方向声音产生设备以及包括该设备的方向扬声器阵列

摘要

公开了一种方向声音产生设备以及包括该设备的方向扬声器阵列。该方向声音产生设备包括：声音换能器；反射板，位于声音换能器的后面；阻挡板，设置在声音换能器的前部和后部之间。

说明书

本申请要求于2008年9月8日提交到韩国知识产权局的第10-2008-0088277号韩国专利申请的权益，其公开通过为了所有目的的引用全部包含于此。

技术领域

下面的描述涉及一种方向声音产生技术，更具体地讲，涉及一种方向声音产生设备以及一种包括该设备的方向扬声器阵列。

背景技术

通常，声音产生设备(诸如扩音器)无方向性地输出声音，并且输出的声音在所有方向上传播。虽然声压取决于收听者的位置而变化，但是声音从声音产生设备广泛传播。因此，不希望听见声音的人会不可避免地暴露在声音之下。为了避免这种噪声污染或干扰，用户会使用头戴式受话器或耳机。但是，佩戴这些便携式设备或带有这些便携式设备进行运动不舒适，甚至会损害用户的听力。

因此，开发一些技术使得声音能够仅被传播到特定收听者或特定区域(即，个人声音区)，而不使用附加的装置(例如耳机或头戴式受话器)。例如，一种技术采用了排列成一行的多个声源以输出具有不同相位的声音，使得传播的声音的方向性得到改善。另一种技术采用了安装在声源后面的硬壁以改善声音的方向性。

但是，在这些技术中，取决于频率范围可发生严重的声音失真。此外，为了在整个频带上实现恒定的方向性，声音性质根据频率可能需要另外的补偿，或者可能需要增大声音产生设备的尺寸。

发明内容

根据一方面，提供一种方向声音产生设备，该方向声音产生设备包括：声音换能器；反射板，位于声音换能器的后面；第一阻挡板，设置在声音换能器的前部和后部之间。

该方向声音产生设备还可包括：第二阻挡板，与反射板连接，并且覆盖声音换能器的顶部上的区域和/或声音换能器的底部上的区域。

该方向声音产生设备还可包括：吸声材料，设置在反射板和/或第一阻挡板上。

吸声材料可吸收从声音换能器输出的向前和向后声波或向后声波的高频分量。

第一阻挡板可基本垂直于从声音换能器输出的声波的传播方向而延伸，并且具有比反射板窄的宽度。

第二阻挡板的宽度可等于或小于反射板的宽度，使得第二阻挡板完全或部分覆盖与反射板基本垂直并位于反射板和声音换能器之间的空间平面。

第一阻挡板可具有比反射板窄的宽度。

该方向声音产生设备还可包括：一个或多个第二阻挡板，设置在反射板和第一阻挡板之间，以覆盖限定在反射板和第一阻挡板之间的空间的一侧或多侧。

反射板、第一阻挡板和所述一个或多个第二阻挡板可被形成为单一结构。

所述一个或多个第二阻挡板的一侧的长度可等于或小于反射板的与所述一个或多个第二阻挡板的一侧基本平行的一侧的长度。

根据另一方面，提供一种方向扬声器阵列，该方向扬声器阵列包括：多个方向声音产生单元，其中至少一个方向声音产生单元包括声音换能器、位于声音换能器的后面的反射板以及设置在声音换能器的前部和后部之间的第一阻挡板。

所述多个方向声音产生单元中的每个可包括声音换能器、反射板以及第一阻挡板，反射板可被形成为被所述多个方向声音产生单元共用的单个反射板。

所述多个方向声音产生单元中的至少一个还可包括：第二阻挡板，与反射板连接，并且覆盖声音换能器的顶部上的区域和/或声音换能器的底部上的区域。

所述多个方向声音产生单元中的至少一个还可包括：吸声材料，设置在反射板和/或第一阻挡板上。

吸声材料可吸收从声音换能器输出的向前和向后声波或向后声波的高频分量。

第一阻挡板可基本垂直于从声音换能器输出的向前和向后声波的传播方向而延伸，并且具有比反射板窄的宽度。

所述多个方向声音产生单元中的至少一个还可包括：一个或多个第二阻挡板，设置在反射板和第一阻挡板之间，以覆盖限定在反射板和第一阻挡板之间的空间的一侧或多侧。

所述一个或多个第二阻挡板的一侧的长度可等于或小于反射板的与所述一个或多个第二阻挡板的一侧平行的一侧的长度。

所述多个方向声音产生单元中的每个可包括声音换能器、反射板、第一阻挡板以及所述一个或多个第二阻挡板，反射板可被形成为被所述多个方向声音产生单元共用的单个反射板，第一阻挡板可被形成为被所述多个方向声音产生单元共用的单个第一阻挡板。

用于每个方向声音产生单元的共用的反射板、共用的第一阻挡板以及所述一个或多个第二阻挡板可被形成为单一结构，共用的第一阻挡板可包括设置在所述方向声音产生单元之间的狭缝。

根据另一方面，提供一种方向声音产生设备，该方向声音产生设备包括：声音换能器；反射板，位于声音换能器的后面；一个或多个阻挡板，设置在反射板和声音换能器之间，以覆盖限定在反射板和声音换能器之间的空间的一侧或多侧。

该方向声音产生设备还可包括：隔音板，设置在声音换能器的前部和后部之间，其中，所述一个或多个阻挡板设置在反射板和隔音板之间，以覆盖限定在反射板和隔音板之间的空间的一侧或多侧。

所述一个或多个阻挡板可包括：第一阻挡板，连接到反射板的第一端和隔音板的第一端；第二阻挡板，连接到反射板的第二端和隔音板的第二端。

所述一个或多个阻挡板可包括：第一阻挡板，连接到反射板的第一端和声音换能器；第二阻挡板，连接到反射板的第二端和声音换能器。

根据另一方面，提供一种方向扬声器阵列，该方向扬声器阵列包括：一个或多个声音换能器；反射板，位于所述声音换能器的后面；第一阻挡板，设置在所述声音换能器的前部和后部之间；一个或多个第二阻挡板，设置在反射板和第一阻挡板之间，以覆盖限定在反射板和第一阻挡板之间的空间的一侧或多侧，其中，第一阻挡板包括设置在所述声音换能器之间的一个或多个开口。

反射板、第一阻挡板和所述一个或多个第二阻挡板可被形成为单一结构。

其它特征和方面从下面的详细描述、附图和权利要求是清楚的。

附图说明

图1是示出示例性的方向声音产生设备的侧视图的图示。

图2是示出图1中的方向声音产生设备的侧视图的图示，该方向声音产生设备还包括吸声材料。

图3A和图3B是示出示例性的方向声音产生设备的主视图和透视图的图示。

图4是示出另一示例性的方向声音产生设备的侧视图的图示。

图5是示出另一示例性的方向声音产生设备的侧视图的图示，该方向声音产生设备具有隔音板、顶板和吸声材料。

图6是示出示例性的方向声音产生设备的声音区的图示。

图7A至图7C是示出方向声音产生设备的各种形式的外壳的图示。

图8是显示响应于使用的隔音板和顶板的低频范围内的频率响应特性以及响应于使用的吸声材料的高频范围内的频率响应特性的图形。

图9是显示具有预处理单元的示例性的方向声音产生设备的频率响应特性的图形。

图10是示例性的方向扬声器阵列的框图。

图11是进一步示出图10中的方向扬声器阵列的框图。

图12是示出示例性的方向扬声器阵列的透视图的图示。

在整个附图和详细描述中，除非另有描述，相同的附图标记应被理解为表示相同的部件、特征和结构。为了清楚、例证和方便，这些部件的相对尺寸和描绘可能会被夸大。

具体实施方式

提供下面详细的描述来帮助读者全面理解这里所描述的方法、设备和/或系统。因此，将向本领域技术人员建议这里所描述的系统、设备和/或方法的各种变化、修改以及等同物。另外，为了更加清楚和简洁，将省略公知功能和结构的描述。

图1显示了示例性的方向声音产生设备。参照图1，方向声音产生设备包括产生声音的声音换能器(sound transducer)110，例如，产生声音的扩音器。从声音换能器110输出的声音向前和向后传播。即，声音换能器110从其前部和后部输出相反相位的声音。

方向声音产生设备还包括设置在声音换能器110后面的反射板130。反射板130阻挡或反射从声音换能器110向后传播的声音。

方向声音产生设备还包括隔音板(baffle)120作为第一阻挡板，隔音板120分离声音换能器110的前部和后部，以增加向前声波和向后声波之间的干涉距离d2。换句话说，根据例如声音的波长、声音换能器110和反射板130之间的距离d1以及从声音换能器110输出的向前声波和向后声波之间的干涉距离d2，传播的声音的声压发生变化。在示例性的应用中，距离d1和d2应保持不变，但是当声音波长较大时，应在低频范围内增大距离d1和d2。因此，当声音换能器110开放使用而没有安装隔音板120时，应增大方向声音产生设备(即，方向扬声器外壳)的尺寸，以增大距离d1。隔音板120使得向前声波和向后声波之间进行相消干涉，由此对于声音方向性增大声波应传播的虚拟距离d2。因此，可在低频范围内获得高传播效率。

图2显示了图1中的方向声音产生设备，该方向声音产生设备还包括吸声材料210。参照图2，吸声材料210可被施加到反射板130的前部(即，面对隔音板120的一侧)或隔音板120的后部(即，面对反射板130的一侧)，以吸收从声音换能器110输出的声音的高频分量。当在高频范围内刚体用作反射板130或者完整使用隔音板120的硬平面时，在高频范围内会发生复干涉(complex interference)。将参照图8描述高频范围内的复干涉。作为示例，例如，应该理解，能够阻挡或反射声音的任何刚性或硬性材料可用于实现反射板130或隔音板120。在另一示例性的实施方式中，具有刚度以在低频范围阻挡或反射声音同时在高频范围具有声音吸收特性的结构可用作反射板130或隔音板120。

在高频范围内，可获得足够的方向性，而不需要诸如反射板130的部件。因此，当使用反射板130时，吸声材料210可附在反射板130上，以吸收高频分量。因此，可减少反射板130或隔音板120处的干涉。

图3A和图3B显示了示例性的方向声音产生设备的主视图和透视图。

参照图1、图3A和图3B，隔音板120被形成为例如比反射板130小的板。另外，隔音板120被布置为与来自声音换能器110的声波的传播方向基本垂直。例如，隔音板120被布置为与声音换能器110基本齐平，以分离声音换能器110的前部和后部。隔音板120的尺寸可根据方向声音产生设备的外壳的尺寸和频率特性而变化。例如，如果隔音板120的尺寸近似于声音波长或大于声音波长，则可产生复干涉图案。因此，尽管不是必要的，但是隔音板120的宽度W可被设计为小于低频范围内的最高频率处的波长。考虑上述描述，可比低频范围内的最高频率的波长短的隔音板120的宽度W可被设计为小于反射板130的宽度W，如图3B所示。

图4是显示了另一示例性的方向声音产生设备。参照图4，在图1中的方向声音产生设备中还设置了顶板410a和410b作为第二阻挡板。为了将反射板130的反射特性最大化，反射板130理想无穷大，或者至少大于波长。但是，由于不可能实现无穷大的反射板130，反射板130应具有特定尺寸和方向性以实现期望的性能，而不管方向声音产生设备放置在何处。

通常根据水平声压变化形成与方向性相关的个人声音区。换句话说，垂直距离变化(例如，由位置、姿势等确定的收听者的高度)通常不导致声压变化，而到右侧或左侧的距离变化导致声压变化，以形成期望的个人声音区。

为此，可这样布置顶板410a和410b，从图4的侧视图观看，声音换能器110的顶部区域和底部区域被覆盖以避免垂直方向上的相消干涉，而声音换能器110的右侧和左侧敞开。即，如图4所示，每个顶板410a和410b与反射板130和隔音板120连接，并覆盖声音换能器110的顶部和底部，以降低从声音换能器110输出的声波的垂直方向性。通过这样做，可减小后反射板130的尺寸和/或声音换能器110的体积。另外，可通过防止垂直方向上的相消干涉来增大传播的声压。在另一实施方式中，顶板410a和410b可连接到反射板130和声音换能器110。

应该理解，顶板410a和410b可被设计为从声音换能器110完全或部分阻挡反射板130。虽然在图4中提供顶板410a和410b以覆盖声音换能器110的顶部和底部，即，提供顶板410a和410b以覆盖声音换能器110的顶部并提供顶板410a和410b以覆盖声音换能器110的底部，但是可提供顶板410a和410b仅覆盖声音换能器110的顶部或底部的其它实施方式。还将参照图7A至图7C描述顶板410a和410b的各种示例性形式。

图5显示了另一示例性的方向声音产生设备，该方向声音产生设备具有隔音板120、顶板410a和410b和吸声材料210。

参照图5，吸声材料210吸收参照图2描述的高频分量，因此在高频范围内可防止复干涉。

图6显示了示例性的方向声音产生设备600的个人声音区610。

参照图4，可通过使用具有隔音板120、反射板130和顶板410a和410b的方向声音产生设备600增加水平方向性并降低垂直方向性，来产生图6所示的特定形式的个人声音区610。因此，可产生声音区的预定区域，而不考虑方向声音产生设备600的安装高度以及收听者的高度或姿势。

图7A至图7C示出了方向声音产生设备的各种形式的外壳。

参照图7A至图7C，隔音板120或顶板410可在形状上进行改变。图7A显示了仅具有隔音板120而没有顶板410的方向声音产生设备的外壳，图7B和图7C显示了具有隔音板120和顶板410的方向声音产生设备的外壳。

如图7B所示，顶板410可被设计为部分覆盖反射板130和声音换能器110之间的空间平面(参见图7B中的限定平面的虚线)，或者如图7C所示，顶板410可被设计为完全覆盖反射板130和声音换能器110之间的空间平面。

图8是显示响应于使用的隔音板和顶板的低频范围内的频率响应特性以及响应于使用的吸声材料的高频范围内的频率响应特性的图形。

参照图8，高频分量被吸声材料吸收，从而可避免高频范围内的复干涉。如上所述，在高频范围内可获得期望的方向性，而不需要诸如隔音板或反射板的另外部件。因此，当使用诸如隔音板或反射板的部件时，可适当使用吸声材料以减少高频范围内的隔音板或反射板处的干涉。

例如，隔音板和反射板部件可用于增大低频范围内的声压，但是它们可导致高频范围内的声压扰动。由于不需要高频范围内的声压增大，即，由于应该避免扰动或干涉，所以可通过施加用于高频范围的吸声材料来抑制隔音板或反射板导致的声音干涉。例如，可使用诸如吸声泡沫的吸声材料，吸声泡沫例如是聚氨基甲酸酯或玻璃绒。例如，因为这些材料中的穿孔的尺寸小于低频声音的波长，而具有高频范围(例如1KHz以上)内的高声音吸收特性，所以这些材料在低频范围内具有低冲击。应该理解，近似截止频率可根据材料而变化。

图9是显示具有预处理单元的示例性的方向声音产生设备的频率响应特性的图形。方向声音产生设备可以是参照图1至图7C所描述的方向声音产生设备中的一个。

方向声音产生设备的频率响应特性可根据频率范围而变化。例如，在低频范围内，方向声音产生设备可具有均匀的频率响应特性，声压可与频率成反比而减小。在高频范围内，虽然声压为高，但是方向声音产生设备可具有不规则的频率响应特性。

因此，可另外包括预处理单元，以分离将从声音换能器输出的声音的低频分量和高频分量，并参照声音换能器的频率响应特性线性调整或补偿分离的频率分量。

预处理单元可线性调整低频范围内的响应特性，并且调整高频范围内的不规则的响应特性。例如，低通滤波器(LPF)或高通滤波器(HPF)可用于分离高频分量和低频分量，放大滤波器或逆滤波器可用于基于频率范围分离和处理声音信号。

参照图9，应注意到，通过使用低通滤波器分离低频范围内的声音信号并调整线性变化，来改善响应特性。在低频范围内，不通过将声压简单放大到相同级别来调整声音信号，而是通过用不同的放大级别放大每个声压来调整声音信号。然后，高通滤波器用于分离高频分量，具有与非均匀响应特性相反的特性的逆滤波器被使用，使得高频分量的响应特性得到改善。可参照预先可在低频范围和高频范围内测量的响应特性来选择滤波器。

图10显示了示例性的方向扬声器阵列。

可通过如上所述的多个方向声音产生设备来实现方向扬声器阵列。通常，使用越多的方向声音产生设备，可得到更高的方向性和传播效率。

参照图10，方向扬声器阵列包括预处理单元1010、控制单元1020和多个声音产生单元1030。每个声音产生单元1030可对应于以上参照图1至图9描述的方向声音产生设备中的一个。预处理单元1010调整低频范围内的每个频率处的响应特性，并补偿高频范围内的不规则的响应特性。为此，可由低通滤波器或逆滤波器基于频率范围分离声音信号。控制单元1020将预处理单元1010处理的声音信号提供给声音产生单元1030。即，控制单元1020处理已经根据频率范围被分离并且被调整或补偿的声音信号，并且将处理的声音信号提供给声音产生单元1030。

图11进一步示出了图10中的方向扬声器阵列。

预处理单元1010包括低通滤波器1111、高通通滤波器1112、补偿单元1113和逆滤波器1114。预处理单元1010接收声音信号，低通滤波器1111分离声音信号的低频分量，补偿单元1113放大每个频率范围内的声音信号。逆滤波器1114具有与方向声音产生单元1030的高频响应特性相反的响应特性。通过使用逆滤波器1114，可均匀补偿高频响应特性。

控制单元1020包括低频范围处理单元1121、高频范围处理单元1122和组合单元1123。低频范围处理单元1121和高频范围处理单元1122产生并输出将被提供给多个声音产生单元1030的声音信号，组合单元1123将根据频率范围分离的声音信号组合为合成声音信号，并且将该合成声音信号发送到每个声音产生单元1030。

图12显示了示例性的方向扬声器阵列。

多个方向声音产生单元上使用的各个反射板可被这些方向声音产生单元共用，或者可被实现为一维或一片(如图12所示)，或者可被实现为二维或两片，等等。另外，方向声音产生单元之间的距离可根据需要而变化。隔音板可由单板形成，在隔音板之间具有狭缝或开口1210。狭缝的宽度可根据方向声音产生单元之间的距离而变化。

在整个说明书中，已经讨论了低频范围和高频范围。应该理解，频率范围可取决于因素而变化，所述因素包括扩音器的前振动膜和后振动膜之间的传播距离以及反射表面和扩音器之间的距离。因此，可根据声音产生设备的各自设计识别低频范围和高频范围。例如，参照图1，提供隔音板120以增大距离d2，因此，频率范围和截止频率可取决于隔音板120的形状和尺寸，其中，可通过过度的实验来识别频率范围和截止频率。

根据如上所述的示例，可改善声音方向性，同时在整个频率范围保持均匀的声压。例如，在期望长的扬声器阵列的低频范围内，可实现高方向性，而不用扩大阵列尺寸。因此，对于没有位于个人声音区中的人可最小化噪声污染或干扰。

根据如上所述的示例，可在简单的结构中设置方向声音产生设备，并且可增大声音换能器的前部和后部之间的有效距离。因此，可获得高的传播效率。另外，可去除垂直方向性而保持水平方向性，因此可获得恒定的方向性特性，而不考虑收听者的高度或姿势或者方向声音产生设备的安装位置。

另外，当在方向声音产生设备中还设置吸声材料时，可改善在高频范围内可能产生的不规则的方向性和频率响应。因此，可仅用一个阵列实现在整个频率范围可适用的方向声音产生设备。此外，通过分离低频范围和高频范围并在每个低频范围执行预处理，可减小声音失真。

上面所描述的方法可被记录、存储或固定在一个或多个计算机可读介质上，所述介质包括将被计算机执行的程序指令，计算机使得处理器运行或执行该程序指令。所述介质还可单独包括或与程序指令共同包括数据文件、数据结构等。计算机可读介质的示例包括：磁介质，诸如硬盘、软盘和磁带；光学介质，诸如CD ROM盘和DVD；磁光介质，诸如光盘；以及被特定配置为存储和执行程序指令的硬件装置，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪速存储器等。程序指令的示例包括诸如编译器产生的机器代码以及包含由计算机使用解译器执行的高级代码的文件。所述硬件装置可被配置为用作一个或多个软件模块以执行上述操作和方法，反之亦然。

上面已经描述了多个示例的实施例。但是，应该理解，可进行各种修改。例如，如果上述技术按照逆序被执行，和/或如果上述系统、架构、装置或电路中的组件按照不同的方式被组合和/或被其它组件或其等同物替换或补充，则可实现适当的结果。因此，其它实施方式落入权利要求的范围内。