CN102006534B - 扬声器阵列指向性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扬声器阵列指向性优化方法，其中，该方法包括如下步骤：提供一扬声器阵列，其包括均匀分布在一直线上的若干扬声器单元；提供若干滤波器；提供一信号源，所述信号源提供音频输入信号；将所述音频输入信号输入到所述滤波器，得到若干组不同频率段的次音频输入信号；根据声阵列的特性，将不同频段的所述次音频输入信号分别输入给不同的所述扬声器单元时所述扬声器阵列的指向性，从而得出优化后的扬声器阵列指向性。本发明的扬声器阵列指向性优化方法，其方法简单，指向性容易控制，适用于小型和微型领域。

Description

扬声器阵列指向性优化方法

【技术领域】

本发明涉及一种指向性优化方法，尤其涉及一种扬声器阵列指向性优化方法。

【背景技术】

随着室内声学的发展，扬声器阵列已迈入了家庭音响市场。扬声器阵列包括若干扬声器单元，其指向性是重要参数。指向性直接影响着扬声器阵列的性能，其特点是指向性随着频率的增加而逐步变尖锐。相关技术的扬声器阵列是通过不同的数字信号处理技术对输入其每个扬声器单元的音频输入信号的相位和延时进行控制，从而对扬声器阵列的指向性进行优化，以满足人们对扬声器阵列性能的需求。

然而，相关技术的扬声器阵列指向性优化方法较为复杂，指向性不容易控制，不适用于小型和微型领域。

因此，实有必要提供一种新的扬声器阵列指向性优化方法克服上述问题。

【发明内容】

本发明需解决的技术问题是提供一种方法简单，指向性容易控制，适用于小型和微型领域的扬声器阵列指向性优化方法。

根据上述的技术问题，设计了一种扬声器阵列指向性优化方法，其目的是这样实现的：一种扬声器阵列指向性优化方法，该方法包括如下步骤：

步骤A、提供一扬声器阵列，其包括均匀分布在一直线上的若干扬声器单元；

提供若干滤波器；

提供一信号源，所述信号源提供音频输入信号；

提供一音频分析仪；

步骤B、将所述音频输入信号输入到所述滤波器，得到若干组不同频率段的次音频输入信号；

步骤C、根据声阵列的特性，将步骤B得到的不同频段的所述次音频输入信号分别输入给不同的所述扬声器单元，得出所述扬声器阵列的指向性并用音频分析仪对其进行比较分析，具体步骤如下：

(1)将所述扬声器单元设置为n个，每相邻的两个所述扬声器单元的间距设为l，扬声器阵列总长度设为L，则有L＝(n-1)×l；

(2)设置一测试点P，所述测试点P与所述扬声器阵列的L/2中点处的距离为r，所述测试点P到所述中点形成的直线与水平方向形成水平角θ，所述水平角θ的范围为-90°至+90°，将所述测试点P到第n个所述扬声器单元的距离设为r_n，则根据余弦定理得出r_n；

(3)根据(2)得到的所述测试点P到第n个所述扬声器单元的距离r_n，把扬声器视为点声源，则可得出第n个所述扬声器在所述测试点P处产生的声压P_n为：

$P_n=\frac{A}{r_n}\×e^{-2\mathrm{\πf}\×r_n/c}$

其中，f为声波频率，c为声速；

从而得出n个所述扬声器单元在测试点P处的综合声压级P为：

$P=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n$

当θ＝0时，所述测试点P与所述扬声器阵列L/2中点处距离为r，此时所述测试点P处水平声压为P_θ＝0，也即参考声压：

$P_{\mathrm{\θ}=0}=\underset{n=1,\mathrm{\θ}=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n$

再根据指向性函数的定义得出所述扬声器阵列的垂直指向性D_T(θ)：

$D_T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\frac{P}{P_{\mathrm{\θ}=0}}\right|$

(4)计算每个所述扬声器单元的自身指向性D₁(θ)：

$D_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\frac{2J_1\left(k\frac{d}{2}\cos \mathrm{\θ}\right)}{k\frac{d}{2}\cos \mathrm{\θ}}\right|$

其中，k为波数，k＝2πf/c，J₁(x)为一阶贝塞尔函数，其

(5)由(3)和(4)得出所述扬声器阵列的指向性D(θ)：

D(θ)＝D_T(θ)×D₁(θ)

(6)根据(1)至(5)的原理，将不同频段的所述次音频输入信号输入给不同的所述扬声器单元，得出不同的所述扬声器阵列的指向性，通过音频分析仪分析选取出所需的扬声器阵列指向性，并得出此时的所述次音频输入信号的频段和所述次音频输入信号对应输入的所述扬声器单元的位置，从而实现所述扬声器阵列指向性的优化。

优选的，所述滤波器设置至少3个，其滤波频率分别为600-1.2KHz、1.2K-4KHz和4K-10KHz。

优选的，所述扬声器单元设置至少12个且分为三组。

优选的，所述扬声器单元采用标准全频带扬声器。

与相关技术相比，本发明的扬声器阵列指向性优化方法其方法简单，指向性容易控制，能适用于小型和微型领域的扬声器阵列。

【附图说明】

图1为本发明一实施例的原理框图。

图2为本发明一实施例的测试点与扬声器单元的位置的几何原理图。

图3为本发明一实施例的次音频输入信号为800Hz时扬声器阵列指向性优化前与优化后的对比曲线图。a表示扬声器阵列优化前的指向性曲线，b表示扬声器阵列优化后的指向性曲线。

图4为本发明一实施例的次音频输入信号为5KHz时扬声器阵列指向性优化前与优化后的对比曲线图。c表示扬声器阵列优化前的指向性曲线，d表示扬声器阵列优化后的指向性曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种扬声器阵列指向性优化方法，该方法包括如下步骤：

步骤A、提供一扬声器阵列，其包括均匀分布在一直线上的若干扬声器单元；

提供若干滤波器；

提供一信号源，所述信号源提供音频输入信号；

提供一音频分析仪。

步骤B、将音频输入信号输入到滤波器，得到若干组不同频率段的次音频输入信号。具体的，本实施方式中信号源提供的音频输入信号的频率范围设为600-10KHz，滤波器设置3个，其滤波频率分别为600-1.2KHz、1.2K-4KHz和4K-10KHz，则音频输入信号经过滤波器的滤波分别得到频率为第一频带600Hz-1.2KHz、第二频带1.2K-4KHz和第三频带4K-10KHz的次音频输入信号。扬声器单元采用标准全频带扬声器，其设置12个，依次为1号到12号扬声器单元，且扬声器单元分为三组：1号、2号、11号和12号为第一组；2号、4号、9号和11号为第二组；5号、6号、7号和8号为第三组。扬声器单元的分组并非仅限于此，而且有些扬声器单元可输入的音频信号也并非为单一的。

步骤C、根据声阵列的特性，将步骤B得到的不同频段的所述次音频输入信号分别输入给不同的所述扬声器单元，得出所述扬声器阵列的指向性并用音频分析仪对其进行比较分析，具体步骤如下，如图2所示：

(1)所述扬声器单元设置为12个，每相邻的两个所述扬声器单元的间距设为l，扬声器阵列总长度设为L，则有L＝(n-1)×l，即L＝11×l。

(2)设置一测试点P，测试点P与扬声器阵列的L/2中点处的距离为r，测试点P到扬声器阵列的中点形成的直线在水平方向形成水平角θ，水平角θ的范围为-90°至+90°，将测试点P到第n个所述扬声器单元的距离设为r_n，则根据余弦定理可得测试点P到每个扬声器单元的距离：

当n＝1，2，3，4，5，6时：

$\begin{array}{cc}{r}_1=\sqrt{{(\frac{L}{2}-\frac{L\×0}{n-1})}^2+r^2-2\×(\frac{L}{2}-\frac{L\×0}{n-1})\×r\×\sin \mathrm{\θ}},& n=1\end{array}$

$\begin{array}{cc}{r}_2=\sqrt{{(\frac{L}{2}-\frac{L\×1}{n-1})}^2+r^2-2\×(\frac{L}{2}-\frac{L\×1}{n-1})\×r\×\sin \mathrm{\θ}},& n=2\end{array}$

$r_n=\sqrt{{(\frac{L}{2}-\frac{L\×(n-1)}{n-1})}^2+r^2-2\×(\frac{L}{2}-\frac{L\×(n-1)}{n-1})\×r\×\sin \mathrm{\θ}},$

当n＝7，8，9，10，11，12时：

$\begin{array}{cc}{r}_{12}=\sqrt{{(\frac{L}{2}-\frac{L\×0}{n-1})}^2+r^2+2\×(\frac{L}{2}-\frac{L\×0}{n-1})\×r\×\sin \mathrm{\θ}},& n=12\end{array}$

$\begin{array}{cc}{r}_{11}=\sqrt{{(\frac{L}{2}-\frac{L\×1}{n-1})}^2+r^2+2\×(\frac{L}{2}-\frac{L\×1}{n-1})\×r\×\sin \mathrm{\θ}},& n=11\end{array}$

$r_n=\sqrt{{(\frac{L}{2}-\frac{L\×(12-n)}{n-1})}^2+r^2+2\×(\frac{L}{2}-\frac{L\×(12-n)}{n-1})\×r\×\sin \mathrm{\θ}},$

(3)根据(2)得到的测试点P到第n个所述扬声器单元的距离r_n，把扬声器视为点声源，则可得出第n个所述扬声器在所述测试点P处产生的声压P_n为：

$P_n=\frac{A}{r_n}\×e^{-2\mathrm{\πf}\×r_n/c}$

其中，f为声波频率，c为声速；

从而得出n个所述扬声器单元在测试点P处的综合声压级P为：

$P=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n$

当θ＝0时，所述测试点P与所述扬声器阵列L/2中点处距离为r，此时所述测试点P处水平声压为P_θ＝0，也即参考声压：

$P_{\mathrm{\θ}=0}=\underset{n=1,\mathrm{\θ}=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n$

再根据指向性函数的定义得出所述扬声器阵列的垂直指向性D_T(θ)：

$D_T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\frac{P}{P_{\mathrm{\θ}=0}}\right|$

(4)计算每个所述扬声器单元的自身指向性D₁(θ)：

$D_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\frac{2J_1\left(k\frac{d}{2}\cos \mathrm{\θ}\right)}{k\frac{d}{2}\cos \mathrm{\θ}}\right|$

其中，k为波数，k＝2πf/c，J₁(x)为一阶贝塞尔函数，其

(5)由(3)和(4)得出所述扬声器阵列的指向性D(θ)：

D(θ)＝D_T(θ)×D₁(θ)

(6)根据(1)至(5)的计算原理，将不同频段的所述次音频输入信号输入给不同的所述扬声器单元，得出不同的所述扬声器阵列的指向性，通过音频分析仪分析选取出所需的扬声器阵列指向性，并得出此时的所述次音频输入信号的频段和所述次音频输入信号对应输入的所述扬声器单元的位置，从而实现所述扬声器阵列指向性的优化。

根据上述优化及扬声器阵列自身的指向性特性可得出：在低频时候扬声器阵列的指向性很宽，随着次音频输入信号频率的增加，扬声器阵列的指导向性变尖锐，次音频输入信号为高频时扬声器阵列的指向性会出现旁瓣；改变扬声器单元之间的距离会影响扬声器阵列的指向性，扬声器单元之间的距离越大，扬声器阵列的指向性会变得越尖锐；反之，扬声器单元之间的距离越小，扬声器阵列的指向性会拓宽。所谓尖锐，是指扬声器阵列的指向性辐射范围变窄，辐射方向性变强。

根据上述特性优化扬声器阵列的指向性，使扬声器阵列的指向性在低频时候尖锐，高频时候拓宽。不同频率的次音频输入信号根据步骤C的原理输入给不同的扬声器单元。比如，本实施方式中信号源提供的音频输入信号的频率范围为600-10KHz，可将频率在第一频带600-1.2KHz范围内的次音频输入信号输入给1号、2号、11号和12号扬声器单元，此时近似把扬声器单元间的距离增大，通过音频分析仪分析可知，此时扬声器阵列指向性会变尖锐；频率在第二频带1.2K-4KHz范围内的次音频输入信号输入给2号、4号、9号和11号扬声器单元；频率在第三频带4K-10KHz范围内的次音频输入信号输入给5号、6号、7号和8号扬声器单元，此时近似把扬声器单元间的距离缩小，通过音频分析仪分析可知，此时扬声器阵列指向性变拓宽。从而选出扬声器阵列所需的指向性，实现扬声器阵列指向性的优化。

当然，扬声器单元采用的扬声器的类型、数量和分组并非仅限于此，音频输入信号的频率范围也可以为其它，次音频输入信号的频段也可以按高、中、低频带的不同而设置，但其原理都一样。另外，所述音频分析仪也可以选用MATLAB软件。

如图3所示，次音频输入信号为低频800Hz时，扬声器阵列指向性优化后比优化前明显变尖锐，再如图4所示，次音频输入信号为高频5KHz时，扬声器阵列指向性优化后比优化前明显拓宽且减少了旁瓣的产生。

通过上述步骤，扬声器阵列便可以把频率范围为600-10KHz的音频输入信号重放为频率范围相同的新音频信号，并且重放出的新音频信号具有更强的指向性。

与相关技术相比，本发明的扬声器阵列指向性优化方法把音频输入信号通过滤波器分为若干不同频带的次音频输入信号，每个频带中激活若干不同的扬声器单元，通过改变扬声器单元之间的距离对扬声器阵列的指向性进行控制，使扬声器阵列的低频时的指向性变尖锐，高频时的指向性变拓宽。此方法不仅简单，且容易控制扬声器阵列的指向性，能适用于小型和微型领域。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种扬声器阵列指向性优化方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤A、提供一扬声器阵列，其包括均匀分布在一直线上的若干扬声器单元；

提供若干滤波器；

提供一信号源，所述信号源提供音频输入信号；

提供一音频分析仪；

步骤B、将所述音频输入信号输入到所述滤波器，得到若干组不同频率段的次音频输入信号；

步骤C、根据声阵列的特性，将步骤B得到的不同频段的所述次音频输入信号分别输入给不同的所述扬声器单元，得出所述扬声器阵列的指向性并用音频分析仪对其进行比较分析，具体步骤如下：

(1)将所述扬声器单元设置为n个，每相邻的两个所述扬声器单元的间距设为l，扬声器阵列总长度设为L，则有L＝(n-1)×l；

(2)设置一测试点P，所述测试点P与所述扬声器阵列的L/2中点处的距离为r，所述测试点P到所述中点形成的直线与水平方向形成水平角θ，所述水平角θ的范围为-90°至+90°，将所述测试点P到第n个所述扬声器单元的距离设为r_n，则根据余弦定理得出r_n；

(3)根据(2)得到的所述测试点P到第n个所述扬声器单元的距离r_n，把扬声器视为点声源，则可得出第n个所述扬声器在所述测试点P处产生的声压P_n为：

$P_n=\frac{A}{r_n}\×e^{-2\mathrm{\πf}\×r_n/c}$

其中，f为声波频率，c为声速；

从而得出n个所述扬声器单元在测试点P处的综合声压级P为：

$P=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n$

当θ＝0时，所述测试点P与所述扬声器阵列L/2中点处距离为r，此时所述测试点P处水平声压为P_θ＝0，也即参考声压：

$P_{\mathrm{\θ}=0}=\underset{n=1,\mathrm{\θ}=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n$

再根据指向性函数的定义得出所述扬声器阵列的垂直指向性D_T(θ)：

$D_T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\frac{P}{P_{\mathrm{\θ}=0}}\right|$

(4)计算每个所述扬声器单元的自身指向性D₁(θ)：

$D_1\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\frac{2J_1\left(k\frac{d}{2}\cos \mathrm{\θ}\right)}{k\frac{d}{2}\cos \mathrm{\θ}}\right|$

其中，k为波数，k＝2πf/c，J₁(x)为一阶贝塞尔函数，其

(5)由(3)和(4)得出所述扬声器阵列的指向性D(θ)：

D(θ)＝D_T(θ)×D₁(θ)

(6)根据(1)至(5)的原理，将不同频段的所述次音频输入信号输入给不同的所述扬声器单元，得出不同的所述扬声器阵列的指向性，通过音频分析仪分析选取出所需的扬声器阵列指向性，并得出此时的所述次音频输入信号的频段和所述次音频输入信号对应输入的所述扬声器单元的位置，从而实现所述扬声器阵列指向性的优化。

2.根据权利要求1所述的扬声器阵列指向性优化方法，其特征在于：所述滤波器设置至少3个，其滤波频率分别为600-1.2KHz、1.2K-4KHz和4K-10KHz。

3.根据权利要求2所述的扬声器阵列指向性优化方法，其特征在于：所述扬声器单元设置至少12个且分为三组。

4.根据权利要求3所述的扬声器阵列指向性优化方法，其特征在于：所述扬声器单元采用标准全频带扬声器。

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