一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统

1.本发明属于跨信道通信领域，具体设计一种基于单片机和频率计算算法的针对主动降噪耳机的开环超声波警报系统。


背景技术：

2.目前主动降噪技术广泛地应用于中高端耳机中，主流降噪技术是anc(activenoisecontrol)它的主要原理是采集环境噪音，并通过算法产生频率和振幅与噪声信号相同，相位与噪声信号相差180度的反向信号，并进行回放，与原信号进行叠加，实现相位抵消从而抵消噪音。但市面上现有的大部分主动降噪耳机选择将接收到的全部的中低频声音均抵消，这种无差别的降噪会将降噪频率范围内的重要生活警报声一并消除，产生了较大的安全隐患。目前，已经有许多厂商为此问题提出了相应对策，如加入耳机内自动警报、app接入警报等，但这些都依赖于手机自动获取周围安全信息，主动从耳机中发出警报，当手机app无法获取警报信息时，该种类警报方式可靠性较低。对此，本发明针对主动降噪耳机的该种不足之处进行分析，合理利用超声波物理模块，实现了一种低成本、可拓展性强、实用范围广的警报系统，这种警报系统可以由耳机和手机外的主体发出，弥补了安全警报体系中的空缺。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，提供一种可由外界发出的对主动降噪耳机使用者的警报方式。
4.本发明解决其技术问题采用如下技术方案。
5.首先，主动降噪耳机的原理是通过电子线路计算原噪声的反相相位，输出一个频谱与原噪声频率、振幅相同但相位相反的声波，从而将原噪声抵消掉。要实现这个技术，要求主动降噪耳机的降噪模块的响应频率能与噪声的频率相对映。在处理声波时，不论是采用哪种anc技术，也无论使用数字电路还是模拟电路实现该功能，都只能处理一个频率范围内的声波。对于超声波，降噪电路的处理速度跟不上声波的频率，从而会产生很大的噪声。
6.一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，包括采集模块、输入转换模块、信号调制模块和发射模块。
7.所述采集模块包括自主信号采集组件、环境传感器和手动输入信号组件，用于收集控制信号并传入输入转换模块；所述输入转换模块包含数据选择组件和信号传输组件，用于接收采集模块传递的输入信息，然后将其转换为警报音频数据，传递给信号调制模块；所述信号调制模块包括pwm调制组件，通过pwm调制组件将警报音频数据调制为特定pwm波数据流；所述发射模块包括信号发生器，功率放大器和超声波发生器，根据收到的pwm波数据流发射超声波信息。模块之间采用电路连接传递数据。
8.进一步的，采集模块包括两种数据来源，即自主信号采集方式和手动输入信号方式。自主信号采集方式通过即时接收环境传感器(例如烟雾传感器、地震传感器等)的信号，
并通过自主信号采集组件判断是否符合警报条件。自主信号采集组件部署于各种应用场景中的环境监测系统中，如智能家居系统、消防安全系统等，自主信号采集组件采集该类环境监测系统提供的环境信息，计算生成输出信号并传输至输入转换模块。手动输入信号方式则提供一个操作面板，通过操作面板选择发送的信号类型，手动输入信号组件接收信号后，将输入信息传给输入转换模块。
9.进一步的，输入转换模块用于接收采集模块传递的输入信息，然后内置的数据选择组件根据输入信息，在内置音频列表中选择与输入信息相对应的警报音频数据，通过信号传输组件将警报音频数据传递给信号调制模块。内置音频列表将输入信号与警报音频数据一一对应。警报音频数据由多组持续时间time和声音频率freq组成。
10.进一步的，信号调制模块通过pwm调制组件将警报音频数据调制为特定pwm波数据流，使发射模块产生特定警报模式。pwm调制组件，通过将有效的电信号分散成离散形式，根据面积等效法则改变脉冲的时间宽度，等效地获得所需要合成的相应幅值和频率的波形。最终将音频数据转化成以高低电平来表示的pwm信号。
11.进一步的，所述发射模块通过信号发生器接收信号调制模块发送的经过调制的pwm波，并按照该波信号产生开关信号。功率放大器将开关信号的功率放大并转发给超声波发生器。超声波发生器根据接收到的功率放大后的开关信号发送超声波信息。
12.进一步的，所述的信号类型包括交通警报、火灾警报、地震警报、防空警报和气象警报。
13.进一步的，所述的采集模块还包括显示面板，用于为使用者提供操作面板。
14.进一步的，pwm调制组件具体实现的流程如下：
15.1.首先输入持续时间time和频率freq，将time作为大循环的循环步编号，freq作为小循环的循环步编号；
16.2.将freq赋值给i，进入内循环；
17.3.超声波发射器开始工作，持续1/freq秒；
18.4.超声波发射器停止工作，同时i-1；
19.5.判断i是否等于0(即小循环是否结束)。如果不等于0，重复执行3到5步；如果等于0，跳转至6步；
20.6.判断time是否等于0(即小循环是否结束)。如果不等于0，跳转至2步；如果等于0，则发射模块结束工作。
21.进一步的，所述的跨信道超声波警报系统设置在车辆上，所述的跨信道超声波警报系统安装于交通系统的车辆主体上时，设置在汽车喇叭部位，通过采集模块中的自主信号采集组件进行信号接收，声音传感器接收喇叭声音后，自主信号采集组件将输入信号传入输入转换模块；输入转换模块通过数据选择组件映射提前预设的车辆喇叭警报音频数据，信号传输组件将音频数据传递给信号调制模块；信号调制模块使用pwm调制组件将音频数据调制为特定pwm波数据流，通过电路链接将pwm波数据传递给发射模块，发射模块通过超声波发生器发出所需超声波，使本发明针对的主动降噪耳机产生车辆喇叭警报音频从而达到警报目的。
22.进一步的，所述的跨信道超声波警报系统设置在公共场所时，将跨信道超声波警报系统程序安装在工作人员的操作室中，连接公共空间广播警报系统，将发射模块安装于
利于声波传递的空旷处，跨信道超声波警报系统通过采集模块中的手动输入信号组件进行信号接收，当公共空间广播警报系统存在控制台时跨信道超声波警报系统通过软件api连接控制台为使用者提供一个操作面板；当公共空间广播警报系统不存在控制台时通过单独显示面板为使用者提供一个操作面板；使用者通过操作面板手动选择发送的警报信号类型，手动输入信号组件接收警报信号类型输入后，将输入传入输入转换模块；输入转换模块通过数据选择组件映射提前预设的不同警报信号类型对应的不同警报音频数据，信号传输组件将音频数据传递给信号调制模块；信号调制模块使用pwm调制组件将音频数据调制为特定pwm波数据流，通过电路链接将pwm波数据传递给发射模块，发射模块通过超声波发生器发出所需超声波，使本发明针对的主动降噪耳机产生使用者期望发送的警报信号，从而达到警报目的。
23.本发明的有益效果：
24.本发明通过一种超声波调制方法，实现了物理层面的跨信道的信息传递，提出了一种新颖的针对主动降噪耳机的超声波警报系统。从而能降低主动降噪耳机佩戴者在开启降噪模式时因为听不到外界声音而遇险的风险。
25.本发明使用可编程的超声波模块，结合pwm调制组件实现了超声波信号调频技术，从而将上文所述的噪声转变为带有约定俗成信息的特定警报，如空袭警报、火灾警报等，或者是用于传递特定信息等。
附图说明
26.图1为本发明跨信道超声波警报系统结构示意图；
27.图2为本发明实施例系统使用流程图；
28.图3为本发明实施例发射模块工作流程图。
具体实施方式
29.以下结合附图与实施例对本发明技术方案进行详细描述。
30.如图1所示，一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，包括采集模块、输入转换模块、信号调制模块和发射模块。
31.采集模块包括自主信号采集组件、环境传感器和手动输入信号组件，用于收集控制信号并传入输入转换模块；输入转换模块包含数据选择组件和信号传输组件，用于接收采集模块传递的输入信息，然后将其转换为警报音频数据，传递给信号调制模块；信号调制模块包括pwm调制组件，通过pwm调制组件将警报音频数据调制为特定pwm波数据流；发射模块包括信号发生器，功率放大器和超声波发生器，根据收到的pwm波数据流发射超声波信息。模块之间采用电路连接传递数据。
32.采集模块包括两种数据来源，即自主信号采集方式和手动输入信号方式。自主信号采集方式通过即时接收环境传感器(例如烟雾传感器、地震传感器等)的信号，并通过自主信号采集组件判断是否符合警报条件。自主信号采集组件部署于各种应用场景中的环境监测系统中，如智能家居系统、消防安全系统等，自主信号采集组件采集该类环境监测系统提供的环境信息，计算生成输出信号并传输至输入转换模块。手动输入信号方式则提供一个操作面板，管理人员可手动通过操作面板选择发送的信号类型，手动输入信号组件接收
管理人员的信号后，将输入信息传给输入转换模块。信号类型包括交通警报、火灾警报、地震警报、防空警报、气象警报等等。
33.在一实施例中，采集模块还包括单独显示面板，用于为使用者提供操作面板。
34.输入转换模块用于接收采集模块传递的输入信息，然后内置的数据选择组件根据输入信息，在内置音频列表中选择与输入信息相对应的警报音频数据，通过信号传输组件将警报音频数据传递给信号调制模块。内置音频列表将输入信号与警报音频数据一一对应，比如输入信号是火警，警报音频数据就是火警所对应的警报音频数据。警报音频数据由多组持续时间time和声音频率freq组成。
35.信号调制模块通过pwm调制组件将警报音频数据调制为特定pwm波数据流，使发射模块产生特定警报模式。pwm调制方法针对噪声产生方式而设计，本发明针对的主动降噪耳机仅对中低频的声波进行了优化，由于硬件成本有限和算法设计缺陷等原因的局限性，大部分耳机的主动降噪模块疏忽了对高频噪声的处理。导致该类型耳机的降噪模块在接收到高频声波时，降噪模块无法产生与高音音频频率相对应的响应频率，降噪模块生成的反相响应音频无法与原噪声进行物理对齐，响应音频与原噪声音频被动产生了振幅上的叠加，形成了一个比原噪声响度更高、影响更大的噪声。本发明利用这种噪声现象结合脉冲宽度调制设计pwm调制组件，通过将有效的电信号分散成离散形式，根据面积等效法则改变脉冲的时间宽度，等效地获得所需要合成的相应幅值和频率的波形。最终将音频数据转化成以高低电平来表示的pwm信号。
36.发射模块通过信号发生器接收信号调制模块发送的经过调制的pwm波，并按照该波信号产生开关信号。功率放大器将开关信号的功率放大并转发给超声波发生器。超声波发生器根据接收到的功率放大后的开关信号发送超声波信息。
37.图2为本发明实施例系统使用流程图；
38.跨信道超声波警报系统的核心在于输入转换模块和信号调制模块。通过改变pwm的占空比，可以输出不同频率的声音。pwm调制组件的接收到的警报音频数据，包含持续时间time和声音频率freq，如图3所示，具体实现的流程如下：
39.1.首先输入持续时间time和频率freq，将time作为大循环的循环步编号，freq作为小循环的循环步编号；
40.2.将freq赋值给i，进入内循环；
41.3.超声波发射器开始工作，持续1/freq秒；
42.4.超声波发射器停止工作，同时i-1；
43.5.判断i是否等于0(即小循环是否结束)。如果不等于0，重复执行3到5步；如果等于0，跳转至6步；
44.6.判断time是否等于0(即小循环是否结束)。如果不等于0，跳转至2步；如果等于0，则发射模块结束工作。
45.freq变量是一个计数器，用来指示每秒内发出的高低电平转换数，即为频率。这是最简单的一种应用。除此之外，如果想发出类似于防空警报这类连续变频的声音，可以通过数组来定义间隔时长，手动模拟变化的pwm信号，从而实现连续变调。
46.我们对各类主动降噪耳机进行了实验评估，如airpods、漫步者系列耳机、华为freebuds系列等，验证了系统的可行性。对于绝大部分主动降噪耳机，本系统都能起到较好
通知作用，尤其是头戴式主动降噪耳机。
47.本系统在各类场所有着广泛的应用空间，例如在交通方面的应用如下。
48.假设道路上有部分路人会佩戴主动降噪耳机来接听电话或者听音乐，这种情况下车辆发出的喇叭声会被降噪耳机减弱，行人可能会由于听不到警报声而遭遇危险。利用本发明，可以使装置在检测到喇叭声的同时发出预设超声波信号，行人的耳机接收到这个信号后，耳机内自动产生经超声波信号模块调制的警报声，从而使主动降噪耳机利用该警报声给耳机佩戴者传达危险信号。此方法成本低廉，方便加装于环境设施上。
49.跨信道超声波警报系统安装于交通系统的车辆主体上时，设置在汽车喇叭部位，通过采集模块中的自主信号采集组件进行信号接收，声音传感器接收喇叭声音后，自主信号采集组件将输入信号传入输入转换模块；输入转换模块通过数据选择组件映射提前预设的车辆喇叭警报音频数据，信号传输组件将音频数据传递给信号调制模块；信号调制模块使用pwm调制组件将音频数据调制为特定pwm波数据流，通过电路链接将pwm波数据传递给发射模块，发射模块通过超声波发生器发出所需超声波，使本发明针对的主动降噪耳机产生车辆喇叭警报音频从而达到警报目的。
50.由于超声波模块的指向性会使两边耳机形成的警报声响度不一致，可将该特性用于行人判断来车方向，车辆往往是从耳机响度高的方向驶来。行人可以通过本系统快速判断来车方向是左边。同时由于多普勒效应的存在，波长或频率会因为观察者与声源的相对运动而产生变化，类似于警笛，当我们利用超声波模块形成均匀间隔脉冲的警报声超声波，主动降噪耳机中形成的音频的波长和频率会随着汽车距离耳机佩戴者的距离改变而改变，在这种情况下可以有助于耳机佩戴者利用多普勒效应判断车辆是正在驶来或驶离，从另一维度上为耳机佩戴者规避了交通风险。
51.安装此装置不仅可以提供车辆的警报信息，还可以为行人提供车辆距离、方向等多维度信息。
52.当装置加装于环境中路灯、斑马线等静态参照物旁时，也可以实现相同的警报信息发送，虽然可提供的信息维度相较于加装于车辆上少，但优势在于加装需要的数量低，成本较低，可拓展性强。
53.本系统同时还具有更多的拓展功能。举例如下。
54.如在火灾预警方面，当耳机佩戴者处于一定的公共空间，如商场等，由于主动降噪耳机的佩戴，佩戴者容易被屏蔽而忽略环境中的声音信息，如商场发生火灾时的人群流动，尤其是当商场面积大、人流较少时，此时商场大多使用广播危险信息的方式以疏散人群，若该信息被主动降噪耳机屏蔽，手机app也无法获取这类突发事件信息作出预警，则耳机佩戴者将置身巨大危险中，在这种情况下，在商场广播系统中加装超声波模块的警报系统使主动降噪耳机发出不可忽视的警报声能很好地提醒耳机佩戴者以危险信息，能够有效预防主动降噪耳机佩戴者置身火险中，其他类型灾害风险类似。
55.当跨信道超声波警报系统安装于公共空间时，应将跨信道超声波警报系统程序安装在工作人员的操作室中，连接公共空间广播警报系统，将发射模块安装于利于声波传递的空旷处，如广播装置旁边等，跨信道超声波警报系统通过采集模块中的手动输入信号组件进行信号接收，当公共空间广播警报系统存在控制台时跨信道超声波警报系统通过软件api连接控制台为使用者提供一个操作面板；当公共空间广播警报系统不存在控制台时通
过单独显示面板为使用者提供一个操作面板；使用者通过操作面板手动选择发送的警报信号类型，手动输入信号组件接收警报信号类型输入后，将输入传入输入转换模块；输入转换模块通过数据选择组件映射提前预设的不同警报信号类型对应的不同警报音频数据，信号传输组件将音频数据传递给信号调制模块；信号调制模块使用pwm调制组件将音频数据调制为特定pwm波数据流，通过电路链接将pwm波数据传递给发射模块，发射模块通过超声波发生器发出所需超声波，使本发明针对的主动降噪耳机产生使用者期望发送的警报信号，从而达到警报目的。
56.该系统设计方案弥补了目前主流的警报信息容易被主动降噪耳机过滤的缺点，同时不过分依赖耳机与app本身的技术实现，可以直接由警报主体安装，或在交通系统、环境设备当中作为辅助装置，提供了一种由外界直接向降噪耳机使用者发出警报的方式，完善了目前的警报体系。
57.以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
58.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

技术特征：
1.一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，包括采集模块、输入转换模块、信号调制模块和发射模块；所述采集模块包括自主信号采集组件、环境传感器和手动输入信号组件，用于收集控制信号并传入输入转换模块；所述输入转换模块包含数据选择组件和信号传输组件，用于接收采集模块传递的输入信息，然后将其转换为警报音频数据，传递给信号调制模块；所述信号调制模块包括pwm调制组件，通过pwm调制组件将警报音频数据调制为特定pwm波数据流；所述发射模块包括信号发生器，功率放大器和超声波发生器，根据收到的pwm波数据流发射超声波信息；模块之间采用电路连接传递数据。2.根据权利要求1所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，采集模块包括两种数据来源，即自主信号采集方式和手动输入信号方式；自主信号采集方式通过即时接收环境传感器的信号，并通过自主信号采集组件判断是否符合警报条件；自主信号采集组件部署于各种应用场景中的环境监测系统中，如智能家居系统、消防安全系统等，自主信号采集组件采集该类环境监测系统提供的环境信息，计算生成输出信号并传输至输入转换模块；手动输入信号方式则提供一个操作面板，通过操作面板选择发送的信号类型，手动输入信号组件接收信号后，将输入信息传给输入转换模块。3.根据权利要求2所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，输入转换模块用于接收采集模块传递的输入信息，然后内置的数据选择组件根据输入信息，在内置音频列表中选择与输入信息相对应的警报音频数据，通过信号传输组件将警报音频数据传递给信号调制模块；内置音频列表将输入信号与警报音频数据一一对应；警报音频数据由多组持续时间time和声音频率freq组成。4.根据权利要求3所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，信号调制模块通过pwm调制组件将警报音频数据调制为特定pwm波数据流，使发射模块产生特定警报模式；pwm调制组件，通过将有效的电信号分散成离散形式，根据面积等效法则改变脉冲的时间宽度，等效地获得所需要合成的相应幅值和频率的波形；最终将音频数据转化成以高低电平来表示的pwm信号。5.根据权利要求4所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，所述发射模块通过信号发生器接收信号调制模块发送的经过调制的pwm波，并按照该波信号产生开关信号；功率放大器将开关信号的功率放大并转发给超声波发生器；超声波发生器根据接收到的功率放大后的开关信号发送超声波信息。6.根据权利要求2所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，所述的信号类型包括交通警报、火灾警报、地震警报、防空警报和气象警报。7.根据权利要求1或2所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，所述的采集模块还包括显示面板，用于为使用者提供操作面板。8.根据权利要求4所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，pwm调制组件具体实现的流程如下：1.首先输入持续时间time和频率freq，将time作为大循环的循环步编号，freq作为小循环的循环步编号；2.将freq赋值给i，进入内循环；3.超声波发射器开始工作，持续1/freq秒；
4.超声波发射器停止工作，同时i-1；5.判断i是否等于0；如果不等于0，重复执行3到5步；如果等于0，跳转至6步；6.判断time是否等于0；如果不等于0，跳转至2步；如果等于0，则发射模块结束工作。9.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，所述的跨信道超声波警报系统设置在车辆上，所述的跨信道超声波警报系统安装于交通系统的车辆主体上时，设置在汽车喇叭部位，通过采集模块中的自主信号采集组件进行信号接收，声音传感器接收喇叭声音后，自主信号采集组件将输入信号传入输入转换模块；输入转换模块通过数据选择组件映射提前预设的车辆喇叭警报音频数据，信号传输组件将音频数据传递给信号调制模块；信号调制模块使用pwm调制组件将音频数据调制为特定pwm波数据流，通过电路链接将pwm波数据传递给发射模块，发射模块通过超声波发生器发出所需超声波，使本发明针对的主动降噪耳机产生车辆喇叭警报音频从而达到警报目的。10.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，所述的跨信道超声波警报系统设置在公共场所时，将跨信道超声波警报系统程序安装在工作人员的操作室中，连接公共空间广播警报系统，将发射模块安装于利于声波传递的空旷处，跨信道超声波警报系统通过采集模块中的手动输入信号组件进行信号接收，当公共空间广播警报系统存在控制台时跨信道超声波警报系统通过软件api连接控制台为使用者提供一个操作面板；当公共空间广播警报系统不存在控制台时通过单独显示面板为使用者提供一个操作面板；使用者通过操作面板手动选择发送的警报信号类型，手动输入信号组件接收警报信号类型输入后，将输入传入输入转换模块；输入转换模块通过数据选择组件映射提前预设的不同警报信号类型对应的不同警报音频数据，信号传输组件将音频数据传递给信号调制模块；信号调制模块使用pwm调制组件将音频数据调制为特定pwm波数据流，通过电路链接将pwm波数据传递给发射模块，发射模块通过超声波发生器发出所需超声波，使本发明针对的主动降噪耳机产生使用者期望发送的警报信号，从而达到警报目的。

技术总结
本发明公开了一种针对主动降噪耳机的跨信道超声波警报系统，其特征在于，包括采集模块、输入转换模块、信号调制模块和发射模块。采集模块用于收集控制信号并传入输入转换模块；输入转换模块用于接收采集模块传递的输入信息，然后将其转换为警报音频数据，传递给信号调制模块；信号调制模块通过pwm调制组件将警报音频数据调制为特定pwm波数据流；发射模块根据收到的pwm波数据流发射超声波信息。本发明通过一种超声波调制方法，实现了物理层面的跨信道的信息传递，提出了一种新颖的针对主动降噪耳机的超声波警报系统。从而能降低主动降噪耳机佩戴者在开启降噪模式时因为听不到外界声音而遇险的风险。界声音而遇险的风险。界声音而遇险的风险。


技术研发人员：傅清源 曹嘉美 张梓言 申兴发 葛泉波
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/6