一种环屏扬声器阵列及虚拟声源的形成方法

摘要

本发明涉及一种环屏扬声器阵列及虚拟声源的形成方法，包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)紧密均匀的分布在非透声材料屏幕的四周。本发明中使用非透声材料屏幕的四周紧密均匀分布多个扬声器子阵列的方案，解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题，使得非透声材料屏幕成为电影屏幕变得可行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环屏扬声器阵列，尤其是涉及一种适用于国内LED大屏幕的环屏扬声器阵列及虚拟声源的形成方法。

背景技术

近年来，随着国内LED大屏幕显示技术的不断提高，分辨率已完全可以达到专业数字高分辨率投影机的水平，同时屏幕的尺寸也可以不再受限制。市场急迫需要一款能配合LED大屏幕显示视频放映系统的数字影院还音系统。

传统电影院内的幕布屏幕所采用的材料是透声材料，号角式主扩声扬声器系统和超低频音箱一般是放在透声幕布后面工作。但是当电影屏幕为LED屏幕等非透声材料时，传统的主声道的扩声系统就无法使用。采用扬声器阵列可以解决主声道的扩声问题，同时也拥有传统的主声道扩声系统难以实现的很多特点。传统的扩声系统，存在最佳听音点，只有在最佳听音点，声源位置和强度才是正确的，空间感较好。电影院内部很多地方不是最佳听音点，声源位置和强度都有偏差，并且空间感不好。而本发明通过算法形成虚拟声源可以取消电影院内的最佳听音点，使观众在电影院内任何位置所听到的声源方向和位置总是正确的。

发明内容

本发明设计了一种环屏扬声器阵列及虚拟声源的形成方法，其解决了以下技术问题：(1)解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题。(2)传统的扬声器系统，存在最佳听音点，而本发明解决了最佳听音点的问题，在电影院内任何位置声源位置总是正确的。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种环屏扬声器阵列，其特征在于：包括多个扬声器子阵列(2)，多个所述扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周。

进一步，每个所述扬声器子阵列(2)由一层或多层不同排列形状的换能器组成。

进一步，所述扬声器子阵列(2)中，第一换能器组(21)采用1个的换能器直径为d，第二换能器组(22)中的换能器直径为d/2,第三换能器组(23)中换能器的直径为d/5；

每个扬声器子阵列(2)由单层换能器组成时,采用全频的声音信号处理方式，第一换能器组(21)负责声音信号的全频段；

每个扬声器子阵列(2)由两层换能器组成时，采用两分频的声音信号处理方式，下层的第一换能器组(21)负责声音信号的低频段，上层的第二换能器组(23)负责声音信号的高频段，低频段与高频段的分频点f₁宜满足以下条件：

其中v为声速；

或者，

每个扬声器子阵列(2)由三层换能器组成时，采用三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组(21)，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组(22)，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组(23)，其负责处理声音信号的高频段。

低频段与中频段的分频点f₂宜满足以下条件：

中频段与高频段的分频点f₃宜满足以下条件：

同一组换能器组中的换能器的相位一致，灵敏度、尺寸、额定功率相同。

进一步，第一换能器组(21)采用1个的换能器，第二换能器组(22)采用4个的换能器，第三换能器组(23)采用9个换能器并排列成十字形。

进一步，三层换能器组的中心位置为同一位置，均为第一换能器组的中心点。

进一步，所述非透声材料屏幕为LED屏幕(1)或OLED屏幕及其它自发光屏幕。

一种虚拟声源的形成方法，该方法适用于多个扬声器子阵列(2)分布在非透声材料屏幕的四周情形，包括以下步骤：通过算法改变扬声器子阵列(2)的声信号，使其等同于原声源在该位置产生的声场从而形成虚拟声源，重现原声场的时间和空间特性。

进一步，假设虚拟声源为S，虚拟声源信号的傅里叶变换为S(w)，首先对信号进行滤波处理，得到三个频段的信号S₁(w)为低频段，S₂(w)为中频段，S₃(w)为高频段，第一层换能器的驱动信号为D₁(a),第二层换能器的驱动信号为D₂(a)，第三层换能器的驱动信号为D₃(a)；其中a代表换能器的不同位置,第一层换能器距第二层换能器的距离为L₁，第一层换能器距第三层换能器的距离为L₂，虚拟声源在扬声器阵列的后方并距扬声器阵列中第一层换能器的法线距离为y₁,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列中第一层换能器距听音者的法线距离为y2,虚拟声源距离换能器的直线距离为r1，j代表虚数，w为角频率，e为自然对数，v表示声速则:

进一步，扬声器子阵列(2)不仅可以形成阵列后方的虚拟声源，也可以形成阵列前方的聚焦声源，这样就使虚拟声源实现不同纵深；

具体方法如下：虚拟声源在扬声器阵列的前方并距扬声器阵列的法线距离为y₃,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列距听音者的法线距离为y₄,虚拟声源距离换能器的直线距离为r₂；第一层换能器的驱动信号为Q₁(a),第二层换能器的驱动信号为Q₂(a)，第三层换能器的驱动信号为Q₃(a)；其中a代表换能器的不同位置，第一层换能器距第二层换能器的距离为L₁，第一层换能器距第三层换能器的距离为L₂，虚拟声源在扬声器阵列的前方并距扬声器阵列中第一层换能器的法线距离为y₃,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列中第一层换能器距听音者的法线距离为y₄,其中y₄>y₃，虚拟声源距离换能器的直线距离为r₂，v表示声速则，j代表虚数，w为角频率，e为自然对数：

其中Q^*(a)代表Q(a)的共轭。

进一步，所述扬声器阵列(2)不仅可以实现单一的虚拟声源，也可以同时实现该虚拟声源的反射声，只需在不同的位置形成与该虚拟声源相同信号的虚拟声源；此时信号幅度衰减了β倍，换能器的驱动信号J(a)与原虚拟声源的关系为：

β(w)为与反射声频率和反射系数有关的函数，通过形成不同位置的反射声可以使观众增加空间感和距离感。当形成的多个不同位置，特定衰减的反射声时，可以使观众感到虚拟声源有混响感，形成可变的混响声。

该环屏扬声器阵列及虚拟声源的形成方法具有以下有益效果：

(1)本发明中使用非透声材料屏幕的四周紧密均匀分布多个扬声器子阵列的方案，解决了电影屏幕为非透声材料的主声道扩声问题，使得非透声材料屏幕成为电影屏幕变得可行。

(2)本发明环屏扬声器阵列容易与LED屏幕进行更好的适配，利于设备的安装，并且可以放置在户外，不受场地的限制。

(3)本发明可以在屏幕方向的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源。不受最佳听音位置的限制，无论观众处于哪个位置，声像位置总是正确的，不会随观众位置的改变而改变。虚拟声源的位置并不局限于屏幕区域内，而是根据电影内容进行适时调节，当LED屏幕为裸眼3D时，可以实现音画一体的效果，增加观众的观影浸入感。

附图说明

图1：本发明环屏扬声器阵列的安装示意图；

图2：本发明扬声器子阵列的组合示意图；

图3：本发明扬声器子阵列的第一层换能器组示意图；

图4：本发明扬声器子阵列的第二层换能器组分布示意图；

图5：本发明扬声器子阵列的第三层换能器组分布示意图；

图6：本发明扬声器子阵列的多层换能器组组合的侧面示意图。

图7：本发明中环屏扬声器阵列虚拟运动声源示意图。

附图标记说明：

1—LED屏幕；2—扬声器子阵列；21—第一换能器组；22—第二换能器组；23—第三换能器组。

具体实施方式

下面结合图1至图7，对本发明做进一步说明：

一种环屏扬声器阵列，包括多个扬声器子阵列2，多个扬声器子阵列2紧密均匀的分布在非透声材料屏幕的四周。非透声材料屏幕为LED屏幕1或OLED屏幕。

每个扬声器子阵列2由多层不同排列形状的换能器组成。每个扬声器子阵列2由三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组21，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组22，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组23，其负责处理声音信号的高频段。第一换能器组21采用1个的换能器，第二换能器组22采用4个的换能器，第三换能器组23采用9个换能器并排列成十字形。

本发明环屏扬声器阵列的控制方法，工作原理如下：

所述扬声器子阵列2中，第一换能器组21采用1个的换能器直径为d，第二换能器组22中的换能器直径为d/2,第三换能器组23中换能器的直径为d/5；

每个扬声器子阵列2由单层换能器组成时,采用全频的声音信号处理方式，第一换能器组21负责声音信号的全频段；

每个扬声器子阵列2由两层换能器组成时，采用两分频的声音信号处理方式，下层的第一换能器组21负责声音信号的低频段，上层的第二换能器组23负责声音信号的高频段，低频段与高频段的分频点f₁宜满足以下条件：

其中v为声速；

或者，

每个扬声器子阵列2由三层换能器组成时，采用三层不同排列形状的换能器组成，采用三分频的声音信号处理方式，每层对应声音信号的不同频段；其中，下层的第一换能器组21，其负责处理声音信号的低频段；中间层的第二换能器组22，其负责处理声音信号的中频段；上层的第三换能器组23，其负责处理声音信号的高频段。

低频段与中频段的分频点f₂宜满足以下条件：

中频段与高频段的分频点f₃宜满足以下条件：

同一组换能器组中的换能器的相位一致，灵敏度、尺寸、额定功率相同。

本发明环屏扬声器阵列与屏幕影像配合的控制方法，工作原理如下：通过算法改变扬声器子阵列2的声信号，使其等同于原声源在该位置产生的声场从而形成虚拟声源，重现原声场的时间和空间特性。在非透声材料屏幕方向的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源，或者在非透声材料屏幕之外的不同纵深、不同位置上实现虚拟声源。

假设虚拟声源为S，虚拟声源信号的傅里叶变换为Sw，首先对信号进行滤波处理，得到三个频段的信号S₁(w)为低频段，S₂(w)为中频段，S₃(w)为高频段。第一层换能器的驱动信号为D₁a,第二层换能器的驱动信号为D₂a，第三层换能器的驱动信号为D₃a；其中a代表换能器的不同位置,第一层换能器距第二层换能器的距离为L₁，第一层换能器距第三层换能器的距离为L₂.虚拟声源在扬声器阵列的后方并距扬声器阵列中第一层换能器的法线距离为y₁,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列中第一层换能器距听音者的法线距离为y₂,虚拟声源距离换能器的直线距离为r₁；v表示声速；j代表虚数，w为角频率，e为自然对数；则:

扬声器阵列不仅可以形成阵列后方的虚拟声源，也可以形成阵列前方的聚焦声源，这样就可以使虚拟声源实现不同纵深。具体方法如下：虚拟声源在扬声器阵列的前方并距扬声器阵列的法线距离为y₃,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列距听音者的法线距离为y₄,虚拟声源距离换能器的直线距离为r₂。第一层换能器的驱动信号为Q₁a,第二层换能器的驱动信号为Q₂a，第三层换能器的驱动信号为Q₃a。其中a代表换能器的不同位置。第一层换能器距第二层换能器的距离为L₁，第一层换能器距第三层换能器的距离为L_2.虚拟声源在扬声器阵列的前方并距扬声器阵列中第一层换能器的法线距离为y₃,听音者在扬声器阵列的前方，扬声器阵列中第一层换能器距听音者的法线距离为y₄,其中y₄>y₃，虚拟声源距离换能器的直线距离为r₂。v表示声速则

其中Q^*a代表Qa的共轭。

通过对虚拟声源信号做上述的处理可以实时改变虚拟声源的位置，就可以形成虚拟运动声源如图7所示。虚拟声源1和虚拟声源2在屏幕的上下左右前后不同位置实时运动，虚拟声源的运动位置应与电影影像中的运动状态保持一致，这样可以使声音和画面产生联动性，形成双3D的逼真观影感。

扬声器阵列不仅可以实现单一的虚拟声源，也可以同时实现该虚拟声源的反射声，只需在不同的位置形成与该虚拟声源相同信号的虚拟声源。此时信号幅度衰减了β倍，换能器的驱动信号Ja与原虚拟声源的关系为：

β(w)为与反射声频率和反射系数有关的函数，通过形成不同位置的反射声可以使观众增加空间感和距离感。当形成的多个不同位置，特定衰减的反射声时，可以使观众感到虚拟声源的有混响感，形成可变的混响。

很多电影院的放映环境并不理想，通过对原虚拟声源生成不同位置的反射声可以抵消来自真实环境中的反射声，对电影院声环境做补偿，使电影院声环境达到最佳观影状态。

这种方法不受最佳听音位置的限制，无论观众处于哪个位置，声像位置总是正确的，不会随观众位置的改变而改变。并且与电影画面内容相结合，增加观众的观影临场感和浸入感。同时可对声环境不佳的电影院做声学补偿，这些均为原电影还音时无法产生的达到的效果。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。