当音频功放遇见超声应用

什么是超声？

声音是由物体振动产生的声波，是通过介质（空气、固体或液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。正在发声的物体叫做声源，物体在一秒钟之内振动的次数叫做频率，单位是赫兹，简写为Hz。声学将声音分为次声、可听声和超声，声波频率低于20Hz的被称为次声，频率在20-20000Hz之间的叫可听声，而频率超过20000Hz，人的感觉器官无法听到的声波，就叫做超声，即超声波。

自然界的超声应用

超声虽然属于人耳听不到的声波，但它具有频率高、波长短、方向性好、穿透能力强的特点，且易于获得较集中的声能。大自然中有很多超声小能手，比如鲸鱼、蝙蝠、海豚等，它们发出超声波，利用回声的强度、延迟和频移来判断空间中物体的大概种类、距离和移动速度，从而实现回声定位。

图1-海豚声波定位 图片来源：西南渔业网

手机中的超声应用

在日常生活中，超声也被广泛应用于医学、军事、工业、农业等领域，功能覆盖测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。而在手机中，超声波的应用也很常见。

众所周知，手机上有多个传感器，其中包括距离感应器，其作用是在通话时，听筒靠近耳朵时息屏从而避免误操作，听筒远离耳朵时屏幕亮起。为了顺应智能手机轻薄化的趋势要求，同时利用超声波可以用来测距的特性，集成超声应用的音频功放应运而生。通过搭载这类音频功放，可用手机上喇叭和麦克风实现距离感应功能，进而替代掉原有距离感应器，节省手机内部空间。

其实现原理是完成超声音源与音频数据混音后，通过音频功放放大后经过听筒播出，再根据麦克风拾取到超声信号幅度判断手机与人耳的距离，执行亮屏与息屏动作。

方式1：音频信号与超声信号混音在平台内完成，可以通过模拟信号或者数字信号传递给音频PA。

图2

方式2：音频信号与超声信号混音在音频PA内完成，需要通过数字信号传递给音频PA。

图3

超声信号幅度计算

音频信号与超声信号混音在数字域内进行，需要注意混音后信号不能过零削波。此时需要计算音频信号与超声信号幅度关系，数字域分贝转换公式：

0dbFS=20log(1)

两个信号相加后不会超1(0dbFS)，即不会出现削波。

例如，语音信号幅度为：

-1dbFS=20log(0.8912)

超声信号幅度为：

-20dbFS=20log(0.1)

此时两个信号相加为：

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

如下是两种信号混音后实测数据（数字域），其中图4是混音后幅度超1削波，图5是混音后幅度小于1未削波。

图4

图5

采样频率规则

根据奎奈斯特抽样定律（要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率），如果选用超声频段在20KHz-24KHz，采样频率至少需要使用48KHz；如果选用超声频段超过24KHz，则采样频率需要使用96KHz。

软件配置完成后，硬件上需要注意功放、听筒及麦克风频率响应均能支持到超声频段；听筒及麦克风的截止频率会受到整机出声孔结构设计上的影响，出声孔的管道越短越宽，截止频率越高。

艾为音频功放

艾为音频功放芯片主要包括Digital Smart K、Smart K、K类、D类和AB类产品，可满足超声应用的选型需求，能够实现灵敏的距离感应等超声场景应用。

图6

除了优秀的超声应用功能加持，艾为音频功放从声音的明亮度、丰满度、柔和度、清晰度、平衡度、真实度等消费者对音质多维度的需求出发，进行严格、精致打磨，保证客户端的“听音”不仅能实现“大音量”，也兼具“好音质”。目前，以智能K系列音频功放芯片为代表的各类艾为音频功放产品已广泛应用于各品牌手机、智能硬件产品中，推动了音频功放芯片行业国产替代化进程。

审核编辑：刘清