CN102056047A - 宽辐射角六声源至九声源扬声器阵列 - Google Patents
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Abstract
宽辐射角六声源至九声源扬声器阵列，将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器，来实现六声源至九个声源扬声器的阵列指向性的优化，所述的六声源至九声源扬声器阵列一般指横向直线排列或近似直线的六至九个声源。六声源扬声器阵列按照-0.14∶0.6∶-1∶0.8∶1∶0.69声压幅度的比例系数进行优化；七声源扬声器阵列按照-0.49∶1∶-1∶0∶1∶1∶0.52的声压幅度的比例；八声源扬声器阵列按照0.15∶-0.69∶1∶-1∶-0.3∶1∶1∶0.66的声压幅度的比例；九声源扬声器阵列按照-0.15∶0.41∶-0.8∶0.9∶-0.7∶-0.6∶1∶1∶0.6的声压幅度的比例。本发明的指向性的均匀程度得到明显改进，辐射角明显展宽。
Description
技术领域
本发明涉及扬声器阵列的设置方法和装置，将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器，或者将幅度和相位相同的信号馈给按序排列的六至九个经过设计的不同的扬声器，使各个声源能辐射满足一定规律的不同幅度和相位的声信号，实现六声源至九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。这是因为多个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”，JA.E.S.，Volume38 Number 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 18th International 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：将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器，或者将幅度和相位相同的信号馈给按序排列的六至九个经过设计的不同的扬声器，使各个声源能辐射满足一定规律的不同幅度和相位的声信号，实现六声源至九声源扬声器阵列指向性的优化，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六声源至九声源扬声器阵列的方法及装置，尤其是横向直线排列或近似直线的(较少弧度)弧线排列的六至九个声源(如扬声器单元、号筒扬声器、扬声器箱等)的扬声器阵列。
本发明的目的是这样实现的：宽辐射角六声源至九声源扬声器阵列，将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器，或者将幅度和相位相同的信号馈给按序排列的六至九个经过设计的不同的扬声器，来实现六声源至九声源扬声器阵列指向性的优化。在阵列中有的声源相位与阵列中其它声源反相，各个声源辐射正相或反相的、并且辐射声压幅度可以各不相同的声信号，其排列顺序满足一定规律。
本发明所述的六声源至九声源扬声器阵列一般指横向直线排列或近似直线的(较少弧度)弧线排列的六至九个声源(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。声梁在某些情况下安装方便且美观，实用性强。
本发明具体而言是：在阵列中各扬声器辐射声压的幅度不同，并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“-”号。例如传统的6点同相位直线阵列可以表示为“111111”，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。
本发明阵列声源数目N为6、7、8、9中任一数，分别对应六至九个声源扬声器阵列，根据本发明，优化阵列的排列可以按照上述规则表示按序排列的声源(扬声器单元等)分别为“x1、x2、x3、…、xN”，其中每个扬声器的声压幅度的比例系数如表1所示：
表1
其中声压幅度具有一定的范围，即声压幅度的比例系数具有容差±20％，尤其是±10％以内，即x1±10％，x2±10％，x3±10％，x4±10％，x5±10％，x6±10％，x7±10％，x8±10％，x9±10％。特别的，七声源扬声器阵列中x4的推荐值为0，其声压幅度的比例系数可以有±0.2的容差；当取其为推荐值0时，相当于中间的扬声器不辐射声压，此时七声源扬声器阵列可以看成特殊的六声源扬声器阵列。
上述系数表示：扬声器阵列水平放置时，自右向左各声源辐射的声压幅度的比例为x1∶x2∶x3∶…∶xN；同时，将声压幅度的比例系数为负数的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幅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，即从左边开始将声压幅度的比例系数为正数的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，将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器，或者将幅度和相位相同的信号馈给按序排列的六至九个经过设计的不同的扬声器，使各个声源能按序根据本发明方法的规律辐射不同幅度和相位的声信号，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即可达到优化目的，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，或者具有较少弧度的扬声器阵列。
图3、图4、图5、图6和图7的指向性图中对比了采用本发明方法优化六声源至九声源扬声器阵列指向性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8的频率响应图表示了采用本发明优化前后六声源至九声源扬声器阵列在偏离主轴45度角方向的频率响应曲线。可以看出经过优化的扬声器阵列在偏离主轴45度角方向，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。
经检测的指向图表示，应用本发明，六声源至九声源扬声器阵列具备宽辐射角，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，将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器的六声源至九声源扬声器阵列装置示意图。
图2根据本发明，将幅度和相位相同的信号馈给按序排列的六至九个经过设计的不同的扬声器的六声源至九声源扬声器阵列装置示意图。
图3根据本发明，应用六声源扬声器阵列声压幅度比例系数排列方法一优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中浅色表示优化前幅度相位均一致的六声源阵列，深色表示应用本发明中六声源扬声器阵列声压幅度比例系数排列方法一优化后的六声源阵列。图中a、b、c、d分别表示了不同频率时阵列的指向性，分别为1kHz，2kHz，4kHz，8kHz。阵列中声源间距d＝0.1m，下同。
图4根据本发明，应用六声源扬声器阵列声压幅度比例系数排列方法二优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中浅色表示优化前幅度相位均一致的六声源阵列，深色表示应用本发明中六声源扬声器阵列声压幅度比例系数排列二优化后的六声源阵列。图中a、b、c、d分别对应1kHz，2kHz，4kHz，8kHz下的阵列的指向图。
图5根据本发明，应用七声源扬声器阵列声压幅度比例系数优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中浅色表示优化前幅度相位均一致的七声源阵列，深色表示应用本发明优化后的七声源阵列。图中a、b、c、d分别对应1kHz，2kHz，4kHz，8kHz下的阵列的指向图。
图6根据本发明，应用八声源扬声器阵列声压幅度比例系数优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中浅色表示优化前幅度相位均一致的八声源阵列，深色表示应用本发明优化后的八声源阵列。图中a、b、c、d分别对应1kHz，2kHz，4kHz，8kHz下的阵列的指向图。
图7根据本发明，应用九声源扬声器阵列声压幅度比例系数优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。图中浅色表示优化前幅度相位均一致的九声源阵列，深色表示应用本发明优化后的九声源阵列。图中a、b、c、d分别对应1kHz，2kHz，4kHz，8kHz下的阵列的指向图。
图8根据本发明优化六声源至九声源扬声器阵列指向性前后的频率响应对比。其中每张子图中浅色表示优化前幅度相位均一致的对应数目声源阵列在偏离主轴45度角方向的频率响应；深色表示应用本发明后等数目声源阵列在偏离主轴45度角方向的频率响应。图中a1、a2均对应六声源，b、c、d分别对应七声源至九声源扬声器阵列指向性前后的频率响应对比。
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，需要将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器，其中每个扬声器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。
或者根据图2，将幅度和相位相同的信号馈给按序排列的六至九个经过设计的不同的扬声器，所有扬声器可以由同一功放驱动。
扬声器组成阵列时，声源间距d＝0.1m。
图3、图4、图5、图6、和图7的指向性图分别对比了采用本发明方法优化六声源至九声源扬声器阵列指向性前后的的理论预测数据。图3表示应用六声源扬声器阵列声压幅度比例系数排列方法一优化前后阵列的不同频率下的指向图对比；图4表示应用六声源扬声器阵列声压幅度比例系数排列方法二优化前后阵列的不同频率下的指向图对比；图5表示应用七声源扬声器阵列声压幅度比例系数优化前后阵列的不同频率下的指向图对比；图6表示应用八声源扬声器阵列声压幅度比例系数优化前后阵列的不同频率下的指向图对比；图7表示应用九声源扬声器阵列声压幅度比例系数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8的频率响应图表示了采用本发明优化前后六声源至九声源扬声器阵列在偏离主轴45度角方向的频率响应曲线。可以看出经过优化的扬声器阵列在偏离主轴45度角方向，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近似直线的(较少弧度)弧线排列的六至九个声源(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。
其中声压幅度的比例系数具有容差±20％，尤其是±10％以内，即xN的范围xN±20％在横向的声梁指向特性上是一个可以接受的范围。特别的，七声源扬声器阵列中x4的推荐值为0，其声压幅度的比例系数可以有±0.2的容差。
Claims (3)
1.宽辐射角六声源至九声源扬声器阵列，其特征是将幅度和相位不同的信号馈给按序排列的六至九个相同的扬声器，或将幅度和相位相同的信号馈给按序排列的六至九个经过设计的不同的扬声器，来实现六声源至九个声源扬声器的阵列指向性的优化，其排列顺序满足一定规律：所述的六声源至九声源扬声器阵列一般指横向直线排列或近似直线的弧线排列的六至九个声源，也可以涉及曲线排列的扬声器阵列。
各个声源可以分别产生不同幅度、正相或反相的信号，负号表示反相；扬声器的阵列中按序排列的声源分别为“x1、x2、x3、…、xN”，N＝6、7、8、9分别对应六至九个声源扬声器的阵列；六声源扬声器阵列按照-0.14∶0.6∶-1∶0.8∶1∶0.69或者0.74∶-1∶0.6∶1∶0.78∶0.22的声压幅度的比例系数进行优化；七声源扬声器阵列按照-0.49∶1∶-1∶0∶1∶1∶0.52的声压幅度的比例系数进行优化；八声源扬声器阵列按照0.15∶-0.69∶1∶-1∶-0.3∶1∶1∶0.66的声压幅度的比例系数进行优化；九声源扬声器阵列按照-0.15∶0.41∶-0.8∶0.9∶-0.7∶-0.6∶1∶1∶0.6的声压幅度的比例系数进行优化；其中各声压幅度的比例系数具有容差±20％，尤其是±10％以内；特别的，七声源扬声器阵列中x4的推荐值为0，其声压幅度的比例系数可以有±0.2的容差。
2.如权利要求1所述的宽辐射角六声源至九声源扬声器阵列的方法，其特征在于：扬声器阵列特别适用于将扬声器阵列水平放置的“声梁”式横向布置使用。
3.如权利要求1所述的宽辐射角六声源至九声源扬声器阵列的方法，其特征在于：设置两组或两组以上的扬声器阵列，用于工作在两个或两个以上的工作频段，覆盖更宽的频率范围。
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