CN101820562A - 宽辐射角五声源扬声器阵列 - Google Patents

Abstract

一种宽辐射角五声源扬声器阵列，通过调整阵列中各个声源的幅度和相位来实现扬声器阵列指向性的优化，实现宽辐射角的五声源扬声器阵列；各个声源可以分别馈给不同幅度、正相或反相的信号；扬声器阵列中依次排列的声源分别为“x1、x2、x3、x4、x5”，其中：每个声源的声压幅度的比例系数为：x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9，x5为0.36为基准或x5为0.44为基准。其中声压幅度的比例系数具有一定的容差：x1±20％，x2±10％，x4±10％，x5则小于±0.04，x3单元声压幅度的比例系数等于1，是一个相对基准。

Description

宽辐射角五声源扬声器阵列

技术领域

本发明涉及扬声器阵列的设置方法和装置，采用分配不同声源强度和相位的方法来实现五声源扬声器阵列指向性的优化，使其在工作频率范围内都具有宽辐射角，以提高辐射声场的均匀程度。

背景技术

很多场合需要较高的声压级，由于单个声源(如扬声器单元)辐射声能有限，难以达到足够高的声压级，人们很自然地想到使用多个声源，在几十年前甚至出现了由数百个扬声器构成的“声墙”式扬声器阵列。但遗憾的是，数量众多的扬声器所辐射的声波会产生干涉现象，且数量越多，越难以控制。后来人们发现“声柱”(sound column)式扬声器阵列很实用。声柱是由多个相同的扬声器单元按一定结构作线状竖直排列(如直线排列、也有曲线排列)的扬声器系统。声柱一般是竖直使用的，故在水平方向有较宽的辐射角，在垂直方向有较窄的辐射角。声柱可以产生更高的声压级，但也存在无法回避的缺陷。这是因为多扬声器之间的干涉会产生指向性图，而这种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。另外，竖直吊挂的声柱有时安装不便且不够美观。这些必须要解决的实际问题，令声柱的应用受到局限。

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：

Keele，Jr.，D.B.，“Effective Performance of Bessel Arrays”，J.A.E.S.，Volume 38Number 10pp.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，从而展宽了辐射角，提高了声场的均匀程度。

Jiang Chao，Shen Yong，“An Omni-directivity Sound Source Array，”Mo.P2.11，The 18thInternational 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，不仅展宽了辐射角，提高了声场的均匀程度，还改善了相位特性。

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，专利号ZL200410044849.5，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，从而展宽了辐射角，提高了声场的均匀程度。

上述方法均是通过调整源强展宽辐射角、提高扬声器阵列辐射声场均匀程度，但存在设计复杂、使用成本高等不足。

发明内容

本发明的目的是：采用分配不同声源强度和相位的方法来优化扬声器阵列指向性，提供一种设计方法相对简单，辐射角明显展宽、指向性均匀性得到明显改进的设置五声源扬声器阵列的方法及装置，尤其提供了横向直线排列或弧线排列的五个声源(如扬声器单元、号筒扬声器、扬声器箱等)扬声器阵列。

本发明的目的是这样实现的：宽辐射角五声源扬声器阵列，通过调整阵列中各个声源的幅度和相位来实现扬声器阵列指向性的优化，实现宽辐射角的五声源扬声器阵列；各个声源可以分别馈给不同幅度、正相或反相的信号；扬声器阵列中依次排列的声源分别为“x1、x2、x3、x4、x5”，其中：每个声源的声压幅度的比例系数为：x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9，x5为0.36为基准或x5为0.44为基准。其中声压幅度的比例系数具有一定的容差：x1±20％，x2±10％，x4±10％，x5则小于±0.04，x3单元声压幅度的比例系数等于1，是一个相对基准。

本发明利用分配不同声源强度和相位的方法，通过调整阵列中部分声源强度和正反相位来实现扬声器阵列指向性的优化。有的声源相位与阵列中其它声源反相，各个声源分配正相或反相的、并且强度各不相同的信号。

本发明所述的五声源扬声器阵列一般指直线排列或近似直线的较少弧度弧线排列的五个声源(如扬声器单元、号筒扬声器、扬声器箱等)，也可以涉及曲线排列的扬声器阵列。

本发明特别适用于将扬声器阵列水平放置的“声梁”(sound girder，sound crossbeam)式横向布置使用。此时，本发明的声梁在水平方向和垂直方向均有较宽的辐射角，易于获得均匀的辐射声场。声梁安装方便且美观，实用性强。

本发明具体而言是：在扬声器阵列上分配不同声源强度，根据需要将部分声源的信号调整为反相位。反相相位表示为“-”。例如传统的5点同相位直线阵列可以表示为“11111”，表示各个声源的幅度和相位均一致。而本发明将根据设计声源数目不同，选取不同的幅度和相位排列方式，以实现阵列指向性的优化。

本发明阵列声源单元数目N＝5，根据本发明，优化阵列单元的排列可以按照上述规则表示依次排列的声源(扬声器单元等)分别为“x1、x2、x3、x4、x5”，其中：每个扬声器单元的声压幅度的比例系数为：

x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9

x5为0.36为基准或x5为0.44为基准。

其中声压幅度的比例系数具有一定的容差：x1±20％，x2±10％，x4±10％，x5则小于±0.04，x3单元声压幅度的比例系数等于1，是一个相对基准。

上述系数表示：扬声器阵列水平放置时，自右向左分配给各声源的声压幅度的比例为x1∶x2∶x3∶x4∶x5，同时，将右起第2个声源的输入信号反相180度，而其余声源的输入信号保持正常相位。由于指向性响应与声源强度分布之间存在谱变换关系，阵列远场指向性响应关于轴向0度角左右对称，因此上述排列的幅度和相位也可以自左向右进行调整，即左边第2个声源的输入信号反相180度，而其余声源的输入信号保持正常相位。

利用这种方法设置扬声器阵列的装置，通过调整部分声源输入信号幅度和相位，其余设置保持不变，可以得到指向性得到优化的扬声器阵列。一般来说，调节某一特定相位的方法有一定的复杂性，而本发明仅需要在幅度大小和是否反相两种方式间选择合适的排列方式既可达到优化目的，因此可以避开复杂的相位调整信号处理模块，实现方法非常简单。

本发明在实际使用时可以设置两组或两组以上、工作频率范围不同的扬声器阵列，通过分频器提供各自合适频段的输入信号。可以得到在较宽频率范围内的优化特性。

关于形状设计：本说明书提供的仿真、实验数据均以直线型扬声器阵列为例。而对于弯曲程度不大的扬声器阵列，其优化特性基本得到保持。故可根据实际使用需要，设置直线型，或者具有弧度的扬声器阵列。如图2、图3的指向性图中对比了采用本发明方法优化前后的理论预测数据。从图中的理论仿真指向图对比来看，本发明的优化方法能够明显改善扬声器阵列的指向特性，使得辐射声场更加均匀。图4的频率响应图表示了采用本发明优化前后在45度方向的频率响应曲线。可以看出经过优化的扬声器阵列在45度方向，其工作频段范围内对频率响应曲线的平直程度有明显改善。同样的，在其他角度也有相似的改善效果。

本发明有益效果是，经检测的指向图表示，五声源扬声器阵列的具备宽辐射角，辐射声场均匀，且设计方法非常简单，成本低廉，便于使用。

附图说明

图1根据本发明的五声源扬声器阵列装置示意图。

图2根据本发明，当x5＝0.36时，优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中红色表示优化前幅度相位均一致的五声源阵列，蓝色表示应用本发明优化后的五声源阵列。分别表示了不同频率时阵列的指向性，分别对应为1kHz，2kHz，4kHz，8kHz。阵列单元间距d＝0.1m，下同。

图3根据本发明，当x5＝0.44时，优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中红色表示优化前幅度相位均一致的五声源阵列，蓝色表示应用本发明优化后的五声源阵列。分别表示了不同频率时阵列的指向性，分别为1kHz，2kHz，4kHz，8kHz。x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9。

图4根据本发明，优化前后的频率响应对比。其中红色表示优化前幅度相位均一致的五声源阵列的频率响应；绿色表示应用本发明，x5＝0.36时的频率响应；蓝色表示应用本发明，x5＝0.44时的频率响应。本图表示在偏离主轴45度角时阵列的频率响应。x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9。

具体实施方法

下面用举例的形式说明本发明的具体实现方法。

根据图1，应用本发明时，需要将信号分配给五个扬声器单元，其中每个扬声器单元分配到的信号幅值和相位满足一定的规律。有多种方法可以达到类似的目的，例如使用独立通道的运算放大器电路以及功放电路，设计成各个通道都先经过比例运算放大器进行幅度调整和正反相位调整，再经过功放电路驱动扬声器单元。扬声器单元组成阵列时，单元间距d＝0.1m。

图2、图3的指向性图中对比了采用本发明方法优化前后的理论预测数据。图2表示当x5＝0.36时，优化前后阵列的不同频率下的指向图对比；图3表示x5＝0.44时，优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中分别表示了不同频率时阵列的指向性，分别为1kHz，2kHz，4kHz，8kHz。从图中的理论仿真指向图对比来看，本发明的优化方法能够明显改善扬声器阵列的指向特性，使得辐射声场更加均匀。

图4的频率响应图表示了采用本发明优化前后在45度方向的频率响应曲线。可以看出经过优化的扬声器阵列在45度方向，其工作频段范围内对频率响应曲线的平直程度有明显改善。同样的，在其他角度也有相似的改善效果。

通过分频器设置两组或两组以上的扬声器阵列，如一组工作带宽为500-2000Hz，另一组工作带宽为2000-8000Hz，均采用上述设置，能覆盖更宽的频率范围。

本发明横向直线排列或弧线排列的五个声源(如扬声器单元、号筒扬声器、扬声器箱等)，也可以涉及曲线排列的扬声器阵列。

其中x1，x2，x4中的范围x1±20％，x2±10％，x4±10％在横向的声梁指向特性上是一个可以接受的范围。

Claims (4)

1.一种宽辐射角五声源扬声器阵列，其特征是通过调整阵列中各个声源的幅度和相位来实现扬声器阵列指向性的优化，实现宽辐射角的五声源扬声器阵列；各个声源可以分别馈给不同幅度、正相或反相的信号；扬声器阵列中依次排列的声源分别为“x1、x2、x3、x4、x5”，其中：每个声源的声压幅度的比例系数为：x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9，x5为0.36为基准或x5为0.44为基准。其中声压幅度的比例系数具有一定的容差：x1±20％，x2±10％，x4±10％，x5则小于±0.04，x3单元声压幅度的比例系数等于1，是一个相对基准。

2.如权利要求1所述的宽辐射角五声源扬声器阵列，其特征在于：扬声器阵列指横向直线排列或近似直线的较少弧度弧线排列的五个声源的扬声器阵列。

3.如权利要求1所述的宽辐射角五声源扬声器阵列，其特征在于：设置两组或两组以上的扬声器阵列，用于工作在两个工作频段，覆盖更宽的频率范围。

4.如权利要求1所述的宽辐射角五声源扬声器阵列，其特征在于：馈给五声源扬声器阵列中五个声源的信号幅度比例和正负相位排列顺序：

x1＝0.4

x2＝-0.9

x3＝1.0

x4＝0.9

x5＝0.36或x5＝0.44

上述系数排列顺序均可以以阵列任意一端为起点，向另一端按顺序排列。

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