專利名稱：寬輻射角六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及揚(yáng)聲器陣列的設(shè)置方法和裝置，將幅度和相位不同的信號饋給按序排 列的六至九個(gè)相同的揚(yáng)聲器，或者將幅度和相位相同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)經(jīng)過 設(shè)計(jì)的不同的揚(yáng)聲器，使各個(gè)聲源能輻射滿足一定規(guī)律的不同幅度和相位的聲信號，實(shí)現(xiàn) 六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列指向性的優(yōu)化，使其在工作頻率范圍內(nèi)都具有寬輻射角，以提 高輻射聲場的均勻程度。
背景技術(shù)：
很多場合需要較高的聲壓級，由于單個(gè)聲源(如揚(yáng)聲器單元)輻射聲能有限，難以 達(dá)到足夠高的聲壓級，人們很自然地想到使用多個(gè)聲源，在幾十年前甚至出現(xiàn)了由數(shù)百個(gè) 揚(yáng)聲器構(gòu)成的“聲墻”式揚(yáng)聲器陣列。但遺憾的是，數(shù)量眾多的揚(yáng)聲器所輻射的聲波會(huì)產(chǎn)生 干涉現(xiàn)象，且數(shù)量越多，越難以控制。后來人們發(fā)現(xiàn)“聲柱”(sound column)式揚(yáng)聲器陣列 很實(shí)用。聲柱是由多個(gè)相同的揚(yáng)聲器按一定結(jié)構(gòu)作線狀豎直排列(如直線排列、也有曲線 排列)的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。聲柱一般是豎直使用的，故在水平方向有較寬的輻射角，在垂直方向 有較窄的輻射角。聲柱可以產(chǎn)生更高的聲壓級，但也存在無法回避的缺陷。這是因?yàn)槎鄠€(gè) 揚(yáng)聲器之間的干涉會(huì)產(chǎn)生指向性圖，而這種指向性圖是頻率的函數(shù)。在高頻時(shí)，這種指向性 圖的主瓣變窄并會(huì)產(chǎn)生旁瓣，且旁瓣的位置對于頻率變化非常敏感，因此使得聲場分布極 不均勻。另外，豎直吊掛的聲柱有時(shí)安裝不便且不夠美觀。這些必須要解決的實(shí)際問題，令 聲柱的應(yīng)用受到局限。為了克服頻率變化導(dǎo)致的聲場不均勻，人們提出了一些解決方法Keele, Jr, D. B. , "Effective Performance of Bessel Arrays，，，JA. Ε. S., Volume38 Number 10pp. 723-748 ；October 1990.利用 Bessel 函數(shù)的性質(zhì)，為陣列中各點(diǎn) 源分配不同的聲源強(qiáng)度，源強(qiáng)正比于特定Bessel函數(shù)，從而展寬了輻射角，提高了聲場的 均勻程度。Jiang Chao, Shen Yong, “An Omni-directivity Sound Source Array”， Mo. P2. 11,The 18th International Congress On Acoustics，Kyoto，Japan，April 2004. (全指向性聲源陣列)，按照sine函數(shù)規(guī)律調(diào)整源強(qiáng)，不僅展寬了輻射角，提高了聲場的均 勻程度，還改善了相位特性。沈勇，江超，徐小兵等，利用二次剩余序列設(shè)置揚(yáng)聲器陣列的方法及裝置，專利號 ZL200410044849. 5，將二次剩余序列用于優(yōu)化揚(yáng)聲器陣列的指向性，為各個(gè)揚(yáng)聲器單元設(shè) 置不同的信號延時(shí)，從而展寬了輻射角，提高了聲場的均勻程度。上述方法均是通過調(diào)整源強(qiáng)展寬輻射角、提高揚(yáng)聲器陣列輻射聲場均勻程度，但 存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、使用成本高等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將幅度和相位不同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)相同的揚(yáng)聲器，或者將幅度和相位相同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)的不同的揚(yáng)聲器， 使各個(gè)聲源能輻射滿足一定規(guī)律的不同幅度和相位的聲信號，實(shí)現(xiàn)六聲源至九聲源揚(yáng)聲器 陣列指向性的優(yōu)化，提供一種設(shè)計(jì)方法相對簡單，輻射角明顯展寬、指向性均勻性得到明顯 改進(jìn)的設(shè)置六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列的方法及裝置，尤其是橫向直線排列或近似直線的 (較少弧度)弧線排列的六至九個(gè)聲源(如揚(yáng)聲器單元、號筒揚(yáng)聲器、揚(yáng)聲器箱等)的揚(yáng)聲 器陣列。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的寬輻射角六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列，將幅度和相 位不同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)相同的揚(yáng)聲器，或者將幅度和相位相同的信號饋給 按序排列的六至九個(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)的不同的揚(yáng)聲器，來實(shí)現(xiàn)六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列指向性 的優(yōu)化。在陣列中有的聲源相位與陣列中其它聲源反相，各個(gè)聲源輻射正相或反相的、并且 輻射聲壓幅度可以各不相同的聲信號，其排列順序滿足一定規(guī)律。本發(fā)明所述的六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列一般指橫向直線排列或近似直線的 (較少弧度)弧線排列的六至九個(gè)聲源(如揚(yáng)聲器單元、號筒揚(yáng)聲器、揚(yáng)聲器箱等)，也可以 涉及曲線排列的揚(yáng)聲器陣列。本發(fā)明特別適用于將揚(yáng)聲器陣列水平放置的“聲梁”(sound girder, sound crossbeam)式橫向布置使用。此時(shí)，本發(fā)明的聲梁在水平方向和垂直方向均有較寬的輻射 角，易于獲得均勻的輻射聲場。聲梁在某些情況下安裝方便且美觀，實(shí)用性強(qiáng)。本發(fā)明具體而言是在陣列中各揚(yáng)聲器輻射聲壓的幅度不同，并根據(jù)需要將部分 聲源的信號調(diào)整為反相位。反相相位表示為“_”號。例如傳統(tǒng)的6點(diǎn)同相位直線陣列可以 表示為“ 111111”，表示各個(gè)聲源的幅度和相位均一致。而本發(fā)明將根據(jù)設(shè)計(jì)聲源數(shù)目不同， 選取不同的幅度和相位排列方式，以實(shí)現(xiàn)陣列指向性的優(yōu)化。本發(fā)明陣列聲源數(shù)目N為6、7、8、9中任一數(shù)，分別對應(yīng)六至九個(gè)聲源揚(yáng)聲器陣列， 根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)化陣列的排列可以按照上述規(guī)則表示按序排列的聲源(揚(yáng)聲器單元等)分 別為“xl、x2、x3、…、xN”，其中每個(gè)揚(yáng)聲器的聲壓幅度的比例系數(shù)如表1所示表 1數(shù)目 度比例系數(shù)^^^六聲源七聲源八聲源九聲源排列方法一排列方法二xl-0. 140. 74-0. 490. 15-0. 15x20.6-11-0. 690.41x3-10. 6-11-0.8x40.810-10. 9x510. 781- . 3-0. 7x60. 690. 2211-0. 6x7無無0. 5211x8無無無0. 661x9無無無無0. 6 其中聲壓幅度具有一定的范圍，即聲壓幅度的比例系數(shù)具有容差士20%，尤其是 士 10% 以內(nèi)，即 Xl士 10%，x2士 10%，x3士 10%，x4士 10%，x5士 10%，x6士 10%，x7士 10%，x8士 10%，x9士 10%。特別的，七聲源揚(yáng)聲器陣列中x4的推薦值為0，其聲壓幅度的比例系 數(shù)可以有士0. 2的容差；當(dāng)取其為推薦值0時(shí)，相當(dāng)于中間的揚(yáng)聲器不輻射聲壓，此時(shí)七聲 源揚(yáng)聲器陣列可以看成特殊的六聲源揚(yáng)聲器陣列。上述系數(shù)表示揚(yáng)聲器陣列水平放置時(shí)，自右向左各聲源輻射的聲壓幅度的比例 為xl x2 x3 …xN ；同時(shí)，將聲壓幅度的比例系數(shù)為負(fù)數(shù)的聲源的輸入信號反相180 度，而其余聲源的輸入信號保持正常相位。由于指向性響應(yīng)與聲源幅度分布之間存在譜變 換關(guān)系，陣列遠(yuǎn)場指向性響應(yīng)關(guān)于軸向0度角左右對稱，因此上述排列的幅度和相位也可 以自左向右進(jìn)行調(diào)整，即從左邊開始將聲壓幅度的比例系數(shù)為正數(shù)的聲源的輸入信號反相 180度，而其余聲源的輸入信號保持正常相位。利用這種方法設(shè)置揚(yáng)聲器陣列的裝置，將幅度和相位不同的信號饋給按序排列的 六至九個(gè)相同的揚(yáng)聲器，或者將幅度和相位相同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì) 的不同的揚(yáng)聲器，使各個(gè)聲源能按序根據(jù)本發(fā)明方法的規(guī)律輻射不同幅度和相位的聲信 號，其余設(shè)置保持不變，可以得到指向性得到優(yōu)化的揚(yáng)聲器陣列。一般來說，調(diào)節(jié)某一特定 相位的方法有一定的復(fù)雜性，而本發(fā)明僅需要在幅度大小和是否反相兩種方式間選擇合適 的排列方式即可達(dá)到優(yōu)化目的，因此可以避開復(fù)雜的相位調(diào)整信號處理模塊，實(shí)現(xiàn)方法非 常簡單。本發(fā)明在實(shí)際使用時(shí)可以設(shè)置兩組或兩組以上、工作頻率范圍不同的揚(yáng)聲器陣 列，通過分頻器提供各自合適頻段的輸入信號?？梢缘玫皆谳^寬頻率范圍內(nèi)的優(yōu)化特性。關(guān)于形狀設(shè)計(jì)本說明書提供的仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以直線型揚(yáng)聲器陣列為例。而對 于彎曲程度不大的揚(yáng)聲器陣列，其優(yōu)化特性基本得到保持。故可根據(jù)實(shí)際使用需要，設(shè)置直 線型，或者具有較少弧度的揚(yáng)聲器陣列。圖3、圖4、圖5、圖6和圖7的指向性圖中對比了采用本發(fā)明方法優(yōu)化六聲源至九 聲源揚(yáng)聲器陣列指向性前后的理論預(yù)測數(shù)據(jù)。從圖中的理論仿真指向圖對比來看，本發(fā)明 的優(yōu)化方法能夠明顯改善揚(yáng)聲器陣列的指向特性，使得輻射聲場更加均勻。圖8的頻率響應(yīng)圖表示了采用本發(fā)明優(yōu)化前后六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列在偏 離主軸45度角方向的頻率響應(yīng)曲線。可以看出經(jīng)過優(yōu)化的揚(yáng)聲器陣列在偏離主軸45度角 方向，其工作頻段范圍內(nèi)對頻率響應(yīng)曲線的平直程度有明顯改善。同樣的，在其他角度也有 相似的改善效果。經(jīng)檢測的指向圖表示，應(yīng)用本發(fā)明，六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列具備寬輻射角，輻 射聲場均勻，且設(shè)計(jì)方法非常簡單，成本低廉，便于使用。


圖1根據(jù)本發(fā)明，將幅度和相位不同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)相同的揚(yáng)聲 器的六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列裝置示意圖。圖2根據(jù)本發(fā)明，將幅度和相位相同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)的 不同的揚(yáng)聲器的六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列裝置示意圖。圖3根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用六聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)排列方法一優(yōu)化前后 陣列的不同頻率下的指向圖對比。圖中淺色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的六聲源陣列，深 色表示應(yīng)用本發(fā)明中六聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)排列方法一優(yōu)化后的六聲源陣5列。圖中a、b、c、d分別表示了不同頻率時(shí)陣列的指向性，分別為1kHz，2kHz，4kHz，8kHz。 陣列中聲源間距d = 0. lm，下同。圖4根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用六聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)排列方法二優(yōu)化前后 陣列的不同頻率下的指向圖對比。圖中淺色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的六聲源陣列，深 色表示應(yīng)用本發(fā)明中六聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)排列二優(yōu)化后的六聲源陣列。圖 中a、b、c、d分別對應(yīng)IkHz，2kHz，4kHz，8kHz下的陣列的指向圖。圖5根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用七聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)優(yōu)化前后陣列的不同 頻率下的指向圖對比。圖中淺色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的七聲源陣列，深色表示應(yīng)用 本發(fā)明優(yōu)化后的七聲源陣列。圖中a、b、c、d分別對應(yīng)1kHz，2kHz，4kHz，8kHz下的陣列的 指向圖。圖6根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用八聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)優(yōu)化前后陣列的不同 頻率下的指向圖對比。圖中淺色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的八聲源陣列，深色表示應(yīng)用 本發(fā)明優(yōu)化后的八聲源陣列。圖中a、b、c、d分別對應(yīng)1kHz，2kHz，4kHz，8kHz下的陣列的 指向圖。圖7根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用九聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)優(yōu)化前后陣列的不同 頻率下的指向圖對比。圖中淺色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的九聲源陣列，深色表示應(yīng)用 本發(fā)明優(yōu)化后的九聲源陣列。圖中a、b、c、d分別對應(yīng)1kHz，2kHz，4kHz，8kHz下的陣列的 指向圖。圖8根據(jù)本發(fā)明優(yōu)化六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列指向性前后的頻率響應(yīng)對比。其 中每張子圖中淺色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的對應(yīng)數(shù)目聲源陣列在偏離主軸45度角方 向的頻率響應(yīng)；深色表示應(yīng)用本發(fā)明后等數(shù)目聲源陣列在偏離主軸45度角方向的頻率響 應(yīng)。圖中al、a2均對應(yīng)六聲源，b、c、d分別對應(yīng)七聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列指向性前后的 頻率響應(yīng)對比。具體實(shí)施方法下面用舉例的形式說明本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)圖1，應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，需要將幅度和相位不同的信號饋給按序排列的六至九個(gè) 相同的揚(yáng)聲器，其中每個(gè)揚(yáng)聲器分配到的信號幅值和相位滿足一定的規(guī)律。有多種方法可 以達(dá)到類似的目的，例如使用獨(dú)立通道的運(yùn)算放大器電路以及功放電路，設(shè)計(jì)成各個(gè)通道 都先經(jīng)過比例運(yùn)算放大器進(jìn)行幅度調(diào)整和正反相位調(diào)整，再經(jīng)過功放電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。或者根據(jù)圖2，將幅度和相位相同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)經(jīng)過設(shè)計(jì)的不 同的揚(yáng)聲器，所有揚(yáng)聲器可以由同一功放驅(qū)動(dòng)。揚(yáng)聲器組成陣列時(shí)，聲源間距d = 0. lm。圖3、圖4、圖5、圖6、和圖7的指向性圖分別對比了采用本發(fā)明方法優(yōu)化六聲源至 九聲源揚(yáng)聲器陣列指向性前后的的理論預(yù)測數(shù)據(jù)。圖3表示應(yīng)用六聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅 度比例系數(shù)排列方法一優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向圖對比；圖4表示應(yīng)用六聲源揚(yáng) 聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)排列方法二優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向圖對比；圖5表 示應(yīng)用七聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向圖對比；圖 6表示應(yīng)用八聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向圖對 比；圖7表示應(yīng)用九聲源揚(yáng)聲器陣列聲壓幅度比例系數(shù)優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向6圖對比。圖中分別表示了不同頻率時(shí)陣列的指向性，分別為IkHz，2kHz，4kHz，8kHz。從圖中 的理論仿真指向圖對比來看，本發(fā)明的優(yōu)化方法能夠明顯改善揚(yáng)聲器陣列的指向特性，使 得輻射聲場更加均勻。圖8的頻率響應(yīng)圖表示了采用本發(fā)明優(yōu)化前后六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列在偏 離主軸45度角方向的頻率響應(yīng)曲線?？梢钥闯鼋?jīng)過優(yōu)化的揚(yáng)聲器陣列在偏離主軸45度角 方向，其工作頻段范圍內(nèi)對頻率響應(yīng)曲線的平直程度有明顯改善。同樣的，在其他角度也有 相似的改善效果。通過分頻器設(shè)置兩組或兩組以上的揚(yáng)聲器陣列，如一組工作帶寬為500 2000Hz，另一組工作帶寬為2000 8000Hz，均采用上述設(shè)置，能覆蓋更寬的頻率范圍。本發(fā)明橫向直線排列或近似直線的(較少弧度)弧線排列的六至九個(gè)聲源(如揚(yáng) 聲器單元、號筒揚(yáng)聲器、揚(yáng)聲器箱等)，也可以涉及曲線排列的揚(yáng)聲器陣列。其中聲壓幅度的比例系數(shù)具有容差士20%，尤其是士 10%以內(nèi)，即xN的范圍 xN士20%在橫向的聲梁指向特性上是一個(gè)可以接受的范圍。特別的，七聲源揚(yáng)聲器陣列中 x4的推薦值為0，其聲壓幅度的比例系數(shù)可以有士0. 2的容差。
權(quán)利要求
1.寬輻射角六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列，其特征是將幅度和相位不同的信號饋給按序 排列的六至九個(gè)相同的揚(yáng)聲器，或?qū)⒎群拖辔幌嗤男盘栶伣o按序排列的六至九個(gè)經(jīng)過 設(shè)計(jì)的不同的揚(yáng)聲器，來實(shí)現(xiàn)六聲源至九個(gè)聲源揚(yáng)聲器的陣列指向性的優(yōu)化，其排列順序 滿足一定規(guī)律所述的六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列一般指橫向直線排列或近似直線的弧線 排列的六至九個(gè)聲源，也可以涉及曲線排列的揚(yáng)聲器陣列。各個(gè)聲源可以分別產(chǎn)生不同幅度、正相或反相的信號，負(fù)號表示反相；揚(yáng)聲器的陣 列中按序排列的聲源分別為“XI、χ2、x3、…、xN”，N = 6、7、8、9分別對應(yīng)六至九個(gè)聲 源揚(yáng)聲器的陣列；六聲源揚(yáng)聲器陣列按照-0. 14 0.6 -1 0.8 1 0.69或者 0.74 -1 0.6 1 0.78 0. 22的聲壓幅度的比例系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；七聲源揚(yáng)聲器陣列 按照-0.49 1 -1 0 1 1 0.52的聲壓幅度的比例系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；八聲源揚(yáng)聲 器陣列按照0.15 -0.69 1 -1 -0. 3 1 1 0. 66的聲壓幅度的比例系數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化；九聲源揚(yáng)聲器陣列按照-0. 15 0. 41 -0. 8 0. 9 -0. 7 -0. 6 1 1 0. 6 的聲壓幅度的比例系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；其中各聲壓幅度的比例系數(shù)具有容差士20%，尤其是 士 10%以內(nèi)；特別的，七聲源揚(yáng)聲器陣列中x4的推薦值為0，其聲壓幅度的比例系數(shù)可以有 士 0.2的容差。
2.如權(quán)利要求1所述的寬輻射角六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列的方法，其特征在于揚(yáng) 聲器陣列特別適用于將揚(yáng)聲器陣列水平放置的“聲梁”式橫向布置使用。
3.如權(quán)利要求1所述的寬輻射角六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列的方法，其特征在于設(shè) 置兩組或兩組以上的揚(yáng)聲器陣列，用于工作在兩個(gè)或兩個(gè)以上的工作頻段，覆蓋更寬的頻 率范圍。
全文摘要
寬輻射角六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列，將幅度和相位不同的信號饋給按序排列的六至九個(gè)相同的揚(yáng)聲器，來實(shí)現(xiàn)六聲源至九個(gè)聲源揚(yáng)聲器的陣列指向性的優(yōu)化，所述的六聲源至九聲源揚(yáng)聲器陣列一般指橫向直線排列或近似直線的六至九個(gè)聲源。六聲源揚(yáng)聲器陣列按照-0.14∶0.6∶-1∶0.8∶1∶0.69聲壓幅度的比例系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；七聲源揚(yáng)聲器陣列按照-0.49∶1∶-1∶0∶1∶1∶0.52的聲壓幅度的比例；八聲源揚(yáng)聲器陣列按照0.15∶-0.69∶1∶-1∶-0.3∶1∶1∶0.66的聲壓幅度的比例；九聲源揚(yáng)聲器陣列按照-0.15∶0.41∶-0.8∶0.9∶-0.7∶-0.6∶1∶1∶0.6的聲壓幅度的比例。本發(fā)明的指向性的均勻程度得到明顯改進(jìn)，輻射角明顯展寬。
文檔編號H04R1/20GK102056047SQ20101058688
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者夏潔, 安康, 楊小軍, 沈勇, 董桂官 申請人:南京大學(xué)