基于像素化微波热声相控阵的无源音频接收方法及系统

本发明属于无源接收，尤其涉及一种基于像素化微波热声接收相控阵的无源音频接收方法及系统。

背景技术：

1、现有无线音频接收终端通常采用蓝牙耳机、骨传导耳机或助听式接收装置等形式。该类装置通常需要内置电池、充电接口、主动接收电路和有源功率放大电路，在长期佩戴、轻量化设计、维护成本以及连续待机方面存在一定限制。尤其是传统骨传导耳机，通常需要依靠机械振膜贴靠皮肤或颅骨振动来完成声音传递，不仅需要供电，而且在体积、佩戴舒适性和结构复杂度方面仍有缺陷。

2、另一方面，像素化微波热声结构具有工作信号频率高、无机械振膜、瞬态响应快、易于微纳加工等特点。已有技术将该类微波热声结构用于主动发声或定向声辐射，但对于将其布置于耳部附近并作为无源音频接收装置使用以及直接利用远端入射高频信号的能量实现声音还原的系统性方案仍较少。

3、因此，有必要提出一种无源音频接收方案，使接收端无需电池和充电模块，即可在有源音频发射系统下完成音频接收与声音输出，以满足轻量化佩戴、免充电使用以及维护简单等应用需求。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有无线音频接收设备依赖电池供电和充电维护、传统骨传导耳机依赖机械振子且佩戴负担较高等不足，提供一种基于像素化微波热声接收阵列的无源音频接收方法及系统，以实现无需本地供电即可完成音频接收与声音还原。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种基于像素化微波热声相控阵的无源音频接收方法，包括：

4、s1.发射端将待传输的音频信号加载到高频载波上，得到载音高频信号；

5、s2.发射端对所述载音高频信号进行功率放大，并向无源音频接收装置进行无线发射；

6、s3.无源音频接收装置内置的像素化微波热声接收阵列接收所述载音高频信号，使各像素单元在所述载音高频信号激励下产生与音频包络同步的瞬态热变化，并通过微波热致声效应将所述载音高频信号转换为热致声压力波；

7、s4. 通过声学耦合腔、导声通道或出声孔将所述热致声压力波引导至用户耳部，将产生的声强还原为音频信号播放。

8、优选地，步骤s2中，所述载音高频信号的发射功率依据目标输出声强匹配下述热声转换声强公式标定：

9、

10、其中，表示目标输出声强，为空气介质声速，)为热声转换层热膨胀系数，为热声转换层定压比热容，为像素单元微波吸收结构等效电导率，为微波吸收介质本征阻抗实部，为脉冲宽度。

11、优选地，所述像素化微波热声接收阵列，由多个像素单元排布构成，使各像素单元产生的热致声压力波在耳道方向相干叠加形成声强，并在非目标方向部分抵消。

12、可选的布阵方式如下：

13、1）多个像素单元按照m×n矩阵排列，m和n均为大于或等于2的整数；相邻像素单元的中心距依据目标声频波长、耳道入口位置和接收装置外形确定，使各像素单元产生的热致声压力波在耳道入口处具有预定相位关系。

14、2）多个像素单元沿耳廓、耳挂或眼镜腿延伸方向排列，并通过各像素单元与耳道入口之间的几何距离差实现预设相位补偿，从而使声压波在用户耳部方向叠加。

15、3）像素单元设置在与耳部轮廓相适配的曲面基底上，曲面基底可采用柔性介质层、绝缘支撑层或微结构支撑层；该布阵方式能够提高接收面积和佩戴贴合度，同时减少非目标方向的声泄漏。

16、3）将像素化微波热声接收阵列划分为多个子阵列，各子阵列分别对应不同的匹配支路、吸收区域或声学耦合腔；各子阵列通过馈电路径长度、阻抗匹配参数、吸收层尺寸或热声转换层厚度形成不同的等效相位和幅度权重，以实现近耳声场聚焦。

17、上述相位和幅度调节为结构预设或无源匹配调节，不需要在接收端设置电池、数字处理器或有源功率放大器。

18、优选地，所述像素单元，包含至少一个微波热声接收单元，所述微波热声接收单元为能够将入射载音高频信号转换为热致声压力波的无源微结构器件；

19、所述微波热声接收单元，包括微波吸收结构、热声转换层以及声学耦合腔；

20、当载音高频信号入射至微波吸收结构，微波吸收结构产生的微波损耗使热声转换层生成与音频包络同步变化的瞬态热沉积；瞬态热沉积驱动声学耦合腔发生热膨胀与收缩，从而形成压力扰动并输出热致声压力波。

21、优选地，所述像素化微波热声接收阵列的外部设置有隔热支撑结构、限温间隙或导热隔离层，用于降低热量向用户耳部一侧传递，并使热量主要在热声转换层与声学耦合腔之间参与声压转换，从而提高使用安全性和换能效率。

22、优选地，步骤s1中，所述高频载波信号为微波信号；待传输的音频信号通过幅度调制、脉冲调制、包络调制、双边带调制或单边带调制中的一种或多种方式加载于所述微波信号上。

23、优选地，所述无源音频接收装置为可佩戴近耳设备，如入耳式接收装置、耳挂式接收装置、耳夹式接收装置、贴附式接收装置或与眼镜腿一体化的近耳接收装置。

24、优选地，原始音频信号包含语音、音乐、设备提示音中的至少一种。

25、第二方面，本发明提供了一种基于像素化微波热声相控阵的无源音频接收系统，所述系统包括有源音频发射模块与无源音频接收模块；

26、所述有源音频发射模块，包括音频输入单元、混频器、高频信号发生单元、射频发射单元；其中，所述音频输入单元，用于将待传输音频信号传输至混频器；所述高频信号发生单元，用于生成高频载波并传输至混频器；所述混频器，用于将输入的待传输音频信号加载到高频载波上，生成载音高频信号并传输至射频发射单元；所述射频发射单元，用于将所述载音高频信号进行功率放大后向外辐射；

27、无源音频接收模块，包括外壳、内置于外壳内的像素化微波热声接收阵列；所述外壳为可佩戴近耳设备（耳挂式、耳夹式、耳廓贴附式、眼镜镜腿一体化式）；所述像素化微波热声接收阵列用于接收所述载音高频信号并转换为声强输出。

28、本发明具体声强还原过程为：载音高频信号的包络在像素化微波热声接收阵列中转化为同步热波动，热波动通过微波热致声效应转化为同包络的声压波；声压波经声学耦合腔输出至用户耳部后，耳道及听觉系统接收到与原音频信号对应的可听声压变化，从而还原为语音、音乐或提示音。该过程区别于传统骨传导或扬声器方案，不依赖机械振子或电声换能器主动放大，而是利用远端入射载音高频信号本身为无源接收端提供转换能量。

29、本发明的有益效果如下：

30、(1)以无源音频接收装置作为音频播放端，无需电池、充电模块或主动功率放大模块，便于减轻佩戴负担并降低维护成本；

31、(2)采用像素化微波热声接收阵列进行声音还原，无机械振膜，结构轻薄，响应速度快；

32、(3)不同于传统骨传导耳机依赖机械振子贴靠皮肤或颅骨发声，本发明通过微波热致声效应直接将接收信号转化为声强，可在保持贴耳佩戴形态的同时减少机械部件；

33、(4)系统中的有源音频发射模块与无源音频接收模块形式灵活，可适应移动终端、专用发射器和轻量化接收终端等多种应用场景。

34、(5)像素化微波热声接收阵列兼具相控阵能量接收、热声换能和近耳指向性声场形成能力，可在无源接收条件下提高声强还原效率、减小机械结构并增强定向私密输出效果。