專利名稱：高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚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)明涉及揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的優(yōu)化方法，即通過改進(jìn)揚聲器線陣列中的高頻號筒排列方式，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。由于單個揚聲器難以達(dá)到理想的聲壓級，因此由多個揚聲器組成的揚聲器陣列是有效的解決方案，揚聲器陣列也成為音頻領(lǐng)域的研究熱點。
與傳統(tǒng)的聲重放系統(tǒng)相比，大型揚聲器陣列聲重^f系統(tǒng)有著如下優(yōu)點
1. 可以產(chǎn)生足夠的聲壓級，以滿足大型場館及露天演出的需求；
2. 多揚聲器間的干涉效應(yīng)使得指向性更加容易控制，滿足實際情況的需要；
3. 在高混響環(huán)境內(nèi)，可抑制反射聲，提高語音的清晰度；
4. 可使近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)的聲壓不均勻度減小，使全場聽眾都能獲得良好的聽音效果。以上種種優(yōu)點，都使得大型揚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，上述揚聲器陣列的優(yōu)點正是利用了直線聲源的特性，因此有時也被稱為"線性陣列"或者"線陣列"。
然而，實際上的揚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)。 一方面高頻聲波長很小，揚聲器線陣列中的高頻號筒無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；另一方面揚聲器線陣列通常由各自獨立的箱體垂直組合而成，由于箱體壁的厚度，這些聲源無法非常緊密的連接在一起，存在一定距離的間隔。這些間隔會使得在高頻范圍揚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)域的聽眾的聽音效果。
為了明確上述聲源間隔對于旁瓣的影響程度以及客觀測量，人們進(jìn)行了很多分析研究M. S. Urban, C. Heil， and P. Bauman， "Wavefront Sculpture Technology"，J. Audio Eng. Soc. ， vol. 51， No. 10， October 2003，提出了有效輻射因數(shù)的概念，用來反映聲源間隔的大小，并提出將揚聲器線陣列近似等效為連續(xù)直線聲源時，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)對應(yīng)的指向性圖中旁瓣大小。
Y. Shen， D. 0u， and K. An, "The Relation between Active Radiating Factorand Frequancy Responses of Loudspeaker Line Arrays - Part 2" ， presented atthe 123rd Convention of the Audio Engineering Society, New York, October 2007，提出了通過客觀測量不同距離的頻率響應(yīng)，估計出揚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于旁瓣的影響程度以及客觀測量，但如何增大高頻時的有效輻射因數(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。
對于揚聲器線陣列來說，需要做到指向性尖銳并且盡可能減小旁瓣。通過本發(fā)明揚聲器線陣列中的高頻號筒排列方式，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筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法；通過對揚聲器線陣列中的高頻號筒排列方式的設(shè)計，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的負(fù)面影響。與此同時，通過計算頻率、交錯間隔的關(guān)系，確定最佳的號筒水平覆蓋角，最終達(dá)到既改善揚聲器線陣列垂直指向性，又不影響其水平指向性的目的。
本發(fā)明的方法是這樣實現(xiàn)的高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，揚聲器線陣列中的高頻號筒排列不是在一條直線上，而是存在一條參考軸線，高頻號筒均勻地交錯排列于這條參考軸線的一側(cè)或兩側(cè)；即高頻號筒口沿這條軸線的分布呈方波，使各個高頻號筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接。
在一條軸線兩側(cè)分布時呈上下分布的方波。
在相鄰的高頻號筒的位置沿軸線方向有重疊或有間隔。
本發(fā)明尤其是指在垂直于陣列箱體排列的方向交錯，高頻號筒口交錯排列于一條軸線的兩側(cè)；高頻號筒的各部分之間存在交錯間隔距離。
如有M個高頻號筒揚聲器和N個低頻揚聲器系統(tǒng)構(gòu)成揚聲器系統(tǒng)的箱體線陣列。
為保證各個號筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接，組成揚聲器線陣列的各個揚聲器系統(tǒng)的箱體在沿著垂直于號筒參考軸線有固定距離的錯位。
在垂直于所述軸線(揚聲器線陣列)排列的方向上號筒的各部分的交錯間隔距離與號筒的水平覆蓋角有關(guān)，且滿足覆蓋角越大，間隔距離越小的規(guī)律。
揚聲器線陣列一般是由包括置于箱體內(nèi)或箱體側(cè)面的高頻號筒揚聲器和箱內(nèi)揚聲器系統(tǒng)排列而成，高頻號筒不排列于一條直線上，而是均勻地排列于號筒參考軸線的兩側(cè)；在線陣列箱體排列的方向，各個號筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接；而在垂直于線陣列箱體排列的方向，號筒的各部分之間存在交錯間隔距離。根據(jù)線聲源的性質(zhì)以及聲場疊加原理，先確定高頻號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筒的交錯間隔距離，或者根據(jù)交錯間隔距離確定覆蓋角度。確定再根據(jù)箱體壁厚，設(shè)計箱體的形狀使得號筒能夠合理的交錯排列，并且在垂直方向無間隔。
具體而言，本發(fā)明的方法如下
一般的揚聲器線陣列的外觀如圖l所示，其中黑色粗線條表示高頻號筒。本發(fā)明
4將高頻號筒以交錯方式排列，并相應(yīng)調(diào)整揚聲器線陣列的外觀細(xì)節(jié)，在一條軸線兩側(cè)分布時呈上下分布的方波，如圖2、 3、 5所示。揚聲器線陣列由數(shù)個完全相同的箱體垂直堆積組成，因此，本發(fā)明具體方法重點在于單個箱體的設(shè)計，概括起來有以下幾個方面
1. 箱體形狀
一般的揚聲器線陣列的單個箱體示意圖如圖4所示，應(yīng)用本發(fā)明，有多種方式可以實現(xiàn)高頻號筒的交錯排列。舉一例如下?lián)P聲器線陣列的單個箱體示意圖如圖5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。將矩形箱體沿中軸線一分為二，其中一側(cè)整體提高2d，與另一側(cè)相接。高頻號筒設(shè)置在此交錯區(qū)域的附近。取整體上下底邊的中心線，將揚聲器線陣列低頻單元布置于此中心線上。
另外，有些揚聲器線陣列的箱體中，低頻揚聲器與高頻號筒的相對位置與示意圖有所差異，應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計箱體形狀時，可酌情處理，以保證高頻號筒的交錯。
2. 號筒揚聲器覆蓋角
揚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筒揚聲器的覆蓋角。當(dāng)水平偏離角度在此覆蓋角范圍之外時，來自號筒揚聲器的輻射聲壓級較低。號筒揚聲器的覆蓋角確定之后，可以根據(jù)此號筒揚聲器的有效頻率范圍的上限確定交錯排列的間隔距離。
3. 交錯間隔
進(jìn)行交錯排列會影響水平指向性。因此不同的交錯間隔距離，會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，交錯排列會對某個角度范圍之外的區(qū)域的垂直指向性造成負(fù)面影響。交錯間隔距離越大，這個角度范圍越小，意味著交錯間隔越小越好。與此同時，合理的考慮號筒覆蓋角與交錯間隔的關(guān)系，有助于降低這一負(fù)面影響。例如，將號筒的垂直覆蓋角設(shè)計成與這個角度相近，即可借助于號筒的水平指向性，降低這一角度之外的輻射聲壓級，從而降低負(fù)面影響。
4. 號筒排列位置
在上述舉例中(見圖5)，設(shè)陣列中單個箱體在交錯之前高為H，壁厚d，則號筒口的長度應(yīng)設(shè)計為0.5州-d，按照上一點所述的垂直方向的交錯間隔設(shè)為di，則號筒的水平安放位置按如下方法確定號筒垂直中軸線處于距離箱體中軸線di/2的位置，參照第一點所述，箱體向上方錯位的一側(cè)號筒應(yīng)安放于上半部，箱體向下方錯位的一側(cè)號筒應(yīng)安放于下半部。上半部分的號筒垂直位置為從距離箱體上部外表面d的位置到距離箱體上部外表面0.5州的位置；下半部分的號筒垂直位置為從距離箱體下部外表面d的位置到距離箱體下部外表面0. 5*H的位置。
本發(fā)明的有益效果是這是一種通過高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法。通過適當(dāng)?shù)母哳l號筒的交錯排列方法，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)計中需要通過計算頻率、交錯間隔以及號筒水平覆蓋
5角之間的關(guān)系，可以既改善揚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，簡單易行，且效果明顯。
圖1一般的揚聲器線陣列的外觀示意圖
圖2應(yīng)用本發(fā)明后揚聲器線陣列的外觀示意圖
圖3應(yīng)用本發(fā)明后揚聲器線陣列排在一側(cè)有交錯的外觀示意圖
圖4 一般的揚聲器線陣列的單個箱體示意圖
圖5應(yīng)用本發(fā)明后揚聲器線陣列的單個箱體示意圖
圖6偏離主軸45°方向的直線排列方式與交錯排列方式的頻率響應(yīng)對比圖，其中虛線表示直線排列方式，實線表示交錯排列方式
圖7 0=0°且頻率為lkHz時兩種排列方式的垂直指向性圖，其中虛線表示直線排列方式，實線表示交錯排列方式
圖8 ^=0°且頻率為4kHz時兩種排列方式的垂直指向性圖，其中虛線表示直線排列方式，實線表示交錯排列方式
圖9 -10均兩種排列方式的指向性灰度圖，顏色越深表示聲壓級越低，其中左側(cè)表示直線排列方式，右側(cè)表示交錯排列方式
具體實施例方式
下面以舉實例的方式具體說明本發(fā)明設(shè)計方法
如圖2為采用實施例的示意圖。本例中設(shè)計的揚聲器線陣列采用交錯排列方式安放高頻號筒l。揚聲器線陣列總高度1200mm,由4個相同的箱體2組成，每個箱體總高300咖，壁厚15ram，交錯排列的號筒每個高度為150mm，交錯間隔為lOmm。號筒的水平覆蓋角為60° 。圖中上下號筒的相貼合，上下號筒也可以有一定的間隔也沒有超出本發(fā)明范圍。
當(dāng)號筒以交錯排列方式安放，在一定的角度范圍內(nèi)可以認(rèn)為壁厚可忽略不計。在號筒工作頻段的方向，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。
經(jīng)過以上設(shè)計，分析數(shù)值模擬結(jié)果如下l.偏離主軸的頻率響應(yīng)
這里計算了在&0。的方向，偏離主軸的頻率響應(yīng)。在不偏離主軸的方向，無論是交錯排列與否都會產(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6表示偏離主軸45°方向(伊=45° )的直線排列方式、交錯排列方式的頻率響應(yīng)對比圖。在圖中可以看出，兩者均有相近的高頻衰減現(xiàn)象，但對于直線排列(虛線)而言，有很多無法忽略的不規(guī)則抖動，而交錯排列(實線)則僅有迅速的衰減。這些不規(guī)則抖動表明在實際應(yīng)用中，處于聲源下方靠近舞臺附近的聽眾很可能會受到來自線陣列直線部分的負(fù)面影響，而這些影響是可以通過交錯排列方式消除的。2.指向性
圖7和圖8分別表示在方向，頻率為lkHz和4kHz時，直線排列方式與交錯排列方式的模擬垂直指向性圖。圖7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，交錯排列方式表現(xiàn)出它的優(yōu)點。ARF接近100%，并且顯著降低旁瓣。在圖8中可以看出，在偏離主軸的伊=15°方向，通過交錯排列方式旁瓣降低了 6dB，而在伊=30°以及伊=60°方向則降低了超過10dB。
圖9為兩種排列方式的指向性灰度圖。頻率分別為lkHz、 2kHz。圖10對應(yīng)著兩種排列方式的指向性灰度圖頻率分別為4 kHz和8kHz。號筒的覆蓋角為60° ，即-30° 〈0〈30° 。這些圖像表明，交錯排列方式在低頻范圍內(nèi)保留了直線排列方式所有的指向特性，而在高頻時則表現(xiàn)出在垂直指向性以及減小旁瓣的優(yōu)勢。而通過適當(dāng)設(shè)計，考慮號筒的交錯距離以及水平覆蓋角之間的關(guān)系。在本例中可以看出，超過-30° 〈6〈30°范圍垂直指向性逐漸變差，因此利用號筒的水平指向特性可以將問題解決。
權(quán)利要求
1.高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，揚聲器線陣列中的高頻號筒排列不是在一條直線上，而是存在一條參考軸線，高頻號筒均勻地交錯排列于這條參考軸線的一側(cè)或兩側(cè)；即高頻號筒口沿這條軸線的分布呈方波，使各個高頻號筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接。
2. 由權(quán)利要求1所述的高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征在于在一條軸線兩側(cè)分布時呈上下分布的方波。
3. 由權(quán)利要求1所述的高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征在于相鄰的高頻號筒的位置沿軸線方向有重疊或有間隔。
4. 由權(quán)利要求1或3所述的高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征在于M個高頻號筒揚聲器和N個低頻揚聲器構(gòu)成揚聲器系統(tǒng)的箱體線陣列。
5. 由權(quán)利要求1或4所述的高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，其特征在于為保證各個號筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接，組成揚聲器線陣列的各個揚聲器系統(tǒng)的箱體在沿著垂直于號筒參考軸線有固定距離的錯位。
6. 由權(quán)利要求1所述的高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚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筒的各部分的交錯間隔距離與號筒的水平覆蓋角有關(guān)，且滿足覆蓋角越大，間隔距離越小的規(guī)律。
全文摘要
高頻號筒交錯排列優(yōu)化揚聲器線陣列指向性和頻率響應(yīng)的方法，揚聲器線陣列中的高頻號筒排列不是在一條直線上，而是存在一條參考軸線，高頻號筒均勻地交錯排列于這條參考軸線的一側(cè)或兩側(cè)；即高頻號筒口沿這條軸線的分布呈方波，使各個高頻號筒的有效輻射區(qū)域緊密銜接?？纱_定最佳的號筒水平覆蓋角，既改善揚聲器線陣列垂直指向性，又不會對其水平指向性產(chǎn)生負(fù)面影響。
文檔編號H04R1/20GK101626530SQ200910183290
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者康 安, 勇 沈 申請人:南京大學(xué)