一种声音集中可导向的扩声设备和大型开阔场地广播系统的制作方法

本发明涉及扩声设备的声音传输控制，特别是一种声音集中可导向的扩声设备和大型开阔场地广播系统。

背景技术：

1、大型场地一般包括有城市广场、学校操场等开阔的场所，然而这些大型开阔场地通常会有各式各样能产生生活噪音的活动举行，如广场舞、学校操场广播操或其他教学活动等等。噪声是指发声体做无规则振动时发出的声音。当噪声对人及周围环境造成不良影响时，就形成噪声污染。

2、学校操场当进行教学活动时，不仅影响教学楼的正常教学秩序，还会影响到小区住户的日常生活。邻近几所学校的教学活动时间不同，导致广播串音，影响各校学生接收指定信息。体育课和室外大中型活动时，由于室外音箱的特定安装位置导致室外音箱在教学区域的音量过大，影响教学区室内课堂教学氛围，学生容易分心。传统扩声设备发出的声音缺少指向性，在大型开阔场地传播时存在声音延时、混音混响、声音外溢无法集中导向、噪音干扰等问题。

技术实现思路

1、针对上述传统扩声设备发出的声音缺少指向性，在大型开阔场地传播时存在声音延时、混音混响、声音外溢无法集中导向、噪音干扰等问题，本发明提供一种声音集中可导向的扩声设备和大型开阔场地广播系统，将多个扬声器组成一个阵列，形成线性声源，线声源产生的柱面波阵列具有非常强的指向性，可以使声能力集中在某个区域，即使在高混响的环境中也可以提供极高的可懂度。

2、为实现上述目的，本发明选用如下技术方案：一种声音集中可导向的扩声设备，包括一fpga部件、至少一个数字功放和至少两个扬声器，所述fpga部件分别连接至少一个数字功放以对应地构建至少一个独立信号传输通道，多个数字功放分别独立控制组成功放阵列，单个所述数字功放对接两个扬声器或四个扬声器以使多个扬声器组成扬声器阵列，所述fpga部件分别独立控制功放阵列和/或扬声器阵列的各子单元的信号输入相位参数以使各扬声器的声束在指定方向上以预设的波束宽度和指向角度集中导向。

3、作为本发明的进一步改进：所述fpga部件包括有fpga芯片组，所述fpga芯片组通过io端口分别连接12个数字功放，单个数字功放通过i2s总线接收fpga芯片组调控处理后的音频数据并放大、滤波处理，分别通过电感输出至两个或四个扬声器。

4、作为本发明的进一步改进：所述扬声器阵列在预设高度上由数字功放推动输出声束且使得各扬声器的声束集中在扬声器阵列正前方主瓣方向上，所述fpga部件通过独立信号传输通道控制各扬声器声束的波束宽度和指向角度使得所述主瓣方向上声束的集中导向具有水平±30°的角度范围控制。

5、作为本发明的进一步改进：所述扩声设备还包括信号输入部件和mcu综合处理部件，所述信号输入部件与外部音频信号源电性连接以接收声源数据，所述mcu综合处理部件的输入端分别通过蓝牙连接信号输入部件和/或通过adc转换连接信号输入部件以接收数字音频数据，所述mcu综合处理部件将数字音频数据运算处理后向所述fpga部件传输。

6、作为本发明的进一步改进：所述信号输入部件包括有模拟信号输入输出电路、定压信号输入电路、ip信号输入电路，所述模拟信号输入输出电路包括包括模拟信号输入端和模拟信号输出端，所述模拟信号输出端用于扩展或对接其他声音输出设备。

7、作为本发明的进一步改进：所述模拟信号输入输出电路和定压信号输入电路的输入端均分别并联有压敏电阻以防雷击，再通过变压器改变电压信号，经过运放组成的缓冲电路后输出至adc转换电路以使所述adc转换电路对声源数据转换为i2s信号的数字音频数据；所述ip信号输入电路包括一ip广播接收板卡，所述ip广播接收板卡接收ip信号经过处理后，经过运放组成的缓冲电路后输出至adc转换电路以使所述adc转换电路对声源数据转换为i2s信号的数字音频数据。

8、作为本发明的进一步改进：所述扩声设备还包括电源部件，所述电源部件连接220v电源，将220v电压降压处理至各部件需要的电压以分别向信号输入部件、mcu综合处理部件、fpga部件、数字功放和扬声器供电。

9、另一方面，本发明选用如下技术方案：一种大型开阔场地广播系统，包括音频适配终端、远程音频信号传输装置和前端定向部署扩声装置，所述前端定向部署扩声装置包括如上述的一种声音集中可导向的扩声设备。

10、作为本发明的进一步改进：所述音频适配终端将音频信号进行处理并经过所述远程音频信号传输装置分配至前端定向部署扩声装置，所述前端定向部署扩声装置包括有若干声音集中可导向的扩声设备，将多个声音集中可导向的扩声设备进行部署，其中包括单朝向扩声设备部署和面对面朝向扩声设备部署。

11、作为本发明的进一步改进：所述单朝向扩声设备部署包括将多个扩声设备以朝向所述大型开阔场地发音并设置位于大型开阔场地的同一侧部署且背向需要规避噪音区域；所述面对面朝向扩声设备部署包括将多个扩声设备以一多一少地设置在大型开阔场地的相对两侧部署且数量居多一侧的扩声设备背向需要规避噪音区域。

12、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

13、本发明通过fpga部件对数字音频数据进行调控处理，针对功放阵列和扬声器阵列的各子单元构建独立信号传输通道且对其进行独立调控处理，控制信号输入相位参数以使各扬声器的声束在指定方向上以预设的波束宽度和指向角度集中导向。

14、本发明对扬声器阵列发生的声束进行集中导向形成线性声源，线声源由于距离产生的声压级衰减明显比较小，有更均匀的声场，且线声源产生的柱面波阵列具有非常强的指向性，可以使声能力集中在某个区域，实现可控声音集中精准覆盖操场区域，并抑制其扩散到周围区域，适用于大型开阔场地，系统声音大小和效果能够满足使用需要，同时扩散到周边居民区的声音远低于国家标准规定的环境噪声限值。

技术特征：

1.一种声音集中可导向的扩声设备，其特征在于：包括一fpga部件、至少一个数字功放和至少两个扬声器，所述fpga部件分别连接至少一个数字功放以对应地构建至少一个独立信号传输通道，多个数字功放分别独立控制组成功放阵列，单个所述数字功放对接两个扬声器或四个扬声器以使多个扬声器组成扬声器阵列，所述fpga部件分别独立控制功放阵列和/或扬声器阵列的各子单元的信号输入相位参数以使各扬声器的声束在指定方向上以预设的波束宽度和指向角度集中导向。

2.根据权利要求1所述的一种声音集中可导向的扩声设备，其特征在于：所述fpga部件包括有fpga芯片组，所述fpga芯片组通过io端口分别连接12个数字功放，单个数字功放通过i2s总线接收fpga芯片组调控处理后的音频数据并放大、滤波处理，分别通过电感输出至两个或四个扬声器。

3.根据权利要求2所述的一种声音集中可导向的扩声设备，其特征在于：所述扬声器阵列在预设高度上由数字功放推动输出声束且使得各扬声器的声束集中在扬声器阵列正前方主瓣方向上，所述fpga部件通过独立信号传输通道控制各扬声器声束的波束宽度和指向角度使得所述主瓣方向上声束的集中导向具有水平±30°的角度范围控制。

4.根据权利要求1所述的一种声音集中可导向的扩声设备，其特征在于：所述扩声设备还包括信号输入部件和mcu综合处理部件，所述信号输入部件与外部音频信号源电性连接以接收声源数据，所述mcu综合处理部件的输入端分别通过蓝牙连接信号输入部件和/或通过adc转换连接信号输入部件以接收数字音频数据，所述mcu综合处理部件将数字音频数据运算处理后向所述fpga部件传输。

5.根据权利要求4所述的一种声音集中可导向的扩声设备，其特征在于：所述信号输入部件包括有模拟信号输入输出电路、定压信号输入电路、ip信号输入电路，所述模拟信号输入输出电路包括包括模拟信号输入端和模拟信号输出端，所述模拟信号输出端用于扩展或对接其他声音输出设备。

6.根据权利要求5所述的一种声音集中可导向的扩声设备，其特征在于：所述模拟信号输入输出电路和定压信号输入电路的输入端均分别并联有压敏电阻以防雷击，再通过变压器改变电压信号，经过运放组成的缓冲电路后输出至adc转换电路以使所述adc转换电路对声源数据转换为i2s信号的数字音频数据；所述ip信号输入电路包括一ip广播接收板卡，所述ip广播接收板卡接收ip信号经过处理后，经过运放组成的缓冲电路后输出至adc转换电路以使所述adc转换电路对声源数据转换为i2s信号的数字音频数据。

7.根据权利要求1所述的一种声音集中可导向的扩声设备，其特征在于：所述扩声设备还包括电源部件，所述电源部件连接220v电源，将220v电压降压处理至各部件需要的电压以分别向信号输入部件、mcu综合处理部件、fpga部件、数字功放和扬声器供电。

8.一种大型开阔场地广播系统，包括音频适配终端、远程音频信号传输装置和前端定向部署扩声装置，其特征在于：所述前端定向部署扩声装置包括如权利要求1-7所述的一种声音集中可导向的扩声设备。

9.根据权利要求8所述的一种大型开阔场地广播系统，其特征在于：所述音频适配终端将音频信号进行处理并经过所述远程音频信号传输装置分配至前端定向部署扩声装置，所述前端定向部署扩声装置包括有若干声音集中可导向的扩声设备，将多个声音集中可导向的扩声设备进行部署，其中包括单朝向扩声设备部署和面对面朝向扩声设备部署。

10.根据权利要求9所述的一种大型开阔场地广播系统，其特征在于：所述单朝向扩声设备部署包括将多个扩声设备以朝向所述大型开阔场地发音并设置位于大型开阔场地的同一侧部署且背向需要规避噪音区域；所述面对面朝向扩声设备部署包括将多个扩声设备以一多一少地设置在大型开阔场地的相对两侧部署且数量居多一侧的扩声设备背向需要规避噪音区域。

技术总结
本发明提供了一种声音集中可导向的扩声设备和大型开阔场地广播系统，包括一FPGA部件、至少一个数字功放和至少两个扬声器，多个数字功放分别独立控制组成功放阵列，单个所述数字功放对接两个扬声器或四个扬声器以使多个扬声器组成扬声器阵列，所述FPGA部件分别独立控制功放阵列和/或扬声器阵列的各子单元的信号输入相位参数以使各扬声器的声束在指定方向上以预设的波束宽度和指向角度集中导向。本发明通过FPGA部件对数字音频数据进行调控处理，针对功放阵列和扬声器阵列的各子单元构建独立信号传输通道且对其进行独立调控处理，控制信号输入相位参数以使各扬声器的声束在指定方向上以预设的波束宽度和指向角度集中导向。

技术研发人员：舒敏,何泽林,叶家铭
受保护的技术使用者：广东天谱电器有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15