CN106358129A - 一种全息立体扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息立体扬声器。其中包括：多个扬声器及支撑结构，支撑结构用于支撑多个扬声器，使得多个扬声器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个扬声器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合。本发明的全息立体扬声器，在每个方向上产生的声波强度和相位都不同，具有在单点位置上回放上下左右前后不同方向声源波场的功能，可在一定范围内模拟现场波场的真实方向特征，两套以上全息立体放音系统，可以生成更大范围的物理声场，从而实现立体声效果。全息立体音响技术是物理成像，耳外成像，可以实现不随听音位置、姿态变化的，具有左右、高矮、纵深三维空间表现的立体音响效果。全息立体扬声器是现场物理声场的再现技术，应用于全息立体音响技术的最终环节。

Description

一种全息立体扬声器

技术领域

本发明涉及音响技术领域，尤其涉及一种全息立体扬声器。

背景技术

音响在实现声音的立体成像时，有模拟生物感觉成像和物理波场再现两种思路。

生物感觉成像方法是在人体两耳位置模拟波场的差异，使大脑得出音源位置的感觉。目前技术主要通过左右音量差异来实现，实际上并未真正实现波场的再现。目前有一种头戴式全息音响技术，以模拟人头周围音场的方式，实现前后左右拾音和放音，但听音者必须头戴该耳机才有全息音响(全围绕音响技术)效果，容易影响听音者的现场感和舒适感。

物理波场再现方法是在较大范围的四维空间中再现声波波场，听音者处于该四维空间中，无论姿态如何，自然就有了立体的感觉。

上述两种方法的明显差异主要有以下三点：

1、物理波场再现方法的实施难度较大，关键在于能否保持波场方向性；

2、听音者的位置和姿态的局限，即音像是否随着听音者的走动而飘浮不定；

3、深度和广度的局限，即音像是否只能出现在一个薄片状区域内。

现有音响只具备对声音振动的频率、振幅、相位等信息的捡拾和回放功能，不具备对振动方向及波场形态的检拾和回放功能。简而言之，就是丢失了波动的方向性特征。丢失方向性特征的原因，就在于以振膜直接检测和驱动空气介质的工作方式。这种工作方式不仅丢失方向性，还存在以下缺陷：

1)声电、电声转换效率低

目前的扬声器一般是单振膜结构，振膜直接驱动空气介质，相当于挥拳击打空气却使不上劲，效率当然就低。技术上称其为声阻抗不匹配。目前多以增加机械阻尼的方法来解决这个问题，例如弹波和振膜边设置较强的阻尼等。然而机械阻尼会耗费能量，损失了能量效率就会变低。

2)效率与保真度的矛盾比较严重

图1是根据相关技术的扬声器声音短路与方向性特征示意图，如图1所示，单振膜的正前方波前面为局部球面，球面圆心在振膜稍后位置处，扬声器的振膜直接驱动空气介质振动，振膜前后的声压是完全相反的，这导致空气在振膜周围流动而不振动，稍微远一些，声压就急剧下降，效率很低，技术上称其为“声音短路”。

单振膜电声转换过程中容易出现效率低下和方向性丢失的问题。现有技术是以封闭箱或倒向孔的方法来解决声音短路的问题。图2是根据相关技术的封闭箱技术示意图，如图2所示，以封闭箱填吸音材料的方法可以解决声音短路问题，其频率响应与音箱容积有关，具有非均衡性。同时，振膜背面的能量被完全吸收损失，导致效率较低。图3是根据相关技术的倒相孔技术示意图，如图3所示，以音箱安装倒相孔的方法，可以进一步提高波长为λ的声波的发声效率，该频率就是峰值频率。随着频率的变化，相消相加还会交替出现，导致频响曲线跳跃不平坦，需要利用各种因素配合做平，具有相当大的技术难度。由此可知，封闭箱损失了振膜后的能量，效率较低；倒向箱效率高，但倒向路径的长短具有较强的选频特性，且在频带上重复跳跃，导致频响变差，这就产生了效率与保真度的矛盾。

3)丢失空间方向性，立体定位浅薄漂浮，不准确不真实。

振膜直接驱动或检测空气介质的振动，还存在一个缺陷，就是转换过程丢失了振动的方向性。传统技术中所说的方向性是指向性，一般指的是灵敏度与声波传播方向之间的关系，振动的方向蕴含在振幅里。现有技术中，任何方向形状的来波，回放时都是振膜面垂直振动驱动，如图4所示的现有立体放音技术示意图，图4中包括左放音系统和右放音系统，声波波场中的波传播一段距离，会以振膜中点为圆心散开(如图5中圆弧所示)，无法准确模拟现场声波波场的空间分布形态，理想的放音方向和听音者感觉到的方向出现偏差，这对实现立体声场的回放是非常不利的，会有定位不准确，远近无层次，声像随听音位置和姿态漂浮的缺陷。

针对现有技术中扬声器无法实现全息立体声场回放的问题，目前尚未提出比较有效的解决方案。现有的全息耳机式和影院环绕音棚方法，主要也还是以生物听觉重构为主导思路，不是物理声场的重构。

发明内容

本发明提供了一种全息立体扬声器，以至少解决现有技术中扬声器无法实现全息立体放音的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种全息立体扬声器，其中，包括：多个扬声器(例如扬声器振膜)及支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述多个扬声器，使得所述多个扬声器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个扬声器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合。

优选地，所述扬声器是电容型扬声器、电磁型扬声器、压电型扬声器、静电型扬声器。

优选地，所述多个扬声器的等效工作面的面积相等。

优选地，每个扬声器均设置有电极，每个扬声器上的电极作为信号输入端口。

优选地，所述支撑结构采用防共振材料制作。

优选地，所述支撑结构上设置有信号线孔，所述电极的信号输入线穿过该信号线孔。

优选地，所述支撑结构上设置有两短一长的三叉方向指标，用于指示所述全息立体扬声器的摆放位置。

优选地，相邻两个扬声器所对应的面的交线处于竖直面内。

优选地，所述支撑结构为正多面体支撑结构，所述正多面体支撑结构的每个面为任意曲面或平面。

优选地，所述支撑结构由单个扬声器的自体框架组合而成。

本发明的全息立体扬声器，具有对上下左右前后不同方向的声源的响应，在每个方向上的强度和相位都不同，回放可延续记录现场的真实波场方向，全息立体扬声器可以物理波场局部再现的方式，实现全息立体的音响效果，是全息立体音响技术的最后环节。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是根据相关技术的扬声器声音短路与方向性特征示意图；

图2是根据相关技术的封闭箱技术示意图；

图3是根据相关技术的倒相孔技术示意图；

图4是根据相关技术的现有立体放音技术示意图；

图5是根据本发明实施例的全息立体扬声器的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的全息立体扬声器的优选结构示意图；

图7是根据相关技术的单通道系统实测输出示意图；

图8是根据本发明实施例的全息立体扬声器实测输出示意图；

图9是根据本发明实施例的全息立体扬声器的方向指标示意图；

图10是根据本发明实施例的全向均衡振动放音结构示意图；

图11是根据本发明实施例的全息立体扬声器和球面波第一示意图；

图12是根据本发明实施例的全息立体扬声器和球面波第二示意图；

图13是根据本发明实施例的全息立体扬声器和球面波第三示意图；

图14是根据本发明实施例的双路全息立体扬声器的工作原理示意图；

图15是根据本发明实施例的全息立体动圈式扬声器第一结构示意图；

图16是根据本发明实施例的全息立体动圈式扬声器第二结构示意图；

图17是根据本发明实施例的双路全息立体扬声器的剧场效果示意图；

图18是根据本发明实施例的双路全息立体扬声器的后环绕影院效果示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

基于此，为了实现扬声器的全息立体放音效果，本发明提供了一种全息立体扬声器，其在空间结构上是各向均等平衡的，这是现有技术中扬声器都不具备的结构优势，利用这个结构优势可实现全息立体放音。下面对全息立体扬声器的具体结构进行介绍。

图5是根据本发明实施例的全息立体扬声器的结构示意图，如图5所示，该全息立体扬声器包括：多个扬声器及支撑结构，该支撑结构用于支撑多个扬声器，使得多个扬声器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个扬声器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合。多个扬声器的等效工作面的面积相等。

需要说明的是，上述正多面体并非为实体结构，而是虚拟的空间结构，旨在描述多个扬声器之间的位置关系。

本发明根据声波以空气介质的弹性胀缩传播的特点，以高斯散度公式为依据，设计了一种以空间全向分方向驱动流体介质振动的结构，该结构是各向均等平衡空间结构，对波动的力传递和方向性两个方面进行了改进，以达到声波波场的全息再现的目的。

全息立体扬声器的支撑结构可以基于需求设计成任意形状，本发明对此不做限定，只要能保证各向均等平衡即可。优选地，可以设计为正多面体形状，例如：正四面体形状、正六面体形状、正八面体形状等，图5以正四面体形状为例进行示意说明。正多面体支撑结构的尺寸一般大于上述虚拟的正多面体。优选地，正多面体支撑结构的每个面可以改变为任意曲面，从而满足不同需求。支撑结构的刚度与放音效果相关，因此支撑结构可基于需求选择不同材料。

本实施例中的扬声器可以是电容型扬声器、电磁型扬声器、压电型扬声器或者静电型扬声器。当然，也可以是其他类型的扬声器，只要能够在全息立体扬声器中正常工作即可，本发明对此不做限制。本实施例中图5所示的是电磁型扬声器。

为了保证全息立体扬声器的结构较为牢固，可以设计多个扬声器中相邻的扬声器均互相接触，实现紧固连接以起到互相支撑的作用。图5中，由于正四面体结构的限定，任意两个扬声器之间都相互接触。优选地，可以将多个扬声器的空缺部分封闭，以提高全息立体扬声器的灵敏度。在多个扬声器连接紧固的前提下，全息立体扬声器的支撑结构可设计为多个扬声器所围成结构的内切圆球，如图6所示的全息立体扬声器的优选结构示意图，从而在保证全息立体扬声器结构紧固的基础上，缩小了全息立体扬声器的尺寸，减小占用空间。另外，本实施例中的支撑结构可以由单个扬声器的自体框架组合而成，其材料一般采用防共振材料制作，从而有效保障全息立体扬声器的结构紧固。

需要说明的是，本发明提供的全息立体扬声器是基于虚拟正多面体的多根轴(即正多面体的体中心与每个面的中心连线构成的立体星型轴)形成的均分立体空间平衡结构。虚拟正多面体的体中心与每个面的中心分别连接，形成每个面上的轴，在每个轴的同轴处安装一个扬声器，其振幅响应与自身轴线和声波振动方向间夹角θ的关系为out(t)＝A(t)cosθ，其中，上述轴线是虚拟线，用以说明位置关系。A(t)为扬声器在θ＝0时对声波的响应。只要是具备上述cosθ关系的扬声器，都能制作具有本发明方向特性的全息立体扬声器，本发明在此不做一一详述。

全息立体扬声器中包括多个扬声器，每个扬声器均设置有电极，每个扬声器上的电极作为信号输入端口。支撑结构上设置有信号线孔，电极的信号输入线穿过该信号线孔，从而便于有效传输信号。下面以全息立体扬声器中包括四个扬声器为例进行说明。图7是根据相关技术的单通道系统实测输出示意图，如图7所示，单声道系统只有一路单道功率信号输出。图8是根据本发明实施例的全息立体扬声器实测输出示意图，如图8所示，全息立体扬声器共有四道全息立体功率信号输出。四道全息立体功率信号的全积分就是对声波波场的响应，从而实现全息立体放音效果。

在实际操作过程中，由于全息立体扬声器需要配合全息立体拾音器一起使用，为了保证二者相配合达到最佳立体音响效果，可在支撑结构上设置两短一长的三叉方向指标，用于指示全息立体扬声器的摆放位置。

一般地，对于具备四个扬声器(构成正四面体结构)的全息立体扬声器，会将正四面体结构的一个顶角竖直朝下，以保证四个扬声器中其中一个扬声器水平放置，该扬声器所对应的正四面体结构的正三角形面上一个角的角平分线的反方向，即可设置为上述方向指标的方向。当然，也可以设置其他的方向，本发明对此不作限制，只要全息立体扬声器与全息立体放音器的方向指标的设置规则相同即可。图9是根据本发明实施例的全息立体扬声器的方向指标示意图，如图9所示，水平放置的扬声器所在的平面设置了一个两短一长的三叉方向指标，使得全息立体扬声器与全息立体放音器朝向同一个方位摆放，实现最佳立体音响效果。

从以上的描述中可知，本发明构建了一个三维空间多面全向均衡振动放音结构，实现声波全信息回放技术。本发明的全息立体扬声器是一个根据高斯散度定理设计的立体空间封闭多面结构。由于最简单均衡的空间立体结构是正四面体，一般以其为优选空间框架，物理实现最为容易。以正四面体的四个面为参考的位置，分别安置声电转换器件(即扬声器)。

图10是根据本发明实施例的全向均衡振动回放结构示意图，如图10所示，将正四面体其中一面水平朝上为第一面1，其余几个正三角形面分别设置为第二面2、第三面3和第四面4。这四个面的法线，就构成了三维空间均分的矢量及矢量方向。全向均衡振动捡拾结构捡拾到三个矢量，可以确定唯一的矢量，只要各分量等比回放，振动矢量自然合成，这就实现了方向性。加上另外一个矢量，不仅加强了方向性，还能体现声波的胀缩标量，得到更完全的波场信息。各矢量的全积分，是个标量，相当于直接利用空气的胀缩弹性做负载，可提高效率与保真度；各向矢量的和矢量，具有波场方向特性，具有波场物理成像功能。较之传统技术，本发明具有更完全更丰富的声波信息，是一种由三维点思维发展为三维体思维的音响技术。

图11是根据本发明实施例的全息立体扬声器和球面波第一示意图，图12是根据本发明实施例的全息立体扬声器和球面波第二示意图，图13是根据本发明实施例的全息立体扬声器和球面波第三示意图，如图11所示，如果全息立体扬声器的各矢量振幅相同，则球面波为正圆形球面波；如图12所示，如果全息立体扬声器的各矢量振幅不同，会有波前面的形态变化，也即具备了三维空间方向性，则波前面为类似椭圆形球面波；如图13所示，是现场采集的波场产生的球面波，遵循介质内力的平衡关系，近似于将球面扩大并将球心向波动传来的方向推移。

图14是根据本发明实施例的双路全息立体扬声器的工作原理示意图，如图14所示，左全息立体扬声器和右全息立体扬声器均可实现小区域内真正的立体放音。本发明实现了包括波振动方向在内的声音波场的全息检测，为全息立体音响技术奠定了基础。全息立体音响技术的单路结构就具有对上下左右前后不同方向的声源的响应，在每个面上的强度和相位都不同，回放就可延续记录现场的真实波场方向，与现有技术中在人脑内才能形成声像的立体声系统在原理上是完全不同的。是现场声场的局部再现。如果全息立体音响技术使用双路以上系统，就可进一步实现音像的横向展宽和纵深的定位，比起传统的平面内左右立体声系统，具有更真实的三维立体音响效果。

本发明将具有方向特性的两套以上的多组扬声器件，以逼近模拟现场波前面的特征为原则做空间组合，进行物理声场回放，将得到比现有技术更立体的物理音源成像，从而形成全新的全息波场再现音响技术。对于全息立体扬声器中的多个扬声器，可进行简单的结构改进，下面通过优选实施例介绍全息立体动圈式扬声器。

实施例一

本实施例利用成品组装全息立体动圈式扬声器，将一个用音箱材料制作的空心球箱体，在空间均衡四矢量位置上开圆孔，将四个传统全频带高顺性扬声器安装于圆孔上，形成封闭空间。方向性定义与上例同。本实施例可用现有成品扬声器组装实现，容易制作。由于内空间封闭对振动有较强的弹性“阻尼”(其实就是声功率的转换)，制作时要考虑箱体容积与频率的关系，较大的容积有较低的谐振频率，如果减小原扬声器的音圈支架(弹波)和纸盆边结构的阻尼(也即增加顺性)，可进一步改进效果。

实施例二

图15是根据本发明实施例的全息立体动圈式扬声器第一结构示意图，图16是根据本发明实施例的全息立体动圈式扬声器第二结构示意图，如图15和图17所示，将传统扬声器盆架由圆锥形改为浅盆正三角形，四个扬声器盆架组装可得正四面体结构。盆架结合处不留透气缝隙。磁路结构可内装也可外装。音盆设计也由圆锥变为三棱正三角形浅锥。音圈支架和音盆边采用高顺性结构。全息立体动圈式扬声器上预留合适的引线支架，组装后在一角安置与正对着的正三角面所垂直的稳定固定支架(图15中以四个扬声器之间的直线示意说明)，全息立体动圈式扬声器外置一金属网圆球保护，即可制成一个全息立体动圈式扬声器。图15所示是四个扬声器音头外置的结构，图16所示是四个扬声器音头内置的结构，由于是音头内置设置，因此图16中未画出顶部的一个扬声器，只示意出其他三个扬声器。

本发明根据弹性波动理论和场论的散度公式，设计特定的空间多面全向振动结构的扬声器，以实现对声波波场的频率、振幅、相位、尤其是波动力场的振动方向，以及波场空间分布特征的回放。不仅增加了声波的方向信息，还会得到一定的效率和保真度的收益。

本发明将包括振动方向属性的空气介质声场信息转变为全息电信号，又把放大的全息电信号，以胀缩的方式驱动空气介质，就不存在声音短路问题，减少了影响因素，音质与效率的矛盾就会有相应的缓解；以模拟现场波振动方向的放音系统，再现物理波场的方式实现立体声场的营造。因此，全息立体扬声器的效率、频响特性、波场再现的各种属性，都将会有相应程度的提高或扩展。

本发明的全息立体扬声器，能够根据不同的听音需求，将多组全息立体扬声器按声传播规律在空间摆放，可以得到比传统技术更真实、稳定、深邃的声场回放效果，称为全息立体放音技术，例如可以实现类似传统立体声的双路剧场基本型、前多路音乐厅型、前多后多的影院环绕型等多种形式的立体放音效果。

图17是根据本发明实施例的双路全息立体扬声器的剧场效果示意图，如图17所示，图中小鸟形状的图形表示剧场观众，左全息立体扬声器和右全息立体扬声器配合构成剧场立体效果。

图18是根据本发明实施例的多路全息立体扬声器的后环绕影院效果示意图，如图18所示，图中小鸟形状的图形表示影院观众，左前后全息立体扬声器和右前后全息立体扬声器配合构成影院立体环绕效果。

全息立体放音技术是一种以三维空间多面全向振动结构，模仿空气振动的力学模式，实现以空气弹性介质体胀缩方式进行声波全信息回放的技术。声波的全信息，或称声波全息立体信号，包括：振幅、频率、相位、散度、波振动方向。其中的散度，也就是空气的胀缩。数学中称胀缩为散度，也即是纵波的驱动机理，可以由散度高斯定理给出。胀缩是空间各方向运动的封闭积分效应。以封闭空间全向驱动或是检测，就可以实现散度操作。这就是全息立体音响技术发明的理论依据。

本发明在结构上具有如下两大特点：1、空间封闭驱动；2、空间全向驱动。因此，效果上就具有以下两大特点：1、可提高能量转换和传递的效率；2、可回放波场的方向性信息。

综上，本发明实现以下技术效果：

1)全向的气动接触，可减小阻尼损耗，声音的回放效率有所提高；

2)不需要封闭或半封闭空间倒相音箱技术来提高效率，影响因素变少，频响特性就比较平坦；

3)设计结构兼顾了波场在上下左右前后三维立体空间的方向性,可营造更为宽广深邃的立体声场；

4)物理声场立体成像，与听音者的位置和姿态基本无关，不受听音者的位置和姿态所影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全息立体扬声器，其特征在于，包括：多个扬声器及支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述多个扬声器，使得所述多个扬声器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个扬声器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合。

2.根据权利要求1所述的全息立体扬声器，其特征在于，所述扬声器是电容型扬声器、电磁型扬声器、压电型扬声器、静电型扬声器。

3.根据权利要求1所述的全息立体扬声器，其特征在于，所述多个扬声器的等效工作面的面积相等。

4.根据权利要求1所述的全息立体扬声器，其特征在于，每个扬声器均设置有电极，每个扬声器上的电极作为信号输入端口。

5.根据权利要求4所述的全息立体扬声器，其特征在于，所述支撑结构采用防共振材料制作。

6.根据权利要求5所述的全息立体扬声器，其特征在于，所述支撑结构上设置有信号线孔，所述电极的信号输入线穿过该信号线孔。

7.根据权利要求5所述的全息立体扬声器，其特征在于，

所述支撑结构上设置有两短一长的三叉方向指标，用于指示所述全息立体扬声器的摆放位置。

8.根据权利要求1所述的全息立体扬声器，其特征在于，

相邻两个扬声器所对应的面的交线处于竖直面内。

9.根据权利要求1所述的全息立体扬声器，其特征在于，所述支撑结构为正多面体支撑结构，所述正多面体支撑结构的每个面为任意曲面或平面。

10.根据权利要求1所述的全息立体扬声器，其特征在于，所述支撑结构由单个扬声器的自体框架组合而成。