【基本概念】1 多通道DSP控制陣列高度的技術（Multichannel DSP Control of Array Height）
它是一種在垂直揚聲器陣列中使用多個數字信號處理器（DSP）通道來控制聲音波束的方向性和高度的方法。這里的陣列高度是指聲學波束的高度，而不是實際揚聲器驅動單元的物理高度。通過使用多通道DSP技術，可以對聲音波束的方向性和高度進行精確的控制。這是通過調整每個驅動單元的驅動電平、應用濾波器和延遲等信號處理方法來實現的。通過這些調整，可以改變聲音波束的特性，使其在垂直方向上呈現出不同的高度。2 波束形成算法（Beamforming algorithms）
它是一種通過合理加權和處理陣列中的多個傳感器信號來實現指向性或定向性聲音增強的技術。它利用揚聲器陣列的干涉原理，調整每個驅動單元的信號相位和振幅，以達到所需的聲音投射效果。它可以分為以下幾類：
（1）波束型權重算法（Beamforming Weight Algorithms）：這類算法通過對陣列中每個傳感器的信號應用特定的權重，使得合成的波束在特定方向上增強聲音，抑制其他方向的干擾。常見的波束型權重算法包括線性干涉陣列（Linear Array Interference）算法和循環共形陣列（Circular Conformal Array）算法等。
（2）自適應波束形成算法（Adaptive Beamforming Algorithms）：這類算法通過根據反饋信息動態調整權重系數，實現對目標聲源的自適應增強和雜音的抑制。最小均方誤差（Minimum Mean Square Error）算法是一種常見的自適應波束形成算法，它利用誤差信號來優化權重系數的調整，以最小化目標信號和干擾信號之間的差別。
（3）波束形成與空間濾波算法（Beamforming and Spatial Filtering Algorithms）：這類算法結合了波束形成和空間濾波的思想，在處理多源信號時能夠提供更好的性能。其中一種常見的算法是波達（Wavefront）算法，它通過估計到達陣列的波前，實現對多個波源的分離和增強。
（4）基于壓縮感知的波束形成算法（Compressed Sensing-based Beamforming Algorithms）：這類算法利用壓縮感知理論，通過降低采樣率和復雜度來實現波束形成。它能夠有效地利用陣列中的稀疏性，并在保持較低計算開銷的同時提供良好的波束形成性能。
【正文】3.7.6 Multichannel DSP Can Control Array Height
當聲波的波長與揚聲器陣列中的驅動單元間距相接近或小于驅動單元間距時，聲波將會產生衍射現象，從而使得聲波在水平方向上的傳播范圍擴散開來。這種情況下，陣列的方向性相對較弱，聲波在水平方向上的能量分布相對均勻。然而，當聲波的頻率增加，波長變短，與揚聲器陣列中的驅動單元間距相比變得更小。在這種情況下，聲波的傳播不再發生明顯的衍射，而是更傾向于直線傳播。這導致了聲波在垂直方向上的集中束縛，形成了更強的方向性。
The upper limit of a vertical array’s pattern control is always set by the inter?driver spacing. The design challenge is to minimize this dimension while optimizing frequency response and maximum output and do it without imposing excessive cost. Line arrays become increasingly directional as frequency increases, in fact, at high frequencies they are too directional to be acoustically useful. However, if we have individual DSP available for each driver, we can use it to make the array acoustically shorter as frequency increases—this will keep the vertical directivity more consistent. The technique is conceptually simple—use low-pass filters to attenuate drive level to the transducers at the top and bottom of the array, with steeper filter slopes on the extreme ends and more gradual slopes as we progress to the center. As basic as this technique is, it is practically impossible without devoting one amplifier channel and one DSP channel to each driver in the array.
多通道DSP控制揚聲器陣列高度的技術的具體實現包括以下關鍵步驟： （1）驅動單元布置和間距選擇：它決定了陣列的實際物理高度和方向性特性。合理的驅動單元布置和間距選擇對于實現有效的高度控制至關重要。以下是實現驅動單元布置和間距選擇的一般步驟：
（1.1）理解應用需求：需要明確所需的聲音投射效果和陣列高度特性。考慮到房間大小、聽眾位置以及應用場景的要求，確定所需的陣列高度范圍和方向性特性。
（1.2）驅動單元布置模式：根據所需的陣列高度和方向性特性，選擇適當的驅動單元布置模式。常見的布置模式包括線性陣列、曲面陣列、密集陣列等。每種布置模式都會對聲音的水平和垂直分布產生不同的影響。
（1.3）驅動單元間距選擇：確定驅動單元之間的間距非常重要，這會影響到陣列的方向性和頻率響應。通常情況下，間距的選擇需要考慮到驅動單元尺寸、波長和所期望的陣列高度。
（1.4）數字模擬排列：確定驅動單元的具體位置和排列順序，以便進行數字模擬排列。這涉及到將揚聲器驅動單元與相應的放大器通道和DSP通道配對，并確保它們在實際布置中的一致性和協調性。 （1.5）仿真和調整：使用聲學仿真軟件或實際測量方法，對驅動單元布置和間距進行仿真和調整。這可以幫助評估陣列的預期效果并進行必要的優化。
（2）多通道放大器和DSP配置：每個驅動單元都需要一個獨立的放大器通道和一個DSP通道進行驅動控制。這些通道可以通過數字信號處理器（DSP）來控制驅動單元的電平、濾波、延遲等參數。以下是一般的配置步驟： （2.1）確定系統需求：它包括所需的驅動單元數量、陣列高度范圍和方向性要求等。這有助于確定所需的多通道放大器和DSP的配置。 （2.2）多通道放大器選擇：根據系統需求，選擇具備足夠通道數目的多通道放大器。每個驅動單元都需要一個獨立的放大器通道來進行驅動。確保所選的放大器具備足夠的功率輸出和適當的聲音質量。
（2.3）DSP選擇與配置：選擇符合系統需求的DSP設備，能夠提供多通道的處理功能。這些DSP通道應與相應的驅動單元和放大器通道對應。配置DSP以實現所需的聲音投射效果。這可能涉及到設置延遲、均衡、濾波器、相位控制等參數，以調整每個驅動單元的聲音屬性和陣列高度。
（2.4）數字模擬連接：將多通道放大器和DSP通過數字或模擬連接進行互聯，以確保每個驅動單元與相應的放大器通道和DSP通道對應。這可以通過數字音頻接口（如AES/EBU、Dante等）或模擬音頻連接來實現。 （2.5）調試和優化：完成配置后，進行系統調試和優化。通過測試和聽覺評估，調整驅動單元的聲音屬性和陣列高度，以獲得最佳的聲音投射效果。這可能需要根據實際情況微調DSP參數，如延遲、均衡、濾波器設置等。 （3）頻率響應優化：根據預期的陣列高度效果，在DSP通道中應用合適的濾波算法以優化頻率響應。這可能包括對不同頻段的信號進行增益調整、濾波器設計和斜率設置等。通過調整各個頻段的驅動單元響應，以獲得所需的陣列高度特性。它通常涉及以下步驟：
（3.1）頻率響應測量和分析：它可以通過使用測試設備（如SPL測量儀器、頻譜分析儀等）在預定位置上測量各個驅動單元的響應頻率。根據頻率響應測量數據，利用專業的聲學分析軟件或DSP工具，對頻率響應進行分析和可視化。通過觀察每個驅動單元的響應特性，確定是否存在頻率上的不均衡或問題。 （3.2）均衡處理：利用DSP設備中的均衡器功能，對驅動單元的頻率響應進行調整和均衡處理。通過增加或減少特定頻率范圍內的增益，來糾正頻率響應中的不均衡問題。根據測量數據和目標響應曲線，調整均衡器參數，使得每個驅動單元的頻率響應更平衡和一致。 （3.3）相位校正：除了均衡處理，相位校正也是頻率響應優化的關鍵一環。通過調整每個驅動單元的相位，以最小化不同驅動單元之間的相位差異，從而實現更平滑的頻率響應。DSP設備通常提供相位延遲功能，可以根據需要調整每個驅動單元的相位延遲值。 （3.4）優化和驗證：完成均衡和相位校正后，重新進行頻率響應測量，驗證所做的調整是否達到了預期的結果。如果仍然存在頻率響應不均衡或其他問題，可以進行進一步的優化和微調，直至獲得滿意的結果。
（4）波束形成和控制：使用DSP通道的延遲功能，對不同驅動單元的信號進行適當的延遲處理，以形成所需的聲音波束。通過調整每個驅動單元的延遲時間，可以控制聲音在垂直方向上的定位和集中。它涉及以下步驟：
（4.1）陣列幾何設計：根據系統需求和場地條件，設計合適的揚聲器陣列幾何結構。這包括確定驅動單元的數量、間距和布置方式。通過合理的陣列幾何設計可以實現所需的波束形成效果。
（4.2）波束形成算法選擇：根據系統需求和目標，選擇適當的波束形成算法。常見的波束形成算法包括波束型權重（Beamforming weights）算法和最小均方誤差（Minimum Mean Square Error）算法等。 （4.3）驅動單元信號處理：將來自每個驅動單元的音頻信號輸入到多通道DSP中進行信號處理。針對波束形成，需要對每個驅動單元的音頻信號應用適當的波束形成算法和參數設置。 （4.4）波束形成參數配置：通過DSP設備的用戶界面或軟件工具，配置每個驅動單元的波束形成參數。這包括波束型權重的設置、延遲值的調整以及相位校正等。這些參數的設置可根據系統需求、陣列幾何和目標場景等因素進行優化。 （4.5）調試和優化：完成配置后，進行系統調試和優化。通過實時監測音頻輸出和波束形成效果，評估是否達到了預期的聲音投射效果。如果需要調整，可以根據實際情況微調DSP參數，如波束型權重、延遲和相位設置等。對于復雜的場景或要求更高的應用，可能需要進行進一步的驗證和調整。這會涉及實際測試、聽覺評估和實地優化等。通過不斷的驗證和調整，確保波束形成在實際使用中能夠達到最佳性能。
（5）驅動電平調整：根據頻率響應和陣列高度目標，對每個驅動單元的放大器通道進行驅動電平的調整。這使得在不同頻段下，驅動單元的輸出能夠匹配所需的陣列高度特性，實現更一致的方向性控制效果。它通常涉及以下步驟：
（5.1）確定系統需求：我們需要確定每個驅動單元的所需驅動電平。這可能基于系統布置、場地特性、目標音量和覆蓋范圍等因素。
（5.2）多通道放大器選擇：選擇具備多通道輸出的合適放大器設備。確保所選設備的每個通道能夠提供所需的功率輸出，并且具備電平調節的功能。
（5.3）數字信號處理（DSP）配置：利用DSP設備或軟件工具，對每個驅動單元的通道進行配置。這通常涉及設置每個通道的增益或衰減值，以實現所需的驅動電平調整。 （5.4）驅動電平校準：通過使用測試設備（如SPL測量儀器）在預定位置上測量驅動單元的音量水平，校準各個通道的驅動電平。根據測量結果和目標音量要求，對每個通道的增益或衰減值進行微調，使得每個驅動單元的音量水平達到預期的水平。 （5.5）聆聽評估和優化：完成驅動電平調整后，進行聆聽評估，驗證每個驅動單元的音量水平是否符合預期。根據實際情況進行微調和優化，確保整個揚聲器陣列的音量均衡和一致性。
通過以上步驟，多通道DSP控制揚聲器陣列高度的技術可以實現對陣列聲場分布的精確控制。這包括在不同頻率下實現一致的陣列高度、聲音投射角度和指向性，提供更準確和一致的聽覺體驗。 A simplified schematic shows how multichannel DSP can shorten the array as frequency increases. For clarity, only half the processing channels are shown and delays are not diagrammed, Fig. 3.30.
【Reference】《Electroacoustic Devices: Microphones and Loudspeakers》Edited by Glen Ballou【免責聲明】
推文引用的資料大部分來源于網絡和書籍，推文的目的僅僅在于交流學習分享知識，并不意味著贊成和反對，且不為其版權負責。如涉及侵權，請及時聯系我刪除。
