CN102186129B - 扩声扬声器点阵的指向性控制方法和音箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩声扬声器点阵的指向性控制方法和音箱，其方法包括：1）设置扬声器单元点阵；2）对输入扬声器单元点阵的音频信号进行分频处理；3）分别将高频信号、低频信号送到扬声器单元点阵的高频单元阵列和低频单元阵列；4）对输入高频单元阵列的每列和每行的扬声器单元的音频信号分别进行可编程延时处理，对输入低频单元阵列的每列和每行的扬声器单元的音频信号分别进行可编程延时处理；5）通过扬声器单元进行音频信号输出。其音箱包括均含有M*N个独立通道的数字信号处理器、功率放大器和扬声器单元点阵，数字信号处理器内包括分别对进入高频单元阵列与低频单元阵列的每列和每行的扬声器单元的音频信号进行延时处理的第二延时器。

Description

扩声扬声器点阵的指向性控制方法和音箱

技术领域

本发明涉及一种扩声扬声器点阵的指向性控制方法和音箱，具体来说，涉及一种能够同时实现扩声扬声器点阵垂直方向和水平方向上的辐射方向及辐射角度的可编程控制的指向性控制方法和音箱。

背景技术

在各种厅堂及场馆扩声设计中，为了满足高品质的扩声应用要求，基于演出的实际需要，需设计安装大量的扬声器，但是，在实施过程中经常出现以下情况：

其一、由于厅堂的装饰装修要求，往往不能提供足够的空间安装大型的音箱组，音箱组要么减小体积，要么安装在一些不理想的位置。如采用较小体积的办法，只能选用一些较小功率的音箱，但难以达到演出所需的声压级要求；如采用安装在不理想的位置，则要求音箱的指向性控制能力很强，以便准确覆盖到观众区。

其二、音箱组中各个音箱之间存在较大的距离差，扩声的大部分频段存在大量的交叠覆盖，产生严重的梳妆滤波效应，劣化音质。

其三、音箱组中的各音箱由于指向性控制能力有限，有大部分的能力投射到厅堂的墙面，经反射与直达声相干涉，也严重劣化音质，甚至产生回声现象。

其四、由于音箱组的指向性控制能力不强，特别是在低频段，有大量的能量辐射到舞台区并进入舞台区的拾音话筒，形成反馈环路，容易产生啸叫现象，极大的影响扩声品质。

为了提高音箱的指向性控制能力，常用的做法主要有两种，其一是采用号角方式，即在扬声器的驱动器前加上一个号角，这种方式的控制能力有限，特别是在低频段的控制能力不强，或要求很大的体积；另外一种方式是采用扬声器阵列，如常见的线阵列音箱，但只能控制水平方向或垂直方向的角度，两个方向不能同时控制，也不能随意改变找阵列的辐射方向。

另外，市场中还有采用音柱的方式实现指向性控制，但是同样只能控制水平或垂直的方向，不能同时控制两个方向，而且由于单元之间的距离较大，造成在高频段产生严重的干涉现象，劣化音质，不适合高品质的扩声应用，同时在高频段的指向性控制能力变差，产生很强的旁瓣。

如果两个扬声器单元之间的距离为d，扬声器辐射声音的频率为f，其波长λ=c/f, c为声波在空气中的传播速度。当d< λ/2时，两扬声器单元叠加后的声场辐射面有1个主波瓣，无干涉谷点，即不存在劣化音质的梳状滤波现象。当d>λ/2，两扬声器单元叠加后的声场辐射面有多个主波瓣，多个强干涉谷点，即存在劣化音质的梳状滤波现象，辐射面有1个主波瓣，2个强干涉谷点，当距离为2λ两扬声器声场预测结果，辐射面有3个主波瓣，4个强干涉谷点。

目前的扩声音柱主要有以下两种形式：其一，采用多只扬声器单元组成一个扬声器列，改变每只扬声器单元之间的延时值，可以改变音柱在垂直方向的辐射方向和辐射角度，但其水平方向的辐射角度和辐射方向固定，不能改变。为了播放较低频率的声音以满足实际扩声的需求，扬声器单元尺寸不能过小，这样，造成扬声器单元间的距离过大，以4寸扬声器单元为例，扬声器单元之间的距离最小只能控制在10.2厘米，以10.2厘米为λ/2，其频率为1416赫兹，也即频率大于1416赫兹的声音将存在梳状滤波现象，劣化音质，同时指向性变差，出现旁瓣。

其二，采用多只单元组成扬声器列（a单元），同时采用多只号角组成号角阵列（b单元），同样可以改变音柱在垂直方向的辐射方向和辐射角度，但其水平方向的辐射角度和辐射方向固定，不能改变。a单元负责播放低频段的声音，b单元负责播放高频段的声音，避免高频由于梳状滤波造成的音质劣化。但是，由于b单元采用号角辐射，每个单元本身具有较强指向性控制，目的是减小交叠覆盖，以减少梳状滤波现象，但是由于不能共同覆盖，使得高频声音的辐射角度和辐射方向不能采用电子方式调整，只能采用物理的方式调整号角的辐射角度和方式方向，操作较困难。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种能够同时实现扩声扬声器点阵垂直方向和水平方向上的辐射方向及辐射角度的可编程控制的指向性控制方法和音箱，其指向性控制能力强，扩声音质高，特别适合于各种厅堂和场馆的声响系统中。

本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制方法包括：

1）设置扬声器单元点阵；

2）对输入扬声器单元点阵每列的扬声器单元的音频信号分别进行可编程延时处理，对输入扬声器单元点阵每行的扬声器单元的音频信号分别进行可编程延时处理；

3）通过扬声器单元进行音频信号输出。

所述步骤1）与步骤2）之间还包括：

11）对输入扬声器单元点阵的音频信号进行分频处理；

12）将高频信号送到扬声器单元点阵的高频单元阵列，将低频信号送到扬声器单元点阵的低频单元阵列。

所述步骤2）包括：

21）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列和低频单元阵列的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

22）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列和低频单元阵列的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

所述步骤21）包括：

211）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

222）采用延时器对扬声器单元点阵的低频单元阵列的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理，

所述步骤22）包括： 

221）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

222）采用延时器对扬声器单元点阵的低频单元阵列的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理。

所述扬声器单元点阵可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一列，也可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一行。

本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱包括：

用于对输入音箱的音频信号进行分频、增益、均衡和延时处理的数字信号处理器；

用于对数字信号处理器的输出音频信号进行功率放大，以及驱动独立的扬声器单元的功率放大器；

用于播放功率放大器处理后的音频信号的扬声器单元点阵；

所述数字信号处理器、功率放大器和扬声器单元点阵均含有M*N个独立通道，所述数字信号处理器包括分别对进入扬声器单元点阵的每列的扬声器单元和每行的扬声器单元的音频信号进行延时处理的第二延时器，其中M和N分别为不小于1的自然数。

所述扬声器单元点阵可以是高频单元阵列，也可以是低频单元阵列，还可以是高频单元阵列与低频单元阵列组成的混合点阵。

所述扬声器单元点阵可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一列，也可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一行。

所述数字信号处理器包括：

负责对输入的音频信号的电平调节的第一增益控制器；

负责对输入的音频信号进行频率响应均衡处理的第一参量均衡器；

负责对输入的音频信号进行延时处理的第一延时器；

负责对输入的音频信号进行分频处理，同时将高频信号分配给高频单元阵列所在的输出通道1～N，将低频信号分配给低频单元阵列所在的输出通道N+1～2N的分频器；

负责对每一输出通道上的音频信号进行延时处理，实现扬声器点阵单元的高频单元阵列和低频单元阵列的辐射方向及辐射角度的编程控制的第二延时器；

负责对每一输出通道上的音频信号进行频率响应均衡处理的第二参量均衡器；

负责对每一输出通道上音频信号的电平调节的第二增益控制器。

本发明通过延时器对扬声器单元点阵的每列和每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理，可以实现扩声扬声器点阵垂直方向和水平方向上的辐射方向及辐射角度的可编程控制，控制精度高，指向性控制能力强，扩音音质好。本发明的扬声器单元点阵采用由高频单元阵列与低频单元阵列组成的混合点阵，可以避免高频由于梳妆滤波造成的音质劣化。

附图说明

图1为本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制方法的流程图；

图2为本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱系统构成图；

图3为本发明的扩声扬声器点阵的阵列辐射方向控制原理图；

图4为本发明的扩声扬声器点阵的阵列辐射角度控制原理图；

图5为本发明的扬声器单元点阵辐射方向及辐射角度的控制原理图；

图6为本发明的数字信号处理器的系统构成图；

图7为本发明的扩声扬声器点阵的实施方式一的示意图；

图8为本发明的扩声扬声器点阵的实施方式二的示意图；

图9为本发明的扩声扬声器点阵的实施方式三的示意图；

图10为本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱应用环境示意图；

图11为本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的辐射声场示意图；

图12为本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的辐射声场测量结构示意图。

具体实施方式内容

下面结合附图对本发明进行进一步阐述，

如图1所示，本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制方法的实施流程为：

1）设置扬声器单元点阵：其中，扬声器单元点阵可以是高频单元阵列，也可以是低频单元阵列，还可以是由高频单元阵列和低频单元阵列组成的混色点阵，考虑到整体音效，本发明优先考虑采用混合点阵。

2）对输入扬声器单元点阵的音频信号进行分频处理。

3）将高频信号送到扬声器单元点阵的高频单元阵列，将低频信号送到扬声器单元点阵的低频单元阵列。

4）对输入扬声器单元点阵每列的扬声器单元的音频信号分别进行可编程延时处理，对输入扬声器单元点阵每行的扬声器单元的音频信号分别进行可编程延时处理。具体过程为：

41）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列和低频单元阵列的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

42）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列和低频单元阵列的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

所述步骤41）包括：

411）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

412）采用延时器对扬声器单元点阵的低频单元阵列的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理，

所述步骤42）包括： 

421）采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元阵列的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

422）采用延时器对扬声器单元点阵的低频单元阵列的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理。

5）通过扬声器单元进行音频信号输出。

其中，扬声器单元点阵可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一列，也可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一行。

如图2所示，本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱包括数字信号处理器1、功率放大器2和扬声器单元点阵3，且数字信号处理器1、功率放大器2和扬声器单元点阵3均含有M*N个独立通道，数字信号处理器1内包括分别对扬声器单元点阵3的每列的扬声器单元和每行的扬声器单元进行延时处理的第二延时器。其中，数字信号处理器1用于对输入音箱的音频信号进行分频、增益、均衡和延时处理；功率放大器2用于对数字信号处理器的输出音频信号进行功率放大，以及驱动独立的扬声器单元；扬声器单元点阵3用于播放功率放大器处理后的音频信号， M和N分别为不小于1的自然数。

本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的辐射方向的控制原理和方法如下：如图3所示，输入的音频信号经延时器d1～d8分别馈给扬声器单元S1～S8，当延时器d1～d8的延时时间设置分别为0时，即没有任何延时，此时由扬声器单元S1～S8组成的阵列的辐射方向为F；当延时器d1～d8的延时时间设置为某特定值时，使得扬声器单元的播放位置发生改变，其位置变为S1’ ～S8’， 由扬声器单元S1’ ～S8’组成的阵列的辐射方向为F’， 改变延时器d1～d8的延时量，辐射偏转角度θ相应改变。

本发明的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的控制原理和方法如下：如图4所示，输入的音频信号经延时器d1～d8分别馈给扬声器单元S1～S8，当延时器d1～d8的延时时间设置分别为0时，即没有任何延时，此时由扬声器单元S1～S8组成的阵列的辐射角度为θ；当延时器d1～d8的延时设置为某特定值时，使得扬声器单元的播放位置发生改变，其位置变为S1’ ～S8’， 由扬声器单元S1’ ～S8’组成的阵列的辐射方向为θ’， 改变延时器d1～d8的延时量，辐射偏转角度θ’相应改变。

本发明的扬声器单元点阵可以是高频单元阵列，也可以是低频单元阵列，还可以是高频单元阵列与低频单元阵列组成的混合点阵，且扬声器单元点阵可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一列，也可以是高频单元阵列与低频单元阵列在同一行。如图5所示，示例为8行4列，每列各单元的延时d1～d8控制扬声器单元点阵的垂直辐射方向和垂直辐射角度，每列之间的相对延时D1～D4控制扬声器点阵的水平辐射方向和水平辐射角度。

图6为扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的数字信号处理器1的系统构成图，它包括所述数字信号处理器包括第一增益控制器、第一参量均衡器、第一延时器、分频器、第二延时器、第二参量均衡器和第二增益控制器，第一增益控制器负责对输入的音频信号的电平调节；第一参量均衡器负责对输入音频信号进行频率响应均衡处理，优化可变指向性音箱的频率响应，改善音质；第一延时器负责对音箱的输入信号进行延时处理；分频器负责对输入的音频信号进行分频处理，同时将高频信号分配给高频单元阵列所在的输出通道1～N，将低频信号分配给低频单元阵列所在的输出通道N+1～2N；第二延时器负责对输出音频信号的延时处理，实现扬声器点阵单元的辐射方向和辐射角度的编程控制；第二参量均衡器负责对输出音频信号进行频率响应音频处理，改善延时器单元的频率响应；第二增益控制器负责对输出音频信号的电平调节，实现各扬声器单元的灵敏度匹配。

图7为扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的扬声器点阵布置方案之一，单元a为低频扬声器单元，负责播放低频段的声音信号，单元b为高频单元，负责播放高频段的声音信号。由于高频单元的体积很小，单元之间的距离比低频单元之间的距离大幅减小，对高频段声音的播放也不存在干涉现象，或干涉现象大幅减少，满足高品质扩声要求。该扬声器点阵高频单元采用32*4点阵，低频单元采用8*2点阵，可以实现垂直方向和水平方向的辐射方向控制和辐射角度控制。

图8为扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的扬声器点阵布置方案之二，该扬声器点阵高频单元采用32*1点阵，低频单元采用8*1点阵，由于列的数量为1，不能实现水平方向的辐射方向和辐射角度控制，只可以实现垂直方向的辐射方向控制和辐射角度控制。

图9为扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的扬声器点阵布置方案之三，该扬声器点阵高频单元和低频单元均设计为模块化，高频单元模块为8*4点阵，低频单元模块为2*1点阵，各模块可以根据需要组合应用，该方案中，高频单元点阵为16*16点阵，低频单元点阵为8*4点阵，可以提供精确垂直方向和水平方向的辐射方向控制和辐射角度控制。

图10为扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的剧场应用示意，扩声扬声器点阵的指向性控制音箱安装在舞台口两侧的侧墙，垂直安装，直接面向观众厅，观众区为上下两层，上层为楼座观众区，下层为池座观众区。在观众区设置6支测量话筒，分别为话筒1、2、3、4、5、6，在楼座挑台处设置测量话筒7，在观众厅顶部设置测量话筒8。

图11为扩声扬声器点阵的指向性控制音箱的辐射声场，扩声扬声器点阵的指向性控制音箱编程设置为2个辐射波瓣，上部波瓣辐射楼座观众区，下部波瓣辐射池座观众区。音箱的辐射波瓣精确地辐射到观众区，有效避免辐射到观众厅的顶部和楼座挑台。图12辐射声场的测量结果也充分反映该结果，测量话筒1、2、3、4、5、6测量的直达声频率响应基本相同，全频段的直达声相差不到6dB，即全直达声的均匀度<6dB，甚为理想，而话筒7的测量结果可见，在大于1000赫兹的中频段和高频段，其直达声比观众区的直达声平均少12dB，即其声功率为观众区声功率的十六分之一，话筒8的测量结果可见，在大于200赫兹的低频段、中频段及高频段，其直达声比观众区的直达声平均大幅减少，高频段约为减少18dB，即其声功率为观众区声功率的六十四分之一，均非常理想。从剧场应用结果可以看出，本发明的可变指向性音箱的指向性控制能力非常强，是普通的号角难以比拟的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (3)

1.一种扩声扬声器点阵的指向性控制方法，其特征在于，它包括：

1)设置扬声器单元点阵，所述扬声器单元点阵是高频单元点阵与低频单元点阵组成的混合点阵，所述扬声器单元点阵中高频单元点阵与低频单元点阵在同一列，或者，所述高频单元点阵与所述低频单元点阵在同一行；所述高频单元点阵由多行多列的高频扬声器单元组成，其行数和列数均大于或等于2；所述低频单元点阵由多行多列的低频扬声器单元组成，其行数和列数均大于或等于2；

11)对输入扬声器单元点阵的音频信号进行分频处理；

12)将高频信号送到扬声器单元点阵的高频单元点阵，将低频信号送到扬声器单元点阵的低频单元点阵；

211)采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元点阵的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

212)采用延时器对扬声器单元点阵的低频单元点阵的每列的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

221)采用延时器对扬声器单元点阵的高频单元点阵的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

222)采用延时器对扬声器单元点阵的低频单元点阵的每行的扬声器单元分别进行可编程延时处理；

3)通过扬声器单元进行音频信号输出。

2.一种扩声扬声器点阵的指向性控制音箱，它包括：

用于对输入音箱的音频信号进行分频、增益、均衡和延时处理的数字信号处理器；用于对数字信号处理器的输出音频信号进行功率放大，以及驱动独立的扬声器单元的功率放大器；

用于播放功率放大器处理后的音频信号的扬声器单元点阵，所述扬声器单元点阵是高频单元点阵与低频单元点阵组成的混合点阵，所述扬声器单元点阵中高频单元点阵与低频单元点阵在同一列，或者，所述高频单元点阵与所述低频单元点阵在同一行；所述高频单元点阵由多行多列的高频扬声器单元组成，其行数和列数均大于或等于2；所述低频单元点阵由多行多列的低频扬声器单元组成，其行数和列数均大于或等于2；

其特征在于，所述数字信号处理器、功率放大器和扬声器单元点阵均含有M*N个独立通道，所述数字信号处理器包括分别对进入扬声器单元点阵的高频单元点阵的每列的扬声器单元、低频单元点阵的每列的扬声器单元、高频单元点阵的每行的扬声器单元以及低频单元点阵的每行的扬声器单元的音频信号进行延时处理的第二延时器，其中M和N分别为不小于1的自然数。

3.根据权利要求2所述的扩声扬声器点阵的指向性控制音箱，其特征在于，所述数字信号处理器包括：

负责对输入的音频信号的电平调节的第一增益控制器；

负责对输入的音频信号进行频率响应均衡处理的第一参量均衡器；

负责对输入的音频信号进行延时处理的第一延时器；

负责对输入的音频信号进行分频处理，同时将高频信号分配给高频单元点阵所在的输出通道1～N，将低频信号分配给低频单元点阵所在的输出通道N+1～2N的分频器；

负责对每一输出通道上的音频信号进行延时处理，实现扬声器点阵单元的高频单元点阵和低频单元点阵的辐射方向及辐射角度的编程控制的第二延时器；

负责对每一输出通道上的音频信号进行频率响应均衡处理的第二参量均衡器；

负责对每一输出通道上音频信号的电平调节的第二增益控制器。