CN1929696B - 利用二次剩余序列相位延迟设置扬声器阵列的方法及装置 - Google Patents

Abstract

利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法，采用相位延时的方法实现扬声器指向性的优化，将二次剩余序列应用到扬声器阵列，各个扬声器单元馈给经过不同相位延时的信号；即扬声器阵列各个扬声器单元的相位延时相应的正比于一个二次剩余序列。本发明的指向性图表明，利用二次剩余序列优化扬声器阵列，其指向性的均匀性得到明显改进，且设计方法比较简单。

Description

利用二次剩余序列相位延迟设置扬声器阵列的方法及装置

                              技术领域

本发明设计扬声器阵列的设置方法，即通过信号处理的方法改进扬声器阵列的指向性，使其在低频和高频时都具有较好的指向性，以提高辐射声场的均匀程度。

                              背景技术

在科技不断创新的二十一世纪，为满足人们对高品质视听娱乐的新需求，越来越多的大型厅堂、场馆如雨后春笋般出现。由于单个扬声器难以达到所需和理想的声压级，所以，在这些大型场馆及其某些室外场所(如体育馆、露天广场)，大型声重放***(以多个扬声器组成的扬声器阵列)就成为了必然的选择。

与传统的声重放***相比，大型扬声器阵列声重放***有着如下优点：

1.可以产生足够的声压级，以满足大型场馆及露天演出的需求；

2.多扬声器间的干涉效应使得指向性更加容易控制，满足实际情况的需要；

3.在高混响环境内，可抑制反射声，提高语音的清晰度；

4.可使近场区和远场区声压不均匀度减小，使全场听众都能获得良好的听音效果。

以上种种优点，都使得大型扬声器阵列声重放***得到了广泛的应用。

与此同时，为满足室内高品质视听娱乐的需求，小型化的扬声器阵列也逐渐应用于平板电视机(如液晶电视机、等离子电视机)、家庭影院等视听设备中，由于其功率、形状、外观等方面的优势，越来越受青睐。

然而，用多个扬声器组成的阵列也存在许多无法回避的缺陷。这是因为多扬声器之间的干涉会产生指向性，其指向性图是频率的函数。在高频时，这种指向性图的主瓣变窄并会产生旁瓣，且旁瓣的位置对于频率变化非常敏感，因此使得声场分布极不均匀，令扬声器阵列的应用受到局限。多扬声器声重放***的辐射问题是多年以来电声领域迫切需要却又难以解决的问题。

为了克服频率变化导致的声场不均匀，人们提出了一些解决方法：

Klepper David L.，Steele Douglas W.，“Constant Direction Characteristics froma Line Source Array，”J.A.E.S，Volume 11 Number 3 pp.198-202；July 1963(扬声器阵列的方向特征)，使用电学或声学滤波器，滤掉部分单元的高频。

Menno Van Der Wal，et al，“Design of Logarithmically SpacedConstant-Directivity Transducer Arrays，”J.Audio Eng.Soc.，Vol.44，pp.497-507，(1996 June).(对数空间阵列的设计)以对数间距排列扬声器阵列。

Keele，Jr.，D.B.，“Effective Performance of Bessel Arrays”，J.A.E.S.，Volume 38 Number10 pp.723-748；October 1990.利用Bessel函数的性质，为阵列中各点源分配不同的声源强度，源强正比于特定Bessel函数，从而提高声场均匀程度。

Jiang Chao，Shen Yong，“An Omni-directivity Sound Source Array，”Mo.P2.11，The 18^thInternational Congress On Acoustics，Kyoto，Japan，April 2004.(全指向性声源阵列)，按照sinc函数规律调整源强，不仅提高了声场的均匀程度，还改善了相位特性。

上述方法均是通过调整源强提高扬声器阵列辐射声场的均匀程度，但存在设计复杂、辐射效率低等不足，缺乏理想解决方案。

沈勇，江超，徐小兵等，利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法及装置，专利申请号200410044849.5，将二次剩余序列用于优化扬声器阵列的指向性，为各个扬声器单元设置不同的信号延时，从而提高声场的均匀程度。

由于信号延时与频率密切相关，上述方法虽然能显著提高声场的均匀程度，但在频率变化时指向性图变化较大，某些频率附近产生不均匀的声场。

例：在7000Hz-8000Hz这一很小频率范围内，看两者的指向性图变化情况。指向性图(图4是延迟时间的方法的指向图)在7000Hz时覆盖范围比较均匀，而在8000Hz时15度角处存在较宽谷点，因此在这一较宽范围内的听众都无法听到此频率的声音，辐射声场不均匀。

二次剩余序列是一种数学上的序列，该序列由如下的公式决定：

d_n＝n² mod N。

其中d_n为序列的第n个元素，N为序列长度，通常取奇素数，mod表示取模。比如当N＝5时，该序列为：0，1，4，4，1；当N＝7时，该序列为：0，1，4，2，2，4，1；当N＝11时，该序列为：0，1，4，9，5，3，3，5，9，4，1。

对于一个全指向性的阵列来说，需要做到当频率在一定范围内变化时，指向性图保持基本不变。通过延迟相位来实现全指向性阵列，有严格的理论推导支持，能够保证上述要求。

                              发明内容

本发明的目的是：将二次剩余序列应用到扬声器阵列上来，提供一种设计方法相对简单，指向性均匀性得到明显改进的设置扬声器阵列的方法。

本发明的目的是这样实现的：利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法，采用相位延时的方法实现扬声器指向性的优化，将二次剩余序列应用到扬声器阵列上，各个扬声器单元馈给经过不同相位延时的信号；扬声器阵列各个扬声器单元的相位延时相应的正比于一个二次剩余序列。本发明是指在等间距排成一条直线的扬声器阵列上依次引入相位差，同样可以使指向性均匀。

具体方案为在扬声器阵列上引入相位差，在长度为N的阵列上，第n个扬声器单元的信号延迟相位

_n，延迟相位正比于一个二次剩余序列用下式表示：

_n＝(n² modN)×

_n，其中

_n＝2π/N。N为序列长度，mod表示取模。比如，

当N＝5时，每个扬声器的相位延迟分别为：

$0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}$

当N＝7时，每个扬声器的相位延迟分别为：

$0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×2,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×2,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}$

当N＝11时，每个扬声器的相位延迟分别为：

$0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×9,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×5,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×3,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×3,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×5,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×9,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}$

可以使扬声器阵列的指向性得到改善。

利用二次剩余序列设置扬声器阵列的装置，驱动扬声器阵列信号源分别经过按上述要求相位延时单元的延时后再驱动扬声器。扬声器单元间隔由实际工作频率范围确定。

本发明用于在等间距排成一条直线或近似直线的弧线的扬声器阵列上引入相位差。

图2、图3的对比，以及图8、图9的对比表明，根据本发明将二次剩余序列应用到扬声器阵列上来，指向性的均匀性得到明显改进；此外，图4、图5的对比表明，与利用二次剩余序列设置阵列单元延迟时间的方法相比，本发明延迟相位的方法可以明显改善小范围的频率变化带来的指向图的不均匀性。图5中的极性图(延迟相位的方法)与图4相比较，在7000Hz-8000Hz保持几乎恒定的指向性，不随频率明显变化。能够覆盖几乎所有的角度，辐射声场的均匀程度较前者有很大改观。

在其他频率范围内观察，也能得到类似的结论。

本发明的特点是：经检测的指向图表示，应用本发明，扬声器阵列的指向性得到明显改进，辐射声场更加均匀，且设计方法相对简单，扬声器阵列的驱动电路也极为简单。本发明的小型化扬声器阵列也应用于平板电视机(如液晶电视机、等离子电视机)、家庭影院等设备中，可以满足室内高品质视听娱乐的需求。

                           附图说明

图1 根据本发明，以N＝7为例，此时对应二次剩余序列为0，1，4，2，2，4，1的扬声器阵列实现方法示意图。

图2 当N＝7时，未经二次剩余序列优化的扬声器阵列指向图，分别表示不同频率时阵列的指向性，图2中(a)1kHz；图2中(b)2kHz；图2中(c)4kHz；图2中(d)8kHz。阵列单元间距d＝0.1m，下同。

图3 根据本发明，当N＝7时，利用二次剩余序列进行相位延迟优化的扬声器阵列指向图，分别表示不同频率时阵列的指向性，图3中(a)1kHz；(b)2kHz；(c)4kHz；(d)8kHz。

图4 当N＝7时，利用二次剩余序列进行“时间延迟”优化的扬声器阵列指向图，分别表示不同频率时阵列的指向性，图4中(a)7kHz；(b)7.5kHz；(c)8kHz。

图5 根据本发明，当N＝7时，利用二次剩余序列进行相位延迟优化的扬声器阵列指向图，分别表示不同频率时阵列的指向性，图5中(a)7kHz；(b)7.5kHz；(c)8kHz。

图6 当N＝7时，主轴方向(0度方向)远场频率响应对比：虚线——延迟时间方法；实线——延迟相位方法。横坐标为频率，纵坐标为dB表示的声压级，下同。

图7 当N＝7时，偏离主轴45度方向远场频率响应对比：虚线——延迟时间方法；实线——延迟相位方法。

图8 当N＝5时，未经二次剩余序列优化扬声器阵列指向图，分别表示不同频率时阵列的指向性，图8中(a)1kHz；(b)2kHz；(c)4kHz：(d)8kHz。阵列单元间距d＝0.1m，下同。

图9 根据本发明，当N＝5时，利用二次剩余序列进行相位延迟优化的扬声器阵列指向图，分别表示不同频率时阵列的指向性，图9中(a)1kHz；(b)2kHz；(c)4kHz；(d)8kHz。

图10 当N＝5时，主轴方向(0度方向)远场频率响应对比：虚线——延迟时间方法；实线——延迟相位方法。

图11 当N＝5时，偏离主轴45度方向远场频率响应对比：虚线——延迟时间方法；实线——延迟相位方法。

                             具体实施方法

当N＝7时，二次剩余序列为：0，1，4，2，2，4，1。则电路为：驱动扬声器阵列信号源分别经过 $0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×2,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×2,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}$ 的相位延迟单元，经过相位延迟后再经功率放大驱动扬声器。与现有技术相比，相位延迟单元的延迟显然不是简单的时间延迟的正比关系。此时几种频率下的指向性如附图3所示。

当N＝5时，二次剩余序列为：0，1，4，4，1。则电路为：驱动扬声器阵列信号源分别经过 $0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}$ 的相位延迟单元，经过相位延迟后再经功率放大驱动扬声器。此时几种频率下的指向性如附图9所示。

远场频率响应：

以N＝7为例，虚线代表以前延迟时间的方法，实线代表延迟相位的方法。角度θ表示偏离主轴的程度。以下考察不同角度时的远场频率响应。

θ＝0度时，频率响应如图6所示。

1/12倍频程，虚线声压方差σ＝4.9928e-4

实线声压方差σ＝3.6082e-9

在主轴上，通过延迟相位的方法，主轴的频率响应保持恒定，是这种方法的一大优点。

θ＝45度时，频率响应如图7所示。

1/12倍频程，虚线声压方差σ＝6.7422e-4

实线声压方差σ＝5.6070e-5

在偏离主轴的区域，延迟相位的方法依然保持频响方面的优势，实线方差小一个数量级表明频率响应波动小，优于虚线。

在其他偏离主轴的角度上观察，也能得到上述结论。

而N＝5时，阵列在0度和45度方向的频率响应见图10、图11，能够得到类似结论。

综上所述，延迟相位的方法与延迟时间的方法相比，虽然都是运用了二次剩余序列，原理框图的形式也有所类似，但它们存在很大的区别。延迟相位的方法由于是从理论严格推导而来，且具有指向性图变化小、频率响应平直的明显优点。

Claims (2)

1.利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法，其特征是采用相位延时的方法实现扬声器指向性的优化，将二次剩余序列应用到扬声器阵列，各个扬声器单元馈给经过不同相位延时的信号；即扬声器阵列各个扬声器单元的相位延时相应的正比于一个二次剩余序列；且在等间距排成一条直线或近似直线的弧线的扬声器阵列上引入相位差；在扬声器阵列上引入相位差时，在长度为N的扬声器阵列上，对第n个扬声器单元的信号延迟相位使

其中

N为序列长度，mod表示取模。

2.利用二次剩余序列设置的扬声器阵列，以等间距排成一条直线或近似直线的弧线的扬声器阵列，其特征是驱动扬声器阵列信号源分别经过相位延时单元，经过相位延迟单元后再经功率放大驱动扬声器；

所述扬声器阵列的各个扬声器单元的相位延时单元相应的相位延时正比于一个二次剩余序列；且在等间距排成一条直线或近似直线的弧线的扬声器阵列上引入相位差；在扬声器阵列上引入相位差时，在长度为N的扬声器阵列上，相位延迟单元对第n个扬声器单元的信号延迟相位

使

其中

N为序列长度，mod表示取模；

当N＝5时，每个扬声器的相位延迟分别为：

$0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}$

当N＝7时，每个扬声器的相位延迟分别为：

$0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×2,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×2,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}$

N＝11时，每个扬声器的相位延迟分别是：

$.0,\frac{2\mathrm{\π}}{7},\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×9,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×5,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×3,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×3,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×5,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×9,\frac{2\mathrm{\π}}{7}\×4,\frac{2\mathrm{\π}}{7}.$

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