什么是超聲？

聲音是由物體振動產生的聲波，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象。正在發聲的物體叫做聲源，物體在一秒鐘之內振動的次數叫做頻率，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，從而實現回聲定位。

圖1-海豚聲波定位 圖片來源：西南漁業網

手機中的超聲應用

在日常生活中，超聲也被廣泛應用于醫學、軍事、工業、農業等領域，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距離感應功能，進而替代掉原有距離感應器，節省手機內部空間。

其實現原理是完成超聲音源與音頻數據混音后，通過音頻功放放大后經過聽筒播出，再根據麥克風拾取到超聲信號幅度判斷手機與人耳的距離，執行亮屏與息屏動作。

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

圖2

方式2：音頻信號與超聲信號混音在音頻PA內完成，需要通過數字信號傳遞給音頻PA。

圖3

超聲信號幅度計算

音頻信號與超聲信號混音在數字域內進行，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據（數字域），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

采樣頻率規則

根據奎奈斯特抽樣定律（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類產品，可滿足超聲應用的選型需求，能夠實現靈敏的距離感應等超聲場景應用。

圖6

除了優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，進行嚴格、精致打磨，保證客戶端的“聽音”不僅能實現“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品已廣泛應用于各品牌手機、智能硬件產品中，推動了音頻功放芯片行業國產替代化進程。

審核編輯：劉清