CN102438190A

CN102438190A - 一种辐射角灵活可调的扬声器组及设置方法

Info

Publication number: CN102438190A
Application number: CN201110418850XA
Authority: CN
Inventors: 沈勇; 沈小祥
Original assignee: NANJING LANGSHENG ACOUSTIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING LANGSHENG ACOUSTIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-05-02

Abstract

辐射角灵活可调的扬声器组设置方法，针对宽指向性需求，数字信号处理器提供一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的相对幅度和相位；针对窄指向性需求，数字信号处理器提供另一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的延迟时间，相对幅度；当需要切换宽/窄指向性需求时，在数字信号处理器内部，通过指令灵活实时切换。尤其是十个声源水平放置，根据需求的不同，设置不同的前端数字滤波器组；当需要设置为“立体声宽指向性”时，右声道五个声源馈入数字信号处理器，经过滤波器1～5，馈给5个独立功放和声源，形成右通道宽指向性辐射；左通道五个声源形成左通道宽指向性辐射。也可实现窄指向性重放。

Description

一种辐射角灵活可调的扬声器组及设置方法

技术领域

本发明涉及扬声器组的设置方法，即通过信号处理的方法改进扬声器组的指向性，使其不仅可实现宽指向性立体声重放，在低频和高频时都具有较宽的指向性，提高辐射声场的均匀程度；而且可实现窄指向性重放，控制辐射方向，在一定的频宽内保证其具有恒指向性。

背景技术

在厅堂扩声、现场演出、体育赛事等等场合，大型扬声器阵列已经得到广泛应用，其也成为音频领域的研究热点课题。

与传统的声重放系统相比，大型扬声器阵列声重放系统有如下优点：可以产生足够的声压级，以满足大型场馆及露天演出的需求；多扬声器间的干涉效应使得指向性更加容易控制，满足实际情况的需要；在高混响环境内，可抑制反射声，提高语音的清晰度；可使近场区和远场区的声压不均匀度减小，使全场听众都能获得良好的听音效果。同时，为满足中小型场合内的高品质视听要求，中小型化的扬声器阵列也逐渐开始得到应用和流行。相对于传统的家庭影院、传统电视扬声器、小型化扩声用扬声器等等，中小型扬声器阵列外型美观，声场指向性特性可控，有较大的优势。

当然，扬声器阵列也存在指向性图的频率特性不均匀的固有缺陷，随着频率的提升，主瓣变窄，出现较多的旁瓣，使得空间声场分布不均匀。

为了克服这些声场不均匀，人们提出了很多方法：

Keele，Jr.，D.B.，“Effective Performance of Bessel Arrays”，J.A.E.S.，Volume38 Number 10 pp.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，从而提高声场均匀程度。

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，从而提高声场的均匀程度。

沈勇，安康，宽辐射角五声源扬声器阵列，专利申请号201010140934.7，提出了一组优化五扬声器阵列的声源强度及相位的简便方法，大大提高了声场的均匀程度。上述方法展宽扬声器阵列指向性，侧重于宽指向性应用场合。

Keele，Jr.，D.B，“Implementation of Straight-Line and Flat-Panel ConstantBeamwidth Transducer(CBT)Loudspeaker Arrays Using Signal Delays”，AES 113THCONVENTION，LOS ANGELES，CA，USA，2002 OCTOBER 5-8，利用Lengdre函数的特性，同时采用信号延迟的方法设置各声源特性，从而产生一定频率以上，不随频率变化的恒指向性特性。

Konagai et al.，“Method for controlling directivity of loudspeakerapparatus and audio reproduction apparatus”，Pub.No.：US 2007/0230724A1，Oct.4，2007.利用数字信号处理器(DSP)控制各扬声器的延迟时间和强度，产生特定方向的波束，投向房间的壁面，从而生成环绕声感觉。上述方法控制扬声器阵列指向性图的一致性，侧重于窄指向性应用场合。

上述所有方法都没有涉及灵活控制指向性宽窄，不能实现利用一组扬声器，满足用户指向性不同需求的目的。

发明内容

本发明目的是：提出一种能够灵活控制指向性，提出一种满足用户指向性不同需求的目的的辐射角灵活可调的扬声器组及设置方法，且只利用一组扬声器、

本发明的目的是这样实现的：辐射角灵活可调的扬声器组，本发明的主要内容：将N个例如十个扬声器水平放置，形成“声梁”。通过数字信号处理器，控制“声梁”每一个通道的相位和相对幅度。根据用户需求不同，生成宽指向性立体声辐射，或者窄指向性特定方向声辐射。从而实现单一“声梁”，多种用途。扬声器包括包括各种声源。本发明所述的十声源扬声器组一般指直线排列或近似直线的较少弧度弧线排列的十个扬声器(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。

本发明的目的是这样实现的：辐射角灵活可调的扬声器组设置方法，针对宽指向性需求，数字信号处理器提供一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的相对幅度和相位；针对窄指向性需求，数字信号处理器提供另一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的延迟时间，相对幅度等等。当需要切换宽/窄指向性需求时，在数字信号处理器内部，可通过指令灵活实时切换。延迟时间通常在10ms之内。

本发明具体而言是：十个声源水平放置，根据需求的不同，设置不同的前端数字滤波器组。当需要设置为“立体声宽指向性”时(如图1)，右声道声源馈入数字信号处理器，经过滤波器1～5，处理后馈给5个独立功放和声源，形成右通道宽指向性辐射；左通道声源馈入数字信号处理器，经过滤波器6～10，处理后馈给5个独立功放和声源，形成左通道宽指向性辐射。

当需要设置为“立体声窄指向性”时(如图2)，右声道声源馈入数字信号处理器，经过滤波器1～10，处理后馈入10个独立功放和声源，形成向右方向的恒指向性波束，向右方向辐射；左声道声源馈入数字信号处理器，经过另外一组滤波器10～1，处理后馈入10个独立功放和声源，形成向左方向的恒指向性波束，向左方向辐射。

当需要设置为“单声道窄指向性”时，可只馈入左、右声道其中一组滤波器即可。另外一组滤波器可不设置。

宽窄指向性切换在数字信号处理器内部利用指令完成。

本发明阵列声源单元数目N＝10，根据本发明，阵列单元的排列可以按照依次排列的声源(扬声器单元等)分别为“x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9、x10”，其中：每个扬声器单元设置一个数字滤波器，对应为“h1，h2，h3，h4，h5，h6，h7，h8，h9，h10”。

当需求“立体声宽指向性”时，默认h1～h10为一致的高通滤波器，其对应的幅度比例如下：g1＝0.4，g2＝0.9，g3＝1，g4＝-0.9，g5＝0.48，g6＝0.4，g7＝0.9，g8＝1，g9＝-0.9，g10＝0.48。负号表示相位相反。

高通滤波器的截止频率f0和Q值可取决于后端辐射声源的特点，例如：需要保护小型化扬声器(2inch单元)不受过低频段信号源的冲击，可设置f0＝80Hz，Q＝0.707。

g1～g5为一组幅度系数，控制右声道信号为宽指向性辐射；g6～g10为第二组幅度系数，控制左声道信号为宽指向性辐射(或左右镜象互换不超出本发明的范围)。利用立体声左右通道的宽指向性辐射，在中小空间内，可满足多个听众位置，同时获得满意的听感。

当需求“窄指向性”时，左右通道分别向左右方向某角度辐射，设置h1～h10幅度比例如下：j1＝0.251，j2＝0.501，j3＝0.707，j4＝1，j5＝1，j6＝1，j7＝1，j8＝0.707，j9＝0.501，j10＝0.251；同时，在单独通道设置特定的延迟时间，可使得阵列的波束方向指向对应的角度。利用立体声左右通道特定方向的窄指向性辐射，在中小空间内，经过壁面的反射，在中间位置，可生成特定的环绕声效果，展宽听者的空间感。

关于形状设计：本发明提供的仿真、实验数据均以直线型扬声器阵列为例。对于弯曲程度不大的扬声器阵列，其指向特性基本得到保持。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。

本发明的有益效果是：本发明通过辐射角灵活可调的扬声器组设置来灵活控制指向性的宽窄，实现利用一组扬声器，满足用户指向性不同需求。

附图说明

图1根据本发明的立体声宽指向性辐射示意图。

图2根据本发明的立体声窄指向性辐射示意图。

图3根据本发明，针对宽指向性要求，对比设计滤波器与声源直接叠加的指向性图。

图4根据本发明，针对窄指向性要求，调整声源向+/-20度方向辐射的指向性图。

具体实施方式

下面用举例的形式说明本发明的具体实现方法。

根据图1和图2，应用本发明时，需要将信号经过特定处理后分配给阵列的每个声源，这种分配处理在数字信号处理器中完成。使用独立的功放电路，每个功放和扬声器相同，采用直线排列。

图3表明采用特定比例系数控制数字滤波器输出幅度和相位，相对于不做处理，可实现宽指向性辐射的特点。从图中的仿真指向性图可以看出，在4个不同频率点处(4图)，都能获得宽指向性辐射。

图4为窄指向性辐射的指向性图，可见在不同频率处(1000Hz，1600Hz，2000Hz，3200Hz，4000Hz，6000Hz)，都能够形成特定方向的波束。此处采样频率为48kHz，扬声器距离d＝3cm，每声源通道延迟特定的时间(延迟时间通常在10ms之内)，对应延迟一定的样点，第i个滤波器基本形式表达如下：

hi＝z^-n*(a_1i+a_2i*z^-1+a_3i*z^-2+a_4i*z^-3)，i＝1～10，

其中n代表第i个通道的延迟样点，a_1i，a_2i，a_3i，a_4i代表第i个通道延迟修正项。

调节n和a_1i，a_2i，a_3i，a_4i可实现特定方向的波束辐射。

举一例如下：

h1＝0.331+0.919*z^-1+(-0.314)*z^-2+0.063*z^-3

h2＝z^-2*(0.126+1.053*z^-1+(-0.22)*z^-2+0.04*z^-3)

h3＝z^-5*(0.93+0.112*z^-1+(-0.055)*z^-2+0.012*z^-3)

h4＝z^-7*(0.428+0.818*z^-1+(-0.31)*z^-2+0.064*z^-3)

h5＝z^-9*(0.095+1.056*z^-1+(-0.185)*z^-2+0.034*z^-3)

h6＝z^-12*(0.626+0.568*z^-1+(-0.247)*z^-2+0.053*z^-3)

h7＝z^-14*(0.133+1.051*z^-1+(-0.227)*z^-2+0.042*z^-3)

h8＝z^-17*(0.581+0.629*z^-1+(-0.266)*z^-2+0.056*z^-3)

h9＝z^-19*(0.06+1.05*z^-1+(-0.135)*z^-2+0.024*z^-3)

h10＝z^-22*(0.324+0.926*z^-1+(-0.314)*z^-2+0.063*z^-3)

利用数字信号处理器控制十声源扬声器组的方法，既可实现立体声宽辐射角辐射，又可实现立体声窄辐射角辐射，也可实现单声道的宽窄指向性灵活调节。

需要宽指向性时，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、x6、x7、x8、x9、x10”，对应的滤波器幅度表示比例为：0.4，0.9，1，-0.9，0.48，0.4，0.9，1，-0.9，0.48。其中除第5和第10个比例以外的系数，可容许10％的容限。第5，10个比例系数须保证2％以内的容限。需要窄指向性时，各个声源可以提供不同滤波器，和相应的幅度比例，可实现声源波束指向特定方向。每声源通道的滤波器形式如下：

hi＝z^-n*(a_1i+a_2i*z^-1+a_3i*z^-2+a_4i*z^-3)，i＝1～10

每声源通道滤波器包含一个特定的振幅设置系数g_i.

扬声器组指的是利用10声源横向排列，形成声梁，可根据需要分成左右两组宽指向性辐射，也可统一成一组窄指向性辐射。

扬声器阵列前端设置数字信号处理器控制每个通道的输出。根据宽窄指向性要求的不同，在数字信号处理器内部切换两种方法所对应的滤波器组。十声源用来形成立体声左右方向的波束，波束投射角度可根据用户需求调整。十声源可用来形成单声道特定方向的波束，波束投射角度可根据用户需求调整。

Claims

1.辐射角灵活可调的扬声器组设置方法，其特征是针对宽指向性需求，数字信号处理器提供一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的相对幅度和相位；针对窄指向性需求，数字信号处理器提供另一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的延迟时间，相对幅度；当需要切换宽/窄指向性需求时，在数字信号处理器内部，通过指令灵活实时切换。

2.根据权利要求1所述的辐射角灵活可调的扬声器组设置方法，其特征是十个声源水平放置，根据需求的不同，设置不同的前端数字滤波器组；当需要设置为“立体声宽指向性”时，右声道五个声源馈入数字信号处理器，经过滤波器1～5，处理后馈给5个独立功放和声源，形成扬声器组右通道宽指向性辐射；左通道五个声源馈入数字信号处理器，经过滤波器6～10，处理后馈给5个独立功放和声源，形成扬声器组左通道宽指向性辐射。

3.根据权利要求2所述的辐射角灵活可调的扬声器组设置方法，其特征是当需要设置为“立体声窄指向性”时，右声道声源馈入数字信号处理器，经过滤波器1～10，处理后馈入10个独立功放和声源，形成向右方向的恒指向性波束，向右方向辐射；左声道声源馈入数字信号处理器，经过另外一组滤波器10～1，处理后馈入10个独立功放和声源，形成向左方向的恒指向性波束，向左方向辐射；当需要设置为“单声道窄指向性”时，只馈入左、右声道其中一组滤波器即可；另外一组滤波器不设置；宽窄指向性切换在数字信号处理器内部利用指令完成。

4.根据权利要求2或3所述的辐射角灵活可调的扬声器组设置方法，其特征是阵列声源单元数目N＝10，阵列单元的排列按照依次排列的声源分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8、x9和x10，其中：每个扬声器单元设置一个数字滤波器，对应为h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8、h9和h10；

当需求“立体声宽指向性”时，默认h1～h10为一致的高通滤波器，其对应的幅度比例如下：g1＝0.4，g2＝0.9，g3＝1，g4＝-0.9，g5＝0.48，g6＝0.4，g7＝0.9，g8＝1，g9＝-0.9，g10＝0.48；负号表示相位相反；g1～g5为一组幅度系数，控制右声道信号为宽指向性辐射；g6～g10为第二组幅度系数，控制左声道信号为宽指向性辐射；利用立体声左右通道的宽指向性辐射，在中小空间内，满足多个听众位置，同时获得满意的听感；

滤波器幅度表示比例为：0.4，0.9，1，-0.9，0.48，0.4，0.9，1，-0.9，0.48。其中除第5和第10个比例以外的系数容许10％的容限。第5，10个比例系数须保证2％以内的容限；

当需求“窄指向性”时，左右通道分别向左右方向某角度辐射，设置h1～h10幅度比例如下：j1＝0.251，j2＝0.501，j3＝0.707，j4＝1，j5＝1，j6＝1，j7＝1，j8＝0.707，j9＝0.501，j10＝0.251；同时，在单独通道设置特定的延迟时间，使得阵列的波束方向指向对应的角度；利用立体声左右通道特定方向的窄指向性辐射，在中小空间内，经过壁面的反射，在中间位置，可生成特定的环绕声效果，展宽听者的空间感。

5.根据权利要求2或3所述的辐射角灵活可调的扬声器组设置方法，其特征是高通滤波器的截止频率f0和Q值取决于后端辐射声源的特点，2inch单元小型化扬声器不受过低频段信号源的冲击，设置f0＝80Hz，Q＝0.707。

6.根据权利要求1-5之一所述的辐射角灵活可调的扬声器组，其特征是将N个扬声器水平放置，形成“声梁”；针对宽指向性需求，数字信号处理器提供一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的相对幅度和相位；针对窄指向性需求，数字信号处理器提供另一组预设的滤波器，控制每声源通道信号输出的延迟时间，相对幅度，当需要切换宽/窄指向性需求时，在数字信号处理器内部，通过指令灵活实时切换，实现单一“声梁”，多种用途；N个声源扬声器组一般指直线排列或近似直线的较少弧度弧线排列的十个扬声器，或涉及曲线排列的扬声器阵列。

7.根据权利要求6所述的辐射角灵活可调的扬声器组，其特征是十个声源水平放置，根据需求的不同，设置不同的前端数字滤波器组。