什么是超聲？

聲音是由物體振動產(chǎn)生的聲波，是通過介質（空氣、固體或液體）傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的波動現(xiàn)象。正在發(fā)聲的物體叫做聲源，物體在一秒鐘之內(nèi)振動的次數(shù)叫做頻率，單位是赫茲，簡寫為Hz。聲學將聲音分為次聲、可聽聲和超聲，聲波頻率低于20Hz的被稱為次聲，頻率在20-20000Hz之間的叫可聽聲，而頻率超過20000Hz，人的感覺器官無法聽到的聲波，就叫做超聲，即超聲波。

自然界的超聲應用

超聲雖然屬于人耳聽不到的聲波，但它具有頻率高、波長短、方向性好、穿透能力強的特點，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、蝙蝠、海豚等，它們發(fā)出超聲波，利用回聲的強度、延遲和頻移來判斷空間中物體的大概種類、距離和移動速度，從而實現(xiàn)回聲定位。

圖1-海豚聲波定位 圖片來源：西南漁業(yè)網(wǎng)

手機中的超聲應用

在日常生活中，超聲也被廣泛應用于醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域，功能覆蓋測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。而在手機中，超聲波的應用也很常見。

眾所周知，手機上有多個傳感器，其中包括距離感應器，其作用是在通話時，聽筒靠近耳朵時息屏從而避免誤操作，聽筒遠離耳朵時屏幕亮起。為了順應智能手機輕薄化的趨勢要求，同時利用超聲波可以用來測距的特性，集成超聲應用的音頻功放應運而生。通過搭載這類音頻功放，可用手機上喇叭和麥克風實現(xiàn)距離感應功能，進而替代掉原有距離感應器，節(jié)省手機內(nèi)部空間。

其實現(xiàn)原理是完成超聲音源與音頻數(shù)據(jù)混音后，通過音頻功放放大后經(jīng)過聽筒播出，再根據(jù)麥克風拾取到超聲信號幅度判斷手機與人耳的距離，執(zhí)行亮屏與息屏動作。

方式1：音頻信號與超聲信號混音在平臺內(nèi)完成，可以通過模擬信號或者數(shù)字信號傳遞給音頻PA。

圖2

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

圖3

超聲信號幅度計算

音頻信號與超聲信號混音在數(shù)字域內(nèi)進行，需要注意混音后信號不能過零削波。此時需要計算音頻信號與超聲信號幅度關系，數(shù)字域分貝轉換公式：

0dbFS=20log(1)

兩個信號相加后不會超1(0dbFS)，即不會出現(xiàn)削波。

例如，語音信號幅度為：

-1dbFS=20log(0.8912)

超聲信號幅度為：

-20dbFS=20log(0.1)

此時兩個信號相加為：

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

如下是兩種信號混音后實測數(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（要從抽樣信號中無失真地恢復原信號，抽樣頻率應大于2倍信號最高頻率），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、聽筒及麥克風頻率響應均能支持到超聲頻段；聽筒及麥克風的截止頻率會受到整機出聲孔結構設計上的影響，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，可滿足超聲應用的選型需求，能夠實現(xiàn)靈敏的距離感應等超聲場景應用。

圖6

除了優(yōu)秀的超聲應用功能加持，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、真實度等消費者對音質多維度的需求出發(fā)，進行嚴格、精致打磨，保證客戶端的“聽音”不僅能實現(xiàn)“大音量”，也兼具“好音質”。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)品已廣泛應用于各品牌手機、智能硬件產(chǎn)品中，推動了音頻功放芯片行業(yè)國產(chǎn)替代化進程。

審核編輯：劉清