一种基于扬声器阵列的定向声场束宽控制方法技术

一种基于扬声器阵列的定向声场束宽控制方法：根据阵元数和阵元间距并确定n层圆环阵列阵型；对每层扬声器阵元并联连接，每层扬声器阵列视作一个子阵，对每层扬声器子阵并联连接；设置每层扬声器阵列的初始供电电压幅度，即对每层扬声器子阵串联电阻，设置电阻阻值使每层扬声器子阵电压幅度按Dolph

【技术实现步骤摘要】
一种基于扬声器阵列的定向声场束宽控制方法


[0001]本专利技术涉及扬声器阵列的声场形态控制技术。

技术介绍

[0002]1、扬声器阵列
[0003]单个扬声器单元一般是全向辐射，对扬声器增加号筒，可以使声场具有一定的指向性。对号筒进行结构上的优化，可以在一定程度上提高单个扬声器的声场指向性，特别是在某些高频段。但是，在低频段单个扬声器单元的主波束宽度依然比较大，声场的能量向着各个方向传播。同时，由于单个扬声器辐射的功率有限，因此对于需要大功率声能量的场合，需要多个扬声器单元协同工作。扬声器阵列能将声场能量辐射控制在一定的范围。基于特定几何结构的扬声器阵列，采用相应的信号处理算法实现对空间声场指向的控制，形成特定的声场，例如改善指向性以及辐射宽度。通过改善阵列扬声器系统的声场辐射区域，以及指向性可以大大改善听众的声音感受。
[0004]扬声器阵列是将扬声器或者换能器作为阵元按照一定的几何结构排列组成的阵列式扬声系统。几何阵型可以是一维线阵、二维面阵，或者是三维体阵。结合不同的几何阵型，对阵列的扬声器或者换能器施加的电信号进行信号处理，包括对振幅、相位、频率等电气特性量进行处理，即可得到不同的空间声场分布。通过改变各阵元相位来调整声场空间分布的扬声器阵列称为相控扬声器阵列。在某个特定的方向上，使用波束形成技术，对声场能量进行聚焦，具有聚光灯的效果。
[0005]2、声场指向性
[0006]在相控扬声器阵列系统中，每个阵元产生的声音辐射传播到观测点，进行相干叠加，随着观测点的变化，由于到观测点的距离变化引起了相位变化，声场叠加产生的声场强度就会不同。
[0007](1)声波的干涉
[0008]当存在多个声源时，观测点同时受到这些声源产生的声场的辐射影响，改变了在原来的该点的声场强度，换而言之，多个声源的声场合成了新的声场。为了简化分析，本次理论分析暂不考虑其他声源对某个声源的影响，以及温度、湿度对声场的影响。
[0009]在数学上，只有满足线性条件的等式，两边才能相加，一些非线性的等式，则不满足等式两边相加等式成立的性质。声波传播的控制方程左边是拉普拉斯算子，右边是分式单项式，如下式所示。因此，两边都是线性的，则整个传播方程也是线性的，这个方程等式是可以叠加，并且叠加之后也满足线性。现在分别由两列声波，它们的传播的函数式分别为p1和p2，假设他们在观察点的叠加后的传播函数式为p，由于声学的传播满足下面的波动方程，即：
[0010]声场波动传播方程满足下式，式子中c0为声速：
[0011][0012]那么两列声波的传播也满足上面的式子，因此把p1和p2分别代入式(1
‑
1)可以得到：
[0013][0014]将(1
‑
2)式子中的两个方程等式左右两边分别相加，可以得到：
[0015][0016]对比(1
‑
2)式和(1
‑
3)式，可以得到两列声波在声场的观察点形成新的声压，新的声压的大小是它们的和，如下面的式子所示：
[0017]p＝p1+p2[0018]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
4)
[0019]这就是声压叠加原理。
[0020](2)声波的相干性
[0021]如果两列声波，它们的频率相同，各自的相位是一个常数，不随时间、位置变化，那么它们的相位差也是一个恒定的值，它们的在同一个观测点叠加之后，会形成一个新的声波，新合成的声波振幅并不只是两列声波振幅的叠加之和，而且跟相位有关，假设两列声波的声波传播公式如下所示，分别为p1和p2：
[0022][0023]式子中M1和M2跟声源观察点分别到两个声源的距离有关，因此，如果声源的位置不随时间改变而改变，则M1和M2也不变。因此，假设为\M M＝
‑
12两列声波的相位差，那么相位差\也是一个定值，不随时间的变化而变化。
[0024]根据声学的叠加原理，两列声波在观测点叠加合成的声压为：
[0025][0026]式中：
[0027][0028]由式(1
‑
6)以及式(1
‑
7)结合可以得出。两列声波的振幅，和两列声波的相位差都影响着最后合成的声波的振幅。而合成声波的新的相位跟两列声波的振幅，相位都有关，两列频率相同，相位差固定叠加是具有相干性的。
[0029](3)阵列扬声器的指向性
[0030]定向声场控制扬声器系统基于相控扬声器阵列原理，在相控扬声器阵列系统中，每个阵元产生的声音辐射传播到观测点，进行相干叠加，随着观测点的变化，由于到观测点的距离变化引起了相位变化，声场叠加产生的声场强度就会不同。当存在多个声源时，观测点同时受到这些声源产生的声场的辐射影响，改变了在原来的该点的声场强度，换而言之，多个声源的声场合成了新的声场。
[0031]3、扬声器阵列的束控
[0032]阵列扬声器的指向性是指其发射的空间分布声场振幅或者声能量密度在相同的半径距离上随方位角度的变化而变化，一般而言，随着在这个角度的变化，发射的振幅或者声能量密度会出现极小值和极大值，这个极大值可能是阵列扬声器的主瓣或者叫做主波束也可能是阵列扬声器的旁瓣，通常令几个极大值中的一个最大值为主波束方向。
[0033]根据声场理论，阵列扬声器形成的声场的指向性的形成是由于各个阵元发射的声波在自由场的远场区干涉叠加的结果。扬声器阵列的指向性是阵列在自由场远场区中的一种属性。对发射阵而言，各个阵元发射的声波到达远场区，由于到达远场区距离远远大于阵元之间的间距。因此，到达观察点的声波可以看成平行声波，因此对于频率相同的声波可以进行相干叠加，最后相位差只和各个声波的初相位以及阵型有关，得到声强分布只跟空间有关的声能分布函数，形成新的声场，具有一定的指向性。

技术实现思路

[0034]本专利技术所要解决的技术问题是，为了增强定向声场系统的声场指向性，并对声场束宽进行控制，本专利技术提出一种基于扬声器阵列的定向声场束宽控制方法，在扬声器阵列基础上进行幅值加权信号处理，并通过调节相应幅值控制声场束宽形态。
[0035]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于扬声器阵列的定向声场束宽控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0036]1)根据阵元数和阵元间距并确定n层圆环阵列阵型；
[0037]2)对每层扬声器阵元并联连接，每层扬声器阵列视作一个子阵，对每层扬声器子阵并联连接；
[0038]3)设置每层扬声器阵列的初始供电电压幅度，即对每层扬声器子阵串联电阻，设置电阻阻值使每层扬声器子阵电压幅度按Dolph
‑
Chebyshev分布；
[0039]4)定向声场束宽控制：调节每层扬声器子阵电阻阻值改变每层扬声器子阵电压幅度系数，对声场主波束宽度和旁瓣级进行控制。
[0040]步骤1)所属的设置n层圆环阵列阵型包括：
[0041](2.1)设置每层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扬声器阵列的定向声场束宽控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据阵元数和阵元间距并确定n层圆环阵列阵型；2)对每层扬声器阵元并联连接，每层扬声器阵列视作一个子阵，对每层扬声器子阵并联连接；3)设置每层扬声器阵列的初始供电电压幅度，即对每层扬声器子阵串联电阻，设置电阻阻值使每层扬声器子阵电压幅度按Dolph
‑
Chebyshev分布；4)定向声场束宽控制：调节每层扬声器子阵电阻阻值改变每层扬...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，刘忠正，耿彦章，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：