專利名稱：教室補聲設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲音處理放大領(lǐng)域，尤其是涉及一種應用于教室、會場等室內(nèi)環(huán)境的教室補聲設(shè)備與方法。
背景技術(shù)：
教師在沒有現(xiàn)場擴聲系統(tǒng)的場地授課全靠自己的嗓音，為了讓全教室都能聽清楚授課內(nèi)容必須盡量提高音量，使嗓子超負荷運行，長期以往會產(chǎn)生許多職業(yè)病。
以往傳統(tǒng)的本地采集本地擴聲系統(tǒng)為了避免由于循環(huán)采集喇叭里放出的聲音而引起的囂叫，拾音器多采用低靈敏度的近講傳聲器。由于近講傳聲器靈敏度低，老師上課的時候必須近身攜帶非常不方便。
傳統(tǒng)的教室擴聲系統(tǒng)多采用數(shù)量較少且功率較大的喇叭，這會導致教室內(nèi)聲場不均勻，離喇叭近的學生由于聲音太響而感覺不適，距離喇叭遠的學生又會覺得聽不清楚，而且如果喇叭聲音過響會影響隔壁班級的正常上課。
中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局于2011年06月01日公開了公布號為 CN102082989A的專利文獻，名稱是一種基于ZigBee協(xié)議的教學用全數(shù)字無線擴聲裝置。此裝置包括發(fā)送端和接收端；所述發(fā)送端包括麥克風以及與麥克風連接的ZigBee發(fā)送模塊， 所述接收端包括ZigBee接收模塊、音頻解碼電路、音頻放大電路和喇叭，ZigBee接收模塊依次經(jīng)音頻解碼電路、音頻放大電路后與喇叭連接；所述ZigBee發(fā)送模塊與ZigBee接收模塊無線連接。此方案仍然需要教師隨身攜帶麥克風，并且難以產(chǎn)生合適的聲場。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的教師需要近身攜帶傳聲器、揚聲器聲場不均勻的技術(shù)問題，提供一種無需教師近身攜帶傳聲器、具有良好聲場的教室補聲設(shè)備。
本發(fā)明針對上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的一種教室補聲設(shè)備，包括拾音裝置、音頻處理主機和揚聲器陣列，所述拾音裝置與所述音頻處理主機連接， 所述音頻處理主機與所述揚聲器陣列連接，所述拾音裝置安裝在教師主要授課區(qū)域上方的教室頂部，所述揚聲器陣列的覆蓋范圍與拾音裝置的拾音范圍互補。
作為優(yōu)選，所述拾音裝置包括駐極體電容式拾音頭、拾音放大模塊和自動增益控制模塊，所述駐極體電容式拾音頭與所述拾音放大模塊連接，所述拾音放大模塊通過所述自動增益控制模塊與音頻處理主機連接。
拾音裝置采用UniGuard射頻干擾(RFI)屏敝技術(shù)，防止射頻干擾，抑制環(huán)境周邊的雜音。其采用高級阻燃樹脂ABS設(shè)計，內(nèi)部共振聲腔經(jīng)過精確計算，收音更清晰。
拾音裝置采用回聲消除凹腔有效減少空曠房間的嚴重回音，提供清晰及高質(zhì)量音頻信號輸出。
拾音裝置采用杜比定向邏輯環(huán)繞聲系統(tǒng)，內(nèi)置高速語音處理單元，兩級動態(tài)降噪處理。拾音裝置還內(nèi)置自動調(diào)節(jié)高強度聲音和瞬間沖擊音的AGC及DTS降噪信號微處理電路和能夠徹底消除“嘶嘶”電子噪音的電子噪聲動態(tài)閉環(huán)抑制電路。
作為優(yōu)選，所述音頻處理主機包括依次連接的反饋抑制模塊、噪音抑制模塊、回聲消除模塊、自動音量調(diào)節(jié)模塊和頻譜均衡控制模塊，所述反饋抑制模塊與拾音裝置連接，所述頻譜均衡控制模塊與揚聲器陣列連接。
自適應全頻帶回聲消除，可在完全消除回音的同時而不影響本地的發(fā)言，做到真正任何時刻的全雙工效果。自動音量調(diào)節(jié)和頻譜均衡控制，能夠自動識別出語音信號并根據(jù)發(fā)言人的音量大小自動調(diào)整輸出電平和頻譜，使得發(fā)言人無論距離話筒遠近，遠方與會人員都可以輕松聽清楚其每一句話。
作為優(yōu)選，所述揚聲器陣列包括若干個功率小于10瓦的揚聲器。
一種教室補聲方法，包括以下步驟 步驟一通過拾音裝置采集聲音信號；步驟二 檢測聲音信號的響度，如果聲響小于K1，則將輸入信號衰減60db以后輸出，補聲過程結(jié)束；如果聲響大于K1，跳轉(zhuǎn)步驟三；步驟三判斷聲音信號的響度是否大于K2，如果大于，則輸出信號根據(jù)以下公式確定輸出信號=K2+ (輸入信號-Κ2) ，補聲過程結(jié)束；如果聲音信號的響度不大于Κ2，則輸出信號與輸入信號相等，補聲過程結(jié)束；Kl為補聲下限值，Κ2為補聲上限值，β為衰減系數(shù)。
作為優(yōu)選，檢測聲音響度之前，先進行系統(tǒng)模式判定，如果當前模式為普通模式， 則進入步驟二；如果當前模式為環(huán)境自適應模式，則判斷采集聲音信號的周期是否完成，如果已經(jīng)完成則計算常態(tài)環(huán)境底噪，并通過常態(tài)環(huán)境底噪修正Kl和Κ2，如果采集聲音信號的周期未完成則跳轉(zhuǎn)回步驟一。
本發(fā)明的補聲方法通過現(xiàn)場自適應的方式過濾教室內(nèi)輕微的聲音(如翻書聲，小聲討論聲等)，又削弱教室內(nèi)過響的聲音(如齊聲朗讀)，使他們不會被現(xiàn)場擴聲系統(tǒng)再次放大。
作為優(yōu)選，Kl為3db，K2為60db，β為0. 1。一般人的聽闕(聽闕指人或其它動物的耳朵在特定環(huán)境中，能感覺到的聲音的最小強度)則在1至3 db之間，在考慮到聲音源到傳音器間聲音傳遞過程中的衰減，所以把不放大聽闕以下的聲音作為確定Kl的重要標準， 即不把原來教師在講臺上聽不清楚的細小聲音通過我們的系統(tǒng)放大輸出；聲響高于80db 會導致中耳的肌肉會緊張，長期處于80db會導致人體不適應。而60db是人體對聲音感覺舒適的上限，超過60db人體就會感覺聲音過響所以將60db作為K2的默認值。聽覺面積的上限為痛閥，其值約為137. 5dB，由(137.5-60)* β+60<70得出β <1/8，所以取1/10。
本發(fā)明帶來的實質(zhì)性效果是，通過數(shù)量多且功率小的揚聲器陣列替代傳統(tǒng)擴聲喇叭，使教室內(nèi)的聲場均勻，不會有地方響有地方輕，也不會影響隔壁班級；通過對不同響度的聲音進行不同處理，使得揚聲器輸出的聲音在合適的范圍內(nèi)。


圖1是本發(fā)明的教室補聲設(shè)備的一種結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的拾音裝置的一種結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明的音頻處理主機的一種結(jié)構(gòu)框圖； 圖4是本發(fā)明的教室補聲方法的一種流程圖；圖中1、拾音裝置，2、音頻處理主機，3、揚聲器陣列，11、駐極體電容式拾音頭，12、拾音放大模塊。13、自動增益控制模塊，21、反饋抑制模塊，22、噪音抑制模塊，23、回聲消除模塊， 24、自動音量調(diào)節(jié)模塊，25、頻譜均衡控制模塊。
具體實施方式
下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。
實施例本實施例的一種教室補聲設(shè)備，如圖1所示，包括拾音裝置1、音頻處理主機2、揚聲器陣列3，拾音裝置與音頻處理主機連接，音頻處理主機與揚聲器陣列連接。如圖 2所示，拾音裝置包括依次連接的駐極體電容式拾音頭11、拾音放大模塊12和自動增益控制模塊13，自動增益控制模塊與音頻處理主機連接。如圖3所示，音頻處理主機包括依次連接的反饋抑制模塊21、噪音抑制模塊22、回聲消除模塊23、自動音量調(diào)節(jié)模塊M和頻譜均衡控制模塊25，反饋抑制模塊與拾音裝置連接，頻譜均衡控制模塊與揚聲器陣列連接。
標準教室(教室的長/寬/高分別為8. 9/7. 9/3. 3M)進行測試，測試聲音頻頻率分別為250、500、1000Hz，在教室講臺正前方廣8米和斜前方廣8米傳播的衰減量大約為前 3米5db/m，大于3米則為2db/m。普通人說話響度在45dlT60db，正常人能舒服的傾聽的響度下限在2(T30db，則教室內(nèi)老師直達聲可以清晰傳遞的范圍是以講臺為圓心半徑3飛米的圓型面積，我們大這個范圍定義為“直達聲授課區(qū)域”。在這個范圍以外的區(qū)域定義為“補聲授課區(qū)域”。在補聲授課區(qū)域內(nèi)設(shè)置由多個傳聲器組成揚聲器陣列，為了不使局部聲強過大，每個揚聲器功率都控制在3 8W之間，保證每揚聲器輸出的響度在45dlT50db，這樣每個揚聲器的有效覆蓋范圍都是個半徑3米的圓型面積，可以根據(jù)教室的實際大小和外部環(huán)境按照上述原則配置揚聲器。由于到任意最近的揚聲器之間的距離小于3米所以即使同時被 2個揚聲器有效覆蓋范圍覆蓋也不會覺得有回聲的效果，聲場保持均勻。同時拾音裝置在出廠的時候?qū)τ谟行耙舴秶呀?jīng)做出固化，大約是半徑5米的圓型面積，正好可以覆蓋直達聲授課區(qū)域，配置揚聲器的時候使聲場不覆蓋直達聲授課區(qū)域，這樣可以使直達聲場和補聲聲場不重疊，提高整體聲場環(huán)境。
在教師的主要授課區(qū)域上方的教室頂部安裝高靈敏傳聲器拾音范圍覆蓋直達聲授課區(qū)域，在補聲授課區(qū)域均勻的使用揚聲器陣列，聲場覆蓋補聲授課區(qū)域。即揚聲器陣列的聲場不覆蓋傳聲器拾音范圍保證揚聲器發(fā)出的聲音不會被2次采集并放大產(chǎn)生囂叫，揚聲器陣列的聲場不覆蓋教師直達聲有效覆蓋范圍，避免聲場重疊產(chǎn)生回聲效果，揚聲器陣列的聲場均勻覆蓋教師直達聲有效覆蓋范圍以外的范圍保證教室里所有的學生都可以清晰的聽到老師的講課內(nèi)容。
補聲過程包括以下步驟 步驟一通過拾音裝置采集聲音信號；步驟二 檢測聲音信號的響度，如果聲響小于K1，則將輸入信號衰減60db以后輸出，補聲過程結(jié)束；如果聲響大于K1，跳轉(zhuǎn)步驟三；步驟三判斷聲音信號的響度是否大于K2，如果大于，則輸出信號根據(jù)以下公式確定輸出信號=K2+ (輸入信號-Κ2) ， 補聲過程結(jié)束；如果聲音信號的響度不大于Κ2，則輸出信號與輸入信號相等，補聲過程結(jié)束； Kl為補聲下限值，Κ2為補聲上限值，β為衰減系數(shù)。本實施例中，Kl為3db，K2為 60db, β 為 0. 1。
檢測聲音響度之前，先進行系統(tǒng)模式判定，如果當前模式為普通模式，則進入步驟二 ；如果當前模式為環(huán)境自適應模式，則判斷采集聲音信號的周期是否完成，如果已經(jīng)完成則計算常態(tài)環(huán)境底噪，并通過常態(tài)環(huán)境底噪修正Kl和Κ2，如果采集聲音信號的周期未完成則跳轉(zhuǎn)回步驟一。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
盡管本文較多地使用了拾音裝置、音頻處理主機等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
權(quán)利要求
1.一種教室補聲設(shè)備，其特征在于，包括拾音裝置、音頻處理主機和揚聲器陣列，所述拾音裝置與所述音頻處理主機連接，所述音頻處理主機與所述揚聲器陣列連接，所述拾音裝置安裝在教師主要授課區(qū)域上方的教室頂部，所述揚聲器陣列的覆蓋范圍與拾音裝置的拾音范圍互補。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教室補聲設(shè)備，其特征在于，所述拾音裝置包括駐極體電容式拾音頭、拾音放大模塊和自動增益控制模塊，所述駐極體電容式拾音頭與所述拾音放大模塊連接，所述拾音放大模塊通過所述自動增益控制模塊與音頻處理主機連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的教室補聲設(shè)備，其特征在于，所述音頻處理主機包括依次連接的反饋抑制模塊、噪音抑制模塊、回聲消除模塊、自動音量調(diào)節(jié)模塊和頻譜均衡控制模塊，所述反饋抑制模塊與拾音裝置連接，所述頻譜均衡控制模塊與揚聲器陣列連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的教室補聲設(shè)備，其特征在于，所述揚聲器陣列包括若干個功率小于10瓦的揚聲器。
5.一種教室補聲方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一通過拾音裝置采集聲音信號；步驟二 檢測聲音信號的響度，如果聲響小于K1，則將輸入信號衰減60db以后輸出，補聲過程結(jié)束；如果聲響大于K1，跳轉(zhuǎn)步驟三；步驟三判斷聲音信號的響度是否大于K2，如果大于，則輸出信號根據(jù)以下公式確定輸出信號=K2+ (輸入信號-Κ2) ，補聲過程結(jié)束；如果聲音信號的響度不大于Κ2，則輸出信號與輸入信號相等，補聲過程結(jié)束；Kl為補聲下限值，Κ2為補聲上限值，β為衰減系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的教室補聲方法，其特征在于，檢測聲音響度之前，先進行系統(tǒng)模式判定，如果當前模式為普通模式，則進入步驟二 ；如果當前模式為環(huán)境自適應模式，則判斷采集聲音信號的周期是否完成，如果已經(jīng)完成則計算常態(tài)環(huán)境底噪，并通過常態(tài)環(huán)境底噪修正Kl和Κ2，如果采集聲音信號的周期未完成則跳轉(zhuǎn)回步驟一。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的教室補聲方法，其特征在于，Kl為3db，K2為60db，β為0.1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種教室補聲設(shè)備與方法，旨在提供一種無需教師近身攜帶傳聲器、具有良好聲場的教室補聲設(shè)備和方法。它包括拾音裝置、音頻處理主機和揚聲器陣列，所述拾音裝置與所述音頻處理主機連接，所述音頻處理主機與所述揚聲器陣列連接，所述拾音裝置安裝在教師主要授課區(qū)域上方的教室頂部，所述揚聲器陣列的覆蓋范圍與拾音裝置的拾音范圍互補。通過數(shù)量多且功率小的揚聲器陣列替代傳統(tǒng)擴聲喇叭，使教室內(nèi)的聲場均勻，通過對不同響度的聲音進行不同處理，使得揚聲器輸出的聲音在合適的范圍內(nèi)。本發(fā)明適用于教室、會場等場所。
文檔編號H04R27/00GK102547545SQ20121002461
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月6日
發(fā)明者王慶, 祁才君, 趙凡 申請人:杭州聯(lián)匯數(shù)字科技有限公司