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CN112216266A - 一种相控多声道声波定向发射方法及系统 - Google Patents

一种相控多声道声波定向发射方法及系统 Download PDF

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CN112216266A
CN112216266A CN202011128604.6A CN202011128604A CN112216266A CN 112216266 A CN112216266 A CN 112216266A CN 202011128604 A CN202011128604 A CN 202011128604A CN 112216266 A CN112216266 A CN 112216266A
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CN
China
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ultrasonic
target
array
transmitting
ultrasonic transmitter
Prior art date
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Pending
Application number
CN202011128604.6A
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傅建玲
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/346—Circuits therefor using phase variation
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

一种相控多声道声波定向发射方法及系统，通过人机交互模块或外部信息接收模块接收虚拟目标信息，并传送给目标检测模块，目标检测模块检测环境中是否存在实际目标，并进一步检测目标类型、目标数量以及各个目标的空间位置，将需要发射的音频信号经过音效变换传送给调制模块，调制模块使用经过音效换号的音频信号对超声载波信号进行调制再传送给发射控制模块，发射控制模块根据目标数量以及各个目标的空间位置将发射阵列划分为对应各个目标的子阵列，并根据相位控制方法计算子阵列中每个超声波发射器需要的发射延时，经过发射延时后，调制好的超声载波信号通过发射子阵列中的各个超声波发射器发射。

Description

一种相控多声道声波定向发射方法及系统
技术领域
本发明涉及消费电子技术领域，尤其涉及一种相控多声道声波定向发射方法及系统。
背景技术
日常工作和生活中，人们在收听特定声音时需要减少噪音的干扰，同时在需要保证收听声音时的私密性。目前，人们一般通过佩戴耳机解决上述问题，但无论是入耳式耳机还是耳罩式耳机，长时间佩戴都会导致耳朵疲劳，而且由于耳机自身结构重量以及耳机电源线和音频线缠绕，使得佩戴耳机时头部运动不方便。现有技术中存在一种定向发射音响，其发出的声音能够定向传播，只有当用户处于音响发射路径时，才能听到声音。为了让用户听到声音，需要使用自动化机械装置调整定向发射音响始终指向用户，自动化机械装置使得该定向传声音响难以小型化，不能快速改变发射方向，而且同一时间只能向一个方向发射。还存在一种改进型定向发射音响设备，这种设备通过改变超声发射阵列中每个超声波发射器的相位，使得每个超声波发射器发射的超声波具有一定规律的相位差，从而改变由超声发射阵列整体发射的超声波的方向。该设备在改变超声波方向时不需要对超声波发射阵列做机械转动，但同一时刻只能向一个方向发射，不能实现同时向不同方向传输不同的超声波，无法实现多声道。
发明内容
本发明针对上述现有技术设备存在的问题，提供一种简单可靠，通用性好，能够不用对超声波阵列进行机械旋转就能实现同时向多个目标的发射不同经过音效处理的声波的相控声波定向发射方法及系统。
为了解决上述现有技术设备存在的问题，本发明采用一下技术方案：
一种相控声波定向发射方法，具体实施步骤为：
步骤1）首先检测人机交互模块或外部信息接收模块中是否存在虚拟目标信息，则将虚拟目标信息传入目标检测模块中，该信息包含：虚拟目标类型，虚拟目标数量以及各个虚拟目标的空间位置。
步骤2）目标检测模块接收虚拟目标信息，然后使用目标检测模块中的传感器探测周围环境，并根据周围环境探测数据，结合目标检测算法，检测周围是否存在目标，若存在则进一步检测目标信息，目标信息包含：目标类型、目标数量N以及各个目标空间位置(P1~PN)，(P1~PN)表示N个实际目标的空间位置；最后将虚拟目标信息和实际目标信息一并将这些结果发送给发射控制模块。
步骤3）当目标检测模块将接收到的虚拟目标或检测到实际目标后，使用超声载波生成模块产生频率可调的超声载波信号。
步骤4）接收人机交互模块或外部信息接收模块中音效设置信息，根据音效设置中对N个目标（包含虚拟目标和实际目标）对音效的不同要求，将需要传送给N路目标的音频信号使用音效处理模块进行处理，在音效处理模块中，将N路目标的音频信号中的每一路音频信号中的构成该音频信号的不同的频率的正弦信号分量的振幅大小和移相进行独立的调整或者改变一路音频信号中的某些正弦信号分量的频率，再将调整后N路音频信号传送给调制模块。
步骤5）在超声载波信号生成后，使用需要传送给N个目标的N路经过音效处理的音频信号对超声载波信号进行调制，得到N路超声调制信号。
步骤6）将N路超声调制信号传送给发射控制模块，发射控制模块根据目标数量以及各个目标的空间位置，将超声波发射阵列划分为N个子阵列，并根据超声波阵列合成声束相位控制方法计算每个子阵列中每个超声波发射器需要偏移的相位，再根据超声波在空气中的相位波长声速的关系计算出的发射延时（t 11，t 12，……），……（t N1，t N2，……）。
步骤7）将上述步骤5）中得到的N路超声调试信号，根据上述步骤6）中计算得到的每个超声波发射器需要的发射延时进行延时后送入超声波发射器功率放大器，最后通过超声波发射器发射出去，N路经过调制的合成超声波束向目标发射。
重复上述步骤2）~7），即可实现每个目标不断接收机械超声波，机械超声波在经过自解调效应，产生的差频声波分量就是目标需要接受的音频声波。
上述步骤2）中，若没有任何目标，则目标检测模块不向发射控制模块发送数据，系统不启动后续3）~6）步骤工作，以便节约能量，降低系统能耗。
上述步骤5）中，可以采用两种不同的调制方法，第一种方法是：若是使用超声波发射器的输入电压或电流振幅大小控制输出机械超声波振幅大小，则将需要传送给目标的音频对超声载波进行波幅调制，获得调幅波。
上述步骤5）中，可以采用两种不同的调制方法，第二种方法是：若是利用超声波发射器的幅频特性，则可以使用调频方法结合超声波发射器的幅频特性将需要传送的给目标的音频对超声载波进行调制，获得调频波，该调频波通过超声波发射器发射时，受到超声波发射器的幅频特性影响，使得超声波发射器发射出的机械超声波成为调幅波。超声波发射器的频幅特性是指在输入电压或电流不变的条件下，超声波发射器发出的机械超声波的振幅与超声波频率存在函数关系，不同的超声波频率下，超声波发射器输出的机械超声波振幅不同，即：
A=g(f) (1)
若f(t)表示超声载波电信号频率与时刻t的函数关系，将f(t)代入公式（1）得到：
g[f(t)] (2)
即得到超声波发射器输出的机械超声波在时刻t的振幅函数。假设需要发送的第i路音频波形振幅与时刻t的函数为h(t)，则需要对超声载波信号进行频率调制，使得发射出去的机械超声波波幅A与h(t)成线性关系，即：
A=a×h(t)+b (3)
a，b为实常数，将（3）代入（2）式，可得：a×h(t)+b= g[f(t)]，则：
f(t)=g-1[a×h(t)+b] (4)
选取g(f)函数一段单调区间，假设该段单调曲线的极小值点对应的横坐标是Xp_min，纵坐标是A_min，极大值点对应的横坐标是Xp_max，纵坐标是A_max，通过公式（4）获得时刻t，超声载波需要调制的频率f(t)，然后通过调频技术方法对超声载波信号进行调频操作，即可获得需要的调频超声载波信号。为了充分利用超声波发射器的发射能力，选取g(f)单调区间的方法为：需要选择最接近线性函数的区间，并且在接近线性函数的程度相同的条件下，区间应选择频率带宽最大的区间。
上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法是根据目标空间位置、发射阵列中每个发射器的间距d+l/2、超声波在空气中的声速v以及超声波发射阵列的形状决定的，根据空间几何关系，将几何关系分别投影到互相垂直的两个投影面，一个投影面选择水平面且从上向下看，另一个投影面选择超声波发射阵列侧面为投影面，先计算一个投影面上，每个超声波发射器的延时或是提前发射时间，再计算另一个投影面上，每个超声波发射器的延时或是提前发射时间，最后在将两个投影面计算的结果合成，公式为（5），即可得到最终每个超声波发射器需要的延时或是提前发射时间。
Figure 896847DEST_PATH_IMAGE001
（5）
公式（5）中，T合表示该超声波发射器相对于其所处的超声波阵列最早发射超声波的发射时刻的延时，T水平表示该超声波发射器相对于其所处的超声波阵列最早发射超声波的发射时刻在水平投影上计算得到的延时，T侧面表示该超声波发射器相对于其所处的超声波阵列最早发射超声波的发射时刻在侧面投影上计算得到的延时。
上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法，在选取该超声波阵列一个侧面为投影面时，当超声波发射阵列处于平行发射模式时，即：不需要超声合成波束聚焦或发散时，可以通过公式（6）计算得到任意相邻两个超声波发射器需要间隔的发射时间△t：
△t=p/v=(d+l/2)×sin(θ)/v（6）
（6）中，d为超声波发射器外表面间距，l为超声波发射器外表面到中心轴的距离，(d+l/2)超声波发射器中心轴间距，p为超声波发射器中心轴间距在超声合成波束发射方向上的投影长度，v为超声波在空气中的声速，由于是平行模式，所以目标到每个超声波发射器中心的连线与超声波发射器发射轴的夹角都等于θ。
在该超声波发射阵列中，假设总共有k个超声波发射器，距离目标最远的超声波发射器记为第1号超声波发射器，第1号超声波发射器最先发射，依次向最靠近目标的超声波发射器编号，最靠近目标的超声波发射器记为第k号超声波发射器，第k号超声波发射器最后发射。第i号超声波发射器，相对于第1号超声波发射器发射时刻的总发射延时为：
（i-1）×△t，i∈(1,2,…k)（7）
上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法，在选取该超声波阵列一个侧面为投影面时，当超声波发射阵列处于聚焦发射模式时，即：需要超声合成波束聚焦到目标时，在该超声波发射阵列中，假设总共有k个超声波发射器，距离目标最远的超声波发射器记为第1号超声波发射器，第1号超声波发射器最先发射，依次向最靠近目标的超声波发射器编号，最靠近目标的超声波发射器记为第k号超声波发射器，第k号超声波发射器最后发射。当目标沿着超声波发射器发射轴方向投影到超声波发射阵列平面上，目标投影位于超声波发射阵列区域之外时，第i号超声波发射器发射时刻需要相对于第i-1号超声波发射器延时△ti-1，i∈(1,2,…k)，△ti-1使用公式（8）计算得到：
△ti-1=pi-1/v=(d+l/2)×sin(θi-1)/v（8）
（5）中，θi表示在聚焦模式时，目标到第i号超声波发射器中心的连线与第i号超声波发射轴的夹角，在聚焦场景下，θi，i∈(1,2,…k)各不相同，由目标的空间位置、超声波阵列的空间位置以及各个超声波发射器中心间距可计算得到。
上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法，在选取该超声波阵列一个侧面为投影面时，当超声波发射阵列，且处于聚焦发射模式时，即：需要超声合成波束聚焦到目标时，在目标与该超声波发射阵列的侧面投影上，当目标沿着超声波发射器发射轴方向投影到超声波发射阵列平面上，目标投影位于超声波发射阵列区域之内时，假设该阵列总共有k个超声波发射器，目标投影左边存在m1个超声波发射器，右边存在m2个超声波发射器（m1+m2= k），将该阵列分成左右两部分，左右两个部分别等效成左右两个子阵列。
在左边子阵列部分中，最左边的超声波发射器距离目标最远记为左边第1号超声波发射器，依次向最靠近目标的超声波发射器编号，则最靠近目标的超声波发射器记为左边第m1号超声波发射器，左边第m1号超声波发射器最后发射，则左边第j号超声波发射器需要相对于左边第j-1号超声波发射器延时记为左△tj-1，j∈(1,2,…m1)，左△tj-1使用公式（8）计算得到：
左△tj-1=pj-1/v=(d+l/2)×sin(θj-1)/v （9）
在右边子阵列部分中，最左边的超声波发射器距离目标最近，记为右边第m2号超声发射器，依次向距离目标最远的超声波发射器编号，则最右边距离目标最远的超声波发射器记为右边第1号超声波发射器，在右边子阵列部分中，右边第m2号超声发射器最后发射，右边第1号超声波发射器最先发射，则右边第j号超声波发射器需要相对于右边第j-1号超声波发射器延时记为右△tj-1，j∈(1,2,…m2)，右△tj-1使用公式（8）计算得到：
右△tj-1=pj-1/v=(d+l/2)×sin(θj-1)/v （10）
在目标投影位置，到达目标最近，这里假设存在一个虚拟的超声波发射器，记为第X号虚拟超声波发射器，显然第X号虚拟超声波发射器在整个阵列（包含左右两个子阵列部分）需要最后发射。第X号虚拟超声波发射器相对于左边第m1号超声波发射器需要的延时为：
Tm1=pm1/v=Xoff×sin(θm1)/v （11）
第X号虚拟超声波发射器相对于右边第m2号超声波发射器需要的延时为：
Tm2=pm2/v=(d+l/2-Xoff)×sin(θm2)/v （12）
由公式（4-4）、（4-5）得到第X号虚拟超声波发射器相对于左边第1号需要延时记为左T，左T有公式（4-6）计算得到：
左T=左△t1+左△t2+…+左△tm1-1+Tm1（13）
同理，公式（4-4）、（4-5）得到第X号虚拟超声波发射器相对于右边第1号需要延时记为右T，右T有公式（4-6）计算得到：
右T=右△t1+右△t2+…+右△tm2-1+Tm2（14）
假设左边第1号超声波发射器发射时刻为tleft，右边第1号超声波发射器发射时刻为tright，且左边第1号超声波发射器发射时刻为整个超声波发射阵列中最早发射时刻，又因为以左边部分为基准计算第X号虚拟超声波发射器的发射时刻应该等于以右边部分为基准计算第X号虚拟超声波发射器的发射时刻，则有：
tright+右T =tleft+左T（15）
若tleft=0，则可是右边第1号超声波发射器发射时刻为：
tright =左T-右T（16）
由公式（8）至（16）可以计算当超声波发射阵列处于聚焦发射模式时，在一个投影面上，阵列中每个超声波发射器的发射时刻。同理可得与该投影面垂直的另一个投影面上，阵列中每个超声波发射器的发射延时，将两个投影面分别计算出的每个超声波发射器需要的发射延时进行叠加，即可得到每个超声波发射器最终发射延时，这样超声波阵列即可对三维空间中任意方向发射合成超声波平行波束或是向三维空间中任意一点发射何合成超声波聚焦波束。
上述步骤6）中，由于各个目标可以移动空间位置，可能出现在需要接受不同音频的目标在合成超声波束发射路径上相互遮挡的情况，则出现此情况时，系统依据目标实时的空间位置，快速重新划分各个子阵列尺寸并重新分配每个子阵列对应的目标，以避免各个子阵列的合成超声波束范围内不存在非对应该合成超声波束的目标，同时又不让目标感觉到收听音频的间断。
上述步骤6）中，在平行发射模式下，一块子阵列发射的合成超声波波束范围内存在在不同目标时，则系统自动将重新划分子阵列，避免不需要接受该路合成超声波束的目标出现在该路合成超声波束范围内；进一步的，若通过重新划分子阵列仍然不能避免不需要接受该路合成超声波束的目标出现在该路合成超声波束范围内，则对应这几个目标的子阵列的超声波发射模式转换成聚焦模式，以避免超声波波束发射范围内存在不需要接收该超声波束的目标，避免对其他目标的干扰和本路合成超声波束的泄露。
上述步骤6）中，若需要增加某一个子阵列发射的合成超声波在空气中经过非线性解调得到的音频音量时，若在调制深度或子阵列中各个发射器的功率达到最大仍然不能满足音量增大需求时，系统将调整子阵列的划分，将其他没有增大解调后音频音量需求的子阵列中的发射器划分到有增大解调后音频音量需求的子阵列，增加具有增大解调后音量需求的子阵列的超声波发射器个数，从而提供该子阵列的发射总功率。
一种相控多声道声波定向发射系统的具体模块组成有。
1）人机交互模块，该模块包含虚拟目标设置子模块和音效设置子模块，虚拟目标设置子模块接收用户对虚拟目标的信息设置，该信息包含：各个虚拟目标的类型、虚拟目标数量以及各个虚拟目标的位置信息，并将虚拟目标信息传给目标检测模块；音效设置子模块接收用户对音效的设置，并将信息传给音效处理模块。
2）外部信息接收模块：该模块包含外部虚拟目标信息接收子模块和外部音效设置信息接收子模块，外部虚拟目标信息接收子模块接收外部系统对虚拟目标的信息的设置，该信息包含：各个虚拟目标的类型、虚拟目标数量以及各个虚拟目标的位置信息；外部音效设置信息接收子模块接收外部系统对音效的设置，并将信息传给音效处理模块。
3）目标检测模块，该模块由目标检测传感器子模块和目标检测计算子模块组成，用于检测周围空间中需要接受超声波的目标类型、目标数量以及各个目标相对于超声波阵列的空间位置；同时还接收人机交互模块或外部信息接收模块传入的虚拟目标信息。
4）超声载波信号生成模块，该模块用于生成的超声波信号的频率可以根据需要在超声波频率范围内调整。
5）音效处理模块，该模块根据人机交互模块或是外部信息接收模块传入的音效设置，对N路音频信号进行音效处理，处理完成后传输给调制模块。
6）调制模块，该模块由复制子模块和调制子模块构成，复制子模块将超声载波信号复制成N路超声载波信号，调制子模块将要传送的N路音频信号调制对N路超声载波信号进行调制操作。
7）发射控制模块，该模块由阵列分块子模块和发射延时控制子模块构成，阵列分块子模块根据目标的数量N将整个超声波发射阵列分成N个子阵列，每个阵列的位置以及数量根据目标的类型和目标的空间位置确定，并且可以根据目标空间位置的变化以及目标接收音频的音量要求对各个子阵列的超声波发射器的分块以及子阵列内包含的超声波发射器数量进行实时动态调整；发射延时控制子模块根据目标的空间位置使用超声波阵列波束偏转控制方法对每个调制后的超声载波信号进行延时操作，然后输出给发射执行模块。
8）发射执行模块，该模块由超声波发射器功率放大子模块和超声波发射器阵列构成，每个超声波发射器都配备一个超声波发射器功率放大子模块，超声波发射器功率放大子模块将由发射控制模块输出给超声波发射器阵列中的各个超声波发射器的信号进行功率放大后再传给超声波发射器，保证超声波发射器具有足够的功率发射机械超声波。
上述3）目标检测传感器子模块采用图像传感器或激光雷达或无线电毫米波雷达或是超声波雷达，目标检测传感器子模块将传感器环境探测数据进行滤波等预处理，然后输出给目标检测计算子模块，目标检测计算子模块使用目标检测算法从环境探测数据中检查环境中是否存在目标以及各个目标的数量和类型，若存在目标则进一步通过空间几何关系分别计算每个目标相对于超声波阵列的相对位置数据。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）利用超声波指向强的特定，将音频针对某个方向集中发射，避免的对其他的声音干扰和本音频的泄露；
（2）不需要对超声波发射阵列进行机械转动就可以快速精准的改变超声波发射方向，且比机械转动更快，更稳定可靠；结合目标检测技术，锁定目标方位，能够在目标不断快速移动的情况下，确保音频声波能够不间断的传送给目标；
（4）可以同时向多个目标发射不同的音频声波，也可以向同一个目标同时发射多个声道多个音效的音频声波；
（5）由于可以设置虚拟目标，可以实现空间虚拟扬声器的功能。用户设置虚拟目标定位于具体的实物上，例如：墙面，经过调制的超声发射到墙面，经过调制的超声波在空气中经过非线性自解调左右产生的差频信号，该差频信号即是需要音频，音频经过墙面向空间发射并发散，从而形成一个音源，达到模拟在空间特定实体向周围空间发射音频的效果，即可以实现空间虚拟扬声器的功能。
附图说明
附图1示意性示出了本发明一种相控多声道声波定向发射方法的步骤流程图。
附图2示意性示出了本发明一种相控多声道声波定向发射系统的模块及关联关系图。
附图3示意性示出了选取超声波发射器的幅频特性曲线中一段单调区间。
附图4示意性示出了系统目标检测传感器的坐标系统与超声波发射阵列中心位置坐标系的空间关系。
附图5示意性示出了俯视视角下的系统目标检测传感器的坐标系统与超声波发射阵列中心位置坐标系的空间关系。
附图6示意性示出了侧视视角下的系统目标检测传感器的坐标系统与超声波发射阵列中心位置坐标系的空间关系。
附图7示意性示出了超声波发射阵列是一个矩形平面，系统发射模式处于平行模式下，目标沿着超声波发射器发射轴方向投影到超声波发射阵列平面上，目标投影位于超声波发射阵列区域之内情况下，各个超声波发射器需要的延时。
附图8示意性示出了超声波发射阵列是一个矩形平面，聚焦模式时，目标沿着超声波发射器发射轴方向投影到超声波发射阵列平面上，目标投影位于超声波发射阵列区域之外情况下，各个超声波发射器需要的延时情况。
附图9示意性示出了超声波发射阵列是一个矩形平面，聚焦模式时，目标沿着超声波发射器发射轴方向投影到超声波发射阵列平面上，目标投影位于超声波发射阵列区域之内情况下，各个超声波发射器需要的延时情况。
附图10示意性示出了不同目标移动造成目标互相遮挡合成超声波束的情况下，系统重新分配子阵列与目标的发射对应关系。
附图11示意性示出了不同目标在与合成超声波平行波束发射方向垂直的方向上的投影的间距小于合成超声波平行波束的宽度时，即同一个合成超声波平行波束宽度范围内存在不同目标时，则系统自动将对应这几个目标的超声波发射模式转换成聚焦模式，以避免超声波平行波束发射范围存在不对应的目标，避免对其他目标的干扰。
附图12示意性示出了本发明一种相控多声道声波定向发射系统在桌面环境下，作为桌面定向音响，通过超声波阵列分别向多个用户左右耳传送左右声道音频的实施例。
附图13示意性示出了本发明一种相控多声道声波定向发射系统分别部署在放置在同一张桌子上且间距很近的笔记本电脑、平板电脑和手机上，分别向分别多个用户左右耳传送左右声道音频避免不同的设备发出的音频互相干扰的实施例。
附图14示意性示出了本发明一种相控多声道声波定向发射系统部署在房间顶面，超声波阵列面法线为竖直向下，分别向多个用户左右耳传送左右声道音频的实施例。
附图15示意性示出了本发明一种相控多声道声波定向发射系统部署在家庭影院系统中，用于向设定的空间位置发射经过调制的超声波，实现在空间不同位置产生不同的差频声波，以达到在空间不同位置模拟不同喇叭发声的效果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰、明确，以下结合附图并举实施例对本发明进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。需要指出的是，以下若有未特别详细说明的过程或参数，均是本领域技术人与可参照现有技术理解可实现的。
实施例1。如说明书附图12所示。桌面上放置一套相控多声道声波定向发射系统，图中201圆柱形物体为目标检测模块；系统默认发射模式为聚焦模式；系统检测人机交互模块或外部信息接收模块中是否存在虚拟目标信息，在该实施例中，不存在虚拟目标信息；系统通过目标检测模块检测周围存在4个目标，分别是用户A的左耳和右耳、用户B的左耳和右耳，系统需要分别向用户A的左耳和右耳传送用户A需要听到的音频A的左声道音频和右声道音频，向用户B的左耳和右耳传送用户B需要听到的音频B的左声道音频和右声道音频，并且用户A和用户B可以根据自己的需要对系统进行音效处理设置，以便最终收听到音频具有自己需要的音效，系统发射控制模块将整个发射阵列平均划分为4个子阵列，说明书附图12中202、203、204、205分别表示子阵列1、子阵列2、子阵列3、子阵列4，其中每个方格代表1个集成了功率放大器的超声波发射器，所以202、203、204、205就构成了整个发射执行模块。用户A保持固定位置不动，用户B由位置1移动到位置2。系统目标检测模块检测到用户A的左、右耳和用户B的左、右耳，并实时计算用户A的左、右耳和用户B的左、右耳在目标检测模块坐标系X1-Y1-Z1中的位置，通过这套相控多声道声波定向发射系统中201与202、203、204、205的空间结构关系确定的坐标系X1-Y1-Z1与其他子阵列坐标系X2-Y2-Z2、X3-Y3-Z3、X4-Y4-Z4、X5-Y5-Z5的旋转平移关系，得到用户A左耳在坐标系X2-Y2-Z2的位置，用户A右耳在坐标系X3-Y3-Z3的位置，用户B左耳在坐标系X4-Y4-Z4的位置，用户B右耳在坐标系X5-Y5-Z5的位置；超声载波生成模块根据设置的频率生成超声载波信号并传输给调制模块，调制模块将超声载波信号复制4分；同时在音效处理模块中，根据用户A和B的设置，音效处理模块分别对用户A和B需要收听的音频A的左、右声道音频以及音频B的左、右声道音频进行音效处理，将完成音效处理后的音频A的左、右声道音频以及音频B的左、右声道音频传输给调制模块；调制模块分别使用音频A的左、右声道音频以及音频B的左、右声道音对4路超声载波信号进行调制，调制完成后将4路经过调试的超声波信号传输给发射控制模块；发射控制模块，依据用户A左耳在坐标系X2-Y2-Z2的位置分别计算在子阵列1的每个超声波发射器在子阵列1的水平投影面和侧面投影面中相对于第一个超声波发射器发射时刻的延时，然后使用公式（5），计算得到该超声波发射器相对于子阵列1最早超声波发射时刻的延时，同理计算出子列2、子阵列3、子阵列4中每个超声波发射器相对于所属子阵列最早发射时刻的延时，并依据计算得到的每个超声波发射器需要的延时对相应的超声波信号进行延时操作，再传输给发射执行模块；发射执行模块将超声波信号进行功率放大后通过各个超声波发射器发出机械超声波，子阵列1、子阵列2、子阵列3、子阵列4所发射的超声波分别聚焦于用户A左、右耳和用户B左、右耳空间位置的超声波束，并分别在空气中依靠非线性自解调作用解调出音频A的左、右声道音频和音频B的左、右声道音频。发射模式还可以有用户选择为平行模式，在平行模式下，各个自阵列发射出宽度不变的超声波。
实施例2，如说明书附图13所示。在桌面环境下，通过超声波阵列分别向用户左右耳传送左右声道音频，能够避免用户需要听到的音频扩散到周围空间导致隐私泄露以及对其他用户造成噪音。在同一个桌面上依次摆放了笔记本电脑、平板电脑以及手机，笔记本电脑、平板电脑以及手机各自具备一套相控多声道声波定向发射系统，并且这3个设备都存在一个使用者。在笔记本电脑的相控多声道声波定向发射系统中，301是部署在笔记本电脑的目标检测模块中的目标检测传感器子模块，其坐标系为X1-Y1-Z1，302、303分表是部署在笔记本电脑键盘与屏幕之间的超声波子阵列，相控多声道声波定向发射系统的其它子模块都部署在笔记本电脑内部。302的坐标系为X2-Y2-Z2，303的坐标系为X3-Y3-Z3，坐标系X1-Y1-Z1与X2-Y2-Z2、X3-Y3-Z3的旋转平移关系可以依据笔记本电脑的结构以及屏幕与超声波阵列的夹角计算的到。在平板电脑的相控多声道声波定向发射系统中，304是部署在平板电脑上的目标检测模块中的目标检测传感器子模块，305、306分别是平板电脑上部署在屏幕四周的两个超声波子阵列，相控多声道声波定向发射系统的其它子模块都部署在平板电脑内部。307是部署在手机上的目标检测模块中的目标检测传感器子模块，308、309分别是手机屏幕侧面两个超声波子阵列，相控多声道声波定向发射系统的其它子模块都部署在手机内部。笔记本电脑中的相控多声道声波定向发射系统启动后，默认发射模式处于聚焦发射模式，用户可以使用人机交互模块设置需要的音效系统首先检测人机交互模块或外部信息接收模块中是否存在虚拟目标信息，在该实施例中，不存在虚拟目标信息。系统通过301目标检测传感器子模块获取笔记本电脑周围环境信息，并通过目标检测计算子模块检测到周围环境中存在目标：用户A的左、右耳，同时计算用户A的左、右耳相对于目标检测传感器子模块的空间位置，然后依据坐标系X1-Y1-Z1与X2-Y2-Z2、X3-Y3-Z3的旋转平移关系，计算得到使用者的左、右耳相对于超声波发射阵列的空间位置信息，超声波载波生成模块得到周围存在目标的信息后根据预设的超声载波频率生成超声载波信号，音效处理模块根据用户A的音效设置将左、右耳需要的2路音频进行音效处理后，传输给调制模块，调制模块首先将超声载波信号复制成左、右耳2路超声载波，然后分别使用左、右耳需要的2路音频对左、右耳超声载波进行调制，然后将调制号的2路超声波信号传输给发射控制模块，发射控制模块将超声波发射阵列根据2路超声波调制信号分成两个子阵列，分别是302、303，并且将每1路超声波调制信号经过不同的延时后再传输给发射执行模块，这些不同的延时根据发射模式、目标空间位置信息使用上述公式计算得到，发射执行模块接收到经过不同延时的超声调制信号使用超声波发射器将超声调制电信号转换成机械超声波发射出去。最后超声波发射子阵列302、303分别向用户A的左、右耳发射出了聚焦的超声波束，该超声波束在用户耳朵处进过空气的非线性解调作用，产生了用户A左、右耳需要调到的音频，既保证了只在用户A的左右耳出发出需要听到的音频。同理，超声波发射子阵列305、306分别向用户B的左、右耳发射出了聚焦的超声波束，该超声波束在用户耳朵处进过非线性解调作用，产生了用户B左、右耳需要调到的音频。超声波发射子阵列308、309分别向用户C的左、右耳发射出了聚焦的超声波束，该超声波束在用户耳朵处空气中依靠非线性自解调作用解调出用户C左、右耳需要调到的音频。由于用户A、B、C需要听到的是超声波经过空气非线性解调产生的音频，该音频在空气中衰减很快，能够确保用户A、B、C各自都听不到其他用户需要听到的音频，从而既保证了用户A、B、C需要听到的音频不被其他人听到，也保证了用户A、B、C需要听到的音频不会对其他用户造成噪音干扰。
实施例3，如说明书附图14所示。在多人大空间场景下，在顶部空间安装了一套相控多声道声波定向发射系统，图中圆柱形401，表示该系统目标检测传感器子模块，其它模块，为了集成到了超声波发射子阵列里，402、403、404、405、406、407分别是集成了功率放大器的超声波发射子阵列，402~407一起构成了发射执行模块。假设存在3个用户，相控多声道声波定向发射系统启动后，默认发射模式处于聚焦模式；3个用户可以使用人机交互模块设置各自需要的音效；系统首先检测人机交互模块或外部信息接收模块中是否存在虚拟目标信息，在该实施例中，不存在虚拟目标信息。系统通过401的目标检测模块检测到周围存在6个目标，分别是用户A的左、右耳，用户B的左、右耳，用户C的左、右耳，系统将发射执行模块中的超声波发射阵列划分成402、403、404、405、406、407这6个超声波发射子阵列，计算该6个目标位于401目标检测模块的目标传感器子模块坐标系X-Y-Z中的位置信息，并依据超声波发射各个子阵列与目标检测传感器子模块的结构空间关系，计算6个目标分别位于6个超声波发射子阵列坐标系中的位置信息；超声载波生成模块生成超声载波信号并传输给调制模块；音效处理模块根据音效设置，对用户需要听到的6路音频信号进行音效处理，然后将经过音效处理的6路音频信号传输给调制模块；调制模块在超声载波信号复制成6路，使用经过音效处理的6路音频信号对超声载波信号进行调制，将经过调制的6路超声调制信号传输给发射控制模块；发射控制模块根据6个目标位置分别位于6个超声波发射子阵列坐标系统的位置信息计算各个超声波发射子阵列中每个超声波发射器需要延时发射的时间，并进行相应的延时后传输给发射执行模块，发射执行模块将每个经过延时的超声波调制信号通过功率放大子模块完成功率放大操作最后传输给各个对应的超声波发射器，通过超声波发射器将各个经过延时和功率放大的超声载波电信号转换成机械超声波发射出去。这样超声波发射子阵列402、403分别发射了聚焦于用户A的左、右耳合成超声波束，并分别在空气中依靠非线性自解调作用解调出用户A的左、右耳所需的声音。同理，用户B和用户C的左、右耳所需的声音，并且在用户A、B、C各自移动的时候，相应的超声波束始终聚焦在用户A、B、C左、右耳，使得他们既能听到各自所需的声音，又不会被其他用户所需的声音干扰。在该实施例中，由于A、B、C这3个用户在不同移动空间位置，可能出现在A用户恰好挡在B用户和对应的超声波发射子阵列之间，这导致A遮挡了B用户需要合成超声波束，出现此情况时，系统依据目标实时的空间位置，快速重新划分各个子阵列尺寸并重新分配每个子阵列对应的目标，更进一步，若相关子阵列处于平行发射模式，并且重新划分各个子阵列尺寸并重新分配每个子阵列对应的目标仍然不能避免遮挡，这系统自动将相关的子阵列发射模式转换为聚焦发射模式，以避免遮挡情况发生；另外，若出现某个用户距离发射子阵列太远，导致该子阵列所有超声波发射器以最大功率发射时，音量仍然太小，不能满足满足用户需求时，系统将调整子阵列尺寸以便增加该用户对应子阵列中超声波发射器的数量，同时重新调整子阵列中每个超声波发射器所发射的超声波的发射延时从而保证提供该子阵列足够大的发射功率，以满足用户音量需求。
实施例4，如说明书附图15所示。在影院环境下，在用户前方矮柜上设置了一套相控多声道声波定向发射系统，该系统用于向用户提供多声道音效环境。系统启动后，系统默认发射模式默认是聚焦模式。用户通过使用人机交互系统设置了4个虚拟目标的类型和位置信息和各个目标索要的音效；图中的508、509、510、511表示这4个虚拟目标，其中508类型为“右喇叭”、509类型为“右后喇叭”，510位“左后喇叭”，511位“左喇叭”；系统首先检测人机交互模块或外部信息接收模块中是否存在虚拟目标信息，在该实施例中，外部信息接收模块中无虚拟目标，则系统将人机交互模块中的虚拟目标信息传送给目标检测模块，并且系统通过目标检测模块检测到存在2个实际目标，则总共存在6个目标；系统将发射执行模块中的超声波发射阵列划分成502、503、504、505、506、507这6个超声波发射子阵列，分别是用户的左、右耳；目标检测模块计算用户的左、右耳以及虚拟目标508、509、510、511这6个目标在坐标系X-Y-Z中的位置信息，并依据系统的502、503、504、505、506、507这6个超声波发射子阵列与目标检测模块结构空间位置关系计算6个目标分别位于6个超声波发射子阵列坐标系中的位置信息；超声载波生成模块生成超声载波信号并传输给调制模块；音效处理模块根据音效设置，对用户需要听到的6路音频信号进行音效处理，然后将经过音效处理的6路音频信号传输给调制模块；调制模块在超声载波信号复制成6路，使用经过音效处理的6路音频信号对超声载波信号进行调制，将经过调制的6路超声调制信号传输给发射控制模块；发射控制模块根据6个目标位置分别位于6个超声波发射子阵列坐标系统的位置信息计算各个超声波发射子阵列中每个超声波发射器需要延时发射的时间，并进行相应的延时后传输给发射执行模块，发射执行模块将每个经过延时的超声波调制信号通过功率放大子模块完成功率放大操作最后传输给各个对应的超声波发射器，通过超声波发射器将各个经过延时和功率放大的超声载波电信号转换成机械超声波发射出去；502、503发射的超声波束聚焦于用户的左、右耳，并分别在空气中依靠非线性自解调作用解调出用户A的左、右耳所需的声音；505发射的超声波束聚焦于508“右喇叭”，并在508处的空气中依靠非线性自解调作用解调出用户所需的“右喇叭”的声音；同理，504发射的超声波束聚焦于509“右后喇叭”，并在509处的空气中依靠非线性自解调作用解调出用户所需的“右后喇叭”的声音；507发射的超声波束聚焦于511“左喇叭”，并在511处的空气中依靠非线性自解调作用解调出用户所需的“左喇叭”的声音；506发射的超声波束聚焦于510“左后喇叭”，并在510处的空气中依靠非线性自解调作用解调出用户所需的“左后喇叭”的声音。这样用户就沉浸在环绕立体声效果中，更进一步，用户还可以设置虚拟目标的位置为移动的，例如：可是设置虚拟目标508“右喇叭”向上以一定速度移动或是根据某种空间路径以一定速度移动，从而模拟出一个移动的声源。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明专利的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明专利所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种相控多声道声波定向发射方法及系统，其特征在于，系统包括：
1）人机交互模块，该模块包含虚拟目标设置子模块和音效设置子模块，虚拟目标设置子模块接收用户对虚拟目标的信息设置，该信息包含：各个虚拟目标的类型、虚拟目标数量以及各个虚拟目标的位置信息，并将虚拟目标信息传给目标检测模块；音效设置子模块接收用户对音效的设置，并将信息传给音效处理模块；
2）外部信息接收模块：该模块包含外部虚拟目标信息接收子模块和外部音效设置信息接收子模块，外部虚拟目标信息接收子模块接收外部系统对虚拟目标的信息的设置，该信息包含：各个虚拟目标的类型、虚拟目标数量以及各个虚拟目标的位置信息；外部音效设置信息接收子模块接收外部系统对音效的设置，并将信息传给音效处理模块；
3）目标检测模块，该模块由目标检测传感器子模块和目标检测计算子模块组成，用于检测周围空间中需要接受超声波的目标类型、目标数量以及各个目标相对于超声波阵列的空间位置；同时还接收人机交互模块或外部信息接收模块传入的虚拟目标信息；
4）超声载波信号生成模块，该模块用于生成的超声波信号的频率可以根据需要在超声波频率范围内调整；
5）音效处理模块，该模块根据人机交互模块或是外部信息接收模块传入的音效设置，对N路音频信号进行音效处理，处理完成后传输给调制模块；
6）调制模块，该模块由复制子模块和调制子模块构成，复制子模块将超声载波信号复制成N路超声载波信号，调制子模块将要传送的N路音频信号调制对N路超声载波信号进行调制操作；
7）发射控制模块，该模块由阵列分块子模块和发射延时控制子模块构成，阵列分块子模块根据目标的数量N将整个超声波发射阵列分成N个子阵列，每个阵列的位置以及数量根据目标的类型和目标的空间位置确定，并且可以根据目标空间位置的变化以及目标接收音频的音量要求对各个子阵列的超声波发射器的分块以及子阵列内包含的超声波发射器数量进行实时动态调整；发射延时控制子模块根据目标的空间位置使用超声波阵列波束偏转控制方法对每个调制后的超声载波信号进行延时操作，然后输出给发射执行模块；
8）发射执行模块，该模块由超声波发射器功率放大子模块和超声波发射器阵列构成，每个超声波发射器都配备一个超声波发射器功率放大子模块，超声波发射器功率放大子模块将由发射控制模块输出给超声波发射器阵列中的各个超声波发射器的信号进行功率放大后再传给超声波发射器，保证超声波发射器具有足够的功率发射机械超声波。
2.一种相控多声道声波定向发射方法及系统，其特征在于，方法包括：
步骤1）首先检测人机交互模块或外部信息接收模块中是否存在虚拟目标信息，则将虚拟目标信息传入目标检测模块中，该信息包含：虚拟目标类型，虚拟目标数量以及各个虚拟目标的空间位置；
步骤2）目标检测模块接收虚拟目标信息，然后使用目标检测模块中的传感器探测周围环境，并根据周围环境探测数据，结合目标检测算法，检测周围是否存在目标，若存在则进一步检测目标信息，目标信息包含：目标类型、目标数量N以及各个目标空间位置(P1~PN)，(P1~PN)表示N个实际目标的空间位置；最后将虚拟目标信息和实际目标信息一并将这些结果发送给发射控制模块；
步骤3）当目标检测模块将接收到的虚拟目标或检测到实际目标后，使用超声载波生成模块产生频率可调的超声载波信号；
步骤4）接收人机交互模块或外部信息接收模块中音效设置信息，根据音效设置中对N个目标（包含虚拟目标和实际目标）对音效的不同要求，将需要传送给N路目标的音频信号使用音效处理模块进行处理，在音效处理模块中，将N路目标的音频信号中的每一路音频信号中的构成该音频信号的不同的频率信号分量的频率、振幅和相位进行独立的调整改变，再将调整后N路音频信号传送给调制模块；
步骤5）在超声载波信号生成后，使用需要传送给N个目标的N路经过音效处理的音频信号对超声载波信号进行调制，得到N路超声调制信号；
步骤6）将N路超声调制信号传送给发射控制模块，发射控制模块根据目标数量以及各个目标的空间位置，将超声波发射阵列划分为N个子阵列，并根据超声波阵列合成声束相位控制方法计算每个子阵列中每个超声波发射器需要偏移的相位，再根据超声波在空气中的相位波长声速的关系计算出的发射延时（t 11，t 12，……），……（t N1，t N2，……）；
步骤7）将上述步骤5）中得到的N路超声调制信号，根据上述步骤6）中计算得到的每个超声波发射器需要的发射延时进行延时后送入超声波发射器功率放大器，最后通过超声波发射器发射出去，N路经过调制的合成超声波束向N个目标发射；
重复上述步骤2）~7），即可实现每个目标不断接收机械超声波，机械超声波在经过自解调效应，产生的差频声波分量就是目标需要接受的音频声波。
3.进一步地，目标检测传感器子模块采用图像传感器或激光雷达或无线电毫米波雷达或是超声波雷达，目标检测传感器子模块将传感器环境探测数据进行滤波等预处理，然后输出给目标检测计算子模块，目标检测计算子模块使用目标检测算法从环境探测数据中检查环境中是否存在目标以及各个目标的数量和类型，若存在目标则进一步通过空间几何关系分别计算每个目标相对于超声波阵列的相对位置数据；上述步骤2）中，若没有任何目标，则目标检测模块不向发射控制模块发送数据，系统不启动后续3）~6）步骤工作，以便节约能量，降低系统能耗。
4.进一步地，上述步骤5）中，可以采用两种不同的调制方法，第一种方法是：若是使用超声波发射器的输入电压或电流振幅大小控制输出机械超声波振幅大小，则将需要传送给目标的音频对超声载波进行波幅调制，获得调幅波；第二种方法是：若是利用超声波发射器的幅频特性，则可以使用调频方法结合超声波发射器的幅频特性将需要传送的给目标的音频对超声载波进行调制，获得调频波，该调频波通过超声波发射器发射时，受到超声波发射器的幅频特性影响，使得超声波发射器发射出的机械超声波成为调幅波；超声波发射器的频幅特性是指在输入电压或电流不变的条件下，超声波发射器发出的机械超声波的振幅与超声波频率存在函数关系，不同的超声波频率下，超声波发射器输出的机械超声波振幅不同，即：
A=g(f) (1)
若f(t)表示t时刻，超声载波电信号频率的函数，则将f(t)代入公式（1）得到：
g[f(t)] (2)
即得到超声波发射器输出的机械超声波在时刻t的振幅函数；
假设需要发送的第i路音频波形函数为h(t)，则需要对超声载波信号进行频率调制，使得发射出去的机械超声波波幅A与h(t)成线性关系，即：
A=a×h(t)+b (3)
a，b为实常数，将（3）代入（2）式，可得：a×h(t)+b= g[f(t)]，则：
f(t)=g-1[a×h(t)+b] (4)
选取g(f)函数一段单调区间，假设该段单调曲线的极小值点对应的横坐标是Xp_min，纵坐标是A_min，极大值点对应的横坐标是Xp_max，纵坐标是A_max，通过公式（4）获得时刻t，超声载波需要调制的频率f(t)，然后通过调频技术方法对超声载波信号进行调频操作，即可获得需要的调频超声载波信号；为了充分利用超声波发射器的发射能力，选取g(f)单调区间的方法为：需要选择最接近线性函数的区间，并且在接近线性函数的程度相同的条件下，区间优先选择频率带宽最大的区间。
5.上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法是根据目标空间位置、发射阵列中每个发射器的间距d+l/2、超声波在空气中的声速v以及超声波发射阵列的形状决定的，根据空间几何关系，将几何关系分别投影到互相垂直的两个投影面，一个投影面选择水平面且从上向下看，另一个投影面选择超声波发射阵列侧面为投影面，先计算一个投影面上，每个超声波发射器的延时或是提前发射时间，再计算另一个投影面上，每个超声波发射器的延时或是提前发射时间，最后在将两个投影面计算的结果合成，公式为（5），即可得到最终每个超声波发射器需要的延时或是提前发射时间；
Figure 986426DEST_PATH_IMAGE001
（5）
公式（5）中，T合表示该超声波发射器相对于其所处的超声波阵列最早发射超声波的发射时刻的延时，T水平表示该超声波发射器相对于其所处的超声波阵列最早发射超声波的发射时刻在水平投影上计算得到的延时，T侧面表示该超声波发射器相对于其所处的超声波阵列最早发射超声波的发射时刻在侧面投影上计算得到的延时；
进一步地，上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法，在选取该超声波阵列一个侧面为投影面时，当超声波发射阵列处于平行发射模式时，即：不需要超声合成波束聚焦或发散时，可以通过公式（6）计算得到任意相邻两个超声波发射器需要间隔的发射时间△t：
△t=p/v=(d+l/2)×sin(θ)/v（6）
（6）中，d为超声波发射器外表面间距，l为超声波发射器外表面到中心轴的距离，(d+l/2)超声波发射器中心轴间距，p为超声波发射器中心轴间距在超声合成波束发射方向上的投影长度，v为超声波在空气中的声速，由于是平行模式，所以目标到每个超声波发射器中心的连线与超声波发射器发射轴的夹角都等于θ；在该超声波发射阵列中，假设总共有k个超声波发射器，距离目标最远的超声波发射器记为第1号超声波发射器，第1号超声波发射器最先发射，依次向最靠近目标的超声波发射器编号，最靠近目标的超声波发射器记为第k号超声波发射器，第k号超声波发射器最后发射，第i号超声波发射器，相对于第1号超声波发射器发射时刻的总发射延时为：
（i-1）×△t，i∈(1,2,…k)（7）。
6.进一步地，上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法，在选取该超声波阵列一个侧面为投影面时，当超声波发射阵列处于聚焦发射模式时，即：需要超声合成波束聚焦到目标时，在该超声波发射阵列中，假设总共有k个超声波发射器，距离目标最远的超声波发射器记为第1号超声波发射器，第1号超声波发射器最先发射，依次向最靠近目标的超声波发射器编号，最靠近目标的超声波发射器记为第k号超声波发射器，第k号超声波发射器最后发射，当目标沿着超声波发射器发射轴方向投影到超声波发射阵列平面上，目标投影位于超声波发射阵列区域之外时，第i号超声波发射器发射时刻需要相对于第i-1号超声波发射器延时△ti-1，i∈(1,2,…k)，△ti-1使用公式（8）计算得到：
△ti-1=pi-1/v=(d+l/2)×sin(θi-1)/v（8）；
（5）中，θi表示在聚焦模式时，目标到第i号超声波发射器中心的连线与第i号超声波发射轴的夹角，在聚焦场景下，θi，i∈(1,2,…k)各不相同，由目标的空间位置、超声波阵列的空间位置以及各个超声波发射器中心间距可计算得到。
7.进一步地，上述步骤6）所述的超声波发射方向相位控制算法，在选取该超声波阵列一个侧面为投影面时，当超声波发射阵列，且处于聚焦发射模式时，即：需要超声合成波束聚焦到目标时，在目标与该超声波发射阵列的侧面投影上，当目标沿着超声波发射器发射轴方向投影到超声波发射阵列平面上，目标投影位于超声波发射阵列区域之内时，假设该阵列总共有k个超声波发射器，目标投影左边存在m1个超声波发射器，右边存在m2个超声波发射器（m1+m2= k），将该阵列分成左右两部分，左右两个部分别等效成左右两个子阵列；
在左边子阵列部分中，最左边的超声波发射器距离目标最远记为左边第1号超声波发射器，依次向最靠近目标的超声波发射器编号，则最靠近目标的超声波发射器记为左边第m1号超声波发射器，左边第m1号超声波发射器最后发射，则左边第j号超声波发射器需要相对于左边第j-1号超声波发射器延时记为左△tj-1，j∈(1,2,…m1)，左△tj-1使用公式（8）计算得到，则：
左△tj-1=pj-1/v=(d+l/2)×sin(θj-1)/v （9）；
在右边子阵列部分中，最左边的超声波发射器距离目标最近，记为右边第m2号超声发射器，依次向距离目标最远的超声波发射器编号，则最右边距离目标最远的超声波发射器记为右边第1号超声波发射器，在右边子阵列部分中，右边第m2号超声发射器最后发射，右边第1号超声波发射器最先发射，则右边第j号超声波发射器需要相对于右边第j-1号超声波发射器延时记为右△tj-1，j∈(1,2,…m2)，右△tj-1使用公式（8）计算得到，
右△tj-1=pj-1/v=(d+l/2)×sin(θj-1)/v （10）
在目标投影位置，到达目标最近，这里假设存在一个虚拟的超声波发射器，记为第X号虚拟超声波发射器，显然第X号虚拟超声波发射器在整个阵列（包含左右两个子阵列部分）需要最后发射；
第X号虚拟超声波发射器相对于左边第m1号超声波发射器需要的延时为：
Tm1=pm1/v=Xoff×sin(θm1)/v （11）；
第X号虚拟超声波发射器相对于右边第m2号超声波发射器需要的延时为：
Tm2=pm2/v=(d+l/2-Xoff)×sin(θm2)/v （12）；
由公式（9）、（10）得到第X号虚拟超声波发射器相对于左边第1号需要延时记为左T，左T有公式（11）计算得到：
左T=左△t1+左△t2+…+左△tm1-1+Tm1（13）；
同理，公式（9）、（10）得到第X号虚拟超声波发射器相对于右边第1号需要延时记为右T，右T有公式（11）计算得到：
右T=右△t1+右△t2+…+右△tm2-1+Tm2（14）；
假设左边第1号超声波发射器发射时刻为tleft，右边第1号超声波发射器发射时刻为tright，且左边第1号超声波发射器发射时刻为整个超声波发射阵列中最早发射时刻，又因为以左边部分为基准计算第X号虚拟超声波发射器的发射时刻应该等于以右边部分为基准计算第X号虚拟超声波发射器的发射时刻，则有：
tright+右T =tleft+左T（15）；
若tleft=0，则可是右边第1号超声波发射器发射时刻为：
tright =左T-右T（16）；
由公式（8）至（16）可以计算当超声波发射阵列处于聚焦发射模式时，在一个投影面上，阵列中每个超声波发射器的发射时刻；同理可得与该投影面垂直的另一个投影面上，阵列中每个超声波发射器的发射延时，将两个投影面分别计算出的每个超声波发射器需要的发射延时进行叠加，即可得到每个超声波发射器最终发射延时，这样超声波阵列即可对三维空间中任意方向发射合成超声波平行波束或是向三维空间中任意一点发射何合成超声波聚焦波束。
8.进一步地，上述步骤6）中，由于各个目标可以移动空间位置，可能出现在需要接受不同音频的目标在合成超声波束发射路径上相互遮挡的情况，则出现此情况时，系统依据目标实时的空间位置，快速重新划分各个子阵列尺寸并重新分配每个子阵列对应的目标，以避免各个子阵列的合成超声波束范围内不存在非对应该合成超声波束的目标，同时又不让目标感觉到收听音频的间断。
9.进一步地，上述步骤6）中，在平行发射模式下，一块子阵列发射的合成超声波波束范围内存在在不同目标时，则系统自动将重新划分子阵列，避免不需要接受该路合成超声波束的目标出现在该路合成超声波束范围内；进一步的，若通过重新划分子阵列仍然不能避免不需要接受该路合成超声波束的目标出现在该路合成超声波束范围内，则对应这几个目标的子阵列的超声波发射模式转换成聚焦模式，以避免超声波波束发射范围内存在不需要接收该超声波束的目标，避免对其他目标的干扰和本路合成超声波束的泄露。
10.进一步地，上述步骤6）中，若需要增加某一个子阵列发射的合成超声波在空气中经过非线性解调得到的音频音量时，若在调制深度或子阵列中各个发射器的功率达到最大仍然不能满足音量增大需求时，系统将调整子阵列的划分，将其他没有增大解调后音频音量需求的子阵列中的发射器划分到有增大解调后音频音量需求的子阵列，增加具有增大解调后音量需求的子阵列的超声波发射器个数，从而提供该子阵列的发射总功率。
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