显示装置及其发声方法

技术领域

本发明涉及音频信号处理技术领域。更具体地，涉及一种显示装置及其发声方法。

背景技术

显示器件的超薄、窄边框、甚至全屏设计留给发声装置的空间越来越小。目前，出现了在显示器中，利用整个屏幕作为振膜，来实现发声的显示装置。此种设计中，显示装置直接发声实现声、画同步，可以有效地利用空间、节约资源，与大尺寸屏幕结合时更可提高发声功率和实现不同的声场效果。现有屏幕发声单元可以在屏幕背部贴激励器，例如，压电薄膜，激励器驱动屏幕振动，而带动整个屏幕振动，从而推动屏幕发声。

一个好的音效可以为观众提供沉浸感和高精度的音频位置，这就涉及在房间中布置多个扬声器阵列。在家庭娱乐环境中，收看者在收看电视时，也力求能复现来源于三维空间中收看者上方的音频信息。为了实现这一点，常规做法是将附加的高度扬声器安装在天花板上，但是对于许多消费者而言，这种高度扬声器可能安装困难。而如果只是简单地在电视机上增加一个扬声器单元来播放高度信息的音源，如图1所示，则大部分声波信息会直接辐射到沙发，如此就丢失声音源的高度信息，降低了声波的方向感，不能为客户带来从高处辐射声波的体验。

因此，需要一种扬声器设计，它安装方便或者免于安装，就能发出等效于来源于天花板的音源，能有效地播放表示高度信息的音频对象的音频。

发明内容

本申请的目的在于提供一种显示装置及其发声方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本申请采用下述技术方案：

本申请第一方面提供了一种显示装置，包括显示屏，还包括控制器及至少一个相控扬声器阵列，相控扬声器阵列包括多个扬声器，控制器配置为控制相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，以朝向收听环境的顶部表面出射声波从而反射到收听环境内的收听区域。

在一些可选的实施例中，扬声器为压电扬声器。

在一些可选的实施例中，显示装置为屏幕发声显示装置。

在一些可选的实施例中，显示装置包括设置在左、右两侧上部区域的两个相控扬声器阵列。

在一些可选的实施例中，相控扬声器阵列为一维相控扬声器阵列或二维相控扬声器阵列。

在一些可选的实施例中，一维相控扬声器阵列中的多个扬声器的排列方式为竖直排列。

在一些可选的实施例中，二维相控扬声器阵列中的多个扬声器的排列方式为矩形排列或圆形排列。

在一些可选的实施例中，控制器配置为通过控制相控扬声器阵列中的扬声器发声延迟，实现控制相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转。

在一些可选的实施例中，控制器，配置为根据压电扬声器接收的收听环境的顶部表面反射的声波及收听区域的物体反射的声波计算偏转角度，根据偏转角度控制相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转。

本发明第二方面提供了一种显示装置的发声方法，包括：

控制设置在显示装置的至少一个相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，以朝向收听环境的顶部表面出射声波从而反射到收听环境内的收听区域。

本发明的有益效果如下：

本发明针对目前现有的问题，制定一种显示装置及其发声方法，并通过在显示装置中设置相控扬声器阵列和控制器，且控制器控制该相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，使得相控扬声器阵列朝向收听环境的顶部出射声波从而反射到收听环境内的收听区域，使得收听者不必额外安装天花板扬声器即可以体验头顶辐射声，增强了收听者的空间高度感知，满足收听者对上方声源环绕音的需求，具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术中所发射声波不偏转而直接发声的显示装置的示意性侧视图。

图2示出根据本发明的实施例的显示装置向天花板发射声波的示意性侧视图。

图3示出根据本发明的实施例的显示装置向天花板发射声波的示意性正面视图。

图4示出根据本发明的实施例的显示装置中扬声器的示意性结构图。

图5a示出根据本发明的实施例的显示装置中二维相控扬声器阵列聚焦偏转原理示意图。

图5b示出根据本发明的实施例的显示装置中一维相控扬声器阵列声束偏转原理示意图。

图6示出本发明实施例的显示装置的收听环境的物理参数的示意图。

图7示出根据本发明的实施例的显示装置的示意性透视俯视图。

图8示出根据本发明的另一实施例的显示装置的示意性透视俯视图。

图9示出根据本发明的另一实施例的显示装置的示意性透视俯视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同或相似的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明中描述的“具有”、“包含”、“包括”等均为开式的含义，即，当描述模块“具有”、“包含”或“包括”第一元件、第二元件和/或第三元件时，表示该模块除了第一元件、第二元件和/或第三元件外还包括其他的元件。

为了解决以上问题之一，本发明的实施例提供一种显示装置，包括显示屏，还包括控制器及至少一个相控扬声器阵列，相控扬声器阵列包括多个扬声器，控制器配置为控制所相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，以朝向收听环境的顶部表面出射声波从而反射到收听环境内的收听区域。

在本实施例中，通过在显示装置中设置相控扬声器阵列和控制器，且控制器控制该相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，使得相控扬声器阵列朝向收听环境的顶部出射声波从而反射到收听环境内的收听区域，使得收听者不必额外安装天花板扬声器即可以体验头顶辐射声，增强了收听者的空间高度感知，满足收听者对上方声源环绕音的需求，具有广泛的应用前景。

在一个具体的示例中，参照图2和图3所示，在一个收听环境中，例如，客厅中，安装或者架设有作为显示装置的电视机200，电视包括显示屏201、控制器(未示出)、两个相控扬声器阵列202-1和202-2。在电视200的显示屏前方放置有沙发，沙发所处区域即为该收听环境的收听区域。

当然显示装置也可以是电脑、电子白板等其他包括显示屏的显示装置，收听环境可以为办公室或者会议室等，而收听区域也相应地可以为办公室或会议室中的座位等。以下为了方便描述，均以上述客厅中的电视代替显示装置进行描述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。

可选地，相控扬声器阵列202-1和202-2中的扬声器可以为压电扬声器。如图4所示，压电扬声器的具体组成为压电多层堆叠结构，包括上下电极和中间的压电层，上下电极分别上下电极分别覆盖在压电材料的上下方，给电极通电后，给压电材料施加电场，使压电材料在电场作用下产生形变发声。电极材料可包含银为其主要成分，压电层材料可以为膜型压电陶瓷PZT，也可以是PVDF薄膜等。压电扬声器的长和宽尺寸为大于等于0.5cm且小于等于5cm，当将压电扬声器组成的二维阵列排布时，阵列的横向或纵向尺寸可以大于等于5cm且小于等于50cm。本发明实施例中的电视机200为屏幕发声显示装置。

相控扬声器阵列202-1和202-2既可以如图2所示设置在显示屏201的背面，也可以设置在显示屏的与背面相对的正面。当设置在显示屏201的背面时，相比相控扬声器阵列设置在正面的情况，不占用显示屏的显示区域，因而不影响全屏画面显示，显示屏可以实现为窄边框显示屏。

另外，尽管在本示例中示出电视机200包括两个相控扬声器阵列202-1和202-2，但本申请并不旨在限制于此，电视机200也可以包括一个或者更多个相控扬声器阵列，而且，各相控扬声器阵列在电视200上的具体设置位置也不作限制。例如，如图3所示，当设置两个相控扬声器阵列202-1和202-2时，两个相控扬声器阵列202-1和202-2设置在电视机200的左、右两侧上部区域。当设置一个相控扬声器阵列时，可以将相控扬声器阵列设置在电视机的中部偏上区域或者其他设计人员认为合适的位置。

相控扬声器阵列202-1和202-2中的每个均包括多个扬声器，多个扬声器可以组成一维相控扬声器阵列，也可以组成二维相控扬声器阵列。

特别地，通过本示例的设置，电视机200中设置两个相控扬声器阵列202-1和202-2，其能够在控制器的控制下发生聚焦偏转或者声束偏转，通过聚焦偏转或者声束偏转作用，通过两个相控扬声器阵列202-1和202-2使得电视机200朝向客厅的天花板出射声波，该声波在天花板处发生反射，并且反射到沙发所在的收听区域，从而使得坐在沙发上任意位置的收听者均可以接收到自头顶上方的天花板方向辐射的声波信号，使得不必在天花板安装额外的扬声器设备，即可使处于作为收听区域的沙发上的收听者感知到具有空间高度的声音效果，实现了具有高度信息的环绕声效。

具体地，控制器配置为通过控制相控扬声器阵列中的扬声器发声延迟，实现控制相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转。

因为声波可叠加，对于多个声波信号而言，信号叠加的位置，相位相同的声波信号强度增强，相位相反的声波信号强度减弱。在本发明的实施例中，利用发射声波延时与相位的对应关系，通过控制相控阵列扬声器中不同扬声器发射的声波信号的延时关系，从而控制相位，使各路声波信号相互叠加聚焦偏转或者声束偏转。

为了进一步理解相控扬声器阵列发生的聚焦偏转和声束偏转。下面结合图5a-5b描述聚焦偏转与声束偏转的控制原理。

图5a示出二维相控扬声器阵列聚焦偏转的原理示意图。

首先，对于聚焦偏转而言，每个相控扬声器阵列中的每个扬声器以相对于扬声器阵列竖直方向的中心轴线偏离角度θi偏转出射声波信号计算得到发射声波延时，其中i表示二维相控扬声器阵列中第i个扬声器。参照图5a，使每个扬声器产生的声波的波阵面集中在天花板一点，从而实现了声束的聚焦和偏转。因为声波的波阵面集中在天花板一点，而声波聚焦偏转后，将以图3所示的方式在天花板反射辐射覆盖到沙发所处的收听区域。扬声器相对于扬声器阵列竖直方向的中心轴线偏离角度θi不同。在以声波信号的延时，相应控制出射声波的相位以产生聚焦偏转的实现方式中，在计算聚焦偏转的延时表达式中，以阵列中心的扬声器的出射方向与中心轴线的偏离角度作为二维相控扬声器阵列的偏转角度θ。

其中，如图所示，对于二维相控扬声器排列，若二维相控扬声器阵列所在平面作为图中y轴和x轴所在平面，建立xyz坐标系，并使阵列的中心为原点，则中心轴线为z轴，θ为处于阵列中心的扬声器出射声波的方向偏离z轴的角度。本领域技术人员可以理解，对于一维相控扬声器阵列则同理，θ角为出射声波的方向偏离该列相控扬声器阵列排列方向的角度。

参照图6所示，在本发明的实施例中，出射偏转角度θ为根据电视机200到收听区域内的物体(沙发)的距离D与电视机200距离天花板的距离H确定的角度：

θ＝atan((H/2)/D) (1)。

如果声波聚焦偏转，那么所需的出射延时根据偏转角度确定，每一列中具体出射延时tm满足：

其中F为聚焦深度，c为声速，Xm为一列扬声器中第m个扬声器到聚焦点的轴线长度，d为扬声器间距，θ为偏转角度。

因此，由以上控制方式可知，每一列聚焦声波辐射方向相互并行排列，不同列相同行的扬声器单元的延迟时间相同。相应地，可以理解，一维相控扬声器阵列中的多个扬声器的排列方式为竖直排列，即，参照图垂直于电视机200显示屏下边框的方向，以保证每个扬声器出射的声波存在延时从而确保实现聚焦偏转。

图5b示出一维相控扬声器阵列声束偏转的原理示意图。对于声束偏转而言，通过控制阵列中各个扬声器以相同的偏转角度θ平行偏转出射而不必在天花板聚焦于一点，经天花板反射后也可以辐射覆盖沙发所处的收听区域，另外，尽管图5b仅示出一维相控扬声器阵列声束偏转的原理示意图，对于二维相控扬声器阵列而言也是可以使用声束偏转的。

当采用声束偏转的方式，使相控扬声器阵列依据声程差以θ角斜向上发射声波，每列声波延迟时间满足：

Tm＝m*l

其中，Tm为一列扬声器中第m个扬声器单元的延迟时间，l

需要说明的是，不论一维还是二维相控扬声器阵列，且不论聚焦偏转还是声束偏转方式，对于偏转角度θ的获取方式，均可以具体实施为控制器执行控制，使电视机的扬声器向收听环境辐射声波信号，并通接收的收听环境的顶部表面反射的声波及收听区域的物体反射的声波，例如，接收天花板反射的声波和沙发反射的声波，控制器基于所接收的反射声波获取电视机200到沙发的距离D与电视机200距离天花板的距离H根据表达式(1)计算偏转角度θ。进而，控制器可以根据偏转角度θ控制相控扬声器阵列实现聚焦偏转或声束偏转。

举例来说，图4所示，若房间高度2.8m，其中电视机距离天花板为1.5m，沙发在距离电视机3m的地方，那么声波的偏转角度为45度。为避免声束过于扩散，通常可以调整沙发与电视机的距离，使偏转角度θ一般在15°到45°之间效果较好。

另外，对于向收听环境辐射声波信号的扬声器，则并不限制，既可以是上述相控扬声器阵列202-1和202-2，也可以是设置于电视机200中的用于发射常规声波的扬声器。而对于接收反射的声波，本领域技术人员可以理解的是，若相控扬声器阵列202-1和202-2中的扬声器为压电扬声器，则可以基于压电效应的特征，直接实现声波发射和接收的功能。若相控扬声器阵列202-1和202-2为其他类型的扬声器，则需要对应设置麦克风以接收反射的声波。对于发射和接收声波的具体实现方式，本发明不做特别限制，设计人员可以根据需要进行选择。

另外，尽管在图5b二维相控扬声器阵列中的原理示意图给出矩形排列的多个扬声器，例如图7所示的实施例。二维相控扬声器阵列702-1和702-2以长方形或者正方形排布，但其二维阵列的排布方式并不限于此。

可选地，参照图8所示，二维相控扬声器阵列802-1和802-2为圆形阵列。当然，也可以为环形、椭圆形等。

相应地，每个扬声器的形状也不必限定为方形片，也可以为如图8和图9所示的多边形。本发明并不对扬声器具体形状进行限制，具体形状以设计时的布局或者工艺条件易实现为准则。

当然，还需说明的是，本发明的实施例中的相控扬声器阵列指的仅是用于向天花板发射声波并反射的扬声器阵列，其并不包括在显示过程中正常向前方收听区域直接辐射声波的扬声器。本领域技术人员应理解，显示装置中还包括一个或多个接辐射声波的扬声器，具体设置方式、结构与位置本申请并不做限制。当然，也可以包括放置在收听环境，例如客厅中其他位置的外置扬声器，以形成从收听区域的四周向收听者直接辐射的环绕立体声效果，本发明也不旨在限制这些扬声器的设置。

基于同一发明构思，本发明的另一实施例还提供一种上文所述的显示装置的发声方法，包括：控制设置在显示装置的至少一个相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，以朝向收听环境的顶部表面出射声波从而反射到收听环境内的收听区域。

在本实施例中，通过在显示装置中设置相控扬声器阵列，并控制该相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，使得相控扬声器阵列朝向收听环境的顶部出射声波从而反射到收听环境内的收听区域，使得收听者不必额外安装天花板扬声器即可以体验头顶辐射声，增强了收听者的空间高度感知，满足收听者对上方声源环绕音的需求，具有广泛的应用前景。

可选地，在一个示例中，控制设置在显示装置的至少一个相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，以朝向收听环境的顶部表面出射声波从而反射到收听环境内的收听区域进一步包括：

控制显示装置的相控扬声器阵列发射第一声波信号；

相控扬声器阵列接收第一声波信号由天花板反射的第一反射信号和由沙发反射的第二反射信号；

基于第一反射信号和第二反射信号确定显示装置与天花之间的第一距离H以及显示装置与沙发之间的第二距离D，根据第一距离和第二距离计算偏转角度θ；

根据偏转角度θ通过基于表达式(2)或者(3)确定相控扬声器阵列中扬声器的声波的发射延迟；

随后，控制器执行控制，使阵列扬声器阵列向天花板发射声波信号以使声波信号经天花板反射后射向显示装置前方的收听区域。

本发明针对目前现有的问题，制定一种显示装置及其发声方法，并通过在显示装置中设置相控扬声器阵列，且控制器控制该相控扬声器阵列聚焦偏转或声束偏转，使得相控扬声器阵列朝向收听环境的顶部出射声波从而反射到收听环境内的收听区域，使得收听者不必额外安装天花板扬声器即可以体验头顶辐射声，增强了收听者的空间高度感知，满足收听者对上方声源环绕音的需求，具有广泛的应用前景。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。