【基本概念】1 多通道DSP控制阵列高度的技术（Multichannel DSP Control of Array Height）
它是一种在垂直扬声器阵列中使用多个数字信号处理器（DSP）通道来控制声音波束的方向性和高度的方法。这里的阵列高度是指声学波束的高度，而不是实际扬声器驱动单元的物理高度。通过使用多通道DSP技术，可以对声音波束的方向性和高度进行精确的控制。这是通过调整每个驱动单元的驱动电平、应用滤波器和延迟等信号处理方法来实现的。通过这些调整，可以改变声音波束的特性，使其在垂直方向上呈现出不同的高度。2 波束形成算法（Beamforming algorithms）
它是一种通过合理加权和处理阵列中的多个传感器信号来实现指向性或定向性声音增强的技术。它利用扬声器阵列的干涉原理，调整每个驱动单元的信号相位和振幅，以达到所需的声音投射效果。它可以分为以下几类：
（1）波束型权重算法（Beamforming Weight Algorithms）：这类算法通过对阵列中每个传感器的信号应用特定的权重，使得合成的波束在特定方向上增强声音，抑制其他方向的干扰。常见的波束型权重算法包括线性干涉阵列（Linear Array Interference）算法和循环共形阵列（Circular Conformal Array）算法等。
（2）自适应波束形成算法（Adaptive Beamforming Algorithms）：这类算法通过根据反馈信息动态调整权重系数，实现对目标声源的自适应增强和杂音的抑制。最小均方误差（Minimum Mean Square Error）算法是一种常见的自适应波束形成算法，它利用误差信号来优化权重系数的调整，以最小化目标信号和干扰信号之间的差别。
（3）波束形成与空间滤波算法（Beamforming and Spatial Filtering Algorithms）：这类算法结合了波束形成和空间滤波的思想，在处理多源信号时能够提供更好的性能。其中一种常见的算法是波达（Wavefront）算法，它通过估计到达阵列的波前，实现对多个波源的分离和增强。
（4）基于压缩感知的波束形成算法（Compressed Sensing-based Beamforming Algorithms）：这类算法利用压缩感知理论，通过降低采样率和复杂度来实现波束形成。它能够有效地利用阵列中的稀疏性，并在保持较低计算开销的同时提供良好的波束形成性能。
【正文】3.7.6 Multichannel DSP Can Control Array Height
当声波的波长与扬声器阵列中的驱动单元间距相接近或小于驱动单元间距时，声波将会产生衍射现象，从而使得声波在水平方向上的传播范围扩散开来。这种情况下，阵列的方向性相对较弱，声波在水平方向上的能量分布相对均匀。然而，当声波的频率增加，波长变短，与扬声器阵列中的驱动单元间距相比变得更小。在这种情况下，声波的传播不再发生明显的衍射，而是更倾向于直线传播。这导致了声波在垂直方向上的集中束缚，形成了更强的方向性。
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控制扬声器阵列高度的技术的具体实现包括以下关键步骤： （1）驱动单元布置和间距选择：它决定了阵列的实际物理高度和方向性特性。合理的驱动单元布置和间距选择对于实现有效的高度控制至关重要。以下是实现驱动单元布置和间距选择的一般步骤：
（1.1）理解应用需求：需要明确所需的声音投射效果和阵列高度特性。考虑到房间大小、听众位置以及应用场景的要求，确定所需的阵列高度范围和方向性特性。
（1.2）驱动单元布置模式：根据所需的阵列高度和方向性特性，选择适当的驱动单元布置模式。常见的布置模式包括线性阵列、曲面阵列、密集阵列等。每种布置模式都会对声音的水平和垂直分布产生不同的影响。
（1.3）驱动单元间距选择：确定驱动单元之间的间距非常重要，这会影响到阵列的方向性和频率响应。通常情况下，间距的选择需要考虑到驱动单元尺寸、波长和所期望的阵列高度。
（1.4）数字模拟排列：确定驱动单元的具体位置和排列顺序，以便进行数字模拟排列。这涉及到将扬声器驱动单元与相应的放大器通道和DSP通道配对，并确保它们在实际布置中的一致性和协调性。 （1.5）仿真和调整：使用声学仿真软件或实际测量方法，对驱动单元布置和间距进行仿真和调整。这可以帮助评估阵列的预期效果并进行必要的优化。
（2）多通道放大器和DSP配置：每个驱动单元都需要一个独立的放大器通道和一个DSP通道进行驱动控制。这些通道可以通过数字信号处理器（DSP）来控制驱动单元的电平、滤波、延迟等参数。以下是一般的配置步骤： （2.1）确定系统需求：它包括所需的驱动单元数量、阵列高度范围和方向性要求等。这有助于确定所需的多通道放大器和DSP的配置。 （2.2）多通道放大器选择：根据系统需求，选择具备足够通道数目的多通道放大器。每个驱动单元都需要一个独立的放大器通道来进行驱动。确保所选的放大器具备足够的功率输出和适当的声音质量。
（2.3）DSP选择与配置：选择符合系统需求的DSP设备，能够提供多通道的处理功能。这些DSP通道应与相应的驱动单元和放大器通道对应。配置DSP以实现所需的声音投射效果。这可能涉及到设置延迟、均衡、滤波器、相位控制等参数，以调整每个驱动单元的声音属性和阵列高度。
（2.4）数字模拟连接：将多通道放大器和DSP通过数字或模拟连接进行互联，以确保每个驱动单元与相应的放大器通道和DSP通道对应。这可以通过数字音频接口（如AES/EBU、Dante等）或模拟音频连接来实现。 （2.5）调试和优化：完成配置后，进行系统调试和优化。通过测试和听觉评估，调整驱动单元的声音属性和阵列高度，以获得最佳的声音投射效果。这可能需要根据实际情况微调DSP参数，如延迟、均衡、滤波器设置等。 （3）频率响应优化：根据预期的阵列高度效果，在DSP通道中应用合适的滤波算法以优化频率响应。这可能包括对不同频段的信号进行增益调整、滤波器设计和斜率设置等。通过调整各个频段的驱动单元响应，以获得所需的阵列高度特性。它通常涉及以下步骤：
（3.1）频率响应测量和分析：它可以通过使用测试设备（如SPL测量仪器、频谱分析仪等）在预定位置上测量各个驱动单元的响应频率。根据频率响应测量数据，利用专业的声学分析软件或DSP工具，对频率响应进行分析和可视化。通过观察每个驱动单元的响应特性，确定是否存在频率上的不均衡或问题。 （3.2）均衡处理：利用DSP设备中的均衡器功能，对驱动单元的频率响应进行调整和均衡处理。通过增加或减少特定频率范围内的增益，来纠正频率响应中的不均衡问题。根据测量数据和目标响应曲线，调整均衡器参数，使得每个驱动单元的频率响应更平衡和一致。 （3.3）相位校正：除了均衡处理，相位校正也是频率响应优化的关键一环。通过调整每个驱动单元的相位，以最小化不同驱动单元之间的相位差异，从而实现更平滑的频率响应。DSP设备通常提供相位延迟功能，可以根据需要调整每个驱动单元的相位延迟值。 （3.4）优化和验证：完成均衡和相位校正后，重新进行频率响应测量，验证所做的调整是否达到了预期的结果。如果仍然存在频率响应不均衡或其他问题，可以进行进一步的优化和微调，直至获得满意的结果。
（4）波束形成和控制：使用DSP通道的延迟功能，对不同驱动单元的信号进行适当的延迟处理，以形成所需的声音波束。通过调整每个驱动单元的延迟时间，可以控制声音在垂直方向上的定位和集中。它涉及以下步骤：
（4.1）阵列几何设计：根据系统需求和场地条件，设计合适的扬声器阵列几何结构。这包括确定驱动单元的数量、间距和布置方式。通过合理的阵列几何设计可以实现所需的波束形成效果。
（4.2）波束形成算法选择：根据系统需求和目标，选择适当的波束形成算法。常见的波束形成算法包括波束型权重（Beamforming weights）算法和最小均方误差（Minimum Mean Square Error）算法等。 （4.3）驱动单元信号处理：将来自每个驱动单元的音频信号输入到多通道DSP中进行信号处理。针对波束形成，需要对每个驱动单元的音频信号应用适当的波束形成算法和参数设置。 （4.4）波束形成参数配置：通过DSP设备的用户界面或软件工具，配置每个驱动单元的波束形成参数。这包括波束型权重的设置、延迟值的调整以及相位校正等。这些参数的设置可根据系统需求、阵列几何和目标场景等因素进行优化。 （4.5）调试和优化：完成配置后，进行系统调试和优化。通过实时监测音频输出和波束形成效果，评估是否达到了预期的声音投射效果。如果需要调整，可以根据实际情况微调DSP参数，如波束型权重、延迟和相位设置等。对于复杂的场景或要求更高的应用，可能需要进行进一步的验证和调整。这会涉及实际测试、听觉评估和实地优化等。通过不断的验证和调整，确保波束形成在实际使用中能够达到最佳性能。
（5）驱动电平调整：根据频率响应和阵列高度目标，对每个驱动单元的放大器通道进行驱动电平的调整。这使得在不同频段下，驱动单元的输出能够匹配所需的阵列高度特性，实现更一致的方向性控制效果。它通常涉及以下步骤：
（5.1）确定系统需求：我们需要确定每个驱动单元的所需驱动电平。这可能基于系统布置、场地特性、目标音量和覆盖范围等因素。
（5.2）多通道放大器选择：选择具备多通道输出的合适放大器设备。确保所选设备的每个通道能够提供所需的功率输出，并且具备电平调节的功能。
（5.3）数字信号处理（DSP）配置：利用DSP设备或软件工具，对每个驱动单元的通道进行配置。这通常涉及设置每个通道的增益或衰减值，以实现所需的驱动电平调整。 （5.4）驱动电平校准：通过使用测试设备（如SPL测量仪器）在预定位置上测量驱动单元的音量水平，校准各个通道的驱动电平。根据测量结果和目标音量要求，对每个通道的增益或衰减值进行微调，使得每个驱动单元的音量水平达到预期的水平。 （5.5）聆听评估和优化：完成驱动电平调整后，进行聆听评估，验证每个驱动单元的音量水平是否符合预期。根据实际情况进行微调和优化，确保整个扬声器阵列的音量均衡和一致性。
通过以上步骤，多通道DSP控制扬声器阵列高度的技术可以实现对阵列声场分布的精确控制。这包括在不同频率下实现一致的阵列高度、声音投射角度和指向性，提供更准确和一致的听觉体验。 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【免责声明】
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