什么是超聲？

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的聲波，是通過(guò)介質(zhì)（空氣、固體或液體）傳播并能被人或動(dòng)物聽(tīng)覺(jué)器官所感知的波動(dòng)現(xiàn)象。正在發(fā)聲的物體叫做聲源，物體在一秒鐘之內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)叫做頻率，單位是赫茲，簡(jiǎn)寫(xiě)為Hz。聲學(xué)將聲音分為次聲、可聽(tīng)聲和超聲，聲波頻率低于20Hz的被稱為次聲，頻率在20-20000Hz之間的叫可聽(tīng)聲，而頻率超過(guò)20000Hz，人的感覺(jué)器官無(wú)法聽(tīng)到的聲波，就叫做超聲，即超聲波。

自然界的超聲應(yīng)用

超聲雖然屬于人耳聽(tīng)不到的聲波，但它具有頻率高、波長(zhǎng)短、方向性好、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且易于獲得較集中的聲能。大自然中有很多超聲小能手，比如鯨魚(yú)、蝙蝠、海豚等，它們發(fā)出超聲波，利用回聲的強(qiáng)度、延遲和頻移來(lái)判斷空間中物體的大概種類、距離和移動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)回聲定位。

圖1-海豚聲波定位 圖片來(lái)源：西南漁業(yè)網(wǎng)

手機(jī)中的超聲應(yīng)用

在日常生活中，超聲也被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，功能覆蓋測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。而在手機(jī)中，超聲波的應(yīng)用也很常見(jiàn)。

眾所周知，手機(jī)上有多個(gè)傳感器，其中包括距離感應(yīng)器，其作用是在通話時(shí)，聽(tīng)筒靠近耳朵時(shí)息屏從而避免誤操作，聽(tīng)筒遠(yuǎn)離耳朵時(shí)屏幕亮起。為了順應(yīng)智能手機(jī)輕薄化的趨勢(shì)要求，同時(shí)利用超聲波可以用來(lái)測(cè)距的特性，集成超聲應(yīng)用的音頻功放應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)搭載這類音頻功放，可用手機(jī)上喇叭和麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)距離感應(yīng)功能，進(jìn)而替代掉原有距離感應(yīng)器，節(jié)省手機(jī)內(nèi)部空間。

其實(shí)現(xiàn)原理是完成超聲音源與音頻數(shù)據(jù)混音后，通過(guò)音頻功放放大后經(jīng)過(guò)聽(tīng)筒播出，再根據(jù)麥克風(fēng)拾取到超聲信號(hào)幅度判斷手機(jī)與人耳的距離，執(zhí)行亮屏與息屏動(dòng)作。

方式1：音頻信號(hào)與超聲信號(hào)混音在平臺(tái)內(nèi)完成，可以通過(guò)模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)傳遞給音頻PA。

圖2

方式2：音頻信號(hào)與超聲信號(hào)混音在音頻PA內(nèi)完成，需要通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳遞給音頻PA。

圖3

超聲信號(hào)幅度計(jì)算

音頻信號(hào)與超聲信號(hào)混音在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行，需要注意混音后信號(hào)不能過(guò)零削波。此時(shí)需要計(jì)算音頻信號(hào)與超聲信號(hào)幅度關(guān)系，數(shù)字域分貝轉(zhuǎn)換公式：

0dbFS=20log(1)

兩個(gè)信號(hào)相加后不會(huì)超1(0dbFS)，即不會(huì)出現(xiàn)削波。

例如，語(yǔ)音信號(hào)幅度為：

-1dbFS=20log(0.8912)

超聲信號(hào)幅度為：

-20dbFS=20log(0.1)

此時(shí)兩個(gè)信號(hào)相加為：

10^(-1/20)+10^(-20/20)=0.99 < 1

如下是兩種信號(hào)混音后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（數(shù)字域），其中圖4是混音后幅度超1削波，圖5是混音后幅度小于1未削波。

圖4

圖5

采樣頻率規(guī)則

根據(jù)奎奈斯特抽樣定律（要從抽樣信號(hào)中無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)，抽樣頻率應(yīng)大于2倍信號(hào)最高頻率），如果選用超聲頻段在20KHz-24KHz，采樣頻率至少需要使用48KHz；如果選用超聲頻段超過(guò)24KHz，則采樣頻率需要使用96KHz。

軟件配置完成后，硬件上需要注意功放、聽(tīng)筒及麥克風(fēng)頻率響應(yīng)均能支持到超聲頻段；聽(tīng)筒及麥克風(fēng)的截止頻率會(huì)受到整機(jī)出聲孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的影響，出聲孔的管道越短越寬，截止頻率越高。

艾為音頻功放

艾為音頻功放芯片主要包括Digital Smart K、Smart K、K類、D類和AB類產(chǎn)品，可滿足超聲應(yīng)用的選型需求，能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏的距離感應(yīng)等超聲場(chǎng)景應(yīng)用。

圖6

除了優(yōu)秀的超聲應(yīng)用功能加持，艾為音頻功放從聲音的明亮度、豐滿度、柔和度、清晰度、平衡度、真實(shí)度等消費(fèi)者對(duì)音質(zhì)多維度的需求出發(fā)，進(jìn)行嚴(yán)格、精致打磨，保證客戶端的“聽(tīng)音”不僅能實(shí)現(xiàn)“大音量”，也兼具“好音質(zhì)”。目前，以智能K系列音頻功放芯片為代表的各類艾為音頻功放產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各品牌手機(jī)、智能硬件產(chǎn)品中，推動(dòng)了音頻功放芯片行業(yè)國(guó)產(chǎn)替代化進(jìn)程。

審核編輯：劉清