CN101282590B - 高效率全调制气流扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率全调制气流扬声器，包括气源、发声喉、喇叭、声音信号源和功率放大器，气流由所述气源产生、通过发声喉中的调制阀进行调制后，再进入喇叭向外辐射声音；其特征在于，所述声音信号源的输出端连接一个去下包络处理装置，然后再依次与所述功率放大器、所述调制阀的电学部件连接；所述声音信号源输出零信号时，所述调制阀的通气量为零。本发明具有如下技术效果：极大地减小气流浪费，气流能量综合利用率提高，提高综合气—声转换效率；特别适合于语音播放；可以得到更大声功率输出。

Description

高效率全调制气流扬声器

技术领域

本发明属于声学领域，具体地说，本发明涉及一种气流扬声器。

背景技术

普通调制气流扬声器，是在半通气量的基础上调节气流量大小，来达到产生声音的目的。中国科学院声学研究所专利“大功率宽带气流扬声器”(ZL97249127.9)就是一种半通气调制气流扬声器，它能产生2万声瓦级的宽频带声音，是目前最适合语音播放的气流扬声器，它的调制阀有多排调制气道，能播放大功率声音。专利ZL200420026347.5、US5179595、WO90/03708、US6065688、US5054080、US6065688、EP0362068(公告号)、EP0012070(公告号)也均采用了半通气调制方式，即在没有声音时有一半气流输出。这种气流调制方式不仅存在大量的气流消耗，而且有直流气流产生流噪声，导致需要播放的声音的信噪比不高，特别是对低暂载率声音，气流消耗更大。另外，由于流噪声是一种宽带噪声，导致播放声音的清晰度降低，特别是播放语音时的可懂度明显降低。图1是半通气量调制的气流扬声器的原理示意图，图中气流扬声器具有一调制阀，该调制阀由定环5、动环4和振动线圈3组成，位于扬声器的喉部(图中未示出)。如图所示，工作状态下，声音信号通过功率放大后，通过振动线圈3带动动环4往复运动，调节通气量的大小以发出声音，是一种线性控制系统。该类型的扬声器在信号为零时，调制阀的通气量为最大通气量的一半。

半通气调制的气流扬声器气流量可表示为：

L_bp＝0.5L₀(1+x(t))

其中x(t)为归一化源信号，L₀是全通气量，调制比是信号的最大值与满量程的比值，这里的满量程是1，调制比m＝x_max，m∈(0，1)。

气流能量的有效利用率： ${\mathrm{\χ}}_{\mathrm{bp}}=\frac{{\∫}_0^T\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\∫}_0^T[1+x\left(t\right)]\mathrm{dt}}\×100\%$

不考虑环境噪声时，输出气流中播放声音的信噪比：

其中，α：喉部脉动气流能量转换为播放声音能量的总效率，一般在10％—50％范围；

β：直流喷气流能量转换为噪声声能的效率，该值极小，β<<α。

T是播放声音的时间。

表示信号x(t)的有效值。

表示信号1+x(t)的有效值。

气流扬声器的综合气—声能量转换效率：

η_bp＝αχ_bp

清华大学专利“阻挡射流扬声器”(ZL92102274.3)是一种有气流旁路的半通气普通调制的高压射流大功率气流扬声器，利用该专利形成了另一专利“声波消雾方法及其装置”(ZL99106185.3)，它们的调制原理是改变射向环状分流劈方向的高压射流量来调制声音，气流—声音的能量转换效率较高。但是它相当于一个单排气道调制阀，并且有一半气流被旁路浪消耗，总声功率比ZL97249127.9低。只有当旁路气流消声效果好时，ZL92102274.3可以达到与ZL97249127.9相当的信噪比，但是ZL92102274.3播放声音的清晰度更差，频带更窄，只适合产生窄带声音。而且该专利的调制器将被阻挡的气流泄放，形成了大量的气流浪费，气流利用率低。同时它也是一种半通气调制方式，即在没有声音时有一半气流输出，使得其所播语音的清晰度不高。

普通半通气和有旁路的半通气调制方式的气流扬声器的缺点归纳如下：

1)始终有一个直流气流，以至于播放声音为零信号时存在背景噪声，当播放声音低或暂载率低时信噪比较低；

2)气流浪费大，不管播放声音的大小，气流量消耗总是恒定的最大值；

3)目前的气流扬声器的气—声转换效率最大值只能达到20％左右，可产生万声瓦级声音，很难再提升效率。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的不足，将仿生气流发声机理应用于气流扬声器中，从而提供一种能够输出大功率高信噪比声音的高效率全调制气流扬声器。

为实现上述发明目的，本发明提供的高效率全调制气流扬声器包括气源、发声喉、喇叭6、声音信号源1和功率放大器2，气流由所述气源产生、通过发声喉中的调制阀进行调制，再进入喇叭6向外辐射；其特征在于，所述声音信号源1的输出端连接一去下包络处理装置7，然后再依次与所述功率放大器2和所述调制阀的电学部件连接；所述声音信号源1输出零信号时，所述调制阀的通气量为零。

上述技术方案中，所述去下包络处理装置7的输出端叠加一个负半偏压，然后再与所述功率放大器2连接。

值得注意的是，此处的声音信号源1，去下包络装置7，叠加一个负半偏压，三个部件都可以用软件来实现，即用一个数字信号处理器(如单片信号处理器或计算机)来编软件实现这些功能。

上述技术方案中，所述调制阀为电动(即电磁驱动)调制阀，包括动环4、定环5和振动线圈3；所述功率放大器2的输出端与振动线圈3连接。

上述技术方案中，所述调制阀还可以为压电陶瓷膜调制阀、压电陶瓷堆驱动的调制阀或磁致伸缩元件驱动的调制阀。

上述技术方案中，所述去下包络处理装置7首先接收声音信号源1输出的调制信号，然后提取调制信号的下包络线，再用原调制信号减去下包络线作为输出信号。

上述技术方案中，所述下包络线是对原调制信号进行2阶、3阶或4阶谷点连线而得到的。

本发明具有如下技术效果：

1.将信号规定为全正，零信号对应零气流，实现对不同声级的声音全调制，并极大地减小气流浪费，气流能量综合利用率提高，提高综合气—声转换效率；

2.全调制有利于消除背景噪声，有利于提高播放声音的信噪比和清晰度，特别适合于语音播放；

3.由于气—声转换效率较大地提高，因而在同样气量的条件下可以得到更大声功率输出；

4.声音信号的去下包络处理产生的失真较小，而且在喉部气流量转变成力振动发声时会将均值恢复到零水平；

5.高效率全调制气流扬声器在应用于播放语音和音乐时具有明显的节省气流能量的优势。

附图说明

图1是普通半通气调制气流扬声器原理示意图

图2是高效率全调制的气流扬声器的全调制原理示意图

图3是压电陶瓷振动器式气流扬声器的全调制原理示意图

图4是声音信号和其不同粗细度的下包络曲线示意图

图5是连续发出四种声级和频率不同的单频声音时的呼出气流量变化示意图

图6是与图5对应的连续发出四种声级和频率不同的单频声音时的波形图示意图

图7是对正弦信号的在满调制时3种调制原理的气流能量利用率对比示意图

图8是对脉冲或方波信号的在满调制时3种调制原理的气流能量利用率对比示意图

图9是对三角波信号的在满调制时3种调制原理的气流能量利用率对比示意图

图10是对锯齿波信号的在满调制时四种调制原理的气流能量利用率对比示意图

图11是“好一朵茉莉花”调制到满量程的波形图

图12是赵忠详解说苏东坡的一段语音调制到满量程的波形图

图13是声音信号的波形和按照一定算法计算出的下包络曲线示意图

图14是用减去包络后的声音信号波形控制气流量示意图

图15是减去包络前后声音信号的幅度谱误差示意图

图16是声音信号的波形和按照一定算法计算出的下包络曲线示意图

图17是用减去包络后的声音信号波形控制气流量示意图

图18是减去包络前后声音信号的幅度谱误差示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

本发明提供的高效率全调制气流扬声器包括气源、发声喉、喇叭6、声音信号源1和功率放大器2，其中气流由气源产生、通过发声喉中的调制阀进行调制，再进入喇叭6向外辐射；其特征在于，所述声音信号源1的输出端连接一去下包络处理装置7，然后再依次与所述功率放大器2和所述调制阀的电学部件连接；所述声音信号源1输出零信号时，所述调制阀的通气量为零。

如图2所示，本实施例中，调制阀为电磁驱动调制阀，包括动环4、定环5和振动线圈3；所述功率放大器2的输出端与振动线圈3连接。下包络处理装置的输出端叠加一个负半偏压，然后再与所述功率放大器2连接。在声音信号源1无调制信号时，预加负半偏压使得动环4与定环5间的气路切断。该负半偏压还可使得信号的调制始终在线圈正向和负向振动范围之内，避免只使用正向调制带来的调制幅度范围减半的缺点。这里的负半偏压是指声音信号源1无调制信号时，对应于振动线圈3一半行程的负向电压。

调制发声前对声音信号进行去下包络处理的方法是，计算出声音信号x(t)的下包络曲线y(t)，如图4所示。

减去下包络后的声音信号：x₁(t)＝x(t)-y(t)

其中信号x(t)是归一化的信号，其幅值约定为：|x(t)|≤1

下包络线是通过计算信号的谷点连线得到的。在进行预处理时，计算出的下包络线不需要太细，只要能大体反映信号的波动就可以。通常对信号进行2阶至4阶谷点连线作为下包络线。包络越细，其频率成份越高，处理后对声音的失真会越大。如图4所示，实线包络比虚线包络细，实线包络线所含的频谱成分就多，产生的失真就大。

本实施例中的声音信号源1提供待播放声音的电信号，包括话筒的输出信号，可播放设备(如计算机)提供的信号等。本实施例中的功率放大器2一般要求其频带范围能覆盖气流扬声器的工作频率范围，同时能够覆盖待播放声音信号的频率范围。气流扬声器所需的功放的功率一般在1000w左右。

本实施例中的高效率全调制与半通气普通调制气流扬声器的第一个差别是声音信号要经过预处理，即信号减去了下包络曲线；第二个差别是要给调制阀加负半偏压切断气流通路，使得无信号时无气流输出，动环4以负偏置为起点向正偏置振动；第三个差别是在喉部，气流量脉动转换成压力脉动后，再转变成声音振动辐射后，自动完成了声音均值归零功能，相当于恢复了下包络。

值得注意的是，本实施例中加负半偏压是为了最大限度地减小气流消耗。当不加偏压，或偏压处于零和负半偏压之间时，依然可以用减去下包络的信号来调制发声，只是气流能量节省率大大降低，而且播放声音的最大幅度降低，无法最大限度的利用振动线圈3的行程。如在不加负半偏压的同时，直接将调制阀的初始状态设置成零通气状态，即当振动线圈3上的控制信号为零时，调制阀的通气量为零。此时仍可实现减小气流消耗的目的，但是其动环4最大行程减半，最大输出声功率大大降低。

实施例2

本实施例中的调制阀采用压电陶瓷膜调制阀，其余部件与实施例1一致。本实施例与实施例1中的动—定环5调制方法不同的是，气流经过管底口进入管中时产生气流涡漩10，该涡漩在管内被放大，因而气—声转换效率比实施例1高。但是它的发声频率范围窄，一般只适合发窄带或单频声音。

如图3所示，本实施例中，气流由气流入口8进入，用压电陶瓷制作的振膜9调制气流量，声音信号控制压电陶瓷振膜9振动，在负半偏压下，振膜9向喇叭6口偏转，完全堵住气流进入喇叭6喉部的通道，无气流输出。经过预处理减去下包络后的信号控制振膜9做正向振动，即离开管口下端，形成气隙，气隙越大，进入喇叭6的气流越大，产生的声音越大。

实施例3

本实施例中的调制阀采用压电陶瓷堆驱动的调制阀，或者磁致伸缩元件驱动的调制阀，其余部件与实施例1一致。

另外，值得注意的是，本实施例要求声音信号源1输出零信号时，调制阀的通气量为零，但在实际操作中，很难将调制阀完全密封，因此可将0.1L₀以下的通气量均视为通气量为零。本发明的方法除了用于传统的气流扬声器中，也可适用于数制式气流扬声器中。

为了更好地理解本发明，下面结合仿真结果对本发明的发声原理作进一步地描述。

本发明应用了仿生气流发声机理。人和动物嘴都是靠气流发声，嘴发声的特点是：大声音时呼出大气流，小声音呼出小气流，无声音不呼出气流。用发声时的波形曲线来表示气流量的变化规律如图5所示。图中表示间隔短时间后发出四种不同声级、不同频率的单频声音。图5中可见气流量的变化总是以零值为最低水平，也就是下包络线是平直的，但是这种气流脉动转变成声音波动时，声波的均值线就会自动对齐，如图6所示。这种现象就是气流发声的均值自动对齐规律，这是因为低频气流波动转化成声音并辐射出来的效率低。本发明的气流扬声器即是按照上述规律制成。

本发明的高效率全调制气流扬声器的气流量变化规律可表示为：L_gp＝L₀[x(t)-y(t)]，

其中x(t)的最大正值不超过1。

气流能量的有效利用率： ${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{gq}}=\frac{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}[x\left(t\right)-y\left(t\right)]\mathrm{dt}}\&times;100\%$

与普通半调制气流扬声器的X_pb相比，X_gq≥X_pb。

喷气流产生的背景噪声：

信噪比：

输出气流量表示为：L_gp＝L₀[x(t)-y(t)]

转化成声音表示为： $p_{\mathrm{gp}}\left(t\right)\&Proportional;\sqrt{\mathrm{\&alpha;}}{L}_{0}x\left(t\right)$

气流扬声器的综合气—声转换效率： ${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{gq}}=\mathrm{\&alpha;}\frac{{\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_0^T[x\left(t\right)-y\left(t\right)]\mathrm{dt}}\&times;100\%$

与普通半调制气流扬声器的η_pb相比，η_gq≥η_pb。

气流量脉动转变成压力脉动的效率α与气流压力有关，与调制比无关。

下面，分别计算3种调制方式下，随调制比由0.01到1增加时，也就是调制信号由小到大改变的过程中，气流能量利用率的变化规律：

有旁路的半通气普通调制(ZL92102274.3)： ${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{bb}}=100\%\&times;\frac{0.5}{T}{\&Integral;}_0^T\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}$

半通气普通调制(ZL97249127.9，US5179595)： ${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{bp}}=100\%\&times;\frac{{\&Integral;}_0^T\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_0^T[1+x(t)]\mathrm{dt}}$

高效率全调制(即本发明)： ${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{gq}}=100\%\&times;\frac{{\&Integral;}_0^T\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_0^T\left[x(t\right)-y\left(t\right)]\mathrm{dt}}$

图7、图8、图9、图10分别是针对正弦波、方波、三角波、锯齿波，3种调制方式的气流能量利用率随调制比增加的变化规律的示意图。

从图中可以看出，3种不同的调制方式的气流利用率相差很大。本发明的高效率全调制第一，半通气普通调制第二，有旁路的半通气普通调制最低。在满调制时，本发明的高效率全调制气流扬声器和半通气普通调制气流扬声器的气流利用率都达到最大值且相同。

半通气普通调制和有旁路的半通气普通调制的气流利用率都随播放声音大小改变，并且有旁路的半通气普通调制的气流能量利用率只有半通气普通调制的一半。

虽然在播放不同波形的声音时，本发明的高效率全调制气流扬声器的气流利用率有所不同，如在播放方波和脉冲声音时气流利用率为100％，在播放正弦波声音时气流利用率为63％，在播放锯齿波声音时气流利用率为60％，在播放三角波声音时气流利用率为50％，但是都不受声音大小影响，而且不管对什么信号波形，在小信号时，高效率全调制气流扬声器的气流能量利用率比半通气普通调制和有旁路的半通气普通调制要高得多，因而节省气流能量，播放语音时的声音清晰度要高得多。

将声音信号的最大幅值调整到满量程时，以歌曲“好一朵茉莉花”为例，对比3种调制方法的气流的能量利用率。

图11为“好一朵茉莉花”声音波形图，其声音的暂载率L_d＝27.6％。

不同调制方法播放该段声音时的气流能量利用率对比如下：

有旁路半通气调制，满调制(m＝1)时气流利用率：

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{bb}}=100\%\&times;\frac{0.5}{T}{\&Integral;}_0^T\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}=10.5\%$

半通气普通调制时，信号x(t)满调制时的气流的能量利用率：

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{bp}}=\frac{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}[1+x\left(t\right)]\mathrm{dt}}\&times;100\%=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|x\left(i\right)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[1+x\left(i\right)]}\&times;100\%=21\%$

高效率全调制时，信号x(t)非满调制时的气流的能量利用率：

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{gq}}=\frac{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}[x\left(t\right)-y\left(t\right)]\mathrm{dt}}\&times;100\%=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|x\left(i\right)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[x\left(i\right)-y\left(i\right)]}\&times;100\%=45.2\%$

又如，中央电视台著名播音员赵忠详解说古代诗人苏东坡的一段语音如图12，声音的暂载率L_d＝13.7％，该信号的暂载率远低于“好一朵茉莉花”。所以不同调制方法的气流能量利用率差别更大。

对播放语音时不同调制方法的气流能量利用率分别为：

有旁路半通气调制，满调制(m＝1)时气流利用率：

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{bb}}=100\%\&times;\frac{0.5}{T}{\&Integral;}_0^T\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}=2.5\%$

半通气普通调制时，归一化信号x(t)满调制时的气流的能量利用率：

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{bp}}=\frac{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}[1+x\left(t\right)]\mathrm{dt}}\&times;100\%=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|x\left(k\right)\right|}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[1+x\left(k\right)]}\&times;100\%=5\%$

高效率全调制时，信号X(t)调制时的气流的能量利用率：

${\mathrm{\&chi;}}_{\mathrm{gq}}=\frac{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}\left|x\left(t\right)\right|\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_{t_0}^{t_1}[x\left(t\right)-y\left(t\right)]\mathrm{dt}}\&times;100\%=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|x\left(k\right)\right|}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[x\left(k\right)-y\left(k\right)]}\&times;100\%=51.5\%$

可以看出，高效率全调制可以很大程度上提高气流的能量利用率。

下面对本发明的高效率全调制的信号预处理所引起的误差进行分析。

本发明中，按照一定的算法可以有效地得出信号的下包络曲线，图13就是对某声音波形计算出下包络曲线的示意图(下包络曲线为图中的虚线)。

信号x(t)减去下包络y(t)后的信号形式为x₁(t)＝x(t)-y(t)，信号波形如图14所示。

从频域可以分析对一般信号，用本发明的方法进行去下包络处理时所产生的误差。去下包络处理后的信号的频谱表示为：

X₁(jω)＝X(jω)-Y(jω)

从图14中可以看出，包络信号y(t)是个低频信号，特别是对幅值相对恒定的声音信号，包络线几乎是直线，减去下包络线后只会对低频声音产生较小的影响。减去下包络前后的声音信号所产生的频谱误差如图15所示，可以看出，误差主要集中在低频段。但是该结果并不表明对所有信号进行预处理都会在低频段产生这么大的误差，误差大小取决于声音波形，如对单频正弦波进行预处理时，误差接近于零。信号的幅度波动越小，即下包络波动越小，去下包络处理产生的误差越小。如对另一个音乐声音的波形进行去下包络处理，如图16、17、18所示，分别对照图13、14、15，可以看出该段音乐声音的包络波动相对较小，因而减去下包络后信号频谱的误差更小。

因此，按照减去下包络后的声音信号的波形控制气流量，就可以产生所需要的声音，并且综合气—声转换效率会提高。同时，气流扬声器发出的气流量脉动在转变成声音的振动后，会将声音振动的均值还原到零电平，所以失真会更小。

在对减去下包络后的声音信号直接播放后进行监听后，感觉到的失真也不大。

本发明的气流扬声器，去包络能够极大地节省气流量，从而大幅度提高气—声转换效率。并且，在提取包络时，包络越粗，失真越小。但是包络应当能够基本反映声音的波动情况，如果包络线太粗，就难以起到减小气流消耗的作用。

Claims (4)

1.一种高效率全调制气流扬声器，包括气源、发声喉、喇叭(6)、声音信号源(1)和功率放大器(2)，气流由所述气源产生、通过发声喉中的调制阀进行调制后，再进入喇叭(6)向外辐射声音；其特征在于，所述声音信号源(1)的输出端连接一个去下包络处理装置(7)，然后再依次与所述功率放大器(2)、所述调制阀的电学部件连接；所述声音信号源(1)输出零信号时，所述调制阀的通气量为零；

所述去下包络处理装置(7)首先接收声音信号源(1)输出的调制信号，然后提取调制信号的下包络线，再用原调制信号减去下包络线作为输出信号；所述去下包络处理装置(7)的输出端叠加一负半偏压，然后再与所述功率放大器(2)连接。

2.按权利要求1所述的高效率全调制气流扬声器，其特征在于，所述调制阀为电动调制阀，包括动环(4)、定环(5)和振动线圈(3)；所述功率放大器(2)的输出端与振动线圈(3)连接。

3.按权利要求1所述的高效率全调制气流扬声器，其特征在于，所述调制阀为压电陶瓷膜调制阀、压电陶瓷堆驱动的调制阀或磁致伸缩元件驱动的调制阀。

4.按权利要求1所述的高效率全调制气流扬声器，其特征在于，所述下包络线是对原调制信号进行2阶、3阶或4阶谷点连线而得到的。

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