專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的優(yōu)化方法，即通過(guò)改進(jìn)揚(yáng)聲器線陣
列中的高頻號(hào)筒排列方式，增大陣列垂直方向的有效輻射因數(shù)，減小旁瓣，優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列的指向性和頻率響應(yīng)。
背景技術(shù)：
大型的廳堂、場(chǎng)館為了提供高品質(zhì)的擴(kuò)聲性能，需要得到較高的聲壓級(jí)。由于單個(gè)揚(yáng)聲器難以達(dá)到理想的聲壓級(jí)，因此由多個(gè)揚(yáng)聲器組成的揚(yáng)聲器陣列是有效的解決方案，揚(yáng)聲器陣列也成為音頻領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
與傳統(tǒng)的聲重放系統(tǒng)相比，大型揚(yáng)聲器陣列聲重放系統(tǒng)有著如下優(yōu)點(diǎn)
1.可以產(chǎn)生足夠的聲壓級(jí)，以滿(mǎn)足大型場(chǎng)館及露天演出的需求；
2.多揚(yáng)聲器間的干涉效應(yīng)使得指向性更加容易控制，滿(mǎn)足實(shí)際情況的需要；
3.在高混響環(huán)境內(nèi)，可抑制反射聲，提高語(yǔ)音的清晰度； 4.可使近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的聲壓不均勻度減小，使全場(chǎng)聽(tīng)眾都能獲得良好的聽(tīng)音效
果。以上種種優(yōu)點(diǎn)，都使得大型揚(yáng)聲器陣列聲重放系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。 這些大型的揚(yáng)聲器陣列聲重放系統(tǒng)通常都近似等效為一條連續(xù)直線聲源，上述揚(yáng)
聲器陣列的優(yōu)點(diǎn)正是利用了直線聲源的特性，因此有時(shí)也被稱(chēng)為"線性陣列"或者"線陣列"。 然而，實(shí)際上的揚(yáng)聲器線陣列并不能完全等效為一條理想的連續(xù)直線聲源，特別是在高頻范圍內(nèi)。 一方面高頻聲波長(zhǎng)很小，揚(yáng)聲器線陣列中的高頻號(hào)筒無(wú)法保證口部各位置的相位相同，聲波疊加導(dǎo)致指向性混亂；另一方面揚(yáng)聲器線陣列通常由各自獨(dú)立的箱體垂直組合而成，由于箱體壁的厚度，這些聲源無(wú)法非常緊密的連接在一起，存在一定距離的間隔。這些間隔會(huì)使得在高頻范圍揚(yáng)聲器線陣列的垂直指向性出現(xiàn)明顯的旁瓣。影響其他區(qū)域的聽(tīng)眾的聽(tīng)音效果。 為了明確上述聲源間隔對(duì)于旁瓣的影響程度以及客觀測(cè)量，人們進(jìn)行了很多分析石開(kāi)究M. S. Urban, C. Heil， and P. Bauman， "Wavefront Sculpture Technology'', J. AudioEng. Soc. ， vol. 51， No. 10， October 2003，提出了有效輻射因數(shù)的概念，用來(lái)反映聲源間隔的大小，并提出將揚(yáng)聲器線陣列近似等效為連續(xù)直線聲源時(shí)，有效輻射因數(shù)必須達(dá)到的下限。 M. S. Ureda， "Analysis of Loudspeaker Line Arrays，，， J. Audio Eng. Soc.，vol. 52， No. 5， May 2004，分析了不同有效輻射因數(shù)對(duì)應(yīng)的指向性圖中旁瓣大小。
Y. Shen， D. 0u， and K. An，"The Relation between Active Radiating FactorandFrequancy Responses of Loudspeaker Line Arrays-Part 2，，， presented atthe 123rdConvention of the Audio Engineering Society, New York, October 2007，提出了通過(guò)客
觀測(cè)量不同距離的頻率響應(yīng)，估計(jì)出揚(yáng)聲器線陣列不同頻率范圍的有效輻射因數(shù)。
上述方法均是分析上述聲源間隔對(duì)于旁瓣的影響程度以及客觀測(cè)量，但如何增大 高頻時(shí)的有效輻射因數(shù)以達(dá)到減小旁瓣的效果，除了盡可能將箱體壁厚減小之外，缺乏理 想解決方案。 對(duì)于揚(yáng)聲器線陣列來(lái)說(shuō)，需要做到指向性尖銳并且盡可能減小旁瓣。通過(guò)本發(fā)明 揚(yáng)聲器線陣列中的高頻號(hào)筒排列方式，能夠保證上述要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的 方法；通過(guò)對(duì)揚(yáng)聲器線陣列中的高頻號(hào)筒排列方式的設(shè)計(jì)，達(dá)到增加其有效頻率范圍內(nèi)的 有效輻射因數(shù)的效果，從而顯著降低垂直指向性的旁瓣帶來(lái)的負(fù)面影響。與此同時(shí)，通過(guò)計(jì) 算頻率、交錯(cuò)間隔的關(guān)系，確定最佳的號(hào)筒水平覆蓋角，最終達(dá)到既改善揚(yáng)聲器線陣列垂直 指向性，又不影響其水平指向性的目的，同時(shí)也提出一種成本布局更優(yōu)化的高頻號(hào)筒交錯(cuò) 排列優(yōu)化的揚(yáng)聲器線陣列。
本發(fā)明的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的揚(yáng)聲器線陣列中的高頻號(hào)筒排列構(gòu)成一條參考軸
線，高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列于這條參考軸線的一側(cè)或兩側(cè)；相鄰的高頻號(hào)筒的號(hào)筒口在垂直軸
線方向是相互連接或重疊搭接的，高頻號(hào)筒的號(hào)筒口構(gòu)成的直線與這條軸線呈現(xiàn)夾角或高
頻號(hào)筒的號(hào)筒口成弧線的結(jié)構(gòu)，使各個(gè)高頻號(hào)筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接。 高頻號(hào)筒的號(hào)筒口構(gòu)成的直線與這條軸線呈現(xiàn)一至三個(gè)夾角，夾角的范圍為5-85度。 軸線方向相互連接一般是指緊密無(wú)間隔的連接，也包括相互間只留有很小的空 隙。 高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化的揚(yáng)聲器線陣列，揚(yáng)聲器線陣列中的高頻號(hào)筒以這樣的方 式排列在一條軸線上，高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列于這條參考軸線的一側(cè)或兩側(cè)；相鄰的高頻號(hào)筒 的號(hào)筒口在垂直軸線方向是相連接或重疊搭接的，高頻號(hào)筒的號(hào)筒口構(gòu)成的直線與這條軸 線呈一至三個(gè)夾角，使各個(gè)高頻號(hào)筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接?？稍诟哳l號(hào)筒軸線一側(cè)或 二側(cè)設(shè)置低音音箱陣列。 如有M個(gè)高頻號(hào)筒揚(yáng)聲器和N個(gè)低頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)構(gòu)成揚(yáng)聲器系統(tǒng)的箱體線陣列。
為保證各個(gè)號(hào)筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接，組成揚(yáng)聲器線陣列的各個(gè)揚(yáng)聲器系統(tǒng) 的箱體在沿著垂直于號(hào)筒參考軸線有固定距離的錯(cuò)位。 在垂直于所述軸線(揚(yáng)聲器線陣列)排列的方向上號(hào)筒的各部分的交錯(cuò)間隔距離 與號(hào)筒的水平覆蓋角有關(guān)，且滿(mǎn)足覆蓋角越大，間隔距離越小的規(guī)律。 揚(yáng)聲器線陣列一般是由包括置于箱體內(nèi)或箱體側(cè)面的高頻號(hào)筒揚(yáng)聲器和箱內(nèi)揚(yáng) 聲器系統(tǒng)排列而成，高頻號(hào)筒不排列于一條直線上，而是均勻地排列于號(hào)筒參考軸線的兩 側(cè)；在線陣列箱體排列的方向，各個(gè)號(hào)筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接；而在垂直于線陣列箱 體排列的方向，號(hào)筒的各部分之間存在交錯(cuò)間隔距離。根據(jù)線聲源的性質(zhì)以及聲場(chǎng)疊加原 理，先確定高頻號(hào)筒的有效頻率范圍以及水平覆蓋角，然后根據(jù)所需要的覆蓋角度確定高 頻號(hào)筒的交錯(cuò)間隔距離，或者根據(jù)交錯(cuò)間隔距離確定覆蓋角度。確定再根據(jù)箱體壁厚，設(shè)計(jì) 箱體的形狀使得號(hào)筒能夠合理的交錯(cuò)排列，并且在垂直方向無(wú)間隔。具體而言，本發(fā)明的方 法如下
—般的揚(yáng)聲器線陣列的外觀如圖2所示，其中黑色粗線條表示高頻號(hào)筒。本發(fā)明 將高頻號(hào)筒以交錯(cuò)方式排列，并相應(yīng)調(diào)整揚(yáng)聲器線陣列的外觀細(xì)節(jié)，在一條軸線兩側(cè)分布 時(shí)有錯(cuò)位，如圖4、6、8所示，在此列舉三種方案供參考。揚(yáng)聲器線陣列由數(shù)個(gè)完全相同的箱 體垂直堆積組成，因此，本發(fā)明具體方法重點(diǎn)在于單個(gè)箱體的設(shè)計(jì)，概括起來(lái)有以下幾個(gè)方
面 1.箱體形狀 —般的揚(yáng)聲器線陣列的單個(gè)箱體示意圖如圖1所示，應(yīng)用本發(fā)明，有多種方式可 以實(shí)現(xiàn)高頻號(hào)筒的交錯(cuò)排列。舉一例如下?lián)P聲器線陣列的單個(gè)箱體示意圖如圖3所示。 首先確定箱體的上下底邊的壁厚，在此設(shè)壁厚一致，記為d。將矩形箱體斜向一分為二，其中 一側(cè)整體提高2d，與另一側(cè)相接。高頻號(hào)筒設(shè)置在此交錯(cuò)區(qū)域的附近。取整體上下底邊的 中心線，將揚(yáng)聲器線陣列低頻單元布置于此中心線上。 另外，有些揚(yáng)聲器線陣列的箱體中，低頻揚(yáng)聲器與高頻號(hào)筒的相對(duì)位置與示意圖 有所差異，應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計(jì)箱體形狀時(shí)，可酌情處理，以保證高頻號(hào)筒的交錯(cuò)，如圖5，7所示。 2.號(hào)筒揚(yáng)聲器覆蓋角 揚(yáng)聲器線陣列的指向特性主要在于其水平指向性和垂直指向性。而高頻范圍的水 平指向性主要決定于高頻號(hào)筒揚(yáng)聲器的覆蓋角。當(dāng)水平偏離角度在此覆蓋角范圍之外時(shí)， 來(lái)自號(hào)筒揚(yáng)聲器的輻射聲壓級(jí)較低。號(hào)筒揚(yáng)聲器的覆蓋角確定之后，可以根據(jù)此號(hào)筒揚(yáng)聲 器的有效頻率范圍的上限確定交錯(cuò)排列的間隔距離。
3.交錯(cuò)間隔 進(jìn)行交錯(cuò)排列會(huì)影響水平指向性。因此不同的交錯(cuò)間隔距離，會(huì)使得陣列在高頻 范圍的水平指向性不同。在接近有效頻率范圍上限的情況下，交錯(cuò)排列會(huì)對(duì)某個(gè)角度范圍 之外的區(qū)域的垂直指向性造成負(fù)面影響。交錯(cuò)間隔距離越大，這個(gè)角度范圍越小，意味著交 錯(cuò)間隔越小越好。與此同時(shí)，合理的考慮號(hào)筒覆蓋角與交錯(cuò)間隔的關(guān)系，有助于降低這一負(fù) 面影響。例如，將號(hào)筒的垂直覆蓋角設(shè)計(jì)成與這個(gè)角度相近，即可借助于號(hào)筒的水平指向 性，降低這一角度之外的輻射聲壓級(jí)，從而降低負(fù)面影響。
4.號(hào)筒排列位置 在上述舉例中(見(jiàn)圖3)，設(shè)陣列中單個(gè)箱體在交錯(cuò)之前高為H，壁厚d，按照上一點(diǎn)
所述的垂直方向的交錯(cuò)間隔設(shè)為di，則號(hào)筒口的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)為[(H-2d)'2+di'2]'0.5，號(hào)
筒的水平安放位置按如下方法確定號(hào)筒垂直中軸線處于箱體中軸線位置。 本發(fā)明的有益效果是這是一種通過(guò)高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性
和頻率響應(yīng)的方法。通過(guò)適當(dāng)?shù)母哳l號(hào)筒的交錯(cuò)排列方法，達(dá)到減小其有效頻率范圍內(nèi)的
有效輻射因數(shù)的效果，從而顯著降低垂直指向性的旁瓣帶來(lái)的包括指向性和頻率響應(yīng)在內(nèi)
的負(fù)面影響。在具體設(shè)計(jì)中需要通過(guò)計(jì)算頻率、交錯(cuò)間隔以及號(hào)筒水平覆蓋角之間的關(guān)系，
可以既改善揚(yáng)聲器線陣列垂直指向性，又不影響其水平指向性。該發(fā)明克服了目前除了盡
可能將箱體壁厚減小之外缺乏理想解決方案的局限性，簡(jiǎn)單易行，且效果明顯。


圖1 一般的揚(yáng)聲器線陣列的單個(gè)箱體外觀示意圖
圖2 —般的揚(yáng)聲器線陣列的外觀示意圖
圖3是實(shí)施例一本發(fā)明后揚(yáng)聲器線陣列的單個(gè)箱體示意圖
圖4是實(shí)施例一本發(fā)明后揚(yáng)聲器箱體構(gòu)成線陣列的示意圖
圖5是實(shí)施例二本發(fā)明后揚(yáng)聲器線陣列的單個(gè)箱體示意圖
圖6是實(shí)施例二本發(fā)明后揚(yáng)聲器箱體構(gòu)成線陣列的示意圖
圖7是實(shí)施例三本發(fā)明后揚(yáng)聲器線陣列的單個(gè)箱體示意圖
圖8是實(shí)施例三本發(fā)明后揚(yáng)聲器箱體構(gòu)成線陣列的示意圖 圖9現(xiàn)有技術(shù)與交錯(cuò)排列在軸線上(0度角時(shí))號(hào)筒的0度頻響圖，交錯(cuò)排列保持 了直線排列的優(yōu)點(diǎn)； 圖10現(xiàn)有技術(shù)與交錯(cuò)排列號(hào)筒的45度頻響圖，在軸線上在偏離軸線(45度)時(shí) 頻率響應(yīng)的抖動(dòng)比直線陣列小， 圖11現(xiàn)有技術(shù)與交錯(cuò)排列號(hào)筒的4kHz指向性圖，指向性圖中交錯(cuò)排列的旁瓣更 小。
具體實(shí)施例方式
下面以舉實(shí)例的方式具體說(shuō)明本發(fā)明設(shè)計(jì)方法 實(shí)施例一至三是ABC三種方案都是利用號(hào)筒的交錯(cuò)排列來(lái)改善揚(yáng)聲器陣列的頻 率響應(yīng)和指向性。 圖9-11三個(gè)模擬的曲線圖分別表明的本發(fā)明的有益效果。 如圖4、6、8為采用實(shí)施例的示意圖。本例中設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲器線陣列采用交錯(cuò)排列方 式安放高頻號(hào)筒。例如方案一，揚(yáng)聲器線陣列總高度1200mm，由8個(gè)相同的箱體組成，每個(gè) 箱體總高165mm，壁厚7. 5mm，交錯(cuò)排列的號(hào)筒每個(gè)高度為150mm，交錯(cuò)間隔為34mm。號(hào)筒的 水平覆蓋角為60。。圖中上下號(hào)筒的相貼合，上下號(hào)筒也可以有一定的間隔也沒(méi)有超出本 發(fā)明范圍。 當(dāng)號(hào)筒以交錯(cuò)排列方式安放，在一定的角度范圍內(nèi)可以認(rèn)為壁厚可忽略不計(jì)。在
號(hào)筒工作頻段的9 =0°方向，陣列可被看成是連續(xù)直線聲源，其有效輻射因數(shù)為100%。
這就保持了所有連續(xù)直線聲源的優(yōu)點(diǎn)。 經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)，分析數(shù)值模擬結(jié)果如下 1.偏離主軸的頻率響應(yīng) 這里計(jì)算了在e =0°的方向，偏離主軸的頻率響應(yīng)。在不偏離主軸的方向，無(wú)論 是交錯(cuò)排列與否都會(huì)產(chǎn)生平直的頻率響應(yīng)，而在偏離主軸的方向，高頻衰減現(xiàn)象在頻率響 應(yīng)圖中發(fā)生。圖10表示偏離主軸45。方向(伊=45°)的直線排列方式、交錯(cuò)排列方式的頻 率響應(yīng)對(duì)比圖。在圖中可以看出，兩者均有相近的高頻衰減現(xiàn)象，但對(duì)于直線排列(虛線) 而言，有很多無(wú)法忽略的不規(guī)則抖動(dòng)，而交錯(cuò)排列(實(shí)線)則僅有迅速的衰減。這些不規(guī)則 抖動(dòng)表明在實(shí)際應(yīng)用中，處于聲源下方靠近舞臺(tái)附近的聽(tīng)眾很可能會(huì)受到來(lái)自線陣列直線 部分的負(fù)面影響，而這些影響是可以通過(guò)交錯(cuò)排列方式消除的。
2.指向性 圖11表示在9 = 0°方向，頻率為4kHz時(shí)，直線排列方式與交錯(cuò)排列方式的模 擬垂直指向性圖。圖ll表明，在較低的頻率范圍內(nèi)，上述兩種排列方式均可以近似看作連 續(xù)線聲源；然而在高頻時(shí)，交錯(cuò)排列方式表現(xiàn)出它的優(yōu)點(diǎn)。ARF接近100X，并且顯著降低旁瓣。在圖11中可以看出，在偏離主軸的伊=30°和伊=60°方向，通過(guò)交錯(cuò)排列方式旁瓣降低了 10dB。
權(quán)利要求
高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，揚(yáng)聲器線陣列中的高頻號(hào)筒排列構(gòu)成一條參考軸線，高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列于這條參考軸線的一側(cè)或兩側(cè)；相鄰的高頻號(hào)筒的號(hào)筒口在垂直軸線方向是相互連接或重疊搭接的，高頻號(hào)筒的號(hào)筒口構(gòu)成的直線與這條軸線呈現(xiàn)夾角或高頻號(hào)筒的號(hào)筒口成弧線的結(jié)構(gòu)，使各個(gè)高頻號(hào)筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接。
2. 由權(quán)利要求1所述的高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征是高頻號(hào)筒的號(hào)筒口構(gòu)成的直線與這條軸線呈現(xiàn)一至三個(gè)夾角。
3. 由權(quán)利要求1所述的高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征夾角的范圍為5-85度。
4. 由權(quán)利要求1或3所述的高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征在于M個(gè)高頻號(hào)筒揚(yáng)聲器和N個(gè)低頻揚(yáng)聲器構(gòu)成揚(yáng)聲器系統(tǒng)的箱體線陣列。
5. 由權(quán)利要求1或4所述的高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征在于組成揚(yáng)聲器線陣列的各個(gè)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的箱體在沿著垂直于號(hào)筒參考軸線的方向有固定距離的錯(cuò)位。
6. 由權(quán)利要求1所述的高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征在于在垂直于線陣列箱體排列的方向上號(hào)筒的各部分的交錯(cuò)間隔距離與號(hào)筒的水平覆蓋角有關(guān)，且滿(mǎn)足覆蓋角越大，間隔距離越小的規(guī)律。
7. 由權(quán)利要求1所述的高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征是高頻號(hào)筒的號(hào)筒口呈平行的斜線、八字線或折線或曲線。
8. 由權(quán)利要求1所述的高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征是可在高頻號(hào)筒軸線一側(cè)或二側(cè)設(shè)置低音音箱陣列。
全文摘要
一種高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列優(yōu)化揚(yáng)聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，揚(yáng)聲器線陣列中的高頻號(hào)筒排列構(gòu)成一條參考軸線，高頻號(hào)筒交錯(cuò)排列于這條參考軸線的一側(cè)或兩側(cè)；相鄰的高頻號(hào)筒的號(hào)筒口在垂直軸線方向是相互連接或重疊搭接的，高頻號(hào)筒的號(hào)筒口構(gòu)成的直線與這條軸線呈現(xiàn)夾角或高頻號(hào)筒的號(hào)筒口成弧線的結(jié)構(gòu)，使各個(gè)高頻號(hào)筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接。本發(fā)明通過(guò)適當(dāng)?shù)母哳l號(hào)筒的交錯(cuò)排列方法，達(dá)到減小其有效頻率范圍內(nèi)的有效輻射因數(shù)的效果，從而顯著降低垂直指向性的旁瓣帶來(lái)的包括指向性和頻率響應(yīng)在內(nèi)的負(fù)面影響。
文檔編號(hào)H04R1/20GK101765038SQ200910264658
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者安康, 沈勇, 約翰·范德科依 申請(qǐng)人:南京大學(xué)