CN109040908A - 一种具有指向性的环屏扬声器阵列及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有指向性的环屏扬声器阵列及其控制方法，包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周；本发明中使用非透声材料屏幕的分布多个扬声器子阵列的方案，解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题，使得非透声材料屏幕成为电影屏幕变得可行，并使扬声器阵列实现可调指向性，使不同频段形成不同的指向性。

Description

一种具有指向性的环屏扬声器阵列及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种环屏扬声器阵列，尤其是涉及一种适用于国内LED大屏幕的环屏扬声器阵列及其控制方法。
背景技术
近年来，随着国内LED大屏幕显示技术的不断提高，分辨率已完全可以达到专业数字高分辨率投影机的水平，同时屏幕的尺寸也可以不再受限制。市场急迫需要一款能配合LED大屏幕显示视频放映系统的数字影院还音系统。
传统电影院内的幕布屏幕所采用的材料是透声材料，号角式主扩声扬声器系统和超低频音箱一般是放在透声幕布后面工作。但是当电影屏幕为LED屏幕等非透声材料时，传统的主声道的扩声系统就无法使用。采用扬声器阵列可以解决主声道的扩声问题，同时也拥有传统的主声道扩声系统难以实现的很多特点。传统的扩声系统，安装放置完成后，很难改变其指向性。
发明内容
本发明设计了一种环屏扬声器阵列及其控制方法，其解决了以下技术问题：(1)解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题。(2)传统的扬声器系统一旦安装完成后，声场的分布无法改变，并且观众区域声场分布不均匀，部分观众区域听感较差。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种具有指向性的环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周；每个扬声器子阵列(2)由单层换能器组成时,采用全频的声音信号处理方式，扬声器子阵列(2)的第一换能器组(21)负责声音信号的全频段；屏幕上侧和下侧扬声器子阵列的指向性可以在水平方向实现可调，屏幕左侧和右侧扬声器子阵列的指向性可以在垂直方向实现可调。
一种具有指向性的环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周；每个扬声器子阵列(2)由两层换能器组成时，采用两分频的声音信号处理方式，下层的第一换能器组(21)负责声音信号的低频段，上层的第二换能器组(23)负责声音信号的高频段，低频段与高频段的分频点f1宜满足以下条件：
其中v为声速，第一换能器组(21)采用1个的换能器直径为d，第二换能器组(22)中的换能器直径为d/2；
此时，上层的第二换能器组为方形组合，当组合成阵列时上侧扬声器阵列为两行线阵列；在高频段可以在水平方向和垂直方向均实现可调性，但垂直方向会产生旁瓣；左侧和右侧扬声器阵列水平方向和垂直方向均实现可调性，但水平方向会产生旁瓣；采用此方案当频率大于v/d时，声场会产生混叠。
一种具有指向性的环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周；每个扬声器子阵列(2)由三层换能器组成时，采用三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组(21)，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组(22)，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组(23)，其负责处理声音信号的高频段；
低频段与中频段的分频点f2宜满足以下条件：
中频段与高频段的分频点f3宜满足以下条件：
其中v为声速，第一换能器组(21)采用1个的换能器直径为d，第二换能器组(22)中的换能器直径为d/2,第三换能器组(23)中换能器的直径为d/5；
此时，上层扬声器阵列的指向性可以在水平方向和垂直方向均实现可调，并且指向性中旁瓣较小，声能量较为集中；如果上层换能器的尺寸d/5足够小，在人耳的可听频率内不会产生声场混叠。
一种具有指向性的环屏扬声器阵列的控制方法，包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周，包括以下步骤：
基于DSP处理技术，使所述环屏扬声器阵列的声信号通过加权、延迟或滤波算法后，利用声波叠加原理，多个扬声器子阵列(2)发出的声波叠加后，使不同频段或不同信号形成不同的指向性，或也可以使扬声器阵列的覆盖角度增加，观众区域内声场分布均匀，适应不同的电影放映环境。
进一步，使不同频段形成不同的指向性如下：通过控制高频单元可以使扬声器阵列在高频段形成特定的指向性，这时阵列可以在屏幕的上下左右四个方向上均实现分频段指向性；低频段指向性的调整角度为θ1，中频段指向性的调整角度为θ2，高频段指向性的调整角度为θ3,负责低频段第一换能器组(21)中各换能器的延时单元为t1，负责中频段的第二换能器组(22)中换能器的延时单元为t2，负责高频段的第三换能器组(22)中换能器的延时单元为t3，v为声速则：
进一步，使不同信号形成不同的指向性如下：
因为扬声器阵列为三分频信号处理，不同的信号首先通过滤波分为低频信号，中频信号，高频信号。对不同信号的不同频段进行上述时延算法处理后，在同一频段上对不同信号进行叠加，然后馈入扬声器阵列中各换能器单元。
进一步，利用上侧扬声器阵列与下侧扬声器阵列的声能比和阵列的指向性改变中置声道的声像位置，通过调节声能比和指向性可以使声像位置移动到理想位置。
该环屏扬声器阵列及其控制方法具有以下有益效果：
(1)本发明中使用非透声材料屏幕的四周紧密均匀分布多个扬声器子阵列的方案，解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题，并使扬声器阵列实现可调指向性。。
(2)本发明环屏扬声器阵列容易与LED屏幕进行更好的适配，利于设备的安装，并且可以放置在户外，不受场地的限制。
(3)本发明扬声器阵列可以形成可调指向性，使声场的覆盖角度增加，在不改变设备位置的情况下，仅通过软件调节，使不同频段或不同信号形成不同的指向性，或也可以使扬声器阵列的覆盖角度增加，观众区域内声场分布均匀，适应不同的电影放映环境。
(4)上层扬声器阵列的指向性可以在水平方向和垂直方向均实现可调，并且指向性中的旁瓣较小，声能量较为集中；如果上层换能器的尺寸d/5足够小，在人耳的可听频率内不会产生声场混叠。
(5)利用上侧扬声器阵列与下侧扬声器阵列的声能比和阵列的指向性改变中置声道的声像位置，通过调节声能比和指向性可以使声像位置移动到理想位置。
附图说明
图1：本发明环屏扬声器阵列的安装示意图；
图2：本发明扬声器子阵列的组合示意图；
图3：本发明扬声器子阵列的第一层换能器组示意图；
图4：本发明扬声器子阵列的第二层换能器组分布示意图；
图5：本发明扬声器子阵列的第三层换能器组分布示意图；
图6：本发明扬声器子阵列的多层换能器组组合的侧面示意图。
图7：本发明扬声器阵列的第一层示意图；
图8：本发明扬声器阵列的第二层示意图；
图9：本发明扬声器阵列的第三层示意图；
图10：本发明中环屏扬声器阵列不同频段指向性示意图。
图11：本发明中环屏扬声器阵列不同信号指向性示意图。
图12：本发明中环屏扬声器阵列信号处理流程示意图。
图13：本发明中扬声器子阵列的组合示意图；
附图标记说明：
1—LED屏幕；2—扬声器子阵列；21—第一换能器组；22—第二换能器组；23—第三换能器组。
具体实施方式
下面结合图1至图13，对本发明做进一步说明：
一种环屏扬声器阵列，包括多个扬声器子阵列2，多个扬声器子阵列2分布在非透声材料屏幕的四周。非透声材料屏幕为LED屏幕1或OLED屏幕或其他有显示功能的非透声材料屏幕。
每个扬声器子阵列2由多层不同排列形状的换能器组成。每个扬声器子阵列2由三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组21，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组22，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组23，其负责处理声音信号的高频段。第一换能器组21采用1个的换能器，第二换能器组22采用4个的换能器，排列成方形。第三换能器组23采用9个换能器并排列成十字形。
如图7-图9所示：当换能器2排列成阵列时下层换能器可以看成是一行线阵列，中间层换能器为两行线阵列，上层换能器组为多个十字阵组成的特殊阵型。
本发明环屏扬声器阵列的控制方法，工作原理如下：
所述扬声器子阵列2中，第一换能器组21采用1个的换能器直径为d，第二换能器组22中的换能器直径为d/2,第三换能器组23中换能器的直径为d/5；
每个扬声器子阵列2由单层换能器组成时,采用全频的声音信号处理方式，第一换能器组21负责声音信号的全频段；上侧和下侧扬声器阵列的指向性可以在水平方向实现可调，左侧和右侧扬声器阵列的指向性可以在垂直方向实现可调。采用此方案当频率大于v/2d时，声场会产生混叠。
每个扬声器子阵列2由两层换能器组成时，采用两分频的声音信号处理方式，下层的第一换能器组21负责声音信号的低频段，上层的第二换能器组23负责声音信号的高频段，低频段与高频段的分频点f1宜满足以下条件：
其中v为声速；
此时，上层的第二换能器组为方形组合，当组合成阵列时上侧扬声器阵列为两行线阵列。在高频段可以在水平方向和垂直方向均实现可调性，但垂直方向会产生旁瓣。左侧和右侧扬声器阵列水平方向和垂直方向均实现可调性，但水平方向会产生旁瓣。采用此方案当频率大于v/d时，声场会产生混叠。
每个扬声器子阵列2由三层换能器组成时，采用三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组21，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组22，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组23，其负责处理声音信号的高频段。
低频段与中频段的分频点f2宜满足以下条件：
中频段与高频段的分频点f3宜满足以下条件：
此时，上层扬声器阵列的指向性可以在水平方向和垂直方向均实现可调，并且指向性中旁瓣较小，声能量较为集中。如果上层换能器的尺寸d/5足够小，在人耳的可听频率内不会产生声场混叠。
同一组换能器组中的换能器的相位一致，灵敏度、尺寸、额定功率相同。
基于DSP处理技术，使所述环屏扬声器阵列的声信号通过加权、延迟或滤波算法后，利用声波叠加原理，多个扬声器子阵列2发出的声波叠加后，使不同频段或不同信号形成不同的指向性，也可以使扬声器阵列的覆盖角度增加，观众区域内声场分布均匀，适应不同的电影放映环境。通过所述算法的调整，调整多个扬声器子阵列2的指向性和声场分布。
扬声器阵列可以在不同的频段形成不同的指向性，如图10所示，通过控制高频单元可以使扬声器阵列在高频段形成特定的指向性，这时阵列可以在屏幕的上下左右四个方向上均实现分频段指向性。低频段指向性的调整角度为θ1，中频段指向性的调整角度为θ2，高频段指向性的调整角度为θ3,负责低频段第一换能器组21中各换能器的延时单元为t1，负责中频段的第二换能器组22中换能器的延时单元为t2，负责高频段的第三换能器组22中换能器的延时单元为t3，v为声速则：
例如：屏幕上侧扬声器阵列低频段需要向下调整角度为θ1，则自下而上，第一个单元的延时为0，第二个单元的延时t3,第三个单元的延时位2t1，第N个单元的延时为N-1t1。
屏幕上侧扬声器阵列中频段需要向左调整角度θ2，同时向下调整角度为θ2，中频段扬声器阵列为两行线阵列，则自左向右，第一行第一个单元的延时为0，第二个单元的延时t2,第三个单元的延时位2t2，第N个单元的延时为N-1t3，第二行的第一个单元的延时为t2，第二个单元的延时2t2,第三个单元的延时位3t2，第N个单元的延时为Nt2。
扬声器阵列可以使不同信号形成不同的指向性，如图11所示，因为扬声器阵列为三分频信号处理，不同的信号首先通过滤波分为低频信号，中频信号，高频信号。对不同信号的不同频段进行上述时延算法处理后，在同一频段上对不同信号进行叠加，然后馈入扬声器阵列中各换能器单元。
具体实施步骤如图12所示：两个信号分别为信号1，信号2，首先分别对信号1和信号2做滤波处理后信号分为信号1低频段，信号1中频段，信号1高频段，信号2低频段，信号2中频段，信号2高频段，然后对这六组信号按照上述指向性调整算法做延时处理，其中信号1的各频段的延时量按照角度α1确定，其中信号1的各频段的延时量按照角度α2确定。每个信号形成与换能器总数一样多的声道，共形成换能器总数两倍的声道数，每两个声道对应同一换能器，最后同一换能器所对应的两个声道做叠加处理并馈给该换能器。
传统的电影院还音系统中主声道中的中置声道的声像无法改变，在本发明中可以利用上侧扬声器阵列与下侧扬声器阵列的声能比和阵列的指向性改变中置声道的声像位置。例如：电影院内部声学环境为理想的情况下，当上侧扬声器阵列与下侧扬声器阵列的指向性为同一区域时，声能比为1：1时，声像位置在中间区域，增加上侧扬声器阵列，声像位置可以向上移动。因此可以通过调节声能比和指向性可以使声像位置移动到理想位置。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有指向性的环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周；每个扬声器子阵列(2)由单层换能器组成时,采用全频的声音信号处理方式，扬声器子阵列(2)的第一换能器组(21)负责声音信号的全频段；屏幕上侧和下侧扬声器子阵列的指向性可以在水平方向实现可调，屏幕左侧和右侧扬声器子阵列的指向性可以在垂直方向实现可调。
2.一种具有指向性的环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周；每个扬声器子阵列(2)由两层换能器组成时，采用两分频的声音信号处理方式，下层的第一换能器组(21)负责声音信号的低频段，上层的第二换能器组(23)负责声音信号的高频段，低频段与高频段的分频点f1宜满足以下条件：
其中v为声速，第一换能器组(21)采用1个的换能器直径为d，第二换能器组(22)中的换能器直径为d/2；
此时，上层的第二换能器组为方形组合，当组合成阵列时上侧扬声器阵列为两行线阵列；在高频段可以在水平方向和垂直方向均实现可调性；左侧和右侧扬声器阵列水平方向和垂直方向均实现可调性。
3.一种具有指向性的环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周；每个扬声器子阵列(2)由三层换能器组成时，采用三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组(21)，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组(22)，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组(23)，其负责处理声音信号的高频段；
低频段与中频段的分频点f2宜满足以下条件：
中频段与高频段的分频点f3宜满足以下条件：
其中v为声速，第一换能器组(21)采用1个的换能器直径为d，第二换能器组(22)中的换能器直径为d/2,第三换能器组(23)中换能器的直径为d/5。
4.一种具有指向性的环屏扬声器阵列的控制方法，包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周，包括以下步骤：
基于DSP处理技术，使所述环屏扬声器阵列的声信号通过加权、延迟或滤波算法后，利用声波叠加原理，多个扬声器子阵列(2)发出的声波叠加后，使不同频段或不同信号形成不同的指向性，或也可以使扬声器阵列的覆盖角度增加，观众区域内声场分布均匀，适应不同的电影放映环境。
5.根据权利要求4所述具有指向性的环屏扬声器阵列的控制方法，其特征在于：使不同频段形成不同的指向性如下：
通过控制高频单元可以使扬声器阵列在高频段形成特定的指向性，这时阵列可以在屏幕的上下左右四个方向上均实现分频段指向性；低频段指向性的调整角度为θ1，中频段指向性的调整角度为θ2，高频段指向性的调整角度为θ3,负责低频段第一换能器组(21)中各换能器的延时单元为t1，负责中频段的第二换能器组(22)中换能器的延时单元为t2，负责高频段的第三换能器组(22)中换能器的延时单元为t3，v为声速则：
6.根据权利要求4所述具有指向性的环屏扬声器阵列的控制方法，其特征在于：使不同信号形成不同的指向性如下：
因为扬声器阵列为三分频信号处理，不同的信号首先通过滤波分为低频信号，中频信号，高频信号。对不同信号的不同频段进行上述时延算法处理后，在同一频段上对不同信号进行叠加，然后馈入扬声器阵列中各换能器单元。
7.根据权利要求1-4所述具有指向性的环屏扬声器阵列的控制方法，其特征在于：利用上侧扬声器阵列与下侧扬声器阵列的声能比和阵列的指向性改变中置声道的声像位置，通过调节声能比和指向性可以使声像位置移动到理想位置。
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