[发明专利]一种环形扬声器阵列指向性声辐射设计方法

说明书

本发明涉及一种环形扬声器阵列指向性声辐射设计方法，本方法指向性声压分布和环形扬声器阵列产生的声场进行模态匹配，本发明不再要求环形扬声器阵列的发生单元位于刚性圆柱腔内，只需要将单个扬声器单元组装成柱状即可，因此降低了对腔体制造工艺的要求；本发明的扬声器阵列是由单个扬声器单元组装而成，因此降低了各扬声器之间的互耦现象，能够实现对各扬声器单元的独立控制。本发明所采用的扬声器阵列不再要求扬声器单元位于无限长刚性柱面上，因此实际中的扬声器模型与理论模型更加接近，指向性声辐射的实现误差更小；本发明所采用的扬声器阵列高度有限，因此适用场景更广泛，比如车载音响、家庭影院等场景。

技术领域

本发明属于音频信号处理、声音重放领域，特别涉及一种环形扬声器阵列指向性声辐射设计方法。

背景技术

指向性声辐射技术也被称为声聚焦技术，是指通过换能器阵列将声能量聚焦到空间某一区域。这种技术被广泛应用于各种场景，比如音乐会现场、汽车警示音、减弱手机、平板的通话漏音，区域声场控制及主动降噪等。

目前能够有效地实现指向性声辐射的方法可分为两大类：第一类是参量阵扬声器，这种方法将音频信号与超声载波信号进行调制，由于高强度超声载波调制信号在空气中传播时能够产生非线性效应，从而重新生成音频信号，实现声音的指向性辐射。这种方法的缺点在于超声载波的自解调过程是非线性的，受空气介质的温湿度、压力、散射、热传播损失等非线性因素的影响，解调出的可听声存在较为严重的失真。除此之外，参量阵还需要专用的超声发射装置，因此在实际应用中需要额外的成本。第二类方法基于波的叠加原理，通过设计扬声器阵列不同单元的驱动信号实现指向性声辐射，目前主要的研究集中于如何在线形阵列、环形阵列以及球形阵列等规则阵列上实现。球形阵列能够实现三维的(3D)指向性声辐射，但是由于球形阵列要求的阵元个数多、球阵列的制作难度大，因此相当一部分研究者关注于采用线阵或者环阵实现某个平面(2D)上的指向性声辐射，如人耳所在高度的水平面。

与线形阵列相比，环形扬声器阵列具有更好的调向能力。模态匹配方法是一种常用于实现环形阵列上指向性声辐射的方法，然而之前的研究者通常是在柱坐标系下研究如何通过模态匹配方法实现2D平面上的指向性声辐射，如Poletti M等人，Kolundzija M等人以及M等人[3]提出的环形扬声器阵列设计方法。这种情况下，为了得到扬声器驱动信号的表达式，通常需要假设环形扬声器的数学模型是连续柱面且高度无限长，或假设尺寸有限的扬声器振膜位于无限长的刚性柱面上。在实际中利用这种方法实现指向性声辐射时，必须使得制作的环形扬声器阵列接近所要求的数学模型，也即环形扬声器阵列上的所有扬声器振膜镶嵌在一个刚性圆柱腔内，且刚性圆柱腔的高度要尽可能的长。然而这种对于环形扬声器阵列结构的要求会带来以下问题：1、对环形扬声器阵列腔体的制作工艺要求高；2、所有发声单元位于同一圆柱腔内会导致发声单元间的互耦严重，无法独立控制；3、高度方向无限长与完全刚性的表面难以实现，因此与理论模型存在一定误差，这种误差目前还没有足够的研究进行量化；4、高度方向过长在很多场景下不适用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有的基于模态域方法在环形扬声器阵列上实现指向性声辐射时要求所有扬声器发声单元位于一无限长刚性柱面上的缺点，本发明涉及一种环形扬声器阵列指向性声辐射设计方法。

本发明的技术方案是：一种环形扬声器阵列指向性声辐射设计方法，包括以下步骤：

步骤1：L个环形扬声器组成L元环形扬声器阵列，且L个环形扬声器位于同一水平面；定义扬声器阵列的每一个扬声器单元均为3D点声源；在环形扬声器阵列设计期望的指向性声压分布：

步骤2：计算点源组成的环形扬声器阵列产生的声场；

步骤3：对步骤1得到的指向性声压分布和环形扬声器阵列产生的声场进行模态匹配，包括以下子步骤：

子步骤3.1：为了在水平面上实现期望的指向性声辐射，应使得扬声器阵列产生的声场逼近期望的声场：