Page 107 - 应用声学2019年第5期

第 38 卷 第 5 期 高春丽等： 环形扬声器阵列的警报系统设计 859

1.3 转换电路设计 现1.8 V和5 V信号电压的相互转换。其5 V的信号
DSP 的 I/O 口信号输入电压是 1.8 V，而 ADC 电压取决于上拉电阻可拉高的电压，因此，此处上拉
和 DAC 的信号电压都是 5 V，因此需要电平转换 电阻的选取很重要，通过多次计算和实验，当上拉电
器进行两者间电压的转换。此处采用电平转换器 阻阻值为 4.7 kΩ 时，能够达到 5 V 电压。电平转换
LSF0108PWR，供电电压1.8 V，参考电压5 V，可实 电路如图2所示。

ႃࣱᣁ૱٨ ঴ጳஆԧ٨ ঴ጳஆԧ٨ ႃࣱᣁ૱٨
ADC DSP DAC
LSF0108
SN74AUC245 SN74AUC245 LSF0108
5V 1.8V 1.8 V 5 V
A B B A
图 2 电平转换电路
Fig. 2 Level shifting circuit

同时，利用具有三态输出的八路总线收发器 拟麦克风和扬声器之间的传递函数，Z 是虚拟麦克
SN74AUC245实现数据总线之间的异步通信。根据 风到扬声器间的传递函数矩阵，P L 和 P Q 分别是在
方向控制输入的逻辑电平，可将数据从 A 总线传送 听音区和静音区的实际声压。L (Listen) 表示听音
到 B 总线或从 B 总线传送到 A 总线，解决了 ADC 区，Q (Quiet)表示静音区。
芯片到DSP及DSP到DAC芯片的电平转换问题。
P = Zq, (1)
在电路时序匹配问题中，发现 ADC、DAC以及  
DSP 的时序是不适配的，为解决这一问题，采用或 Z L
Z =   , (2)
门 SN74ALVC32 芯片电路，改变数字信号状态，进 Z Q
而匹配硬件电路的时序。    
P L Z L q
P =   =   , (3)
1.4 音频功放模块
P Q Z Q q
在 DAC 输出端，为稳定输出的音频信号及增
其中，q 为扬声器阵列中每个扬声器单元的加权
大对信号的驱动能力，在每一路的电路输出端接入
向量。
一个电压跟随器。该电路位于 DAC 电路和功放之
¨
期望声压P 为
间，可以切断扬声器的反电动势对前级的干扰作用，  
¨ [ ]
同时电压跟随器输入电阻大，输出阻抗小，输出电流 P L 1 M L
¨
P =   = , (4)
¨
大，噪声小，能够提高DAC转换的精度。 P Q 0 M Q
音频功放选用 TPA3144D2 芯片，由于系统中
¨
¨
其中，P L 、P Q 分别为听音区、静音区的期望声压，
扬声器数量较多，而此一个芯片可驱动两个 2 W、
M Q 指位于静音区虚拟麦克风的数量，M L 指位于听
8 Ω的扬声器，完全满足系统多通道输出的要求。同
音区虚拟麦克风的数量，1 M L 、0 M Q 分别表示M L ×1
时为达到应用方便、故障排除简单的目的，选择一
的元素为1和M Q × 1的元素为0的向量。
个电路板放置 8 个通道，36 通道则需要 5 块电路板，
假设阵列的声源是理想的自由场中的单极
剩余通道留作备用。
子源，则传递函数矩阵 Z 的第 (m, n) 个元素 z m,n
如下：
2 算法实现
exp[−j(ω/c) |R m − R n |]
z m,n = , (5)
为获得每个扬声器所对应的滤波器系数，采用 4π |R m − R n |
√
最小二乘法。最小二乘法通过最小化控制点处声场 其中，j = −1，ω 为角频率，c = 343 ms −1 ，
的均方误差来实现声场合成 [5] 。该方法不对阵列构 |R m − R n |表示第m 个麦克风到第 n 个扬声器间的
型做特殊的要求，对环境的适应能力强。 距离，m ∈ [1, M]，n ∈ [1, N]。其中 M = 1, · · · , 36，
定义 Z L 和 Z Q 分别是在听音区和静音区的虚 N = 1, · · · , 36。