一种基于无线定位的音响声像再现系统及工作方法与流程

本发明涉及无线电定位及声学技术领域，特别涉及一种基于无线定位的音响声像再现系统及工作方法。

背景技术：

现有的舞台扩声系统一般采用有线或无线麦克采集发言人的声音，通过功放、音箱等设备进行放大后呈现给观众。但这种声音一般都是单声道的，尤其是在观看话剧、大型演出时观众无法感受到不同发言人的位置区别，所有人的话音都像是从同一个位置发出的，严重影响了演出效果。现有的解决方法主要有两种：一种是在舞台上安装立体声麦克，但其采集声音的范围有限，距离话筒稍远效果就大打折扣，还要考虑话筒与音响之间的自激问题，所以立体声麦克的安装布置相当繁琐且效果不佳；另一种方法是通过调音台的PAN旋钮人工控制每一路声音的声像，但操作复杂易出错，且效果不够精确。。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供一种基于无线定位的音响声像再现系统及工作方法。通过无线定位系统精确测定声源（演员、发言人等）的位置信息，再依据德•波埃实验、哈斯效应等原理计算调整声源的左右声道，以实现立体声声像再现，主要解决现有舞台声音采集、播放系统难以表现声源（演员、发言人等）位置信息的问题。

该发明技术方案包括：无线位置探测模块和运算模块，所述无线位置探测模块用于通过无线定位原理获取声源的位置参数；所述运算模块用于根据无线位置探测模块探测出来的相关参数，计算声源的具体位置，并调整左右声道输出立体声音频信号，以实现声像再现。

作为优选，所述无线位置探测模块包括：无线发射单元和无线接收单元，所述无线发射单元附加在声源上随声源移动，用于发送信号以确定声源的位置信息；所述无线接收单元固定在场地上的适当位置，用于接收无线发射单元的相关信息，并传送给运算模块。

进一步优选，所述运算模块包括：位置运算单元、音频运算单元和音频输入输出单元，所述位置运算单元用于接收无线位置探测模块的信息并计算声源的具体位置，一般通过软件或专用硬件设备实现；所述音频运算单元，用于调整立体声信号左右声道的声压、相位等特征，一般通过软件或专用硬件设备实现；所述音频输入输出单元，用于将声源的单声道音频信号复制为立体声信号，并在音频运算单元的控制下将调整后的立体声信号输出至既设调音台、功放等扩声系统。

根据上述的一种基于无线定位的音响声像再现系统的工作方法为：

a、系统初始化，各模块单元建立通信；

b、无线发射单元发送脉冲信号，当声源位置移动时，附加在声源上的无线发射单元随之移动；

c、无线接收单元接收脉冲信号并传送给运算模块的位置运算单元；

d、位置运算单元接收各无线接收单元的脉冲信号，并计算无线发射单元的位置信息（即声源的位置）；

e、运算模块的音频输入输出单元将声源的单声道信号复制为相同的两路信号，分别为左右声道；

f、运算模块的音频运算单元根据计算得出的声源位置，调整左右声道的声压、相位等参数；

g、音频输入输出单元输出调整后的左右声道至既设的调音台、功放等扩声系统；

h、按预定的频率重复步骤b至步骤g工作，实现对声源位置的不间断监测及声像还原；

i、根据需要停止系统工作。

采用上述方案后所述无线位置探测模块由可移动的附加在发言人身上（或话筒上）的无线发射单元、两个以上无线接收单元组成，通过到达时间法、到达时间差法、到达角度法、信号强度法等方法，测算发言人的位置信息。所述运算模块由电脑或单片机等具有运算功能的软硬件组成，主要功能为：1.位置运算单元接收无线位置探测模块的数据，计算声源的精确位置；2.音频输入输出单元接收麦克采集的单声道音频信号并复制成双声道信号，音频运算单元根据位置运算单元计算出的声源位置，按照德•波埃实验、哈斯效应等原理调整左右声道的声压、相位等参数，由音频输入输出单元输出调制后的立体声信号。

与现有技术相比，本发明有益效果在于将无线定位技术与音响声像再现技术相结合，采用无线定位技术测定发言人的位置信息，通过运算将位置参数调制到单声道的音频信号中进而输出立体声音频信号，较好地解决了现有的舞台扩声系统无法有效体现声源方位的问题，声像还原逼真，现场收听效果改善十分明显。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明的系统组成示意图

附图2为本发明的系统流程图

附图3为本发明声像还原原理示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

参照附图1-3，该实施例为：在舞台的四个角落布置4个（至少2个以上，布置越多定位精度越高）无线接收单元。可采用UWB、Zigbee、Wlan、蓝牙、超声波、RFID、红外线等无线通信技术，可根据需要同时具备收发功能,本方案采用UWB技术，定位精度达到分米级，若接收单元数量足够且布置合理可达到厘米级。在发言人身上或麦克（有线麦克、无线麦克均可）上附加1个无线发射单元。无线发射单元每隔一段时间（为降低系统功耗，一般可以设定为1秒）发射脉冲信号，4个无线接收单元收到信号后通过有线或无线传递到运算模块的位置运算单元。运算模块由计算机或单片机组成，运算模块的位置运算单元根据到达时间法、到达时间差法、到达角度法、信号强度法等方法，计算出无线发射单元的具体位置，进而得到发言人（声源）的准确位置。因UWB室内无线定位技术已有成熟方案，具体实现方式不再赘述。

运算模块的音频输入输出单元接收麦克的单声道的音频，复制成2路音频信号，分别为左右声道。根据德•波埃实验原理，运算模块的音频运算单元将位置运算单元计算得出的发言人的位置信息转化为左右声道的声压值；根据哈斯效应原理，调整左右声道的相位，进而输出最终的左右声道音频信号。调整后的音频信号经舞台既有的调音台、功放等设备处理后经音箱输出给观众。各模块单元的布置方式见图1，具体系统流程见附图2。

因舞台上声源（发言人）一般处于同一水平面上，也很少出现前后重叠的情况，基本与舞台平行呈直线分布，故本方案中主要测量声源距舞台中心的水平位移D。（见图3）

假设左右声道音箱与舞台中心在同一水平直线上布置，可提前测得两音箱之间的距离为2L。一般来讲，最佳听音位置位于观众席的中央位置，设音箱至此位置的垂直距离为H。设最佳听音位置与两侧音箱、舞台中央的夹角为φ，与舞台中央、声源的夹角为θ。设左右音箱的声压分别为U_L、U_R，且当声源位于舞台中央时U_L=U_R=U。

根据德•波埃实验可知，当声音频率小于700Hz时:

①;

当声音频率大于700Hz时:

②。

当声源向右侧移动时，设左侧音箱声压减小，右侧音箱声压增加，则①即为：

简化可得 ③

同理可得，②情况下， ④

上述式中只有D为变量，其他参数均可事先测量得出。通过③、④可计算出的变化，进而调整实现声像变化。

因为话音频谱分布的宽度，以及时变性，再加上舞台上的其他声音来源(其他发言人的声音，配乐，现场噪声等等)的干扰，估计在某些情况下，主频率分量会在700Hz上下振荡，从而导致在公式③/④之间频繁切换，结果现场出现声音忽大忽小的变化。为了克服这种现象，可以采用如下两种技术方法：

1.采用像脉冲电路中施密特触发器那样的技术。比如频率从低频(公式3)变化到750Hz，再转换为公式4；而频率从高频(公式4)变化到650Hz时，才转换为公式3。这样留有一个100Hz的过渡区间，减少了短时间来回切换的次数。

2.设置两个频率点，比如F1=600Hz，F2=800Hz。当频率小于F1时，采用公式3；当频率大于F2时，采用公式4；对处于F1至F2之间的频率，根据频率值，线性插值公式3及公式4。这样当频率从F1逐渐变化到F2时，delta U的值是从公式3的值，逐渐过渡到公式4的值，从而避免出现声音大小的突变。

当声源位移量D大于17米时，根据哈斯效应，可调整左右声道的相位，使左右声道产生时间差,以进一步增强方位感。

当有多个发言人（声源）时，可为每个发言人（声源）的发射设备设定不同的通信ID，进而对其进行区分，以实现分别定位和声像还原。该发明在大型演唱会、话剧、歌剧等场合声像信息还原准确，具有良好的现场收听效果。

当发言人众多，需体现出发言人前后的位置变化时，可以通过无线位置探测模块计算出前后移动的位移量，然后按照向前移动增加声音，向后移动降低声音的方式对声音进行调整。

根据上述一种基于无线定位的音响声像再现系统的工作方法为：

a、系统初始化，设备加电自测，需同步的设备同步时钟，各模块单元建立通信，向系统输入U、L、H等参数；

b、无线发射单元每隔一段时间（例如1秒）发送脉冲信号，当声源位置移动时，附加在声源上的无线发射单元随之移动；

c、无线接收单元接收脉冲信号并传送给运算模块的位置运算单元；

d、位置运算单元接收各无线接收单元的脉冲信号，并计算无线发射单元的位置信息，测得声源位移量D（即声源的位置）；

e、运算模块的音频输入输出单元将声源的单声道信号复制为相同的两路信号，分别为左右声道；

f、运算模块的音频运算单元根据计算得出的声源位移量D和声音频率（判断是否大于700Hz），调整左右声道的声压、相位等参数；

g、音频输入输出单元输出调整后的左右声道至既设的调音台、功放等扩声系统；

h、按预定的频率重复步骤b至步骤g操作，实现对声源位置的不间断监测及声像还原。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。