CN117596531A - 一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器及方法，所述直线列阵扬声器包括输入端处理模块、信号矩阵模块、输出端处理模块、多通道功率放大器和直线列阵扬声器模块；本发明通过调整信号的谱幅和延迟时间，在不同位置产生声音的合成和控制、调节声波传播延迟和形状，实现了音频矫正、波束形成、声场控制、波束定向和扩展，语音清晰度更好，声音投射更均衡，反射和扩散减少，声音级别损失较低，在声场范围内无论听众位于何处，都能够获得相对平衡的音量和频率响应，提供更好的音频体验。同时满足了宽覆盖范围大、传输频率特性频带差值小、稳态声场均匀度高、传声增益高、有效声压级高等要求。

Description

一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器及方法

技术领域

本发明涉及直线阵列扬声器调试技术领域，特别涉及一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器及方法。

背景技术

各大公共场合扩声的***中，扬声器终端现在普遍采用点声源扬声器和阵列柱形扬声器。但这两种扬声器均存在一些问题。点声源扬声器声音衰减快：随着距离的增加，点声源的声音衰减较快，可能需要进行声音增益或使用额外的设备来保持适当的音量水平。且覆盖范围有限：点声源的覆盖范围相对较小，对于大范围的音频覆盖出来说，可能需要使用多个点声源；阵列柱形扬声器方向性模糊：由于阵列柱形扬声器在水平方向上具有较广的发射角度、垂直有较小的发射角度(因为声干涉等原因)，声音传播可能不够精确，难以精确定位声音来源。且相干长度限制：阵列柱形扬声器的效果在较长的线段上可能会受到限制，特别是在较高频率上，可能出现相干长度的限制。

虽然现在市面上有了可调指向角的阵列柱形扬声器可以部分决解衰减和传播方向问题，但存在以下两个问题：

1、音频衰减问题：在宽覆盖范围的声场中，声音需要传播到较远的距离，而声音的衰减是不可避免的。因为其有了指向性，偏转轴线的指向角令其阵列声源的临界距离会更小，在远离扬声器的位置或指向性夹角外，声音会出现明显的衰减和频响的不均衡，导致音质和音量的下降。

2、不均匀的声场分布：由于宽覆盖范围的声场需要较广的扩散角度，阵列柱形扬声器可能难以实现完全均匀的声场分布。特别是在远离扬声器的位置，声音可能会变得不均匀，造成声音强度和质量的变化。

因此这些扬声器在各大公共场合扩声中并不能完全同时满足或需要更高成本来同时满足宽覆盖范围、传输频率特性频带差值、稳态声场不均匀度、传声增益、最大声压级等要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器及方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器，包括输入端处理模块、信号矩阵模块、输出端处理模块、多通道功率放大器和直线列阵扬声器模块；

所述输入端处理模块，用于接收音频源输入的音频信号并对该音频信号进行模/数转换，得到数字信号；

所述信号矩阵模块用于接收输入端处理模块输出的数字信号并对该数字信号进行划分，得到N路信号；

所述输出端处理模块接收信号矩阵模块输出的N路信号并对该N路信号进行信号处理；

所述输出端处理模块包括高低通滤波器模块、谱幅控制模块和时域处理模块；

所述高低通滤波器模块分别对该N路信号的高通和低通进行高阶分频处理；

所述谱幅控制模块对高低通滤波处理后的N路信号进行谱幅控制；

所述时域处理模块模块对谱幅控制后的N路信号进行时间延迟设置；

所述多通道功率放大器接收经过时间延迟设置后的N路信号并进行信号放大处理；

所述直线列阵扬声器模块包括N个扬声器单元，每个扬声器单元分别将一路经过信号放大处理的电信号转化成相应的声波；

其中，N为大于或等于3的自然数。

一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声方法，使用一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器。包括步骤如下：

S1，设定直线列阵扬声器模块总体波束指向性覆盖角目标值θ；

S2，启动输入端处理模块，用音频源输入的音频信号进行模/数转换，得到数字信号；

S3，启动信号矩阵模块，对所述数字信号进行划分，得到N路信号；

S4，启动高低通滤波器模块，根据扬声器单元的扬声器振谐频率Fs用于对所述每路输出信号的高通6阶分频处理，据据扬声器单元的频响范围上限用于对所述每路输出信号的低通6阶分频处理；

S5，启动谱幅控制模块，对经过高低通滤波处理后的信号进行谱幅控制；

S6，启动时域处理模块，对经过谱幅控制后的信号进行延迟时间设置；

S7，启动多通道功率放大器，分别对延迟处理后的N路信号进行放大；

S8，启动直线列阵扬声器模块，N个扬声器单元将多通道功率放大器输出的N路电信号转换为声波。

优选地，所述S4具体步骤如下：

S4.1，计算通道幅度值：计算每个扬声器单元的波束指向的角度值；计算公式如下：

θJ＝θ/(N-1-2)；

θi＝-θ/2+(i-2)×θJ；

i＝{2，3，4......(N-2)，(N-1)}；

其中θJ为扬声器单元之间的间隙角度，θ为直线阵列扬声器总体波束指向性覆盖角，N为扬声器单元数量，θi为第i个扬声器单元的波束指向的角度值；

S4.2，计算每个扬声器单元的波程差；计算公式如下：

path difference_j＝(j-5)×d×sin(90-|θj|)；

j＝{1，2，3，4......N-1，N}；

其中，path difference_j为第j个扬声器单元相对于阵列中心的波程差，|θj|代表第1个到第N个扬声器单元之间第j个扬声器单元的波束指向的角度的绝对值；

S4.3，计算每个扬声器单元波程差延迟时间；计算公式如下：

Delay_j＝path difference_j/c

其中Delay_j为第j个扬声器单元相对于阵列中心波程差的延迟时间，c为声音传播的速度；

S4.4，归一化波程差延迟时间，将延迟时间映射到x值，计算公式如下：

X_j＝Delay_j/max(Delay_j)；

x＝2*X_j-1；

其中，X_j为[0，1]之间的归一化系数，max(Delay_j)为所有扬声器单元中波程差延迟时间的最大值；x为[-1，1]之间的系数；

S4.5，将x代入Chebyshev多项式中计算出每个扬声器单元的权重系数；计算公式如下：

wn(x)＝cos(n*arccos(x))；

w0(x)＝1；

w1(x)＝x；

其中，wn(x)为n阶的x在[-1，1]之间的权重系数，n＝N-1，n为多项式阶数，N为扬声器单元数；

S4.6，使用fmincon函数优化权重系数，设波束形式为：

其中：B(f，θ)是在频率f和方向θ上的波束，wi是第i个扬声器的权重，wn(x)＝wi，wn(x)为在n阶的x在[-1，1]之间的权重系数，

用上述公式求得每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights；

S4.7，将每个扬声器单元的将每个扬声器单元的optimal_weights转化为增益值Gi；

先将每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights归一化为P，公式如下：

P＝optimal_weights/max(optimal_weights)

max(optimal_weights)为每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights中的最大值；

然后再将P转化为增益值Gi，公式如下：

Gi＝20log10(P)；

Gi为第i个序号扬声器单元的增益值。

优选地，所述S5中，将增益值Gi导入到谱幅控制模块用于谱幅增益控制。

优选地，所述S6中，将Delay_j值导入时域处理模块中用于时间延迟设置。

本发明的技术方案可解决现有技术中单只扬声器因结构形态、单元排列及数字处理算法上展现的效果在各大公共场合扩声中并不能完全同时满足或需要更高成本来同时满足宽覆盖范围、传输频率特性频带差值、稳态声场不均匀度、传声增益、最大声压级等要求的技术问题；本发明通过调整扬声器***的信号的谱幅和延迟时间，在不同位置产生声音的合成和控制，调节声波传播延迟和形状，可实现音频矫正、波束形成、声场控制、波束定向和扩展，语音清晰度更好，声音投射更加均衡，减少了声音的反射和扩散，具有较低的声音级别损失，保证了听众无论位于声场范围内的何处，都能够获得相对平衡的音量和频率响应，给听众提供更好的音频体验。同时满足宽覆盖范围大、传输频率特性频带差值小、稳态声场均匀度高、传声增益高、有效声压级高等要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1为一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器实施例的控制结构示意图；

图2为一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

在一种具体的实施例中，如图1所示，一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器，包括输入端处理模块、信号矩阵模块、输出端处理模块、多通道功率放大器和直线列阵扬声器模块；输入端处理模块，用于接收音频源输入的音频信号并对该音频信号进行模/数转换，得到数字信号；信号矩阵模块用于接收输入端处理模块输出的数字信号并对该数字信号进行划分，得到N路信号；输出端处理模块接收信号矩阵模块输出的N路信号并对该N路信号进行信号处理；输出端处理模块包括高低通滤波器模块、谱幅控制模块和时域处理模块；高低通滤波器模块分别对该N路信号的高通和低通进行高阶分频处理；谱幅控制模块对高低通滤波处理后的N路信号进行谱幅控制；时域处理模块模块对谱幅控制后的N路信号进行时间延迟设置；多通道功率放大器接收经过时间延迟设置后的N路信号并进行信号放大处理；直线列阵扬声器模块包括N个扬声器单元，每个扬声器单元分别将一路经过信号放大处理的电信号转化成相应的声波，N为大于或等于3的自然数。

本实施例中，多通道高低通滤波器和谱幅控制模块均为频域处理。

本实施例中，扬声器单元用于对放大输出的电信号转换为声波，实现宽覆盖范围大、传输频率特性频带差值小、稳态声场均匀度高、传声增益高、有效声压级高的扩声效果。

本实施例的具体使用方法如下：

S1，设定直线列阵扬声器模块总体波束指向性覆盖角目标值θ；其中，(θ＝0：180)。

S2，启动输入端处理模块，用音频源输入的音频信号进行模/数转换，得到数字信号；

S3，启动信号矩阵模块，对数字信号进行划分，得到N路信号；

S4，启动高低通滤波器模块，根据扬声器单元的扬声器振谐频率Fs用于对每路输出信号的高通6阶分频处理，据据扬声器单元的频响范围上限用于对每路输出信号的低通6阶分频处理；实际使用中，高低通高阶分频处理也可根据不同扩声需求中“指定的频带内能保持恒定频响”的设计目标的频率上下限作处理。

S4.1，计算通道幅度值：计算基于直线阵列且阵列中心指向0度时的每个扬声器单元的波束指向的角度值。计算公式如下：

θJ＝θ/(N-1-2)；

θi＝-θ/2+(i-2)×θJ；

i＝{2，3，4......(N-2)，(N-1)}；

其中θJ为扬声器单元之间的间隙角度，θ为直线阵列扬声器总体波束指向性覆盖角，θ的角度值选取范围为0-180，N为扬声器单元数量，θi为第i个扬声器单元的波束指向的角度值。

直线列阵扬声器模块包括N个扬声器单元，但在本实施例中只列出了N-2个扬声器单元的角度,这是因为两端的扬声器对于极端角度的贡献相似。

θ(N)＝θ(N－1)，θ(1)＝θ(2)。θ(N)为第N个扬声器单元的波束“指向”的角度值，θ(1)、θ(2)分别为序号第1个、2个扬声器单元的波束“指向”的角度值。

S4.2，计算每个扬声器单元的波程差；计算公式如下：

path difference_j＝(j-5)×d×sin(90-|θj|)；

j＝{1，2，3，4......(N-1)，N}；

其中，path difference_j为第j个扬声器单元相对于阵列中心的波程差，d是相邻扬声器单元之间的间距，|θj|为第j个扬声器单元的波束指向的角度的绝对值。

本实施例通过以波束覆盖角度值为目标推导出每个扬声器单元在目标角度的权重系数optimal_weight,并通过权重系数推导出每个扬声器单元在波束能量强度分布，使波束覆盖角度目标区域期间内能量强度保持一致。此算法同时适用于“凹透镜和凸透镜”虚拟弧形阵列扬声器。

S4.3，计算每个扬声器单元波程差延迟时间；计算公式如下：

Delay_j＝path difference_j/c；

其中Delay_j为第j个扬声器单元相对于阵列中心波程差的延迟时间，c为声音传播的速度。

S4.4，归一化波程差延迟时间，将延迟时间映射到x值，计算公式如下：

X_j＝Delay_j/max(Delay_j)；

x＝2*X_j-1；

其中，X_j为[0，1]之间的归一化系数，max(Delay_j)为所有扬声器单元中波程差延迟时间的最大值；x为[-1，1]之间的系数；

S4.5，将x代入Chebyshev多项式中计算出每个扬声器单元的权重系数；计算公式如下：

wn(x)＝cos(n*arccos(x))；

w0(x)＝1；

w1(x)＝x；

其中，wn(x)为n阶的x在[-1，1]之间的权重系数，n＝N-1，n为多项式阶数；

S4.6，使用fmincon函数优化权重系数，设波束形式为：

其中：B(f，θ)是在频率f和方向θ上的波束，wi是第i个扬声器的权重，wn(x)＝wi，wn(x)为在n阶的x在[-1，1]之间的权重系数，

用上述公式求得每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights；

S4.7，将每个扬声器单元的将每个扬声器单元的optimal_weights转化为增益值Gi；

先将每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights归一化为P，公式如下：

P＝optimal_weights/max(optimal_weights)

max(optimal_weights)为每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights中的最大值；

然后再将P转化为增益值Gi，公式如下：

Gi＝20log10(P)；

Gi为第i个扬声器单元的增益值。

S5，启动谱幅控制模块，将增益值Gi导入到谱幅控制模块，基于对增益值Gi经过高低通滤波处理后的信号进行谱幅控制；

S6，启动时域处理模块，将Delay_j值导入时域处理模块，基于Delay_j值对经过谱幅控制后的信号进行延迟时间设置；

S7，启动多通道功率放大器，分别对延迟处理后的N路信号进行放大；

S8，启动直线列阵扬声器模块，N个扬声器单元将多通道功率放大器输出的N路电信号转换为声波。从而使得目标波束覆盖角内特定频率范围的能量强度保持一致且频响恒定，产生了宽覆盖范围大、传输频率特性频带差值小、稳态声场均匀度高、传声增益高、有效声压级高的扩声效果。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器，其特征在于，包括输入端处理模块、信号矩阵模块、输出端处理模块、多通道功率放大器和直线列阵扬声器模块；

其中，所述输入端处理模块，用于接收音频源输入的音频信号并对该音频信号进行模/数转换，得到数字信号；

所述信号矩阵模块用于接收输入端处理模块输出的数字信号并对该数字信号进行划分，得到N路信号；

所述输出端处理模块接收信号矩阵模块输出的N路信号并对该N路信号进行信号处理；

所述输出端处理模块包括高低通滤波器模块、谱幅控制模块和时域处理模块；

所述高低通滤波器模块分别对该N路信号的高通和低通进行高阶分频处理；

所述谱幅控制模块对高低通滤波处理后的N路信号进行谱幅控制；

所述时域处理模块模块对谱幅控制后的N路信号进行时间延迟设置；

所述多通道功率放大器接收经过时间延迟设置后的N路信号并进行信号放大处理；

所述直线列阵扬声器模块包括N个扬声器单元，每个扬声器单元分别将一路经过信号放大处理的电信号转化成相应的声波。

2.根据权利要求1所述的一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器，其特征在于，N为大于或等于3的自然数。

3.一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声方法，其特征在于，使用如权利要求1或2所述的一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声器。

4.根据权利要求3所述的一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1，设定直线列阵扬声器模块总体波束指向性覆盖角目标值θ；

S2，启动输入端处理模块，用音频源输入的音频信号进行模/数转换，得到数字信号；

S3，启动信号矩阵模块，对所述数字信号进行划分，得到N路信号；

S4，启动高低通滤波器模块，根据扬声器单元的扬声器振谐频率Fs用于对所述每路输出信号的高通6阶分频处理，据据扬声器单元的频响范围上限用于对所述每路输出信号的低通6阶分频处理；

S5，启动谱幅控制模块，对经过高低通滤波处理后的信号进行谱幅控制；

S6，启动时域处理模块，对经过谱幅控制后的信号进行延迟时间设置；

S7，启动多通道功率放大器，分别对延迟处理后的N路信号进行放大；

S8，启动直线列阵扬声器模块，N个扬声器单元将多通道功率放大器输出的N路电信号转换为声波。

5.根据权利要求4所述的一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声方法，其特征在于，所述S4具体步骤如下：

S4.1，计算通道幅度值：计算每个扬声器单元的波束指向的角度值；计算公式如下：

θJ＝θ/(N-1-2)；

θi＝-θ/2+(i-2)×θJ；

i＝{2，3，4......(N-2)，(N-1)}；

其中θJ为扬声器单元之间的间隙角度，θ为直线阵列扬声器总体波束指向性覆盖角，N为扬声器单元数量，θi为第i个扬声器单元的波束指向的角度值；

S4.2，计算每个扬声器单元的波程差；计算公式如下：

path difference_j＝(j-5)×d×sin(90-|θj|)；

j＝{1，2，3，4......N-1，N}；

其中，path difference_j为第j个扬声器单元相对于阵列中心的波程差，|θj|代表第1个到第N个扬声器单元之间第j个扬声器单元的波束指向的角度的绝对值；

S4.3，计算每个扬声器单元波程差延迟时间；计算公式如下：

Delay_j＝path difference_j/c

其中Delay_j为第j个扬声器单元相对于阵列中心波程差的延迟时间，c为声音传播的速度；

S4.4，归一化波程差延迟时间，将延迟时间映射到x值，计算公式如下：

X_j＝Delay_j/max(Delay_j)；

x＝2*X_j-1；

其中，X_j为[0，1]之间的归一化系数，max(Delay_j)为所有扬声器单元中波程差延迟时间的最大值；x为[-1，1]之间的系数；

S4.5，将x代入Chebyshev多项式中计算出每个扬声器单元的权重系数；计算公式如下：

wn(x)＝cos(n*arccos(x))；

w0(x)＝1；

w1(x)＝x；

其中，wn(x)为n阶的x在[-1，1]之间的权重系数，n＝N-1，n为多项式阶数；

S4.6，使用fmincon函数优化权重系数，设波束形式为：

其中：B(f，θ)是在频率f和方向θ上的波束，wi是第i个扬声器的权重，wn(x)＝wi，wn(x)为在n阶的x在[-1，1]之间的权重系数，

用上述公式求得每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights；

S4.7，将每个扬声器单元的将每个扬声器单元的optimal_weights转化为增益值Gi；

先将每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights归一化为P，公式如下：

P＝optimal_weights/max(optimal_weights)；

max(optimal_weights)为每个扬声器单元的最优权重系数optimal_weights中的最大值；

然后再将P转化为增益值Gi，公式如下：

Gi＝20log10(P)；

Gi为第i个扬声器单元的增益值。

6.根据权利要求5所述的一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声方法，其特征在于，所述S5中，将增益值Gi导入到谱幅控制模块用于谱幅增益控制。

7.根据权利要求6所述的一种波束覆盖角可变且频响恒定的直线阵列扬声方法，其特征在于，所述S6中，将Delay_j值导入时域处理模块中用于时间延迟设置。