CN206948585U - 定向扬声器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可以方便对发声方向进行定向的定向扬声器系统，由轴向排列的多个扬声器单元所组成，所述扬声器单元与电子控制器相连接，通过所述电子控制器调节输入的音频信号从而实现改变声音指向性，以及改变声音的覆盖区域。通过电子控制器的DSP单元和FPGA单元对定向扬声器系统的多个扬声器单元输出的音频信号进行频率、相位、和幅度的综合控制，实现对沿柱状方向上的发声方向和角度控制，及远近聚集调节。此外通过电子调节随意改变声音的覆盖位置，可极大提高语言清晰度、节省扩声能量，并且可以简化安装施工、做到音响器材与环境的协调统一。

Description

定向扬声器系统

技术领域

本发明涉及声场控制技术领域,特别涉及一种定向扬声器系统。

背景技术

电声技术中，广泛应用着由许多发声单元组成的扬声器系统。发声单元数量多，可增加扩声声压级。现有扩声技术对增加扩声声压级已经非常容易，而对控制发声方向却处于前沿研究阶段。例如，一个大型的会议室，如果要向座位方向集中扩声，需要从多个方向安装扬声器系统，调整声音朝座位集中辐射，同时尽量减少其他方向的声音，避免扩声能量浪费。但是，多个扬声器系统代表多个发声点，发生方向不好控制，覆盖区域的声能不均匀，无法做到准确覆盖，导致语言清晰度差。此外，扬声器系统除了向座位集中辐射，其他发声方向的声能需要衰减，因为射向天花板的声音是无用的，造成扩声能量浪费。不但如此，无用的声音会在空中混响，使声音清晰度下降，需要对扩声环境增加吸声处理才能收听清楚，而吸声处理的造价为扩声系统的许多倍，且吸声与环境协调也非常难办。在室外，射向上方的声音会传播很远，造成声污染。总之，在各种扩声场合，如果能控制好发声方向，同时尽量减少声源个数，则可有效提高音质，并大幅度降低投资，减少建筑声学处理的麻烦。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明的目的在于提供一种可以方便对发声方向进行定向的定向扬声器系统，由轴向排列的多个扬声器单元所组成，所述扬声器单元与电子控制器相连接，通过所述电子控制器调节输入的音频信号从而实现改变声音指向性，以及改变声音的覆盖区域。

优选地，通过所述电子控制器调节所述输入音频信号的相位，从而实现改变声音的指向性，以及改变声音的覆盖区域。

优选地，所述电子控制器包括：

音频输入单元，所述音频输入单元的输入端用于接收输入的模拟音频信号；

ADC单元，所述ADC单元的输入端与所述音频输入单元的输出端相连接，用于将从所述音频输入单元的输出端所输出的所述模拟音频信号转换为对应的数字音频信号；

前级DSP单元，所述前级DSP单元的输入端与所述ADC单元的输出端相连接，用于对所述数字音频信号进行频率特性补偿，并对所述数字音频信号的音效进行控制；

FPGA单元，所述FPGA单元的输入端与所述前级DSP单元的输出端相连接，并且根据所述扬声器单元的个数设定所述FPGA单元的输出端的个数，所述FPGA单元的输出端与所述扬声器单元一一对应，用于对经过所述前级DSP单元处理过的所述所述数字音频信号进行插值运算，从而提高所述数字音频信号的采样频率以及量化精度，对所述数字音频信号进行相移控制；

DSP单元，所述DSP单元的输入端与所述FPGA单元的输出端相连接，用于对经过所述FPGA单元处理过的所述数字音频信号进行谱幅控制，频带相位控制；

D－AMP单元，所述D－AMP单元的输入端与所述DSP单元的输出端相连接，用于对经过所述DSP单元处理过的所述数字音频信号进行放大处理，从而驱动与所述D－AMP单元的输出端所连结的所述扬声器单元。

优选地，所述前级DSP单元包括：

FFT处理模块，用于对所述数字音频信号进行快速傅立叶变换；

频率补偿模块，用于将进行了所述快速傅立叶变换的所述数字音频信号进行频率补偿；

效果处理模块，用于将进行了所述频率补偿的所述数字音频信号进行效果处理。

优选地，所述DSP单元包括：

谱幅控制模块，用于对经过所述FPGA单元处理过的所述数字音频信号进行谱幅控制；

频带相位控制模块，用于对经过所述谱幅控制模块处理过的所述数字音频信号进行频带相位控制；

逆FFT处理模块，用于对经过所述频带相位控制模块处理过的所述数字音频信号进行进行快速逆傅立叶变换。

优选地，所述扬声器单元的外壳后部为子弹头形状。

优选地，所述D－AMP单元为数字功放。

本发明通过电子控制器利用DSP单元和FPGA单元对定向扬声器系统的多个扬声器单元输出的音频信号进行频率、相位、和幅度的综合控制，实现对沿柱状方向上的发声方向和角度控制，及远近聚集调节。

并且本发明中，利用FPGA单元和DSP单元对音频信号进行相移控制，可以方便对声柱的发声方向，即声波的主瓣方向和宽度进行调节。通过调整各扬声器单元的音频信号的同频率的延时量，如令其具有间隔相等的延时量，可形成具有一定偏移角度的直线形的波阵面；而令其具有间隔不等的延时量，可以得到声环，声圆等不同形状的波阵面，形成类似光学上光环和光圆的效果，以对声波主瓣的宽度进行调节，方便地实现了沿其柱状方向上的声音发声方向的控制。

附图说明

图1为本发明定向扬声器系统的声柱轴向声波波束示意图；

图2为本发明定向扬声器系统的声柱斜向声波波束示意图；

图3为本发明定向扬声器系统的电子控制器的功能模块示意图；

图4为本发明定向扬声器系统的声波主瓣聚焦形成声圆波阵面示意图；

图5为本发明定向扬声器系统的声波主瓣散焦形成声环波阵面示意图；

图6为本发明定向扬声器系统的前级DSP单元的功能模块示意图。

图7为本发明定向扬声器系统的DSP单元的功能模块示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和图2，图1为本发明定向扬声器系统的声柱轴向声波波束示意图，图2为本发明定向扬声器系统的声柱斜向声波波束示意图。如图1和图2所示，本发明定向扬声器系统由轴向排列的多个扬声器单元所组成，并且所述扬声器单元与如图3所示的电子控制器相连接，通过所述电子控制器调节输入的音频信号可以方便对扬声器系统发出的声波的方向，即声波主瓣方向和宽度进行调节。

以图1和图2所示的定向扬声器系统的5个扬声器单元(从右至左依次为1至5号)为例，1号单元延时为0t，即不延时，5号单元延时最长为4t。1号单元发出的声波经过4ct长的距离、2号单元发出的声波经过3ct、3号单元发出的声波经过2ct、与5号单元发出的声波同时到达波阵面，沿波阵面扩散开去，形成声波主瓣。由图2示意可得到主瓣的偏转角θ为：

θ＝arcsin(ct/l)

式中，c为声速，t和l分别是相邻两个扬声器单元之间的延时量和距离。

当依次馈给各扬声器单元的音频信号的延时间隔相等时，得到直线的波阵面。改变各个FPGA单元不同的延时量，可得到凸弧、凹弧等不同形状的波阵面，形成类似光学上聚焦或散焦的效果，进而可调节声波主瓣的宽度。此外，可将不同频段的声波以不同的波阵面辐射，令低频有一定程度的聚焦、高频有一定程度的散焦，令不同频率的辐射角更接近的目的，从而达到如图4和图5所示的恒指向性。

通过上述方式，即利用电子控制器对定向扬声器系统的多个扬声器单元输出的音频信号进行频率、相位、和幅度的综合控制，实现对沿柱状方向上的发声方向和角度控制，及远近聚集调节。

进一步，所述定向扬声器系统，通过所述电子控制器调节所述输入音频信号的相位，即利用延时调节对输入的音频信号进行延时控制，可以方便对所述定向扬声器系统中的每个扬声器单元的发声进行控制，从而实现对扬声器排列方向上的三维调节，即声波主瓣方向和宽度进行调节。

通过上述方式，即利用电子控制器对定向扬声器系统的多个扬声器单元输出的音频信号进行相移控制，可以方便对声柱的发声方向，即声波的主瓣方向和宽度进行调节。通过调整各扬声器单元的音频信号的同频率的延时量，如令其具有间隔相等的延时量，可形成具有一定偏移角度的直线形的波阵面；而令其具有间隔不等的延时量，可以得到声环，声圆等不同形状的波阵面，形成类似光学上光环和光圆的效果，以对声波主瓣的宽度进行调节，方便地实现了沿其柱状方向上的声音发声方向的控制。

所述定向扬声器系统可广泛应用于竞技场馆及各类会议室。此外通过电子调节随意改变声音的覆盖位置，可极大提高语言清晰度、节省扩声能量，并且可以简化安装施工、做到音响器材与环境的协调统一。

进一步，参照图3，所述电子控制器包括：音频输入单元，所述音频输入单元的输入端用于接收输入的模拟音频信号；ADC单元，所述ADC单元的输入端与所述音频输入单元的输出端相连接，用于将从所述音频输入单元的输出端所输出的所述模拟音频信号转换为对应的数字音频信号；前级DSP单元，所述前级DSP单元的输入端与所述ADC单元的输出端相连接，用于对所述数字音频信号进行频率特性补偿，并对所述数字音频信号的音效进行控制；FPGA单元，所述FPGA单元的输入端与所述前级DSP单元的输出端相连接，并且根据所述扬声器单元的个数设定所述FPGA单元的输出端的个数，所述FPGA单元的输出端与所述扬声器单元一一对应，用于对经过所述前级DSP单元处理过的所述所述数字音频信号进行插值运算，从而提高所述数字音频信号的采样频率以及量化精度，对所述数字音频信号进行相移控制；DSP单元，所述DSP单元的输入端与所述FPGA单元的输出端相连接，用于对经过所述FPGA单元处理过的所述数字音频信号进行谱幅控制，频带相位控制；D－AMP单元，所述D－AMP单元的输入端与所述DSP单元的输出端相连接，用于对经过所述DSP单元处理过的所述数字音频信号进行放大处理，从而驱动与所述D－AMP单元的输出端所连结的所述扬声器单元。

利用FPGA单元和DSP单元对音频信号进行相移控制，可以方便对声柱的发声方向，即声波的主瓣方向和宽度进行调节。通过调整各扬声器单元的音频信号的同频率的延时量，如令其具有间隔相等的延时量，可形成具有一定偏移角度的直线形的波阵面；而令其具有间隔不等的延时量，可以得到声环，声圆等不同形状的波阵面，形成类似光学上光环和光圆的效果，以对声波主瓣的宽度进行调节，方便地实现了沿其柱状方向上的声音发声方向的控制。

进一步，参照图6，所述前级DSP单元包括：FFT处理模块，用于对所述数字音频信号进行快速傅立叶变换；频率补偿模块，用于将进行了所述快速傅立叶变换的所述数字音频信号进行频率补偿；效果处理模块，用于将进行了所述频率补偿的所述数字音频信号进行效果处理。

所述电子控制器中的所述前级DSP单元，其输入端分别连接ADC单元的输出端，输出端连接FPGA单元的输入端，可对音频信号进行频率特性补偿，并可对常用的音效进行控制；

进一步，参照图7，所述DSP单元包括：谱幅控制模块，用于对经过所述FPGA单元处理过的所述数字音频信号进行谱幅控制；频带相位控制模块，用于对经过所述谱幅控制模块处理过的所述数字音频信号进行频带相位控制；逆FFT处理模块，用于对经过所述频带相位控制模块处理过的所述数字音频信号进行进行快速逆傅立叶变换。

所述电子控制器中的所述前级DSP单元，其输入端连接FPGA单元的输出端，其输出端连接所述D－AMP单元的输入端，可对音频信号进行频率特性补偿，并可以方便对定向扬声器系统发出的声波的方向，即声波主瓣方向和宽度进行调节，以及对常用的音效进行控制。

进一步，所述的扬声器单元的外壳后部为子弹头形状。通过将扬声器单元的外壳后部设计为子弹头形状，可以避免阻挡后面单元的声波。

进一步，所述D－AMP单元为数字功放。通过采用数字功放，可以使音频信号的还原更为真实。

需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块单元或各步骤可以用通用的计算装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种定向扬声器系统，由轴向排列的多个扬声器单元所组成，其特征在于，所述扬声器单元与电子控制器相连接，通过所述电子控制器调节输入的音频信号从而实现改变声音指向性，以及改变声音的覆盖区域。

2.根据权利要求1所述的定向扬声器系统，其特征在于，通过所述电子控制器调节所述输入音频信号的相位，从而实现改变声音的指向性，以及改变声音的覆盖区域。

3.根据权利要求1或2所述的定向扬声器系统，其特征在于，所述电子控制器包括：

音频输入单元，所述音频输入单元的输入端用于接收输入的模拟音频信号；

ADC单元，所述ADC单元的输入端与所述音频输入单元的输出端相连接，用于将从所述音频输入单元的输出端所输出的所述模拟音频信号转换为对应的数字音频信号；

前级DSP单元，所述前级DSP单元的输入端与所述ADC单元的输出端相连接，用于对所述数字音频信号进行频率特性补偿，并对所述数字音频信号的音效进行控制；

FPGA单元，所述FPGA单元的输入端与所述前级DSP单元的输出端相连接，并且根据所述扬声器单元的个数设定所述FPGA单元的输出端的个数，所述FPGA单元的输出端与所述扬声器单元一一对应，用于对经过所述前级DSP单元处理过的所述数字音频信号进行插值运算，从而提高所述数字音频信号的采样频率以及量化精度，对所述数字音频信号进行相移控制；

DSP单元，所述DSP单元的输入端与所述FPGA单元的输出端相连接，用于对经过所述FPGA单元处理过的所述数字音频信号进行谱幅控制，频带相位控制；

D－AMP单元，所述D－AMP单元的输入端与所述DSP单元的输出端相连接，用于对经过所述DSP单元处理过的所述数字音频信号进行放大处理，从 而驱动与所述D－AMP单元的输出端所连结的所述扬声器单元。

4.根据权利要求3所述的定向扬声器系统，其特征在于，所述前级DSP单元包括：

FFT处理模块，用于对所述数字音频信号进行快速傅立叶变换；

频率补偿模块，用于将进行了所述快速傅立叶变换的所述数字音频信号进行频率补偿；

效果处理模块，用于将进行了所述频率补偿的所述数字音频信号进行效果处理。

5.根据权利要求3所述的定向扬声器系统，其特征在于，所述DSP单元包括：

谱幅控制模块，用于对经过所述FPGA单元处理过的所述数字音频信号进行谱幅控制；

频带相位控制模块，用于对经过所述谱幅控制模块处理过的所述数字音频信号进行频带相位控制；

逆FFT处理模块，用于对经过所述频带相位控制模块处理过的所述数字音频信号进行进行快速逆傅立叶变换。

6.根据权利要求3所述的定向扬声器系统，其特征在于，所述扬声器单元的外壳后部为子弹头形状。

7.根据权利要求3所述的定向扬声器系统，其特征在于，所述D－AMP单元为数字功放。