CN106210968B - 一种全息立体拾音器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息立体拾音器。其中，包括：多个拾音器及支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述多个拾音器，使得所述多个拾音器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个拾音器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合。本发明的全息立体拾音器，具有对上下左右前后不同方向的声源的响应，在每个方向上的强度和相位都不同，回放可延续记录现场的真实波场方向，与现有技术中在人脑内才能形成声像的立体声系统相比，原理是完全不同的。全息立体拾音器可以捡拾现场声场的空间方向相位特征，为全息放音采集信号，从而可以物理波场局部再现的方式，实现全息立体的音响效果。

Description

一种全息立体拾音器

技术领域

本发明涉及音响技术领域，尤其涉及一种全息立体拾音器。

背景技术

音响在实现声音的立体成像，有模拟生物感觉成像和物理波场再现成像两种思路。

生物感觉成像方法是在人体两耳位置模拟波场的差异，使大脑得出音源位置的感觉。目前技术主要通过左右音量差异来实现，实际上并未真正实现波场的再现。现在有一种头戴式全息音响技术，以模拟人头周围音场的方式，实现前后左右拾音和放音，但听音者必须头戴该耳机才有全息音响(全围绕音响技术)效果，容易影响听音者的现场感和舒适感。

物理波场再现方法是在较大范围的四维空间中再现声波波场，听音者处于该四维空间中，无论姿态如何，自然就有了立体的感觉。

上述两种方法的明显差异主要有以下三点：

1、物理波场再现方法的实施难度较大，关键在于能否保持波场方向性；

2、听音者的位置和姿态的局限，即音像是否随着听音者的走动而飘浮不定；

3、深度和广度的局限，即音像是否只能出现在一个薄片状区域内。

现有音响只具备对声音振动的频率、振幅、相位等信息的捡拾和回放功能，不具备对振动方向及波场形态的检拾和回放功能。简而言之，就是丢失了波动的方向性特征。丢失方向性特征的原因，就在于以振膜直接检测和驱动空气介质的工作方式。这种工作方式丢失空间方向性，立体定位浅薄漂浮，不准确不真实。

振膜直接驱动或检测空气介质的振动，由于丢失了振动的方向性，也就丢失了波场的方向。传统技术中所说的方向性是指向性，一般指的是灵敏度与声波传播方向之间的关系。振动的方向是蕴含在振幅里的，单点单振膜无法解出这个方向。图1是根据相关技术的单振膜结构方向性丢失示意图，如图1所示，声波振动方向与单振膜的轴线的夹角为θ。声波穿过单振膜之后，相对于声波振动方向，膜振动方向发生变化，膜振动方向变为与振膜法线方向一致。波长相近尺度的单振膜在理想情况下的电响应输出信号约为灵敏度×声压×cosθ，θ是未知的变化的。由此可知，单振膜出现方向性丢失现象，使得单振膜的拾音效果出现偏差。

图2是根据相关技术的全透结构的拾音器工作示意图，图3是根据相关技术的后部半封闭透气结构的拾音器工作示意图，图4是根据相关技术的后部全封闭结构的拾音器工作示意图，如图2、3、4所示，不同结构的拾音器，指向性不同，但指向性不是方向性，声波传播到拾音器振膜处时，都会出现方向性丢失现象，即声波传播和振动方向与膜振动方向不一致。

现有技术中，任何方向形状的来波，回放时都是振膜面垂直振动驱动，如图5所示的现有立体放音技术示意图，图5中扬声器系统包括左振膜和右振膜，声波波场传播一段距离，会以振膜中点为圆心散开(如图5中圆弧所示)，无法准确模拟现场声波波场的空间分布形态。这对实现立体声场的回放是非常不利的，会有定位不准确，远近无层次，声像随听音位置和姿态漂浮的缺陷。

针对现有技术中拾音器无法实现全息立体拾音和放音的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种全息立体拾音器，以至少解决现有技术中拾音器无法实现全息立体拾音的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种全息立体拾音器，其中包括：多个拾音器及支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述多个拾音器，使得所述多个拾音器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个拾音器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合。

优选地，所述拾音器是电容型拾音器、电磁型拾音器、压电型拾音器或者驻极体型拾音器。

优选地，所述多个拾音器的等效工作面的面积相等。

优选地，每个拾音器均设置有正负电极，每个拾音器上的正电极作为信号输出端口，所述多个拾音器的负电极共地线。

优选地，所述全息立体拾音器还包括：透音外壳，所述多个拾音器及所述支撑结构放置在所述透音外壳内部。

优选地，所述透音外壳上设置有信号线孔，所述电极的信号输出线和所述地线穿过该信号线孔。

优选地，所述透音外壳由金属网构成。

优选地，所述透音外壳上设置有两短一长的三叉方向指标，用于指示所述全息立体拾音器的摆放位置。

优选地，所述支撑结构和所述透音外壳采用防共振材料制作。

优选地，相邻两个拾音器所对应的面的交线处于竖直方向。

优选地，所述支撑结构为正多面体支撑结构，所述正多面体支撑结构的每个面为任意曲面或平面。

本发明的全息立体拾音器，具有对上下左右前后不同方向的声源的响应，在每个方向上的强度和相位都不同，回放可延续记录现场的真实波场方向，与现有技术中在人脑内才能形成声像的立体声系统相比，原理是完全不同的，全息立体拾音器可以捡拾现场声场的空间方向相位特征，为全息放音采集信号，从而可以物理波场局部再现的方式，实现全息立体的音响效果，是全息立体音响技术的第一环节。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是根据相关技术的单振膜结构方向性丢失示意图；

图2是根据相关技术的全透结构的拾音器工作示意图；

图3是根据相关技术的后部半封闭透气结构的拾音器工作示意图；

图4是根据相关技术的后部全封闭结构的拾音器工作示意图；

图5是根据相关技术的现有立体拾音技术示意图；

图6是根据本发明实施例的全息立体拾音器的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的全息立体拾音器的另一结构示意图；

图8是根据本发明实施例的全息立体拾音器的优选结构示意图；

图9是根据本发明实施例的全息立体拾音器的另一优选结构示意图；

图10是根据相关技术的单通道系统实测输出示意图；

图11是根据本发明实施例的全息立体拾音器实测输出示意图；

图12是根据本发明实施例的全息立体拾音器的透音外壳外观示意图；

图13是根据本发明实施例的全息立体拾音器的方向指标示意图；

图14是根据本发明实施例的全向均衡振动捡拾结构示意图；

图15是根据本发明实施例的全息立体拾音器和球面波第一示意图；

图16是根据本发明实施例的全息立体拾音器和球面波第二示意图；

图17是根据本发明实施例的全息立体拾音器和球面波第三示意图；

图18是根据本发明实施例的双路全息立体拾音器的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

现有拾音技术具有以下不足：转换效率低；频响受到声短路影响，保证保真度的难度较大；声阻抗匹配进一步损失能量，降低效率；现有拾音器有单路单通道和双路双通道两种，双路双通道的拾音器才能形成立体声，且只在双音箱构成的平面内横向成像，纵深高矮辨识度很差。基于此，为了实现拾音器的全息立体拾音效果，本发明提供了一种全息立体拾音器，其在空间结构上是各向均等平衡的，这是现有技术中拾音器都不具备的结构优势，利用这个结构优势可实现全息立体拾音。下面对全息立体拾音器的具体结构进行介绍。

图6是根据本发明实施例的全息立体拾音器的结构示意图，如图6所示，该全息立体拾音器包括：多个拾音器(例如可以是拾音振膜)及支撑结构，该支撑结构用于支撑多个拾音器，使得多个拾音器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个拾音器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合。多个拾音器的等效工作面的面积相等。

图6所示的拾音器是圆形结构，在具体应用中，拾音器的形状并不仅限于此，比较常见的还有正三角形的拾音器，图7是根据本发明实施例的全息立体拾音器的另一结构示意图，如图7所示，该全息立体拾音器包括：多个正三角形的拾音器及支撑结构。

需要说明的是，上述正多面体并非为实体结构，而是虚拟的空间结构，旨在描述多个拾音器之间的位置关系。

本发明设计特定的各向均等平衡空间结构，以实现对拾音器的全息立体拾音，形成全新的全息立体拾音技术。

全息立体拾音器的支撑结构可以基于需求设计成任意形状，本发明对此不做限定，只要能保证各向均等平衡即可。优选地，可以设计为正多面体形状，例如：正四面体形状、正六面体形状、正八面体形状等。正多面体支撑结构的尺寸一般大于上述虚拟的正多面体。优选地，正多面体支撑结构的每个面可以改变为任意曲面，从而满足不同需求。支撑结构的刚度与拾音效果相关，因此支撑结构可基于需求选择不同材料。

本实施例中的拾音器可以是电容型拾音器、电磁型拾音器、压电型拾音器或者驻极体型拾音器。当然，也可以是其他类型的拾音器，只要能够在全息立体拾音器中正常工作即可，本发明对此不做限制。

为了保证全息立体拾音器的结构较为牢固，可以设计多个拾音器中相邻的拾音器均互相接触，实现紧固连接，以起到互相支撑的作用。图7中，由于正四面体结构的限定，任意两个拾音器之间都相互接触。在多个拾音器连接紧固的前提下，全息立体拾音器的支撑结构可设计为多个拾音器所围成结构的内切圆球，如图8所示的全息立体拾音器的优选结构示意图，从而在保证全息立体拾音器结构紧固的基础上，缩小了全息立体拾音器的尺寸，减小占用空间。

图9所示的是全息立体拾音器的另一优选结构示意图，如图9所示，全息立体拾音器中每个拾音器的尺寸相同，尺寸的具体大小可以根据实际情况设定，例如可以设计尺寸较小的拾音器，每个拾音器之间通过支架连接，使得多个拾音器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上。

需要说明的是，本发明提供的全息立体拾音器是基于虚拟正多面体的多根轴(即正多面体的体中心与每个面的中心连线构成的立体星型轴)形成的均分立体空间平衡结构。虚拟正多面体的体中心与每个面的中心分别连接，形成每个面上的轴，在每个轴的同轴处安装一个拾音器，其振幅响应与自身轴线和声波振动方向间夹角θ的关系为out(t)＝A(t)cosθ，其中，上述轴线是虚拟线，用以说明位置关系，A(t)为拾音器在θ＝0时对声波的响应。只要是具备上述cosθ关系的拾音器，都能制作具有本发明方向特性的全息立体拾音器，本发明在此不做一一详述。

全息立体拾音器中包括多个拾音器，每个拾音器均设置有正负电极，每个拾音器上的正电极作为信号输出端口，所述多个拾音器的负电极可共地线。下面以全息立体拾音器中包括四个拾音器为例进行说明。图10是根据相关技术的单通道系统实测输出示意图，如图10所示，单声道系统只有一路单道功率信号输出。图11是根据本发明实施例的全息立体拾音器实测输出示意图，如图11所示，全息立体拾音器共有四道全息立体功率信号输出。四道全息立体功率信号的全积分就是对声波波场的响应，从而实现全息立体拾音效果。

全息立体拾音器还可以设置透音外壳(一般由金属网构成)，多个拾音器及支撑结构放置在透音外壳内部。开放空间近场信噪比高，封闭空间的灵敏度高。图12是根据本发明实施例的全息立体拾音器的透音外壳外观示意图，如图12所示，多个拾音器及支撑结构放置在透音外壳内部，且与透音外壳相绝缘。透音外壳由金属网构成，透音外壳上设置有信号线孔，电极的信号输出线和地线穿过该信号线孔，从而便于信号输出线输出到透音外壳外面，有效传输信号。为了保证全息立体拾音器的透气性，透音外壳上可设置通气孔，例如在透音外壳表面均匀设置多个小通气孔。为了将全息立体拾音器的支撑结构及其上的多个拾音器稳固放在透音外壳中，可以将支撑结构的形状设计为易于放入透音外壳的形状。通过该优选实施方式，可以保护拾音器，稳固全息立体拾音器，增强全息立体拾音器的灵敏度，以确保全息立体拾音效果。

为了保证全息立体拾音效果，支撑结构和透音外壳一般采用防共振材料制作。

在实际操作过程中，由于全息立体拾音器需要配合全息立体放音器一起使用，为了保证二者相配合达到最佳立体音响效果，可在透音外壳上设置两短一长的三叉方向指标，用于指示全息立体拾音器的摆放位置。从而保证有两个相邻拾音器所对应的面的交线处于竖直面内。

一般地，对于具备四个拾音器(构成正四面体结构)的全息立体拾音器，会将正四面体结构的一个顶角竖直朝下，以保证四个拾音器中其中一个拾音器水平放置，该拾音器所对应的正四面体结构的正三角形面上一个角的角平分线的反方向，即可设置为上述方向指标的方向。当然，也可以设置其他的方向，本发明对此不作限制，只要全息立体拾音器与全息立体放音器的方向指标的设置规则相同即可。图13是根据本发明实施例的全息立体拾音器的方向指标示意图，如图13所示，水平放置的拾音器所在的平面设置了一个方向指标，使得全息立体拾音器与全息立体放音器朝向同一个方位摆放，实现最佳立体音响效果。

从以上的描述中可知，本发明构建了一个三维空间多面全向均衡振动捡拾结构，实现声波全信息捡拾技术。本发明的全息立体拾音器是一个根据高斯散度定理设计的立体空间封闭多面结构。由于最简单均衡的空间立体结构是正四面体，一般以其为优选空间框架，物理实现最为容易。以正四面体的四个面为参考的位置，分别安置声电转换振膜器件(即拾音器)。

图14是根据本发明实施例的全向均衡振动捡拾结构示意图，如图14所示，将正四面体其中一面水平朝上为第一面1，其余几个正三角形面分别设置为第二面2、第三面3和第四面4。这四个面的法线，就构成了三维空间均分的矢量及矢量方向。全向均衡振动捡拾结构捡拾到三个矢量，可以确定唯一的矢量，只要各分量等比回放，振动矢量自然合成，这就实现了方向性。加上另外一个矢量，不仅加强了方向性，还能体现声波的胀缩标量，得到更完全的波场信息。

图15是根据本发明实施例的全息立体拾音器和球面波第一示意图，图16是根据本发明实施例的全息立体拾音器和球面波第二示意图，图17是根据本发明实施例的全息立体拾音器和球面波第三示意图，如图15所示，如果全息立体拾音器的各矢量振幅相同，则球面波为正圆形球面波；如图16所示，如果全息立体拾音器的各矢量振幅不同，会有波前面的形态变化，也即具备了三维空间方向性，则球面波为类似椭圆形球面波；如图17所示，是现场采集的波场产生的球面波，遵循介质内力的平衡关系，近似于将球面扩大并将球心向波动传来的方向推移。

图18是根据本发明实施例的双路全息立体拾音器的工作原理示意图，如图18所示，左全息立体拾音器和右全息立体拾音器均可实现真正的立体拾音。本发明实现了包括波振动方向在内的声音波场的全息检测，为全息立体音响技术奠定了基础。全息立体音响技术的单路结构就具有对上下左右前后不同方向的声源的响应，在每个面上的强度和相位都不同，回放就可延续记录现场的真实波场方向，与现有技术中在人脑内才能形成声像的立体声系统在原理上是完全不同的。是现场声场的局部再现。如果全息立体音响技术使用双路系统，就可进一步实现音像的横向展宽和纵深的定位，比起传统的平面内左右立体声系统，具有三维立体音响效果。

综上，本发明实现以下技术效果：

1)气动压缩工作方式，声电电声转换效率高；

2)无声短路，保真度高；

3)器件设计时，利用封闭空间弹性实现声阻抗匹配，可进一步提高效率和保真度；

4)单路系统就有一定的三维立体声效果，还有一定的远近高矮辨识度；

5)双路系统具有左右、远近、高矮的真三维立体声效果，优于传统双路立体声技术；

6)各通道可以进行多种数学或电气加减，形成多种特殊的声场加强效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种全息立体拾音器，其特征在于，包括：多个拾音器及支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述多个拾音器，使得所述多个拾音器的等效工作面分别位于一正多面体的其中一个面上，每个拾音器等效工作面的中心与其对应的面的中心重合；

正多面体的体中心与每个面的中心分别连接，形成每个面上的轴，在每个轴的同轴处安装一个扬声器，其振幅响应与自身轴线和声波振动方向间夹角θ的关系为out(t)＝A(t)cosθ，其中，A(t)为扬声器在θ＝0时对声波的响应。

2.根据权利要求1所述的全息立体拾音器，其特征在于，所述拾音器是电容型拾音器、电磁型拾音器、压电型拾音器或者驻极体型拾音器。

3.根据权利要求1所述的全息立体拾音器，其特征在于，所述多个拾音器的等效工作面的面积相等。

4.根据权利要求1所述的全息立体拾音器，其特征在于，每个拾音器均设置有正负电极，每个拾音器上的正电极作为信号输出端口，所述多个拾音器的负电极共地线。

5.根据权利要求4所述的全息立体拾音器，其特征在于，所述全息立体拾音器还包括：透音外壳，所述多个拾音器及所述支撑结构放置在所述透音外壳内部。

6.根据权利要求5所述的全息立体拾音器，其特征在于，所述透音外壳上设置有信号线孔，所述电极的信号输出线和所述地线穿过该信号线孔。

7.根据权利要求5所述的全息立体拾音器，其特征在于，所述透音外壳由金属网构成。

8.根据权利要求5所述的全息立体拾音器，其特征在于，

所述透音外壳上设置有两短一长的三叉方向指标，用于指示所述全息立体拾音器的摆放位置。

9.根据权利要求5所述的全息立体拾音器，其特征在于，所述支撑结构和所述透音外壳采用防共振材料制作。

10.根据权利要求1所述的全息立体拾音器，其特征在于，

相邻两个拾音器所对应的面的交线处于竖直方向。

11.根据权利要求1所述的全息立体拾音器，其特征在于，所述支撑结构为正多面体支撑结构，所述正多面体支撑结构的每个面为任意曲面或平面。