一種高靈敏拾音及定向擴(kuò)音裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及音頻拾音、擴(kuò)音技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高靈敏拾音及定向擴(kuò)音裝置及 其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自二十世紀(jì)以來(lái)，音頻擴(kuò)音是社會(huì)活動(dòng)、日常生活工作不可缺少的工程技術(shù)手段， 如多媒體教學(xué)、會(huì)議、綜藝晚會(huì)、戶外集會(huì)等等，一般同時(shí)存在麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器的協(xié)同工作， 在這種場(chǎng)合中，都會(huì)因擴(kuò)聲器與麥克風(fēng)之間的電聲耦合而產(chǎn)生聲反饋。
[0003] 聲反饋的出現(xiàn)大大限制了系統(tǒng)擴(kuò)聲增益的提高，使之達(dá)不到理想的擴(kuò)音效果，同 時(shí)影響聲音的清晰度，導(dǎo)致聲音出現(xiàn)失真。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生嘯叫，容易使人耳損傷，也影 響講話、表演等活動(dòng)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重的嘯叫還可能會(huì)燒毀系統(tǒng)中放大器、擴(kuò)聲器的高音單 元。另外，在一些要求特別高的活動(dòng)場(chǎng)合，如重要會(huì)議、重大的演出活動(dòng)等，更不允許出現(xiàn)嘯 口H。因此，有效的聲反饋抑制，是擴(kuò)聲系統(tǒng)的一個(gè)重要問題。
[0004] 聲反饋現(xiàn)象的產(chǎn)生原理:音頻信號(hào)經(jīng)揚(yáng)聲器輸出后，又被麥克風(fēng)反復(fù)采集，
[0005] 形成揚(yáng)聲器、傳聲器之間的正反饋回路，使放大器的輸出信號(hào)幅度不斷被放大，從 而使某些頻率上的信號(hào)發(fā)生自激震蕩，產(chǎn)生嘯叫。
[0006] 聲反饋的產(chǎn)生要同時(shí)具備三個(gè)因素 ：
[0007] (1)揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)必須處于同一聲場(chǎng)所，即揚(yáng)聲器輸出的信號(hào)能夠被麥克風(fēng)再 度采集，形成正反饋。
[0008] (2)系統(tǒng)的傳聲增益大，麥克風(fēng)的拾音靈敏度高。
[0009 ] (3)聲場(chǎng)有缺陷共振。即系統(tǒng)的頻譜特性不平坦，在某些頻率上容易出現(xiàn)。
[0010] (傳聲增益：當(dāng)擴(kuò)聲系統(tǒng)工作時(shí)在聽眾點(diǎn)上的聲能密度和系統(tǒng)不工作時(shí)自然聲源 在傳聲器所在點(diǎn)聲能密度的比值，以分貝表示，稱為該擴(kuò)聲系統(tǒng)的傳聲增益。）
[0011] 抑制聲反饋目前有以下主要方法：
[0012] 1、降低系統(tǒng)增益，例如降低麥克風(fēng)靈敏度、降低揚(yáng)聲器功率，當(dāng)系統(tǒng)增益低于揚(yáng)聲 器與麥克風(fēng)之間的聲能衰減時(shí)，嘯叫就不會(huì)產(chǎn)生。
[0013] 2、調(diào)整距離，揚(yáng)聲器距離聽眾越近、距離麥克風(fēng)越遠(yuǎn)，麥克風(fēng)距離聲源越近、距離 揚(yáng)聲器越遠(yuǎn)，效果越好。指向性麥克風(fēng)指向聲源也有一定幫助。
[0014] 3、改善聲場(chǎng)，讓聲場(chǎng)的固有共振頻率遠(yuǎn)離工作頻段，墻壁鋪設(shè)吸音材料等。
[0015] 4、信號(hào)處理，如移頻、移相、動(dòng)態(tài)均衡、回聲消除等算法，詳細(xì)原理這里不展開描 述，這些算法對(duì)聲反饋抑制都有一定貢獻(xiàn)，但不能獨(dú)立存在，還需依賴于以上3種手段。
[0016] 基于以上方法，我們現(xiàn)有的擴(kuò)音系統(tǒng)通常具備以下特征：
[0017] 1、近講，即人嘴距離麥克風(fēng)很近
[0018]如果是固定式麥克風(fēng)，演講者不能離開麥克風(fēng)太遠(yuǎn)，限制了演講者的活動(dòng)空間，不 能做到在白板上邊寫邊說(shuō)；如果是無(wú)線佩戴式麥克風(fēng)，通常因?yàn)闊o(wú)線信道資源、成本等因 素，很難做到與會(huì)者人手一只，而且無(wú)線麥克風(fēng)使用維護(hù)成本偏高，現(xiàn)實(shí)中還存在資產(chǎn)不易 保管等問題。
[0019] 2、揚(yáng)聲器必須遠(yuǎn)離麥克風(fēng)
[0020] 如果使用手持式無(wú)線麥克風(fēng)來(lái)回傳遞，演講者不能解放雙手不說(shuō)，一不小心麥克 風(fēng)離揚(yáng)聲器太近會(huì)引起嘯叫。
[0021 ] 3、設(shè)備分體化，即麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、放大和信號(hào)處理設(shè)備分體布局，之間靠線纜連 接。
[0022] 這就造成了擴(kuò)音設(shè)備的制造成本、安裝成本、維護(hù)成本的增加，最重要的是不能便 攜移動(dòng)。
[0023] 4、免提式對(duì)講設(shè)備雖然通常集成了揚(yáng)聲器和拾音器，而且可以在一定距離外講 話，但由于其拾音和播放不在一個(gè)空間內(nèi)，同時(shí)由于通訊線路不可避免地具有一定時(shí)延，聲 反饋的表現(xiàn)形式不是引起嘯叫，而是帶來(lái)回音，如果不加入回聲抑制，通話質(zhì)量并不理想。
[0024] 如圖1所示，從聲頻定向揚(yáng)聲器的工作原理可以看出它具有以下系統(tǒng)特性：
[0025] 1、能發(fā)射高指向性聲頻波，這是傳統(tǒng)揚(yáng)聲器無(wú)法做到的；
[0026] 2、與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器通過(guò)機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)空氣直接發(fā)出可聽聲相比，它是先發(fā)出超聲 波，然后由超聲波在空氣中通過(guò)非線性作用自解調(diào)出可聽聲，即間接發(fā)出聲頻波；
[0027] 3、所發(fā)聲頻波能量集中，在傳播過(guò)程中大部分能量位于傳播軸附近，因此與非指 向性聲源向各個(gè)方面輻射能量相比，其衰減要慢得多，這使得它的聲頻聲傳播距離更遠(yuǎn)；
[0028] 4、傳統(tǒng)揚(yáng)聲器在揚(yáng)聲器附近聲音音量最大，而聲頻定向揚(yáng)聲器的聲音是沿傳播軸 逐漸解調(diào)并不斷疊加形成的，因此其能量在接近參量陣有效長(zhǎng)度時(shí)才達(dá)到最大值；
[0029] 5、換能器所發(fā)出的超聲波及由于非線性作用產(chǎn)生的超聲波會(huì)在空氣中快速衰減， 最后只留下聲頻波在空氣中高指向性傳播。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0030] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種體積小、拾音范圍廣、擴(kuò)音覆蓋空 間大、聲場(chǎng)均勻、安裝方便靈活、可以改善免提式通訊設(shè)備的通訊音質(zhì)的高靈敏拾音及定向 擴(kuò)音裝置及其方法。
[0031 ]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0032] -種高靈敏拾音及定向擴(kuò)音裝置，包括電源模塊、信號(hào)處理模塊、拾音器和超聲波 換能器模塊，所述拾音器安裝在與超聲波換能器模塊擴(kuò)音面的側(cè)面或者后面，所述信號(hào)處 理模塊用于將拾音器的微弱電信號(hào)放大、所述信號(hào)處理模塊與超聲波換能器模塊相連接， 所述超聲波換能器模塊用于接收處理后的電信號(hào)并進(jìn)行播放。
[0033] 進(jìn)一步的，所述拾音器為定向拾音器或全向拾音器，所述拾音器由麥克風(fēng)和外圍 聲學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述的定向超聲波換能器模塊用于將信號(hào)處理模塊送來(lái)的模擬音頻信號(hào)調(diào) 制到超聲波頻率、并經(jīng)由超聲波換能器模塊向聽眾區(qū)域定向發(fā)送。
[0034] -種高敏拾音及定向擴(kuò)音方法，步驟包括：
[0035] 1)拾音器送來(lái)的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬放大電路的預(yù)防大，送至A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；
[0036] 2)對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通處理，去除帶外頻率；
[0037] 3)采用數(shù)字信號(hào)處理算法消除聲反饋和進(jìn)行回聲抑制；
[0038] 4)對(duì)信號(hào)進(jìn)行AGC自動(dòng)增益控制；
[0039] 5)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用音頻信號(hào)作為基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以便經(jīng)由超聲波 換能器進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，本方法結(jié)束。
[0040] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0041] a)由于不再受限于麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器之間的距離，擴(kuò)音器可以做到一體化、小型化、 便攜化，體積小于〇. 03立方米。
[0042] b)由于聲反饋的大大降低，可以使用高靈敏度的麥克風(fēng)和高倍的信號(hào)放大而不用 擔(dān)心自激嘯叫，高靈敏拾音，使得演講者可以在距離設(shè)備5米半徑范圍內(nèi)自由走動(dòng)演講不用 手持或背負(fù)麥克風(fēng)設(shè)備。
[0043] c)聲場(chǎng)均勻，做到聲音在擴(kuò)音器近處不吵、遠(yuǎn)處不小。
[0044] d)安裝方便靈活，安裝可以是桌面擺放，也可以吊頂安裝，所需要的接線只是將插 頭插入電源。
[0045] e)降低免提式通訊設(shè)備的聲反饋，提高有效拾音距離，改善通訊音質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0046]圖1為聲頻定向揚(yáng)聲器工作原理示意圖。
[0047]圖2為聲頻定向揚(yáng)聲器的指向性圖。
[0048]圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049] 圖4為實(shí)測(cè)超聲波定向揚(yáng)聲器的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)。
[0050] 圖5為實(shí)測(cè)超聲波定向揚(yáng)聲器的聲場(chǎng)示意圖。
[00511圖6為本發(fā)明的流程圖。
[0052] 圖7為FIR帶通濾波器算法頻響曲線圖。
[0053] 圖8為PEM-AFR0W算法原理圖。
[0054] 圖9為SSB單邊帶調(diào)制方式相移法實(shí)現(xiàn)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合說(shuō)明書附圖和具