CN208707935U - 一种环屏扬声器阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种环屏扬声器阵列，包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)紧密均匀的分布在非透声材料屏幕的四周。本实用新型中使用非透声材料屏幕的四周紧密均匀分布多个扬声器子阵列的方案，解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题，使得非透声材料屏幕成为电影屏幕变得可行。

Description

一种环屏扬声器阵列

技术领域

本实用新型涉及一种环屏扬声器阵列。

背景技术

目前的数字影院还音系统是由：号角式主扩声扬声器系统、超低频扬声器、环绕扬声器、专业功放、数字影院处理器以及数字音频处理器组成，配合的视频放映系统为专业数字高分辨率投影机和专用的透声幕布。主要的投影机生产厂家为国外技术所垄断，分辨率一般为 2K(2048x1080)，放映机的发展趋势是分辨率逐渐由2K向4K(4096x2160) 提高。号角式主扩声扬声器系统+超低频扬声器一般是放在透声幕布后面工作。

今年来，随着国内LED大屏幕显示技术的不断提高，分辨率已完全可以达到专业数字高分辨率投影机的水平，同时屏幕的尺寸也可以不再受限制。市场急迫需要一款能配合LED大屏幕显示视频放映系统的数字影院还音系统。

传统电影院内的幕布屏幕所采用的材料是透声材料，号角式主扩声扬声器系统和超低频扬声器一般是放在透声幕布后面工作。但是当电影屏幕为LED屏幕等非透声材料时，传统的主声道的扩声系统就无法使用。采用扬声器阵列可以解决主声道的扩声问题，同时也拥有传统的主声道扩声系统难以实现的很多特点。传统的扩声系统，安装放置完成后，很难改变其指向性。

采用本实用新型的技术可以使扬声器在不改变位置的情况下，通过软件控制平台调整扬声器的指向性，并且可以生成与电影影像联动的虚拟声源，使整个观影区内的声像位置正确，取消最佳听音点，同时也可以对放映声环境不理想的电影院做声学补偿。这些均是传统环音系统系统无法实现的。

实用新型内容

本实用新型设计了一种环屏扬声器阵列，其解决了以下技术问题： (1)解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题。(2)传统的扬声器系统一旦安装完成后，声场的分布无法改变，并且观众区域声场分布不均匀，部分观众区域听感较差。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案：

一种数字影院还音系统，包括还音系统处理器，主声道DSP处理器、环绕声道DSP处理器、软件控制平台、功率放大器、环屏扬声器阵列(2)、超低频扬声器(3)、环绕扬声器组(4、5、6)，其特征在于：还音系统处理器解析处电影声音信号，使声音信号通过不同的声道进入主声道DSP处理器和环绕声道DSP处理器；通过软件控制平台对整体声场环境进行控制，对原有的电影院声场进行补偿，生成多种不同的虚拟声场环境。

进一步，所述环屏扬声器阵列(2)由中置上扬声器阵列、中置下扬声器阵列、左侧扬声器阵列和右侧扬声器阵列组成，中置上扬声器阵列为屏幕上方扬声器阵列；中置下扬声器阵列为屏幕下方的扬声器阵列；左侧扬声器阵列为屏幕左侧的扬声器阵列；右侧扬声器阵列为屏幕右侧的扬声器阵列，这四组扬声器阵列均由多个扬声器子阵列组成，以线性的形式排布在屏幕四周。

进一步，所述软件控制平台通过主声道DSP处理器和环绕声DSP 处理器联合控制，通过环屏扬声器阵列(2)对原有的电影院声场进行补偿，生成多种不同的虚拟声场环境；通过主声道DSP处理器能够对主声道的声场进行控制，使主声道的声音信号分布在不同的观众区域，同时形成多种声场的波束指向性；通过环绕声道DSP处理器能够对环绕声道的声场进行控制，使环绕声道的声音信号经过处理器后形成特定的空间感和包围感。

进一步，所述主声道DSP处理器对的声音信号进行特定的算法处理，处理的算法包括但不限于加权、滤波、延时等算法，能够在垂直和水平面形成不同的指向性；主声道DSP处理器有多路输入和多路输出，输出的声道数与环屏扬声器阵列(2)中单元的个数一致；中央声道的声音信号经过处理被分配为多个声道的声音信号，馈给中置上扬声器阵列和中置下扬声器阵列；左右声道的声音信号经过处理被分配为多个声道的声音信号，分别馈给左侧扬声器阵列和右侧扬声器阵列。

进一步，所述环绕声道DSP处理器对声音信号进行数字信号处理，处理的算法包括但不限于加权、滤波、延时等算法，通过所述算法对整体原声场环境进行补偿，并同时生成多种不同类型的虚拟声场；环绕声道DSP处理器为多路输入和多路输出，输出的声道数与环绕声扬声器的个数一致。

进一步，所述功率放大器负责对还音系统内所有扬声器的声音信号进行功率放大，功率放大器的总功率为所有扬声器所需的功率之和加3dB的功率余量。

进一步，每个所述扬声器子阵列(2)由单层或多层不同排列形状的换能器组成。

本实用新型中的换能器是指可以将任何其他形式的能量转换为声能的装置，包括但不限于现有的扬声器。

进一步，所述环绕扬声器组包括右环绕扬声器(4)、左环绕扬声器(5)以及后环绕扬声器(6)，右环绕扬声器(4)、左环绕扬声器 (5)以及后环绕扬声器(6)设置在所述非透声材料屏幕前方。

进一步，所述非透声材料屏幕为LED屏幕(1)或OLED屏幕及其他非透声材料屏幕。

一种数字影院还音系统的控制方法，包括以下步骤：使所述环屏扬声器阵列的声信号通过信号处理算法后，利用声波叠加原理，多个扬声器子阵列(2)发出的声波干涉后形成不同的指向性，指向特定的观众区域，并使扬声器阵列的覆盖角度改变，适应不同的电影放映环境。

一种数字影院还音系统的控制方法，包括以下步骤：通过算法改变扬声器子阵列(2)的声信号，使其等同于原声源在该位置产生的声场强度从而形成虚拟声源，重现原声场的时间和空间特性。

进一步，在非透声材料屏幕方向的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源，或者在非透声材料屏幕之外的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源。

该数字影院还音系统及其控制方法具有以下有益效果：

(1)通过软件控制平台对整体声场环境进行控制，使不同频段或不同信号形成不同的指向性，同时也可以生成虚拟声源，取消最佳听音点，生成多种不同的虚拟声场环境，适应不同的电影放映环境。

(2)本实用新型中使用非透声材料屏幕的四周紧密均匀分布多个扬声器子阵列的方案，解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题，使得非透声材料屏幕成为电影屏幕变得可行。

(3)本实用新型中环屏扬声器阵列容易与LED屏幕进行更好的适配，利于设备的安装，并且可以放置在户外，不受场地的限制。

(4)本实用新型扬声器阵列可以形成可调指向性，使声场的覆盖角度增加，在不改变设备位置的情况下，仅通过软件调节，可以使声场均匀的分布在不同的观众区域内，适应不同的电影放映环境，例如当观众区域为上下层或者其他有明显分区的环境时。

(5)本实用新型扬声器阵列可以在屏幕方向的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源。不受最佳听音位置的限制，无论观众处于哪个位置，声像位置总是正确的，不会随观众位置的改变而改变。虚拟声源的位置并不局限于屏幕区域内，而是根据电影内容进行适时调节，当 LED屏幕为裸眼3D时，可以实现音画一体的效果，增加观众的观影浸入感。

附图说明

图1：本实用新型环屏扬声器阵列的安装示意图；

图2：本实用新型扬声器子阵列的组合示意图；

图3：本实用新型扬声器子阵列的第一层换能器组示意图；

图4：本实用新型扬声器子阵列的第二层换能器组分布示意图；

图5：本实用新型扬声器子阵列的第三层换能器组分布示意图；

图6：本实用新型扬声器子阵列的多层换能器组组合的侧面示意图。

图7：本实用新型中环屏扬声器阵列虚拟运动声源示意图。

附图标记说明：

1—LED屏幕；2—扬声器子阵列；21—第一换能器组；22—第二换能器组；23—第三换能器组；3—超低频扬声器；4—右环绕扬声器；5 —左环绕扬声器；6—后环绕扬声器。

具体实施方式

下面结合图1至图7，对本实用新型做进一步说明：

一种数字影院还音系统，包括环屏扬声器阵列2、超低频扬声器3、环绕扬声器4、5、6、功率放大器、数字影院处理器、主声道DSP处理器、环绕声道DSP处理器以及软件控制平台等。环屏扬声器阵列2由多个扬声器子阵列2组成，多个扬声器子阵列2紧密均匀的分布在非透声材料屏幕的四周。

还音系统处理器解析处电影声音信号，使声音信号通过不同的声道进入主声道DSP处理器和环绕声道DSP处理器。通过软件控制平台对整体声场环境进行控制，对原有的电影院声场进行补偿，生成多种不同的虚拟声场环境。

软件控制平台通过主声道DSP处理器和环绕声DSP处理器联合控制，对原有的电影院声场进行补偿，生成多种不同的虚拟声场环境。通过主声道DSP处理器可以对主声道的声场进行控制，使主声道的声音信号分布在不同的观众区域，同时形成多种声场的波束指向性。通过环绕声道DSP处理器可以对环绕声道的声场进行控制，使环绕声道的声音信号经过处理器后形成特定的空间感和包围感。

主声道DSP处理器对的声音信号进行特定的算法处理，处理的算法包括但不限于加权、滤波、延时等算法，可以在垂直和水平面形成不同的指向性。主声道DSP处理器有多路输入和多路输出，输出的声道数与环屏扬声器阵列中单元的个数一致。中央声道的声音信号经过处理被分配为多个声道的声音信号，馈给中置扬声器阵列1和中置扬声器阵列2扬声器阵列。左右声道的声音信号经过处理被分配为多个声道的声音信号，分别馈给左侧扬声器阵列和右侧扬声器阵列。

环绕声道DSP处理器主要对声音信号进行数字信号处理，处理的算法包括但不限于加权、滤波、延时等算法，通过这些算法对整体原声场环境进行补偿，并同时生成多种不同类型的虚拟声场。环绕声道DSP 处理器为多路输入，多路输出，输出的声道数与环绕声扬声器的个数一致。

功率放大器负责对还音系统内所有扬声器的声音信号进行功率放大，功率放大器的总功率为所有扬声器所需的功率之和加3dB的功率余量。

环屏扬声器阵列2、超低频扬声器3、环绕扬声器4、5、6在影院内的具体放置位置如图2所示。环绕扬声器包括右环绕扬声器4、左环绕扬声器5以及后环绕扬声器6，右环绕扬声器4、左环绕扬声器5以及后环绕扬声器6设置在非透声材料屏幕前方。

如图3，所示环屏扬声器阵列2如图由中置扬声器阵列1和中置扬声器阵列2,左侧扬声器阵列和右侧扬声器阵列组成，中置扬声器阵列 1为屏幕上方扬声器阵列；中置扬声器阵列2为屏幕下方的扬声器阵列；左侧扬声器阵列为屏幕左侧的扬声器阵列；右侧扬声器阵列为屏幕右侧的扬声器阵列。这四组扬声器阵列均由多个扬声器子阵列组成，以线性的形式排布在屏幕四周。

传统的电影院还音系统中主声道中的中置声道的声像无法改变，在本实用新型中可以利用上侧扬声器阵列与下侧扬声器阵列的声能比和阵列的指向性改变中置声道的声像位置。例如：电影院内部声学环境为理想的情况下，当上侧扬声器阵列与下侧扬声器阵列的指向性为同一区域时，声能比为1：1时，声像位置在中间区域，增加上侧扬声器阵列，声像位置可以向上移动。因此可以通过调节声能比和指向性可以使声像位置移动到理想位置。

一种环屏扬声器阵列，包括多个扬声器子阵列2，多个扬声器子阵列2紧密均匀的分布在非透声材料屏幕的四周。非透声材料屏幕为LED 屏幕1或OLED屏幕。

每个扬声器子阵列2由多层不同排列形状的换能器组成。每个扬声器子阵列2由三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组21，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组22，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组23，其负责处理声音信号的高频段。第一换能器组21采用1个的换能器，第二换能器组22采用4个的换能器，第三换能器组23采用9个换能器并排列成十字形。

所述扬声器子阵列2中，第一换能器组21采用1个的换能器直径为d，第二换能器组22中的换能器直径为d/2,第三换能器组23中换能器的直径为d/5；

每个扬声器子阵列2由单层换能器组成时,采用全频的声音信号处理方式，第一换能器组21负责声音信号的全频段；

每个扬声器子阵列2由两层换能器组成时，采用两分频的声音信号处理方式，下层的第一换能器组21负责声音信号的低频段，上层的第二换能器组23负责声音信号的高频段，低频段与高频段的分频点f1 宜满足以下条件：

其中v为声速；

或者，每个扬声器子阵列2由三层换能器组成时，采用三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组21，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组22，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组23，其负责处理声音信号的高频段。

低频段与中频段的分频点f2宜满足以下条件：

中频段与高频段的分频点f3宜满足以下条件：

同一组换能器组中的换能器的相位一致，灵敏度、尺寸、额定功率相同。

本实用新型数字影院还音系统的控制方法，工作原理如下：基于 DSP处理技术，使所述环屏扬声器阵列的声信号通过加权、延迟或滤波算法后，利用声波叠加原理，多个扬声器子阵列2发出的声波叠加后，使不同频段或不同信号形成不同的指向性，也可以使扬声器阵列的覆盖角度增加，观众区域内声场分布均匀，适应不同的电影放映环境。通过所述算法的调整，调整多个扬声器子阵列2的指向性和声场分布。

扬声器阵列可以在不同的频段形成不同的指向性，如图7所示，通过控制高频单元可以使扬声器阵列在高频段形成特定的指向性，这时阵列可以在屏幕的上下左右四个方向上均实现分频段指向性。低频段指向性的调整角度为θ₁，中频段指向性的调整角度为θ₂，高频段指向性的调整角度为θ₃,负责低频段第一换能器组21中各换能器的延时单元为t₁，负责中频段的第二换能器组22中换能器的延时单元为t₂，负责高频段的第三换能器组22中换能器的延时单元为t₃，v为声速则：

例如：屏幕左侧扬声器阵列低频段需要向下调整角度为θ₁，则自下而上，第一个单元的延时为0，第二个单元的延时t₁,第三个单元的延时位2t₁，第N个单元的延时为(N-1)t₁。

扬声器阵列可以使不同信号形成不同的指向性，因为扬声器阵列为三分频信号处理，不同的信号首先通过滤波分为低频信号，中频信号，高频信号。对不同信号的不同频段进行上述时延算法处理后，在同一频段上对不同信号进行叠加，然后馈入扬声器阵列中各换能器单元。例如：两个信号分别为信号1，信号2，首先分别对信号1和信号 2做滤波处理后信号分为信号1低频段，信号1中频段，信号1高频段，信号2低频段，信号2中频段，信号2高频段，然后对这六组信号按照上述指向性调整算法做延时处理，每个信号形成与换能器总数一样多的声道，共形成换能器总数两倍的声道数，每两个声道对应同一换能器，最后同一换能器所对应的两个声道做叠加处理并馈给该换能器。

本实用新型环屏扬声器阵列与屏幕影像配合的控制方法，工作原理如下：通过算法改变扬声器子阵列2的声信号，使其等同于原声源在该位置产生的声场强度从而形成虚拟声源，重现原声场的时间和空间特性。在非透声材料屏幕方向的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源，或者在非透声材料屏幕之外的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源。

假设虚拟声源为S，虚拟声源信号的傅里叶变换为S(w)，首先对信号进行滤波处理，得到三个频段的信号S₁(w)为低频段，S₂(w)为中频段，S₃(w)为高频段。第一层换能器的驱动信号为D₁(a),第二层换能器的驱动信号为D₂(a)，第三层换能器的驱动信号为D₃(a)。其中：a代表换能器的不同位置。第一层换能器距第二层换能器的距离为 L₁，第一层换能器距第三层换能器的距离为L₂.虚拟声源在扬声器阵列的后方并距扬声器阵列中第一层换能器的法线距离为y₁,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列中第一层换能器距听音者的法线距离为y₂, 虚拟声源距离换能器的直线距离为r₁，j代表虚数，w为角频率，e为自然对数；v表示声速则：

扬声器阵列不仅可以形成阵列后方的虚拟声源，也可以形成阵列前方的聚焦声源，这样就可以使虚拟声源实现不同纵深。具体方法如下：虚拟声源在扬声器阵列的前方并距扬声器阵列的法线距离为y₃,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列距听音者的法线距离为y₄,虚拟声源距离换能器的直线距离为r₂。

扬声器阵列不仅可以形成阵列后方的虚拟声源，也可以形成阵列前方的聚焦声源，这样就可以使虚拟声源实现不同纵深。具体方法如下：第一层换能器的驱动信号为Q₁(a),第二层换能器的驱动信号为 Q₂(a)，第三层换能器的驱动信号为Q₃(a)。其中a代表换能器的不同位置。第一层换能器距第二层换能器的距离为L₁，第一层换能器距第三层换能器的距离为L₂.虚拟声源在扬声器阵列的前方并距扬声器阵列中第一层换能器的法线距离为y₃,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列中第一层换能器距听音者的法线距离为y₄,其中y₄>y₃，虚拟声源距离换能器的直线距离为r₂。v表示声速则：

其中Q^*(a)代表Q(a)的共轭。

通过对虚拟声源信号做上述的处理可以实时改变虚拟声源的位置，就可以形成虚拟运动声源。虚拟声源1和虚拟声源2在屏幕的上下左右前后不同位置实时运动，虚拟声源的运动位置应与电影影像中的运动状态保持一致，这样可以使声音和画面产生联动性，形成双3D的逼真观影感。

扬声器阵列不仅可以实现单一的虚拟声源，也可以同时实现该虚拟声源的反射声，只需在不同的位置形成与该虚拟声源相同信号的虚拟声源。此时信号幅度衰减了β倍，换能器的驱动信号J(a)与原虚拟声源的关系为：

β(w)为与反射声频率和反射系数有关的函数，通过形成不同位置的反射声可以使观众增加空间感和距离感。当形成的多个不同位置，特定衰减的反射声时，可以使观众感到虚拟声源有混响感，形成可变的混响声。

这种方法不受最佳听音位置的限制，无论观众处于哪个位置，声像位置总是正确的，不会随观众位置的改变而改变。并且与电影画面内容相结合，增加观众的观影临场感和浸入感。同时可对声环境不佳的电影院做声学补偿，这些均为原电影还音时无法产生的达到的效果。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周。

2.根据权利要求1所述环屏扬声器阵列，其特征在于：每个所述扬声器子阵列(2)由一层或多层不同排列形状的换能器组成。

3.根据权利要求2所述环屏扬声器阵列，其特征在于：第一换能器组(21)采用1个的换能器，第二换能器组(22)采用4个的换能器，第三换能器组(23)采用9个换能器并排列成十字形。

4.根据权利要求3所述环屏扬声器阵列，其特征在于：三层换能器组的中心位置为同一位置，均为第一换能器组的中心点。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述环屏扬声器阵列，其特征在于：所述非透声材料屏幕为LED屏幕(1)或OLED屏幕及其它自发光屏幕。