CN113411720B - 带多路波束转向的数字控制声柱及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了带多路波束转向的数字控制声柱及其实现方法，包括数模转换模块，用于对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；ARM模块，用于将所述数字信号传入DSP模块；DSP模块，用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；FIR滤波模块，用于对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；IIR滤波器，用于对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；数字功放模块，用于对所述高阶分频处理后的信号进行放大处理；喇叭，用于对放大处理后的信号进行输出。本发明能实现数字控制的多路波束转向调节，可广泛应用于音响控制技术领域。

Description

带多路波束转向的数字控制声柱及其实现方法
技术领域
本发明涉及音响控制技术领域，尤其是带多路波束转向的数字控制声柱及其实现方法。
背景技术
声柱是由多个高、低频扬声器有机地排列成柱状的扬声器组合。利用高、低频扬声器进行互补，而使音域宽广。声音能量能有方向地集中传播，提高扩声效率。最先用于音乐厅、剧院等需高保真音响要求的场所。现已广泛用于家庭音响设备中。
目前市场上的固定声柱只能发出一束面向正前方的波束，由于发声波束数量单一，无法进行多路多方向波束调节。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种带多路波束转向的数字控制声柱及其实现方法，可以对产生的多路波束进行多角度调节。
本发明的第一方面提供了一种带多路波束转向的数字控制声柱，包括：
数模转换模块，用于对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；
ARM模块，用于将所述数字信号传入DSP模块；
DSP模块，用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
FIR滤波模块，用于对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；
IIR滤波器，用于对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；
数字功放模块，用于对所述高阶分频处理后的信号进行放大处理；
喇叭，用于对放大处理后的信号进行输出。
可选地，还包括：
相位延时补偿模块，用于对所述高阶分频处理后的信号进行相位延时补偿。
本发明的第二方面提供了一种带多路波束转向的数字控制声柱的实现方法，包括：
通过数模转换模块对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；
通过ARM模块将所述数字信号传入DSP模块；
通过DSP模块对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
通过FIR滤波模块对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；
通过IIR滤波器对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；
通过数字功放模块对所述高阶分频处理后的信号进行放大处理；
通过喇叭对放大处理后的信号进行输出。
可选地，所述方法还包括：
通过相位延时补偿模块对所述高阶分频处理后的信号进行相位延时补偿。
可选地，所述通过DSP模块对所述数字信号进行划分，得到多路信号，包括：
计算音柱与目标对象之间的直线距离；所述音柱为所述数字控制声柱中的任一音柱；
计算所述音柱与所述目标对象之间的水平距离；
根据所述直线距离和所述水平距离，计算所述音柱与所述目标对象之间的夹角；
根据所述直线距离以及声音传播速度，计算喇叭到人之间的直达声音的传播时间；
根据所述直达声音的传播时间，对各个喇叭进行相位延时调整；
计算每个喇叭的调整参数，所述调整参数包括相位延时补偿值、增益值以及分频采样点信息；
根据所述调整参数计算波束的传输函数，以及所述直线距离与夹角之间的目标关系；
将所述传输函数以及所述目标关系输入到DSP模块，实现多路波束转向调节。
可选地，所述音柱与所述目标对象之间的夹角的计算公式为：
Figure BDA0003088556960000021
其中，θ代表所述音柱与所述目标对象之间的夹角；L代表所述音柱与所述目标对象之间的水平距离；D代表所述音柱与目标对象之间的直线距离。
本发明的实施例通过数模转换模块对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；通过ARM模块将所述数字信号传入DSP模块；通过DSP模块对所述数字信号进行划分，得到多路信号；通过FIR滤波模块对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；通过IIR滤波器对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；通过数字功放模块对所述高阶分频处理后的信号进行放大处理；通过喇叭对放大处理后的信号进行输出。本发明能实现数字控制的多路波束转向调节。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的波束生成示意图；
图2为本发明实施例提供的数字控制声柱的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的多对象位置计算示意图；
图4为本发明实施例提供的声场分布示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，在当前的声柱设计中，产生波束如图1的箭头所示，只能产生一束波束，且固定方向不可改变。
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种带多路波束转向的数字控制声柱，包括：
数模转换模块，用于对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；
ARM模块，用于将所述数字信号传入DSP模块；
DSP模块，用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
FIR滤波模块，用于对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；
IIR滤波器，用于对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；
数字功放模块，用于对所述高阶分频处理后的信号进行放大处理；
喇叭，用于对放大处理后的信号进行输出。
可选地，还包括：
相位延时补偿模块，用于对所述高阶分频处理后的信号进行相位延时补偿。
本发明实施例还提供了一种带多路波束转向的数字控制声柱的实现方法，包括：
通过数模转换模块对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；
通过ARM模块将所述数字信号传入DSP模块；
通过DSP模块对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
通过FIR滤波模块对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；
通过IIR滤波器对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；
通过数字功放模块对所述高阶分频处理后的信号进行放大处理；
通过喇叭对放大处理后的信号进行输出。
可选地，所述方法还包括：
通过相位延时补偿模块对所述高阶分频处理后的信号进行相位延时补偿。
可选地，所述通过DSP模块对所述数字信号进行划分，得到多路信号，包括：
计算音柱与目标对象之间的直线距离；所述音柱为所述数字控制声柱中的任一音柱；
计算所述音柱与所述目标对象之间的水平距离；
根据所述直线距离和所述水平距离，计算所述音柱与所述目标对象之间的夹角；
根据所述直线距离以及声音传播速度，计算喇叭到人之间的直达声音的传播时间；
根据所述直达声音的传播时间，对各个喇叭进行相位延时调整；
计算每个喇叭的调整参数，所述调整参数包括相位延时补偿值、增益值以及分频采样点信息；
根据所述调整参数计算波束的传输函数，以及所述直线距离与夹角之间的目标关系；
将所述传输函数以及所述目标关系输入到DSP模块，实现多路波束转向调节。
可选地，所述音柱与所述目标对象之间的夹角的计算公式为：
Figure BDA0003088556960000041
其中，θ代表所述音柱与所述目标对象之间的夹角；L代表所述音柱与所述目标对象之间的水平距离；D代表所述音柱与目标对象之间的直线距离。
下面结合说明书附图，对本发明的具体实现过程进行详细描述：
参考图2，本发明实施例数字控制声柱的结构设计中，将多路音源输入进行ADC转换后，将数字信号给予到DSP中进行数字处理，ARM负责执行传输操控指令。数字信号进入DSP后，依次将信号分为若干路且每路信号均执行经过一个FIR滤波，将输入信号相位固定好，然后通过DSP的路由功能将信号均分为所需输出的路数。其次，音频数据通过IIR滤波器的高阶分频，将经过分频后的音频数据通过相位延时补偿后直接输入到对应的数字功放中进行信号放大，其中，相位延时补偿的表达式为Δδ(t-tn)，n代表喇叭的位置，n＝1,2,3....Δδ代表每个相邻喇叭之间的相位延时差值，t-tn代表时间差，最后，输出到对应的喇叭上(如图2所示)，实现波束多角度可调。
另外，参考图3，本发明实施例多目标位置计算的过程中，首先测量得出音柱与人的直线距离D的长度，并且测量出人与音柱的水平距离L，其次，依据公式
Figure BDA0003088556960000042
计算出人与音柱的夹角θ。接着，通过上述的长度D，根据声音传播的速度为340m/s，可以算出喇叭到人直达声的传播时间为
Figure BDA0003088556960000051
)，对各个喇叭进行相位延时调整，然后，通过预设基准点的相位延时t，根据上述相位延时补偿，依次计算每个喇叭的调整参数Δε，其中，该调整参数包含相位延时补偿、增益以及分频采样点；其中，增益的计算公式为G＝20log(abs(x)))，x代表输入音频数据；分频采样点中的分频区间为150-10KHz，采样率为48KHz，采样点要视喇叭间距而定，喇叭间距的计算公式为Dis喇叭＝V声/λ，λ为采样点频率的波长；然后，计算波束的传输函数和位置(D和θ)的关系，其中，传输函数的表达式为
Figure BDA0003088556960000052
Vs为声波速度，λ为声音波长，Fk和FT各为相关采样参数。
最后，依据位置(D和θ)的关系以及传输函数Tn，将以上参数(包括距离D，角度θ，相位延时调节以及声音波长λ)输入到DSP中运行，能实现数字控制的多路波束转向调节，多路波束转向调节的示意图如图4的声场分布图所示，本实施例能调整指向3个方向，需要说明的是，调整指向的方向可以大于3个，在此不作限定。
综上所述，相较于现有技术，本发明的数字控制声柱具有以下优点：
1、能实现多路波束指向角度调节。
2、多路调节能实现快速同时同步进行，相互不干扰，能使得所定位的点的声音清晰度高，音量高度一致；比未定位区域听感更强，清晰度更高，更直观，音量更大。
3、具备极高的调节灵活性，无须手动机械调节声柱固定方向。
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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.带多路波束转向的数字控制声柱，其特征在于，包括：
数模转换模块，用于对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；
ARM模块，用于将所述数字信号传入DSP模块；计算声柱与目标对象之间的直线距离；所述声柱为所述数字控制声柱中的任一声柱；计算所述声柱与所述目标对象之间的水平距离；根据所述直线距离和所述水平距离，计算所述声柱与所述目标对象之间的夹角；根据所述直线距离以及声音传播速度，计算喇叭到人之间的直达声音的传播时间；根据所述直达声音的传播时间，对各个喇叭进行相位延时调整；计算每个喇叭的调整参数，所述调整参数包括相位延时补偿值、增益值以及分频采样点信息；根据所述调整参数计算波束的传输函数，以及所述直线距离与夹角之间的目标关系；将所述传输函数以及所述目标关系输入到DSP模块,实现多路波束转向调节；其中，传输函数的表达式为Vs为声波速度，λ为声音波长，Δε表示喇叭的调整参数，n代表喇叭的位置，
n＝1,2,3…，Fk和FT各为相关采样参数；
DSP模块，用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
FIR滤波模块，用于对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；
IIR滤波器，用于对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；
相位延时补偿模块，用于对所述高阶分频处理后的信号进行相位延时补偿；
数字功放模块，用于对所述相位延时补偿后的信号进行放大处理；
喇叭，用于对放大处理后的信号进行输出。
2.带多路波束转向的数字控制声柱的实现方法，其特征在于，包括：
通过数模转换模块对输入的音源数据进行ADC转换，得到数字信号；
通过ARM模块将所述数字信号传入DSP模块；计算声柱与目标对象之间的直线距离；所述声柱为所述数字控制声柱中的任一声柱；计算所述声柱与所述目标对象之间的水平距离；根据所述直线距离和所述水平距离，计算所述声柱与所述目标对象之间的夹角；根据所述直线距离以及声音传播速度，计算喇叭到人之间的直达声音的传播时间；根据所述直达声音的传播时间，对各个喇叭进行相位延时调整；计算每个喇叭的调整参数，所述调整参数包括相位延时补偿值、增益值以及分频采样点信息；根据所述调整参数计算波束的传输函数，以及所述直线距离与夹角之间的目标关系；将所述传输函数以及所述目标关系输入到DSP模块,实现多路波束转向调节；其中，传输函数的表达式为Vs为声波速度，λ为声音波长，Δε表示喇叭的调整参数，n代表喇叭的位置，
n＝1,2,3…，Fk和FT各为相关采样参数；
通过DSP模块对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
通过FIR滤波模块对所述DSP模块划分得到的多路信号进行FIR滤波处理，以固定所述多路信号中每路信号的相位；
通过IIR滤波器对所述FIR滤波处理后的信号进行高阶分频处理；
通过相位延时补偿模块对所述高阶分频处理后的信号进行相位延时补偿；
通过数字功放模块对所述相位延时补偿后的信号进行放大处理；
通过喇叭对放大处理后的信号进行输出。
3.根据权利要求2所述的带多路波束转向的数字控制声柱的实现方法，其特征在于，
所述声柱与所述目标对象之间的夹角的计算公式为：
其中，θ代表所述声柱与所述目标对象之间的夹角；L代表所述声柱与所述目标对象之间的水平距离；D代表所述声柱与目标对象之间的直线距离。
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