一种教育扩声系统的制作方法

本实用新型属于扩声应用领域，涉及一种教育扩声系统。

背景技术：

在如学校教室等环境中，由于房间较大，通常需要扩声系统，才能让最后一排学生也能听清楚讲台老师的讲课。如图1所示，在教育扩声系统中，音频信号经过扬声器系统输出，由传声器拾音后由功率放大器放大后再由扬声器系统输出，形成扬声器系统-传声器-放大器–扬声器系统之间的正反馈。尽管扩声系统可以有助于教师讲课，但处理不当，会引入新的问题。现有的扩声系统采用单个或多个麦克风拾取教师等的说话声音，然而，目前的扩声系统所采用的麦克风指向性较差，影响扩声效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种教育扩声系统，其麦克风阵列指向性较好。

为达到上述目的，本实用新型采用的一种技术方案为：

一种教育扩声系统，包括依次电性连接的麦克风阵列、麦克风驱动电路、宽带波束形成电路、ad转换装置、dsp处理器、da转换装置、扬声器驱动电路及扬声器，所述麦克风阵列包括多个麦克风，所述多个麦克风沿一弧形间隔排列，所述麦克风阵列对称设置，除位于弧形中间位置的麦克风外，任一麦克风与其靠近弧形中间位置一侧的相邻麦克风之间的弧长d1小于与其远离弧形中间位置一侧的相邻麦克风的之间的弧长d2。

优选地，弧长d2为弧长d1的两倍。

优选地，所述多个麦克风划分为多组，每组麦克风对应一个频带，所述宽带波束形成电路包括多组麦克风通道、多个第一加法电路及一个第二加法电路，每个麦克风通道分别包括相互串接的一个带通滤波电路和一个增益电路，每个带通滤波电路分别和一个麦克风相应连接，每组所述麦克风通道对应一个频带并由对应该频带的多个麦克风通道组成，各所述第一加法电路分别与对应的一组麦克风通道的增益电路连接以对同一频带内的各麦克风的输出进行叠加形成当前频带输出，所述第二加法电路与所述多个第一加法电路连接以对所有频带输出叠加形成总输出。

更优选地，所述带通滤波电路包括一个第一电容、一个第二电容、一个第一电阻、一个第三电阻及一个运算放大器；所述第一电阻连接带通滤波电路的输入端；所述第二电容连接于所述第一电阻和所述运算放大器的反相输入端之间；所述第一电容的一端连接于所述第一电阻和所述第二电容之间，另一端连接于所述运算放大器的输出端；所述第三电阻的一端连接于所述第二电容和所述运算放大器的反相输入端之间，另一端连接于所述运算放大器的输出端。

进一步地，所述带通滤波电路还包括一个第二电阻；所述第二电阻的一端连接于所述第一电阻和第二电容之间，另一端接地；所述运算放大器的同相输入端接地。

更优选地，所述增益电路包括一个第四电阻和一个运算放大器，所述第四电阻连接增益电路的输入端，所述运算放大器的反向输入端连接所述第四电阻，所述运算放大器的同相输入端接地。

进一步地，所述增益电路还包括并联于所述运算放大器的反相输入端和输出端之间的第五电阻。

更优选地，所述第一加法电路具有多个输入端，所述第一加法电路包括多个电阻及一个运算放大器，其中，每个输入端和一个电阻串接后连接于运算放大器的反相输入端，所述第一加法电路还包括并联于所述运算放大器的反相输入端和输出端之间的电阻，所述运算放大器的同相输入端接地。

更优选地，所述第二加法电路具有多个输入端，所述第二加法电路包括多个电阻及一个运算放大器，其中，每个输入端和一个电阻串接后连接于运算放大器的反相输入端，所述第二加法电路还包括并联于所述运算放大器的反相输入端和输出端之间的电阻，所述运算放大器的同相输入端接地。

本实用新型采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

利用弧形麦克风阵列，具有聚焦性，增强了指向性；而且麦克风阵列采用非均匀分布，可以在同等引径下，减少麦克风个数，降低硬件成本；采用弧形麦克风阵列，可以进一步降低扩声时反馈路径增益，降低啸叫发生的概率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为扩声系统的声反馈示意图；

图2为实施例的教育扩声系统的结构框图；

图3为麦克风阵列的间距示意图；

图4为宽带波束形成电路的结构框图；

图5为带通滤波电路的电路图；

图6为增益电路的电路图；

图7为第一加法电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

本实施例提供一种教育扩声系统，其应用于教室等教育场景中。参照图2所示，该防啸叫扩声系统包括：

麦克风阵列，其用于采集待扩声区域的声音；

麦克风驱动电路，其用于驱动所述麦克风系统工作，所述麦克风驱动电路和所述麦克风阵列电性连接；

宽带波束形成电路，其用于进行波束形成，所述宽带波束形成电路和所述麦克风驱动电路电性连接；

ad转换装置，其用于将模拟信号转换为数字信号，所述ad转换装置和所述宽带波束形成电路电性连接；

dsp处理器，其用于执行如上所述的防啸叫扩声方法，所述dsp处理器和所述ad转换装置电性连接；

da转换装置，其用于将数字信号转换为模拟信号，所述da转换装置和所述dsp处理器电性连接；及

扬声器驱动电路，其用于驱动扬声器将电信号转化为声信号，所述扬声器驱动电路和所述da转换装置及所述扬声器电性连接。

结合图2和图3所示，麦克风阵列包括多个麦克风，所述多个麦克风沿一弧形间隔排列。所述麦克风阵列对称设置，除位于弧形中间位置的麦克风外，任一麦克风与其靠近弧形中间位置一侧的相邻麦克风之间的弧长d1小于与其远离弧形中间位置一侧的相邻麦克风的之间的弧长d2。本实施例中，弧长d2为弧长d1的两倍。应用在教育扩声系统中，麦克风阵列用于接收教师讲课声音，通过利用麦克风阵列的指向性降低反馈路径增益，降低啸叫发生的概率；麦克风阵列非均匀分布在圆弧上，在利用较大张径的同时减少麦克风个数，较大的张径可以取得更好的低频指向性效果，而非均匀分布可以减少麦克风个数，降低硬件成本。非均匀分布麦克风的弧度间距从中间开始按照倍数增长。本实施例中麦克风阵列具体设置如下：

a、划分频带，教育系统主要考虑人声扩声，人声频率主要分布在[300,4000]hz之间，同时为提高语音质量，系统采样率设为16khz。按照倍频程划分频带为中心频率500hz([353hz、707hz])、1khz([707hz、1414hz])、2khz([1414hz、2828hz])、4khz([2828hz、5657hz])和6khz([5657hz、8000hz])的五个区间。

b、如图3所示，根据频带划分将不同的麦克分配给不同的频带，其中[0,1,2]分配给6khz，麦克风间距为1cm，[0,2,3]分配给4khz，麦克风间距为2cm，[0,3,4]分配给2khz，麦克风间距为4cm，[0,4,5]分配给1khz，麦克风间距为8cm，[0,5,6]分配给500hz，麦克风间距为16cm。

c、最后根据实际长度大小，将图6中的线阵弯曲成圆弧阵，线阵本身具有正前方指向性，形成圆弧阵后，由于圆弧天然的聚焦性，圆弧阵会有更好的指向性。因为教师一般在讲台区域活动，将圆弧阵指向讲台区域即可。

麦克风驱动电路用于提供麦克风偏置电压，使麦克风可以正常工作。

宽带波束形成电路用于在模拟域中进行波束形成。图4示出了本实施例采用的宽带波束形成电路，所述宽带波束形成电路包括多组麦克风通道、多个第一加法电路及一个第二加法电路，每个麦克风通道分别包括相互串接的一个带通滤波电路和一个增益电路，每个带通滤波电路分别和一个麦克风连接，每组所述麦克风通道对应一个频带并由对应该频带的多个麦克风通道组成，各所述第一加法电路分别与对应的一组麦克风通道的增益电路连接以对同一频带内的各麦克风的输出进行叠加形成当前频带输出，所述第二加法电路与所述多个第一加法电路连接以对所有频带输出叠加形成总输出。

图5示出了图4中的一个带通滤波电路。参照图5所示，带通滤波电路包括一个第一电容c1、一个第二电容c2、一个第一电阻r1、一个第二电阻r2、一个第三电阻r3及一个运算放大器u1。第一电阻r1连接带通滤波电路的输入端mic_in，其为相应麦克风的输出；第二电容c2连接于第一电阻r1和运算放大器u1的反相输入端之间；第一电容c1的一端连接于第一电阻r1和第二电容c2之间，另一端连接于运算放大器u1的输出端v12；第三电阻r3的一端连接于第二电容c2和运算放大器u1的反相输入端之间，另一端连接于运算放大器u1的输出端v12；第二电阻r2的一端连接于第一电阻r1和第二电容c2之间，另一端接地；运算放大器u1的同相输入端接地。该带通滤波电路具体为负反馈双二次型带通滤波电路。

图6示出了图4中的一个增益电路。参照图6所示，该增益电路和图5所示的带通滤波电路连接，带通滤波电路的输出v12即作为该增益电路的输入端v12。该增益电路包括一个第四电阻r4和一个运算放大器u2，第四电阻r4连接输入端v12，运算放大器u2的反向输入端连接第四电阻，运算放大器u2的同相输入端接地。该增益电路还包括并联于运算放大器u2的反相输入端和输出端v23_1之间的第五电阻r5。该增益电路的输出即为某一麦克风通道的输出。

图7示出了图4中的一个第一加法电路。参照图7所示，该第一加法电路具有多个输入端v23_1、v23_2、v23_3、v23_4及v23_5，分别为某一频带的5个麦克风通道的输出。该第一加法电路包括多个电阻及一个运算放大器u3，其中，输入端v23_1和第六电阻r6串接后连接于运算放大器u3的反相输入端，输入端v23_2和第七电阻r7串接后连接于运算放大器u3的反相输入端，输入端v23_3和第八电阻r8串接后连接于运算放大器u3的反相输入端，输入端v23_4和第九电阻r9串接后连接于运算放大器u3的反相输入端，输入端v23_5和第十电阻r10串接后连接于运算放大器u3的反相输入端。运算放大器u3的同相输入端接地。该第一加法电路还包括并联于所述运算放大器u3的反相输入端和输出端v34_1之间的第十一电阻r11。该第一加法电路的输出即为某一频带的所有麦克风的输出。

第二加法电路的结构基本同图7所示的第一加法电路，区别在于，第二加法电路的多个输入端和各第一加法电路的输出端连接，即将各第一加法电路输出的所有频带的输出作为输入，并对其进行叠加，形成宽带波束形成电路的总输出。

宽带波束形成电路的具体流程如下：

i、根据上述步骤a中的划分，每一组频带由5个麦克风组成；

ii、针对某一频带，先对其中的5个麦克风根据相应的频带带宽进行滤波，滤完波以后，对不同的麦克风通道赋于不同的增益，增益由hamming窗决定，按从左到右顺序为：[0.0800，0.5400，1.0000，0.5400，0.0800]，进一步增强正前方指向性，最后对5个麦克风的输出进行叠加形成当前频带输出；

iii、对所有频带都执行步骤ii，最后将所有输出的频带进行叠加，作为最终的输出。

ad转换装置是将宽带波束形成电路的输出转化为数字信号，dsp处理器利用深度学习模型进行啸叫判断，并根据啸叫情况，对输入信号进行相应的抑制并输出至da转换装置，da转换装置将数字信号转换为模拟信号输出至扬声器驱动电路。扬声器驱动电路将da的输出通过扬声器将电信号转化为声信号后在空间中进行播放。

通过非均匀分布和宽带波束形成，在同等长度条件下，可以减少麦克风个数，同时利子带分配，可以在不同的频带内取得同样的指向性，即宽带指向性效果一样，同时只利用了硬件模拟电路，避免了数字信号处理，需要多通道ad解码器，降低了硬件成本。

本实施例的教育扩声系统具有如下优点：

(1)采用麦克风阵列，可以降低反馈路径增益，降低啸叫发生的概率；

(2)采用非均匀分布，可以在同等引径下，减少麦克风个数，降低硬件成本；同时利用子带分析和非均匀分布，可以达到宽带指向性一致效果，并利用模拟电路实现，进一步降低硬件成本；

(3)利用弧形麦克风阵列，具有天然聚焦性，进一步增强指向性。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限定本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。