CN103069842A - 具有可控方向性的环形扬声器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可控方向性的声音发射装置，包括在本体5表面上分布的多个声源(7)，每个声源由独立的功率放大器(12)来驱动，对所述功率放大器的输入端提供来自相应滤波器(10)的输出信号，以便控制每个单独声源(7)的频率响应，其中对每个滤波器(10)提供与多个输入通道Ch₁、Ch₂…Ch_N相对应的输入信号(11)。根据本发明一个实施例的本体(5)包括圆柱形本体，在所述圆柱形本体的两个纵向末端处配置有末端片(6)。本发明还涉及一种控制声音发射装置的单独声源的方法，以便获得给定的目标方向性。

Description

具有可控方向性的环形扬声器阵列

技术领域

本发明通常涉及扬声器领域，具体地涉及控制扬声器的方向特性的装置。更具体地，本发明涉及应用声学波束形成（beamforming）以控制包括在表面上分布的多个单独扬声器驱动器在内的扬声器单元的方向特性。

背景技术

多年来，在扬声器设计者中已经广泛地考虑了扬声器的方向性。总的多数意见是，研究扬声器方向性与各种感知方面之间的相关性可能在开发未来的创新声音系统时是非常重要的。近来，Evans等人提出了关于这一主题的研究文献。基于与立体声再现的最优方向性、扬声器方向性控制和针对方向性对收听者的影响的先前研究有关的文献回顾，发明人发现先前研究的结果并没有提供关于所研究的方向性类型与感知属性之间的关系的确定证据。这是由于作为具有不同方向性的源而在实验中使用的多种扬声器引起的。显然，由于个体扬声器类型的内在差异，这将引入判断除了方向性之外的其他参数的风险。因此有利的是获得方向特性可以在不影响扬声器单元的其他参数的情况下变化的单独的扬声器或者扬声器单元。

发明内容

根据本发明提供了一种扬声器单元，所述扬声器单元提供扩展范围的扬声器方向性。根据本发明的扬声器单元实现了可控的方向性，从而提供了在未来的实验研究中得到有用的收听测试数据的基础。

根据本发明提供了一种扬声器单元，包括扬声器驱动器的均匀环形阵列，用于通过声学波形成来实现宽带音频再现。根据本发明的扬声器单元遵照对于自由场条件有效的一系列规范和要求：波束图样（pattern）必须能够在水平平面内调整到特定聚焦方向（0-360°），并且波束宽度应该是从全方向至窄波束特性可变的。由于实践中将不能够理想地满足理想条件的事实，可能在主瓣方向之外形成旁瓣（或次级瓣）。从实践的观点来看，相对于主瓣的-20dB的旁瓣级别是可接受的，但是也可以规定更严格的要求。另外，应该使得物理尺寸最小化以便减小室内相互作用。在本发明的详细描述中，将实现满足频率范围500Hz至4kHz中的频率不变性的给定目标函数。所述详细描述包括根据本发明的教导获得的仿真方向性图样和在消声室中测量的来自真实原型扬声器单元的测量结果。

在波束形成的理论中，在控制环形阵列时，通常考虑与针对所述波束形成器的每个阵列元件的信号的波束形成器加权有关的两个概念：（1）相位补偿和幅度逐渐减小（amplitude tapering），以及（2）相位模式的概念。第一方法涉及波束图样特性的优化（例如，主瓣的半功率带宽以及旁瓣级别的最小化），同时使用方法（2）来利用固有环形周期性的优势。

在本说明书中，将方向性定义为依赖于位置的频率响应与基准位置的频率响应之比。只在水平平面内评价所述方向性。以柱坐标表达朝向，并且通过以下表达式给出所述方向性：

其中

是波束图样焦点的方向，或者等价地是波束图样最大值的方向，而G是频率响应。

基于空间傅里叶分析进行所需方向性或波束图样的合成。确定每个阵列元件（扬声器驱动器）的波束形成器权重的过程是：（1）基于特定的方向性目标函数来确定所需图样；（2）应用方向性图样的空间傅里叶分析；以及（3）通过所得到的傅里叶系数和声场传递函数（从每个元件到给定的观察点）来确定权重。

理论

以下段落简要地提出了与本发明相关的最重要的理论。概述了从位于无限长圆柱体上的线源产生声场的推导过程。随后将推导结果用作本发明中应用的传递函数，并且用于所得到的方向性特性的仿真。所提出的理论最后给出了在本发明中应用的方向性图样合成的方法的描述：相位模式的概念。

圆柱体上的线源

参考该说明书的图2，通过作为普通输出波的由普通圆柱源产生的声场由以下表达式给出：

在图2中和上述表达式中使用的符号的含义是：

圆柱体半径；

位于所述圆柱体上的线源的宽度；

波数；

观察点的柱坐标；

第二类柱圆柱汉克尔（Hankel）函数；

组成

的每个模式的强度。

特别感兴趣的是表面的相应径向质点速度：

其中，系数Em由下式表达：

$E_m=j{\mathrm{\ϵ}}_m\frac{{\mathrm{dH}}_m^{\left(2\right)}\left(\mathrm{ka}\right)}{d\left(\mathrm{ka}\right)},m=\mathrm{0,1,2},...---\left(4\right)$

其中ε₀=2并且m>0时ε_m=1。在只有所述圆柱体的单个线元件振动的情况下（参见图2），可以将圆柱体表面上的径向速度分布描述为：

其中u₀是线源速度，且dα→0。因此，将无限长和薄线源限定在无线延伸的刚性圆柱体的表面上。该函数的傅里叶级数展开是：

将表面上的边界条件给出为u_r(a,φ)=u_a(φ)，其暗示着系数Am必须满足：

$A_m=\frac{\mathrm{\ρc}{u}_0\mathrm{d\α}}{\mathrm{\π}{E}_m},m=\mathrm{0,1,2},...---\left(7\right)$

在图3中示出了利用最大值归一化的声压的一些示例。可以看出，所述圆柱体在低频下具有非常小的影响。在较高的频率，所述圆柱体引起一定的方向性。

仿真结果基于无限长圆柱体上的线源的均匀环形阵列。可以执行所述解的扩展以便对由阵列产生的声场进行仿真。这里，通过叠加原理来介绍针对N个等距线源的解。以余弦形式包括了表达式（2）中的相位差φ-φ_n，其中：

每个源对于声场均有贡献，因此对表达式（2）中的N个贡献进行求和以便获得完整解。

通常，这种解引入了实践中不能满足的多个理想条件。在实际实现中明显地必须截短圆柱体和线源的长度。这暗示了对于与截短的圆柱体长度可比或者更大的波长，针对频率的仿真可能不会给出正确的结果。另一方面，这种有些理想的解考虑了近场项，并且允许在与圆柱体表面相距任意距离处解析地确定声学参数。

相位模式

下面，考虑产生特定方向性图样H(φ，f)的扬声器。考虑特定方向性图样H(φ，f)。通过利用特定元件权重w_n(f)对单独元件的幅度和相位进行调节，以利用由N个元件组成的阵列对这种目标方向性进行近似：

其中g(φ，r，φ_n，f)是从如图4所示的角向位置φ_n的第n个阵列元件到观察点(φ，r)的传递函数。

假设采用由在任意隔音几何体（baffle geometry）上安装的任意元件组成的均匀环形阵列，可以使用相位模式的概念来控制辐射方向性。使用这种方法，确定特定元件权重以调节阵列响应。利用该阵列配置固有的环形周期性，可以使用傅里叶级数表达式将目标方向性扩展为圆谐波：

其中，M是对从-∞到∞的总和进行截取的谐波个数。可以使用离散傅里叶变换以数字形式确定傅里叶级数扩展的复系数a_p：

其中p是整数，N是阵列元件的总个数。

图5说明了由前三个圆谐波的加权和组成的单个方向性图样的示例。常数a_p规定了产生所示方向性图样所需要的每个谐波的强度。

根据阵列中元件的布置，在阵列中，权重必须是以2π为周期的。因此，可以将所述权重分解为圆谐波：

其中，

表示扩展的元件权重的傅里叶系数（以便不与目标方向性a_p(f)的相应系数混淆）。可以通过对加权阵列元件求和来确定所述目标方向性的每个谐波。通过声学传递函数g(φ,r,φ_n,f)描述了所述元件，并且通过元件权重的第p个谐波

进行了加权：

在具有线源的无限圆柱体的情况下，通过表达式（2）和（7）给出了传递函数g(φ,r,φ_n,f)。除此之外，也可以通过FEM仿真或者测量来确定解析推导结果g(φ,r,φ_n,f)。

从总和中去除常数

并且应用公式（10），可以将公式（13）写作：

重新整理这些项，可以根据所述目标方向性的给定谐波和所获得的声学传递函数来确定特定元件权重的未知的第p个谐波：

根据在元件角向位置φ_n的角度处的M个谐波的总和来计算所述元件权重：

将针对

的表达式代入到公式（16）中，可以将表达式写作：

这里可以看出，项e^jpφ是比例因子，该比例因子在特定元件权重的计算之间不会改变。因此，可以针对任意角度计算该比例因子（例如为了简化，φ=0）。

利用所计算的值对阵列元件进行加权得到了方向性

所述理想地等于目标方向性H

根据本发明的第一方面，提出了一种控制声音发射装置的方向性的方法，所述方法包括：

（i）提供由多个声源组成的阵列，每个声源由单独的功率放大器来驱动；

（ii）针对所述多个声源中的每个声源提供独立的滤波器，将滤波器（10）的输出信号提供给相应的功率放大器；

（iii）在特定频率下选择所需方向性；

（iv）在所述特定频率下确定每个所述声源的方向性；

（v）在所述特定频率下将所需方向性分解为p个谐波；

（vi）在所述特定频率下将针对所述阵列的每个声源的声源方向性分解为p个谐波；

（vii）在所述特定频率下将对于未加权阵列的第p个谐波的声源贡献进行求和；

（viii）在所述特定频率下计算第p个权重作为所需谐波强度和所述未加权阵列的谐波强度之间的比值；

（ix）在所述特定频率下通过在源位置处谐波权重的总和来计算源的权重，从而在适用源方向性的该特定频率下得到阵列中每个声源的权重；

（x）针对感兴趣的频率区间的每个所需频率重复以上步骤（iii）至（ix），从而确定针对每个声源的每个独立滤波器的系数；

（xi）基于在以上（x）步骤确定的系数来构建所需个数的独立滤波器。

根据本发明的第二个方面，提出了一种具有可控方向性的环形扬声器阵列，包括在本体表面上分布的多个声源，每个声源由独立的功率放大器来驱动，对所述功率放大器的输入端提供来自相应滤波器的输出信号，以便控制每个单独声源的频率响应，其中对每个滤波器提供与多个输入通道Ch₁、Ch₂…Ch_N相对应的输入信号。

根据本发明的实施例，一种声音发射装置包括圆柱形本体，在所述圆柱形本体的每个纵向末端处均配置有末端片。

根据本发明的另一个实施例，将所述声源均匀地分布在所述本体表面上的环形路径上，具体地是分布在实质上与所述末端片平行的环形路径上（但是不局限于此）。根据本发明的特定实施例，所述本体的表面是实质上刚性的。

根据本发明的实施例，每个滤波器具有根据上述方法确定的滤波器特性。然而，可以应用确定合适的滤波器特性的其他方法。

附图说明

通过阅读本发明实施例的以下详细描述并且参考附图将更好地理解本发明，其中：

图1示出了通过典型的方向性目标函数限定的四个不同波束图样；

图2示出了配置为圆柱隔音体上的线源的本发明的实施例；

图3示出了通过无限长度的刚性圆柱体上的线源产生的远场中的归一化声压，针对各种ka值计算所述归一化声压：ka=0.5、ka=2、ka=8和ka=32；

图4示出了均匀环形阵列中的N个线源的配置的截面视图；

图5示出了扩展到具有系数a₀=1、a₁=a_-1=1以及a₂=a_-2=1的圆谐波的方向性图样的说明，（a）一次谐波p=0；（b）二次谐波p=±1；（c）三次谐波p=±2；（d）由具有所示幅度的前三次谐波组成的所得到的方向性；

图6示出了对仿真结果可视化的轮廓线，轮廓线之间的距离=3dB：（a）用作波束形成的目标的方向性图样；（b）使用r=0.15m的24个元件的环形阵列的仿真方向性图样；

图7示出了形成的主瓣的焦点处的声压对由圆柱体上的单独源产生的相应声压的分配比曲线；

图8示出了包括各种类型的误差在内的方向性响应的仿真。轮廓线之间的距离=3dB：（a）±1°的随机角向位移；（b）从中确定相位模式权重的传递函数的0.5dB的均匀随机噪声；（c）角向位移和传递函数误差。

图9（a）示出了包括6个扬声器在内的本发明的实施例的示意性表示；

图9（b）示出了用于在消声室中具有6个2”扬声器驱动器的均匀环形阵列的实验研究的测量装置的图片；

图10示出了具有6个扬声器驱动器的小型均匀环形阵列的水平方向性。根据（1）对响应进行了归一化。（a）示出了目标函数。在其余的图的每个中，针对5个不同的频率：(b)500Hz(ka=0.9)、(c)700Hz(ka=1.3)、(d)1000Hz(ka=1.8)、(e)1400Hz(ka=2.6)以及(f)2000Hz(ka=3.7)，分别示出了针对利用仿真传递函数g_sim(---)、测量的传递函数g_meas(…)以及预测的方向性(-)的测量的结果；

图11示出了具有在阵列元件角向位置强加了误差的仿真水平方向性(-.-)和理想仿真(-)，还示出了利用测量的传递函数获得的测量结果(….)，评价了三个不同的频率：(a)500Hz、(b)700Hz和(c)1000Hz；

图12示出了通过6个源形成的主波束的焦点处的声压与由圆柱体上的单独源产生的相应声压之比；

图13示出了具有根据本发明实施例的可控方向性的环形扬声器阵列的基本布局的方框图，包括针对每个单独扬声器驱动器的独立的滤波器和功率放大器；以及

图14说明了为了确定图13中所示的滤波器的每个单独滤波器特性而执行的计算。

具体实施方式

以下示出了应用本发明的波束形成方法的仿真结果和使用简单的6扬声器实施例的实际测量结果。

仿真

以下仿真结果是针对具有如上所述的等间距间隔开的线源的无限圆柱体得到的。所选择的阵列配置由定位于具有a=0.15m的无限圆柱体上的24个线源组成。根据采样准则，元件和阵列半径的这种组合允许最高至约4.3kHz频率的波束形成。在自由场条件下获得了所述阵列的方向性图样，所述自由场从仿真去除了干扰反射。为了避免近场分量的影响，根据r=3.5m的径向距离处的声压来确定仿真的方向性。由于如上所述选择的推导结果，可以确定特定径向距离下的方向性。将目标方向性的主瓣定向为朝向0°，根据关于相位模式的以上内容中描述的过程来计算应用于阵列元件的相应权重。

目标函数

应用相位模式的概念来控制所述阵列使得可以形成多种方向性图样。针对仿真而选择的目标方向性图样具有在本发明背景中提到的心理声学实验所期望的最小波束宽度。这与3dB声压衰减下23°的波束宽度（等于采用远场条件下的半功率宽度）相对应。由于窄的波束宽度，很难实现这种图样，因为在小的角向变化时发生从具有高幅度的主瓣到减小级别的转变。这种陡峭的斜率要求对阵列元件的精确控制，以便于这种相消干涉。假设如果可以实现这种窄图样，则也可以使用这种配置实现其余的较易实现的和更宽的方向性。

图6（a）示出了目标方向性图样的跨频率轮廓线。为了比较的目的示出了目标，并且根据所使用的方向性定义（1），相对于沿焦点方向的声压对计算的声压进行了归一化。目标响应的直轮廓线反映了目标方向性的频率不变性。关于之前定义的目的，在所关心的规定频率区间中需要频率不变性。

目标函数实现

通过仿真研究已经发现：可以使用环形阵列中的24个元件，在所关心的频率范围内利用小于-20dB的旁瓣级别来形成目标方向性。这里，将旁瓣级别定义为主瓣的最大幅度和旁瓣的幅度之间的dB差。图6（b）示出了在100Hz至6kHz的频率范围内的仿真方向性图样。在4.3kHz的规定上限以上的频率下引入旁瓣（参考数字1），并且在5.5kHz的频率下，所述控制方案失效（如由参考数字2统一表示的旁瓣系列所表示的）。这是由元件之间的波长距离太大以至于不能实现所需的方向性图样而引起的，相当于没有足够的采样点可用于估计第p个圆谐波。因此，需要较大的元件密度以便扩展可以形成所需方向性图样的频率上限。

增加元件的个数减小了单独元件之间的间隔距离，提高了频率上限和频率下限。由于在低频下对于元件权重中的误差的灵敏度增加，有效地引入了频率下限。这种效果是由元件间的波长距离非常小引起的，因此从一个源发射的声压在相邻源的位置处的相位变化相应地较小。因此，需要大量的相消干涉来形成正确的方向性图样。利用图7说明了相消干涉的量，其中将所形成的方向性的主波束处的幅度压力与通过圆柱体上的单独线源产生的相应幅度压力进行比较。从该图可以看出，低频率下的相消干涉的量显著减小了辐射声压。由于这种较大的衰减，实现所述目标方向性是不切实际的，因为在不向扬声器驱动器添加显著的失真或者引起扬声器驱动器的损坏的情况下，不可能将驱动器升压超过100dB。

由于所形成的方向性图样的升压幅度明显减小，波束形成过程对于低频下的元件权重中的误差非常敏感。

在仿真中引入误差

由于生产公差，在圆柱形隔音板上构建环形阵列在系统中引入了误差。与理想情况相比，主要误差源来自于元件的不均匀角向位移以及隔音几何体的偏差产生。可以通过在阵列的仿真中包含这些误差来说明这些误差的严重性。通过向角向位置添加均匀分布的随机变化来对阵列元件的不均匀位移建模。将隔音结构中的偏差和无限圆柱体和线源的有限近似建模为在元件权重的设计过程中使用的传递函数中的均匀分布的随机变化（用公式（13）中的g(φ,r,φ_n,f)表征）。

图8（a）示出了角向元件位移中±1°的随机变化的影响。如图8（a）中的参考数字3所表示的，可以看出角向变化对所实现的方向性图样的影响很大，尤其是在低频下。通过阵列元件之间的精确相长/相消干涉，根据理想解析表达式计算的元件权重形成了所述方向性图样。因此，当更改角向元件的位置时，所述干涉图样改变，这影响了所实现的方向性图样。这在低频率下尤其显著，在低频率下波束形成技术对于元件权重中的误差非常敏感。

图8（b）示出了向所述元件权重所基于的传递函数添加0.5dB幅度的随机变化的影响。同样，主要在低频率下观察到所述变化的影响（参考数字4），在低频率下所述概念最敏感。

在图8（c）中，在仿真中同时引入上述的两个不相关的误差源。可以看出，与当只存在角向误差时相比，向所述传递函数添加噪声对于响应具有正面效果。对该特性的物理解释如下：从图3中看出，来自单一源的理想传递函数是非常平滑的理想函数。因此，在来自两个源的声场的相位相差180°的点处，可能得到具有接近理想无限衰减的相消凹陷的干涉图样。当由于随机源位置导致这些理想相消干涉图样略微错位时，在所形成的方向性图样中伴随有较大的误差。然而，如果传递函数不是理想的（例如，由于噪声的添加），则将不存在这种理想干涉图样。因此，所得到的方向性图样具有固有误差，但是对于源位置的变化较不敏感。图8（c）中所示的方向性图样可以假设近似表示通过根据本发明的24元件扬声器单元的实际物理实施例所获得的图样，因为在本发明的实际物理实施例中将总是不可避免地存在上述误差。

实验结果

已经使用由6个等距扬声器驱动器组成的均匀环形阵列来实验检验上述相位模式的概念。这一部分中提出的实验的目的是为了验证作为波束形成方法的相位模式概念的可应用性。主要实现了小型模型以便验证理论和仿真。为了能够再现前述方向性图样的范围，应该使用大量的扬声器，例如与在这一部分中所述的小型模型中的扬声器数的四倍。然而为了检验频率不变性的方面，利用单个预定方向性图样作为目标。在图10（a）中示出了方向性目标，不能期待利用所实现的小型模型完美地再现所述方向性目标。在图9（a）中示出了这一模型的图片，并且在图9（b）中示出了针对在消声室中的实验研究的测量装置的图片。

如图9（a）所示，将阵列元件7安装到圆柱形隔音体5中，在该实施例中，所述圆柱形隔音体具有630mm的长度、并且在每个纵向末端通过末端片6封闭。所述阵列元件由安装在中空PVC圆柱体中的6个2”的“全频（full-range）”扬声器驱动器组成，所述中空PVC圆柱体具有10mm的壁厚和200mm的外径，从而提供用于这种结构的声音硬隔音体。通过实木片6在每个末端处封闭所述隔音体。基于方向性性质而选择所述驱动器，以所关心的频率区间提供半球辐射。本发明的发明人手工制造了模型，而没有使用CNC刨槽机。在较大的消声室中测量了方向性图样，所述较大的消声室提供对于低至50Hz的自由场条件的良好近似。在所有情况下均使用FFT模式中的3560型Brüel&

(B&K)脉冲分析器和4091型B&K自由场麦克风。将扬声器阵列放置于B&K5960型转盘（图9（b）中的参考数字9）上，将该转盘放置到支架8上，所述支架8锚定到室内在支架下方约3m的地上。在与5°的分辨率相对应的水平平面中进行总共72次测量。从圆柱形隔音体中心到测量麦克风（观察点）的距离是约r=3.5m。在图9（b）中示出了测量装置。

通过离线滤波处理纯音调信号并且使用PC回放纯音调信号。在5个频率500、700、1000、1400和2000Hz处确定了的用作实验中的基准的特定方向性图样。应用用于确定每个阵列元件的权重的两个不同方法：在第一个方法中，使用上述理论来对声场传递函数g(φ,r,φ_n,f)进行仿真，而在第二个方法中，针对每个阵列元件在较大的消声室中测量所述传递函数，并且应用所述传递函数。在下文中将这两种情况分别称作g_sim和g_meas。在图10中示出了针对这两种情况的实验结果，以及针对被测配置的预测方向性。总体上可以看出，利用g_meas的测量结果在1000、1400和2000Hz处与仿真相当好地一致，而在通过应用g_sim获得的结果中发现了较大的偏差。这对于120°至240°区域中的两个后瓣尤其明显，与预测结果和利用gmeas的测量相比，解析结果较不精确。在500和700Hz处，实验再现结果揭示了与预测方向性的显著偏差。在500Hz处，针对gs_im和g_meas两者获得的结果与沿焦点方向的半平面很好地吻合。在其余平面中存在侧瓣的最高至约30dB的差异。在700Hz处，两个后瓣在g_sim中显著地背离，而位于200°至220°处的那一个后瓣在g_meas中几乎消失。

讨论利用本发明的小型实施例获得的结果

对所测量的结果进行比较揭示了利用g_sim和g_meas获得的测量结果之间的显著差异。清楚的是当通过针对被测物理阵列结构的测量传递函数而不是理想仿真来确定所利用的元件的权重时，获得了更好的性能。当使用理想仿真的传递函数确定所述权重时，这明显地意味了将发生与实际物理声场的偏差。这与在g(φ,r,φ_n,f)上强加的误差相对应，并且可以预期性能变差。然而，主要针对侧瓣和后瓣发现这一情况，而至少在500Hz以上通常将良好地再现主瓣。

在只考虑6个元件的情况下，评价特定波束图样的频率不变再现是相当困难的任务。然而，在图10中展示的结果确实表示了在图9（a）和9（b）中所示的本发明的实施例能够提供至少一定程度上与目标方向性图样相对应的方向性图样，尽管有利地是使用大量的扬声器驱动器而不是在所述实施例中使用的6个扬声器驱动器。针对图10中的（c）至（e）从700Hz到1400Hz的8个一组的测量总是保持所述方向性图样。在图10的（f）中的2000Hz处，该形状扭曲，因为所述侧瓣和所述后瓣在波束宽度方面变得与主瓣可比。两个测量结果与预测图样都非常类似，表明达到了与频率不变性有关的波束形成方法的频率上限。根据空间采样准则，在2000Hz下要求8个源。

实际实现中的不精确性是不可避免的，并且看出影响了实验结果。在考虑手工模型时，这将进一步恶化。在以上部分介绍仿真结果中的误差时，示出了当在阵列元件的角向放置时引入随机误差时在低频率下发生严重的旁瓣。1400Hz以下的测量似乎表现出在90°至180°周围的稳定的误差，其中没有正确地解析所述旁瓣。假定这些误差与手工小型模型中与构成环形阵列的元件的实际定位有关的公差相关联。使用g_sim和g_meas测量所得到方向性中的个体差异揭示了误差是否可以归因于来自物理声场的偏差。然而，在应用所测量的传递函数时也发现了所述误差，这必然对声场的更加理想的呈现有所贡献。这表明不会完全满足等距元件的环形阵列的要求。为了支持这种假设，利用除了焦点方向之外在所有元件上强加的随机角向误差执行类似装置的仿真。在角向位置上强加的误差在±4°的范围内，并且不随频率变化而改变。在图11中示出了结果。发现所得到的阵列性能的行为类型与实验结果中获得的图样很好地吻合。只对三个最低频率进行比较，因为只在1400和2000Hz处发现了不明显的偏差，与图10中的结果相一致。确信波束形成方法在500Hz处的失效归因于这种类型的定位误差。这通过考虑误差敏感性而进一步得到证实，与在前述部分中进行的操作类似。在图12中示出了所述敏感性，并且揭示了不会在500Hz附近发生由于所述敏感性导致的问题。

针对与元件的角方位相同的焦点方向计算了针对6个元件的每个元件确定的权重。很明显，焦点方向的分辨率严重地依赖于所实现的元件个数。针对n=0的元件前面的焦点方向计算了在图10中展示的方向性图样。当焦点方向正好在两个相邻阵列元件的角方位之间时，波束图样呈扭曲对称的图样从目标偏移。在这些角度之外，在旁瓣中发生不对称。当只包括6个元件时，将分辨率限制到具有角度值φ_n（参见表达式（8））的N个焦点方向。对于包括例如24个元件的全尺寸模型期待更好的分辨率。

重要的是在波束形成过程中针对可以在低频率处保持性能的有源元件的个数应用控制方案。这里发现的高敏感性是由于低频率激励和大阵列元件密度（相对于低频率处声音的波长）之间的相互作用导致的。一种方案是在特定频率极限以下，减小对于波束形成有贡献的扬声器的个数，例如减小2倍。

结论

根据仿真结果已经说明，通过在0.15m半径的均匀环形阵列上应用24个源，可以在从500Hz到4000Hz的频率范围上实现所需的方向性图样。然而也可以看出，使用相位模式来控制波束形成向低频率处的元件权重误差引入了更高的敏感性。

已经如上所述实现了本发明的小型实际实施例，包括安装到0.1m半径的环形阵列中的6个2”“全频”扬声器驱动器。尽管不可能利用6个源实现目标方向性，但是使用小型实施例获得的测量示出了在1000至2000Hz处的测量结果与仿真的预期结果之间的非常好的一致性。低频率范围500至700Hz处的显著偏移可能是归因于制造的不精确性。

从这些结果看出，在感兴趣的高频范围内，可以利用在0.15m半径的环形阵列上安装的实际24个元件阵列实现所述目标方向性图样。通过描绘在所述阵列的主瓣处的最大声压与来自相应单个源的轴上声压之比，可以在低频处看到声压的显著减小。根据这些结果，在实际的24元件阵列中，在低于约1700Hz处，预期会出现由于高权重误差敏感性导致的问题。

图13和14示出了根据本发明的具有可控方向性的环形扬声器阵列的特定实施例。参考图13，本发明的该实施例包括多个独立的滤波器10，所述滤波器从相应的输入通道11接收输入信号，并且针对每个单独的扬声器驱动器提供与相应的功率放大器12相对应的已滤波输出信号。参考图14说明了根据本发明的用于控制具有可控方向性的扬声器阵列的方法的一个特定实施例的每个单独滤波器特性的确定，其中参考数字14概括了为了确定图13中所示的滤波器10的单独滤波器的特性所需要的根据该实施例的计算。参考数字14概述的过程是针对单个频率响应的波束形成方法，其确定了在单个频率处产生所需方向性所必要的源权重。在所关心的频率区间上重复这一过程，并且针对每个源构建一个滤波器（扬声器驱动器）以实现针对频率的源权重。通过在图14中概述的过程，使用如公式（9）所示的基本补偿概念，主要将所需方向性15与所述阵列的特定扬声器驱动器的方向性16进行比较，所述基本补偿概念是通过权重“Wn”对来自每个源的响应（g（..））进行调节来对方向性进行近似。

将所需方向性15和特定源的方向性16在相应的步骤20和21中分解为p个谐波。这里，可以使用描述了分解为圆谐波的目标方向性的表达式（10）和描述了使用DFT计算的目标谐波强度的表达式（11）。

对于所述源的方向性16，在步骤22中确定了阵列元件对于未加权阵列的第p次谐波的贡献的总和，随后计算谐波权重作为所需谐波强度和未权重阵列的谐波强度之比（步骤23，其中第p个权重wei ght_p=(所需的第p个谐波的强度/源的第p个谐波的强度）。这里，可以使用描述了将权重函数看作是可以分解为权重谐波的2pi周期性函数的表达式（12）、描述了根据传递函数和权重谐波确定的目标谐波的表达式（13）和描述了根据目标谐波强度和传递函数谐波强度确定的权重谐波强度的表达式（15）。

此后，通过源位置处谐波权重的总和计算了源权重（n）（步骤24，其中源权重（n）=谐波权重

的总和）。这里，可以使用描述了通过角向源位置处的权重谐波的总和确定源权重的表达式（16）。

图14说明了确定用于在单一频率下产生所需方向性所必要的源权重的过程。在所关心的频率区间上进行重复，并且针对每个源构建一个滤波器以实现随频率变化的源权重。

这些计算得到了在适用所示源方向性16的特定频率下针对所述阵列25中每个源（扬声器）26的权重。一旦已经针对感兴趣的每个频率计算了所述权重，可以构建根据频率实现所述源权重的每个单独滤波器10的整个频率响应。

在前述段落中已经给出了这些表达式。

在不脱离本发明范围的情况下，也可以使用用于确定滤波器特性的替代方法。实践中，也可以避免测量声源方向性，并且将这些声源方向性分解为圆谐波。代替地，可以测量或计算每个单独的源和单独的观察点之间的传递函数g(φ,r,φ_n,f)。对于每个圆谐波，该传递函数具有针对该特定圆谐波的与阵列中的具体声源位置相对应的相位变化。这确定了单独的源对观察点中的圆谐波贡献有多少贡献。对来自每个源的这些贡献进行求和得到了对未加权阵列在多大程度上激励了每个单独的圆谐波的指示。该结果进而用于基于所述阵列本身如何激励圆谐波以及它们必须如何激励以便获得所述阵列的目标方向性，来确定所述权重。

应该注意的是，根据本发明的用于针对每个声源提供权重的控制方法只要求将所述源均匀地放置在环形中。隔音体的设计无关紧要，因为只需要知晓所述源的传递函数就能够控制阵列。源的个数将依赖于阵列的半径、所需要的精度、以及要在什么频率区间内获得所需的方向性。

Claims (8)

1.一种控制声音发射装置的方向性的方法，所述方法包括：

(i)提供由多个声源组成的阵列，每个声源由单独的功率放大器(12)来驱动；

(ii)针对所述多个声源中的每个声源提供独立的滤波器(10)，将滤波器(10)的输出信号提供给相应的功率放大器(12)；

(iii)在特定频率下选择所需方向性(15)；

(iv)在所述特定频率下确定每个所述声源的方向性(16)；

(v)在所述特定频率下将所需方向性(15)分解为p个谐波；

(vi)在所述特定频率下将针对所述阵列的每个声源的声源方向性分解为p个谐波；

(vii)在所述特定频率下将对于未加权阵列的第p个谐波的声源贡献进行求和；

(viii)在所述特定频率下计算第p个权重weight_p作为所需谐波强度和所述未加权阵列的谐波强度之间的比值；

(ix)在所述特定频率下通过在源位置处谐波权重的总和来计算源的权重，从而在适用源方向性(16)的该特定频率下得到阵列中每个声源的权重；

(x)针对感兴趣的频率区间的每个所需频率重复以上步骤(iii)至(ix)，从而确定针对每个声源的每个独立滤波器(10)的系数；

(xi)基于在以上(x)步骤确定的系数来构建所需个数的独立滤波器(10)。

2.一种具有可控方向性的声音发射装置，包括在本体(5)表面上分布的多个声源(7)，每个声源(7)由独立的功率放大器(12)来驱动，对所述功率放大器的输入端提供来自相应滤波器(10)的输出信号，以便控制每个单独声源(7)的频率响应，其中对每个滤波器(10)提供与多个输入通道Ch₁、Ch₂…Ch_N相对应的输入信号(11)。

3.根据权利要求2所述的声音发射装置，其中所述本体(5)是圆柱形本体，在所述圆柱形本体的每个纵向末端处均配置有末端片(6)。

4.根据权利要求2或3所述的声音发射装置，其中将所述声源(7)均匀地分布在所述本体(5)表面上的环形路径上。

5.根据前述权利要求2-4中任一项所述的声音发射装置，其中所述本体(5)的所述表面是实质上刚性的。

6.根据权利要求2所述的声音发射装置，其中所述声源的个数是6。

7.根据权利要求2所述的声音发射装置，其中所述声源的个数是24。

8.根据前述权利要求中任一项所述的声音发射装置，其中每个所述滤波器(10)的具有根据权利要求1的方法确定的滤波器特性。

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