专利名称：大规模多声源声音增强的方法
技术领域：
本发明涉及多声源大功率的音响系统领域，特别涉及用于音乐会及类似情况的高保真度的、高清晰度的音响传输系统。
特大功率的音频扬声器系统一般用于室内和室外的音乐厅，剧场和露天剧场的音乐会。典型地，单个的音箱或“箱”以大规模、密集阵列的复联方式组合。在现有技术中公知的一种典型的“音响墙”系统示于
图1，一般用参考数字10表示。一个大的音箱阵列经常称为“音乐厅设备”。该音乐厅设备10包括四个扬声器系统，指定为12、14、16和18，排列在一直线20上。每个扬声器系统包括不同尺寸和式样的扬声器，这些扬声器分别适用于低频响应，中频响应和高频响应。四个扬声器系统互相配合工作，在听音区产生若干个不同的区域或复合区域，其中每个扬声器系统发出的声音保持纯净且不失真，否则同其它的一个、二个或三个扬声器系统发出的声音混合起来，造成声音的混乱且失去清晰度。不同的区域已根据图4中表示的图例和明暗程度表示出。最纯净的音区是空白的、无阴影，并且以数字1表示。最不清晰，最失真的声音区画成最暗，并且以数字5表示。纯净的声音，即声音只从一个声源发出，且不与其它声源发出的声音混合，是沿着该区的外边缘传送且直接地在每个扬声器系统的前面，如数字1所示。若干个短区2形成了“高保真度通道”。每个高保真度通道的声音是从两个声源发出的，但是由于每个声源所起的作用基本上相等，总的声音的音质是良好的。以参考数字3表示的区域，由于两个声源的作用不等，其声音是混乱的且失去清晰度。以参考数字4标明的区域由于三个声源作用不相等，声音更混乱且失去清晰度。以参考数字5表示的区域在听音区中是单个的、最大的区域，由于全部四个声源作用不相等，因而是最混乱、干扰最大及最不清晰的。经常使用四个以上的扬声器系统或声源，例如六个至八个声源，复盖100度或更大的广角区域，技术人员以及在使用这种音乐会设备的地方听音乐会的人们对此是赞尝的。为了减少说明现有技术存在的问题的困难，不增加附图的复杂性，四个声源用图1来说明。
另一个困难来自音乐会演出者要求提供最大声级，这也要求产生高声压级和大的动态范围。为了产生尽可能大的声音功率，许多音箱实际上装有放大器和相关的部件。音乐厅设备，例如图1中所示的那种设备，对于音乐会的演出者和参加者来说，已不适当地变成低质大声的同义词。
如图2所示的音乐厅设备30已经取得了一些改进，其中每个扬声器系统或声源32、34、36和38彼此向外展开，沿着一个公共的弧度或浅弧形40排列。这种安排具有适当增加纯声区域1和相等混声高保真通道区域2的范围的效果。但是，很容易看出，大部分的复合听音区包括音区3、4、和5，显然这些音区是低音质的。这样展开的声源之间的典型角度为十度与二十度之间，该系统欲复盖六十度与九十度之间的整个区域。由图1和图2所示每个典型的音乐厅设备产生的声音的多重重叠，结果是很不清晰，声音模糊。只有非常靠近任一个系统的那些听众将收听到相当清晰且不失真的声音。而这些听众也可能被这样的声压级震聋了。
本发明通过提供一个复合的听音区克服现有技术的困难，在这个听音区中，纯净的、不混合的、不失真的声音实际上传送到百分之一百的听音区。这是通过从若干个单独的电声声源发出声波，每个声波是定向型的，而且具有相对窄的，楔形色络的声音投射，各个声音投射色络的相邻边缘基本上成一直线而不重叠，从不同声源发出的声音之间没有干扰而消除了声音的失真，使该听音区传播一样的声音而且音质好。即使从相邻声源来的声音可能混合，但这是在高保真度通道中均等地混合，这种情况所提供的音质，如果不是最好的，至少是良好的。这可以通过参看图3中所示的音乐厅设备50进行评价，后面还要详细说明。
本发明的一个目的是提供大规模多声源声音的增强，在整个听音区传送高保真度的声音。
本发明的另一个目的是提供大规模多声源声音的增强，在听音区传送高清晰度的声音。
本发明的又一个目的是提供大规模多声源声音的增强，而任何声源之间没有干扰。
本发明的又一个目的是提供大规模多声源声音的增强，使用每个声源的零-重叠声音投射。
本发明的这些目的和其它目的是用一个改进的方法实现的，这种方法是在一个广角传播区以大功率级不失真地传送声音，包括下列方法由若干个单独的声源发出声波，每个声波是定向型的，其特点是相对窄的，楔形包络的声音投射;多个音箱并排放着，使得各声音投射包络的相邻边缘基本上成一直线而不重叠，从任何音箱发出的声音之间没有干扰，而消除了声音的失真，整个听音区传播一样的声音且音质好。该方法更可取地进一步包括从具有这样一种箱体的音箱中发出声波的方法，这种箱体的形状，与各自声音包络的边缘一致，且这种箱体的形状的平面图基本上是梯形的。在本发明的多个优选实施例中，该方法还包括形成每个声音包络的方法，以限定声音扩散角，该角度大约小于或等于四十度、三十度甚至二十度。
本发明的这些目的和其它的目的也是由一音箱阵列实现的，该音箱阵列用来在一个广角区发送大功率级声音而无失真，它包括许多个电声扬声器声源，每个声源是定向型的，而且具有相对窄的，楔形包络的声音投射，各声源并排放着，以致各个声音投射包络的相邻边缘基本上是成一直线而不重叠，从不同声源发出的声音之间没有干扰，而消除了声音的失真，使该听音区传播一样的声音而且音质好。在目前优选的实施例中，扬声器按放在多个音箱中，每个箱体的形状，与放置在该箱中各扬声器所产生的声音投射包络边缘在平面图上是一致的，这样的音箱箱体平面图一般是梯形的。
为了说明本发明，用目前优选的附图形式表示，但是，不用说，本发明不受精确的安排或所说明的手段的限制。
图1是用图说明根据现有技术音乐厅设备线性墙产生的声音干扰图形;
图2是用图说明根据现有技术音乐厅设备向外张开墙产生的声音干扰图形;
图3是用图说明根据本发明的一种音乐厅设备的声音扩散图形;
图4是说明暗等级的图，用于识别图1，2和3音乐厅设备的声音纯度，声音干扰和失真的不同程度;
图5是适用于图3所示的音乐厅设备中的扬声器系统声源的透视图;
图6是对于图5所示的音乐厅设备的另一个扬声器系统声源的透视图。
根据本发明原理的音乐厅设备50的工作情况在图3中说明。由多个声源52、54、56、58和60产生的声音传播到一个复合的听音区。该复合听音区要求声音扩散遍及大约180度角。声源52至60中的每个声源用来发射相对窄的，楔形包络声投射的声波。为了使五个声源复盖180度的复合听音区，每个声源必须有一个扩散角a约为36度的楔形包络声投射。为了说明方便，如果把声源看成是点声源或垂直线声源，声音基本上是从园弧62的位置向外辐射出去的。由于真正的“音箱”，其声源基本上是沿着园弧60并排放着的，各声音投射包络的相邻边缘实际上成一直线而不重叠。关于图4中所示的，并用来说明图1和图2的现有技术系统的声音干扰电平图，可以看到声源52至60中的每个声源产生一个大的纯音音区1，各个音区1之间形成一个窄的高保真通道2。由于在图1和2现有技术系统中大多数的复合听音区包括音区3、4和5，这表明实际上有干扰且音质差，因此在图3所示的系统的复合听音区几乎全部是基本纯净的、不失真的声音，偏差仅仅是窄高保真通道情况下的音质良好。从各声源发出的声音之间没有干扰，而消除了声音的失真，使复合听音区传播一样的声音而且音质好。
本发明的另一个方法是使从具有这样一种箱体的声源或者音箱发出声波，该箱体形状与各个声音包络的边缘一致，称为“最小包络箱”。相应地，声源52至60中的每个声源的平面图基本上是梯形的。而在图1和2所示的系统中所用声源的箱体基本上是矩形的。用于图2中的展开的箱之间的三角间隔导致了声学上的困难。
用于构成各个声源52至60的一个合适的扬声器系统示于图5，一般指定为70。每个这样的声音系统被分成两部分，一个低频或“低音”扬声器系统72，复盖声音频率范围约为35Hz至125Hz，和一个“中高音”扬声器系统74，复盖频率范围约为125Hz至20KHz。频率约为20KHz的声音处于人们听力清晰度很高的范围。对于低频、中频和高频扬声器部件使用分开的放大器，还用一个有源的交叉/均衡器控制网络，把适当的信号分配给适当的放大器。虽然使用分开的扬声器和交叉/均衡器网络是公知技术，但是使用中-高频扬声器系统基本复盖了整个清晰的声音范围，这是本发明的声音极好的关键，而且以前从未用于音乐厅设备中。中-高频扬声器系统以小的复盖角工作，水平扩散角度大到约40度，小至约20度。
用于中-高频范围的扬声器72必须是定向型的，如EV-HP420型，可在密执安州的布昌那市电声公司买到。由于扬声器本身不是本发明的构成部分，所示扬声器没有详细表示出。隔板80把音箱74分成一个上部隔室82和下部隔室84。上隔室82用于装高频扬声器83，发出频率范围约为1100Hz至20KHz的声音。隔室84用于装中频扬声器85，发出频率范围约为125Hz至1100Hz的声音。熟练的技术人员可以知道，从低音音箱到中-高音音箱的优选的交叉点是随情况变化的，落在至少低至125Hz和高至150Hz的范围内。
中-高音音箱74平面图基本上是梯形的，确定一个约30度的扩散角b。中-高音音箱74放在低音音箱72上面，后者是一个开孔的“低音音箱”，有两个低音扬声器76和两个孔78，用于调谐低音音箱的两个孔78是公知技术。低音音箱72也提供一个最小的包络箱，它与中-高音音箱74的大小和形状在平面图上是一致的。虽然低音发射不取决于同样窄的声音传播包络，但是最小的包络箱对于音质是有作用的。此外，由特别的中-高音音箱提供的窄的声音包络，几乎控制可听声音的全部频谱。
在图6中表示另一种声源，其中，中-高音音箱86确定声音投射包络，其扩散角C只有20度。在这个实施例中，使用了一个高频扬声器和两个较小的中频扬声器。隔板90和92把中-高音音箱分为隔室94、96和98。隔室94和98放中频扬声器95和99，工作在约150Hz至1100Hz的频率范围内。隔室96放一个高频扬声器97，工作在约1100Hz至20KHz频率范围内。一个开孔的低音音箱88同图5所示的低音音箱74相似，只是它还具有对应于中-高音音箱86扩散角C的最小包络箱和150Hz的最高优选频率。
可以在很宽频带进行方向性控制，一个“室内”工程师也可以安排音箱声源阵列，以相邻声源的重叠或干扰最小复盖听众各个区域。既使各过渡区，各声源之间的高保真通道音响也是很好的。在复合听音区内可以进行第一次的全部音区的控制。声音级，特别在临界清晰度频带500Hz至2000Hz的声音级和频率响应都可满足各区要求。例如，坐在远处的听众要求大的声源输出及较大的频率“提升”，以获得与接近该声源的听众一样的音质和声级。此外，通过“偏移”“左”和“右”两个阵列的方向性图可以获得立体声“效果”的显著改善，如这里所叙述的，每个阵列是由许多声源构成的。较大部分的听众可有效地得到立体声“效果”，在实际上，大部分听众可获得立体声效果。当大部分复合听音区充满着多个声源产生的重叠和混乱声音扩散型时，这样的立体声效果简直是不可能获得的。
使用所述的中-高音音箱，可在给定的输入功率下产生最大可能的声压级。使用较小容量的扬声器，即使数量稍多点，由于要获得要求的声级和音质时所需的放大倍数较小，因而减少了系统的费用。在大多数情况下，该系统可以“滑行”，特别在有声范围内“滑行”。该系统以低失真和很宽的动态范围全面地提供清楚的声音的增强。
总的说来，根据本发明对多个声源声音的增强是特别有利的，提供了无重叠的听音区复盖;重量轻的式样;由于相似形状的低音和中-高音扬声器音箱，系统组合方便;和对低音音箱采用开孔箱的技术。无重叠带状的复盖使听众只听到一个声源的声音，提供了最好的清晰度。高方向性产生最小的混响，扬声器的号筒式样可最有效地满足最低的失真和最小的功率的要求。在许多听音区可得到一样的音质，在较大部分的复合听音区可以大大地改善立体声效果。
在不偏离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可用其它特殊方式实施，因此，要参看所附的表明本发明范围的权利要求而不是参看前面的说明书。
权利要求
1.在广角扩散区以大功率级无失真地传送声音的一种改进的方法，包括下列方法从许多个单独的声源发出声波，每个声源是定向型的，特征在于相对窄的，声音扩散角不大于40度的楔形包络的声音投射，许多声源并排放置着，以便使各个声音投射包络的相邻边缘基本上成一直线而不重叠，从任何声源发出的声音之间没有干扰，而消除了声音的失真，使得在整个听音区传播一样的声音而且音质好。
2.在广角扩散区以大功率级无失真地传送声音的一种改进的方法，包括从许多个单独的声源发出声波的方法，每个声源的特征是相对窄的，声音扩散角不大于40度的楔形包络的声音投射，使得各个声音投射包络的相邻边缘基本上成一直线而不重叠，从不同声源发出的声音之间没有干扰，而消除了声音的失真，使得在整个听音区传播一样的声音而且音质好。
3.权利要求1的方法，包括从具有音箱的电声扬声器发出声波的另一种方法，这些音箱的形状同各自的声音包络边缘一致。
4.权利要求2的方法，包括从具有音箱的电声扬声器发出声波的另一种方法，这些音箱的形状同各自的声音包络边缘一致。
5.权利要求3的方法，包括构成每个音箱使其平面图基本上为梯形的另一种方法。
6.权利要求4的方法，包括构成每个音箱使其平面图基本上为梯形的另一种方法。
7.权利要求1的方法，还包括从两组复合声源发出声波和偏斜该两组声源发出的声音的方法，以在大部分扩散区获得立体声效果。
8.权利要求1的方法，包括形成每个声音包络的方法，以限定声音扩散角不大于30度。
9.权利要求8的方法，包括形成每个声音包络的方法，以限定声音扩散角不大于20度。
10.权利要求2的方法，还包括从两组复合声源发出声波和偏斜该两组声源发出的声音的方法，以在大部分扩散区获得立体声效果。
11.权利要求2的方法，包括形成每个声音包络的方法，以限定声音扩散角不大于30度。
12.权利要求11的方法，包括形成每个声音包络的方法，以限定声音扩散角不大于20度。
13.权利要求1的方法，还包括在基本上成园弧的各位置上向外辐射声音的方法。
14.权利要求2的方法，还包括在基本上成园弧的各位置上向外辐射声音的方法。
全文摘要
在广角扩散区以大功率级无失真地发送声音的一种改进的方法，包括从多个单独的声源发出声波，每个声源特征是相对窄的，楔形色络的声音投射，使得各个声音投射色络的相邻边缘基本上成一直线而不重叠，从不同声源发出的声音之间没有干扰而消除了声音失真，在整个音区传播一样的声音而且音质好，声波最好从具有音箱的电声扬声器发出，这些音箱的形状同各自的声音色络一致。
文档编号H04R1/34GK1030316SQ88104508
公开日1989年1月11日 申请日期1988年6月10日 优先权日1987年6月10日
发明者约翰·莱蒙 申请人:美国音响有限公司