CN206790693U

CN206790693U - 用于展会广播的声波相控阵系统

Info

Publication number: CN206790693U
Application number: CN201720377133.XU
Authority: CN
Inventors: 骆鹏; 龙文杰; 周天驰; 徐华峰; 杨小雪
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2027-04-12

Abstract

本实用新型公开了一种用于展会广播的声波相控阵系统，包括声音信号发生器、声音信号处理器，所述展会设有M(M≥2)个需要播放不同广播的展示区；还包括相控阵喇叭单元，所述相控阵喇叭单元包括支架以及与支架连接的扬声器组；所述扬声器组包括L个呈直线排列的扬声器；所述声音信号发生器为可同时发送N(N≥M)个输入波束给声音信号处理器的声音信号发生器；所述声音信号处理器包括L路与所述L个扬声器一一对应的声音信号处理单元，所述声音信号处理单元将每个输入波束转化为PWM波并传输给对应的扬声器；所述声音信号处理单元还包括对所述PWM波的幅值和相位分别进行加权和移相的加权移相处理器。

Description

用于展会广播的声波相控阵系统

技术领域

本实用新型涉及声音传输技术领域，具体而言，涉及用于展会广播的声波相控阵系统。

背景技术

现有声波相控阵一般为医用相控阵和广播相控阵。

医用相控阵体积较小，功率小，价格昂贵，一般用于B超，作为信号发射源等。医用相控阵只工作在几个点频，整个过程中探头没有位置的改变，但是能够通过相位改变扫描的角度，可以覆盖一个扇形区域，但不能精细地对一个完整地频段做覆盖。此外，医用相控阵的功率较小，声波在空间内的衰减会导致其极为有限的传输距离。

广播相控阵体积庞大，功率较大，但阵子数目较少(一般为少于5个)，一般用于战时广播、体育场扩音等。这种相控阵聚焦性较差，发射的波束主瓣过宽，无法精确聚焦到一个窄角度内。例如在展会中，通常设有多个展示区，每个展示区通常播放各自的宣传广播，由于相邻宣传广播的相互干扰，使得整个展会展区产生严重的噪声，让人感到非常不适。同时，展区进行广播通知时，每个展示区都能够同时听到广播内容，而不能有效地针对某一个需要被通知的展示区。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种用于展会广播的声波相控阵系统，以解决现有技术中的广播相控阵系统存在的聚焦性差和体积不相匹配的问题。

为了实现上述目的，提供了一种用于展会广播的声波相控阵系统。该用于展会广播的声波相控阵系统包括声音信号发生器、声音信号处理器，所述展会设有M(M≥2)个需要播放不同广播的展示区；还包括相控阵喇叭单元，所述相控阵喇叭单元包括支架以及与支架连接的扬声器组；所述扬声器组包括L个呈直线排列的扬声器；所述声音信号发生器为可同时发送N(N≥M)个输入波束给声音信号处理器的声音信号发生器；所述声音信号处理器包括L路与所述L个扬声器一一对应的声音信号处理单元，所述声音信号处理单元将每个输入波束转化为PWM波并传输给对应的扬声器；所述声音信号处理单元还包括对所述PWM波的幅值和相位分别进行加权和移相的加权移相处理器；所述L个扬声器输出的PWM波相互叠加为N个幅值和传播方向不相同的输出波束，每个展示区被至少一个输出波束所覆盖；其中，45≤L≤55。

L个扬声器输出的波相互叠加形成相控阵喇叭单元的输出波束，通过对每个扬声器输出的波的相位进行移相处理，即可改变最终相控阵输出波束的传播方向，使得相控阵喇叭单元可以有针对性地分别播放属于每个展示区的输出波束并将该输出波束沿一定角度传输给该展示区，可以使每个展示区的用户能够更清晰的听到各自的宣传广播，在很大程度上削弱相邻展示区的宣传广播声音。通过对每个扬声器输出的波的幅值进行加权处理，使得扬声器输出的波的聚焦性更好，可以使得整个相控阵系统输出波束的主旁瓣比不随生产过程中的误差而剧烈变化。因为使用了PWM波输出，相比并行输出极大的节省了引脚，使得单芯片处理器方案成为了可能。

本实用新型的声波相控阵系统具有45≤L≤55个阵子(即扬声器)，经验证，当扬声器的个数高于上述数值范围时，会导致相控阵喇叭单元的体积较大，而当扬声器的个数低于上述数值范围时，扬声器输出的波的聚焦性就显著降低；综上，具有上述数量的扬声器的相控阵喇叭单元，可以在保证加权处理后的波的聚焦性的前提下还拥有较小的体积，使得整个系统保持较高的鲁棒性。优选地，所述L＝49。

进一步地，在所述声音信号处理器与所述相控阵喇叭单元之间设有声音信号功率放大器。由此，提供更加良好的音质输出。

进一步地，所述声音信号处理器为FPGA、CPLD或单片机。由此，实现快速、高效的运转。

进一步地，所述加权移相处理器为FIR滤波器。由此，实现保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。

进一步地，所述声音信号发生器包括依次连接的麦克风、放大电路和模/数转换器；或所述声音信号发生器包括声音信号存储介质和数字码流输出器。由此，实现多种方式的声音信号的输出。

进一步地，相邻扬声器的间距为9-11cm；每个扬声器的自身功率偏差≤0.7dB。由此，通过采用合适的阵子间距，保证了输出波束聚焦的频率范围，使得声音最大可能的保真，输出更加良好的音质。

进一步地，所述展示区呈直线型分布，所述扬声器组与展示区的排列方向相平行。由此，更便于控制相控阵喇叭单元的输出波束的角度。

进一步地，所述展示区呈弧形分布，所述扬声器组的中心与所述弧形的圆心的连线垂直于展示区和扬声器组。由此，更便于控制相控阵喇叭单元的输出波束的角度。

进一步地，所述扬声器组与展示区的高度差≥10m。由此，更便于控制相控阵喇叭单元的输出波束的角度。

可见，本实用新型兼顾了功率与聚焦性，可以在商品展会、招聘展会等场合使用。与单个扬声器相比，本设计无需改变扬声器组的位置和朝向即可改变相控阵喇叭单元输出波束的方向，使得相控阵可以有针对性地分别播放属于每个展示区的输出波束并将该输出波束沿一定角度传输给该展示区，可以使每个展示区的用户能够更清晰的听到各自的宣传广播，在很大程度上削弱相邻展示区的宣传广播声音。通过对每个扬声器输出的波的幅值进行加权处理，显著提升扬声器输出的波的聚焦性，可以使得整个相控阵系统输出波束的主旁瓣比不随生产过程中的误差而剧烈变化，有助于减小系统的体积。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来辅助对本实用新型的理解，附图中所提供的内容及其在本实用新型中有关的说明可用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的用于展会广播的声波相控阵系统的原理图。

图2为本实用新型的相控阵喇叭单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。在结合附图对本实用新型进行说明前，需要特别指出的是：

(1)本实用新型中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

(2)下述说明中涉及到的本实用新型的实施例通常仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

(3)关于对本实用新型中术语的说明。本实用新型的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“第一”、“第二”等是用于区别容易引起混同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“相控阵”是指通过波的叠加实现波的定向传输的系统。术语“主旁瓣比”是指相控阵输出波束的主瓣和旁瓣的比值，是一个用于衡量相控阵的性能的参数。术语“FPGA”是指现场可编程门阵列。术语“PWM”是指脉冲宽度调制。术语“FIR滤波器”是指有限长单位冲激响应滤波器。术语“加权”表示对每个扬声器输出的波的幅值乘以对应的加权系数。术语“移相”表示根据相控阵需要发射波束的输出角度改变每个扬声器输出的波的相位。

如图1所示的用于展会广播的声波相控阵系统包括声音信号发生器、声音信号处理器、声音信号功率放大器和相控阵喇叭单元4；所述展会设有M(M≥2)个需要播放不同广播的展示区。

所述声音信号发生器为可同时发送N(N≥M)个输入波束给声音信号处理器的声音信号发生器，包括声音信号存储介质和数字码流输出器；

所述相控阵喇叭单元4包括支架42以及与支架42连接的扬声器组41；所述扬声器组41包括49个呈直线排列的扬声器410，相邻扬声器410的间距为10cm；每个扬声器410的自身功率偏差≤0.7dB；所述声音信号处理器为FPGA，包括49路与所述49个扬声器410一一对应的声音信号处理单元，所述声音信号处理单元将每个输入波束转化为PWM波并传输给对应的扬声器；49个扬声器410的PWM波相互叠加为N个幅值和传播方向不相同的输出波束，每个展示区被至少一个输出波束所覆盖；

所述声音信号处理单元还包括对所述PWM波的幅值和相位分别进行加权和移相的加权移相处理器，所述加权移相处理器为FIR滤波器。

如图2所示(49个扬声器未全部示出)，使用该声波相控阵的展会包括3个(即M＝3)呈直线排列的展示区，分别为第一展示区1、第二展示区2和第三展示区3，所述扬声器组41与展示区的中心线平行。所述扬声器组41与展示区的高度差为10m。需要将相控阵喇叭单元4使用到如下情形中：相控阵喇叭单元4摆放完毕后测量获得第一展示区1所需的波束输出角度A为-40°～0°，第二展示区2所需的波束输出角度B为0°～10°，第三展示区3所需的波束输出角度C为10°～40°，且第二展示区2的用户为自己展示区角度的声音覆盖支付了明显更多的资金，要求加大自己的音量，第三展示区3的用户为自己展示区角度的声音覆盖支付了明显更少的资金，不需求大音量。第一展示区1、第二展示区2和第三展示区3的声音信号分别为g₁(t)、g₂(t)、g₃(t)。其中，波束输出角度为扬声器组41中心和每个展示区的连线与扬声器组41的中垂线之间的夹角。

本实施例的声波相控阵系统具有八个(即N＝8)等功率的可操控波束，则FIR滤波器有八组输入量，每组输入量包括输入的声音信号f_i(t)和需要输出的角度θ_i。假设加权系数按照扬声器的排列顺序依次记为A₁-A₄₉，FIR滤波器的最大输出值为1，则第i个波束在第n(1≤n≤49)个扬声器410上的输出为由于输出没有饱和，线性系统满足叠加原理，该扬声器410的输出为

如果我们将输入的声音信号f_i(t)分配给g₁(t)、g₂(t)、g₃(t)，那么用户只需要做如下八组参数设定即可：

f₁(t)＝g₁(t)，θ₁＝-35°；f₂(t)＝g₁(t)，θ₂＝-25°；f₃(t)＝g₁(t)，θ₃＝-15°；

f₄(t)＝g₁(t)，θ₄＝-5°；

f₅(t)＝g₂(t)，θ₅＝5°；f₆(t)＝g₂(t)，θ₆＝5°；f₇(t)＝g₂(t)，θ₇＝5°

f₈(t)＝g₃(t)，θ₈＝25°；

其中，θ₁～θ₄在-40°～0°内均匀选取即可，θ₅～θ₇在0°～10°内均匀选取即可，θ₈为10°～40°的中间值。

前四组设置分配了四个输出波束给第一展示区，且在角度上均匀分布，保证了空间上很长的第一展示区1内部不会有太大的音量差异；第五到第七组设置分配了三个输出波束给第二展示区2，满足了第二展示区2对音量的需求，由于第二展示区2太窄，无需使用不同的角度参数；最后一组设置分配了一个输出波束给第三展示区3，提供了廉价的服务。

按照直线排列顺序，从第一个扬声器410到第49个扬声器410的加权系数A₁-A₄₉依次为：0.300000、0.302994、0.311926、0.326642、0.346891、0.372326、0.402513、0.436933、0.475000、0.516061、0.559413、0.604316、0.650000、0.695684、0.740587、0.783939、0.825000、0.863066、0.897487、0.927674、0.953109、0.973358、0.988074、0.997006、1.000000、0.997006、0.988074、0.973358、0.953109、0.927674、0.897487、0.863067、0.825000、0.783939、0.740587、0.695684、0.650000、0.604316、0.559413、0.516061、0.475000、0.436934、0.402513、0.372326、0.346891、0.326642、0.311926、0.302994、0.300000。需要说明的是，当每个扬声器410所对应的加权系数在上述数值的基础上上下浮动10％以内，均能取得良好的加权效果。

Claims

1.用于展会广播的声波相控阵系统，所述声波相控阵系统包括声音信号发生器、声音信号处理器，所述展会设有M个需要播放不同广播的展示区，其特征在于：

还包括相控阵喇叭单元，所述相控阵喇叭单元包括支架以及与支架连接的扬声器组；所述扬声器组包括L个呈直线排列的扬声器；

所述声音信号发生器为可同时发送N个输入波束给声音信号处理器的声音信号发生器；

所述声音信号处理器包括L路与所述L个扬声器一一对应的声音信号处理单元，所述声音信号处理单元将每个输入波束转化为PWM波并传输给对应的扬声器；所述声音信号处理单元还包括对所述PWM波的幅值和相位分别进行加权和移相的加权移相处理器；

所述L个扬声器输出的PWM波相互叠加为N个幅值和传播方向不相同的输出波束，每个展示区被至少一个输出波束所覆盖；

其中，45≤L≤55，M≥2，N≥M。

2.如权利要求1所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：在所述声音信号处理器与所述相控阵喇叭单元之间设有声音信号功率放大器。

3.如权利要求1所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：所述声音信号处理器为FPGA、CPLD或单片机。

4.如权利要求1所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：所述加权移相处理器为FIR滤波器。

5.如权利要求1所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：所述声音信号发生器包括依次连接的麦克风、放大电路和模/数转换器；或所述声音信号发生器包括声音信号存储介质和数字码流输出器。

6.如权利要求1所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：相邻扬声器的间距为9-11cm；每个扬声器的自身功率偏差≤0.7dB。

7.如权利要求1所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：所述展示区呈直线型分布，所述扬声器组与展示区的排列方向相平行。

8.如权利要求1所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：所述展示区呈弧形分布，所述扬声器组的中心与所述弧形的圆心的连线垂直于展示区和扬声器组。

9.如权利要求7或8所述的用于展会广播的声波相控阵系统，其特征在于：所述扬声器组与展示区的高度差≥10m。