一種帶均衡的有源無指向性揚聲器系統的製作方法

2023-07-20 03:47:36 2

本實用新型涉及聲學測量用專用聲源領域，尤其涉及一種帶均衡的有源無指向性揚聲器系統。

背景技術：

在建築聲學和噪聲測試中，無指向性聲源揚聲器系統作為測試聲源，要求其向空間各個方向輻射聲音的能力一致(無指向性)，並且要在測試關注的頻率範圍內有相對平直的頻率響應。並且隨著低頻噪聲研究的深入，越來越多的實驗人員和研究者希望無指向性聲源揚聲器系統有更好的低頻重放能力(低至44.5Hz)，以滿足低頻信噪比的要求。

在使用無指向聲源揚聲器系統的過程中，發現現有無指向性聲源揚聲器系統不容易滿足ISO 10140系列標準、ISO 3382系列標準和國家標準GB/T 19889系列標準對無指向聲源揚聲器系統的產生的聲場頻率響應要求：同一個倍頻程中的各個1/3倍頻程聲功率級差在125Hz倍頻程中不得大於6dB,在250Hz倍頻程中不得大於5dB,在其它中心頻率更高的倍頻程中不得大於4dB。

目前常用無指向性聲源包括12面體聲源和逆號角形音箱，對於12面體聲源來說存在兩個問題：

因為12面體聲源其特殊的正12面體形狀，若要通過改善箱體結構和更換更高品質的揚聲器單元，以平滑12面體聲源在其有效頻率範圍內頻率響應曲線的峰谷幅度，難度較大實現且性價比低；

由於12面體揚聲器系統是由12個相同的揚聲器系統組成，由於揚聲器單元的尺寸較小和12面箱體的有效容積較小，在一般在低頻範圍會有較大的衰減，而導致無法滿足低頻信噪比的測量要求。

針對上述問題，檢索到國內相關專利，但沒有一份專利能夠完全解決這個問題，相關專利具體如下：

1、專利申請號200910095351.4的無指向性揚聲器低頻T鐵中心倒相音箱，該專利只採用一隻揚聲器單元，且其聲音未經過逆號角形(inverse horn)處理，必然無法實現三維空間的無指向性；

2、專利申請號201010224857.3的用於近場HRTF測量的球形正十二面體聲源及設計方法，但該專利只是採用十二隻相同尺寸的揚聲器單元，必然會在其諧振頻率有較大的峰值，且未採用均衡處理方法，因此不能滿足ISO 10140系列標準、ISO 3382系列標準和國家標準GB/T 19889系列對平直頻率響應的要求；亦沒有採用低頻重放能力較強的大尺寸揚聲器單元，因此低頻重放仍然存在問題。

3、專利申請號201520352719.1的正十二面體全指向揚聲器箱，該系統只針對100～8000Hz的頻率範圍，同樣未能解決低頻不足的問題。

4、專利申請號200310120729.4的在三維空間的全指向性揚聲器系統的實用新型專利中，該專利是提出一個系統，並未提出均衡處理方法。

技術實現要素：

本實用新型的目的是設計一個揚聲器系統，以解決上述技術存在的頻率響應不平直和低頻範圍衰減嚴重等問題。

為實現上述實用新型目的，本實用新型的技術方案是：一種帶均衡的有源無指向性揚聲器系統，包括音頻信號接口，音頻信號接口連接有數字 濾波器，所述數字濾波器包括採用空間多點傳輸函數進行幾何平均的逆傳輸函數設置的逆均衡器和上、下頻率分別為8879.7Hz和44.5Hz的帶通濾波器，數字濾波器連接有功率放大器，功率放大器連接至揚聲器，所述揚聲器包括逆號角形音箱和低頻音箱。

本實用新型的有益效果是：

(1)本實用新型無指向性揚聲器系統僅工作在相關標準要求的測試頻率範圍內；

(2)本實用新型通過對無指向性揚聲器系統的空間多點傳輸函數進行測試，設計一個數位訊號濾波系統，該數位訊號濾波系統的幅度頻率響應在峰谷上與無指向性揚聲器系統的空間多點平均的幅度頻率響應互逆，達到揚聲器系統的幅度頻率響應較為平直，相鄰頻段幅度變化較小的目的；可用於建築聲學和電聲測試。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。

如圖1所示，一種帶均衡的有源無指向性揚聲器系統，包括音頻信號接口1，音頻信號接口1連接有數字濾波器2，所述數字濾波器2包括採用空間多點傳輸函數進行幾何平均的逆傳輸函數設置的逆均衡器201和上、下頻率分別為8879.7Hz和44.5Hz的帶通濾波器202，數字濾波器2連接 有功率放大器3，功率放大器3連接至揚聲器4，所述揚聲器4包括逆號角形音箱401和低頻音箱402。

相對於12面體揚聲器系統的無指向性聲源，採用逆號角形音箱可以儘量減小揚聲器系統的體積，有助於本實用新型方案實現空間各方位均勻重放的無指向性。

本系統對逆號角形音箱增加了低頻音箱，有助於提升低頻範圍的能量強度。

為使本實用新型的揚聲器系統頻率響應較為平滑，相鄰頻段的幅度變化較為平緩均衡，且有較強的低頻重放能力，以滿足相關測試標準的要求。需要先確定揚聲器系統的逆均衡傳輸函數，通過得到逆均衡傳輸函數設置數字濾波器，具體步驟如下：

(1)由一個逆號角形音箱、一個低頻音箱以及對應功率放大器組成可重放較寬頻率的有源揚聲器系統；

(2)採用最大長度序列法(MLS)或者正弦掃頻法(SS)在空間多點測量由(1)組成的揚聲器系統的傳輸函數，該傳輸函數可用H1(z)、H2(z)……Hn(z)表示，其中n為在空間360度範圍均勻取的點數，空間多點測量是為了對揚聲器系統傳輸函數在空間不同方向進行採樣，保證均衡的對象是揚聲器系統在整個空間而非只是某個方向的聲學響應；

(3)採用最小二乘擬合法或高斯權函數等平滑方法對H1(z)、H2(z)……Hn(z)在(44.5Hz～8979.7Hz)進行1/m Oct平滑(m一般3、6、12或48)，平滑後得到一組空間多點的平滑傳輸函數為G1(z1，z2……zm)、G2(z1，z2……zm)……Gn(z1，z2……zm)；

(4)在該組平滑傳輸函數中設一相對電平為0dB，該相對電平一般低於G1(z1，z2……zm)、G2(z1，z2……zm)、……Gn(z1，z2……zm)在 44.5Hz～8979.7Hz頻率範圍內的最小值，以確保G1(z1，z2……zm)、G2(z1，z2……zm)、……Gn(z1，z2……zm)在44.5Hz～8979.7Hz頻率範圍內的幅值在對數尺寸皆為正數，即其dB值皆為正值；

(5)對平滑傳輸函數G1(z1，z2……zm)、G2(z1，z2……zm)……Gn(z1，z2……zm)進行幾何平均得到均衡算法的目標傳輸函數G(z)＝G(z1，z2……zm)，即由G1(z1，z2……zm)、G2(z1，z2……zm)……Gn(z1，z2……zm)分別在不同系統頻率z1，z2……zm上相乘的結果開n次方根；

(6)對幾何平均後的目標傳輸函數G(z1，z2……zm)進行線性預測編碼(LPC)計算得到其逆均衡傳輸函數Inv_G(z)，並由Inv_G(z)設置逆均衡器，該傳輸函數與1/G(z)的幅度頻率響應基本相同；採用線性預測編碼(LPC)進行逆均衡傳輸函數有助於保證整個系統的穩定性；該逆均衡濾波器可使得無指向性聲源揚聲器系統在重放聲音的頻率範圍較為平直，可在不損壞揚聲器單元和功率放大器的前提下提升聲音重放功率。

(7)設置帶通濾波器的上、下截止頻率為無指向性聲源揚聲器系統的工作頻率範圍上下限(44.5～8979.7Hz)，該帶通濾波器有助於無指向性聲源揚聲器系統只重放工作頻率範圍的聲音信號，可在一定程度上提高無指向性聲源揚聲器系統的重放功率；

(8)將逆均衡器Inv_G(z)和帶通濾波器組成一數字濾波器，該數字濾波器可採用有限長單位衝激響應濾波器(FIR濾波器)亦可採用遞歸濾波器(IIR濾波器)的技術實現；

(9)數字濾波器連接在音頻信號接口與功率放大器之間，從而達到揚聲器系統的發出的聲信號的幅度頻率響應較為平直，相鄰頻段幅度變化較小且能重放較強的低頻範圍信號的均衡目的。

所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。