CN1910953B - 扬声器装置 - Google Patents

Abstract

将多段扬声器列堆叠而构成阵列扬声器，所述扬声器列是将扬声器元件以水平直线状排列而成。各扬声器列，例如使扬声器的位置在每段上左右错位而以锯齿状并列而成。高音域的信号将扬声器列分成2段而使用一半，以使扬声器元件的间隔变小，防止分级波瓣。低音域的信号使用1段的扬声器列整体，缓和与高音域间的指向特性的错位。

Description

扬声器装置

技术领域

本发明涉及一种扬声器装置，其使用以阵列状排列多个扬声器元件而成的扬声器阵列，对声音信号的指向性进行控制。

背景技术

目前提出了以下技术，即，使用以阵列状排列的多个扬声器，对声音信号传输的指向性进行控制(参照专利文献1)。

图10是对该技术的基本原理进行说明的图。该图例示的情况为，从以直线状排列的多个小型扬声器输出声音信号，进行控制以使得该声音信号朝向焦点F。从各扬声器输出相同的声音信号，但此时对各扬声器的声音信号施加延迟，以使其同时到达焦点F。通过这种方式的控制，能够以图11所示的声压分布，形成带有仅朝向规定方向的指向性的声音束。通过将焦点F设定在墙面方向，能够相对于收听由墙面反射的声音束的视听者，形成墙面方向的假想声源。

为了进行上述方式的延迟时间控制，在图10的扬声器阵列上连接图12所示的声音信号处理部。声音信号被输入延迟电路而被延迟处理，从与各扬声器相对应的规定延迟量的抽头(tap)T(N)、T(N+1)、……中提取声音信号。提取出的声音信号由系数乘法器101(N)、101(N+1)、……乘以增益系数，利用放大器102(N)、102(N+1)、……放大之后，从各扬声器103(N)、103(N+1)、……发出声音。由系数乘法器进行乘法运算的系数是窗口函数等。

如果以图10的方式将扬声器在水平方向上以线状排列，则可以进行朝向水平方向的任意方向的指向性控制，而在垂直方向上成为宽指向性(锥形声束)。此外，如果将扬声器以水平·垂直的矩阵状排列，则在水平方向、垂直方向上，都能进行朝向任意方向的指向性控制。

如上所述，使用阵列扬声器对声音的指向性进行控制，不但可以在远离扬声器的墙面方向上设定假想声源，还能分别形成多个声束从而以1台(1组)阵列扬声器形成多声道假想的声源，因此，可以用于正在被实用化的、由简单的音频装置的结构实现5.1声道等多声道声源的情况。

专利文献1：国际公开01/23104 A2

可是，上述方式中存在如下问题。

可由阵列扬声器控制指向性的下限频率，由阵列的整个宽度决定。即，由于为了很好地进行控制，需要有数倍于波长的宽度，所以，作为一个例子，1kHz时波长是30cm，因此优选确保大约1m的宽度。

另一方面，可以控制的上限频率，由各小型扬声器(扬声器元件)的间隔(pitch)决定。如果波长比间隔短，则形成分级波瓣(gradinglobe)，即对意图以外的方向也形成声束。

因而，优选扬声器元件本身的直径和扬声器元件间的间隔都尽可能小。但是，因为如果为了缩短间隔而将扬声器小型化，则会使可输入的功率变小，变换效率也变差，所以，存在有输出音量不足的问题。

此外，由于一方面为了对宽频带进行控制，要缩小扬声器并使间隔缩短，另一方面，如果增加阵列的宽度，就必须增加扬声器的数量，因此，存在装置变得大型化的问题。如果以平面状排列扬声器而进行三维控制，则存在装置更加大型化的问题。

一方面，考虑使用效果，水平方向指向性控制非常有用，但由垂直方向的指向性控制所带来的优点比较少。人类因双耳处理而水平方向的声源识别敏感度高，5.1声道等环绕声源也基本是水平面处理。另一方面，如果在上下方向上形成了窄指向性的某种声束，则在用户坐着时、站着时和躺着时必须改变声束方向，并且在多个用户以不同姿势收听时，全部用户不能听得相同音质。再者，如果考虑向形状不同的各种用户房间的导入，将三维的声束调整为最佳很困难，实用的是仅对焦点方向的角度进行调整即可的水平面控制。

因此，考虑利用直线阵列仅在水平方向进行声束控制，但如果是直线阵列，则扬声器元件数量会很少，所以，还是会产生输入功率的问题。

一般3cm或3cm以下的全频带扬声器(full-range speaker)的输入功率为2W左右，如果以直线阵列排列20个，则合计功率只有40W。作为普通电视机扬声器没有问题，但作为多声道音频用扬声器的总功率就显得不足。此外，因为在形成声束的情况下要乘以窗口函数等，所以无法以全功率使全部扬声器工作。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种扬声器装置，其保持实用中有效的阵列扬声器的结构，且形成最佳的功率和规模。

作为用于解决上述问题的方法，本发明具备如下结构。

(1)一种扬声器装置，具备：

扬声器阵列，其是将多个扬声器元件排列而构成的；以及

声音信号处理部，其形成多个将上述多个扬声器元件的一部分分组而成的扬声器组，并将所输入的***的多个声音信号分别输出至各个扬声器组。

(2)如(1)所述的扬声器装置，上述扬声器阵列的构成方式为，将多个扬声器元件以水平列状排列而成为扬声器组，并将该扬声器组堆叠为多段。

(3)如(1)所述的扬声器装置，2个或2个以上的扬声器组，由相同的扬声器元件相互叠加而成。

(4)如(2)或(3)所述的扬声器装置，上述扬声器组分别作为不同的扬声器单元而构成，堆叠该扬声器单元而构成上述扬声器阵列。

(5)如(1)所述的扬声器装置，扬声器组包含高音域用扬声器组和低音域用扬声器组，用于高音域信号的扬声器组的宽度小于用于低音域用信号的扬声器组的宽度。

(6)如(1)所述的扬声器装置，上述扬声器阵列通过堆叠多段扬声器列而构成，上述扬声器列是将上述多个扬声器元件以水平列状排列而成的。

(7)如(6)所述的扬声器装置，扬声器组的构成方式为，使得各个上述扬声器列的输出声压大致均等。

(8)一种扬声器装置，具备：

扬声器阵列，其配置方式为，堆叠多段将多个扬声器元件以水平列状排列而成的扬声器列，同时使上下堆叠的扬声器列的各扬声器元件以锯齿形排列；以及

声音信号处理部，其将声音信号分割为多个频带，将其中高音域的信号输入至由2段或2段以上的扬声器列的一部分宽度构成的扬声器组，将低音域的信号输入至由1段扬声器列的全部宽度构成的扬声器组。

根据上述结构，由于将***的多个音频信号分配给多个扬声器组，所以保持了对于各音频信号在实用上有效的直线阵列扬声器的结构，而且作为整体能够确保大的输出功率。此外，不会出现交调失真或由反相信号的加法运算引起的信号消失这种多个信号从同一扬声器输出时产生的缺点。此外，如果使扬声器组成为直线阵列形状，则与使用二维窗口函数的平面状扬声器阵列相比，能够高效率地发出功率

通过将分组后的扬声器组进行一部分叠加，可以保持实用中有效的直线阵列扬声器的结构，而且能够任意地实现***所需的声音连接信号数和输出功率。

通过堆叠扬声器单元构成***，可以通过一个扬声器单元的设计制造，实现满足***用途的柔性***的构建和丰富的调整。此外，由于可以分割为扬声器单元，可以有效地进行制造、运输、解析等维护。

在利用扬声器阵列形成声音束的情况中，由扬声器元件的间隔(pitch)限定上限频率，由扬声器列的全部宽度限定下限频率。通过从以锯齿状排列的多段扬声器列输出高音域的信号，可以实质性地减小扬声器元件的间隔(pitch)，使高音域的指向性控制特性变好。此外，通过使用比高音域的宽度宽的扬声器整体输出低音域信号，可以使声音束的指向性变好。由此，可以缓和由频带引起的指向性的错位。

根据该发明，通过将***的多个声音信号分配输出给多个扬声器组，能够使输入至各扬声器元件的声音功率分散，即使是由小型扬声器元件构成的扬声器阵列，也能够整体上以充分的功率输出声音。

此外，通过用水平列状的直线阵列构成扬声器组，可以保持实用中有效的直线阵列扬声器的长处，构成具有最适于***的功率和规模的扬声器装置。

附图说明

图1是对作为本发明实施方式的扬声器装置的扬声器阵列的结构进行说明的图。

图2是对由该扬声器装置形成的声音信号束的指向性进行说明的图。

图3是扬声器阵列的其它实施方式的说明图。

图4是扬声器阵列的其它实施方式的说明图。

图5是扬声器阵列的其它实施方式的说明图。

图6是扬声器阵列的其它实施方式的说明图。

图7是扬声器阵列的其它实施方式的说明图。

图8是说明声音信号处理部的实施方式的图。

图9是说明声音信号处理部的其它实施方式的图。

图10是说明由扬声器阵列进行的声束控制的原理的图。

图11是表示由扬声器阵列形成的声束的声压分布的图。

图12是例示用于驱动扬声器阵列的声音信号处理部的图。

具体实施方式

参照附图说明本发明的实施方式。另外，在下面说明的实施方式中，扬声器元件是单个扬声器的意思，扬声器阵列表示是排列多个扬声器元件而构成的。此外，扬声器组是由扬声器阵列的一部分或全部构成的区划，输入各声道或各频带的声音信号。

图1是表示本发明第一实施方式的扬声器装置的图。扬声器装置由扬声器阵列1和声音信号处理部构成，但该图中，表示出扬声器阵列1、以及通过声音信号处理部对扬声器阵列1进行分配得到的扬声器组。扬声器阵列1由5段的扬声器列2(2-1、2-2、2-3、2-4、2-5)构成。对各扬声器列分配多声道音频源的各声道。即，各扬声器列分别成为扬声器组。对第1段(最上段)扬声器列2-1分配中央声道C，对第2段扬声器列2-2分配前置左声道FL，对第3段扬声器列2-3分配前置右声道FR，对第4段扬声器列2-4分配后置左声道RL，对第5段(最下段)扬声器列2-5分配后置右声道RR。

另外，这5段扬声器列，可以作为扬声器阵列1一体地构成，也可以将由单列扬声器列构成的直线阵列扬声器单元堆叠5段而构成。

在该实施方式中，由于各段扬声器列(直线阵列扬声器单元)分别对应各个音频声道，所以声音信号处理装置对每个声道(扬声器列)都设置图12所示的声音信号处理电路，从而只在水平方向上带有指向性。因此，各扬声器组是直线阵列状，且每个声道的输出功率都可以充分大。

通过将各声道以不重迭的方式分配给各个扬声器列，不会出现交调失真和由反相位信号的加法运算引起的消失的问题。此外，为了对由边界条件引起的指向特性的混乱进行缓和而乘以窗口函数，以越往端部扬声器输出越小的方式进行控制，但由于在这里扬声器组是直线状，所以不需要垂直方向的窗口函数，能够增大作为整体可输入的功率。

通过恰当地控制各声道的指向性，如图2所示，可以使每个声道都在墙面方向上形成假象扬声器，并可以利用1个扬声器阵列输出多声道的环绕声音。另外，由于各声道从水平阵列状扬声器组输出，所以各声道的声音在垂直方向上无指向性，不会因听众的姿势变化而在音质上产生改变。

图3至图7分别是表示扬声器装置的其它实施方式的图。

图3是表示用2段扬声器列构成扬声器阵列的例子的图。在该扬声器阵列上，如该图(B)所示，利用声音信号处理部形成：将扬声器阵列全体作为区划的扬声器组B01、将上扬声器列作为区划的扬声器组B02、以及将下扬声器列作为区划的扬声器组B03。分别对扬声器组B01分配中央声道C，对扬声器组B02分配前置左声道FL和前置右声道FR，对扬声器组B03分配后置左声道RL和后置右声道RR。

图4是表示用3段扬声器列构成扬声器阵列的例子的图。在该扬声器阵列上，如该图(B)所示，利用声音信号处理部形成：将第2段(中央)扬声器列作为区划的扬声器组B11；将第1段(上段)扬声器列作为区划的扬声器组B12；将第3段(下段)扬声器列作为区划的扬声器组B13；将第1、第2这2段扬声器列作为区划的扬声器组B14；以及将第2，第3这2段扬声器列作为区划的扬声器组B15。分别对扬声器组B11分配中央声道C，对扬声器组B12分配前置左声道FL，对扬声器组B13分配前置右声道FR，对扬声器组B14分配后置左声道RL，对扬声器组B15分配后置右声道RR。

后置左声道RL将全部功率中的70％输入到第1段，将30％的功率输入到第2段，后置右声道RR将全部功率的70％输入到第3段，将30％的功率输入到第2段。由此，将各段的功率分配平均化。

图5例示用3段扬声器构成扬声器阵列，配置方式为，使第2段扬声器列和上下的扬声器列错开，从而第1段和第2段以及第2段和第3段的扬声器成为锯齿形。由此，通过一起使用第1段、第2段扬声器列(或是第2段、第3段扬声器列)，可以使水平方向的扬声器间隔(pitch)为仅配置1列的情况下的1/2，从而可以改善高音域的指向性控制特性。

该图(B)是说明对该扬声器阵列设定的扬声器组和对各扬声器组分配的声道的图。在本实施方式中，通过声音信号处理部，设定有用于中央声道C、前置左声道FL和前置右声道FR的扬声器组。用于中央声道C的扬声器组B21，其左半部分将第1段(上段)和第2段扬声器列作为区划，其右半部分将第2段和第3段(下段)扬声器列作为区划。用于前置左声道FL的扬声器组B22将第1段和第2段扬声器列作为区划。用于前置右声道FR的扬声器组B23将第2段和第3段扬声器列作为区划。由于任一个扬声器组都使用包含第2段的2段扬声器列，所以通过扬声器元件的锯齿形排列，水平方向的间隔变为一半，因此高音域的指向性控制特性提高。

在上述实施方式中，针对每个声道，为多声道的音频源分配扬声器组，但下面说明按照频带来分割1个声道，对各频带分配扬声器组的例子。

图6表示用2段锯齿形排列的扬声器列构成扬声器阵列的例子。如该图(B)所示，通过声音信号处理部，对该扬声器阵列设定下述的扬声器组，并分别分配不同声道、频带的信号。对将扬声器阵列全体作为区划的扬声器组B41分配中央声道C。对将扬声器阵列左半部分(2列)作为区划的扬声器组B42分配左声道的高音域Lh。对将上扬声器列作为区划的扬声器组B43分配左声道的低音域Ll。对将扬声器阵列右半部分(2列)作为区划的扬声器组B44分配右声道的高音域Rh。对将下扬声器列作为区划的扬声器组B45分配右声道的低音域Rl。

这样，通过对低音域的信号，分配将1列扬声器整体作为区划的扬声器组，而对高音域的信号，分配将2列扬声器列的一半作为区划的扬声器组，可以将低音域的信号从宽阵列宽度、宽间隔(扬声器间隔)的扬声器组中输出，将高音域的信号从窄阵列宽度、(使用了2列的)短间隔的扬声器组中输出。由此，可以消除高音域的分级波瓣，同时缓和高音域和低音域的指向性的不同。

此外，在使用扬声器阵列(扬声器组)形成声音束的情况下，为了缓和指向特性的混乱，必须从中心向端部乘以使功率减少的这种窗口函数(汉宁(hanning)窗口、海明(hamming)窗口)。

在该图的例子中，低音域及中央声道的扬声器组，由于使用扬声器阵列的全部宽度，所以在扬声器阵列的中央部窗口函数的值最大。另一方面，高音域的扬声器组，由于是以扬声器阵列的中央向左右分割而形成的，所以扬声器阵列的中央成为扬声器组的端部，窗口函数的值最小。在合成这些信号的情况下，由于窗口函数的值的分布分散，在中央部功率不集中，所以可以在扬声器阵列的整体上分散功率，从而在整体上得到大输出。

此外，图7表示与图5相同的3段锯齿形排列地形成扬声器阵列的例子。在该扬声器阵列上，如该图(B)所示，通过声音信号处理部形成：将第2段(中央)的扬声器列作为区划的扬声器组B51；将第1、2段这2段扬声器列的左半部分作为区划的扬声器组B52；将第1段(上段)的扬声器列作为区划的扬声器组B53；将第2、3段这2段扬声器列的右半部分作为区划的扬声器组B54；以及将第3段(下段)的扬声器列作为区划的扬声器组B55。分别向扬声器组B51分配中央声道C，向扬声器组B52分配左声道的高音域Lh，向扬声器组B53分配左声道的低音域Ll，向扬声器组B54分配右声道的高音域Rh，向扬声器段B55分配右声道的低音域Rl。根据该结构，能够实现图6所示的2段结构的约1.5倍的输出功率。

如以上的例子所述，通过使扬声器组为列状，并利用其组合构成扬声器阵列，能够保持实用上有效的直线阵列的优点，实现任意的最佳输出功率。

本发明的结构并不限于这些例子，还可以构成为，使扬声器组为横向长的列状，或以各列的输出声压尽可能均等的方式构成扬声器组，或以向各扬声器元件分配的声道数尽可能少的方式构成。

参照图8和图9，对扬声器装置的声音信号处理部进行说明。在这些图中，为了将说明简化，使用堆叠了2段由4个扬声器元件构成的扬声器列的扬声器阵列，说明对左声道L、右声道R和中央声道C(仅图8)的声音信号指向性进行控制的声音信号处理部。

图8中，为了控制上述中央声道C、左声道L和右声道R的声音信号的指向性，在每个声道上分别设置有指向性控制电路20(20C、20L、20R)。各指向性控制电路是图12所示的结构，是将输入的声音信号经过规定的延迟、规定的增益，输出到扬声器组内的各扬声器元件的电路。利用各指向性控制电路20C、20L、20R进行了延迟及增益控制的声音信号，输入至与被分配给各声道的扬声器元件相对应的加法器21，进行加法运算。加法运算后的声音信号被放大器22放大后，从扬声器元件sp1～sp8输出。

该图(B)所示的(或者图1～图7所示的)扬声器组的分配可以是固定方式，也可以是用户设定或可自动改变的方式。

在图9中，左声道L、右声道R的信号，分别输入至高通滤波器(HPF)25L、R以及低通滤波器(LPF)26L、R。高通滤波器25L只选择左声道信号的高音域，将该左声道的高音域信号输入至指向性控制电路27Lh。低通滤波器26L仅选择左声道信号的低音域，将该左声道的低音域信号输入至指向性控制电路27Ll。高通滤波器25R仅选择右声道信号的高音域，将该右声道的高音域信号输入至指向性控制电路27Rh。低通滤波器26R仅选择右声道信号的低音域，将该右声道的低音域信号输入至指向性控制电路27Rl。

各指向性控制电路27是图12所示的结构，其将输入的声音信号从图9(B)所示的扬声器组输出，形成声音束，并控制延迟和增益，以控制指向性。

由各指向性控制电路27被延迟和增益控制的声音信号，被输入至与被分配给各声道的扬声器元件相对应的加法器28，进行加法运算。加法运算后的声音信号利用放大器29放大后，从扬声器元件sp1～sp8输出。

Claims (5)

1.一种扬声器装置，具备：

扬声器阵列，其包括多个扬声器元件，该多个扬声器元件排列在堆叠起来的多个水平列中；以及

声音信号处理部，其与至少包括前置左声道信号、前置右声道信号、中央声道信号在内的多个声音信号对应，驱动至少包括中央声道扬声器组、前置左声道扬声器组、前置右声道扬声器组在内的多个扬声器组，上述多个扬声器组各自包括上述扬声器阵列中的一组扬声器元件，

上述中央声道扬声器组至少包括一个水平列中的所有扬声器元件。

2.如权利要求1所述的扬声器装置，

至少上述多个扬声器组中的一个扬声器组的某一列所包含的部分扬声器元件，还是其它扬声器组的一部分。

3.如权利要求1所述的扬声器装置，

上述扬声器组分别作为不同的扬声器单元而构成，上述扬声器阵列由堆叠的该扬声器单元构成。

4.如权利要求1所述的扬声器装置，

扬声器组还包含与左声道和右声道信号各自对应的高音域用扬声器组和低音域用扬声器组，

与左声道和右声道信号各自对应的用于高音域信号的扬声器组的宽度小于与左声道和右声道信号各自对应的用于低音域用信号的扬声器组的宽度。

5.如权利要求1所述的扬声器装置，

扬声器组的配置方式为，使得各个上述扬声器列的输出声压大致均等。

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