專利名稱：大規模多聲源聲音增強的方法
技術領域：
本發明涉及多聲源大功率的音響系統領域，特別涉及用于音樂會及類似情況的高保真度的、高清晰度的音響傳輸系統。
特大功率的音頻揚聲器系統一般用于室內和室外的音樂廳，劇場和露天劇場的音樂會。典型地，單個的音箱或“箱”以大規模、密集陣列的復聯方式組合。在現有技術中公知的一種典型的“音響墻”系統示于
圖1，一般用參考數字10表示。一個大的音箱陣列經常稱為“音樂廳設備”。該音樂廳設備10包括四個揚聲器系統，指定為12、14、16和18，排列在一直線20上。每個揚聲器系統包括不同尺寸和式樣的揚聲器，這些揚聲器分別適用于低頻響應，中頻響應和高頻響應。四個揚聲器系統互相配合工作，在聽音區產生若干個不同的區域或復合區域，其中每個揚聲器系統發出的聲音保持純凈且不失真，否則同其它的一個、二個或三個揚聲器系統發出的聲音混合起來，造成聲音的混亂且失去清晰度。不同的區域已根據圖4中表示的圖例和明暗程度表示出。最純凈的音區是空白的、無陰影，并且以數字1表示。最不清晰，最失真的聲音區畫成最暗，并且以數字5表示。純凈的聲音，即聲音只從一個聲源發出，且不與其它聲源發出的聲音混合，是沿著該區的外邊緣傳送且直接地在每個揚聲器系統的前面，如數字1所示。若干個短區2形成了“高保真度通道”。每個高保真度通道的聲音是從兩個聲源發出的，但是由于每個聲源所起的作用基本上相等，總的聲音的音質是良好的。以參考數字3表示的區域，由于兩個聲源的作用不等，其聲音是混亂的且失去清晰度。以參考數字4標明的區域由于三個聲源作用不相等，聲音更混亂且失去清晰度。以參考數字5表示的區域在聽音區中是單個的、最大的區域，由于全部四個聲源作用不相等，因而是最混亂、干擾最大及最不清晰的。經常使用四個以上的揚聲器系統或聲源，例如六個至八個聲源，復蓋100度或更大的廣角區域，技術人員以及在使用這種音樂會設備的地方聽音樂會的人們對此是贊嘗的。為了減少說明現有技術存在的問題的困難，不增加附圖的復雜性，四個聲源用圖1來說明。
另一個困難來自音樂會演出者要求提供最大聲級，這也要求產生高聲壓級和大的動態范圍。為了產生盡可能大的聲音功率，許多音箱實際上裝有放大器和相關的部件。音樂廳設備，例如圖1中所示的那種設備，對于音樂會的演出者和參加者來說，已不適當地變成低質大聲的同義詞。
如圖2所示的音樂廳設備30已經取得了一些改進，其中每個揚聲器系統或聲源32、34、36和38彼此向外展開，沿著一個公共的弧度或淺弧形40排列。這種安排具有適當增加純聲區域1和相等混聲高保真通道區域2的范圍的效果。但是，很容易看出，大部分的復合聽音區包括音區3、4、和5，顯然這些音區是低音質的。這樣展開的聲源之間的典型角度為十度與二十度之間，該系統欲復蓋六十度與九十度之間的整個區域。由圖1和圖2所示每個典型的音樂廳設備產生的聲音的多重重疊，結果是很不清晰，聲音模糊。只有非常靠近任一個系統的那些聽眾將收聽到相當清晰且不失真的聲音。而這些聽眾也可能被這樣的聲壓級震聾了。
本發明通過提供一個復合的聽音區克服現有技術的困難，在這個聽音區中，純凈的、不混合的、不失真的聲音實際上傳送到百分之一百的聽音區。這是通過從若干個單獨的電聲聲源發出聲波，每個聲波是定向型的，而且具有相對窄的，楔形色絡的聲音投射，各個聲音投射色絡的相鄰邊緣基本上成一直線而不重疊，從不同聲源發出的聲音之間沒有干擾而消除了聲音的失真，使該聽音區傳播一樣的聲音而且音質好。即使從相鄰聲源來的聲音可能混合，但這是在高保真度通道中均等地混合，這種情況所提供的音質，如果不是最好的，至少是良好的。這可以通過參看圖3中所示的音樂廳設備50進行評價，后面還要詳細說明。
本發明的一個目的是提供大規模多聲源聲音的增強，在整個聽音區傳送高保真度的聲音。
本發明的另一個目的是提供大規模多聲源聲音的增強，在聽音區傳送高清晰度的聲音。
本發明的又一個目的是提供大規模多聲源聲音的增強，而任何聲源之間沒有干擾。
本發明的又一個目的是提供大規模多聲源聲音的增強，使用每個聲源的零-重疊聲音投射。
本發明的這些目的和其它目的是用一個改進的方法實現的，這種方法是在一個廣角傳播區以大功率級不失真地傳送聲音，包括下列方法由若干個單獨的聲源發出聲波，每個聲波是定向型的，其特點是相對窄的，楔形包絡的聲音投射;多個音箱并排放著，使得各聲音投射包絡的相鄰邊緣基本上成一直線而不重疊，從任何音箱發出的聲音之間沒有干擾，而消除了聲音的失真，整個聽音區傳播一樣的聲音且音質好。該方法更可取地進一步包括從具有這樣一種箱體的音箱中發出聲波的方法，這種箱體的形狀，與各自聲音包絡的邊緣一致，且這種箱體的形狀的平面圖基本上是梯形的。在本發明的多個優選實施例中，該方法還包括形成每個聲音包絡的方法，以限定聲音擴散角，該角度大約小于或等于四十度、三十度甚至二十度。
本發明的這些目的和其它的目的也是由一音箱陣列實現的，該音箱陣列用來在一個廣角區發送大功率級聲音而無失真，它包括許多個電聲揚聲器聲源，每個聲源是定向型的，而且具有相對窄的，楔形包絡的聲音投射，各聲源并排放著，以致各個聲音投射包絡的相鄰邊緣基本上是成一直線而不重疊，從不同聲源發出的聲音之間沒有干擾，而消除了聲音的失真，使該聽音區傳播一樣的聲音而且音質好。在目前優選的實施例中，揚聲器按放在多個音箱中，每個箱體的形狀，與放置在該箱中各揚聲器所產生的聲音投射包絡邊緣在平面圖上是一致的，這樣的音箱箱體平面圖一般是梯形的。
為了說明本發明，用目前優選的附圖形式表示，但是，不用說，本發明不受精確的安排或所說明的手段的限制。
圖1是用圖說明根據現有技術音樂廳設備線性墻產生的聲音干擾圖形;
圖2是用圖說明根據現有技術音樂廳設備向外張開墻產生的聲音干擾圖形;
圖3是用圖說明根據本發明的一種音樂廳設備的聲音擴散圖形;
圖4是說明暗等級的圖，用于識別圖1，2和3音樂廳設備的聲音純度，聲音干擾和失真的不同程度;
圖5是適用于圖3所示的音樂廳設備中的揚聲器系統聲源的透視圖;
圖6是對于圖5所示的音樂廳設備的另一個揚聲器系統聲源的透視圖。
根據本發明原理的音樂廳設備50的工作情況在圖3中說明。由多個聲源52、54、56、58和60產生的聲音傳播到一個復合的聽音區。該復合聽音區要求聲音擴散遍及大約180度角。聲源52至60中的每個聲源用來發射相對窄的，楔形包絡聲投射的聲波。為了使五個聲源復蓋180度的復合聽音區，每個聲源必須有一個擴散角a約為36度的楔形包絡聲投射。為了說明方便，如果把聲源看成是點聲源或垂直線聲源，聲音基本上是從園弧62的位置向外輻射出去的。由于真正的“音箱”，其聲源基本上是沿著園弧60并排放著的，各聲音投射包絡的相鄰邊緣實際上成一直線而不重疊。關于圖4中所示的，并用來說明圖1和圖2的現有技術系統的聲音干擾電平圖，可以看到聲源52至60中的每個聲源產生一個大的純音音區1，各個音區1之間形成一個窄的高保真通道2。由于在圖1和2現有技術系統中大多數的復合聽音區包括音區3、4和5，這表明實際上有干擾且音質差，因此在圖3所示的系統的復合聽音區幾乎全部是基本純凈的、不失真的聲音，偏差僅僅是窄高保真通道情況下的音質良好。從各聲源發出的聲音之間沒有干擾，而消除了聲音的失真，使復合聽音區傳播一樣的聲音而且音質好。
本發明的另一個方法是使從具有這樣一種箱體的聲源或者音箱發出聲波，該箱體形狀與各個聲音包絡的邊緣一致，稱為“最小包絡箱”。相應地，聲源52至60中的每個聲源的平面圖基本上是梯形的。而在圖1和2所示的系統中所用聲源的箱體基本上是矩形的。用于圖2中的展開的箱之間的三角間隔導致了聲學上的困難。
用于構成各個聲源52至60的一個合適的揚聲器系統示于圖5，一般指定為70。每個這樣的聲音系統被分成兩部分，一個低頻或“低音”揚聲器系統72，復蓋聲音頻率范圍約為35Hz至125Hz，和一個“中高音”揚聲器系統74，復蓋頻率范圍約為125Hz至20KHz。頻率約為20KHz的聲音處于人們聽力清晰度很高的范圍。對于低頻、中頻和高頻揚聲器部件使用分開的放大器，還用一個有源的交叉/均衡器控制網絡，把適當的信號分配給適當的放大器。雖然使用分開的揚聲器和交叉/均衡器網絡是公知技術，但是使用中-高頻揚聲器系統基本復蓋了整個清晰的聲音范圍，這是本發明的聲音極好的關鍵，而且以前從未用于音樂廳設備中。中-高頻揚聲器系統以小的復蓋角工作，水平擴散角度大到約40度，小至約20度。
用于中-高頻范圍的揚聲器72必須是定向型的，如EV-HP420型，可在密執安州的布昌那市電聲公司買到。由于揚聲器本身不是本發明的構成部分，所示揚聲器沒有詳細表示出。隔板80把音箱74分成一個上部隔室82和下部隔室84。上隔室82用于裝高頻揚聲器83，發出頻率范圍約為1100Hz至20KHz的聲音。隔室84用于裝中頻揚聲器85，發出頻率范圍約為125Hz至1100Hz的聲音。熟練的技術人員可以知道，從低音音箱到中-高音音箱的優選的交叉點是隨情況變化的，落在至少低至125Hz和高至150Hz的范圍內。
中-高音音箱74平面圖基本上是梯形的，確定一個約30度的擴散角b。中-高音音箱74放在低音音箱72上面，后者是一個開孔的“低音音箱”，有兩個低音揚聲器76和兩個孔78，用于調諧低音音箱的兩個孔78是公知技術。低音音箱72也提供一個最小的包絡箱，它與中-高音音箱74的大小和形狀在平面圖上是一致的。雖然低音發射不取決于同樣窄的聲音傳播包絡，但是最小的包絡箱對于音質是有作用的。此外，由特別的中-高音音箱提供的窄的聲音包絡，幾乎控制可聽聲音的全部頻譜。
在圖6中表示另一種聲源，其中，中-高音音箱86確定聲音投射包絡，其擴散角C只有20度。在這個實施例中，使用了一個高頻揚聲器和兩個較小的中頻揚聲器。隔板90和92把中-高音音箱分為隔室94、96和98。隔室94和98放中頻揚聲器95和99，工作在約150Hz至1100Hz的頻率范圍內。隔室96放一個高頻揚聲器97，工作在約1100Hz至20KHz頻率范圍內。一個開孔的低音音箱88同圖5所示的低音音箱74相似，只是它還具有對應于中-高音音箱86擴散角C的最小包絡箱和150Hz的最高優選頻率。
可以在很寬頻帶進行方向性控制，一個“室內”工程師也可以安排音箱聲源陣列，以相鄰聲源的重疊或干擾最小復蓋聽眾各個區域。既使各過渡區，各聲源之間的高保真通道音響也是很好的。在復合聽音區內可以進行第一次的全部音區的控制。聲音級，特別在臨界清晰度頻帶500Hz至2000Hz的聲音級和頻率響應都可滿足各區要求。例如，坐在遠處的聽眾要求大的聲源輸出及較大的頻率“提升”，以獲得與接近該聲源的聽眾一樣的音質和聲級。此外，通過“偏移”“左”和“右”兩個陣列的方向性圖可以獲得立體聲“效果”的顯著改善，如這里所敘述的，每個陣列是由許多聲源構成的。較大部分的聽眾可有效地得到立體聲“效果”，在實際上，大部分聽眾可獲得立體聲效果。當大部分復合聽音區充滿著多個聲源產生的重疊和混亂聲音擴散型時，這樣的立體聲效果簡直是不可能獲得的。
使用所述的中-高音音箱，可在給定的輸入功率下產生最大可能的聲壓級。使用較小容量的揚聲器，即使數量稍多點，由于要獲得要求的聲級和音質時所需的放大倍數較小，因而減少了系統的費用。在大多數情況下，該系統可以“滑行”，特別在有聲范圍內“滑行”。該系統以低失真和很寬的動態范圍全面地提供清楚的聲音的增強。
總的說來，根據本發明對多個聲源聲音的增強是特別有利的，提供了無重疊的聽音區復蓋;重量輕的式樣;由于相似形狀的低音和中-高音揚聲器音箱，系統組合方便;和對低音音箱采用開孔箱的技術。無重疊帶狀的復蓋使聽眾只聽到一個聲源的聲音，提供了最好的清晰度。高方向性產生最小的混響，揚聲器的號筒式樣可最有效地滿足最低的失真和最小的功率的要求。在許多聽音區可得到一樣的音質，在較大部分的復合聽音區可以大大地改善立體聲效果。
在不偏離本發明的精神或基本特征的情況下，本發明可用其它特殊方式實施，因此，要參看所附的表明本發明范圍的權利要求而不是參看前面的說明書。
權利要求
1.在廣角擴散區以大功率級無失真地傳送聲音的一種改進的方法，包括下列方法從許多個單獨的聲源發出聲波，每個聲源是定向型的，特征在于相對窄的，聲音擴散角不大于40度的楔形包絡的聲音投射，許多聲源并排放置著，以便使各個聲音投射包絡的相鄰邊緣基本上成一直線而不重疊，從任何聲源發出的聲音之間沒有干擾，而消除了聲音的失真，使得在整個聽音區傳播一樣的聲音而且音質好。
2.在廣角擴散區以大功率級無失真地傳送聲音的一種改進的方法，包括從許多個單獨的聲源發出聲波的方法，每個聲源的特征是相對窄的，聲音擴散角不大于40度的楔形包絡的聲音投射，使得各個聲音投射包絡的相鄰邊緣基本上成一直線而不重疊，從不同聲源發出的聲音之間沒有干擾，而消除了聲音的失真，使得在整個聽音區傳播一樣的聲音而且音質好。
3.權利要求1的方法，包括從具有音箱的電聲揚聲器發出聲波的另一種方法，這些音箱的形狀同各自的聲音包絡邊緣一致。
4.權利要求2的方法，包括從具有音箱的電聲揚聲器發出聲波的另一種方法，這些音箱的形狀同各自的聲音包絡邊緣一致。
5.權利要求3的方法，包括構成每個音箱使其平面圖基本上為梯形的另一種方法。
6.權利要求4的方法，包括構成每個音箱使其平面圖基本上為梯形的另一種方法。
7.權利要求1的方法，還包括從兩組復合聲源發出聲波和偏斜該兩組聲源發出的聲音的方法，以在大部分擴散區獲得立體聲效果。
8.權利要求1的方法，包括形成每個聲音包絡的方法，以限定聲音擴散角不大于30度。
9.權利要求8的方法，包括形成每個聲音包絡的方法，以限定聲音擴散角不大于20度。
10.權利要求2的方法，還包括從兩組復合聲源發出聲波和偏斜該兩組聲源發出的聲音的方法，以在大部分擴散區獲得立體聲效果。
11.權利要求2的方法，包括形成每個聲音包絡的方法，以限定聲音擴散角不大于30度。
12.權利要求11的方法，包括形成每個聲音包絡的方法，以限定聲音擴散角不大于20度。
13.權利要求1的方法，還包括在基本上成園弧的各位置上向外輻射聲音的方法。
14.權利要求2的方法，還包括在基本上成園弧的各位置上向外輻射聲音的方法。
全文摘要
在廣角擴散區以大功率級無失真地發送聲音的一種改進的方法，包括從多個單獨的聲源發出聲波，每個聲源特征是相對窄的，楔形色絡的聲音投射，使得各個聲音投射色絡的相鄰邊緣基本上成一直線而不重疊，從不同聲源發出的聲音之間沒有干擾而消除了聲音失真，在整個音區傳播一樣的聲音而且音質好，聲波最好從具有音箱的電聲揚聲器發出，這些音箱的形狀同各自的聲音色絡一致。
文檔編號H04R1/34GK1030316SQ88104508
公開日1989年1月11日 申請日期1988年6月10日 優先權日1987年6月10日
發明者約翰·萊蒙 申請人:美國音響有限公司