专利名称：教室补声设备与方法
技术领域：
本发明涉及声音处理放大领域，尤其是涉及一种应用于教室、会场等室内环境的教室补声设备与方法。
背景技术：
教师在没有现场扩声系统的场地授课全靠自己的嗓音，为了让全教室都能听清楚授课内容必须尽量提高音量，使嗓子超负荷运行，长期以往会产生许多职业病。
以往传统的本地采集本地扩声系统为了避免由于循环采集喇叭里放出的声音而引起的嚣叫，拾音器多采用低灵敏度的近讲传声器。由于近讲传声器灵敏度低，老师上课的时候必须近身携带非常不方便。
传统的教室扩声系统多采用数量较少且功率较大的喇叭，这会导致教室内声场不均勻，离喇叭近的学生由于声音太响而感觉不适，距离喇叭远的学生又会觉得听不清楚，而且如果喇叭声音过响会影响隔壁班级的正常上课。
中华人民共和国国家知识产权局于2011年06月01日公开了公布号为 CN102082989A的专利文献，名称是一种基于ZigBee协议的教学用全数字无线扩声装置。此装置包括发送端和接收端；所述发送端包括麦克风以及与麦克风连接的ZigBee发送模块， 所述接收端包括ZigBee接收模块、音频解码电路、音频放大电路和喇叭，ZigBee接收模块依次经音频解码电路、音频放大电路后与喇叭连接；所述ZigBee发送模块与ZigBee接收模块无线连接。此方案仍然需要教师随身携带麦克风，并且难以产生合适的声场。发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的教师需要近身携带传声器、扬声器声场不均勻的技术问题，提供一种无需教师近身携带传声器、具有良好声场的教室补声设备。
本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的一种教室补声设备，包括拾音装置、音频处理主机和扬声器阵列，所述拾音装置与所述音频处理主机连接， 所述音频处理主机与所述扬声器阵列连接，所述拾音装置安装在教师主要授课区域上方的教室顶部，所述扬声器阵列的覆盖范围与拾音装置的拾音范围互补。
作为优选，所述拾音装置包括驻极体电容式拾音头、拾音放大模块和自动增益控制模块，所述驻极体电容式拾音头与所述拾音放大模块连接，所述拾音放大模块通过所述自动增益控制模块与音频处理主机连接。
拾音装置采用UniGuard射频干扰(RFI)屏敝技术，防止射频干扰，抑制环境周边的杂音。其采用高级阻燃树脂ABS设计，内部共振声腔经过精确计算，收音更清晰。
拾音装置采用回声消除凹腔有效减少空旷房间的严重回音，提供清晰及高质量音频信号输出。
拾音装置采用杜比定向逻辑环绕声系统，内置高速语音处理单元，两级动态降噪处理。拾音装置还内置自动调节高强度声音和瞬间冲击音的AGC及DTS降噪信号微处理电路和能够彻底消除“嘶嘶”电子噪音的电子噪声动态闭环抑制电路。
作为优选，所述音频处理主机包括依次连接的反馈抑制模块、噪音抑制模块、回声消除模块、自动音量调节模块和频谱均衡控制模块，所述反馈抑制模块与拾音装置连接，所述频谱均衡控制模块与扬声器阵列连接。
自适应全频带回声消除，可在完全消除回音的同时而不影响本地的发言，做到真正任何时刻的全双工效果。自动音量调节和频谱均衡控制，能够自动识别出语音信号并根据发言人的音量大小自动调整输出电平和频谱，使得发言人无论距离话筒远近，远方与会人员都可以轻松听清楚其每一句话。
作为优选，所述扬声器阵列包括若干个功率小于10瓦的扬声器。
一种教室补声方法，包括以下步骤 步骤一通过拾音装置采集声音信号；步骤二 检测声音信号的响度，如果声响小于K1，则将输入信号衰减60db以后输出，补声过程结束；如果声响大于K1，跳转步骤三；步骤三判断声音信号的响度是否大于K2，如果大于，则输出信号根据以下公式确定输出信号=K2+ (输入信号-Κ2) ，补声过程结束；如果声音信号的响度不大于Κ2，则输出信号与输入信号相等，补声过程结束；Kl为补声下限值，Κ2为补声上限值，β为衰减系数。
作为优选，检测声音响度之前，先进行系统模式判定，如果当前模式为普通模式， 则进入步骤二；如果当前模式为环境自适应模式，则判断采集声音信号的周期是否完成，如果已经完成则计算常态环境底噪，并通过常态环境底噪修正Kl和Κ2，如果采集声音信号的周期未完成则跳转回步骤一。
本发明的补声方法通过现场自适应的方式过滤教室内轻微的声音(如翻书声，小声讨论声等)，又削弱教室内过响的声音(如齐声朗读)，使他们不会被现场扩声系统再次放大。
作为优选，Kl为3db，K2为60db，β为0. 1。一般人的听阙(听阙指人或其它动物的耳朵在特定环境中，能感觉到的声音的最小强度)则在1至3 db之间，在考虑到声音源到传音器间声音传递过程中的衰减，所以把不放大听阙以下的声音作为确定Kl的重要标准， 即不把原来教师在讲台上听不清楚的细小声音通过我们的系统放大输出；声响高于80db 会导致中耳的肌肉会紧张，长期处于80db会导致人体不适应。而60db是人体对声音感觉舒适的上限，超过60db人体就会感觉声音过响所以将60db作为K2的默认值。听觉面积的上限为痛阀，其值约为137. 5dB，由(137.5-60)* β+60<70得出β <1/8，所以取1/10。
本发明带来的实质性效果是，通过数量多且功率小的扬声器阵列替代传统扩声喇叭，使教室内的声场均勻，不会有地方响有地方轻，也不会影响隔壁班级；通过对不同响度的声音进行不同处理，使得扬声器输出的声音在合适的范围内。
图1是本发明的教室补声设备的一种结构框图；图2是本发明的拾音装置的一种结构框图； 图3是本发明的音频处理主机的一种结构框图； 图4是本发明的教室补声方法的一种流程图；图中1、拾音装置，2、音频处理主机，3、扬声器阵列，11、驻极体电容式拾音头，12、拾音放大模块。13、自动增益控制模块，21、反馈抑制模块，22、噪音抑制模块，23、回声消除模块， 24、自动音量调节模块，25、频谱均衡控制模块。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例本实施例的一种教室补声设备，如图1所示，包括拾音装置1、音频处理主机2、扬声器阵列3，拾音装置与音频处理主机连接，音频处理主机与扬声器阵列连接。如图 2所示，拾音装置包括依次连接的驻极体电容式拾音头11、拾音放大模块12和自动增益控制模块13，自动增益控制模块与音频处理主机连接。如图3所示，音频处理主机包括依次连接的反馈抑制模块21、噪音抑制模块22、回声消除模块23、自动音量调节模块M和频谱均衡控制模块25，反馈抑制模块与拾音装置连接，频谱均衡控制模块与扬声器阵列连接。
标准教室(教室的长/宽/高分别为8. 9/7. 9/3. 3M)进行测试，测试声音频频率分别为250、500、1000Hz，在教室讲台正前方广8米和斜前方广8米传播的衰减量大约为前 3米5db/m，大于3米则为2db/m。普通人说话响度在45dlT60db，正常人能舒服的倾听的响度下限在2(T30db，则教室内老师直达声可以清晰传递的范围是以讲台为圆心半径3飞米的圆型面积，我们大这个范围定义为“直达声授课区域”。在这个范围以外的区域定义为“补声授课区域”。在补声授课区域内设置由多个传声器组成扬声器阵列，为了不使局部声强过大，每个扬声器功率都控制在3 8W之间，保证每扬声器输出的响度在45dlT50db，这样每个扬声器的有效覆盖范围都是个半径3米的圆型面积，可以根据教室的实际大小和外部环境按照上述原则配置扬声器。由于到任意最近的扬声器之间的距离小于3米所以即使同时被 2个扬声器有效覆盖范围覆盖也不会觉得有回声的效果，声场保持均勻。同时拾音装置在出厂的时候对于有效拾音范围已经做出固化，大约是半径5米的圆型面积，正好可以覆盖直达声授课区域，配置扬声器的时候使声场不覆盖直达声授课区域，这样可以使直达声场和补声声场不重叠，提高整体声场环境。
在教师的主要授课区域上方的教室顶部安装高灵敏传声器拾音范围覆盖直达声授课区域，在补声授课区域均勻的使用扬声器阵列，声场覆盖补声授课区域。即扬声器阵列的声场不覆盖传声器拾音范围保证扬声器发出的声音不会被2次采集并放大产生嚣叫，扬声器阵列的声场不覆盖教师直达声有效覆盖范围，避免声场重叠产生回声效果，扬声器阵列的声场均勻覆盖教师直达声有效覆盖范围以外的范围保证教室里所有的学生都可以清晰的听到老师的讲课内容。
补声过程包括以下步骤 步骤一通过拾音装置采集声音信号；步骤二 检测声音信号的响度，如果声响小于K1，则将输入信号衰减60db以后输出，补声过程结束；如果声响大于K1，跳转步骤三；步骤三判断声音信号的响度是否大于K2，如果大于，则输出信号根据以下公式确定输出信号=K2+ (输入信号-Κ2) ， 补声过程结束；如果声音信号的响度不大于Κ2，则输出信号与输入信号相等，补声过程结束； Kl为补声下限值，Κ2为补声上限值，β为衰减系数。本实施例中，Kl为3db，K2为 60db, β 为 0. 1。
检测声音响度之前，先进行系统模式判定，如果当前模式为普通模式，则进入步骤二 ；如果当前模式为环境自适应模式，则判断采集声音信号的周期是否完成，如果已经完成则计算常态环境底噪，并通过常态环境底噪修正Kl和Κ2，如果采集声音信号的周期未完成则跳转回步骤一。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了拾音装置、音频处理主机等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
权利要求
1.一种教室补声设备，其特征在于，包括拾音装置、音频处理主机和扬声器阵列，所述拾音装置与所述音频处理主机连接，所述音频处理主机与所述扬声器阵列连接，所述拾音装置安装在教师主要授课区域上方的教室顶部，所述扬声器阵列的覆盖范围与拾音装置的拾音范围互补。
2.根据权利要求1所述的教室补声设备，其特征在于，所述拾音装置包括驻极体电容式拾音头、拾音放大模块和自动增益控制模块，所述驻极体电容式拾音头与所述拾音放大模块连接，所述拾音放大模块通过所述自动增益控制模块与音频处理主机连接。
3.根据权利要求1或2所述的教室补声设备，其特征在于，所述音频处理主机包括依次连接的反馈抑制模块、噪音抑制模块、回声消除模块、自动音量调节模块和频谱均衡控制模块，所述反馈抑制模块与拾音装置连接，所述频谱均衡控制模块与扬声器阵列连接。
4.根据权利要求1或2所述的教室补声设备，其特征在于，所述扬声器阵列包括若干个功率小于10瓦的扬声器。
5.一种教室补声方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一通过拾音装置采集声音信号；步骤二 检测声音信号的响度，如果声响小于K1，则将输入信号衰减60db以后输出，补声过程结束；如果声响大于K1，跳转步骤三；步骤三判断声音信号的响度是否大于K2，如果大于，则输出信号根据以下公式确定输出信号=K2+ (输入信号-Κ2) ，补声过程结束；如果声音信号的响度不大于Κ2，则输出信号与输入信号相等，补声过程结束；Kl为补声下限值，Κ2为补声上限值，β为衰减系数。
6.根据权利要求5所述的教室补声方法，其特征在于，检测声音响度之前，先进行系统模式判定，如果当前模式为普通模式，则进入步骤二 ；如果当前模式为环境自适应模式，则判断采集声音信号的周期是否完成，如果已经完成则计算常态环境底噪，并通过常态环境底噪修正Kl和Κ2，如果采集声音信号的周期未完成则跳转回步骤一。
7.根据权利要求5所述的教室补声方法，其特征在于，Kl为3db，K2为60db，β为0.1。
全文摘要
本发明公开了一种教室补声设备与方法，旨在提供一种无需教师近身携带传声器、具有良好声场的教室补声设备和方法。它包括拾音装置、音频处理主机和扬声器阵列，所述拾音装置与所述音频处理主机连接，所述音频处理主机与所述扬声器阵列连接，所述拾音装置安装在教师主要授课区域上方的教室顶部，所述扬声器阵列的覆盖范围与拾音装置的拾音范围互补。通过数量多且功率小的扬声器阵列替代传统扩声喇叭，使教室内的声场均匀，通过对不同响度的声音进行不同处理，使得扬声器输出的声音在合适的范围内。本发明适用于教室、会场等场所。
文档编号H04R27/00GK102547545SQ20121002461
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月6日 优先权日2012年2月6日
发明者王庆, 祁才君, 赵凡 申请人:杭州联汇数字科技有限公司