CN110769337B - 一种有源阵列音柱及音响设备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源阵列音柱及音响设备系统，其中有源阵列音柱包括箱体、若干扬声器单元、倒相管、交流电源输入、信号输入、电源开关、内置信号处理电路及功率放大器，扬声器单元的排列方式为线性排列，扬声器单元按照扬声器单元中轴线为参照，分布在同一个平面内，系统的输入信号为模拟音频电信号，通过单端接口(RCA)或平衡接口(XLR)输入有源线阵列音柱后被分成若干路，这若干路信号同若干路独立工作的信号处理电路相连，对信号进行相应的处理，经过处理后的音频电信号，经过各组功率放大器，进行电压放大和阻抗变换，最终变成一个高电压、低内阻的音频信号，用于驱动各组扬声器单元，由各组扬声器单元发出声音。

Description

一种有源阵列音柱及音响设备系统

技术领域

本发明属于电声技术领域，具体涉及一种有源阵列音柱及音响设备系统。

背景技术

线阵列扬声器具有垂直指向性强、覆盖范围广等优点。且随传输距离变化引发的声压波动要小于传统扬声器。在需要避免驻波干扰、需要较远传输距离和声学环境复杂的情况下，均可以使用。典型的使用场景如：低声压应用、视频监听、专卖店、客运中心、补声应用、会议室、教室、风格建筑等。现有的线阵列扬声器的系统架构，将信号处理、功率放大器和线阵列音箱独立设置再进行组合，系统成本高，对音效设置的技术要求高。

发明内容

鉴于以上存在的技术问题，本发明用于提供一种有源阵列音柱及音响设备系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

本发明的提供了一种有源线阵列音柱，包括箱体、若干扬声器单元、倒相管、交流电源输入、信号输入(XLR输入或RCA输入)、电源开关、内置信号处理电路及多路功率放大器，扬声器单元的排列方式为线性排列，扬声器单元的总数量≥3只，扬声器单元按照扬声器单元中轴线为参照，分布在同一个平面内，且各扬声器单元中轴线之间形成的夹角的最大值在-35°～+35°之间，系统的输入信号是用于播放的模拟音频电信号，该模拟音频电信号通过单端接口(RCA)或平衡接口(XLR)输入有源线阵列音柱，输入电路对该音频信号进行预处理后，该音频信号被分成若干路，输入到若干路独立工作的信号处理电路，对信号进行相应的处理，经过处理后的音频电信号，经过各组功率放大器，进行电压放大和阻抗变换，最终变成一个高电压、低内阻的音频信号，用于驱动各组扬声器单元，由各组扬声器单元发出声音。

优选地，扬声器单元之间采用独立方式工作，也可以采用串联或并联方式工作。

优选地，扬声器单元包括一个物理上的扬声器单体，也可以是2个或2个以上的扬声器单体的组合。

优选地，信号处理电路包括多组模拟的有源或无源的，且包含均衡功能、滤波功能、延时功能、增益调节功能的一种或多种的信号处理通道，其中均衡功能用于局部抬升或降低整个通频带中的某些频带的增益；滤波功能用于对整个通频带的信号进行低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波或全通滤波中至少一种的处理，使得通频带的信号的幅值和相位、时延按照上述滤波的规律进行变化；延时功能用于对整个通频带的信号中的某段或者全部进行延时；增益调节功能用于对整个通频带的信号的幅值进行按比例的提升或降低。

优选地，总的通道数n≥3。

优选地，所述均衡功能的均衡点中心频率为20-20KHz之间任意频率，均衡模块可调节频段数量为0～10，均衡模块品质因数(Q值)为0.1～20之间任意值，均衡模块中心频率电压增益为-20～+20dB之间任意值。

优选地，所述滤波功能的滤波器种类包括高通、低通、带通、带阻、全通、延时中的任意一种，滤波器工作频段范围为20～20KHz之间任意频段，滤波器通带增益为-40～+40dB之间任意值，滤波器带外衰减为+20～-120dB/dec之间任意值，其中正号表示增益提升，负号表示增益衰减。

优选地，所述延时功能的工作频段范围为20～20KHz之间任意频段，延时值为0～200mS之间任意值。

优选地，增益调节模块的增益为-120～+120dB之间任意值，负号代表输入输出反相，正号代表输入输出同相。

本发明另一方面提供了一种音响设备系统，包括上述有源线阵列音柱。

附图说明

图1为本发明实施例的有源线阵列音柱的结构示意图；

图2为本发明实施例的有源线阵列音柱中扬声器单元中轴线夹角示意图；

图3为本发明实施例的有源线阵列音柱中扬声器单元联接示意；

图4为本发明实施例的有源线阵列音柱中由扬声器单体组合成扬声器单元的情况示意；

图5为本发明实施例的有源线阵列音柱中信号处理电路的结构原理图；

图6为本发明实施例的有源线阵列音柱的工作原理框图；

图7为本发明实施例的有源线阵列音柱的信号处理电路中模拟单元结构示意图；

图8为本发明实施例的线阵列扬声器系统的指向偏转示意图。

具体实施方式

下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供了一种有源线阵列音柱，包括箱体1、扬声器单元2、倒相管3、交流电源输入4、电源开关6、信号输入(XLR输入5或RCA输入7)、音量控制8、悬挂点9、内置信号处理电路及功率放大器10等，箱体1、扬声器单元2(以数量8只为例)；倒相管3(以数量2只为例)共同构成结构和声学部分。扬声器单元的排列方式为线性排列，扬声器单元的总数量≥3只，参见图2，扬声器单元按照扬声器单元中轴线为参照，分布在同一个平面内，且各扬声器单元中轴线之间形成的夹角的最大值在-35°～+35°之间，系统的输入信号是用于播放的模拟音频电信号，该模拟音频电信号通过单端接口(RCA)或平衡接口(XLR)输入有源线阵列音柱，输入电路对该音频信号进行预处理后，该音频信号被分成若干路，输入到若干路独立工作的信号处理电路，对信号进行相应的处理，经过处理后的音频电信号，经过各组功率放大器，进行电压放大和阻抗变换，最终变成一个高电压、低内阻的音频信号，用于驱动各组扬声器单元，由各组扬声器单元发出声音。本实施例中，内置4组信号处理电路和4组功率放大电路。8只扬声器单元之间采用图3中的并联接法(n为偶数的情况)联接成4路，和功率放大器的输出一一对应相连接。信号处理部分以图2中示意的信号处理单元为基础组合而成，各个扬声器单元之间的夹角为0°。输入信号经过4组信号处理电路单独处理后，产生4组具有不同相位特性、群延时特性和频响特性的音频信号。这四组特性不同且各自独立的音频信号分别经过功率放大器放大后，分别驱动4路扬声器负载。由于扬声器空间摆放的关系，加上驱动信号的相位、群延时、频响等特性各有不同，它们之间相互作用，就形成了线阵列扬声器系统所独有的声学特性。

扬声器单元可以独立工作，也可以以串联或并联方式工作。在串联或并联工作的方式下的扬声器单元中，相距最远的两只扬声器单元、和相距最远的两只扬声器单元紧邻的两只扬声器单元(称为相距次远的两只扬声器单元)、和相距次远的两只扬声器单元紧邻的两只扬声器单元(称为相距次次远的两只扬声器单元)、和相距次次远的两只扬声器单元紧邻的两只扬声器单元(称为相距次次次远的两只扬声器单元)…直到音柱中部的一只扬声器单元(扬声器单元总数量为奇数)或相距最近的两只扬声器单元(扬声器单元总数量为偶数)，以上提到的每两只扬声器单元或一只扬声器单元为一组扬声器单元。一组扬声器单元中，如果扬声器单元数量超过1只，扬声器单元之间会采用串联或并联方式，同时工作。参见图3，分别为n偶数时的串接和并接接法；n为奇数时的串接和并接接法。

上述提到的扬声器单元，还会衍生出变形的情况。具体为：每一个前文中提到的扬声器单元，并不单单可以指一个物理上的扬声器单体，同样也可以是2个或2个以上的扬声器单体的组合，这个扬声器单体组合内部采用无源分频网络等相连接；或者是多个扬声器单体之间的简单的串、并联；或者是多个扬声器单体之间串并联后，再利用无源分频网络相互连接；或者是无源分频网络的输出，接一个或多个串、并联后的扬声器单体；或者无源分频网络和扬声器单体之间的其它组合方式，这种组合方式可以做到以一个物理上的扬声器单体相同的方式独立驱动。以上各种变形方式，均可以等效为一个扬声器单元，这个等效的扬声器单元的中轴线，可以取组成这个等效扬声器单元的任一扬声器单体的中轴线为方向，中轴线所经过的具体位置可以在组成这个等效扬声器单元的扬声器单体的边缘各点形成的直径最大的外接圆的范围内任意选取。以上由多个扬声器单体组合而成的扬声器单元也可以和物理上单个扬声器单体构成的扬声器单元继续组合成阵列。常见的两个扬声器单体的组合示意见图4。实际应用中，并不拘泥于图4列出的情况。

进一步的，以下将进一步说明信号处理电路的工作过程。

参照图5，本发明实施例的用于线阵列扬声器系统的信号处理电路是由多组模拟电路构成的有源或无源的，且包含均衡功能、滤波功能、延时功能、增益调节功能等信号处理单元的一种或多种组合而成。其组合顺序和组合方式任意，也可以对某些模块进行删减。

信号处理电路中，由于扬声器系统需要阵列工作，因此信号处理装置总的通道数n≥3。

需要指出的是，图5中列出的各个功能单元，是站在信号处理的功能上的一个区分，而并不是指物理上必须存在的各个单元电路。具体来说，均衡功能是用于局部抬升或降低整个通频带中的某些频带的增益；滤波功能是用于对整个通频带的信号进行低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波和全通滤波的处理，使得通频带的信号的幅值和相位、时延等按照上述滤波的规律进行变化；延时功能是用于对整个通频带的信号中的某段或者全部进行延时；增益调节功能是对整个通频带的信号的幅值进行按比例的提升或降低。在物理电路上，往往一些电路的设计中，可以同时兼具以上多种功能。例如在进行滤波器设计时，滤波器除了带外频响衰减外，还会带来相移，这种相移如果正好满足某个特定频段的延时需求，那么就不需要额外设计延时电路，而可以直接利用到该滤波器的功能。又或者，全通滤波经常被归类于滤波器，但它可以很好的实现延时功能。

综上所述，信号处理电路中，每一个通道中提到的各个功能，是按照其在信号处理的作用来命名的，没有特定的组合方式和顺序。也可以对通道中涉及到的各个功能进行删减、简化。例如，去掉其中一个或几个功能，如去掉均衡、滤波、延时功能，只保留其中一个或几个模块的功能，如只保留增益调节的功能；或者将均衡、滤波、延时、增益调节中的一个或几个功能用一个单元电路来实现；又或者某一个或几个通道(但不是所有通道)不做任何处理，直通；又或者某个模块电路的多次使用，例如2个滤波模块串联组成一个增强型的滤波模块电路；又或者采用一个混合模块，该混合模块兼具以上模块的信号处理的功能，例如滤波和增益调节功能组合成具有增益控制的滤波模块电路；又或者在某个模块的电路基础上进行变形，使其具有其它模块具有的功能，例如在滤波电路的基础上增加电感等器件，以实现滤波和均衡双重功能；或者以上各种可能方式的组合，以上处理方式均属于在本专利指导思想下的合理变型，均落入本专利保护之下。

为了详述各个通道模块电气参数之间的关系，将位于线阵列扬声器系统的某一位置的扬声器单元组对应的通道称为通道1，紧临这个位置的扬声器单元组对应的通道称为通道2，依次类推…直到通道n。如果是对称的线阵列扬声器系统，通道1一般位于线阵列扬声器单元组合的中心；而如果是非对称的线阵列扬声器系统，通道1有可能位于线阵列扬声器单元的任意一个单元的位置，此时，可以以这个单元作为通道1，向远离通道1的两个方向分别定义通道2…直到通道n。在非对称的线阵列扬声器系统中，一定能找到这样一个通道1的存在。

各通道模块电气参数关系如下：如果将通道1的电气参数特性定为基准，那么在20Hz-20KHz范围内的某个频带内，通道2到通道n，其电气参数之间的关系为：延时，逐渐增加的趋势或逐渐降低的趋势；频响，远离通道1的通道高频部分降低的趋势。在实际应用中，有时候基于垂直指向性和声场控制要求，也会略微提升通道1附近1-2组扬声器(通道2、通道3)的高频部分的增益，或保持不变的增益，但它们的增益波动范围一般都在+6dB电压增益范围内，从整体角度看，远离通道1的通道的频率响应仍然是高频降低的趋势；增益，远离通道1的通道增益降低或保持不变的趋势。其中，延时的逐渐增加或逐渐降低，是为了拓展或减少音柱的垂直指向性；高频频响的降低是为了改善高频的频响，同时，由于高频增益的降低，也减少了高频下的指向性旁瓣；增益降低也是为了减少指向性旁瓣，考虑到频响部分针对高频增益的降低，如果设计上只需要减少高频的旁瓣，由于频响上高频已经有了逐次衰减，增益的变化趋势也可以保持不变。以四通道为例说明本实施例信号处理器电气原理。参见图7，从图上可以看出，通道1为简单的电压跟随器，输入信号的均衡、滤波、延时、增益均未做处理。通道1也是被作为整个信号处理模块的电气参数基准。通道2和通道1相比，进行了均衡、滤波和延时处理，并在反馈回路上增加一个电感改善高频段频响。在被处理频带上，通道2和通道1相比，高频增益可能会略有增加，但波动范围被控制在+6dB电压增益范围内。由于信号经过滤波后，会产生相移或延时，因此这一组信号处理单元中滤波和延时功能是合一的。通道3和通道1相比，进行了滤波、延时处理。通道3、通道4和通道1相比，高频增益是降低的。通道4和通道1相比，进行了滤波、延时处理。由于通道2到通道4均为滤波以及滤波+延时的基本电路架构，在需要处理的音频频段上，其滤波后的增益也是有差异的。汇总而言，从通道1-通道4，在需要处理的音频频段上，延时逐渐增加，高频频响方面，远离通道1的通道高频频响是降低的，远离通道1的通道其带内增益是不变或降低的趋势。

需要指出的是，上文中提到的“不变”，会包含需要处理的信号频带中电路正常参数波动和小范围的变化的情况，一般来说，这种波动和小范围变化其对应的电压增益波动范围在±6dB之间。

本实施例中，通道3和通道4相位和通道1及通道2相比，反转了180°，这种情况，可以通过增加反相电路调整，也可以在功率放大器输出到扬声器单元组合时，直接反相联接即可。前述增益、相位等变化规律中，已考虑到此情况。

本装置中，根据线阵列扬声器系统的需要，各个通道涉及到的电路可以各不相同。

下面列举本装置各个功能单元的典型参数范围。

均衡功能：均衡点中心频率：20-20KHz之间任意频率；可调节频段数量：0～10；品质因数(Q值)：0.1～20之间任意值；中心频率电压增益：-20～+20dB之间任意值。

滤波功能：工作频段范围：20～20KHz之间任意频段；通带增益：-40～+40dB之间任意值；带外衰减：+20～-120dB/dec之间任意值，其中正号表示增益提升，负号表示增益衰减。

延时功能：工作频段范围：20～20KHz之间选择频段；延时值：0～200mS之间任意值。

增益调节功能：增益：-120～+120dB之间任意值，负号代表输入输出反相，正号代表输入输出同相。

综上所述，只要用于线阵列扬声器系统的信号处理装置基于模拟电路架构设计，且信号处理装置总通道数≥3，且信号处理装置的每个通道又具备上述均衡、滤波、延时、增益控制的一种或几种功能(作为特例，可以存在部分但不是全部通道直通的情况)，且符合上述各个模块典型参数范围，且用于线阵列扬声器系统信号处理场合的，均符合本装置的特征，并被本专利所保护。

在图5的基础上，参见图6，本发明实施例提供的有源线阵列音柱的工作原理图，系统的输入信号是用于播放的模拟音频电信号，该模拟音频电信号通过单端接口(RCA)或平衡接口(XLR)输入，输入电路对该音频信号进行预处理后，该音频信号被分成若干路，输入到若干路独立工作的用于线阵列扬声器系统的信号处理系统装置，对信号进行相应的处理，经过处理后的音频电信号，经过各组功率放大器，进行电压放大和阻抗变换，最终变成一个高电压、低内阻的音频信号，用于驱动各组扬声器单元，由各组扬声器单元发出声音。

从针对线阵列扬声器系统原理和性能改善等方面，阐述上述信号处理装置的工作原理：

(1)改善波束方向

通过针对组成线阵列扬声器系统的不同扬声器单元给予不同的延时处理，即可有效地实现波束的偏转。图8是实现波束偏转一个固定角度的原理简单示意。本示意中，延时模块产生不同的延时t、2t、...(n-1)t，扬声器单元间距为L，声速为c。从示意上可以看出，各扬声器单元延时不同，将导致同样的声波在同一时刻到达空间位置的不同，此时，就形成了图8中粗黑线所标识的波阵面。

图8中，α为偏转角，可以看出，偏转角的形成是由扬声器单元的物理位置和扬声器单元的延时量共同决定的。在图8的例子中，偏转角α可以表示为：

式中，t为延时时间，c为声速，L为扬声器单元之间的间距。

(2)改善副波瓣

理论研究表明，如果组成线阵列的扬声器单元之间，振动相位相同，但振动强度从中央的给定数值线性变化到两端为0，则扬声器阵列可以有机会被等效为一种楔形线声源，其特点为：指向图上副波瓣最小。在线阵列扬声器系统应用中，也需要尽可能减少副波瓣，以避免不必要的反射等因素。此时，利用线阵列扬声器信号处理装置中的均衡、滤波和增益控制单元，就可以方便的实现接近理想的指向性特性。

(3)改善高频频响

当多个扬声器单元组合成扬声器阵列后，在某些距离上、某些频率上，会产生高频的叠加或衰减。这是由于高频声波波长较短，在特定距离和特定频率上，两端的扬声器和中间的扬声器输出的声波会产生叠加效应或衰减效应。这样就导致了高频频响的不平坦。这种频响上的不平坦会影响使用效果。

实际上，在应用线阵列扬声器系统的信号处理装置时，往往会利用线阵列扬声器信号处理装置中的均衡、滤波功能，对阵列两端的扬声器单元进行适当的高频衰减。此时，就能够有效的减少该效应的影响。

(4)改善语音清晰度、抑制声反馈

通过以上的设定和优化，线阵列扬声器系统的指向性和性能均得到了有效提升。在应用层面，由于波束能量集中，其直达声能量增加，可以降低有效混响时间。因此在厅堂内运用上述系统，可以使得语言清晰度得以提升。同时，由于线阵列扬声器系统指向性的优化，应用时，在线阵列扬声器系统指向性波束之外的地方安放拾音器，可以有效抑制声反馈。

通过利用本发明实施例提供的有源线阵列音柱，可以组合成音响设备系统。例如可以将符合本实施例特征的有源线阵列音柱嵌入到其它设备系统中；又或者直接利用其他设备的外壳等作为声学结构，配合本发明列举的技术方案实现有源线阵列音柱相类似的功能；再或者采用成品扬声器箱体作为扬声器单元组合成线阵列系统，配合本发明列举的信号处理方案等来实现线阵列音柱类似的功能...以上情况均属于本发明涉及到的技术的合理变型，均落入本专利的保护范围内。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (4)

1.一种有源线阵列音柱，其特征在于，包括箱体（1）、若干扬声器单元（2）、倒相管（3）、交流电源输入（4）、信号输入、电源开关（6）、内置信号处理电路及功率放大器，信号输入为XLR输入（5）或RCA输入（7），扬声器单元的排列方式为线性排列，扬声器单元的总数量≥3只，扬声器单元按照扬声器单元中轴线为参照，分布在同一个平面内，且各扬声器单元中轴线之间形成的夹角的最大值在-35°~+35°之间，系统的输入信号是用于播放的模拟音频电信号，该模拟音频电信号通过单端接口(RCA)或平衡接口（XLR）输入有源线阵列音柱，输入电路对该模拟音频电信号进行预处理后，该模拟音频电信号被分成若干路，输入到若干路独立工作的信号处理电路，对信号进行相应的处理，经过处理后的音频电信号，经过各组功率放大器，进行电压放大和阻抗变换，最终变成一个高电压、低内阻的音频电信号，用于驱动各组扬声器单元，由各组扬声器单元发出声音；

信号处理电路包括多组模拟的有源或无源的，且包含均衡功能、滤波功能、延时功能、增益调节功能的一种或多种的信号处理通道，其中均衡功能用于局部抬升或降低整个通频带中的某些频带的增益；滤波功能用于对整个通频带的信号进行低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波或全通滤波中至少一种的处理，使得通频带的信号的幅值和相位、时延按照既定参数要求实现；延时功能用于对整个通频带的信号中的某段或者全部进行延时；增益调节功能用于对整个通频带的信号的幅值进行按比例的提升或降低；

所述均衡功能的均衡点中心频率为20-20KHz之间任意频率，可调节频段数量为0~10，品质因数为0.1~20之间任意值，中心频率电压增益为-20~+20dB之间任意值；所述滤波功能的种类包括高通、低通、带通、带阻、全通、延时中的任意一种或几种组合，其工作频段范围为20~20KHz之间任意频段，通带增益为-40~+40dB之间任意值，带外衰减为+20~-120dB/dec之间任意值，其中正号表示增益提升，负号表示增益衰减；所述延时功能的工作频段范围为20~20KHz之间任意频段，延时值为0~200ms之间任意值，增益调节功能的增益调节范围为-120~+120dB之间任意值，负号代表输入输出反相，正号代表输入输出同相；

总的信号处理通道数n≥3；在20Hz-20KHz范围内的某个频带内，将通道1的电气参数特性定为基准，通道2到通道n，其电气参数之间的关系为：延时，逐渐增加的趋势或逐渐降低的趋势；频响，远离通道1的通道高频部分降低的趋势。

2.如权利要求1所述的有源线阵列音柱，其特征在于，扬声器单元之间采用独立方式工作，或多个扬声器单元采用串联或并联方式工作。

3.如权利要求1所述的有源线阵列音柱，其特征在于，扬声器单元包括一个物理上的扬声器单体，或2个以上的扬声器单体的组合。

4.一种音响设备系统，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述的有源线阵列音柱。

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