基于靜電揚聲器的定向音箱系統設計

徐小明，陳 亮，單俠芹

（1.江蘇金陵科技集團有限公司，江蘇 南京 210008；2.無錫機電高等職業技術學校，江蘇 無錫 214028）

人耳能聽到的聲音頻率范圍為20 Hz～20 kHz。聲波在空氣中傳播是改變空氣的振動，衍射現象很嚴重，是全方位輻射出去。通過改變音箱的結構提高指向性，可以起到一定的效果，但邊界不明顯。為此，可以把頻率提高到超聲波的范圍，增強聲波的指向性，利用聲波在空氣中的自解調，使傾聽者聽到聲音。

1 系統方案設計

靜電揚聲器（electrostatic loudspeaker）發展到現在已經很完善了，但由于造價等原因，只在一些場合能見到它的身影。靜電揚聲器是指極薄的振膜在靜電力的作用下作前后移動的那類揚聲器，不同于依靠電磁力使振膜作前后移動的電動式揚聲器，其在中、高頻段有著傳統紙盆揚聲器無法比擬的優勢，聽感真實、自然、準確。

靜電揚聲器的振膜質量輕、面積大，整面振膜發聲，屬于面聲源，不同于紙盆揚聲器的點聲源。靜電揚聲器為三明治結構，無磁體，是利用音頻信號源和直流極化電源的協同作用使振膜表面受到一定的靜電場力，以使振膜受到方向交替變化的電場作用，并伴隨音頻信號源而振動發聲的揚聲器。從理論上可以看到，靜電式揚聲器因為無磁體，所以可以做得薄而輕（厚度在10 mm以下），易于懸掛在墻上或安裝在吊頂上。靜電揚聲器的頻率可以達到100 kHz以上，且體積小、薄，具有極低的失真率，帶寬為10 kHz以上。這些特性使得靜電揚聲器非常適合作為定向音箱的發聲單元。

定向音箱利用超聲波的定向傳播特性，以及頻率大于20 kHz的高頻信號在傳輸過程中具有良好的指向性，頻率越高其指向性越好等聲學理論，將音頻信號調制到高頻信號中實現在空氣中的定向傳輸,并最終在空氣中實現自解調，使人耳能夠聽到被還原的音頻信號，其原理見圖1。

圖1 定向音箱的定向原理圖

系統的指向性由載頻的頻率決定，載頻越高指向性越強，邊界效應越明顯。但因為載頻過高時電路設計太復雜，增加設備體積的同時也增加了成本，性價比不高，所以不建議載頻太高，一般選擇100 kHz比較合適。定向音箱系統由7個模塊組成，見圖2。導頻信號驅動器和載頻信號驅動器電路功能和結構相同，導頻信號揚聲器和載頻信號揚聲器采用特殊設計的靜電揚聲器。

圖2 定向音箱系統構成

2 系統硬件設計

2.1 導頻信號發生器

晶體振蕩器產生一個100 kHz的導頻信號，經運算放大器組成的放大電路放大到一定幅度，傳送給導頻信號驅動器模塊和載頻信號混合器模塊。采用高精度低溫漂的晶體振蕩器保證輸出信號的精度和整體穩定性。

2.2 導頻信號驅動器和載頻信號驅動器

導頻信號驅動器和載頻信號驅動器是系統的核心，決定著整個系統的性能參數。靜電揚聲器是一個高壓容性負載，驅動器電路要匹配容性負載的特性，同時要滿足高壓驅動的特性，其靜電場力的計算公式為

式中：ε0為真空介電常數，其值為8.845×10-12F/m；A為每個極板的面積，m2；U為極板之間的電壓，V；s為極板之間的距離，m。

由式（1）可知，靜電揚聲器的響度和驅動電壓成正比，電壓越高，響度越大，傳輸距離越遠[1]。極板之間的距離是固定的，面積也不會有太大變化，只有調節電壓來調節音箱的響度。因為靜電揚聲器的驅動需要1 000 V以上的高壓，所以將信號放大到1 000 V以上的信號幅度。放大電路的阻抗要匹配整個系統，保證系統失真率。

2.3 導頻信號揚聲器和載頻信號揚聲器

導頻信號揚聲器選用靜電揚聲器，見圖3。

圖3 導頻信號揚聲器

從圖3可以看出，靜電揚聲器中間有一層薄膜，它由薄而輕的材料組成，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（Poly-Ethylene Terephthalate，PET），振膜保持一定的張力固定在黃銅框架上。黃銅框架的厚度就是極板到振膜的距離。前后層各以印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）導電材料作為電極，PCB上整齊排列著透聲孔，振膜和PCB之間維持直流偏壓。兩片PCB外加一音頻信號，與直流電場疊加，形成交變的脈動電壓。脈動電壓產生兩極向吸引力強弱的變化，驅動膜片振動，膜片推動極板兩側壓縮空氣發聲，聲音向前向后傳播。兩列聲波在前方交匯處發生自解調。

靜電揚聲器的基本結構見圖4。兩個相對的固定電極中間放置一個振膜，克服了單端靜電揚聲器工作不穩定的缺點，避免了振幅不大的問題。由于空氣隙加大，需要的偏壓更高，所以靜電揚聲器具有大面積振膜[2]。

圖4 靜電揚聲器的結構圖

靜電揚聲器的面積和樣式根據具體需要來選擇，還可以和載頻信號揚聲器結合在一起，按照不同的要求進行劃分。靜電揚聲器可以制作成各種形狀，如方形、圓形等。現有的靜電揚聲器發聲單元不能滿足需要，對靜電揚聲器的結構進行重新設計，選用厚度為0.3 mm的PET薄膜振膜，膜和極板之間的距離根據式（1）計算而得，使其適合發出100 kHz的聲波。

2.4 載頻信號放大器

使用低噪聲高精度的運算放大器進行信號放大，信號增益符合載頻的需要。電路設計避免交流噪聲的引入，供電線路采用多級濾波，使紋波系數降到最低；為了防止電磁干擾，選用厚度為2 mm的屏蔽罩，對敏感電路部分進行屏蔽處理；采用“一點接地”的方式降低噪音干擾，確保整個系統的信號質量和信噪比，使系統在最佳狀態工作。

2.5 載頻信號混合器

導頻和載頻信號根據奈奎斯特采樣定理設定最佳的采樣頻率進行經過數字采樣。選用Xilinx公司的Spartan-6系列現場可編程門陣列 （Field-Programmable Gate Array，FPGA）做運算處理，再經過數-模（DA）轉換處理成新的載波，傳輸給載頻驅動器。

混合器的處理質量決定了聲音的優劣。系統的延時影響著系統性能的優劣，延時越短越好。

本系統經“粉紅噪音”[3]測試，10 m衰減2 dB，擴散小于5°，失真率低，傳輸距離可以調節，粉紅噪音波形圖見圖5。外觀根據實際需要確定，傾聽的范圍和效果可以通過揚聲器的方向和面積設定。

圖5 粉紅噪音波形圖

3 結束語

本文闡述的靜電揚聲器定向音箱系統，把聲音信號調制到100 kHz的導頻上，經過模-數（AD）轉換，FPGA處理，再經數-模（DA）轉換的調制波送給靜電揚聲器播放[4]。兩列波在空氣中解調出人耳可以聽到的聲音，區域的大小和位置根據需要進行設置。本系統建立了收音區域和靜音區域，使得兩個區域完全隔離，互不影響，有著明顯的邊界，收聽者能聽清楚語音的同時不影響旁邊的人，適用于博物館、銀行等場合。