[发明专利]一种高灵敏拾音及定向扩音装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及音频拾音、扩音技术领域，特别是一种高灵敏拾音及定向扩音装置及 其方法。

背景技术

自二十世纪以来，音频扩音是社会活动、日常生活工作不可缺少的工程技术手段， 如多媒体教学、会议、综艺晚会、户外集会等等，一般同时存在麦克风与扬声器的协同工作， 在这种场合中，都会因扩声器与麦克风之间的电声耦合而产生声反馈。

声反馈的出现大大限制了系统扩声增益的提高，使之达不到理想的扩音效果，同 时影响声音的清晰度，导致声音出现失真。严重时甚至会产生啸叫，容易使人耳损伤，也影 响讲话、表演等活动的正常进行，严重的啸叫还可能会烧毁系统中放大器、扩声器的高音单 元。另外，在一些要求特别高的活动场合，如重要会议、重大的演出活动等，更不允许出现啸 叫。因此，有效的声反馈抑制，是扩声系统的一个重要问题。

声反馈现象的产生原理：音频信号经扬声器输出后，又被麦克风反复采集，

形成扬声器、传声器之间的正反馈回路，使放大器的输出信号幅度不断被放大，从 而使某些频率上的信号发生自激震荡，产生啸叫。

声反馈的产生要同时具备三个因素：

(1)扬声器与麦克风必须处于同一声场所，即扬声器输出的信号能够被麦克风再 度采集，形成正反馈。

(2)系统的传声增益大，麦克风的拾音灵敏度高。

(3)声场有缺陷共振。即系统的频谱特性不平坦，在某些频率上容易出现。

(传声增益：当扩声系统工作时在听众点上的声能密度和系统不工作时自然声源 在传声器所在点声能密度的比值，以分贝表示，称为该扩声系统的传声增益。)

抑制声反馈目前有以下主要方法：

1、降低系统增益，例如降低麦克风灵敏度、降低扬声器功率，当系统增益低于扬声 器与麦克风之间的声能衰减时，啸叫就不会产生。

2、调整距离，扬声器距离听众越近、距离麦克风越远，麦克风距离声源越近、距离 扬声器越远，效果越好。指向性麦克风指向声源也有一定帮助。

3、改善声场，让声场的固有共振频率远离工作频段，墙壁铺设吸音材料等。

4、信号处理，如移频、移相、动态均衡、回声消除等算法，详细原理这里不展开描 述，这些算法对声反馈抑制都有一定贡献，但不能独立存在，还需依赖于以上3种手段。

基于以上方法，我们现有的扩音系统通常具备以下特征：

1、近讲，即人嘴距离麦克风很近

如果是固定式麦克风，演讲者不能离开麦克风太远，限制了演讲者的活动空间，不 能做到在白板上边写边说；如果是无线佩戴式麦克风，通常因为无线信道资源、成本等因 素，很难做到与会者人手一只，而且无线麦克风使用维护成本偏高，现实中还存在资产不易 保管等问题。

2、扬声器必须远离麦克风

如果使用手持式无线麦克风来回传递，演讲者不能解放双手不说，一不小心麦克 风离扬声器太近会引起啸叫。

3、设备分体化，即麦克风、扬声器、放大和信号处理设备分体布局，之间靠线缆连 接。

这就造成了扩音设备的制造成本、安装成本、维护成本的增加，最重要的是不能便 携移动。

4、免提式对讲设备虽然通常集成了扬声器和拾音器，而且可以在一定距离外讲 话，但由于其拾音和播放不在一个空间内，同时由于通讯线路不可避免地具有一定时延，声 反馈的表现形式不是引起啸叫，而是带来回音，如果不加入回声抑制，通话质量并不理想。

如图1所示，从声频定向扬声器的工作原理可以看出它具有以下系统特性：

1、能发射高指向性声频波，这是传统扬声器无法做到的；

2、与传统扬声器通过机械振动激励空气直接发出可听声相比，它是先发出超声 波，然后由超声波在空气中通过非线性作用自解调出可听声，即间接发出声频波；

3、所发声频波能量集中，在传播过程中大部分能量位于传播轴附近，因此与非指 向性声源向各个方面辐射能量相比，其衰减要慢得多，这使得它的声频声传播距离更远；

4、传统扬声器在扬声器附近声音音量最大，而声频定向扬声器的声音是沿传播轴 逐渐解调并不断叠加形成的，因此其能量在接近参量阵有效长度时才达到最大值；

5、换能器所发出的超声波及由于非线性作用产生的超声波会在空气中快速衰减， 最后只留下声频波在空气中高指向性传播。