一种用于定向扩声的阵列扬声器系统及实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于定向扩声的阵列扬声器系统及实现方法，系统包括：输入端处理模块

【技术实现步骤摘要】
一种用于定向扩声的阵列扬声器系统及实现方法


[0001]本专利技术涉及阵列扬声器调试
，特别地是一种用于定向扩声的阵列扬声器系统及实现方法
。

技术介绍

[0002]没有定向扩声的扬声器系统在实现生活中应用时，面临一些弊端
。
以下是其中的一些主要问题：
[0003]噪音污染：传统的扬声器在广播声音时，声音会散播到各个方向，这可能导致噪音污染，尤其在需要安静的环境中
。
[0004]隐私问题：在某些场合，例如医疗或法律咨询，没有定向扩声的扬声器系统可能会让旁边的人听到不应该听到的信息
。
[0005]干扰问题：在商场
、
办公室或展览馆中，多个音频源同时播放可能会造成相互干扰，降低音频的清晰度和有效性
。
[0006]听力舒适度：在公共场合，过大的音量可能会对某些人造成不适，而过小的音量又可能导致其他人听不清
。
[0007]效率问题：在大型场馆或户外活动中，为了让所有人都能听到，可能需要增大音量或使用多个扬声器，这可能导致能源浪费
。
[0008]空间限制：在一些应用中，如多功能教室或家庭娱乐中，没有定向扩声的扬声器系统可能限制了空间的多功能使用
。
[0009]声音的定位问题：在某些应用中，例如虚拟现实或
3D
音频体验中，传统扬声器可能无法提供精确的声音定位
。
[0010]安全问题：在某些环境中，如驾驶或行走在交通繁忙的地方，传统扬声器播放的音频可能会分散人们的注意力，造成安全隐患
。
[0011]声音质量问题：在某些情况下，传统的扬声器系统可能无法为听众提供最佳的声音体验，因为声音会受到周围环境的影响
。
[0012]虽然市面上有出现定向扩声的产品，主要使用高频载波的技术或相控阵技术的，这种技术在目标波束宽度边界的精确度
、
音质和频响宽度上受到一定限制，带来听感上的不足或定向不佳的情况
。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于定向扩声的阵列扬声器系统及实现方法，基于线阵列的动态波束形成，基于频率的波束宽度控制
、
权重策略，使用遗传算法来迭代地寻找最佳的权重组合的方式来设计定向扩声的阵列扬声器系统，以实现在目标波束宽度边界明确
、
还原度更高
、
频响更宽
。
[0014]本专利技术通过以下技术方案实现的：
[0015]一种用于定向扩声的阵列扬声器系统，包括输入端处理模块
、
信号矩阵模块
、
输出
端处理模块
、
多通道功率放大器和直线阵列扬声器；
[0016]所述输入端处理模块用于对输入的音频信号源进行模
/
数转换，得到数字信号；所述信号矩阵模块用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
[0017]所述输出端处理模块包括高低通滤波器模块和谱幅控制模块；
[0018]所述高低通滤波器模块用于对每路输出信号的高通和低通高阶分频处理；
[0019]所述谱幅控制模块用于对所述高低通滤波处理后的信号进行谱幅控制；
[0020]所述多通道功率放大器模块用于对所述谱幅控制处理后的信号进行放大；
[0021]所述直线阵列扬声器用于对放大输出的电信号转换为声波实现定向扩声
。
[0022]进一步作为专利技术技术方案的改进，一种用于定向扩声的阵列扬声器系统的实现方法，包括以下步骤：
[0023]步骤
1)
设定直线阵列扬声器期望的波束宽度
(
波束宽度在0至
180
范围内
)、
扬声器单元数量
N
且大于3，均匀排列的相邻扬声器单元间距
d
；
[0024]步骤
2)
启动输入端处理模块，用于对输入的音频信号源进行模
/
数转换，得到数字信号；
[0025]步骤
3)
启动信号矩阵模块，用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；
[0026]步骤
4)
启动频域处理模块：高低通滤波器模块，根据扬声器单元的扬声器振谐频率
Fs
用于对所述每路输出信号的高通6阶分频处理，根据扬声器单元的频响范围上限用于对所述每路输出信号的低通6阶分频处理；高低通高阶分频处理根据不同扩声需求中指定的频带内定向扩声的设计目标的频率上下限作处理；
[0027]步骤
5)
计算阵列因子与波束形成
。
[0028][0029]其中
:
[0030]AF(
θ
)
是阵列因子，
w
n
是第
n
个元素的权重；
[0031]k
＝2π
f/c
是波数，其中
f
是频率，
c
是声速；
[0032]d
是相邻元素之间的距离；
[0033]N
是阵列中元素的总数；
[0034]θ
是与阵列法线的夹角；
[0035]e
的幂表示复数的指数形式；
[0036]j
是表示虚数单位；
[0037]e
j(n
‑
1)kdsin
(
θ
)
表示旋转和放大的复数指数形式；
[0038]步骤
6)
在波束形成中应用遗传算法，使用遗传算法来搜索最佳的权重向量，使用遗传算法
(ga)
进行波束形成，如下：
[0039]编码：
[0040]权重向量集合编码为染色体；采用实数编码，设我们有权重向量：
[0041]w
＝
[w1,w2,...w
N
][0042]W
指权重向量，直接作为染色体的一部分；
[0043]选择：
[0044]轮盘赌选择法的计算等式如下：
[0045][0046]其中，
P(i)
是第
i
个染色体被选择的概率，
fitness(i)
是第
i
个染色体的适应度值；
fitness(i)
是第
i
个染色体的适应度值；是指种群中所有染色体的适应度总和，是一个归一化因子，确保所有染色体被选择的概率之和为1；
population
是指种群大小；
[0047]变异：
[0048]实数编码的变异，使用随机数增益或高斯扰动，随机数增益方法如下：
[0049]w
i
′
＝
w
i...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于定向扩声的阵列扬声器系统，其特征在于：包括输入端处理模块
、
信号矩阵模块
、
输出端处理模块
、
多通道功率放大器和直线阵列扬声器；所述输入端处理模块用于对输入的音频信号源进行模
/
数转换，得到数字信号；所述信号矩阵模块用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；所述输出端处理模块包括高低通滤波器模块和谱幅控制模块；所述高低通滤波器模块用于对每路输出信号的高通和低通高阶分频处理；所述谱幅控制模块用于对所述高低通滤波处理后的信号进行谱幅控制；所述多通道功率放大器模块用于对所述谱幅控制处理后的信号进行放大；所述直线阵列扬声器用于对放大输出的电信号转换为声波实现定向扩声
。2.
一种用于定向扩声的阵列扬声器系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
1)
设定直线阵列扬声器期望的波束宽度
(
波束宽度在0至
180
范围内
)、
扬声器单元数量
N
且大于3，均匀排列的相邻扬声器单元间距
d
；步骤
2)
启动输入端处理模块，用于对输入的音频信号源进行模
/
数转换，得到数字信号；步骤
3)
启动信号矩阵模块，用于对所述数字信号进行划分，得到多路信号；步骤
4)
启动频域处理模块：高低通滤波器模块，根据扬声器单元的扬声器振谐频率
Fs
用于对所述每路输出信号的高通6阶分频处理，根据扬声器单元的频响范围上限用于对所述每路输出信号的低通6阶分频处理；高低通高阶分频处理根据不同扩声需求中指定的频带内定向扩声的设计目标的频率上下限作处理；步骤
5)
计算阵列因子与波束形成
。
其中
:AF(
θ
)
是阵列因子，
w
n
是第
n
个元素的权重；
k
＝2π
f/c
是波数，其中
f
是频率，
c
是声速；
d
是相邻元素之间的距离；
N
是阵列中元素的总数；
θ
是与阵列法线的夹角；
e
的幂表示复数的指数形式；
j
是表示虚数单位；
e
j(n
‑
1)kdsin(
θ
)
表示旋转和放大的复数指数形式；步骤
6)
在波束形成中应用遗传算法，使用遗传算法来搜索最佳的权重向量，使用遗传算法
(ga)
进行波束形成，如下：编码：权重向量集合编码为染色体；采用实数编码，设我们有权重向量：
w
＝
[w1,w2,...w
N
]W
指权重向量，直接作为染色体的一部分；选择：轮盘赌选择法的计算等式如下：
其中，
P(i)
是第
i
个染色体被选择的概率，
fitness(i)
是第
i
个染色体的适应度值；
fitness(i)
是第
i
个染色体的适应度值；是指种群中所有染色体的适应度总和，是一个归一化因子，确保所有染色体被选择的概率之和为1；
population
是指种群大小；变异：实数编码的变异，使用随机数增益或高斯扰动，随机数增益方法如下：
w
i
′
＝
w
i
+
δ
×
(w
max
‑
w
min
)
其中，
w
′
i
是变异后的权重，
w
i
是原始权重，
δ
是
[
‑
1,1]
之间的随机数，而
w
max
和
w
min
分别是权重的最大和最小允许值；高斯扰动方法如下：
w'
i
＝
w
i
+
σ
×
randn()
其中
σ
是高斯扰动的标准偏差，而
randn()
会返回一个从标准正态分布中抽取的随机数
(
平均值为0，标准偏差为
1)
；步骤
7)
目标定义目标：寻找最优的权重集合，以使阵列的波束形成满足特定的性能指标
(
最大增益方向
、
旁瓣级
、
波束宽度
)
；步骤
8)
适应度函数的设计：包含波束宽度的差异：与期望的波束宽度相比，实际波束宽度的偏差；旁瓣级的惩罚：所有超过阈值的旁瓣都会受到惩罚；适应度函数公式表示为：
score
＝
∣desired_width
－
actual_width∣+sidelobe_penaltydesired_width
是指期望的波束宽度；
actual_width
是指使用当前权重集合计算得到的波束宽度；
sidelobe_penalty

【专利技术属性】
技术研发人员：赖连洪，
申请(专利权)人：广州市声拓电子有限公司，
类型：发明
国别省市：