专利名称：衍射音响系统的制作方法
技术领域：
本发明衍射音响系统是根据波的传播原理和波的衍射现象制造的。
声波在传播过程中，会直线通过，远远大于波长的缺口，如我们站在贴有塑料布的窗前，声波会穿透塑料布，我们会很容易辨别出声源的位置，如果站在离窗户远些的地方，就只能辨别出说线可以看到的声源位置和大概距离(窗户要远大于波长，一般指500Hz以上的声波)，而其它方向来的声波或大于窗户的波长只能感觉到是从窗户发出来的。
要想得到记录时的声场，必须对各种声波进行频率、相位和振幅记录，回放时由各声道的振子按频率、相位、振幅推动振膜合成出各种声波形成声场，使我们可以听到三维声场。目前的音响系统由于声道少没有相互间的相位关系，所以确定声源的位置只能靠两个或多个喇叭之间发声的强弱来合成位置。它的缺点是定位不准，受空间限制定位也不自然，它的音源位置最多只能限制在多个喇叭组成的多边形区域内定位。两衍射音响的音源可以在振膜为X轴，上、下两组(是因为限制声道数量的原因)振膜之间为Y轴(这个轴是上、下组合成的模拟轴，根双声道定位相似)，以纵深为Z轴的三维空间上定位。如
图1所示。
波传播有四要素1、方向；2、振幅；3、频率；4、传播半径。而相位是各振动点在声波中的位置量，我们确定声源的方位和远近是靠波的传播半径，如果我们制造的音响没有记录下相位和传播半径，那只能听到声响。在衍谢音响系统中方向和距离是靠每个振子记录相位和振幅，可放时由各声道的振子推动振膜合成声波。要记录波的方向和半径，就必须记录下每个振子的相位和振幅，振子要对每个波长进行相位和振幅取样，必须使振子之间的中心距离要小于记录波长的二分之一，这样回放时通过每个振子的振动，推动振膜使合成声波半径(即确定了波的圆心远近)。回放振子之间的中心距离根记录振子的中心距离要一致。由于可听音频上限定在2万赫，波长340／7万=1．7cm，(温度20度时)所以振子之间的距离就要小于0．85cm，我们把振子之间的中心距离暂时定在0．75cm。因为目前记录媒体和重放设备等价格原因，每组“母音箱”选200个声道，这样200个声道组成的振膜长度是1．5米(200×0．75cm)。当我们在120°以上的听音角度时，才感到声场的宽广，如图2，所以要在距音箱2米处以外听音时，振膜的长度要7米左右，如果每个振子的信号都全部记录，将记录800个声道，上、下两组共1600个声道，信息量将远远超过高清淅度电视的信息量，记录媒体难以容下，设备昂贵。所以目前采用折中方案，即压缩方案。在记录时只录1万以上中间的200个声道的高频信号，作“高频母信号”用，对5千-15Hz频段的信号，在0．75cm间距的振子中，采用间隔取样记录，因为1万Hz以下信号半波长大于1．7cm，所以每两个0．75cm宽的振子，只录一个振子的信号，这样记录200个声道组成的振膜长度是3米，把这段频谱信号作5千-1万Hz频段扩展的“母信号”，对5千Hz以下部份的200个声道的信号全部记录，不再分频段，因为频段分的越多技术越复杂，成本高。对5千Hz以下信号记录200个声道，振膜长度将达到6米，基本上能满足发烧友的需要。对1万-5千Hz以下信号两个频段的200个声道的信号只能穿插在1万H以下没有占用的声道中。如图3，回放时用频率分割法把1万-5千Hz信号和5千Hz以下信号还原到各自的声道中。因为1万Hz以上频段振膜只有1．5米长，1万-5千Hz频段振膜只有3米，为了把1万Hz以上和1万-5千Hz信号频段的振膜扩展到6米，需要把1万Hz以上和1万-5千Hz频段的信号作母信号，输送到各扩展音箱，使振膜扩展到所需的长度。一般家庭面积不大，所以一般只扩展到4米左右就可以了，对5千Hz以下部份没有用到的声道信号弃之不用。不足之处是扩展频段，不些方向的音源定位可能会根原始位置产生位移，不过不明显，因为听音者往往不是录音者。
记录设备必须采用数字记录方式，这到不是信噪比高的原因，是因为衍射音响振子之间必须有严格的相位关系，数字记录正好满足它的要求。如果采用模拟记录，由于记录媒体的变形，将导致振子相混乱，使定位失败。在数字记录时，对模拟信号的采样量化，要用成批法，即同时对所有声道取样，然后把各声道按顺序串行进行记录，这样在记录和重放过程中不容易产生相位失真。重放时，设备从光盘上把串行信号取出，然后按地址分别送到各自的声道解码器中，解调出模拟信号，由串行结束信号控制并行同时输出，推动功放。
衍射音箱是该项技术中的新产品，它是由振子和振膜固定箱体组成。振子(即喇叭电磁部份)把电信号转变成声音信号，振膜是把各个振子连接起来，组成一个整体，并把各个振子的信号合成声波，合成各种音源发出的声波定位在我们面前略小于180°的半个球面的空间中，(这是因为单面有衍谢音箱的原因)。振子分记录和回放振子两类。回放振子有高音振子和中低音振子两种，记录振子就是小于0．8cm宽的话筒。回故高音振子宽度是0．75cm宽，长度是10cm左右。中低音振子宽度是3cm，长度是20cm左右。回放振子由1固定架，2长方形导磁板，3长方形环形磁铁，4音圈，5定心支片，6振动粘贴画等组成。增加振子的长度一是提高灵敏度，二是使合成的声波自然些，三是减小音圈的感抗。
权利要求
1.本发明衍射音响是根据声波的衍射现象和声波的传播原理制造的。它是由记录衍射音箱记录若干声道(百道以上)振子信号的频率、相位和振幅。回放时由回放衍射音箱的各个声道的振子，推动振膜合成声波来定位声源的方位和距离，使我们能听到三维声场。衍射音响系统由记录音箱数字光盘记录设备，回放设备和回放音箱等组成。
2.本发明衍射音响系统的衍射音箱分记录和回放音箱两类。记录衍射音箱只有振子(即小于0．8cm的小话筒)，没有振膜，因为大多数物质的声音传播速度都跟空气不一样，同时各方向传来的声波与衍射音箱轴线的角度各不相同，会干扰各声道的相位，所以让各声道的话筒直接对声波取样记录。记录音箱要避免共振，它的拾音角度要求是轴线方向是180°，垂直音箱轴线拾音角度是90°，这样两排音箱能主要记录各自空域内的音源信号。回放音箱是由各声道振子(根喇叭原理和结构相似，是电声转换部件)和振膜部份(把各振子连接起来合成声波的作用)把它们固定在音箱体上组成回放衍射音箱。回放振子之间的距离根记录话筒的距离相对应。
3.记录话筒和回放振子之间的距离要小于它所记录和回放时，每段频谱最调频率的二分之一入波长。使最高频率的声波记录时也能较好的进行相位取样，回放时也能对最高频率的声源作较好的定位记录话筒和回放振子之间的距离要一致。
4.由于信息量太大的原因，记录时采用频段压缩记录，即把“准声道”以外的中、低频段的信号穿插到“准声道”空白的1万Hz以下的频谱中。准声道为1万-2万Hz频段为一个声道，记录多少道1万-2万Hz频段，证明衍射音响“准声道”是多少道。每个准声道包含着几个声道的独立信号。回放时进行还原，并将每段频谱按地址送到各自的声道，使音箱的长度得到扩展，听音角度得到扩大。
5.根据权利要求1和3所述，其特征是衍射音响系统是靠各个声道振子的振幅、相位和频率来合成声波定位的，所以记录时必须量化出每个振子所在声波中的相位，使设备对每个声道的相位准确记录。为了让话筒和振子量化出最高频率声波的振幅和相位，所以振子的宽度必须小于二分之一波长。因为可听声频上限一般定在2万Hz，波长是340／2万=1．7cm(温度是20℃时)，所以振子之间的距离必须小于0．85cm，暂时把高音振子之间的距离定在0．75cm，中低音振子宽度定在3cm(分频点是5千Hz)这段距离就等于规定了振子的宽度，即高音振子宽度要小于0．75cm中低音振子宽度要小于3cm。由于记录媒体和回放设备的价格因素，以每组振膜为200个高音振子(即200个准声道)，组成1．5米长的振膜即音箱的长度，扩展音箱的功放、振子、振膜、箱体等指标要跟“母衍谢音箱”要一致。由于单排衍谢音箱只能作两维定位，所以要致少两排(上、下或前后等)才能实现三维声源定位。
6.根据权利要求1所述设备其特征是必须保证各个声道信号的位不能失真，各声道增益，频响曲线要一样，否则将导致定位失败。记录时采用数字记录，取样量化最好采用比法，即对各声道的信号同时取样量化，这样不会产生相位漂移。
7.根据权利要求2所述，设备其特征是每节回放衍射音箱由数百个声道各部器件组成。每个声道有解码器频段分割电路音量和均电路，功放电路和振子、振膜箱体组成衍射音箱。回放设备从光盘上取出串行信号，送到回放音箱，按地址送到各自的声道，由解码器解调出模拟信号，由频率分割电路分离出各段频谱送到扩展音箱，由功放电路放大最后由振子推动振膜合成声波。记录衍谢音箱由数百个小于0．8cm的话筒和取样量化电路最后串行输出。
8.根据权利要求4所述其特征是，由于记录媒体的容量和设备价格因素等原因，商品型选每组200个准声道，两组共需要400个准声道，模拟信息量是8MHz。如果专业板各声道信号全部记录，6米长的振膜需要800个声道，两组共1600个声道需要处理的模拟信息达32MHz，远远超过高清淅度电视的信息。因为商品型每组只有200个声道的信息容量，所以必须采用压缩法。即在每个声道上，把1万Hz和5KHz定为分频点，如图3把话筒以0．75cm的距离排列开，因为1万Hz以上的距离是0．75cm和5千-一万赫话筒距离是1．5cm这样200道有100个声道重合，这100道可以连续记录到2万-5千Hz，另100个声道5千-1万Hz穿插在“准声道”1万Hz以下的空白区中。5千Hz以下的频段话筒间距是3CM，与2万Hz话筒距离是0．75cm的200个声道只重合50道，另外150道穿插在5千Hz以下的空白区中。这样6米长的振膜只相当于记录200个声道的信息量。回放时把各“准声道”的各段频谱分割出来，按地址，分别送到各自的声道。因为1万Hz以上和5千-一万Hz频段200个声道只能组成振膜长度为1．5米和3米长，不到6米长，所以要把这两段频谱的振膜展到6米，即把1万Hz以上和1万-5千Hz的频段信号作为“母信号”，按顺序送到扩展音箱中，使这两段频谱的声场得到扩展。各段频谱扩展后振膜长度要一致。
全文摘要
本发明为衍射音响系统,其原理是根据波的传播原理和波的衍射现象制造的。目前音响要想从本质上有飞跃发展,使音源的定位更自然。比较理想的发展方向就是衍射音响,只有制造衍射音响,才能满足当今发烧友对音响的苛刻要求。衍射音响使再现的声场接近于录制时的声场,使声源定位明确,声场宽广,纵深远等,使我们致身到三维声场中。本发明是用各个声道的信号,由振子推动振膜合成声波。由如我们站在贴有塑料布的窗前,听外面的世界。
文档编号H04R5/00GK1204936SQ9711196
公开日1999年1月13日 申请日期1997年7月8日 优先权日1997年7月8日
发明者王家文 申请人:王家文