一种扬声器阵列的声场控制方法
阅读说明：本技术 一种扬声器阵列的声场控制方法 (Sound field control method of loudspeaker array ) 是由 闫峻 顾舜 张屹 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种扬声器阵列声场控制方法,通过本发明的声场控制方法,在不需要调节扬声器单元角度的情况下,可以根据扬声器阵列覆盖角的需要,结合空间重采样法和CBT阵列理论改变预设扬声器阵列的加权系数,实现高于截止频率F和低于截止频率F的在一个扬声器阵列上实现恒定束宽的分配控制,有效的抑制声场的旁瓣,适用于各种建声环境,同时还能达到改变其声波传送方向目标的效果。(The invention relates to a loudspeaker array sound field control method, through the sound field control method of the invention, under the condition that does not need to adjust the angle of a loudspeaker unit, can combine the space resampling method and CBT array theory to change the weighting coefficient of the preset loudspeaker array according to the requirement of the loudspeaker array coverage angle, realize the distribution control of the constant beam width on a loudspeaker array higher than the cut-off frequency F and lower than the cut-off frequency F, the sidelobe of the sound field is restrained effectively, suitable for various sound-building environments, can also reach the effect of changing its sound wave transmission direction goal at the same time.)
技术领域
本发明涉及声音方向调整的技术领域，尤其是涉及一种扬声器阵列的声场控制方法。
背景技术
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。结合不同的几何阵型，对扬声器阵列施加的电信号进行信号处理，包括振幅、相位、频率等电器特性量进行处理，即可得到不同的空间声场分布。
目前使用的扬声器阵列多为扬声器线阵，在声场形态控制能力方面存在诸多不足。尤其是目前的扬声器线阵智能在指定方向上进行指向性控制和恒定束宽控制，并且无法在整个工作频带产生具有恒定束宽的声场，并且扬声器阵列的旁瓣不能得到有效抑制。例如当信号的频率不同时，对应的波束图也不相同，因此，使用发射信号带宽时就会产生波形畸变(即旁瓣)，且信号带宽越大，波形畸变越严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种扬声器阵列的声场控制方法，用于抑制声场旁瓣同时还能够控制扬声器阵列的指向性。
本发明所采用的技术方案是，一种扬声器阵列的声场控制方法，包括上位机以及由M个扬声器阵元组成的扬声器阵列，所述每个扬声器阵元上均设有延时器，声场控制方法包括：
步骤1.设置扬声器阵列，预先设置扬声器阵列的覆盖角θ-6db；
步骤2.根据扬声器阵列和覆盖角θ-6db得到截止频率F；
步骤3.将音频信号小于截止频率F的频率段采用空间重采样法进行恒定束宽控制；将音频信号大于或等于截止频率F的频率段采用CBT阵列理论进行恒定束宽控制；
步骤4.对输入扬声器阵列的音频信号进行分频处理，分别将高频信号、低频信号输送至扬声器阵元的高频单元、低频单元进行输出播放
本发明的有益效果是：通过本发明的声场控制方法，在不需要调节扬声器单元角度的情况下，可以根据扬声器阵列覆盖角的需要，结合空间重采样法和CBT阵列理论改变预设扬声器阵列的加权系数，实现高于截止频率F和低于截止频率F的在一个扬声器阵列上实现恒定束宽的分配控制，有效的抑制声场的旁瓣，适用于各种建声环境，同时还能达到改变其声波传送方向目标的效果。
作为优选，所述步骤2中的截止频率为：
其中，H为基于CBT理论的扬声器阵列的等效总长。
作为优选，所述步骤3中对小于截止频率F的频率段采用空间重采样法进行恒定束宽控制具体包括：
S31A.将频率段划均匀划分为j个频带，并采用Chebyshev加权法确定参考频率f0的m个扬声器阵元的加权系数为w0(m)；
S32A.通过空间重采样法计算其他频带fj的第m个扬声器阵元的加权系数wj(m)公式如下：
S33A.根据加权系数wj(m)，采用频率响应公式计算各扬声器阵元滤波器的期望响应；
式中，w(fj)为滤波器的设计指标；
S34A.根据滤波器的期望响应，利用最小二乘法LS算法求取各扬声器阵元对应的滤波器系数；
S35A.各扬声器阵元根据对应的滤波器系数输出恒定束宽的波束；
所述步骤3中对于大于或等于截止频率F的频率段采用CBT阵列理论进行恒定束宽控制具体包括：
S31B.在各扬声器阵元上添加延时器的延时因子，促使扬声器阵列的相位形成半径为r的圆弧阵列，延时因子τ满足：
Φ＝(1-cos(θi))r
τ＝Φ/c
式中，c为声音在空气中的声速；
S32B.根据CBT理论，圆弧阵列中大于或等于截止频率F的频率段在远、近场的声压的径向声压分布满足：
式中，ρ(θ)为径向声压分布，Pv(cosθ)为Legendre函数，v为Legendre函数的阶数；θ为扬声器阵元所在位置对应坐标的仰角；θ0为Pv(cosθ)最小的零点；
S33B.简化Legendre函数的计算，推导出三阶多项式对各扬声器阵元的加权系数进行近似表示为：
式中，
S34B.各扬声器阵元根据加权系数输出恒定束宽的波束。
附图说明
图1为本发明步骤3中CBT阵列；
图2为本发明扬声器阵列指向性调整示意图。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
一种扬声器阵列的声场控制方法，包括上位机以及由M个扬声器阵元组成的扬声器阵列，所述每个扬声器阵元上设有延时器，声场控制方法包括：
步骤1.设置扬声器阵列，预先设置扬声器阵列的覆盖角θ-6db；
步骤2.根据扬声器阵列和覆盖角θ-6db得到截止频率F；
步骤3.将音频信号小于截止频率F的频率段采用空间重采样法进行恒定束宽控制；将音频信号大于或等于截止频率F的频率段采用CBT阵列理论进行恒定束宽控制；
步骤4.对输入扬声器阵列的音频信号进行分频处理，分别将高频信号、低频信号输送至扬声器阵元的高频单元、低频单元进行输出播放，该步骤中关于扬声器阵列对音频信号的分频处理以及输出播放为现有技术，此处不做详细赘述。
所述步骤2中的截止频率为：
其中，H为基于CBT理论的扬声器阵列的等效总长/m。
所述步骤3中对小于截止频率F的频率段采用空间重采样法进行恒定束宽控制具体包括：
S31A.将频率段划均匀划分为j个频带，并采用Chebyshev加权法确定参考频率f0的m个扬声器阵元的加权系数为w0(m)；
S32A.通过空间重采样法计算其他频带fj的第m个扬声器阵元的加权系数wj(m)公式如下：
S33A.根据加权系数wj(m)，采用频率响应公式计算各扬声器阵元滤波器的期望响应；
式中，w(fj)为滤波器的设计指标；
S34A.根据滤波器的期望响应，利用最小二乘法LS算法求取各扬声器阵元对应的滤波器系数；
S35A.各扬声器阵元根据对应的滤波器系数输出恒定束宽的波束；
如图1所示，所述步骤3中对于大于或等于截止频率F的频率段采用CBT阵列理论进行恒定束宽控制具体包括：
S31B.在各扬声器阵元上添加延时器的延时因子，促使扬声器阵列的相位形成半径为r的圆弧阵列，延时因子τ满足：
Φ＝(1-cos(θi))r
τ＝Φ/c
式中，c为声音在空气中的声速；
S32B.根据CBT理论，圆弧阵列中大于或等于截止频率F的频率段在远、近场的声压的径向声压分布满足：
式中，ρ(θ)为径向声压分布，Pv(cosθ)为Legendre函数，v为Legendre函数的阶数；θ为扬声器阵元所在位置对应坐标的仰角；θ0为Pv(cosθ)最小的零点；
S33B.简化Legendre函数的计算，推导出三阶多项式对各扬声器阵元的加权系数进行近似表示为：
式中，
S34B.各扬声器阵元根据加权系数输出恒定束宽的波束。
此外，扬声器阵列的指向性调整可以通过依次对每个扬声器阵元施加延时，如图2所示，本具体实施例从左到右依次对每个扬声器镜像等间隔的延时τ′，相邻的扬声器阵元达到波阵面的声程差刚好弥补了每只扬声器阵元达到波阵面的距离，使得每个扬声器阵元所发出的的声波依然能在同一时间达到指向性调整后的波正面，与波正面垂直的方向即扬声器阵列的主轴方向。
延时
式中，θ为波正面的指向性调整角度，d为扬声器阵元之间的间距，c为声音在空气中的传播速度。