一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，包括：输入信号处理模块(1)、滤波模块(2)、多通道功率放大器(3)和扬声器阵列(4)；所述滤波模块(2)包括：参数设定单元(201)、滤波器组生成单元(202)和滤波器组处理单元(203)；所述滤波器组生成单元(202)，用于根据所述参数设定单元(201)设定的参数设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于Jc的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的时域冲激响应。本发明专利技术的扩声系统能够在目标区域形成均匀分布的声场。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及线性扬声器阵列应用领域，特别涉及一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统及方法。
技术介绍
在广场演出等长距离户外扩声应用，以及火车站、机场航站楼、体育场馆等大型室内空间的扩声中，扩声系统需要解决许多问题。首先是长扩声距离中，声波的扩散及衰减导致的近远场声压级不一致问题，这就需要扩声声场有良好的均匀度。同时在户外存在着各种噪声以及扩声区域周围建筑物的反射声，大型室内空间中存在很长时间的混响，这些因素对扩声声场的指向性有较高要求，需要增强扩声区域的直达声来提升扩声效果。而在当前的扩声系统中，一般使用弧形或者J形扬声器阵列来解决声场均匀度的问题。这些扬声器阵列的上部较平直，可以产生带有较好指向性的声波束，从而实现远场的声压级增强；其下部则为弧形，以实现近场的均匀扩声。这些扬声器阵列是使用物理的方法来控制声场，安装时需要进行大量的计算和调试，并且安装好之后扩声效果随之固定，无法根据具体的扩声应用来调节其效果。同时这些扬声器阵列由于形状特殊，只能悬空吊装，需要很大空间且不美观，安全性也有所欠缺。针对弧形或J形扬声器阵列的以上缺点，近年来出现了指向性可调的直线形扬声器阵列。这类扬声器阵列可以改变波束的偏转角度，扩声效果可以随着扩声需求的变化动态调节。同时其形状为直线型，可以安装在墙壁或者立柱上，对空间的需求较小也更为美观安全。但是这类扬声器阵列的波束控制方法较为简单，产生的声场声压级集中在声波束的主瓣中心处，导致声场分布不均匀。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有扩声系统中存在的上述问题，提供一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统及方法。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，所述系统包括：输入信号处理模块1、滤波模块2、多通道功率放大器3和扬声器阵列4；所述输入信号处理模块1，用于通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；所述滤波模块2包括：参数设定单元201、滤波器组生成单元202和滤波器组处理单元203；所述滤波器组处理单元203包含L个滤波器；所述参数设定单元201，用于设定所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内，设定所述扬声器阵列4输出的声场能量效率的约束值Jc；所述滤波器组生成单元202，用于根据所述参数设定单元201设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量pt,f和所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵Hf；根据pt,f、Hf和Jc设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于Jc的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的时域冲激响应；所述滤波器组处理单元203，用于对所述输入信号处理模块1输出的数字音频信号进行滤波处理；所述多通道功率放大器3包含L个功放，分别对所述滤波器组处理单元203输出的音频信号进行放大；所述扬声器阵列4，用于将所述L个功放输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。基于上述产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，本专利技术还提供了一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法，所述方法包括：步骤1)启动参数设定单元201；设定所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列4的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内；设定所述扬声器阵列4输出的声能量效率的约束值Jc；步骤2)启动滤波器组生成单元202，根据所述参数设定单元201设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量pt,f和所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵Hf；根据pt,f、Hf和Jc设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于Jc的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器的时域冲激响应；步骤3)所述输入信号处理模块1启动，通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；步骤4)所述滤波器组处理单元203启动，对所述输入信号处理模块1输出的数字音频信号进行滤波处理；步骤5)所述多通道功率放大器3的L个功放分别对所述步骤3)输出的音频信号进行放大；步骤6)所述扬声器阵列4将所述步骤4)输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。上述技术方案中，所述步骤2)具体包括：步骤2-1)根据所述扬声器阵列4和目标区域的相对位置设定坐标系，根据所述扬声器阵列4的形状和单元个数确定L个扬声器单元的坐标，根据目标区域的相对位置确定M个目标区域控制点的坐标；步骤2-2)利用L个扬声器单元的坐标和M个目标区域控制点的坐标，计算各个频率点f上目标区域控制点的目标向量pt,f，以及各个频率点f上所述扬声器阵列4到目标区域控制点的传递函数矩阵Hf；所述目标向量为pt,f的大小为M×1，pt,f中的第m个元素为：其中，rm为扬声器阵列中心点到第m个目标区域控制点的距离，所述扬声器阵列中心点为所述L个扬声器单元的坐标的平均值；k为波数，k＝2πf/c0，c0为空气中的声速；所述传递函数矩阵Hf的大小为M×L，该矩阵中的第m行第l列元素为第l个扬声器单元到第m个目标区域控制点在频率点f上的传递函数，这一传递函数可以使用音频测试仪器测量得到或者使用声源模型进行仿真计算得到。步骤2-3)根据pt,f、Hf和Jc设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于Jc的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量wf；步骤2-4)将所述复数权系数向量wf中的每个复数权系数的幅度和相位组合为滤波器组的频率响应，进行逆傅里叶变换，得到所述滤波器组处理单元203的L个滤波器时域冲激响应。上述技术方案中，所述步骤2-3)的具体实现过程为：根据pt,f、Hf和Jc，列出最优化问题公式： min w f w f H H f H H f w f - 2 Re { w f 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，所述系统包括：输入信号处理模块(1)、滤波模块(2)、多通道功率放大器(3)和扬声器阵列(4)；所述输入信号处理模块(1)，用于通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；所述滤波模块(2)包括：参数设定单元(201)、滤波器组生成单元(202)和滤波器组处理单元(203)；所述滤波器组处理单元(203)包含L个滤波器；所述参数设定单元(201)，用于设定所述扬声器阵列(4)和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列(4)的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内，设定所述扬声器阵列(4)输出的声场能量效率的约束值Jc；所述滤波器组生成单元(202)，用于根据所述参数设定单元(201)设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量pt,f和所述扬声器阵列(4)到目标区域控制点的传递函数矩阵Hf；根据pt,f、Hf和Jc设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于Jc的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的时域冲激响应；所述滤波器组处理单元(203)，用于对所述输入信号处理模块(1)输出的数字音频信号进行滤波处理；所述多通道功率放大器(3)包含L个功放，分别对所述滤波器组处理单元(203)输出的音频信号进行放大；所述扬声器阵列(4)，用于将所述L个功放输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。...

【技术特征摘要】
1.一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统，所述系统包括：输入信号处理模块(1)、滤波模块(2)、多通道功率放大器(3)和扬声器阵列(4)；所述输入信号处理模块(1)，用于通过模/数转换将输入的声源转换为数字音频信号；所述滤波模块(2)包括：参数设定单元(201)、滤波器组生成单元(202)和滤波器组处理单元(203)；所述滤波器组处理单元(203)包含L个滤波器；所述参数设定单元(201)，用于设定所述扬声器阵列(4)和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列(4)的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内，设定所述扬声器阵列(4)输出的声场能量效率的约束值Jc；所述滤波器组生成单元(202)，用于根据所述参数设定单元(201)设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量pt,f和所述扬声器阵列(4)到目标区域控制点的传递函数矩阵Hf；根据pt,f、Hf和Jc设计最优化问题：在实际声场能量效率大于等于Jc的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的时域冲激响应；所述滤波器组处理单元(203)，用于对所述输入信号处理模块(1)输出的数字音频信号进行滤波处理；所述多通道功率放大器(3)包含L个功放，分别对所述滤波器组处理单元(203)输出的音频信号进行放大；所述扬声器阵列(4)，用于将所述L个功放输出的电信号转换为声波，实现扩声，产生均匀声场。2.一种产生均匀声场的扬声器阵列扩声方法，基于权利要求1所述的产生均匀声场的扬声器阵列扩声系统实现，所述方法包括：步骤1)启动参数设定模块(201)；设定所述扬声器阵列(4)和目标区域的相对位置，设定所述扬声器阵列(4)的形状、单元个数L和目标区域控制点的个数M，所述M个目标区域控制点均匀分布在目标区域内；设定所述扬声器阵列(4)输出的声能量效率的约束值Jc；步骤2)启动滤波器组生成单元(202)，根据所述参数设定单元(201)设定的参数，计算各个频率点f上所述目标区域控制点的目标向量pt,f和所述扬声器阵列(4)到目标区域控制点的传递函数矩阵Hf；根据pt,f、Hf和Jc设计最优化问题：
\t在实际声场能量效率大于等于Jc的约束条件下，寻找一个向量解，使计算出的实际声场分布与目标声场分布的差最小；该向量解为复数权系数向量；根据所述复数权系数向量得到所述滤波器组处理单元(203)的L个滤波器的时域冲激响应；步骤3)所述输入信号处理模块(1)启动，通过模/数转换将输入的声源转换为数字...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘力，蔡野锋，吴鸣，杨军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11