重叠的根据本发明的改善频率响应曲线（具有增加的振幅）一起示出；以及

图17包括图示说明根据本发明的一个实施例将参量发射器系统最优化的方法的流程图，该系统具有耦合在放大器和发射器之间的罐形铁芯变压器。

具体实施方式

现在参考在附图中图示说明的示例性实施例，并且具体语言在此用来描述示例性实施例。然而应理解不由此意图限制本发明的保护范围。相关领域和拥有本公开的技术人员应想到在本文说明的本发明的特征的变更和进一步修改以及如在本文的本发明的原理的另外应用将被认为在本发明的范围内。

定义

如在此使用，单数形式“一个”和“该”可以包括复数对象，除上下文以其他方式明确规定之外。因此，例如提到“一个发射器”可以包括一个或更多这样的发射器。

如在此使用，术语“基本”指代动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或接近完全的范围或程度。例如，被“基本”包围的对象意思是该对象被完全包围或接近完全包围。与绝对完全性偏离的准确可允许程度可能在一些情况下取决于具体上下文。然而，一般说来完全的接近度将使得具有如同获得绝对且全部完全一样的相同总体结果。当在负面含义中使用从而指代动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或接近完全的缺少时，“基本”的使用同样可应用。换言之，“基本没有”要素或元件的组成实际上仍可以含有这种项目，只要没有其可测量的效果。

如在此使用，术语“大约”用来通过提供可以“稍高于”或“稍低于”端点的给定值，为数值范围端点提供灵活性。

如在此使用，多个项目、结构元件、组成元件和/或材料可以为方便而在共同列表中呈现。然而，这些列表应解释为尽管列表的每个项都单独识别为分离且唯一的项。因此，在没有相反表示的情况下，这种列表的任何个体项都不应基于相同列表中的任何其他项在共同集合中的存在被单独解释为任何其他项的事实等效。

数值数据可以在此以范围格式表达或呈现。应理解这样的范围格式仅为方便和简洁目的使用，并因此应灵活解释为不仅包括明确陈述为范围限制的数值，而且还包括包含在该范围内的全部个体数值或子范围，如同每个数值和子范围都明确陈述一样。如在此说明，“大约1到大约5”的数值范围应解释为不仅包括大约1到大约5的明确陈述值，而且还包括在已表明范围内的个体值和子范围。因此，包括在该数值范围中的是个体值例如2、3和4，以及子范围例如来自1-3、来自2-4和来自3-5等，以及个体值1、2、3、4和5。

该相同原理应用于仅陈述一个数值作为最小值或最大值的范围。此外，不管被描述的范围或特性的宽度如何，这种解释都应该适用。

发明

本发明涉及在生成参量音频信号中使用的改善的信号处理系统。已证明本文描述的系统比现有技术的系统有效得多（用低得多的功耗产生更大输出），同时也提供使用现有技术的参量发射器系统不能实现的声音质量。

根据本发明的一个示例性非限制信号处理系统10在图1中示意图示。在该实施例中，各种处理电路或部件以根据本发明的一个实现方式排列它们的逐步顺序（相对于信号的处理路径）图示说明。尽管本发明的一个或更多实施例限于在此讨论或示出的具体顺序，但应理解处理电路的部件可以随着其中输入信号由每个电路或部件处理的顺序而变化。同样，取决于实施例，处理系统10可以包括比示出的部件或电路更多或更少的部件或电路。

同样，在图1中示出的示例被最优化以便在处理多个输入和输出通道（例如“立体声”信号）中使用，其中各种部件或电路包括用于信号的每个通道的基本匹配的部件。应理解系统可以对单信号通道（例如，“单声道”信号）同样有效实施，在单信号通道情况中部件或电路的单通道可以代替示出的多通道。

现在参考在图1中示出的示例性实施例，多通道信号处理系统10可以包括可以对应于音频输入信号的左通道12a和右通道12b的音频输入。压缩器电路14a、14b压缩进入信号的动态范围，有效升高进入信号的某些部分的振幅/幅度，并降低进入信号的某些其他部分的振幅/幅度，导致较狭窄范围的音频振幅/幅度。在一个方面中，压缩器以不小于约2：1的比率缩小输入信号的峰间振幅。将输入信号调整到较狭窄范围的振幅可以有利地消除该类调制系统的受限动态范围特有的过调制失真。

在音频信号压缩之后，均衡网络16a、16b提供信号的均衡。均衡网络将较低频率有利提升从而增加由参量发射器组件的发射器/感应器组合（例如，在图2中的32a、32b）自然提供的益处。

低通滤波器电路18a、18b可以用来提供信号的高部分的硬切断，同时高通滤波器电路20a、20b提供音频信号的低部分的硬切断。在本发明的一个示例性实施例中，低通滤波器18a、18b用来切除高于15kHz的信号，并且高通滤波器20a、20b用来切除低于200Hz的信号（这些切断点是示例性的，并且基于利用具有约五十平方英寸的发射器面的发射器的系统）。

高通滤波器20a、20b可以有利切除在调制之后导致载频的非常小的偏差的低频（例如，图3A和3B的经调制信号最接近载频的那些部分）。对于系统来说这些低频非常难以有效再现（例如，尝试再现这些频率可能浪费许多能量），并且试图再现它们可能极大地压迫发射器薄膜（因为它们会另外生成发射器薄膜的最剧烈运动）。

低通滤波器18a、18b可以有利切除在调制之后可能导致以载波产生可听差拍信号（beatsignal）的较高频率。例如，如果在约44kHz的载频的情况下低通滤波器切除高于15kHz的频率，那么差信号不低于约29kHz，这仍在人的可听范围之外。然而，如果允许高达25kHz的频率通过滤波器电路，那么生成的差信号可以在19kHz的范围内，其恰好处于人听力的范围内。

在示出的示例性实施例中，在通过低通和高通滤波器之后，音频信号由调制器22a和22b调制，其中它们与由振荡器23生成的载波信号组合。尽管不是那么需要，但在本发明的一个方面中，单个振荡器（其在一个实施例中以约40kHz到50kHz之间选择的频率被驱动，该范围对应于可以在振荡器中使用的容易得到的晶体）用来驱动调制器22a、22b两者。通过为多个调制器利用单个振荡器，为在24a、24b从调制器输出的多个通道提供相同载频。本发明的该方面可以消除可能以其他方式在通道之间出现的任何可听拍频的生成，同时降低总分量数。

尽管不是那么需要，但在本发明的一个方面中，可以包括用来滤除低于约25kHz的信号的高通滤波器27a、27b。这样，系统可以确保没有可听频率经输出端24a、24b进入放大器。同样，仅经调制载波被馈送到放大器，而没有伴随的音频伪迹（audioartifacts）。

因此，信号处理系统10在12a、12b接收音频输入，并在将这些信号馈送到调制器22a、22b之前处理这些信号。在23提供振荡信号，然后在24a、24b的结果输出包括载波（通常是超声波）和将要再现的、通常调制到载波上的音频信号。（一个或多个）结果输出一旦在非线性介质例如空气中发射，则在非线性介质内产生高指向性的参量声音。

对于以经由两个超声波的发射产生可听波后面的技术为基础的更多背景，读者可关注先前授予本发明人的众多专利，包括美国专利US.5889870和6229899，这些专利以其与本文的教导相容的范围包括在此作为参考。由于由本发明人做出的众多随后开发，因此这些较早工作在其间出现任何差异的情况下解释为对本公开的辅助。

现在转到图2，来自信号处理系统10的输出端24a、24b可以电气耦合到放大器26a、26b。在放大之后，信号可以被发送到发射器组件30a、30b，发射器组件30a、30b可以是能够发射超声信号的任何各种已知发射器。在本发明的一个方面中，感应器28a、28b可以在发射器30a、30b上“机载（on-board）”设置（例如，在相同外壳内，或附连到外壳，或邻近或接近相同外壳设置）。通过将感应器机载设置在发射器上，可以通过使用普通扬声器线将信号从处理系统跨大幅距离传送到发射器（或从放大器到发射器），而不使承载信号的普通扬声器线遭受高压。

其中谐振匹配感应器放置在放大器板上的常规单元可能在将调制信号传送到发射器的线路或电缆中的感应器之间生成非常高的电压。这些电压可以充分高，以至于导致信号线在AM或FM无线电频带上穿过空气进行辐射，由此导致干扰。该辐射可能从载波的谐波发生，或从D类功率放大器中使用的切换频率发生，因此产生获得必需的FCC和UL许可的问题。

通过将本发明的一个感应器或多个感应器邻近发射器并远离功率放大部件和信号处理部件耦合，实际上任何长度的布线都可以将信号处理系统和发射器分离。这样，由感应器（28a、28b）和发射器（30a、30b）的谐振电路生成的峰间（“p/p”）放大器输出电压的8-10倍的倍增不经过该布线（与在常规单元中所见相同）。该解决方案也避免信号处理部件、功率放大器和发射器封装在相同单元内的需要，允许制造和改造设计中的更大灵活性。尽管一个感应器或多个感应器距发射器的位置可以变化，但在一个方面中，一个感应器或多个感应器位于距发射器至少约三英寸内。在一个实施例中，一个感应器或多个感应器位于距系统的功率放大部件和信号处理部件至少约两英尺内。

可以利用各种合适类型的感应器28a、28b。然而，在本发明的一个方面中，采用了全屏蔽感应器例如罐形铁芯感应器。这可以最小化或消除当感应器放置在发射器上或接近发射器放置时生成的热点。因为罐形铁芯材料自身是有效磁屏蔽而不导电，所以这种感应器可以紧密靠近发射器放置，不担心任何种类的互耦。将感应器靠近发射器放置的能力有助于提供充分薄、轻且更美观的发射器。

如本领域技术人员认识到，信号处理系统10由以非常低的功耗操作的相对便宜的部件构成。通过使用现代集成电路，全部功能可以在单个可编程芯片（诸如目前以商品名AnalogDevices’ADAU1701销售的器件）中实现。本系统的唯一显著功耗由放大器26a、26b（图2）产生，其可以用许多现代的现货D类放大器最小化。信号处理系统也允许使用来自现有系统的功率放大器，提供将该处理系统并入各种现有技术的自由。例如，尽管放大器26a、26b容易购买到（并且相对便宜），但系统的用户可能期望使用来自现有机器（例如售货机）的放大器。在此情况下，图1的信号处理系统可以容易并入现有机器，从而向该机器的现有放大器提供参量音频能力。

信号处理系统10提供优于现有技术系统的多个优点。例如，在与常规电气灵敏的机械响应（“ESMR”）的薄膜发射器一起使用时，常规系统经常向发射器薄膜提供峰值高达800伏的电压。许多这种薄膜发射器在800伏（p/p）或更低时开始损坏。通过将音频振幅压缩和音频带通限制组合，已经发现当前系统在不多于约300伏p/p时达到峰值，大大低于大多数薄膜发射器的最大操作电压。

另外，信号移出（signaltake-off）连接（在附图中没有示出）可以容易并入本信号处理系统（例如在音频压缩器14a、14b之前），从而驱动常规低频部件例如超重低音扬声器。通常，由于人耳不能检测低频音的指向性，因此为这种设备提供指向性的需要不重要。因此，本系统可以用高质量的参量性能满足一定范围的音频输出频率。另外，本发明可以包括音量控制（未示出），其可以为来自不同音频源（诸如iPods^TM、无线电、CD播放器、麦克风等）的不同线路输入调整音量。

在期望时，信号处理系统10可以包括自动静音特征/构件，在没有音频信号存在的情况下自动静音特征/构件减小或消除到放大器的功率。该特征/构件可以并入图1和2中图示的一个或更多部件或电路。通过在缺少音频信号的情况下减小或消除向放大器提供的功率，可以最小化不必需的功率使用和热生成。

信号处理系统可以有利产生可以连接到各种发射器类型并由各种发射器类型使用的输出。在一个示例中，已发现ESMR薄膜发射器特别有效。一些示例性的常规ESMR薄膜发射器在美国专利公开No.20050100181中讨论，该公开以其与本文的教导相容的范围包括在此作为参考（然而，较早工作在其间出现任何差异的情况下解释为对本公开的辅助）。

图3A图示说明由本发明提供的优点中的一些，其中使用双边带振幅调制方案。在图3A中，示出常规信号发生器的频率特性，例如其可以是40kHz谐振频率。在操作期间，上下边带作为载波的双边带振幅调制的结果由音频输入信号生成。显示重叠在其上的是由本发明生成的信号的频率特性。如示出，本系统生成具有相对于常规信号输出充分增加的总振幅的信号，而不需要功率输入的对应增加。

图3B图示说明由本发明提供的优点中的一些，其中使用单边带振幅调制方案。在图3B中，示出常规信号发生器的频率特性，例如其可以是25kHz谐振频率。在操作期间，上边带作为载波的单边带振幅调制的结果由音频输入信号生成。显示重叠在其上的是由本发明生成的信号的频率特性。如示出，本系统生成具有相对于常规信号输出充分增加的总振幅的信号，而不需要功率输入的对应增加。

上述的系统可以提供优于常规系统的众多优点。由于声音输出和质量的提高，以及精确处理立体声输入的能力，因此两个发射器可以一起用来产生真实的双耳声音质量，而不需要使用耳机（如所有常规双耳系统所用的）。

本系统的功率需求相对现有技术系统的功率需求急剧减少。本信号处理系统可以由简单的电源驱动，并且在峰值使用时消耗低至每声道9瓦。常规系统通常在峰值使用时消耗130瓦，并且可以在持续使用期间消耗80-130瓦的范围。尽管具有该减小的功率需求，但已测量本系统输出常规系统若干倍的音量。

由本系统产生的失真水平显著低于常规系统。已测量一些这样的系统产生50-80%的失真。本系统测量低于30%的失真（在与单边带或SSB调制一起使用时，失真可以低至5-10%）。

尽管具有本系统提供的全部优点，但本系统还可以用相对简单的部件以常规系统成本的一部分来制造。例如，可以利用现代集成电路以使全部功能都在单个可编程芯片中实现。在一个实施例中，当前以商品名AnalogDevicesADAU1701销售的音频处理器用来实现图1所示出的功能性。因此，完整系统可能仅需要三个或四个容易购得的部件：上述的音频处理器；存储编程并支持音频处理器的机器可读介质（例如EPROM芯片）以及提供调制信号的小型晶体。在一个实施例中，D类放大器可以用来放大产生的信号。

部件中的一些或全部可以是数字部件，其展现约90%的效率（与用模拟部件可获得的20-35%比较），并且比许多模拟部件可靠得多。数字部件也减小供电需要并需要小得多的散热器。

本领域技术人员将认识到系统的任何配置可以根据具体实现方式用于各种目的。实现本发明的控制逻辑或软件可以存储在由音频处理器本地或远程可访问/可本地或远程访问音频处理器的任何机器可读介质上。机器可读介质可以包括用于以机器可读的形式存储或传输信息的任何机构。例如，机器可读介质可以包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、磁盘存储介质、光存储介质、闪存存储器器件，电信号、光信号、声学信号或其他形式的传播信号（例如，载波、红外信号、数字信号等）。

在本发明的一个方面中，可以主要使用数字信号处理（“DSP”）技术和部件执行信号处理功能。在DSP部件的存储器存储容量不足的情况下，一个或更多音频代码可以用于A/D转换。

现在转到图4，示出根据本发明的处理音频信号的示例性方法。在该示例中，输入音频信号的动态范围可以在40处被压缩（在一些实施例中，在音频信号的调制之前执行压缩）。在42，可以均衡音频信号。在44，带通模块可以对音频信号进行滤波。在46，可以使用音频信号调制载波。在48，经调制载波可以被提供给合适的发射器。

现在转到图5，大体示出（并在图6中更详细示出）在30a由本系统提供的一种具体的示例性发射器配置。在本发明的该方面中，支撑构件150可以包括附连到支撑构件150的发声材料（soundemittivematerial）（例如ESMR薄膜）152。当提供有来自信号处理系统10（在这些图中未示出）的信号时，发声材料传播如上面讨论生成的参量声波，导致高指向性的声柱（没有在图中详细示出）的形成。保护屏或保护盖154可以位于发声材料之上，从而保护材料免于用户不慎接触，并且由于保护屏距发声材料的策略性间距因此显著增加输出。保护屏或保护盖154可以包括允许参量波穿过保护屏同时增加发射的输出水平的一系列孔156。

如本领域技术人员将容易理解的，尽管可能期望（或者甚至需要）保护屏或保护盖保护产品的用户和发射膜本身，但在过去，保护盖或保护屏的存在对发射器单元的输出具有负面影响。例如已预期保护屏无论如何设计都干扰发射器的操作的结果。然而，本发明人已开发出不负面影响发射器单元的输出的保护屏系统，并由于驻波的增强作用，因此在不引入失真或其他负面声音质量的情况下实际增加发射器的输出。

如由图4中的示例示出，在本发明的一个方面中，保护屏或保护盖154可以以距离“d”有目的地与发声薄膜152隔开，该距离“d”是发射器的谐振频率的函数。通过仔细控制该距离“d”，本发明人已开发出发射器系统（包括保护盖或保护屏），该发射器系统具有的已测量的输出充分高于由不使用保护盖屏的系统发射的输出。

尽管保护屏相对于发射器的间距“d”可以变化，但在一个方面中该间距等于谐振频率的一个波长。例如，在谐振频率设计为40kHz的情况下，该间距是约0.337英寸（从保护屏里面到发射器薄膜面测量）。因此安置的具有保护盖或保护屏的发射器具有可测量地增加的输出。据信由于在薄膜和保护屏之间驻波的产生，因此该间距增强发射器的输出。

除增加发射器输出的振幅之外，控制保护屏距发射器薄膜的间距也可以大大减少输出信号中的失真。在本发明的一个方面中，可以更改保护屏的间距从而调整保护屏和发射器面之间空隙的声阻抗。更具体地，据信通过保护屏的受控制间距更改直接邻近发射器面的空隙的声阻抗，从而更精密地匹配发射器薄膜的声阻抗。据信该结果由于用声能加载空隙得以实现，其中声能是由阻塞声音而不是允许声音经过保护屏的保护屏部分（例如，不是孔的保护屏的实心部分）偏转回发射器的。

这样，稳定发射薄膜的输出，从而导致由发射器产生的声音的失真的可观减少。在本发明的一个方面中，该效果功能上还涉及以发射器的谐振频率的波长的增量隔开保护屏。例如，该效果似乎在间距是谐振频率的一个波长，和/或其部分/分数（例如，1/4波长、1/2波长、3/4波长等）时更明显。

也发现改变孔156的直径也可以积极影响发射薄膜的输出。在一个示例中，用谐振频率波长的大约一半的直径形成孔是最优的。也可以采用具有谐振频率波长的其他分数测量值的直径的孔。同样，尽管在图5中示出的孔是大体圆形，但它们可以按期望以更像狭缝形状（例如，椭圆形）的配置形成。同样，孔可以与以彼此的相对间距示出的示例不同；它们可以比例图中示出的间距彼此更远或更近隔开。

保护屏或保护盖154的间距可以用多种方式实现。在图6中示出的示例性实施例中，垫片162可以安装在发射器面的每个边缘上，从而将保护屏维持在距发射薄膜面的指定距离“d”处。垫片162可以包括在其下部面上形成的导体160，导体160可以提供到发射材料的一个面的电气连接。另一导电带158可以安装在发射材料之下，从而为发射材料的该侧面提供电气连接。因此，可以跨发射材料的基本整个长度制作与该材料的牢固电气连接。

垫片162可以由各种材料形成。然而，在导电带与垫片接触的情况下，垫片最好由非导电材料形成，诸如木头、塑料等（或用非导电材料涂覆或绝缘）。

图7图示说明其中保护屏或保护盖154b可以维持或保持在预定位置“d”的另一方式。在该实施例中，支撑构件150附连在外壳164b内。支撑构件的附连以利用肩形件/肩形突出物166a、166b的示例示出，但任何数目的附连方案都可以用来将支撑构件耦合到外壳或耦合在外壳内。在示出的实施例中，外壳包括一对向上且向外成角度的侧壁170a、170b。保护盖或保护屏154b可以包括一对向下且向内成角度的侧壁172a、172b。各侧壁的角度可以相互对应，以使在侧壁相互接合时保护屏或保护盖稳固保持外壳164b的边缘174a、174b。这样，一旦保护盖或保护屏被安装在外壳上方，则维持距离“d”。

保护盖或保护屏154b在外壳164b上方（或到外壳164b）的安装可以用多种方式实现。在一个方面中，保护盖或保护屏可以相对于外壳纵向滑动，从而在侧壁170a、172a和170b、172b分别相互接合时接合外壳。锁定装置（未示出）例如凹口或“搭扣配合”位置可以用于在保护盖或保护屏滑入期望位置时将保护盖或保护屏固定在外壳上方的期望位置。在另一方面中，保护盖或保护屏的侧壁可以在外壳的侧壁上方“搭扣配合”从而将保护盖或保护屏固定在适当位置。如由拥有本公开的本领域技术人员将认识到，侧壁相对保护屏或保护盖的正面176变化的精确角度不是关键。然而，该角度应与九十度充分不同，以使保护盖或保护屏不容易从外壳脱落。

现在转到图8，示出外壳164c和保护屏154c的另一示例性配置（仅示出该配置的一个边缘，相对边缘可以是示出边缘的镜像图像）。在本发明的该方面中，外壳的侧壁178b包括凹口179。保护屏或保护盖的侧壁180b包括凸起181。为了在外壳上方安装保护屏或保护盖，凸起181可以“搭扣配合”进入凹口179，从而将保护盖或保护屏固定并保持在预定距离“d”。凹口和凸起可以基本完全沿外壳的边缘或仅部分地沿该边缘纵向延伸。在本发明的一些方面中，多个凹口可以沿侧壁178b纵向分布，并且多个凸起可以沿侧壁180b纵向分布。

另外，尽管示出的实施例在外壳164c的侧壁178b中包括至少一个凹口179（在保护屏或保护盖154c的侧壁180b中有对应凸起181），将理解凹口和凸起的定位可以互换。即，侧壁178b可以具有凸起，并且侧壁180b可以具有凹口。

在图9中图示说明的实施例中，随着侧壁184相对于侧壁186滑动，保护盖154d可以在外壳164d上方自由滑动。一旦形成期望的分离距离“d”，则可以利用紧固件188将保护盖或保护屏相对于彼此固定。

尽管在图7、8和9中示出的各种紧固方案相互独立示出，但应理解多于一种类型的紧固方案可以用来将保护盖固定并保持到外壳。例如，图7的成角侧壁可以与图8的凸起/凹口方案一起使用，并且如果期望，则机械紧固件可以用来固定组件从而防止保护屏或保护盖相对于外壳的意外移动。

图10和11图示说明由本发明提供的优点。在图10中，示出常规信号发生器的频率特性，例如其可以是40kHz的谐振频率。在操作期间，由于载波由音频输入信号双边带振幅调制，因此生成上下边带。显示重叠在其上的是由本发明生成的信号的频率特性。通过在发射器前面的保护屏154的策略性间距（如在图6、7、8和9中图示的），系统的总振幅相对于常规信号输出充分增加，而不需要对应增加功率输入。

图11以图表方式图示说明选择保护屏距发射器薄膜面的间距的一个方式。例如，发射器的自然谐振频率可以在46.8kHz建立（其仅为发射器的物理配置的因素）。在图11中示出的46.8kHz的峰值理论上是发射器应以其操作的频率特性。然而，只要功率施加到发射器薄膜，则其稍微加热（与任何电容材料相同），并导致谐振操作频率向下移位（到在图11中示出的42.6kHz的峰值）。使用本系统，该移位在向发射器施加功率之后约五到十秒发生。

在本发明的一个实施例中，选定保护屏间距（在图6、7、8和9中的“d”），从而使得在升温之后响应曲线移动到的频率（例如，在示出的示例中移动到42.6kHz）的位置形成驻波。驻波在系统的操作谐振频率下的形成增加系统输出的大小，如在图11中示出。该有目的的间距导致测量到多达5-6dB的输出的增加。

上述系统可以提供优于常规系统的众多优点。由于声音输出和质量的提高，以及精确处理立体声输入的能力，因此两个发射器可以一起用来产生真实的双耳声音质量，而不需要使用耳机（如所有常规双耳系统所用的）。

本系统的功率需求相对现有技术系统的功率需求急剧减少。本信号处理系统可以由简单电源驱动，并在峰值使用时消耗低至每通道22瓦。常规系统通常在峰值使用时消耗130瓦，并且可以在持续使用期间消耗80-130瓦的范围。尽管具有该减小的功率需求，但已测量本系统输出常规系统若干倍的音量。

由本系统产生的失真水平显著低于常规系统。已测量一些这样的系统产生50-80%的失真。本系统测量低于约30%的失真，这是优于常规单元的显著改善。

尽管不需要，但在本发明的一个方面中，具有负温度系数的电容器（未示出）可以与该薄膜并联耦合在发射薄膜两端。这样，当使用期间发射器的温度升高时，电容器的系数降低，由此由发射器维持相对恒定的频率响应。

现在转到图12，根据本发明的一个方面示出一个示例性放大器/发射器配置。注意，为容易描述，仅示出耦合到来自图1的输出端24a的一个放大器/发射器配置。通常，来自图1的电路将供给两组这样的放大器/发射器，这两组放大器/发射器从输出端24a和24b供给（在此情况下，由于共同的振荡器23，因此相同载波信号可以施加于两组放大器/发射器）。

通常，来自信号处理系统10的信号电耦合到放大器226a。在放大之后，信号输送到发射器组件232a。在所示的实施例中，发射器组件包含可以超声水平操作的发射器230a。感应器228a与发射器230a形成并联谐振电路。通过配置与发射器并联的感应器，电流循环流过感应器和发射器（如由环路240示意表示），并且可以实现并联谐振电路。

许多常规系统利用与发射器串联定向的感应器。该布置的缺点是这样的谐振电路必然导致浪费电流流过感应器。如在本领域中已知，发射器230a在（或接近）电路中实现电气谐振的点执行最佳。然而，放大器226a引起在电路中的变化，该变化可以由温度、信号方差、系统性能等改变。因此，当感应器228a与发射器（和放大器）串联定向时，可能更难在电路中获得（并维持）稳定谐振。

在图12中示出的本发明的实施例允许在循环电流路径（例如环路240）中没有放大器直接存在的情况下，在感应器-发射器电路中实现谐振，导致发射器的更稳定且可预测的性能，以及与常规串联谐振电路相比明显更低的浪费功率。以最优系统性能获得谐振可以大大改善系统的效率（即，降低由系统消耗的功率）并大大减少由系统产生的热。

感应器228a可以具有本领域技术人员已知的各种类型。然而，感应器生成可以“泄漏”超过感应器界限的磁场。该场可能干扰参量发射器的操作和/或响应。同样，在参量声音应用中使用的许多感应器/发射器对以生成大量热能的电压操作。热也可能负面影响参量发射器的性能。

由于至少这些原因，在大多数常规参量声音系统中，感应器实际定位成与发射器相距相当大的距离。尽管该解决方案解决上面概述的问题，但其增加另一显著复杂因素：由感应器传送到发射器的信号一般是相对高的电压（大约160V的峰间值或更高）。同样，将感应器连接到发射器的布线必须为高压应用设定。同样，布线的长期“运行”在某些设施中可能是必需的，这可能是昂贵且危险的，并且也可能干扰与参量发射器系统无关的通信系统。

本发明人已用多种方式解决该问题。在本发明的一个方面中，感应器228a（并且作为在图13和14中示出的变压器239、239’的部件241、241’）是容纳在罐形铁芯250（图15）内通常由铁氧体材料形成的“罐形铁芯（potcore）”感应器。罐形铁芯用来限制感应器绕组和由感应器生成的磁场。在图15中在250示出的罐形铁芯仅为示例性目的示出。这样的罐形铁芯通常包括外壁253和内壁251。外壁将变压器的绕组基本完全包围在罐形铁芯内，同时变压器的绕组围绕内壁。

通常，罐形铁芯250包括限定空腔252的两个铁氧体半部，感应器的线圈可以设置在该空腔252内（在被设置在空腔内之前，感应器的绕组一般在线轴或相似结构上缠绕）。间隙“G”可以用来在不影响磁芯的屏蔽能力（在罐形铁芯内的（一个或多个）感应器被基本完全屏蔽）的情况下动态提高罐形铁芯的磁导率。因此，通过增加间隙“G”的尺寸，提高罐形铁芯的磁导率。然而，增大间隙也导致容纳在罐形铁芯内的（一个或多个）感应器中需要的匝数的增加以便实现期望量的电感。

因此，大间隙可以在不牺牲磁芯的屏蔽性质的情况下动态提高磁导率，并同时减少由容纳在罐形铁芯内的感应器生成的热。然而，通过增加间隙的尺寸，在感应器（228a、241、241’）上需要更多绕组从而实现匹配发射器230a（例如，形成具有发射器的谐振电路）需要的电感。如在下面进一步讨论，本发明人利用该外观上的不足来增加间隙“G”的尺寸。

参量声音产生的许多常规途径面对的另一障碍在于关于放大器和发射器之间关系的问题。一般说来，由放大器处理的频率越高，放大器最佳适合操作的阻抗越高（在此情况下，由放大器经受的阻抗是由感应器/发射器对以及由全部放大器/感应器/发射器电路引入的负载的结果）。在参量声音产生的情况下，操作信号一般是40kHz（或以上）。以尽可能高的频率工作的放大器在经受相对高的负载阻抗（大约8到12欧）时工作最佳。然而，常规参量电路经常给予放大器具有低至3欧或更低阻抗的负载。这样低的阻抗即使对于常规音频放大器也被视为过低而无法最优操作。

为解决该问题，期望增加感应器/发射器电路的阻抗从而改善放大器的性能。然而，由于参量发射器的可用设计受限制，并由于在感应器/放大器对中获得谐振最优，因此在不会不利影响作为整体的单元的性能的情况下，不容易实现仅增加（或减少）由感应器/发射器施加到放大器的负载。

在面对这些考虑时，导致本发明人开发了同时解决多个问题的新颖方式。在图13中示出的实施例中，升压变压器239包括一对感应器元件241和242。在该布置中，感应器元件241用作次级绕组，并且感应器元件242用作初级绕组。在一个实施例中，初级绕组和次级绕组两者都容纳在图15中示出的罐形铁芯250内。这些元件的组合允许可以最优化到多个性能特性的高效发射器系统的设计。

如上面讨论，期望实现带有感应器元件241和发射器230a的并联谐振电路（图13的环路240）。然而，也期望由于感应器/发射器对（以及全部组件232a、232b、232c等）的负载因此增加由放大器226a经受的阻抗负载，从而提供放大器更适合操作的阻抗负载。还期望实现这些目标中的每个，同时将感应器物理上接近发射器定位，而没有由干扰发射器的感应器生成的辐射和热。本系统如下解决这些问题中的每个：

通过调整容纳感应器元件241和242的罐形铁芯的间隙“G”，可以调整感应器元件241中必需的匝数（较大的间隙“G”需要在感应器元件241上的更多匝从而维持与较小间隙“G”相同水平的电感）。感应器元件241是升压变压器239的次级绕组。通过增加感应器元件241上的匝数，在感应器元件242上的匝数也必须增加（从而在升压变压器中维持相同的比率）。有利地，通过增加感应器元件242上的匝数，由放大器226a“看到”或经受的阻抗负载增加。该增加阻抗导致放大器226a的执行大大优于低阻抗时。

因此，环路240和244（图13）中的每个都可以被“调节”从而以其最有效的水平操作。调整在罐形铁芯中的间隙“G”提供在不改变感应器元件241的期望电感（这以其他方式影响环路240中的谐振）的情况下调整感应器元件241中匝数的能力。这进而提供调整感应器元件242中匝数从而最佳匹配放大器最佳执行的阻抗负载的能力。因此，本发明人已发现将电路中可能的各种调整基本退耦（从物理和设计观点中的任一个或两个）的方式允许在不负面影响环路240的电路的情况下正面影响环路244的电路的改进。这通过认识到间隙“G”可以调整从而在感应器元件241中维持相同水平的电感同时允许调整感应器元件241中的匝数来实现。

由本系统提供的另一优点在于通过由于减小罐形铁芯250的总物理尺寸而简单增加间隙尺寸“G”，将罐形铁芯250的物理尺寸大大最小化。这样，可以利用非常小的罐形铁芯变压器，同时仍在元件241、241’中提供期望的电感从而形成与发射器230a的谐振，并且在元件242、242’中提供期望的电感从而提供放大器226a最佳操作的合适阻抗负载。这可以实现同时还防止变压器的饱和，如果利用较小变压器，则该饱和可能以另外方式发生。

该概念可以用多个方式实现。在图13中示出的示例中，利用其绕组包围在罐形铁芯250内的两个感应器元件241、242。在图14中示出的示例中，初级和次级绕组可以在普遍称为自耦变压器239’的变压器中组合，拥有本公开的本领域技术人员将容易认识到该变压器的操作和功能。自耦变压器可以被配置从而使得其绕组可以容易容纳在罐形铁芯内。

升压变压器的使用为本系统提供另外优点。因为变压器从放大器到发射器的方向“升压”，所以其必然从发射器到放大器的方向“降压”。因此，可能以其他方式从感应器/发射器对行进到放大器的任何负反馈由降压过程减小，因此通常最小化任何这种事件对放大器和系统的影响（特别地，可能影响由放大器经受的阻抗负载的感应器/发射器对的变化被大大最小化）。

在一个示例性实施例中，175/64绞合线用于初级和次级绕组。感应器元件241可以包括约25匝，并且感应器元件242可以包括约4.5匝。间隙“G”在约2mm建立（使用具有约36mm的直径“D”和约22mm的高度“H”的铁氧体罐形铁芯）。在该方面中，放大器经受约8欧的阻抗（在约44kHz的操作频率测量）。

上述的系统以明显低的产热（例如，明显高的效率）执行。在一个测试情境中，系统以90%调制以最大输出连续运行7天，每天24小时。在该测试之后（或期间），系统的测量温度即使完全偏离室温，也仅勉强偏离室温。由该改善性能提供的益处在图16中以图表形式可见。

图17的流程图示出本发明的一个示例性方法。在该过程中，提供将具有耦合在放大器和发射器之间的罐形铁芯变压器的参量发射器系统最优化的方法。该方法可以包括在260选择罐形铁芯变压器的初级绕组中需要的匝数，从而实现由放大器经受的最优水平的负载阻抗。在262，可以选择在变压器的次级绕组中需要的匝数，以便实现在次级绕组和发射器之间的电气谐振。在264，可以确定容纳变压器的罐形铁芯的最优物理尺寸，其中该罐形铁芯具有在其内壁中形成的间隙，其中变压器的绕组围绕内壁。在266，可以选择容纳变压器绕组的罐形铁芯的间隙的尺寸，从而减小罐形铁芯变压器的总物理尺寸，同时避免在发射器的操作期间该变压器的饱和。

尽管已描述本发明具有相对于可以处理音频信号的顺序以变化的位置描述的变化部件，但在本发明的一些实施例中，处理音频信号的顺序可以显著影响系统的性能。因此，一些（但不是全部）的要求保护的实施例限于叙述的精确部件，并且可以限于以要求或示出该部件的精确步骤顺序处理音频信号。相似地，在本文要求或描述的方法中的一些（但不是全部）限于叙述过程步骤的精确步骤顺序。

将理解上面提到的布置是本发明原理的说明性应用。尽管本发明已在附图中示出并且在上面与本发明的（多个）示例性实施例一起描述，但可以在不背离本发明的精神和范围的情况下设计众多修改和可替换布置。可以在不背离在示例中阐述的本发明的原理和概念的情况下做出众多修改对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (11)

1.一种参量信号发射系统，包含：

信号处理系统，所述信号处理系统生成超声载波信号，所述超声载波信号具有在其上调制的音频信号；

放大器，所述放大器可操作用于放大具有在其上调制的所述音频信号的所述载波信号；

发射器，所述发射器能够将具有在其上调制的所述音频信号的所述载波信号发射到流体介质中；以及

罐形铁芯变压器，所述罐形铁芯变压器可操作耦合在所述放大器和所述发射器之间；其中

所述罐形铁芯变压器的次级绕组和所述发射器被布置在并联谐振电路中；以及

其中所述罐形铁芯变压器的次级绕组中的匝数被选择成与所述发射器的电容产生电气谐振。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述罐形铁芯包括基本完全包围所述变压器的绕组的外壁，以及由所述变压器的所述绕组围绕的内壁。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述内壁包括限定在其中的间隙。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述罐形铁芯变压器的初级绕组中的匝数被选择成实现由所述放大器经受的最优水平的负载阻抗。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述变压器包含自耦变压器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述变压器附连到承载所述发射器的组件。

7.一种最优化参量发射器系统的方法，所述参量发射器系统具有耦合在放大器和发射器之间的罐形铁芯变压器，其中所述罐形铁芯变压器的次级绕组和所述发射器被布置在并联谐振电路中，所述方法包含：

选择所述罐形铁芯变压器的初级绕组中需要的匝数，从而实现由所述放大器经受的最优水平的负载阻抗。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：

选择所述罐形铁芯变压器的次级绕组中需要的匝数，从而实现在所述次级绕组和所述发射器之间的电气谐振。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述罐形铁芯包括基本完全包围所述变压器的绕组的外壁，以及由所述变压器的所述绕组围绕的内壁。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述内壁包括限定在其中的间隙。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述变压器附连到承载所述发射器的组件。