CN112887874A - 一种基于全频段声波控制的强声系统 - Google Patents

一种基于全频段声波控制的强声系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全频段声波控制的强声系统，涉及扬声器技术领域，其技术方案要点是：包括主箱体，所述主箱体内设有DSP信号处理器、第一功率放大器、第二功率放大器、传输波导、强声换能器组以及抗干扰换能器组，强声换能器组位于强声部件前面；DSP信号处理器的输入端连接声源信号，DSP信号处理器包括第一信号处理单元、第二信号处理单元；第一信号处理单元、第一功率放大器、强声换能器组、传输波导依次连接；第二信号处理单元、第二功率放大器、抗干扰换能器组依次连接，第二信号处理单元将声源信号处理成与传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱，本发明输出一个具有波束角度控制的强声信号，实现对后方的干扰声波的全频段的控制。

Description

一种基于全频段声波控制的强声系统
技术领域
本发明涉及扬声器技术领域，更具体地说，它涉及一种基于全频段声波控制的强声系统。
背景技术
强声系统可以辐射高强度的可听声而广泛运用于语音播报、控制和驱散人群、山区搜救以及机场驱鸟等航空、航海和安防领域。强声系统是指能够输出高声压级声音的扬声器系统。指向性和声压级是音频强声系统的主要性能参数。
强声系统的指向性与扬声器基阵阵型、扬声器单元数目以及波束形成方法有显著关系。现有的强声系统存在以下缺陷：(1)目前，平面阵是强声系统常用的设计阵型，平面阵可以等效为多个等间距排列的扬声器组合，驱动器等效距离均匀分布，通过换能器的距离来控制声波的波束角度，发出的声波在轴向声音最大，但覆盖区域声场不均匀，且在覆盖区域外也存在明显的强的旁束波瓣，对覆盖区域外的人和物造成干扰，影响产品的使用。(2)在声压级方面，是通过多只电动式换能器或多只压电式换能器通过普通号角正向叠加而成，存在耦合性不好，相位不一致的问题；同时多只换能器通过普通号角声波不能有效叠加，换能器声能的利用率不高；需要更多的换能器才能满足一定的要求，造成体积大，重量高，不利于携行，同时电功率浪费严重，不利于绿色环保。(3)换能器加普通号角发出是声波是点声源，点声源的传播特性使距离每增加一倍，声压级衰减6dB，声波的随距离增加衰减快，不利于声波的远程传播，强声系统一般要求声音的传播距离要达到2000～3000米或以上。(4)由于正面发出高强度的声音，强声系统的侧面和后面也会产生非常大的、不需要的、通过空气、波导、强声装置传播到强声装置后面的的噪声，严重影响操作人员的健康；同时很多强声系统只有靠隔音耳罩降噪，严重影响操作员之间的信息交流。
因此，如何研究设计一种基于全频段声波控制的强声系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于全频段声波控制的强声系统。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于全频段声波控制的强声系统，包括主箱体，所述主箱体内设有DSP信号处理器、功率放大模块、传输波导、强声换能器组以及抗干扰换能器组，强声换能器组位于强声部件前面；
DSP信号处理器的输入端连接声源信号，DSP信号处理器包括第一信号处理单元、第二信号处理单元；
功率放大模块包括第一功率放大器、第二功率放大器；
第一信号处理单元、第一功率放大器、强声换能器组、传输波导依次连接；
第二信号处理单元、第二功率放大器、抗干扰换能器组依次连接，第二信号处理单元将声源信号处理成与传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱。
通过采用上述技术方案，第一信号处理单元对声源信号处理成强声信号后传输给第一功率放大器，第一功率放大器将强声信号经放大后的功率信号传输至强声换能器组，强声换能器组将功率信号转换为声波后通过传输波导输出；第二信号处理单元将声源信号处理成与通过空气、波导、强声部件传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱，并经过第二功率放大器进行放大，然后抗干扰换能器组发出与前端传来的相位相反的声波，从而抵消传达到后面的噪声，使强声系统向前输出一个具有波束角度控制的强声信号，而没有来自侧面和后方的噪声干扰，实现对传导到后方的干扰声波的全频段的控制。
本发明进一步设置为：所述传输波导包括波导壳体、相位塞以及两个半径面喉管，相位塞位于波导壳体内；强声换能器组包括呈对称设置的第一换能器、第二换能器，第一换能器、第二换能器分别与两个半径面喉管连接。
通过采用上述技术方案，从半径面喉管进入传输波导的声波分别进入到对应的波导路径，声波通过传输波导的改变，使得从入口每一点到出口每一点的声波距离一致，从点声源转换为了柱状声源，柱状声源随每倍频程距离变化而产生的声压衰减为3dB，改变了点声源随每倍频程距离变化而产生的6dB的声压衰减，有效了提高声音的传播距离。
本发明进一步设置为：两所述半径面喉管对称设置，两个不同声源分别通过两个半径面喉管进行耦合。
通过采用上述技术方案，声波在传输波导的耦合方式下提高换能器声阻匹配，使换能器发出的声波进行有效耦合，从而提高换能器的声压输出能力。
本发明进一步设置为：所述相位塞呈圆锥形体，且在圆锥形体的高度中间部分对称斜切到圆的中心线处；圆锥形体于中心线处形成的棱边与两个半径面喉管的出口中间部接触。
通过采用上述技术方案，使得同时从传输波导出来的声波具有了+n/2～0度和0～-n/2度两个角度，在出口处0度部分与0度部分叠加，避免了相位差对声波叠加的影响，有效避免了旁瓣波束的产生，有效提高了换能器声能的利用率，可以用较少的单元产生更大的声压级，减少强声系统的体积大，减轻强声系统的重量，方便携行，同时减少电功率消耗。
本发明进一步设置为：所述抗干扰换能器组包括第三换能器、第四换能器、第五换能器、第六换能器，第三换能器、第四换能器、第五换能器、第六换能器分别位于与前端内侧面相邻的四周内侧面上。
通过采用上述技术方案，上下左右4个侧向的换能器发出与前端传来的相位相反的声波，从而抵消传达到后面的噪声，其抵消效果显著。
本发明进一步设置为：所述第三换能器、第四换能器、第五换能器、第六换能器位于与前端内侧面平行的同一平面内。
通过采用上述技术方案，使得抵消效果分布均匀，增强了噪声抵消的稳定性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、第二信号处理单元将声源信号处理成与通过空气、波导、强声部件传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱，并经过第二功率放大器进行放大，然后抗干扰换能器组发出与前端传来的相位相反的声波，从而抵消传达到后面的噪声，使强声系统向前输出一个具有波束角度控制的强声信号，而没有来自侧面和后方的噪声干扰，实现对传导到后方的干扰声波的全频段的控制；
2、从半径面喉管进入传输波导的声波分别进入到对应的波导路径，声波通过传输波导的改变，使得从入口每一点到出口每一点的声波距离一致，从点声源转换为了柱状声源，柱状声源随每倍频程距离变化而产生的声压衰减为3dB，改变了点声源随每倍频程距离变化而产生的6dB的声压衰减，有效了提高声音的传播距离；
3、声波在传输波导的耦合方式下提高换能器声阻匹配，使换能器发出的声波进行有效耦合，从而提高换能器的声压输出能力；同时从传输波导出来的声波具有了+n/2～0度和0～-n/2度两个角度，在出口处0度部分与0度部分叠加，避免了相位差对声波叠加的影响，有效避免了旁瓣波束的产生，有效提高了换能器声能的利用率，可以用较少的单元产生更大的声压级，减少强声系统的体积大，减轻强声系统的重量，方便携行，同时减少电功率消耗。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体结构示意图；
图2是图1中沿A-A线剖开后的内部结构示意图；
图3是图1中沿B-B线剖开后的内部结构示意图；
图4是本发明实施例中抗干扰换能器组的分布结构示意图；
图5是本发明实施例中的工作原理图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101、主箱体；102、DSP信号处理器；103、第一信号处理单元；104、第二信号处理单元；105、功率放大模块；106、第一功率放大器；107、第二功率放大器；108、强声换能器组；109、抗干扰换能器组；201、传输波导；202、波导壳体；203、相位塞；204、半径面喉管；205、第一换能器；206、第二换能器；301、第三换能器；302、第四换能器；303、第五换能器；304、第六换能器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-5，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种基于全频段声波控制的强声系统，如图2与图5所示，包括主箱体101，主箱体101内设有DSP信号处理器102、功率放大模块105、传输波导201、强声换能器组108以及抗干扰换能器组109，强声换能器组108位于强声部件前面。DSP信号处理器102的输入端连接声源信号，DSP信号处理器102包括第一信号处理单元103、第二信号处理单元104。功率放大模块105包括第一功率放大器106、第二功率放大器107。第一信号处理单元103、第一功率放大器106、强声换能器组108、传输波导201依次连接。第二信号处理单元104、第二功率放大器107、抗干扰换能器组109依次连接，第二信号处理单元104将声源信号处理成与传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱。第一信号处理单元103对声源信号处理成强声信号后传输给第一功率放大器106，第一功率放大器106将强声信号经放大后的功率信号传输至强声换能器组108，强声换能器组108将功率信号转换为声波后通过传输波导201输出；第二信号处理单元104将声源信号处理成与通过空气、波导、强声部件传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱，并经过第二功率放大器107进行放大，然后抗干扰换能器组109发出与前端传来的相位相反的声波，从而抵消传达到后面的噪声，使强声系统向前输出一个具有波束角度控制的强声信号，而没有来自侧面和后方的噪声干扰，实现对传导到后方的干扰声波的全频段的控制。
如图2与图3所示，传输波导201包括波导壳体202、相位塞203以及两个半径面喉管204，相位塞203位于波导壳体202内；强声换能器组108包括呈对称设置的第一换能器205、第二换能器206，第一换能器205、第二换能器206分别与两个半径面喉管204连接。从半径面喉管204进入传输波导201的声波分别进入到对应的波导路径，声波通过传输波导201的改变，使得从入口每一点到出口每一点的声波距离一致，从点声源转换为了柱状声源，柱状声源随每倍频程距离变化而产生的声压衰减为3dB，改变了点声源随每倍频程距离变化而产生的6dB的声压衰减，有效了提高声音的传播距离。
如图2与图3所示，两半径面喉管204对称设置，两个不同声源分别通过两个半径面喉管204进行耦合。声波在传输波导201的耦合方式下提高换能器声阻匹配，使换能器发出的声波进行有效耦合，从而提高换能器的声压输出能力。
如图2与图3所示，相位塞203呈圆锥形体，且在圆锥形体的高度中间部分对称斜切到圆的中心线处；圆锥形体于中心线处形成的棱边与两个半径面喉管204的出口中间部接触，使得同时从传输波导201出来的声波具有了+n/2～0度和0～-n/2度两个角度，在出口处0度部分与0度部分叠加，避免了相位差对声波叠加的影响，有效避免了旁瓣波束的产生，有效提高了换能器声能的利用率，可以用较少的单元产生更大的声压级，减少强声系统的体积大，减轻强声系统的重量，方便携行，同时减少电功率消耗。
如图1、2、4所示，抗干扰换能器组109包括第三换能器301、第四换能器302、第五换能器303、第六换能器304，第三换能器301、第四换能器302、第五换能器303、第六换能器304分别位于与前端内侧面相邻的四周内侧面上。上下左右4个侧向的换能器发出与前端传来的相位相反的声波，从而抵消传达到后面的噪声，其抵消效果显著。
如图2所示，第三换能器301、第四换能器302、第五换能器303、第六换能器304位于与前端内侧面平行的同一平面内，使得抵消效果分布均匀，增强了噪声抵消的稳定性。
工作原理：第一信号处理单元103对声源信号处理成强声信号后传输给第一功率放大器106，第一功率放大器106将强声信号经放大后的功率信号传输至强声换能器组108，强声换能器组108将功率信号转换为声波后通过传输波导201输出；第二信号处理单元104将声源信号处理成与通过空气、波导、强声部件传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱，并经过第二功率放大器107进行放大，然后抗干扰换能器组109发出与前端传来的相位相反的声波，从而抵消传达到后面的噪声，使强声系统向前输出一个具有波束角度控制的强声信号，而没有来自侧面和后方的噪声干扰，实现对传导到后方的干扰声波的全频段的控制。
以上的具体实施方式，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，以上仅为本发明的具体实施方式而已，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 (6)

1.一种基于全频段声波控制的强声系统，包括主箱体(101)，其特征是，所述主箱体(101)内设有DSP信号处理器(102)、功率放大模块(105)、传输波导(201)、强声换能器组(108)以及抗干扰换能器组(109)，强声换能器组(108)位于强声部件前面；
DSP信号处理器(102)的输入端连接声源信号，DSP信号处理器(102)包括第一信号处理单元(103)、第二信号处理单元(104)；
功率放大模块(105)包括第一功率放大器(106)、第二功率放大器(107)；
第一信号处理单元(103)、第一功率放大器(106)、强声换能器组(108)、传输波导(201)依次连接；
第二信号处理单元(104)、第二功率放大器(107)、抗干扰换能器组(109)依次连接，第二信号处理单元(104)将声源信号处理成与传播到强声部件后面的噪声相位相反的声音频谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于全频段声波控制的强声系统，其特征是，所述传输波导(201)包括波导壳体(202)、相位塞(203)以及两个半径面喉管(204)，相位塞(203)位于波导壳体(202)内；强声换能器组(108)包括呈对称设置的第一换能器(205)、第二换能器(206)，第一换能器(205)、第二换能器(206)分别与两个半径面喉管(204)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于全频段声波控制的强声系统，其特征是，两所述半径面喉管(204)对称设置，两个不同声源分别通过两个半径面喉管(204)进行耦合。
4.根据权利要求2所述的一种基于全频段声波控制的强声系统，其特征是，所述相位塞(203)呈圆锥形体，且在圆锥形体的高度中间部分对称斜切到圆的中心线处；圆锥形体于中心线处形成的棱边与两个半径面喉管(204)的出口中间部接触。
5.根据权利要求1所述的一种基于全频段声波控制的强声系统，其特征是，所述抗干扰换能器组(109)包括第三换能器(301)、第四换能器(302)、第五换能器(303)、第六换能器(304)，第三换能器(301)、第四换能器(302)、第五换能器(303)、第六换能器(304)分别位于与前端内侧面相邻的四周内侧面上。
6.根据权利要求5所述的一种基于全频段声波控制的强声系统，其特征是，所述第三换能器(301)、第四换能器(302)、第五换能器(303)、第六换能器(304)位于与前端内侧面平行的同一平面内。
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