專利名稱：立體聲再現(xiàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及立體聲再現(xiàn)系統(tǒng)，其從兩個或更多個例如揚聲器或耳機等的音頻信號輸出設(shè)備輸出音頻信號，以將虛擬聲源定位至三維空間中的期望位置，從而重構(gòu)立體聲場。
背景技術(shù)：
第一公開號7488899的日本專利公開了聲像再現(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用雙聲道揚聲器在各個方向上實現(xiàn)聲像的距離或空間感受。特別地，聲像再現(xiàn)系統(tǒng)用作通過A/D轉(zhuǎn)換器將通過信號輸入設(shè)備輸入的音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并將其輸入至信號處理電路。信號處理電路處理該數(shù)字信號，以通過直接聲音定位設(shè)備和反射聲音定位設(shè)備產(chǎn)生將要從左右揚聲器輸出的音頻信號，從而建立聲像的位置和距離的錯覺或者由收聽者選擇的聲場的廣闊性。由聲音定位設(shè)備產(chǎn)生的音頻信號通過兩個加法器相加，并且通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬形式，然后該模擬信號通過左右揚聲器再現(xiàn)。這使得收聽者能夠以距離和方向的目的錯覺來定位該聲像。上述現(xiàn)有技術(shù)的聲像再現(xiàn)系統(tǒng)被設(shè)計為對收聽者的頭部周圍延伸的水平面上 (換句話說，包括收聽者耳朵的位置)的所反射的聲音進行定向。因此，直接聲音和反射聲音位于收聽者周圍的同一水平面上，從而不期望地建立了二維聲場，而非真正的空間聲場。

發(fā)明內(nèi)容
因此，一個目的是提供立體聲再現(xiàn)系統(tǒng)，其在三維空間中的期望位置處建立虛擬聲源，以重構(gòu)三維聲場。根據(jù)一個實施方式的一個方面，提供了一種立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其包括(a)至少兩個音頻信號輸出設(shè)備，其輸出聲音形式的音頻信號，以在收聽者周圍的三維空間中的期望位置處建立虛擬聲源，從而產(chǎn)生三維聲場，虛擬聲源包括直接聲源和第N階反射聲源，直接聲源產(chǎn)生直接由收聽者聽到的直接聲音，第N階反射聲源產(chǎn)生由直接聲音的反射導(dǎo)致的第 N階反射聲音，其中，N是大于或等于1的整數(shù)；(b)直接聲源定位電路，其產(chǎn)生音頻信號，以將直接聲源定位至三維空間中的期望位置；(c)反射聲源定位電路，其產(chǎn)生音頻信號，以將相同階的第N階反射聲源定位至在從直接聲源延伸至收聽者的源至收聽者線周圍指定的期望位置；以及(d)音頻信號組合電路，其將由直接聲源定位電路和反射聲源定位電路產(chǎn)生的音頻信號進行組合，以產(chǎn)生將要分別從音頻信號輸出設(shè)備輸出的音頻信號。特別地，多個第N階反射聲源是在圍繞源至收聽者線排列的位置處建立的，從而給收聽者聽覺上的三維感受。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)還使收聽者在朝向直接聲源的方向上強烈地感知聲像，因此在對需要將收聽者的注意力吸引至特定方向的情況中是有用的。在該實施方式的優(yōu)選模式中，反射聲源定位電路用作定位第N階反射聲源，從而使每個第N階反射聲源到源至收聽者線之間的距離隨著第N階反射聲源的階數(shù)的增加而增加。每個第N階反射聲源到源至收聽者線之間的距離優(yōu)選地隨著第N階反射聲源的階數(shù)的增加而以指數(shù)增加。當(dāng)立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)置在其中聲音在例如墻等聲音反射物體上被反射的環(huán)境中時，如果假設(shè)墻是鏡子，則每個第N階反射聲源被視為位于直接聲源的鏡像出現(xiàn)的位置處。 這是因為從反射物體反射的聲音的源被視為設(shè)置在相對于反射物體與直接聲源對稱的位置處。因此，隨著第N階反射聲源的階數(shù)即聲音被反射的次數(shù)增加，第N階反射聲源例如以指數(shù)的方式更加遠(yuǎn)離源至收聽者線。這建立了模擬聲音在由反射物體(例如，墻)包圍的真實空間內(nèi)反射的立體(即，三維)聲場。反射聲源定位電路可用作將第N階反射聲源定位至一位置，所述位置被指定為隨著第N階反射聲源的階數(shù)增加而沿著源至收聽者線更加遠(yuǎn)離收聽者的位置。而且，反射聲源定位電路優(yōu)選地用作定位第N階反射聲源，使得第N階反射聲源中的每兩個相鄰反射聲源之間的距離隨著第N階反射聲源的階數(shù)的增加而增加。特別地，在由聲音反射物體(例如，墻)封閉的三維空間中，每個第N階反射聲音的聲壓級隨著其反射次數(shù)的增加而大大地衰減。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)利用這種很大的衰減來建
立三維聲場。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)可以被設(shè)計為朝向收聽者或者遠(yuǎn)離收聽者移動第N階反射聲源的位置，并且確定第N階反射聲源的位置，使得隨著第N階反射聲源沿著源至收聽者線相對于收聽者移動，在沿著源至收聽者線的方向上，每個第N階反射聲源與收聽者之間的距離的變化率變得大于直接聲源與收聽者之間的距離的變化率。在到達每個人耳之前，聲波常常在頭部(例如，鼻子)和耳廓上反射，從而其干擾反射的波。因而，聲壓在從聲源行進到頭部、耳朵和耳鼓的過程中作為其頻率的函數(shù)而改變。這種頻率特性被稱為頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(HRTF)。頭部相關(guān)傳遞函數(shù)取決于頭部和耳朵的形狀以及聲源的位置(即，方位)。由于人知道他或她自身的頭部相關(guān)傳遞函數(shù)及其方位獨立性，因此人定位聲源的能力已知被開發(fā)。由此，當(dāng)通過源至收聽者線徑向建立的第N階反射聲源的位置，即，每個第N階反射聲源與收聽者之間的距離或間隔改變?yōu)榇笥谥苯勇曉磁c收聽者的距離或間隔變化時，將導(dǎo)致從每個第N階反射聲源發(fā)出的聲波入射到收聽者耳朵的角度的變化大于來自直接聲源的聲波入射到收聽者的耳朵的角度的變化。因此，通過以上述方式改變第N階反射聲音的入射角來實現(xiàn)頭部相關(guān)傳遞函數(shù)的值(即，頻率特性)的顯著變化。這使得當(dāng)虛擬聲源尤其朝向收聽者或遠(yuǎn)離收聽者移動時收聽者感到高度的存在感。第N階反射聲源的位置可以使用圓錐曲線近似地確定。圓錐曲線的外形通過改變其離心率而變?yōu)闄E圓、拋物線和雙曲線。這種外形改變可以用于確定將要建立第N階反射聲源的位置。這消除了保持定位第N階反射聲音所需的虛擬環(huán)境上的大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的需要。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)可以安裝在例如汽車等的車輛中，以允許車輛擁有者感知來自特定方向的信息和警告聲音。如上所述，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)使收聽者在直接聲源被定位的方向上強烈地感知聲像，并且還可以用作移動虛擬聲源(即，第N階反射聲源)，從而給收聽者高
4度的存在感。因而，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)在車輛中是非常有用的，其將收聽者(例如，車輛駕駛員)的注意力吸引至特定的方向或事件。


通過下文給出的詳細(xì)描述和本發(fā)明優(yōu)選實施方式的附圖，將更全面地理解本發(fā)明，然而，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式不應(yīng)該將本發(fā)明限制為具體的實施方式，而是僅用于解釋和理解的目的。在附圖中圖1是示出了根據(jù)一個實施方式的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)的框圖；圖2(a)是表示在三維空間內(nèi)的直接聲音和反射聲音的行進路徑的示意圖；圖2(b)是示出了直接聲源、反射聲源和收聽者之間的位置關(guān)系的示意圖；圖3是示出了在封閉空間內(nèi)收聽者相對于聲源的位置的示意圖；圖4(a)是表示當(dāng)收聽者位于圖3中的第一位置1時直接聲源與第N階反射聲源的布局的透視圖；圖4(b)是表示當(dāng)收聽者位于圖3中的第二位置2時直接聲源與第N階反射聲源的布局的透視圖；圖4(c)是表示當(dāng)收聽者位于圖3中的第三位置3時直接聲源與第N階反射聲源的布局的透視圖；圖5(a)是示出了從位于圖3中的第一位置1處的收聽者觀察到的直接聲源與第 N階反射聲源之間的位置關(guān)系的圖示；圖5(b)是示出了從位于圖3中的第二位置2處的收聽者觀察到的直接聲源與第 N階反射聲源之間的位置關(guān)系的圖示；圖5(c)是示出了從位于圖3中的第三位置3處的收聽者觀察到的直接聲源與第 N階反射聲源之間的位置關(guān)系的圖示；圖6是示出了用于確定反射聲源的位置的由平面與圓錐體相交所產(chǎn)生的橢圓、拋物線和雙曲線的圖；圖7是示出了直接聲源與第N階反射聲源在由離心率e為1. 5時的雙曲線限定的雙曲面上的布局的示例的示圖；圖8是示出了直接聲源與第N階反射聲源在由離心率為1時的拋物線限定的拋物面上的布局的示例的示圖；圖9是示出了直接聲源與第N階反射聲源在由離心率為0. 5時的橢圓限定的橢圓表面上的布局的示例的示圖；圖10(a)是示出了在橫截面為圓形的空間內(nèi)的定位為彼此相隔45°角間隔θ的第N階反射聲源的示圖；圖10(b)是圖10(a)的視網(wǎng)膜示圖；圖11(a)是示出了在立方空間內(nèi)的定位為彼此相隔90°角間隔θ的第N階反射聲源的示圖；圖11(b)是圖11(a)的視網(wǎng)膜示圖；以及圖12是示出了圖1的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)的立體聲場產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。
具體實施例方式參見附圖，在一些視圖中相同的參考標(biāo)號指示相同的部件，具體參見圖1，其示出了本發(fā)明的一個實施方式的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20，該立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被設(shè)計為從兩個或更多個例如揚聲器或耳機等的聲音輸出設(shè)備輸出音頻信號，以將虛擬聲源定位到三維空間中的期望位置，從而重構(gòu)立體聲場。接下來的討論將涉及立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20安裝在例如汽車等的車輛中的示例?，F(xiàn)代的一些汽車裝配有障礙物感測設(shè)備，其檢測車輛周圍的障礙物并且向車輛駕駛員警告障礙物的存在；智能停車輔助系統(tǒng)(也被稱為先進的停車指導(dǎo)系統(tǒng))，其輔助駕駛員停放車輛；和/或?qū)Ш较到y(tǒng)，其接收GPS信號以確定車輛的位置并提供交通狀況和目的地方向的信息。例如，當(dāng)障礙物感測設(shè)備發(fā)現(xiàn)障礙物時，從障礙物存在的方向發(fā)出聲音警告以使駕駛員感知障礙物的方向。此外，當(dāng)障礙物接近車輛時，警告聲源可從與障礙物相同的方向移動至駕駛員以通知駕駛員障礙物正在接近以及該障礙物的方向。相反，當(dāng)障礙物遠(yuǎn)離車輛時，警告聲源可在與障礙物相同的方向遠(yuǎn)離駕駛員，以通知駕駛員障礙物正在遠(yuǎn)離以及該障礙物的方向。此外，當(dāng)智能停車輔助系統(tǒng)給駕駛員指導(dǎo)以建議向右駛時，這種指導(dǎo)可從駕駛員的右側(cè)發(fā)出以便于使駕駛員容易地通過聽覺來感知該指導(dǎo)。該指導(dǎo)的聲源還可以從駕駛員的左側(cè)移動至右側(cè)。此外，當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)對到目的地的路線進行導(dǎo)航時，路線指導(dǎo)可以從車輛將要向右或向左轉(zhuǎn)向的方向發(fā)出，以使駕駛員通過聽覺感知駕駛員應(yīng)該轉(zhuǎn)動的方向盤的方向。路線指導(dǎo)還可以從車輛正在前行的角度方向移動至車輛應(yīng)該轉(zhuǎn)向的角度方向。通過這種方式，在例如汽車的車輛中，在特定方向上明顯地移動警告或指導(dǎo)聲源以引起駕駛員的注意可能是有效的。如下面將詳細(xì)描述的，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被設(shè)計為使收聽者在定位虛擬聲源的方向上強烈地感知聲像，并且使虛擬聲源移動以給收聽者高度的存在感。因而，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20在車輛中是非常有用的，其將收聽者(即，駕駛員)的注意力吸引至特定的方向或事件上，但是可選地，該系統(tǒng)也可以在商用或家庭音頻系統(tǒng)中采用。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20電連接至車內(nèi)裝備10，車內(nèi)裝備10例如是如上所述的障礙物感測設(shè)備、智能停車輔助系統(tǒng)或?qū)Ш较到y(tǒng)。車內(nèi)裝備10用作輸出音頻信號、聲源位置信息以及聲源移動信息，其中音頻信號用于發(fā)出警告或通知，聲源位置信息指示裝配有立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20的車輛(在下文也被稱為系統(tǒng)車輛)的駕駛員將要聽到音頻信號的方向以及距該音頻信號的聲源的距離，聲源移動信息是關(guān)于如果從收聽者到聲源的方位或距離需要改變時如何移動聲源的。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20主要由聲源定位電路30、立體聲場產(chǎn)生電路40、D/A轉(zhuǎn)換器 50A和50B、放大器60A和60B以及揚聲器70A和70B構(gòu)成?？商鎿Q地，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20 可以被設(shè)計為具有三個或更多個揚聲器聲道。聲源定位電路30監(jiān)視來源于車內(nèi)裝備10的聲源位置信息和聲源移動信息，以確定虛擬聲源在三維空間內(nèi)的目標(biāo)位置。虛擬聲源由直接聲源和反射聲源構(gòu)成，直接聲源產(chǎn)生直接由收聽者聽到的聲音，每個反射聲源產(chǎn)生由直接聲音的第N階反射得到的聲音(N = 大于或等于1的整數(shù))。在實際中每個反射聲源的聲音是經(jīng)過1至4次反射的聲音。
直接聲源被定位于由車內(nèi)裝備10給出的聲源位置信息指示的位置處。第N階反射聲源被定位于從直接聲源延伸至收聽者的線的周圍。第N階反射聲源的位置將在下面詳細(xì)描述。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被設(shè)計為在下述假設(shè)下定位第N階聲源如圖2 (a)和2 (b)所示的由全部封閉的上下左右反射墻限定的空間存在于聲源和收聽者之間。當(dāng)聲源與收聽者之間存在上述封閉的空間時，如圖2(a)所示，收聽者將聽到直接從聲源發(fā)出而未在墻上發(fā)生任何反射的直接聲音和第N階反射的聲音(即，在墻上反射N 次的聲音)。因此，輸出這種直接聲音的直接聲源被設(shè)置在如圖2(a)所示的由車內(nèi)裝備10 給出的聲源位置信息指定的位置處。如圖2(b)所示，如果假設(shè)墻是鏡子，那么第N階反射聲源定位于原始聲源的鏡像出現(xiàn)的位置處。這是因為當(dāng)墻是反射聲音的墻時，從墻反射的聲音的源被視為設(shè)置在相對于墻與原始聲源對稱的位置處。結(jié)果，第1階反射聲源將位于直接聲源的鏡像出現(xiàn)的位置處。第2階反射聲源將位于第1階聲源的鏡像出現(xiàn)的位置處。第3或更高階反射聲源的位置以相同的方式被指定。因此，隨著反射聲源的階數(shù)即聲音被反射的次數(shù)增加，第N階反射聲源被定位為越遠(yuǎn)離從直接聲源延伸至收聽者的線(在下文也被稱為源至收聽者線)?？扇〉氖牵S著反射聲源的階數(shù)增加，第N階反射聲源與源至收聽者線之間的距離以指數(shù)增加。上述方式的多個第N階反射聲源的定位建立了立體(S卩，三維)聲場，該立體聲場模擬被例如墻的反射物體包圍的真實空間內(nèi)的聲音反射。如上所述，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被建造為在多個位置處建立第N階反射聲源。下面將描述第N階反射聲源的聲壓級。從振動聲源發(fā)出的球形波的聲壓由下式給出
0e jka ejG>t-jkr
剛=4^{i+jka )--f--1其中，r是距聲源的距離(m)，a是振動聲源的半徑(m)，Q是振動聲源的體積速度 (即，強度)(m3/s)，P是空氣的體積密度(kg/m3)，k是波常數(shù)(1/m)，ω是角頻率(rad/s), t是時間，以及j是虛數(shù)。由此，在微小顫動的球的半徑是無限小的情況下從點源發(fā)出的球形波的聲壓由下面的等式2、表示，聲壓級由下面的等式幻表示。
Q e Jat- JhfPj(Op *--2}|ρ( }Γ)|=α3)因此，如果將墻的反射系數(shù)定義為a( < 1)，那么第N階反射聲音的聲壓級由等式 4)給出\p(t}r)\=a 11· 4)等式4)示出了第N階反射聲音的聲壓的絕對值比原始或直接聲音的聲壓的絕對
7值小α “倍，換言之，第N階反射聲源與收聽者之間的距離比直接聲源與收聽者之間的距離增加了 1/αΝ倍。結(jié)果，當(dāng)圖3中示出的空心柱形空間(例如，隧道)存在于聲源與收聽者之間時， 在多個位置處建立第N階反射聲源是可能的，如圖4(a)至4(c)和圖5(a)至5 (c)所示。圖4(a)是示出了當(dāng)在圖3的空間中收聽者位于距聲源最遠(yuǎn)的第一位置處時第N 階反射聲源的可能布局的示例的透視圖。圖5(a)是示出了從第一位置處的收聽者觀察到的直接聲源與第N階聲源之間的位置關(guān)系的圖示。從圖3的空心柱形空間內(nèi)的聲源發(fā)出的聲音將在所有的方向上在空間的墻上被均勻地反射。該實施方式的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被建造為在繞源至收聽者線徑向地且彼此相隔45度角間隔限定的位置處形成第1至第4階反射聲音中的每個的源?？商鎿Q地，每兩個相鄰的第N階反射聲音的間隔可以是其它角度，例如30°、60°或90°，這將在下面進行詳細(xì)描述?；诿總€第N階反射聲源與收聽者之間的距離比直接聲源與收聽者之間的距離增加了 1/α N倍的事實，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20隨著反射聲源的階數(shù)即聲音被反射的次數(shù)的增加而在離收聽者更遠(yuǎn)的位置處建立第N階反射聲源。特別地，如圖4(a)所示，沿著源至收聽者線，每兩個相鄰的第N階反射聲源之間的間隔隨著從聲源發(fā)出的聲音被反射的次數(shù)的增加而增加，也就是說，隨著反射聲源的階數(shù)的增加而增加。這使得每個第N階反射聲音的聲壓級隨著其反射次數(shù)的增加而變?nèi)?，從而給收聽者聽覺上的三維感受。圖4(b)是示出了當(dāng)在圖3的空間中收聽者位于比第一位置更接近聲源的第二位置處時可以由立體聲再現(xiàn)系統(tǒng)20建立的第N階反射聲源的可能布局的示例的透視圖。圖 4(c)是示出了當(dāng)在圖3的空間中收聽者位于最接近聲源的第三位置處時可以由立體聲再現(xiàn)系統(tǒng)20建立的第N階反射聲源的可能布局的示例的透視圖。圖5(b)是示出了從位于第二位置處的收聽者觀察到的直接聲源與第N階反射聲源之間的位置關(guān)系的圖示。類似地， 圖5 (c)是示出了從位于第三位置處的收聽者觀察到的直接聲源與第N階反射聲源之間的位置關(guān)系的圖示。當(dāng)收聽者位于第二和第三位置中的每個時，類似于位于第一位置，沿著源至收聽者線，每兩個相鄰的第N階反射聲源之間的間隔被選擇為隨著從聲源發(fā)出的聲音被反射的次數(shù)的增加而增加，換句話說，隨著被反射的聲源的階數(shù)的增加而增加。如圖4(b)和4(c)所示，隨著收聽者沿源至收聽者線越接近虛擬聲源(即，直接聲源和第N階反射聲源)，在沿源至收聽者線的方向上，每個第N階反射聲源的位置變化(即， 每個第N階反射聲源與收聽者之間距離的變化率)變得大于直接聲源與收聽者的位置變化。這種位置變化(即，距離的變化率)還隨著反射聲源的階數(shù)的增加而增加。在到達人的每個耳朵之前，聲波常常在頭部(例如，鼻子)和耳廓上被反射，因此其干擾反射的波。因此，聲壓在從聲源行進至頭部、耳朵、耳鼓的過程中作為其頻率的函數(shù)而變化。這種頻率特性被稱為頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(HRTF)。頭部相關(guān)傳遞函數(shù)取決于頭部和耳朵的形狀以及聲源的位置(即，方位)。由于人知道他或她自身的頭部相關(guān)傳遞函數(shù)及其方位獨立性，所以人定位聲源的能力已知被開發(fā)。如在立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20中一樣，當(dāng)源至收聽者線徑向建立的第N階反射聲源的位置，即，每個第N階反射聲源與收聽者之間的距離或間隔，改變?yōu)榇笥谥苯勇曉磁c收聽者之間的距離或間隔變化時，將導(dǎo)致從每個第N階反射聲源發(fā)出的聲波入射到收聽者的耳朵的角度變化大于來自直接聲源的聲波入射到收聽者的耳朵的角度變化。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20 還使每個第N階反射聲源與收聽者之間的間隔的變化率隨著反射聲源的階數(shù)的增加而增加。因此，可通過以上述方式改變第N階反射聲音的入射角來實現(xiàn)頭部相關(guān)傳遞函數(shù)的值 (即，頻率特性)的顯著變化。因此，立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被設(shè)計為采用取決于第N階反射聲音的入射角的變化的聲音頻率特性的變化，來在虛擬聲源移動(尤其向收聽者移動或遠(yuǎn)離收聽者移動)時使收聽者感到高度的存在感。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被建造為使用圓錐曲線(S卩，圓錐截面)來近似地確定要建立的每個第N階反射聲源的位置。這消除了保持定位第N階反射聲源所需的虛擬環(huán)境上的大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的需要。使用圓錐曲線確定的第N階反射聲源到直接聲源的位置關(guān)系等同于實際環(huán)境中的位置關(guān)系，從而給收聽者高度的存在感。在使用圓錐曲線的情況下，源至收聽者線與每個第N階反射聲源之間的距離可能不隨著反射聲源的階數(shù)(即，聲音的反射次數(shù))的增加而以指數(shù)增加。例如，這就是使用相同的圓錐曲線確定不同階的第N階反射聲源的位置的情況。然而，通過隨著反射聲源的階數(shù)的增加而增加源至收聽者線與每個第N階反射聲源之間的距離，建立三維聲場。下面將描述如何使用圓錐曲線確定第N階反射聲源的位置。圓錐曲線(也稱為圓錐截面)是用于指通過使圓錐與不通過圓錐頂點的平面相交而獲得的曲線的遺傳學(xué)術(shù)語。 圓錐曲線在數(shù)學(xué)上表示為
C￡5}
1 + e cos φ其中，e是離心率。當(dāng)離心率e的值在0 < e < 1的范圍時，圓錐曲線將是橢圓。 當(dāng)離心率e的值為1(即，e= 1)時，圓錐曲線將是拋物線。當(dāng)離心率e的值大于1(即，e > 1)時，圓錐曲線將是雙曲線。將簡單地描述圓錐曲線的類型。假設(shè)，例如存在在空間中的點0( S卩，頂點)處彼此交叉的直線m和1。當(dāng)線1繞線m(S卩，軸線)旋轉(zhuǎn)時，線1(8卩，母線)將在頂點0上下畫出兩個直立圓錐。通過切過圓錐的平面與線1(即，母線)形成的角限定橢圓、拋物線或雙曲線。離心率e是用于指平面相對于母線1的傾斜或角度的定義。當(dāng)平面平行于母線1 時，將出現(xiàn)拋物線。當(dāng)平面不平行于母線1延伸穿過兩個圓錐中的任一個時，將出現(xiàn)橢圓。 當(dāng)平面不平行于母線1延伸穿過兩個圓錐時，將在兩個圓錐的每個處出現(xiàn)雙曲線。當(dāng)平面垂直于軸線m延伸時，將出現(xiàn)可用于對第N階反射聲源的位置進行確定的圓。圖6是示出了由平面與圓錐相交產(chǎn)生的橢圓、拋物線和雙曲線的圖。通過使圖6 的平面如箭頭所示繞軸線旋轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致橢圓、拋物線和雙曲線轉(zhuǎn)換為三維幾何結(jié)構(gòu)或曲面。 在所選擇的一個曲面上建立直接聲源和第N階反射聲源。特別地，直接聲源位于頂點處，如圖6的左側(cè)上所示的。如上所述，隨著反射聲源的階數(shù)的增加，第N階反射聲源被定位為更遠(yuǎn)離直接聲源。在曲面上，每兩個相鄰的第N階反射聲源之間的間隔還隨著反射聲源的階數(shù)的增加而增加。直接聲源和第N階反射聲源在每個曲面上的位置通過上述方式確定并存儲在聲源定位電路30中。圖7示出了直接聲源與第N階反射聲源在由離心率e為1. 5時的雙曲線限定的雙曲面上的布局的示例。圖8示出了直接聲源與第N階反射聲源在由離心率為1時的拋物線限定的拋物面上的布局的示例。圖9示出了直接聲源和第N階反射聲源在由離心率為0. 5 時的橢圓限定的橢圓表面上的布局的示例。圖7至9中的直接聲源和第N階反射聲源的布局非常類似于圖5(a)至5(c)中的布局。這意味著使用圓錐曲線(即，橢圓、拋物線或雙曲線)的外形來確定相對于直接聲源要建立的第N階反射聲源的位置。這消除了保持定位第N階反射聲源所需的虛擬環(huán)境上的大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的需要。使用圓錐曲線確定的第N階反射聲源到直接聲源的位置關(guān)系等同于實際環(huán)境中的第N階反射聲源與直接聲源的位置關(guān)系，從而給收聽者高度的存在感?？梢宰鳛樘摂M聲源(S卩，直接聲源)需要被定位為距收聽者的距離的函數(shù)來確定圓錐曲線(即，橢圓、拋物線和雙曲線)中的哪一個應(yīng)該用于確定直接聲源與第N階反射聲源之間的位置關(guān)系。通過改變用于不同階的反射聲源的離心率e來優(yōu)選地改變用于確定第 N階反射聲源的位置的圓錐曲線的形狀，以如圖4(a)所示，增強使每個第N階反射聲源與源至收聽者線之間的距離隨著反射聲源的階數(shù)的增加而增加。利用不同值的離心率e限定的多個橢圓或雙曲線可用于建立作為虛擬聲源與收聽者之間的距離的函數(shù)的直接聲源與第N階反射聲源之間的多個位置關(guān)系。在圖3所示的空心柱形空間(例如，隧道)存在于聲源與收聽者之間的情況下進行了上述的討論，使得從聲源發(fā)出的聲波在所有方向上在周圍的墻上被均勻地反射。反射的聲音從哪個方向發(fā)出取決于存在于聲源與收聽者之間的空間構(gòu)造。特別地，當(dāng)空間是橫截面中的圓形時，第N階反射聲源被定位在彼此相隔45度角間隔θ的位置處，如圖10(a) 中所示，或者定位在彼此相隔30度角間隔θ的位置處。當(dāng)空間是例如美術(shù)館或禮堂的立方體時，如圖11(a)所示，聲音由上下左右墻反射。因此，第N階反射聲源是以彼此相隔90°的角間隔θ建立的，如圖11(a)和11(b)所
7J\ ο可從上述討論看出，反射聲音取決于收聽者與反射表面之間的位置關(guān)系。因此，由立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20產(chǎn)生的聲場包括與周圍環(huán)境的形狀相關(guān)的信息。相反地，可基于將由立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20產(chǎn)生的聲場的空間的幾何結(jié)構(gòu)，來確定要建立的第N階反射聲源的位置。 然而，第N階反射聲源不一定繞源至收聽者線彼此等間隔地排列。例如，第N階反射聲源可在繞聲源180°的范圍內(nèi)建立，以形成由半圓墻為界限的空間內(nèi)的聲場?？蛇x地，第N階反射聲源可建立在四個圍墻中的僅三個上(例如，圖11(a)中的圍墻)，以在具有被定向在單個特定方向的開口的封閉空間中形成聲場。接下來，在下面將詳細(xì)描述立體聲場產(chǎn)生電路40。立體聲場產(chǎn)生電路40用作產(chǎn)生聽覺信號，使得收聽者將聽到直接聲音和反射聲音，就像它們來自由聲源定位電路30排列的直接聲源和第N階聲源一樣。通過立體聲場產(chǎn)生電路40輸出的聽覺信號通過D/A轉(zhuǎn)換器50A和50B轉(zhuǎn)換為模擬聽覺信號。模擬聽覺信號通過放大器60A和60B放大，然后從揚聲器70A和70B輸出。兩個揚聲器70A和70B設(shè)置在相對于收聽者預(yù)先選定的位置處。收聽者通過他的耳朵聽到通過揚聲器70A和70B再現(xiàn)的聽覺信號。存在揚聲器70A和70B中的四個傳播通道(即，路線)和收聽者的左右耳。聽覺信號的波形在行進過程中根據(jù)傳播通道中的每個的條件改變(即，用于耳朵的頭部相關(guān)傳遞函數(shù))。對于來自上下左右方向的聲波的入射
10角，頭部相關(guān)傳遞函數(shù)是不同的。還有從直接聲源和每個第N階反射聲源的位置延伸至收聽者的左耳和右耳中的每個的傳播通道。從每個聲源輸出的聽覺信號的波形根據(jù)針對傳播通道的相應(yīng)一個通道的頭部相關(guān)傳遞函數(shù)改變。當(dāng)從每個聲源傳送至收聽者的左耳和右耳的聽覺信號的波形與從揚聲器70A和70B傳送至收聽者的左耳和右耳的聽覺信號的波形一致時，將導(dǎo)致收聽者感覺每個聲源就像置于由聲源定位電路30指定的位置處一樣。如圖12所示，立體聲場產(chǎn)生電路40由直接聲源定位電路41和第N階反射聲源定位電路42、43和44組成。為了方便說明，圖12示出了兩個第1階反射聲源定位電路42和 43以及一個第N階反射聲源定位電路44，然而，立體聲場產(chǎn)生電路40實際上裝配有如要求通過聲源定位電路30虛擬建立的第N階反射聲源一樣多的第N階反射聲源定位電路。例如，在立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)20被設(shè)計為建立最大四個第1階反射聲源、最大四個第2階反射聲源和最大四個第3階反射聲源的情況下，立體聲場產(chǎn)生電路40包括四個第1階反射聲源定位電路、四個第2階反射聲源定位電路和四個第3階反射聲源定位電路。直接聲源定位電路41裝配有直接聲源建立電路41a和濾波器41c。直接聲源建立電路41a使用上述頭部傳遞函數(shù)中的相應(yīng)一個函數(shù)基于要求要建立的直接聲源的特定位置而計算傳遞函數(shù)，使得從揚聲器70A和70B輸出且到達收聽者的左耳和右耳的聽覺信號的波形可以與從直接聲源的位置到達收聽者的左耳和右耳的聽覺波的波形匹配。在濾波器41c中設(shè)定所計算的傳遞函數(shù)。類似地，第N階反射聲源42、43和44分別裝配有第N階反射聲源建立電路42a、43a和44a以及濾波器42c、43c和44c。第N階反射聲源建立電路 42a、43a和4 中的每個電路使用頭部相關(guān)傳遞函數(shù)中的相應(yīng)一個函數(shù)基于要求要建立的第N階反射聲源中的相應(yīng)聲源的特定位置而計算傳遞函數(shù)，使得從揚聲器70A和70B輸出且到達收聽者的左耳和右耳的聽覺信號的波形可以與從第N階反射聲源中的相應(yīng)聲源的位置到達收聽者的左耳和右耳的聽覺波的波形匹配。在濾波器42c、43c和Mc中的相應(yīng)濾波器中設(shè)定所計算的傳遞函數(shù)。如上所述，針對直接聲源和第N階反射聲源到收聽者耳朵的入射角來預(yù)先確定頭部相關(guān)傳遞函數(shù)，并且將該頭部相關(guān)傳遞函數(shù)分別存儲在直接聲源定位電路和第N階反射聲源定位電路42、43和44中。以上述方式得到的傳遞函數(shù)用作濾波器41c、42c、43c和44c，以對從車內(nèi)裝備10 輸出的音頻信號執(zhí)行卷積操作，以產(chǎn)生將由揚聲器70A和70B再現(xiàn)的聽覺信號。立體聲場產(chǎn)生電路40還包括加法器45A和45B。加法器45A和45B中的每個加法器將由濾波器41c、 42c、43c和Mc產(chǎn)生的聽覺信號相加，以將組合的聽覺信號輸出至揚聲器70A和70B中的相應(yīng)揚聲器。收聽者聽到通過揚聲器70A和70B再現(xiàn)的聽覺信號，并以高現(xiàn)實感知度感知聲音，就像它們來自通過聲源定位電路30布置的直接聲源和第N階聲源一樣。如上所述，直接聲源定位電路41和第N階反射聲源定位電路42、43和44包括直接聲源建立電路41a和第N階反射聲源建立電路42a、43a和44a。直接聲源建立電路41a 和第N階反射聲源建立電路42a、43a和4 確定收聽者與直接聲源和第N階反射聲源之間的目標(biāo)距離及其目標(biāo)三維方位，以建立由聲源定位電路30指定的聲源的空間布局。直接聲源建立電路41a和第N階反射聲源建立電路42a、43a和4 還計算音頻信號的延遲時間， 其作為上述確定的距離和所需的音頻信號的壓力級的函數(shù)。如上所述，傳遞函數(shù)是基于到直接聲源和第N階反射聲源的距離和方位得到的，并分別被設(shè)定在濾波器41c、42c、43c和44c 中。第N階反射聲音定位電路42、43和44還分別包括反射系數(shù)控制器42b ,43b和44b。 反射系數(shù)控制器42b、4!3b和44b中的每個控制器均響應(yīng)來自收聽者的請求，來控制或確定聲波在收聽者所在的三維空間的墻上的反射的系數(shù)。然后，反射系數(shù)控制器42b、4!3b和44b 基于所確定的反射系數(shù)，校正通過第N階反射聲源建立電路42a、43a和4 計算的聲壓，從而建立收聽者感興趣的三維聲場。盡管本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選的實施方式公開以便于更好地理解，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明可以在不偏離本發(fā)明的原理的情況下以各種方式實施。因此，本發(fā)明應(yīng)被理解為包括所有可能的實施方式和可以被實施而不偏離如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明原理的所示實施方式的修改。例如，聲源定位電路30可替換地被設(shè)計為使用除了上述的圓錐截面以外的已知的技術(shù)，確定直接聲源與第N階反射聲源之間的目標(biāo)位置關(guān)系。聲源定位電路30還可以被設(shè)計為確定第N階反射聲源的目標(biāo)位置，使得它們朝向收聽者或遠(yuǎn)離收聽者移動，同時保持到源至收聽者線的距離恒定。在這種情況下，僅收聽者與第N階反射聲源之間的距離改變，因而便于第N階反射聲源到直接聲源的位置關(guān)系的數(shù)學(xué)計算。第N階段反射聲源朝向收聽者或遠(yuǎn)離收聽者的移動導(dǎo)致第N階反射聲源到收聽者的耳朵的入射角的改變，從而給收聽者高度的存在感。
權(quán)利要求
1.一種立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，包括至少兩個音頻信號輸出設(shè)備，其輸出聲音形式的音頻信號，以在收聽者周圍的三維空間中的期望位置處建立虛擬聲源，從而產(chǎn)生三維聲場，所述虛擬聲源包括直接聲源和第N 階反射聲源，所述直接聲源產(chǎn)生直接由所述收聽者聽到的直接聲音，所述第N階反射聲源產(chǎn)生由所述直接聲音的反射導(dǎo)致的第N階反射聲音，其中，N是大于或等于1的整數(shù)；直接聲源定位電路，其產(chǎn)生音頻信號，以將所述直接聲源定位至所述三維空間中的所述期望位置；反射聲源定位電路，其產(chǎn)生音頻信號，以將相同階的第N階反射聲源定位至在從所述直接聲源延伸至所述收聽者的源至收聽者線周圍指定的所述期望位置；以及音頻信號組合電路，其將由所述直接聲源定位電路和所述反射聲源定位電路產(chǎn)生的所述音頻信號進行組合，以產(chǎn)生將要分別從所述音頻信號輸出設(shè)備輸出的音頻信號。
2.如權(quán)利要求1所述的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述反射聲源定位電路用作定位所述第N階反射聲源，以使每個所述第N階反射聲源到所述源至收聽者線之間的距離隨著所述第N階反射聲源的階數(shù)的增加而增加。
3.如權(quán)利要求2所述的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，每個所述第N階反射聲源到所述源至收聽者線之間的距離隨著所述第N階反射聲源的階數(shù)的增加而以指數(shù)增加。
4.如權(quán)利要求2所述的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述反射聲源定位電路用作將所述第N 階反射聲源定位至一位置，所述位置被指定為隨著所述第N階反射聲源的階數(shù)的增加而沿著所述源至收聽者線更加遠(yuǎn)離所述收聽者的位置。
5.如權(quán)利要求4所述的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述反射聲源定位電路用作定位所述第N階反射聲源，使得所述第N階反射聲源中的每兩個相鄰反射聲源之間的距離隨著所述第N階反射聲源的階數(shù)的增加而增加。
6.如權(quán)利要求1所述的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述第N階反射聲源的位置隨時間朝向所述收聽者或者遠(yuǎn)離所述收聽者移動，并且其中，隨著所述第N階反射聲源沿著所述源至收聽者線相對于所述收聽者移動，在沿著所述源至收聽者線的方向上，每個所述第N階反射聲源與所述收聽者之間的距離的變化率變得大于所述直接聲源與所述收聽者之間的距離的變化率。
7.如權(quán)利要求1所述的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述第N階反射聲源的位置是使用圓錐曲線近似地確定的。
8.如權(quán)利要求1所述的立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)安裝在車輛中，以允許車輛擁有者感知來自特定方向的信息或警告聲音。
全文摘要
提供了一種立體聲再現(xiàn)系統(tǒng)，其通過例如揚聲器輸出聲音形式的音頻信號，以在收聽者周圍的三維空間中的期望位置處建立虛擬聲源，以產(chǎn)生三維聲場。該虛擬聲源包括直接聲源和第N階反射聲源，直接聲源產(chǎn)生直接由收聽者聽到的直接聲音，第N階反射聲源產(chǎn)生由直接聲音的反射導(dǎo)致的第N階反射聲音。立體聲產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生音頻信號，以將相同階的第N階反射聲源定位至在從直接聲源延伸至收聽者的源至收聽者線周圍指定的期望位置，從而給收聽者三維空間感受。
文檔編號H04S5/00GK102413415SQ20111028229
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者伊能寬, 澤田護 申請人:株式會社電裝