CN104378713B - 一种阵列扬声器及使用该扬声器的音频处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种阵列扬声器及使用该扬声器的音频处理方法。该阵列扬声器包括加权FIR系数存储和分配器、加权FIR滤波器、数字功率放大器和以阵列形式排布的扬声器单元。所述加权滤波器连接输入信号，并与数字功率放大器相连。所述数字功率放大器的输出与扬声器单元相连。本发明具有很好的可变指向性，结果简单，运算量小，波束旁瓣低，主瓣指向准确，易于在通用的DSP平台上实现。

Description

一种阵列扬声器及使用该扬声器的音频处理方法

【技术领域】

本发明涉及一种扬声器，尤其涉及一种投射距离远、保证清晰度的扬声器，以及利用该扬声器的具有有效旁瓣抑制的可变指向音频处理方法。

【背景技术】

在火车站、机场、体育馆、会议中心、展览中心、室内外演出场所等大型场合中，观众都希望能听到声场均匀、清晰的声音，这就需要用合适的扩声系统来补偿声功率不足的问题。过去解决这一问题常用的方法是使用分散扩声，即在场地的四周安装多组分散扬声器系统；由于分散式扩声系统设备较多、布线复杂、调试繁琐等缺点，现在越来越倾向于使用指向性较窄的扬声器阵列作为大型场地的扩声系统，所以扬声器阵列得到越来越多的应用。理想的扬声器阵列利用声波干涉原理，在特定的传播方向上可以形成柱面波，相较无指向性点声源所发出的球面波，声压随距离衰减得更慢，可以投射更远的距离。

很多大型的建筑诸如火车站、机场、宗教场所和会议中心等都采用硬结构的装饰材料。由于场地容积大以及装饰材料的吸声性能低会导致场地内的反射声衰减过慢，造成混响时间过长，甚至存在明显的多次回声，这会对语言清晰度造成很大的影响。为提高语言清晰度指标，扬声器的指向性应得到精确的控制，使其发出的声波主能量被集中控制传输到听众区域，同时避免有过多的声能传输到天花板或其他侧墙等容易引起反射的区域，影响语言清晰度。所以在声学环境较差的场合，控制好扬声器的指向性是保证语言清晰度的重要手段。

常规线性扬声器阵列的指向性可以调整，但需要根据场地的情况调整阵列中各个音箱的角度，并对阵列中的各个扬声器单元做单独的调试，因而对安装位置要求较高，调试复杂，同时由于吊装件的限制，阵列中音箱的角度调节范围有限，从而造成指向性控制较难。现有的非常规的扬声器阵列技术较为简单，大部分均采用简单的延时相加方法，即通过对各扬声器单元输出信号进行延时、加权、求和来实现的。采用这种方法，对于不同频率的声音所产生的波束宽度是不同的。因为声频信号是宽带信号，在指向某一个期望方向(即主轴方向)时，低频与高频分量所产生的波束宽度也是不同的，即在某项区域存在频率响应不均匀的问题，而且偏离主轴的角度越大，这种不均匀性越明显，而旁瓣抑制技术可以较好地校正这个问题。而且，如果不作旁瓣抑制处理，产生的旁瓣幅度较大，这样不仅会削弱正确方向上主瓣的强度，造成声能浪费，还可能会引起不必要的反射和混响，降低语言清晰度。

【发明内容】

鉴于上述问题，有必要提供一种投射距离远、保证清晰度的扬声器。

此外，还有必要进一步提供利用上述扬声器的音频处理方法。

一种阵列扬声器，用于处理声频信号转化成声音，包括若干以阵列形式排布的扬声器单元、加权FIR系数存储和分配器、加权FIR滤波器，音频功率放大器及扬声器单元，所述加权FIR滤波器分别与加权FIR系数存储和分配器及音频功率放大器信号连接，所述音频功率放大器与扬声器单元信号连接，并用于驱动扬声器单元，所述输入信号的声波包括主瓣及副瓣，所述加权FIR滤波器接收声频信号，所述加权FIR系数存储和分配器，用于存储波束主瓣指向角和对应的扬声器单元所对应的加权FIR滤波器系数，并根据当前期望的波束主瓣指向角选出对应的系数将其分配给与之相连的加权FIR滤波器，所述加权FIR滤波器滤波后的声频信号经音频功率放大器放大后输出送至对应的扬声器单元。

进一步地，所述加权FIR滤波器为具有时变脉冲响应的FIR滤波器。

进一步地，所述输入信号为数字音频信号，或者输入信号为模拟信号经过模数转换处理为数字信号。

一种音频处理方法，使用了阵列扬声器，该阵列扬声器包括若干扬声器单元、加权FIR系数存储和分配器、加权FIR滤波器，音频功率放大器及扬声器单元，该方法包括以下步骤：

加权FIR滤波器接收输入信号，所述输入信号的声波包括主瓣波束及副瓣波束，所述主瓣波束期望指向角度a，

所述加权FIR系数存储和分配器存储波束主瓣指向角a和扬声器单元所对应的加权FIR滤波器系数，并根据当前期望的波束主瓣指向角选出对应的系数将其分配给与之相连的加权FIR滤波器，

所述加权FIR滤波器用于完成对信号的加权滤波，以得到期望的波束，

所述音频功率放大器放大信号，其输出送至扬声器单元。

进一步地，对于某个期望的波束主瓣指向角通过对信号的不同子带，可离线应用切比雪夫加权的窄带信号波束形成的权系数求解算法得出。

进一步地，所述加权FIR滤波器的系数通过以下步骤得出：

信号频率的下限和上限频率分别为F0和Fh，将F0到Fh之间均匀划分为K个子带，第k个子带的中心频率为Fk，

对于最低的子带中心频率F1，设定旁瓣衰减级为D，用切比雪夫方法计算在此条件下均匀线列阵的权值和对应的主波束宽度，

第i个扬声器单元的切比雪夫加权计算公式如下：

Wi＝w_i*exp(j*2*pi*F1*d0*(i-1)*sin(a/180*pi)/c)；

其中c为声速，j为虚数单位，pi为圆周率，M为扬声器单元数量，并取值为偶数，d0为扬声器间距，w_i的计算公式为，

其中γ为主旁瓣比，它与最大旁瓣级的关系表示为D＝-20logγ，

对其它频率fk，通过设定低于D的旁瓣级，使主波束展宽。

进一步地，所述输入信号的波束为单阵列或者多阵列波束。

进一步地，所述加权FIR滤波器为具有时变脉冲响应的FIR滤波器。

进一步地，所述输入信号为数字音频信号，或者输入信号为模拟信号经过模数转换处理为数字信号。

相较现有技术，本发明具有很好的可变指向性，结果简单，运算量小，波束旁瓣低，主瓣指向准确，易于在通用的DSP平台上实现。

【附图说明】

图1为根据本发明较佳实施例的阵列扬声器的结构图。

图2为直线排布的扬声器阵列的声波波速示意图；

图3为本实施例中进行切比雪夫加权时的波形示意图；

图4为未进行切比雪夫加权时的波形示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

请参阅图1及图2，本发明较佳实施例的阵列扬声器1包括加权FIR(FiniteImpulse Response，FIR)系数存储和分配器10、加权FIR滤波器20，音频功率放大器30及扬声器单元40。在本发明的较佳实施例中，所述加权FIR系数存储和分配器10、加权FIR滤波器20均可采用通用的DSP芯片实现，如德州仪器公司Ti的TMS320VC5503/06/07/09A，和美国模拟器件公司ADI的SHARC 21489等。

所述加权FIR系数存储和分配器10，用于存储不同的波束主瓣指向角和不同的扬声器单元40所对应的加权FIR滤波器20系数，并根据当前期望的波束主瓣指向角选出对应的系数将其分配给与之相连的加权FIR滤波器20。对于某个期望的波束主瓣指向角的计算方式为：对信号的不同子带，可应用切比雪夫加权的窄带信号波束形成的权系数求解算法，例如，可先在计算机上通过C语言或Matlab编程计算获得各扬声器单元40对该频率信号的权值。

对于某一扬声器单元40，其不同子带上的权值可以被组合起来，视为1个滤波器的频率响应，再进行反傅里叶变换，得到该扬声器单元40对应的加权FIR滤波器20系数，并存储在加权FIR系数存储和分配器10中。当收到调整当前波束主瓣的期望指向角的指令时，将其分配给加权FIR滤波器20。

所述加权FIR滤波器20用于完成对多路信号的加权滤波，以得到期望的波束。采用具有时变脉冲响应的FIR滤波器来完成。所述FIR滤波器的系数由加权FIR系数存储和分配器分配。

所述音频功率放大器30用于信号的放大，其输出送至扬声器单元40。

本发明较佳实施例的输入信号为数字音频信号，如果输入信号为模拟信号则可经过模数转换(ADC)处理为数字信号。

请参阅图2，图中的1为直线排布的扬声器阵列。本发明较佳实施例的声波波束在空间中会根据该扬声器阵列的形式而表现为包括声波主瓣2，副瓣3及主瓣的偏转角4及主瓣方向5。M个扬声器单元40为均匀排列在一条直线上，间距为d0。设扬声器主轴方向为0度，则主瓣波束期望指向角度a取值范围为[-90，90]。

首先进行离线的加权FIR滤波器20系数的计算。设信号频率的下限和上限频率分别为F1和Fh，将F1到Fh之间均匀划分为K个子带，第k个子带的中心频率为Fk。

步骤S10，

1)对于最低的子带中心频率F1，设定旁瓣衰减级为D，用切比雪夫方法计算在此条件下均匀线列阵的权值和对应的主波束宽度。其中，第i个扬声器单元40的切比雪夫加权计算公式如下：

Wi＝w_i*exp(j*2*pi*F1*d0*(i-1)*sin(a/180*pi)/c)；

其中，j为虚数单位，d0为扬声器单元间距，pi为圆周率，一般M为偶数，c为声速，w_i的计算公式为，

其中γ为主旁瓣比，它与最大旁瓣级的关系表示为D＝-20logγ。

一般情况下，F1对应的D的取值为30-50之间(在此范围基本认为旁瓣被抑制)，如可取为40，因为相差40dB时足以认为旁瓣的影响可忽略不计。计算机编程语言可采用Matlab或C语言等。

2)对其它频率Fk，通过设定低于D的旁瓣级，使主波束展宽。通过迭代的过程，不断地降低设定的旁瓣级，计算当前的主波束宽度。当求得的波束宽度与步骤S10求得的波束宽度间的误差小于预设，迭代结束。

对于主瓣指向角度a，对应的切比雪夫加权矩阵如表1所示。将第i行的数据取出，组合起来视为1个滤波器的频率响应，再进行反傅里叶变换，得到第i个扬声器单元40对应的加权FIR滤波器20系数，存储在加权FIR系数存储和分配器10中。比如，当a为平均每N度划分且N为180的公约数时，可知存储了(180/N)+1个这样的表单数据，但对a的划分并没有特别规定。

表1

当期望声波波束同时指向不同角度a₁、a₂、...、a_i时(即多波束形成)，将a₁、a₂、...、a_i所对应的切比雪夫加权矩阵表单中的第i行的数据分别取出，并按列对应相加，依然组合起来视为1个滤波器的频率响应，再进行反傅里叶变换，得到第i个扬声器单元40对应的加权FIR滤波器20系数，存储在加权FIR系数存储和分配器10中。

当收到调整当前波束主瓣的期望指向角的指令时，加权FIR系数存储和分配器10将其分配给加权FIR滤波器20，音频信号通过加权FIR滤波器20与之卷积，输出信号经音频功率放大器30放大后，送给对应的扬声器单元40。

本发明的阵列扬声器，指向性可变，且波束旁瓣小，能量更多地集中在主瓣方向，指向准确，还针对可听声的宽带特点，分子带进行切比雪夫加权来降低旁瓣，如针对2000Hz的子带频率，指向角度为20度时，图3为进行了切比雪夫加权时的波束形成图(D取40)，图4则没有进行加权。进一步地，由于本算法中的加权矩阵可以离线在普通计算机上计算，所以在DSP硬件中主要开销只是运算量较小的时域FIR滤波，运算开销小。

进一步地，本发明阵列扬声器不仅适用单阵列波束，还可以适用于多阵列波束，只需要将对应不同指向的FIR滤波器20进行线性叠加再对输入的声音信号进行滤波即可。

尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种音频处理方法，其特征在于，该方法使用了阵列扬声器，该阵列扬声器包括若干扬声器单元、加权FIR系数存储和分配器、加权FIR滤波器，数字功率放大器及扬声器单元，该方法包括以下步骤：

加权FIR滤波器接收输入信号，所述输入信号的声波包括主瓣波束及副瓣波束，所述主瓣波束期望指向角度a，对于某个期望的波束主瓣指向角通过对信号的不同子带，可离线应用切比雪夫加权的窄带信号波束形成的权系数求解算法得出；

所述加权FIR系数存储和分配器存储波束主瓣指向角a和扬声器单元所对应的加权FIR滤波器系数，并根据当前期望的波束主瓣指向角选出对应的系数将其分配给与之相连的加权FIR滤波器，所述加权FIR滤波器用于完成对信号的加权滤波，以得到期望的波束，

所述数字功率放大器放大信号，其输出送至扬声器单元；

所述加权FIR滤波器的系数通过以下步骤得出：

信号频率的下限和上限频率分别为F0和Fh，将F0到Fh之间均匀划分为K个子带，第k个子带的中心频率为Fk，

对于最低的子带中心频率F1，设定旁瓣衰减级为D，用切比雪夫方法计算在此条件下均匀线列阵的权值和对应的主波束宽度:

第i个扬声器单元的切比雪夫加权计算公式如下：

Wi=w_i*exp(j*2*pi*F1*d0*（i-1）*sin(a/180*pi)/c)；

其中c为声速，j为虚数单位，pi为圆周率，M为扬声器单元数量，并取值为偶数，d0为扬声器间距， w_i的计算公式为，

其中，γ为主旁瓣比，它与最大旁瓣级的关系表示为D=-20logγ，

对其它频率Fk，通过设定低于D的旁瓣级，使主波束展宽。

2.如权利要求1所述的音频处理方法，其特征在于，所述输入信号的波束为单阵列或者多阵列波束。

3.如权利要求1所述的音频处理方法，其特征在于：所述加权FIR滤波器为具有时变脉冲响应的FIR滤波器。

4.如权利要求1所述的音频处理方法，其特征在于：所述输入信号为数字音频信号，或者输入信号为模拟信号经过模数转换处理为数字信号。