CN210958766U - 一种可调声波扬声器系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种可调声波扬声器系统，属于扬声器技术领域。该系统包括：带通滤波器、多路分频单元、N个多路延时移相单元以及扬声器阵列；带通滤波器用于过滤掉输入信号中频段在第一数值以下以及第二数值以上的信号，得到可听声信号；多路分频单元用于按照指定频段对可听声信号进行分频，得到N路分频子信号；每一个多路延时移相单元用于对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，得到M路延时移相信号；扬声器阵列包括N*M个扬声器单元，每一个扬声器单元对应一个延时移相信号。该系统利用声频波束的相控偏转原理，来实现声波指向性调整或可变向定向广播，以改善现目前所采用的方法所存在的效率低，以及不易实现的缺陷。

Description

一种可调声波扬声器系统

技术领域

本申请属于扬声器技术领域，具体涉及一种可调声波扬声器系统。

背景技术

现有扬声器系统(音箱)如果需要进行声波指向性调整或可变向定向广播，往往需要改变扬声器系统的摆放位置或朝向，对于放置在广场、大厅等特殊场所的扬声器系统要完成这个过程，实现起来就比较困难，因为这些扬声器系统往往置于高处，因此往往既费时又费力，这是其一，其二对于工程施工来说，普通扬声器系统的安装，在声场调试过程中存在较多困难，因为它对扬声器系统摆放或朝向有较高要求。

现有技术中，要实现指向性调整或可变向定向广播，可以采用声波调制超声波的定向广播来实现指向性调整或可变向定向广播，其利用超声波的定向传播实现定向传播，再利用超声波传播一定距离后会通过空气自解调还原声波，实现定向广播，但是这种方法效率较低，空间超声波污染也较严重。另外它要实现随时指向性可调还是比较困难的。

实用新型内容

鉴于此，本申请的目的在于提供一种可调声波扬声器系统，以改善目前采用声波调制超声波的定向广播来实现指向性调整或可变向定向广播的方法所存在的效率低，以及不易实现的缺陷。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供了一种可调声波扬声器系统，包括：带通滤波器、多路分频单元、N个多路延时移相单元以及扬声器阵列；带通滤波器，用于过滤掉输入信号中频段在第一数值以下以及第二数值以上的信号，得到频段在所述第一数值至所述第二数值之间的可听声信号；多路分频单元，用于按照指定频段对所述可听声信号进行分频，得到N路不同频段、且频段连续的分频子信号，N为大于1的整数；每一个多路延时移相单元均与所述多路分频单元连接，每一个多路延时移相单元，用于对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，得到M路延时移相信号，M为大于1的整数；所述扬声器阵列包括N*M个扬声器单元，每一个扬声器单元对应一个延时移相信号。本申请实施例中，先滤掉输入信号中的高频和低频部分，然后再对位于低频至高频之间的可听声信号按指定频段进行分频，分成N路分频子信号，然后再分别对每一路分频子信号进行不同幅度的延时移相，利用声频波束的相控偏转原理，来实现声波指向性调整或可变向定向广播，以改善目前采用声波调制超声波的定向广播来实现指向性调整或可变向定向广播的方法所存在的效率低，以及不易实现的缺陷。

在本申请可选的实施例中，所述可调声波扬声器系统还包括：定向控制指令解码单元，所述定向控制指令解码单元分别与所述N个多路延时移相单元中的每一个多路延时移相单元连接，所述定向控制指令解码单元，用于从输入信号中提取出控制信号，并将所述控制信号传输给每一个多路延时移相单元，以使每一个多路延时移相单元各自根据该控制信号对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，其中，所述输入信号为混合有用于控制延时移相幅度的控制信号和音频信号的混合信号。本申请实施例中，将用于控制延时移相幅度的控制信号混合在音频信号中，作为可调声波扬声器系统的输入信号，再利用定向控制指令解码单元从输入信号中提取出控制信号，并将其传输给每一个多路延时移相单元，以使每一个多路延时移相单元各自根据该控制信号对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，以便于调整延时移相的幅度。

在本申请可选的实施例中，所述可调声波扬声器系统还包括：功率放大单元，所述每一个多路延时移相单元分别通过M个所述功率放大单元与所述扬声器阵列连接，每一路功率放大单元，用于对自身对应的延时移相信号进行功率放大，并将放大后的延时移相信号输出给对应的扬声器单元。本申请实施例中，在将延时移相信号输入扬声器阵列之前，先对其进行功率放大，以提高播放的效果。

在本申请可选的实施例中，所述第一数值为200Hz，所述第二数值为1300Hz。本申请实施例中，过滤掉频段在200Hz以下，以及1300Hz以上的信号，以减少无效声的影响，以减低实现指向性调整或可变向定向广播的难易度。

在本申请可选的实施例中，所述多路分频单元，用于按照倍频程对所述可听声信号进行分频，分成200～400Hz、400～800Hz、800～1600Hz、1600～3200Hz、3200～6400Hz和6400～13000Hz的6路分频子信号。本申请实施例中，按照倍频程对可听声信号进行分频，使得分频后的每路信号中的低端和高端信号频率仅差1个倍频程，以简化在设计和调试过程中碰到的问题。

在本申请可选的实施例中，M的取值范围为6至10之间的任意整数。本申请实施例中，将每路分频子信号分为6-10个存在移相延时的延时移相信号，来获得波束的偏转，达到让声波束产生偏转的效果，在保证偏转效果的同时，可以进一步降低扬声器阵列的复杂程度以及设计成本。

在本申请可选的实施例中，所述扬声器阵列包括6*6个扬声器单元。本申请实施例中，扬声器阵列采用6*6的设计，在保证偏转效果的同时，可以进一步降低扬声器阵列的复杂程度以及设计成本。

在本申请可选的实施例中，所述扬声器阵列中不同行间的扬声器单元的尺寸不同，同一行中不同列的扬声器单元的尺寸相同。本申请实施例中，扬声器阵列中不同行间的扬声器单元的尺寸不同，同一行中不同列的扬声器单元的尺寸相同，在尽可能保证让声波束产生偏转的同时，以减少扬声器阵列中不同列间的扬声器单元的差异。

在本申请可选的实施例中，所述扬声器阵列中不同行间的扬声器单元的尺寸随着对应频段的增大而减小。本申请实施例中，由于频率越高人耳听到的声音就越尖，频率越低人耳听到的声音越低沉，因此，将对应频段小的扬声器单元的尺寸增大，将对应频段小的扬声器单元的尺寸减小，使得该扬声器阵列播放的声音不容易受频率的影响，以优化人耳的听觉效率。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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。通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1示出了本申请实施例提供的一种可调声波扬声器系统的结构示意图。

图2示出了本申请实施例提供的又一种可调声波扬声器系统的结构示意图。

图3示出了本申请实施例提供的扬声器阵列的平面示意图。

图4示出了本申请实施例提供的锐度角θ_∞和-3dB波束宽度θ_-3dB的示意图。

图5示出了本申请实施例提供的相控阵的原理示意图。

图6示出了本申请实施例提供的又一种可调声波扬声器系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；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申请中的具体含义。

再者，本申请中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

鉴于目前采用声波调制超声波的定向广播来实现指向性调整或可变向定向广播的方法所存在的缺陷，本申请实施例中，提供了一种可调声波扬声器系统，可以轻易实现声波指向性调整或可变向定向广播。下面将结合图1所示的可调声波扬声器系统，对其原理进行说明。该可调声波扬声器系统包括：带通滤波器、多路分频单元、N个多路延时移相单元以及扬声器阵列。

带通滤波器与多路分频单元相接，该带通滤波器用于过滤掉输入信号中频段在第一数值以下以及第二数值以上的信号，得到频段在第一数值至第二数值之间的可听声信号。由于200Hz以下的音频指向性几乎无法控制，并且一般广播音效也对还原200Hz以下和13000Hz以上的声音基本没有要求，所以作为一种实施方式，第一数值为200Hz，第二数值为13000Hz，也即此时，带通滤波器用于过滤掉输入信号中频段在200Hz以下以及13000Hz以上的信号，得到频段在200Hz至13000Hz之间的可听声信号。当然可以理解的是，第一数值并不限于200Hz，其也可以是其他数值，如190Hz、210Hz等；同理，第二数值也并不限于13000Hz，其也可以是其他数值，如12800Hz、12900Hz等，因此不能将其具体数值理解成是对本申请的限制。

多路分频单元的输入端与带通滤波器连接，多路分频单元的输出端与N个多路延时移相单元连接，该多路分频单元用于按照指定频段对带通滤波器选取出的可听声信号进行分频，得到N路不同频段、且频段连续的分频子信号，其中，N为大于1的整数。作为一种实施方式，多路分频单元可以按照倍频程对可听声信号进行分频，例如，按照倍频程对200～13000Hz的可听声信号进行分频，分成200～400Hz、400～800Hz、800～1600Hz、1600～3200Hz、3200～6400Hz和6400～13000Hz的6路分频子信号。当然，需要说明的是，多路分频单元也可以是不按照倍频程对可听声信号进行分频，而是按照其他频段对可听声信号进行分频，例如，按照二分之一倍频程对可听声信号进行分频，此时，分成

和

的12路分频子信号。当然也可以按照三分之一倍频程、六分之一倍频程、十二分之一倍频程对可听声信号进行分频。例如，按照三分之一倍频程对200～13000Hz的可听声信号进行分频，分成18路分频子信号；按照六分之一倍频程对200～13000Hz的可听声信号进行分频，分成36路分频子信号；按照十二分之一倍频程对200～13000Hz的可听声信号进行分频，分成72路分频子信号。

N个多路延时移相单元中的每一个多路延时移相单元均与多路分频单元连接，以及还与扬声器阵列中对应的扬声器单元连接。每一个多路延时移相单元对应一路分频子信号，以上述的200～400Hz、400～800Hz、800～1600Hz、1600～3200Hz、3200～6400Hz和6400～13000Hz的6路分频子信号为例，则此时，对应有6个多路延时移相单元，每一个多路延时移相单元各对应一路分频子信号，例如，多路延时移相单元1对应200～400Hz这一频段的分频子信号，多路延时移相单元2对应400～800Hz这一频段的分频子信号，多路延时移相单元3对应800～1600Hz这一频段的分频子信号，多路延时移相单元4对应1600～3200Hz这一频段的分频子信号，多路延时移相单元5对应3200～6400Hz这一频段的分频子信号，多路延时移相单元6对应6400～13000Hz这一频段的分频子信号。

其中，每一个多路延时移相单元用于对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，得到M路延时移相信号，M为大于1的整数，每一个多路延时移相单元包括M个延时移相单元。作为一种实施方式，M的取值范围为6至10之间的任意整数，也即可以为6、7、8、9或10。当然可以理解的是，M的取值也可以大于10，只是随着数值的增大，对应的扬声器阵列中的扬声器单元也需要对应的增加。以M取值为6为例，则6路分频子信号分别经过对应的多路延时移相单元进行不同幅度的延时移相后，变成36路延时移相信号，分别加载到扬声器阵列相应的扬声器单元上，形成定指向性的声场，也即，200～400Hz这一频段的分频子信号经过多路延时移相单元1进行不同幅度的延时移相，得到6路延时移相信号；400～800Hz这一频段的分频子信号经过多路延时移相单元2进行不同幅度的延时移相，得到6路延时移相信号；800～1600Hz这一频段的分频子信号经过多路延时移相单元3进行不同幅度的延时移相，得到6路延时移相信号；1600～3200Hz这一频段的分频子信号经过多路延时移相单元4进行不同幅度的延时移相，得到6路延时移相信号；3200～6400Hz这一频段的分频子信号经过多路延时移相单元5进行不同幅度的延时移相，得到6路延时移相信号；6400～13000Hz这一频段的分频子信号经过多路延时移相单元6进行不同幅度的延时移相，得到6路延时移相信号。

其中，每一个多路延时移相单元对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相的过程相同，下面以对200～400Hz这一频段的分频子信号进行不同幅度的延时移相的过程进行说明。假设M为6，则多路延时移相单元1包括6个延时移相单元1，则第一个延时移相单元1对该信号进行延时移相时，其幅度可以为0度，也即不延相；第二个延时移相单元1对该信号进行延时移相时，其幅度可以为6度，也即延相6度；第三个延时移相单元1对该信号进行延时移相时，其幅度可以为12度，也即延相12度；第四个延时移相单元1对该信号进行延时移相时，其幅度可以为18度，也即延相18度；第五个延时移相单元1对该信号进行延时移相时，其幅度可以为24度，也即延相24度；第六个延时移相单元1对该信号进行延时移相时，其幅度可以为30度，也即延相30度，其示意图如图2所示。

扬声器阵列包括N*M个扬声器单元，每一个扬声器单元对应一个延时移相信号，以N、M取值各为6为例，则6路分频子信号分别经过对应的多路延时移相单元进行不同幅度的延时移相后，变成36路延时移相信号，分别加载到扬声器阵列相应的扬声器单元(数量为36)上，形成定指向性的声场。若N为6，M为10，则此时扬声器阵列包括6*10个扬声器单元，也即6行10列，其中，每一行对应一个频段。

作为一种实施方式，扬声器阵列中不同行间的扬声器单元的尺寸不同，同一行中不同列的扬声器单元的尺寸相同。以图3所示的扬声器阵列进行说明。该扬声器阵列共有36共有扬声器单元，每个频段对应6个扬声器单元，行间距为D，列间距为d，其中d的取值可以根据公式(1)来确定。扬声器阵列采取密闭箱体结构，长度为L，宽度为l，深度为h。

其中，公式(1)为：

若要获得尖锐的波束，一是增加扬声器阵列的扬声器单元的个数n或是增加扬声器单元的间距d，二是提高频率f，(其中，波长λ＝c/f，式中c为媒介中的声速)。当阵列结构和形状一定的情况下，频率越高，波束宽度越小。θ_-3dB为旁瓣声压下降-3dB时的波束宽度。波束宽度是描述主波束尖锐程度的参数通常定义为半功率点处对应角度的两倍，即θ_-3dB。

一种实施方式下，扬声器阵列中不同行间的扬声器单元的尺寸随着对应频段的增大而减小。也即200～400Hz这一频段对应的扬声器单元的尺寸最大，6400～13000Hz这一频段对应的扬声器单元的尺寸最小。

可以通过公式(2)来调整扬声器阵列在宽频范围的方向锐度角。其中，方向锐度角θ∞是指主波束随着角度往两侧偏转，指向性函数的值出现的第一个极小值时，这两个角度之间的差值，如图4所示。n个间隔为d的扬声器阵列，其指向性函数可表示为：

从式(2)中可以发现，由于各声源到达观测点存在的声程差，产生干涉后就使声场出现指向性。扬声器阵列的指向性受阵列的单元个数、单元的间距和频率影响。由于扬声器阵列上的扬声器单元都有相对的物理间距，因此对不同频率的声频的方向锐度角就会不一致，因此如何协调在较宽声频(200-13000Hz)带内扬声器阵列的方向锐度角θ_∞，也是比较重要和有意义的。其中，偏转角θ₀为：

式中，x是假设初相位为0时，对应其他阵元延时后声程的基数。由图5可知x＝ct，式中c为媒介中的声速，t是延迟时间，d为扬声器(声源)的间距。

其中，该可调声波扬声器系统利用声频波束的相控偏转原理，来实现声波指向性调整或可变向定向广播。相控阵是通过调整不同阵元加对应的相位延时量来获得波束的偏转，达到让声波束产生偏转的效果。相控最早是用在雷达天线阵的，可通过控制天线单元延时实现改变天线阵的发射角度，原理如图5所示。如将频率降低，也可以用在声波上，达到让声波束产生偏转的效果，但由于可闻声波约有10个倍频程，要满足这样的倍频程宽度，在阵列单元的布局和相位控制上还是有相当困难的。因此，本申请实施例中，将全音频信号中第一数值(如200Hz)以下和第二数值(如13000Hz)以上先滤掉，再把200～13000Hz这个频段的信号按指定频段(如倍频程)宽度进行分频，可分别得到200～400Hz、400～800Hz、800～1600Hz、1600～3200Hz、3200～6400Hz和6400～13000Hz共6个倍频程的分频子信号，然后再分别对每一个倍频程信号(分频子信号)进行单独处理，由于此时每段频率的信号中的低端和高端信号频率仅差1个倍频程，因此在设计和调试过程中所要碰到的问题就会少很多。

考虑到为了便于根据实际需要调整延迟移相的幅度，可以在远端对扬声器阵列进行控制，此时，可以在输入的音频信号中混入用于控制延时移相幅度的控制信号，相应地，在该种实施方式下，如图6所示，可调声波扬声器系统还包括：定向控制指令解码单元。定向控制指令解码单元分别与N个多路延时移相单元中的每一个多路延时移相单元连接，该定向控制指令解码单元，用于从输入信号中提取出控制信号，并将控制信号传输给每一个多路延时移相单元，以使每一个多路延时移相单元各自根据该控制信号对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，此时，输入信号为混合有用于控制延时移相幅度的控制信号和音频信号的混合信号，如，控制信号拟采用双音频方式编码后与音频信号混合。这样可以较好地解决扬声器控制的远程通信链路的问题。

考虑到若直接将延时移相信号输出给对应的扬声器单元，可能会因为该延时移相信号的功率较小，影响播放的效果，作为一种实施方式，可调声波扬声器系统还包括：功率放大单元。每一个多路延时移相单元分别通过M个功率放大单元与扬声器阵列连接，每一路功率放大单元，用于对自身对应的延时移相信号进行功率放大，并将放大后的延时移相信号输出给对应的扬声器单元。其中，需要说明的是，不能将图6所示的可调声波扬声器系统的结构理解成是对本申请的限制。其中的功率放大单元、定向控制指令解码单元这两种结构既可以同时存在，也可以仅存在其中任意一种或两种。其中，图6所示是这两者同时存在的情况，此时，该可调声波扬声器系统包括：带通滤波器、多路分频单元、定向控制指令解码单元、N个多路延时移相单元、功率放大单元以及扬声器阵列。在该种实施方式下，带通滤波器负责从混合有用于控制延时移相幅度的控制信号和音频信号的混合信号中取出频段在200～13000Hz之间的可听声信号，定向控制指令解码单元负责对远端送过来的控制信号(指向性调整指令)进行处理，也即从该混合信号中提取出控制信号，提取出的控制信号与多路分频单元输出的分段音频信号混合，同时送入到每一个多路延时移相单元，进行延时移相。多路分频单元将单路输入的200～13000Hz的模拟信号进行分频处理，产生6路单倍频程信号；每一个多路延时移相单元根据控制信号对自身对应的分频子信号进行不同的延时移相；功率放大单元负责将自身对应的延时移相后的信号进行放大处理，以推动扬声器阵列的正常工作。

其中，部分实施例中未提及部分，参见不同实施之间相同部分的描述，由于其实现原理及产生的技术效果相同，为简要描述，部分实施例未提及之处，可参考其余实施例中相应内容。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调声波扬声器系统，其特征在于，包括：

带通滤波器，用于过滤掉输入信号中频段在第一数值以下以及第二数值以上的信号，得到频段在所述第一数值至所述第二数值之间的可听声信号；

多路分频单元，用于按照指定频段对所述可听声信号进行分频，得到N路不同频段、且频段连续的分频子信号，N为大于1的整数；

N个多路延时移相单元，每一个多路延时移相单元均与所述多路分频单元连接，每一个多路延时移相单元，用于对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，得到M路延时移相信号，M为大于1的整数；

扬声器阵列，所述扬声器阵列包括N*M个扬声器单元，每一个扬声器单元对应一个延时移相信号。

2.根据权利要求1所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，所述可调声波扬声器系统还包括：定向控制指令解码单元，所述定向控制指令解码单元分别与每一个多路延时移相单元连接，所述定向控制指令解码单元，用于从输入信号中提取出控制信号，并将所述控制信号传输给每一个多路延时移相单元，以使每一个多路延时移相单元各自根据该控制信号对自身对应的分频子信号进行不同幅度的延时移相，其中，所述输入信号为混合有用于控制延时移相幅度的控制信号和音频信号的混合信号。

3.根据权利要求1所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，所述可调声波扬声器系统还包括：功率放大单元，所述每一个多路延时移相单元分别通过M个所述功率放大单元与所述扬声器阵列连接，每一路功率放大单元，用于对自身对应的延时移相信号进行功率放大，并将放大后的延时移相信号输出给对应的扬声器单元。

4.根据权利要求1所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，所述第一数值为200Hz，所述第二数值为1300Hz。

5.根据权利要求4所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，所述多路分频单元，用于按照倍频程对所述可听声信号进行分频，分成200～400Hz、400～800Hz、800～1600Hz、1600～3200Hz、3200～6400Hz和6400～13000Hz的6路分频子信号。

6.根据权利要求5所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，M的取值范围为6至10之间的任意整数。

7.根据权利要求6所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，所述扬声器阵列包括6*6个扬声器单元。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，所述扬声器阵列中不同行间的扬声器单元的尺寸不同，同一行中不同列的扬声器单元的尺寸相同。

9.根据权利要求8所述的可调声波扬声器系统，其特征在于，所述扬声器阵列中不同行间的扬声器单元的尺寸随着对应频段的增大而减小。

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