CN114696920A - 现场远距离自由拾音和扩音装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场远距离自由拾音和扩音装置及方法，所述装置包括：收音模块，用于通过麦克风拾取声音信号；信号放大模块，与所述收音模块连接，用于将所述声音信号进行放大，得到放大后的声音信号；数字处理模块，与所述信号放大模块连接，用于对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号；超声波调制器，与所述数字处理模块连接，用于将处理后的声音信号转换为超声波信号；超声波驱动器，与所述超声波调制器连接，用于发出所述超声波信号，其中，所述超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

Description

现场远距离自由拾音和扩音装置及方法

技术领域

本发明涉及音视频处理技术领域，尤其是涉及一种现场远距离自由拾音和扩音装置及方法。

背景技术

现场远距离拾音和扩音却具有十分广泛的需求，比如会议、教学、演讲等。但是，目前所有的音响系统都无法解决现场远距离自由拾音和扩音的问题。要想人离麦克风很远讲话还可以让现场扩声系统输出很大的声音，就必须要把整个系统的放大倍数大幅度提高，但是提高整个系统的放大倍数到一定程度以后，喇叭的声音就会传回麦克风形成能量循环叠加而产生啸叫。

具体地：声音是球形波，从喇叭发出来的声音按球形扩散，并不具有明显的方向性，所以总是可以从发声点附近的各个方位均可听到声音。

因为声音没有明显的方向性，所以当扩声系统增益达到一定倍数阀值以后喇叭发出的声音通过麦克风再次进行放大引起声反馈、循环能量叠加引起啸叫。啸叫是非常刺耳的声音，由于能量循环叠加增强，不仅非常刺耳，而且极易在恨短时间内造成喇叭烧毁。

目前，现有解决声反馈的方法有：

1、移频：通过对进入麦克风的音频信号进行移频(一般为1-5Hz以不影响可懂度)，控制喇叭发出的声音和原始进入麦克风的声音不是相同频率以防止啸叫，一般理想状态下可以提升最多15dB增益。但是现实情况是，喇叭发出的声音通过现场环境发射、调制、叠加、扩散以后会产生新的谐波成分，这些谐波成分依然和原始声音具有很大的同频比例，所以当增益达到一定程度以后依然无法控制声反馈，啸叫依然存在。所以移频技术控制啸叫存在很大缺陷。

2、陷波：通过陷波的方法来抑制声反馈是目前最常用的技术。陷波抑制声反馈的原理是自动侦测和判断某个幅度过大的频率并进行大幅度陷波处理。陷波存在的明显缺陷是：现场扩声的频率点数以万计，陷波器本身数量有限无法有效抑制声反馈。而且陷波器是先检测到幅度过大的频率再进行陷波、这就导致陷波滞后，声音听感不自然。

从上面描述可以看出，目前现有的方法都是被动的从电子技术层面去抑制声反馈，但是由于声音本身是球形波、并不具备明显方向性，声反馈既是一个电子技术问题，更是一个物理现象。单纯电子技术对于抑制声反馈作用非常有限。如果不能有效的解决现场拾音扩音的声反馈问题，就无法提升扩声系统整体增益，也就无法做到现场远距离自由拾音。

所以，综上所述，要实现现场远距离自由拾音扩音，亟须一种和现有技术完全不同的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种现场远距离自由拾音和扩音装置及方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种现场远距离自由拾音和扩音装置，包括：

收音模块，用于通过麦克风拾取声音信号；

信号放大模块，与所述收音模块连接，用于将所述声音信号进行放大，得到放大后的声音信号；

数字处理模块，与所述信号放大模块连接，用于对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号；

超声波调制器，与所述数字处理模块连接，用于将处理后的声音信号转换为超声波信号；

超声波驱动器，与所述超声波调制器连接，用于发出所述超声波信号，其中，所述超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

本发明提供一种现场远距离自由拾音和扩音方法，用于上述装置，所述方法进一步包括：

通过麦克风拾取声音信号；

通过信号放大模块将所述声音信号进行放大，得到放大后的声音信号；

通过数字处理模块对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号；

通过超声波调制器将处理后的声音信号转换为超声波信号；

通过超声波驱动器发出所述超声波信号，其中，所述超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

采用本发明实施例，通过将麦克风采集的音频信号调制为超声波信号，从物理层面阻断了声反馈的回路，从根本上解决了声反馈来大幅度提高系统增益已达到提升麦克风拾音距离，最终实现现场远距离拾音扩音的目的。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明实施例的现场远距离自由拾音和扩音装置的示意图；

图2是本发明实施例的现场远距离自由拾音和扩音装置的详细示意图；

图3是本发明实施例的现场远距离自由拾音和扩音方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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所述特征。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。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

装置实施例

根据本发明实施例，提供了一种现场远距离自由拾音和扩音装置，图1是本发明实施例的现场远距离自由拾音和扩音装置的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的现场远距离自由拾音和扩音装置具体包括：

收音模块10，用于通过麦克风拾取声音信号；

信号放大模块12，与所述收音模块连接，用于将所述声音信号进行放大，得到放大后的声音信号；

数字处理模块14，与所述信号放大模块连接，用于对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号；所述数字处理模块14具体用于：对放大后的声音信号进行电子分频、压限、数字参量均衡、自动噪音消除、自动增益控制、以及自动声反馈抑制，得到处理后的声音信号。

在本发明实施例中，所述数字处理模块具体为：DSP处理器。

超声波调制器16，与所述数字处理模块连接，用于将处理后的声音信号转换为超声波信号；所述超声波调制器16具体用于：对处理后的声音信号进行超声波调制和超声波功率放大，转换为超声波信号。

此外，在本发明实施例中，超声波调制器的载波频率优选为40KHz波段。

超声波驱动器18，与所述超声波调制器连接，用于发出所述超声波信号，其中，所述超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行举例说明。

如图2所示，麦克风采集的声音信号经过放大器进行放大，放大之后的音频信号进入DSP处理器进行专业数字音频处理(包括电子分频、压限、数字参量均衡、自动噪音消除、自动增益控制、自动声反馈抑制等)，DSP处理完成的信号进入超声波调制器，超声波调制器的载波频率为40KHz波段，调制完成的超声波信号进行功率放大，完成功率放大的超声波信号输出到超声波驱动器，超声波驱动器发出的超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的技术方案基于现场拾音扩音场景的物理属性，麦克风拾取声音并经过放大器放大并驱动喇叭实现扩音的目的，解决了现有技术无法有效解决现场远距离拾音和高增益现场扩音的难题。

本发明实施例的技术方案提出了一种全新的技术方法，从物理层面阻断声反馈的路径并通过DSP处理实现现场远距离拾音和高增益现场扩音的难题，这种全新的方法首先是采用40KHz左右的超声波驱动器取代现有的扬声器。通过超声波驱动器取代现有音响系统扩声方式，从物理层面有效阻断声反馈路径以达到现场远距离拾音和扩音的目的。

超声波驱动器直接发出来的是超声波信号，与麦克风拾取的音频信号频率范围相差很远，不具备形成声反馈的条件。

同时，由于所选用超声波的频率为40KHz频段，本身波长很短，波束指向性很强，不再是音频信号的球形波，所以采用超声波驱动器发出的信号具有明显的指向性，指向角度在15°夹角范围，由于超声波发出的信号具有很强的指向性，超声波驱动器发出的信号按照扩声需要传递给听众，与拾音器之间处于完全不同的方向，拾音器无法拾取超声波驱动器发出的信号，进一步有效阻断了声反馈的回路。

超声波驱动器发出的信号通过空气自然解调为人耳可听见的声音，自然解调的距离为3-4米。为保证现场扩声的声音自然度、清晰度，需要将麦克风拾取的音频信号进行电子分频、压限、数字参量均衡、自动噪音消除、自动增益控制、自动声反馈抑制等综合DSP数字音频处理。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种现场远距离自由拾音和扩音方法，用于上述装置实施例中的现场远距离自由拾音和扩音装置，图3是本发明实施例的现场远距离自由拾音和扩音方法的流程图，如图3所示，根据本发明实施例的现场远距离自由拾音和扩音方法具体包括：

步骤301，通过麦克风拾取声音信号；

步骤302，通过信号放大模块将所述声音信号进行放大，得到放大后的声音信号；

步骤303，通过数字处理模块对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号；具体包括：对放大后的声音信号进行电子分频、压限、数字参量均衡、自动噪音消除、自动增益控制、以及自动声反馈抑制，得到处理后的声音信号。其中，数字处理模块具体为：DSP处理器。

步骤304，通过超声波调制器将处理后的声音信号转换为超声波信号；具体包括：对处理后的声音信号进行超声波调制和超声波功率放大，转换为超声波信号。其中，超声波调制器的载波频率为40KHz波段。

步骤305，通过超声波驱动器发出所述超声波信号，其中，所述超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

本发明实施例是与上述装置实施例对应的方法实施例，各个步骤的具体操作可以参照装置实施例的描述进行理解，在此不再赘述。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

在20世纪30年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书的一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种现场远距离自由拾音和扩音装置，其特征在于，包括：

收音模块，用于通过麦克风拾取声音信号；

信号放大模块，与所述收音模块连接，用于将所述声音信号进行放大，得到放大后的声音信号；

数字处理模块，与所述信号放大模块连接，用于对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号；

超声波调制器，与所述数字处理模块连接，用于将处理后的声音信号转换为超声波信号；

超声波驱动器，与所述超声波调制器连接，用于发出所述超声波信号，其中，所述超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字处理模块具体用于：对放大后的声音信号进行电子分频、压限、数字参量均衡、自动噪音消除、自动增益控制、以及自动声反馈抑制，得到处理后的声音信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波调制器具体用于：对处理后的声音信号进行超声波调制和超声波功率放大，转换为超声波信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波调制器的载波频率为40KHz波段。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字处理模块具体为：DSP处理器。

6.一种现场远距离自由拾音和扩音方法，其特征在于，用于权利要求1至5中任一项所述的装置，所述方法进一步包括：

通过麦克风拾取声音信号；

通过信号放大模块将所述声音信号进行放大，得到放大后的声音信号；

通过数字处理模块对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号；

通过超声波调制器将处理后的声音信号转换为超声波信号；

通过超声波驱动器发出所述超声波信号，其中，所述超声波信号经过空气自然解调为人耳可闻的音频信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过数字处理模块对放大后的声音信号进行数字音频处理，得到处理后的声音信号具体包括：

对放大后的声音信号进行电子分频、压限、数字参量均衡、自动噪音消除、自动增益控制、以及自动声反馈抑制，得到处理后的声音信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过超声波调制器将处理后的声音信号转换为超声波信号具体包括：

对处理后的声音信号进行超声波调制和超声波功率放大，转换为超声波信号。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述超声波调制器的载波频率为40KHz波段。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数字处理模块具体为：DSP处理器。

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