專利名稱：寬輻射角五聲源揚(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，采用分配不同聲源強(qiáng)度和相位的方法 來實(shí)現(xiàn)五聲源揚(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)聲器單元按一定結(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)?多揚(yáng)聲器之間的干涉會產(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", J. A. E. S., Volume 38Number 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 18thInternational 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)明的目的是采用分配不同聲源強(qiáng)度和相位的方法來優(yōu)化揚(yáng)聲器陣列指向 性，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)置五聲 源揚(yáng)聲器陣列的方法及裝置，尤其提供了橫向直線排列或弧線排列的五個(gè)聲源(如揚(yáng)聲器單元、號筒揚(yáng)聲器、揚(yáng)聲器箱等)揚(yáng)聲器陣列。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的寬輻射角五聲源揚(yáng)聲器陣列，通過調(diào)整陣列中各個(gè) 聲源的幅度和相位來實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器陣列指向性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)寬輻射角的五聲源揚(yáng)聲器陣列； 各個(gè)聲源可以分別饋給不同幅度、正相或反相的信號；揚(yáng)聲器陣列中依次排列的聲源分別 為“X1、X2、X3、X4、X5”，其中每個(gè)聲源的聲壓幅度的比例系數(shù)為xl = 0.4,x2 = -0.9,x3 =1. 0，x4 = 0. 9，x5為0. 36為基準(zhǔn)或x5為0. 44為基準(zhǔn)。其中聲壓幅度的比例系數(shù)具有 一定的容差xl士20%，x2士 10%，x4士 10%，x5則小于士0. 04, x3單元聲壓幅度的比例系 數(shù)等于1，是一個(gè)相對基準(zhǔn)。本發(fā)明利用分配不同聲源強(qiáng)度和相位的方法，通過調(diào)整陣列中部分聲源強(qiáng)度和正反相位來實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器陣列指向性的優(yōu)化。有的聲源相位與陣列中其它聲源反相，各個(gè)聲源 分配正相或反相的、并且強(qiáng)度各不相同的信號。本發(fā)明所述的五聲源揚(yáng)聲器陣列一般指直線排列或近似直線的較少弧度弧線排 列的五個(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。聲梁安裝方便且美觀，實(shí)用性強(qiáng)。本發(fā)明具體而言是在揚(yáng)聲器陣列上分配不同聲源強(qiáng)度，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“_”。例如傳統(tǒng)的5點(diǎn)同相位直線陣列可以表示為 “11111”，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)明陣列聲源單元數(shù)目N = 5，根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)化陣列單元的排列可以按照上述 規(guī)則表示依次排列的聲源(揚(yáng)聲器單元等)分別為“xl、x2、x3、x4、x5”，其中每個(gè)揚(yáng)聲器 單元的聲壓幅度的比例系數(shù)為xl = 0. 4，x2 = -0. 9，x3 = 1. 0，x4 = 0. 9x5為0.36為基準(zhǔn)或x5為0.44為基準(zhǔn)。其中聲壓幅度的比例系數(shù)具有一定的容差xl 士20%，x2士 10%，x4士 10%，x5貝丨J 小于士0. 04，x3單元聲壓幅度的比例系數(shù)等于1，是一個(gè)相對基準(zhǔn)。上述系數(shù)表示揚(yáng)聲器陣列水平放置時(shí)，自右向左分配給各聲源的聲壓幅度的比 例為xl x2 x3 x4 x5，同時(shí)，將右起第2個(gè)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)與聲源強(qiáng)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，即左邊第2個(gè)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，通過調(diào)整部分聲源輸入信號幅度和相位， 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 列方式既可達(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。可以得到在較寬頻率范圍內(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，或者具有弧度的揚(yáng)聲器陣列。如圖2、圖3的指向性圖中對比了采用本發(fā)明方法優(yōu)化 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4的頻率響應(yīng)圖表示了采用本發(fā)明 優(yōu)化前后在45度方向的頻率響應(yīng)曲線?？梢钥闯鼋?jīng)過優(yōu)化的揚(yáng)聲器陣列在45度方向，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。本發(fā)明有益效果是，經(jīng)檢測的指向圖表示，五聲源揚(yáng)聲器陣列的具備寬輻射角，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)明的五聲源揚(yáng)聲器陣列裝置示意圖。圖2根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)x5 = 0. 36時(shí)，優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向圖對比。圖 中紅色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的五聲源陣列，藍(lán)色表示應(yīng)用本發(fā)明優(yōu)化后的五聲源陣 列。分別表示了不同頻率時(shí)陣列的指向性，分別對應(yīng)為1kHz，2kHz，4kHz，8kHz。陣列單元間 距d = 0. lm，下同。圖3根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)x5 = 0. 44時(shí)，優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向圖對比。圖 中紅色表示優(yōu)化前幅度相位均一致的五聲源陣列，藍(lán)色表示應(yīng)用本發(fā)明優(yōu)化后的五聲源陣 列。分別表示了不同頻率時(shí)陣列的指向性，分別為1kHz，2kHz，4kHz，8kHz。xl = 0.4，x2 =-0. 9，x3 = 1. 0，x4 = 0. 9。圖4根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)化前后的頻率響應(yīng)對比。其中紅色表示優(yōu)化前幅度相位均一 致的五聲源陣列的頻率響應(yīng)；綠色表示應(yīng)用本發(fā)明，x5 = 0. 36時(shí)的頻率響應(yīng)；藍(lán)色表示應(yīng) 用本發(fā)明，x5 = 0. 44時(shí)的頻率響應(yīng)。本圖表示在偏離主軸45度角時(shí)陣列的頻率響應(yīng)。xl =0. 4，x2 = -0. 9，x3 = 1. 0，x4 = 0. 9。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)，需要將信號分配給五個(gè)揚(yáng)聲器單元，其中每個(gè)揚(yáng)聲器單 元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)動揚(yáng)聲器單元。揚(yáng)聲器單元組成陣列時(shí)，單元 間距 d = 0. lm。圖2、圖3的指向性圖中對比了采用本發(fā)明方法優(yōu)化前后的理論預(yù)測數(shù)據(jù)。圖2表 示當(dāng)x5 = 0. 36時(shí)，優(yōu)化前后陣列的不同頻率下的指向圖對比；圖3表示x5 = 0. 44時(shí)，優(yōu) 化前后陣列的不同頻率下的指向圖對比。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，SkHz。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4的頻率響應(yīng)圖表示了采用本發(fā)明優(yōu)化前后在45度方向的頻率響應(yīng)曲線?？梢钥闯鼋?jīng)過優(yōu)化的揚(yáng)聲器陣列在45度方向，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)明橫向直線排列或弧線排列的五個(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xl，x2，x4中的范圍xl士20%，x2士 10%，x4士 10%在橫向的聲梁指向特性上 是一個(gè)可以接受的范圍。
權(quán)利要求
一種寬輻射角五聲源揚(yáng)聲器陣列，其特征是通過調(diào)整陣列中各個(gè)聲源的幅度和相位來實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器陣列指向性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)寬輻射角的五聲源揚(yáng)聲器陣列；各個(gè)聲源可以分別饋給不同幅度、正相或反相的信號；揚(yáng)聲器陣列中依次排列的聲源分別為“x1、x2、x3、x4、x5”，其中每個(gè)聲源的聲壓幅度的比例系數(shù)為x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9，x5為0.36為基準(zhǔn)或x5為0.44為基準(zhǔn)。其中聲壓幅度的比例系數(shù)具有一定的容差x1±20％，x2±10％，x4±10％，x5則小于±0.04，x3單元聲壓幅度的比例系數(shù)等于1，是一個(gè)相對基準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1所述的寬輻射角五聲源揚(yáng)聲器陣列，其特征在于揚(yáng)聲器陣列指橫向 直線排列或近似直線的較少弧度弧線排列的五個(gè)聲源的揚(yáng)聲器陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的寬輻射角五聲源揚(yáng)聲器陣列，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)工作頻段，覆蓋更寬的頻率范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的寬輻射角五聲源揚(yáng)聲器陣列，其特征在于饋給五聲源揚(yáng)聲器 陣列中五個(gè)聲源的信號幅度比例和正負(fù)相位排列順序xl = 0. 4 χ2 = -0. 9 χ3 = 1. 0 χ4 = 0. 9χ5 = 0. 36 或 χ5 = 0. 44上述系數(shù)排列順序均可以以陣列任意一端為起點(diǎn)，向另一端按順序排列。
全文摘要
一種寬輻射角五聲源揚(yáng)聲器陣列，通過調(diào)整陣列中各個(gè)聲源的幅度和相位來實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器陣列指向性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)寬輻射角的五聲源揚(yáng)聲器陣列；各個(gè)聲源可以分別饋給不同幅度、正相或反相的信號；揚(yáng)聲器陣列中依次排列的聲源分別為“x1、x2、x3、x4、x5”，其中每個(gè)聲源的聲壓幅度的比例系數(shù)為x1＝0.4，x2＝-0.9，x3＝1.0，x4＝0.9，x5為0.36為基準(zhǔn)或x5為0.44為基準(zhǔn)。其中聲壓幅度的比例系數(shù)具有一定的容差x1±20％，x2±10％，x4±10％，x5則小于±0.04，x3單元聲壓幅度的比例系數(shù)等于1，是一個(gè)相對基準(zhǔn)。
文檔編號H04R1/20GK101820562SQ20101014093
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者安康, 沈勇 申請人:南京大學(xué)