专利名称：一种利用相位反相设置扬声器阵列的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明设计扬声器阵列的设置方法，即通过调整部分扬声器单元相位的方法改进扬声器阵列的指向性，使其在工作频率范围内都具有较好的指向性，以提高辐射声场的均匀程度。
背景技术：
大型的厅堂、场馆为了提供高品质的扩声性能，需要得到较高的声压级。由于单个扬声器难以达到理想的声压级，因此由多个扬声器组成的扬声器阵列是有效的解决方案，扬声器阵列也成为音频领域的研究热点。
与传统的声重放系统相比，大型扬声器阵列声重放系统有着如下优点1.可以产生足够的声压级，以满足大型场馆及露天演出的需求；2.多扬声器间的干涉效应使得指向性更加容易控制，满足实际情况的需要；3.在高混响环境内，可抑制反射声，提高语音的清晰度；4.可使近场区和远场区的声压不均匀度减小，使全场听众都能获得良好的听音效果。
以上种种优点，都使得大型扬声器阵列声重放系统得到了广泛的应用。
与此同时，为满足室内高品质视听娱乐的需求，小型化的扬声器阵列也逐渐应用于平板电视、音响等设备中，由于其功率、形状、外观方面存在优势，开始受到越来越多的青睐。如较大屏幕的平板电视中，采用扬声器阵列作为音响设备的输出，而不仅仅只用一两只扬声器。
然而，用多个扬声器组成的阵列也存在许多无法回避的缺陷。这是因为多扬声器之间的干涉会产生指向性图，而这种指向性图是频率的函数。在高频时，这种指向性图的主瓣变窄并会产生旁瓣，且旁瓣的位置对于频率变化非常敏感，因此使得声场分布极不均匀，大屏幕的平板电视的扬声器阵列的音响输出具有明显的声场分布的不均匀，而且有谷点分布，这是必须要解决的问题，从而令扬声器阵列的应用受到局限。
为了克服频率变化导致的声场不均匀，人们提出了一些解决方法Keele，Jr.，D.B.，“Effective Performance of Bessel Arrays”，J.A.E.S.，Volume 38Number 10 pp.723-748；October 1990.利用Bessel函数的性质，为阵列中各点源分配不同的声源强度，源强正比于特定Bessel函数，从而提高声场均匀程度。
Jiang Chao，Shen Yong，“An Omni-directivity Sound Source Array，”Mo.P2.11，The 18thInternational Congress On Acoustics，Kyoto，Japan，April 2004.(全指向性声源阵列)，按照sinc函数规律调整源强，不仅提高了声场的均匀程度，还改善了相位特性。
沈勇，江超，徐小兵等，利用二次剩余序列设置扬声器阵列的方法及装置，专利申请号200410044849.5，将二次剩余序列用于优化扬声器阵列的指向性，为各个扬声器单元设置不同的信号延时，从而提高声场的均匀程度。
上述方法均是通过调整源强提高扬声器阵列辐射声场的均匀程度，但存在设计复杂、辐射效率低等不足，缺乏理想解决方案。
对于一个全指向性的阵列来说，需要做到当频率在一定范围内变化时，指向性图保持基本不变。通过本发明利用相位反相方法设置扬声器阵列，能够保证上述要求。
发明内容
本发明的目的是利用相位反相设置扬声器阵列，提供一种设计方法相对简单，指向性均匀性得到明显改进的设置扬声器阵列的方法。
本发明的目的是这样实现的利用相位反相设置扬声器阵列的方法，通过调整阵列中部分扬声器单元相位的方法来实现扬声器阵列指向性的优化。起码有一只扬声器单元相位与阵列中其它扬声器反相，各个扬声器单元馈给正相或反相的信号，其排列顺序满足一定规律时效果更好。
本发明所述的扬声器阵列一般指直线均匀位置排列的三只以上的扬声器，也可以涉及在近似直线的弧线上排列的扬声器阵列。
本发明具体而言是在扬声器阵列上引入相位差，将部分扬声器的信号调整为反相位(起码有一只扬声器单元与阵列中其它扬声器反相位)。如果将正常相位表示为“+”，反相相位表示为“-”，则传统的7点同相位直线阵列可以表示为“+++++++”，而本发明将根据设计扬声器单元数目不同，选取不同的正常相位和反相相位排列方式，以实现阵列指向特性的优化。
当阵列单元数目N＝7时，根据本发明，优化阵列的排列可以按照上述规则表示为“-+--+++”，即将左起第1，3，4这三个扬声器单元的输入信号反相180度，而其余扬声器单元的输入信号保持正常相位。由于指向性响应与声源强度分布之间存在谱变换关系，阵列远场指向性响应关于轴向0度角左右对称，因此上述排列也可以自右向左进行调整，即右边第1，3，4这三个扬声器单元的输入信号反相180度，而其余扬声器单元的输入信号保持正常相位。
当单元数目N＝5时，优化阵列的排列顺序可以表示为“+++-+”，具体实现方法同上，不再赘述。
当单元数目N为其他数时，可以采用排列组合出所有可能的正负相位序列，然后根据下面两种方法之一求出最佳相位序列(a1，a2，a3，...，aN)①令L=Σθ(pθ-pθ‾)2]]>求出其中“使得L最小”的相位序列(a1，a2，a3，...，aN)；②令L＝201g[max(pθ)/min(pθ)]求出其中“使得L最小”的相位序列(a1，a2，a3，...，aN)，其中ai＝±1，pθ=|Σi=1Naie-jklsinθ|,]]>k为波数，l为阵列长度，θ为偏离阵列主轴的角度。pθ表示在此角度的声压幅值。
利用相位反相方法设置扬声器阵列的装置，通过调整部分扬声器单元输入信号使相位反相，其余设置保持不变，可以得到指向性得到优化的扬声器阵列。一般来说，调节相位的方法有一定的复杂性，而本发明仅需要在正常相位与反相相位之间选择合适的排列方式既可达到优化目的，因此可以避开复杂的相位调整信号处理模块，直接通过颠倒特定扬声器单元输入信号正负接线来实现反相，实现方法非常简单。
关于扬声器阵列单元间距扬声器阵列单元间隔距离与其实际工作频率有关，对于一个特定单元间距的扬声器阵列来说，工作频率过低或过高均有可能使优化效果有所降低。如果f表示频率(Hz)，d表示单元间距(m)，则2πfd/c＝const。实际应用中，100/d≤f≤800/d时最能够体现出优化效果。
关于分频器正如上面所述，根据本发明得到的扬声器阵列需要合适的工作频率范围，过高或过低的频率可能导致优化效果的降低。而在实际使用时可以设置两组或两组以上、工作频率范围不同的扬声器阵列，通过分频器提供各自合适频段的输入信号。可以得到扬声器阵列在较宽频率范围内的优化特性。
关于形状设计本说明书提供的仿真、实验数据均以直线型扬声器阵列为例。而对于弯曲程度不大的扬声器阵列，其优化特性基本得到保持。故可根据实际使用需要，设置直线型，或者具有弧度的扬声器阵列。
图2、图5的指向性图中对比了采用本发明方法优化前后的实验测量数据。从图中可以看出，本发明的理论仿真指向图与实际测量得到的指向图吻合得很好，说明本发明采用的理论模型是准确的；从实际测量的优化前后对比数据来看，本发明的优化方法能够明显改善扬声器阵列的指向特性，使得辐射声场更加均匀。
图3、图6的频率响应图表示了采用本发明优化前后在0度、45度方向的频率响应曲线。可以看出经过优化的扬声器阵列在0度主轴方向保持了原先的频率响应特性(与采用的扬声器单元频响有关)，而在45度方向在工作频段范围内对频率响应曲线的平直程度有明显改善。同样的，在其他角度也有相似的改善效果。
本发明的特点是即使在任意一只扬声器反相时均能改进一下指向图，在0度主轴方向的强度略有降低，相应保证了其它方向的不出现谷点。经检测的指向图表示，应用本发明，扬声器阵列的指向性得到明显改进，辐射声场更加均匀，且设计方法非常简单，成本低廉，便于使用。
图1根据本发明，当N＝7时，对应相位为“-+--+++”的扬声器阵列原理示意图。
图2根据本发明，当N＝7时，优化前后阵列的不同频率下的指向图对比。其中o表示优化前实验数据，*表示优化后实验数据，实线表示优化后仿真效果。分别表示了不同频率时阵列的指向性，其中图2-1是1kHz测量条件；图2-2是2kHz的测量条件；图2-3是4kHz测量条件；图2-4是8kHz的测量条件。阵列单元间距d＝0.1m，下同。
图3根据本发明，当N＝7时，优化前后的频率响应对比。其中虚线表示优化前测量得到的频率响应，实线表示优化后测量得到的频率响应。分别表示了不同角度时阵列的频率响应，图3-1的方向是0度角(主轴方向)；图3-2是偏离主轴45度角。
图4根据本发明，当N＝5时，对应相位为“+++-+”的扬声器阵列原理示意图。
图5根据本发明，当N＝5时，优化前后阵列的指向图对比。其中o表示优化前实验数据，*表示优化后实验数据，实线表示优化后仿真效果。分别表示了不同频率时阵列的指向性，其中图5-1是1kHz；图5-2是2kHz；图5-3是4kHz；图5-4是8kHz。
图6根据本发明，当N＝5时，优化前后的频率响应对比。其中虚线表示优化前测量得到的频率响应，实线表示优化后测量得到的频率响应。分别表示了不同角度时阵列的频率响应，图6-1指0度角(主轴方向)；图6-2指偏离主轴45度角。
具体实施方法如果将正常相位表示为“+”，反相相位表示为“-”，则传统的7点同相位直线阵列可以表示为“+++++++”，而本发明将根据设计扬声器单元数目不同，选取不同的正常相位和反相相位排列方式，以实现阵列指向特性的优化。
以当阵列单元数目N＝7为例，根据本发明，优化阵列的排列可以按照上述规则表示为“-+--+++”，即将左边第1，3，4这三个扬声器单元的输入信号反相180度，而其余扬声器单元的输入信号保持正常相位。由于指向性响应与声源强度分布之间存在谱变换关系，阵列远场指向性响应关于轴向0度角左右对称，因此上述排列也可以自右向左进行调整，即右边第1，3，4这三个扬声器单元的输入信号反相180度，而其余扬声器单元的输入信号保持正常相位。反相信号直接通过颠倒特定扬声器单元输入信号正负接线来实现，方法非常简单。
图2表示上述7点扬声器阵列优化前后的指向性图。图中对比了采用本发明方法优化前后的实验测量数据以及理论仿真结果。从图中可以看出，本发明的理论仿真指向图与实际测量得到的指向图吻合得很好，说明本发明采用的理论模型是准确的；从实际测量的优化前后对比数据来看，本发明的优化方法能够明显改善扬声器阵列的指向特性，使得辐射声场更加均匀。
图3表示上述7点扬声器阵列优化前后的频率响应图。图中分别表示了采用本发明优化前后在0度、45度方向的频率响应曲线。此阵列模型设计的工作频率范围是1kHz至8kHz。可以看出经过优化的扬声器阵列在0度主轴方向保持了原先的频率响应特性(与采用的扬声器单元频响有关)，而在45度方向在工作频段范围内对频率响应曲线的平直程度有明显改善。同样的，在其他角度也有相似的改善效果。
根据本发明的实验，在选取任何一只扬声器进行反相时，0度的声强均是减弱的，也就意味着在其它角度的声强分布增强，也说明的指向性有一定改善作用，但不如阵列单元数目N＝7的方案明显。
通过分频器设置两组或两组以上的扬声器阵列，如一组工作带宽为500-2000Hz，另一组工作带宽为2000-8000Hz，均采用上述设置，能覆盖更宽的频率范围。
权利要求
1.一种利用相位反相设置扬声器阵列的方法，其特征是通过调整阵列中部分扬声器单元相位的方法来实现扬声器阵列指向性的优化；各个扬声器单元分别馈给正相或反相的信号，至少一只扬声器单元馈给反相的输入信号。
2.如权利要求1所述的利用相位反相设置扬声器阵列的方法，其特征在于扬声器阵列对于排成一条直线，或者较小弧线的扬声器阵列。
3.如权利要求1所述的利用相位反相设置扬声器阵列的方法，其特征在于设置两组或两组以上的扬声器阵列，用于工作在两个工作频段，覆盖更宽的频率范围。
4.如权利要求1所述的利用相位反相设置扬声器阵列的方法，其特征在于阵列中各扬声器单元馈给信号的正负相位排列顺序满足一定规律阵列单元数目N＝5时对应相位排列为“+++-+”；N＝7时对应相位排列为“-+--+++”；上述所有相位排列顺序均可以以阵列任意一端为起点，向另一端按顺序排列。
5.如权利要求1所述的利用相位反相设置扬声器阵列的方法，其特征在于当单元数目N为其他数时，排列组合出所有可能的正负相位序列，然后根据下面两种方法之一求出最佳相位序列(a1，a2，a3，...，aN)①令L=Σθ(pθ-pθ‾)2]]>求出其中“使得L最小”的相位序列(a1，a2，a3，...，aN)；②令L＝20lg[max(pθ)/min(pθ)]求出其中“使得L最小”的相位序列(a1，a2，a3，...，aN)，其中ai＝±1，pθ=|Σi=1Naie-jk/sinθ|,]]>k为波数，l为阵列长度，θ为偏离阵列主轴的角度；pθ表示在此角度的声压幅值。上述所有相位排列顺序均可以以阵列任意一端为起点，向另一端按顺序排列。
全文摘要
一种利用相位反相设置扬声器阵列的方法，通过调整阵列中部分扬声器单元相位的方法来实现扬声器阵列指向性的优化；各个扬声器单元分别馈给正相或反相的信号，至少一只扬声器单元馈给反相的输入信号。采用调整部分扬声器单元相位的方法来实现扬声器阵列指向性的优化。各个扬声器单元馈给正相或反相的信号，其排列顺序满足一定规律。本发明的指向性图表明，利用相位反相方法设置扬声器阵列，其指向性的均匀程度得到明显改进，设计方法与装置非常简单。
文档编号H04R3/00GK1933676SQ20061009652
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者沈勇, 安康, 欧达毅 申请人:南京大学