專利名稱：陣列揚聲器系統(tǒng)的制作方法
陣列揚聲器系統(tǒng)
本發(fā)明針對揚聲器陣列及使用揚聲器陣列的方法。更具體地，本發(fā)明的目的在于使用這樣的陣列改善可得到的聲音質(zhì)量的方法。
陣列揚聲器在本領(lǐng)域中是已知的(例如，參見US7, 577，260)。包括數(shù)字地控制的聲換能器的延遲陣列的陣列揚聲器能夠同時形成幾個/許多選擇性地指向和聚焦的聲音波束，每個聲音波束攜帶不同通道的聲信息(例如，在針對前立體聲、5.1環(huán)繞聲等的3.1、5.1,7.1,9.1等的配置中)。單獨的波束可用于在用戶處或直接地或通過使聲音波束從墻壁、地板和天花板或其它聲音反射表面或物體反彈而從不同的方向引導(dǎo)聲音。在用于創(chuàng)建環(huán)繞聲感覺的陣列揚聲器的正常使用中，前通道信號在收聽區(qū)域(其中是聽眾)被直接引導(dǎo)，同時波束焦距被設(shè)置為固定距離，該固定距離被選擇以優(yōu)化聽眾之間的該通道的聲音的均勻分布(通常這最好被設(shè)置在負(fù)焦距長度處，即，給出定位在換能器陣列后面的虛焦點)；前-左和前-右通道信號通常借助左和右墻壁反彈(分別)被引導(dǎo)到收聽區(qū)域，使得來自這些通道的主要聲音從墻壁的方向到達聽眾，這大大增強了左和右通道的分離感，并且提供了寬的空間收聽體驗；后左和后右通道通常被彈離側(cè)壁(而且陣列揚聲器允許垂直波束操控以及水平波束操控的地方，也被彈離天花板)并且隨后被彈離后壁，以最終從與陣列揚聲器相反的方向(即從聽眾后面)到達收聽區(qū)域，以給予強烈的“環(huán)繞聲”感覺。在所有這些情況下，通常一旦被設(shè)置好，所有通道聲音波束的方向、增益、頻率響應(yīng)和焦距在收聽會話的持續(xù)時間內(nèi)是固定的，除非用戶主動介入以手動修改它們(例如，通過遠程控制)。
人耳/腦系統(tǒng)通過注意到達右耳和左耳的信號之間的細(xì)微差別確定傳入的聲音的方向，該細(xì)微差別主要是振幅差、相對時間延遲和微分頻譜定形。所有這些影響由頭的幾何結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)造成一主要是因為這將兩個耳孔放置在了空間中的不同位置，且在兩耳和任何聲音的來源之間，存在差異地遮蓋、吸收和衍射結(jié)構(gòu)。兩耳之間的響應(yīng)中的差異被歸納為頭相關(guān)變換函數(shù)(HRTF)，其是頻率和聲音來源相對于某一基準(zhǔn)例如在水平面前方的直線的角位置的函數(shù)。它遵循該HRTF被定義的方式，即，如果聲音的來源被傳遞到聽眾的每只耳朵的區(qū)域，同時耳朵信號之間的差異與特定的聲音來源的方向THETA(3D角)的HRTF相同，那么聽眾將把聲音的位置感知為方向THETA，即使它可能由例如耳機直接傳遞到耳朵。這樣的到兩只耳朵的基于HRTF的聲音傳遞可被很好地描述為3D聲，在如果被準(zhǔn)確地完成這個意義上，聽眾可以感知真實的或完全人工合成的完整的3D聲景觀(scape)。
傳遞基于HRTF的3D聲(下文僅稱為3D聲)的許多方法在本領(lǐng)域中被提出。如上所述，最簡單的方法可能是借助耳機，但這在實踐中對聽眾往往是不方便的，如果聽眾正在移動時根本是困難的，而且對于多個聽眾需要多套耳機。此外，使用耳機時，如果聽眾移動她的頭，那么她將具有令人不安的隨她的頭而移動的聲場的感受，這破壞了該魅力并且聽起來不再‘真實’。耳機傳遞3D聲的一個主要優(yōu)點是，它是簡單的，幾乎完全消除了兩個耳朵信號之間的串?dāng)_——其可以精確地將左信號傳遞到左耳并將右信號傳遞到右耳。
為了避免使用耳機將3D聲傳遞給聽眾或多個聽眾的實際問題，在本領(lǐng)域中許多方法被提出，所述方法用于使用遠離聽眾的兩個或多個揚聲器傳遞3D聲。當(dāng)這樣做時，待解決的最重要的新問題是減小兩個耳朵信號之間的串?dāng)_，使得左耳或多或少只聽到左信號，且對于右側(cè)同上，即使兩耳現(xiàn)在暴露于兩個揚聲器。這個問題及其解決方案被籠統(tǒng)地稱為串?dāng)_消除(XTC)。
如果兩個揚聲器被用于傳遞3D聲，那么它們必須被分開某個最小距離Dmin，該最小距離Dmin由揚聲器的物理尺寸(并且類似的考慮事項適用于兩個以上的揚聲器)確定。凡是期望小的分離的地方，在例如眾所周知的立體聲偶極XTC實現(xiàn)方式中，那么將被使用的揚聲器的尺寸受所需的分離限制，這反過來對可傳遞的聲音質(zhì)量和振幅具有負(fù)面影響。
用于傳遞3D聲的大多數(shù)XTC解決方案做出了如下假設(shè):聲音的傳遞和收聽發(fā)生在基本上無回聲的環(huán)境中，使得待被串?dāng)_消除的唯一的信號直接從揚聲器中產(chǎn)生。然而，實際上，大多數(shù)實際收聽環(huán)境包含反射和衍射物體，并且通常被一個或多個墻壁、地板和天花板圍繞。在這樣的真實環(huán)境中，間接到達聽眾的耳朵的被散射的聲音——即從揚聲器中通過來自物體和/或地板/墻壁/天花板的一個或多個反射/衍射——與來自揚聲器的直接聲音相比可具有非常顯著的大小，并且在這樣的情況下，用傳統(tǒng)設(shè)備可實現(xiàn)的XTC的程度急劇下降，往往下降到不能工作的級別。大多數(shù)分立揚聲器的基本無方向性的特性加劇了這個問題一聲換能器的物理特性確保凡是揚聲器的輻射部分明顯小于被發(fā)射的聲音的波長的地方，那么其輻射或多或少地被均勻分布在所有方向(至少，它將具有非常寬的波束角)。因為與音階上的中間的C等效的頻率的波長是大約四英尺(完全超過一米)，所以變得清楚的是，甚至中等大的h1-fi揚聲器(大約8英寸的錐體)名義上是無方向性的，直到頻率完全超過ΙΚΗζ。言外之意是，用于為聽眾傳遞3D聲的真正的實際的揚聲器也還將把聲音或多或少地分布在聽音室周圍，這導(dǎo)致非常多的不需要的后向散射到達聽眾的耳朵且大大削弱了本領(lǐng)域中已知的XTC的形式中的任何的功效。雖然在原則上可以設(shè)想的是針對特定的聽音室以及在該房間中揚聲器和聽眾的特定位置調(diào)整XTC處理過程，但這樣的過程將是復(fù)雜的、麻煩的并且不大可能產(chǎn)生顯著改善的結(jié)果，以及對于大多數(shù)聽眾是不實用的。
圖像分析和分割以及對象識別過程在現(xiàn)有技術(shù)中也是已知的，其當(dāng)被應(yīng)用于代表真正的三D場景的視頻信號時能夠或多或少實時地提取與正被觀察的場景中的一個或多個對象有關(guān)的圖像特征?，F(xiàn)今，這些例如通常被發(fā)現(xiàn)在視頻攝像機中，視頻攝像機能夠識別場景中的一個或多個人(或也許只是人的臉)，以識別這些人的位置(例如，通過在攝像機的顯示屏上顯示包圍框)，以及甚至在一些情況下確定圖像中的人中的哪些正在笑或眨眼。
本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，其具有包括至少部分地分布在左到右的方向上并被配置成至少產(chǎn)生左聲音波束和右聲音波束的多個換能器的揚聲器陣列，其中，所述系統(tǒng)被配置成使得:
所述左聲音波束使用第一變跡模式在第一方向上被引導(dǎo)；
所述右聲音波束使用第二變跡模式在第二方向上被引導(dǎo)；
所述第一方向和所述第二方向在所述左到右的方向上具有不同的分量；以及
所述第一和第二變跡模式中的至少一個關(guān)于穿過揚聲器陣列的中心的垂直軸線是不對稱的。
用于被引導(dǎo)的波束中的至少一個波束的非對稱變跡為用戶提供了更好的波束分離的感覺，這當(dāng)在立體聲或環(huán)繞聲系統(tǒng)中被實現(xiàn)時提供了更好的立體聲或環(huán)繞聲效果。
任選地，第一和第二變跡模式各自關(guān)于穿過揚聲器陣列的中心的垂直軸線是不對稱的。在優(yōu)選實施方式中，兩個波束中的兩者都被非對稱地變跡。
任選地，第一和第二變跡模式彼此不同。
任選地，第一方向朝向左側(cè)，且第二方向朝向右側(cè)。這是優(yōu)選設(shè)置。
任選地，波束被差分地變跡，使得它們聽起來來源于所述陣列的不同部分。
任選地,聲音波束的來源的視在位置(apparent location)是偏離中心的。
任選地，左聲音波束的來源的視在位置在中心的左側(cè)，且右聲音波束的來源的視在位置在中心的右側(cè)。
任選地，所述揚聲器陣列包括以規(guī)則模式分布的多個換能器。可選地，可以使用不規(guī)則的布置。
任選地，所述揚聲器陣列包括分布在水平排列的行中的多個換能器。
任選地，所述第一和第二變跡模式分別是窗函數(shù)，該窗函數(shù)具有峰值并平滑衰減遠離所述峰值。
任選地，所述第一和第二變跡模式從如下窗函數(shù)中選擇:
(a) Hann 窗；
(b)余弦窗；
(c) Hamming 窗；
(d) Kaiser 窗；
(e) Chebyshev 窗。
任選地，每個波束帶有3D聲音節(jié)目的不同分量，且串?dāng)_消除(XTC)被應(yīng)用。已知的XTC算法可被使用。
任選地，所述左波束被引導(dǎo)朝向聽眾的左耳，且所述右波束被引導(dǎo)朝向聽眾的右耳。
任選地，在陣列的左手端處的換能器中的一個或多個換能器與右波束信號斷開，且任選地，在陣列的右手端處的換能器中的一個或多個換能器與左波束信號斷開，或反之亦然。
本發(fā)明還包括一種使用揚聲器陣列弓I導(dǎo)左聲音波束和右聲音波束的方法，所述揚聲器陣列包括至少部分地分布在左到右的方向上的多個換能器；所述方法包括:
使用第一變跡模式在第一方向上引導(dǎo)所述左聲音波束；
使用第二變跡模式在第二方向上引導(dǎo)所述右聲音波束；
其中所述第一方向和所述第二方向在所述左到右的方向上具有不同的分量；并且
其中所述第一和第二變跡模式中的至少一個變跡模式關(guān)于穿過揚聲器陣列的中心的垂直軸線是不對稱的。
任選地，所述第一和第二變跡模式各自關(guān)于穿過揚聲器陣列的中心的垂直軸線是不對稱的。
任選地，第一和第二變跡模式彼此不同。
任選地，所述第一方向朝向左側(cè)，且所述第二方向朝向右側(cè)。
任選地，波束被差分地變跡，使得它們聽起來似乎來源于所述陣列的不同部分。
任選地，聲音波束的來源的視在位置是偏離中心的。
任選地，左聲音波束的來源的視在位置在中心的左側(cè)，且右聲音波束的來源的視在位置在中心的右側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，通過針對左耳和右耳波束不同地變跡(加窗)所述陣列，預(yù)定于左耳的波束或多個波束的有效來源位置相對于預(yù)定于右耳的波束或多個波束的有效來源位置被不同地定位。
根據(jù)本發(fā)明的可選特征，陣列揚聲器被用于為用戶提供3D聲。這可以通過對由陣列傳輸?shù)男盘枒?yīng)用串?dāng)_消除(XTC)函數(shù)來實現(xiàn)，且這可以涉及使用一個或多個頭相關(guān)變換函數(shù)(HRTF)。
現(xiàn)在，本發(fā)明將將僅僅借助非限制性實例、參照附圖被進一步描述，其中:


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的水平的線陣列及用于左和右波束的相應(yīng)的變跡模式；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的水平的線陣列及用于左和右波束的相應(yīng)的變跡模式；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的水平的線陣列和用于左和右波束的相應(yīng)的變跡模式；
圖4示出了左和右聲音波束分別被指向聽眾的左耳和右耳的附近的揚聲器陣列的平面圖。
揚聲器陣列可被用來在特定的方向上引導(dǎo)波束，使得波束遵循特定的路徑。我們先前在W001/23104和W002/078388中已經(jīng)公開了使用揚聲器陣列以沿不同的路徑至少引導(dǎo)左和右聲音波束。該路徑可以例如路由聲音指向聽眾。然而，可以通過選擇涉及墻壁反彈的路徑提供優(yōu)異的效果，使得左聲音波束從左側(cè)壁的方向接近聽眾并且右聲音波束從右側(cè)壁的方向接近聽眾。這些文件的公開通過引用并入本文，并且本發(fā)明適用于所述路徑包括墻壁反彈的系統(tǒng)以及使用引導(dǎo)路徑的系統(tǒng)。
本發(fā)明的第一至第三實施方式將參照水平地排列的線陣列描述。這種類型的陣列具有沿水平方向布置的單行的輸出換能器(即揚聲器)。至少需要兩個換能器，且優(yōu)選有若干換能器。圖1至圖3示出了九個換能器，但在實踐中更多或更少的換能器可被使用。例如，至少6個，優(yōu)選至少10個，更優(yōu)選至少15個和最優(yōu)選至少20個換能器被使用。本發(fā)明同樣適用于二維陣列，其使換能器也在垂直方向上延伸。無論是使用線性還是二維陣列，方便的是換能器以規(guī)則的模式被布置。對于線陣列，這意味著相鄰換能器之間的間隔是恒定的。對于二維陣列，這意味著間距例如通過使用正方形或三角形柵格的換能器是一致的?？蛇x地，換能器可被不規(guī)則地布置，其可以具有與在W003/034780和W02006/030198中所討論的一樣的有用的效果。
對于揚聲器陣列，變跡函數(shù)本身是已知的。它們已被證明在減少當(dāng)設(shè)法引導(dǎo)聲音波束時能夠顯露出來的旁瓣上是有效的?！芭园辍笔窃诓恍枰姆较蛏蟼鞑サ牟恍枰穆曇舨ㄊ?。在現(xiàn)有技術(shù)中公開的變跡函數(shù)是關(guān)于陣列的垂直中心線對稱的并且以與右聲音波束相同的方式被應(yīng)用于左聲音波束。這是因為這樣的變跡函數(shù)的功能是減少旁瓣，并且居中的和相同的變跡函數(shù)提供了最好的旁瓣減少。
如果用于波束的變跡函數(shù)A (X，y)關(guān)于物理陣列的中心是對稱的(在1_D或2_D陣列中)，則該波束的有效來源位置將是該物理陣列的中心。更精確地，對于具有N個換能器的線陣列，其中第i個換能器TXi具有沿陣列Xi的位置和相對增益Gi,則陣列的聲中心XAc等于全部換能器的增益的第一力矩Mx，它們各自被其各自的變跡參數(shù)Ai加權(quán)，其中0〈=Ai〈=l。
Mx=G1.X1.A^G2.X2.A2+...+Gn.Xn.An。
然而，如果用于波束的變跡函數(shù)A(x，y)關(guān)于物理陣列的中心是不對稱的，例如，具有朝向陣列的中心的左側(cè)的更大的總加權(quán)值，那么用于該波束的有效聲源位置(或如上面所定義的聲中心)將是該物理陣列的中心的左側(cè)。對于I到j(luò)波束中每一個，通過適當(dāng)調(diào)整換能器加權(quán)值A(chǔ)u(波束變跡加權(quán)值)，每個波束的有效來源位置可被調(diào)整為陣列的輪廓線內(nèi)的任何地方，但來源位置(聲中心)越靠近物理陣列的邊緣移動，則總的輻射功率通常將越弱，這是因為許多加權(quán)值此時通常將小于一。通過對由陣列產(chǎn)生的兩個或兩個以上的波束中的每個使用依賴波束的變跡函數(shù)，陣列內(nèi)的波束來源位置(即波束聲中心)可被調(diào)整。這可以被用于提供立體聲分離效果并且當(dāng)優(yōu)化XTC時是特別有用的。因此，本發(fā)明可以實現(xiàn)真正的立體聲/3D聲的最佳聽眾感受。
因此，本發(fā)明在一方面提供了至少一種非對稱的變跡模式。這允許左和右波束的有效來源位置彼此偏移，其有助于進一步減少串?dāng)_。優(yōu)選地，該變跡模式是各自不對稱的并且對于左和右波束是不同的。左波束和右波束優(yōu)選在不同的方向上被引導(dǎo)，而且這有助于進一步提高聲音分離的感覺。
在本領(lǐng)域兩個揚聲器的HRTFXTC系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)下，兩個單獨的聲音的來源必定與彼此空間地分開，因為它們由兩個單獨的揚聲器發(fā)射。然而，為了在到達聽眾的右耳和左耳的信號中產(chǎn)生顯著的差異，所述兩個來源在任何情況下必須沿與朝聽眾的方向成直角的水平方向被空間地分開。因為小的揚聲器或多或少在感興趣的頻率范圍內(nèi)時非定向的，所以假設(shè)沒有這樣的L-R空間來源分離，則到達聽眾的兩耳的信號將或多或少地是相同的，并且可以實現(xiàn)非常少的XTC。
當(dāng)陣列揚聲器取代一對小的來源被使用時，這可以被布置成在垂直于聽眾方向的L-R方向上具有顯著的物理范圍，而且可被做成在通過陣列和聽眾的頭部的平面中具有顯著的指向性。使用整體(未變跡的)陣列以產(chǎn)生兩個波束，L和R信號各自使用一個波束，導(dǎo)致L和R來源位置(聲中心)的精確重合，其與分立的兩個揚聲器的來源的情況完全不同，其中，這種效果實際上是不可能的；在這樣的情況下，假設(shè)兩個波束直接被引導(dǎo)在聽眾頭部，則再次地，將沒有產(chǎn) 生顯著的XTC的可能性。然而，該陣列允許所述兩個波束在不同的方向上被操縱，例如，L-波束被操縱到達聽眾的L耳的附近，而在R-波束到達聽眾的R耳的附近，并且由于在使用適當(dāng)長度的陣列時可能獲得相對窄的波束寬度，所以這兩個波束可以產(chǎn)生明顯不同的信號到達聽眾的L和R耳并且良好的XTC是可實現(xiàn)的，即使在物理地重合的L和R來源位置(即，在陣列的重心的聲中心處的兩個來源位置)的情況下。這種L-R耳信號分離的效果還可通過使L和R波束聚焦在距該陣列的距離處進一步增強，該距離與對應(yīng)的聽眾的L和R耳朵的距離類似。
因為在實踐中，即使當(dāng)操縱到適當(dāng)?shù)夭煌奈恢脮r，兩個被操縱的波束仍然在聽眾的耳朵附近有些重疊，所以可能的是通過也沿陣列的直線分離波束來源位置進一步提高該系統(tǒng)。一種實現(xiàn)這個的簡單的方法是使在陣列的R-手端的陣列換能器中的一個或多個從L-波束中斷開，并且任選地，同樣使在陣列的L-手端的陣列換能器中的一個或多個與R-波束斷開，或反之亦然。這具有使L-波束的有效來源位置偏離到陣列的中心的左側(cè)的位置并使R-波束的有效來源位置(聲中心)偏離到陣列的中心的右側(cè)的位置的效果。有了這樣的安排，即使當(dāng)聽眾或多或少在軸線上時直接向前地(垂直于陣列的平面)引導(dǎo)兩個波束(或直接朝向聽眾，而無論她恰巧被定位在什么地方)，某些L/R-耳的XTC以與傳統(tǒng)的兩個揚聲器的布置類似的方式是可實現(xiàn)的，但具有添加的優(yōu)點，即陣列的指向性將更少的聲音發(fā)送到聽音室的其它部分，并且由于減少了接著而來的反向散射，因此增強了總的XTC。這種組合L & R來源分離的方法，同時差異地操縱波束(即每一個波束到達合適的聽眾的耳朵)，進一步增強了可實現(xiàn)的XTC的水平。從一個或兩個波束中斷開一個或多個換能器的副效應(yīng)是由此形成的縮短陣列的指向性與全陣列的指向性相比被降低，從而增加到達另一耳朵的波束的溢出(即到達右耳的左波束，且反之亦然)，其然后損害可實現(xiàn)的XTC的水平。另一副效應(yīng)是減少了由每個這樣的減小的陣列可實現(xiàn)的最大SPL (聲壓級)，其它所有都相同。這些損害可以在每種情況(即每個特定的陣列設(shè)計、所需的XTC的頻帶和所需的聽眾SPL)下被仔細(xì)地判定，以便保持波束寬度和來源分離的最好特征。
被調(diào)節(jié)成適合于傳輸?shù)阶蠛陀叶牟ㄊ杀环Q為左耳波束和右耳波束或LE-波束和RE-波束。這些LE和RE波束不同于傳統(tǒng)的L和R立體聲通道，因為它們攜帶HRTF和XTC信號，而不是純粹的左和右通道信息。
在一種形式中，本發(fā)明包括陣列揚聲器，其包括至少部分地分布在左到右的方向上的多個揚聲器換能器，其優(yōu)選以相控陣列或?qū)拵?shù)字延遲陣列的方式被使用以形成至少兩個聲音波束。這兩個波束可被表示為L-波束和R-波束，或者如果它們包括XTC編碼則可被表示為LE-波束和RE-波束。因此，LE-波束和RE-波束分別攜帶包括HRTF (頭相關(guān)變換函數(shù))XTC (串?dāng)_消除)信號的左(L)和右(R)信號。
優(yōu)選地，L或LE-波束和R或RE-波束二者都朝相應(yīng)的聽眾的L和R耳朵附近被引導(dǎo)。
圖1示出了具有九個換能器的示例性線陣列。它也示出了用于左聲音波束(標(biāo)記為“L”)和右聲音波束(標(biāo)記為“R”)的變跡模式的第一實施方式。該變跡模式是被應(yīng)用于通過每個換能器被路由的每個信號的加權(quán)。一的加權(quán)意指該信號被留下以取其正常值，而零的加權(quán)意指該信號被阻斷。在零和一之間的加權(quán)意指在零衰減和沒有衰減之間的衰減的等級。根據(jù)第一實施方式，所有換能器都被設(shè)置為具有一的變跡加權(quán)，除了陣列的最遠端。在陣列的左端，左手側(cè)的傳感器使左波束信號通過而沒有衰減(加權(quán)=1)并阻斷右波束信號(加權(quán)=0)。在陣列的右端，右手側(cè)的換能器使右波束信號未受影響地通過(加權(quán)=1)并阻斷左波束信號(加權(quán)=0)。這對應(yīng)于對于右波束斷開左換能器，且反之亦然，如上面所討論的。這具有將左聲首波束的有效質(zhì)心移動到左側(cè)以及將右聲首波束的有效質(zhì)心移動到右側(cè)的效果。這在圖1中不出，其中，左聲音波束的質(zhì)心不意性地表不為Cli,而右側(cè)聲音波束的質(zhì)心示意性地表示為CK。如圖1所示，對于每個波束不同地斷開最遠的換能器，創(chuàng)建了一種有效的變跡模式，該變跡模式對所述兩個波束而言是不同的。雖然在本實施方式中，對于每個波束的最遠的換能器被斷開，但是作為替代，它可被布置成使得最遠的兩個或三個換能器被斷開，并且這將有助于將質(zhì)心Q和Ck分開進一步的量。
對于兩個波束實現(xiàn)有效的L-R來源分離的更復(fù)雜的方式包括針對每個L和R波束，將更復(fù)雜的變跡函數(shù)應(yīng)用于每個換能器的通道中的一個或多個的增益，其中所述L和R波束變跡函數(shù)彼此不同。因此，例如，可以使用非整數(shù)的加權(quán)函數(shù)，并且通常只要L & R波束陣列的加權(quán)的聲重心具有肯定的L-R分離，那么就實現(xiàn)了實際的L-R來源位置分離。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式，提供了對于L-波束，在最左邊的換能器處以1.0開始在最右邊的換能器處降低到0.5的線性加權(quán)函數(shù)以及對于R-波束，在最右邊的換能器處以1.0開始在最左邊的換能器處降低到0.5的線性加權(quán)函數(shù)。這在圖2中被示意性地示出。正如可被看到的，這提供了比第一實施方式更大程度的來源分離，因為在圖2中Q和Ck比它們在圖1中彼此相隔得更遠。
對于這些陣列加權(quán)函數(shù)的其它考慮事項可包括如上所述的最大可實現(xiàn)的SPL中的損耗以及任選地，是否包括波束成形的任何嘗試以減少旁瓣，盡管這對于本申請來說是不必要的。主要目的是在每只耳朵處的最大SPL與耳朵之間的最大XTC —致，并且特別是當(dāng)周圍聽音室的回聲/聲學(xué)效果被包括時，要都實現(xiàn)這些。
圖3示出了本發(fā)明的第三實施方式，非線性變跡函數(shù)在其中被使用。該函數(shù)的特征為其是具有峰值和從該峰值起平滑衰減的曲線。如從圖3中可以看出的，左聲音波束的峰值位于陣列的左側(cè)，且右聲音波束的峰值位于陣列的右側(cè)。這提供了比上述第一和第二實施方式更大水平的聲音來源分離。另外，曲線形狀的變跡函數(shù)用來限制聲音波束中的旁瓣。曲線，例如高斯曲線、Hann窗、余弦窗、Hamming窗、Kaiser窗和Chebyshev窗等尤其可被使用。
雖然變跡方案當(dāng)與HRTF和XTC信號組合時是非常有用的，但應(yīng)注意，差分地變跡的分離的波束的使用也在其它應(yīng)用中提供了來源分離的益處，例如用于簡單的左通道和右通道的傳統(tǒng)的立體聲裝置以及例如3-D聲系統(tǒng)的組件。在這樣的差分地變跡的方案中，至少兩個波束被產(chǎn)生，其聽起來似乎來源于該陣列的不同部分。特別地，一個或兩個波束可以是偏尚中心的，即它們從陣列的偏尚中心的部分發(fā)出。例如，左波束聽起來從陣列的中心的左側(cè)的陣列部分發(fā)出，而右波束聽起來從中心的右側(cè)的陣列部分發(fā)出。另外的波束可以被添加，其例如從陣列的其它部分發(fā)出或從陣列的與初始的兩個波束相同的部分發(fā)出。
根據(jù)本發(fā)明，陣列揚聲器可被使用(取代兩個或更多個分立的傳統(tǒng)的揚聲器)，以通過朝聽眾引導(dǎo)其波束中的兩個或更多個(每一個帶有3D聲的不同分量)將3D聲傳遞到聽眾的耳朵。陣列揚聲器的總體尺寸被選擇成使得它能夠產(chǎn)生在將被聽眾感知的3D聲的最重要的頻帶范圍內(nèi)的合理指向的波束，例如從大約200-300HZ —直到5-lOKHz。因此，例如，可以預(yù)期1.27m (約50英寸一其匹配標(biāo)稱50英寸的對角線的電視屏幕的外殼尺寸)能夠產(chǎn)生一直到低于300Hz的頻率的良好指向的波束。實驗上測得的在 2m的距離處的3dB波束半角當(dāng)未聚焦時是約21度，這遠遠小于小的單個換能器揚聲器的近90度的半角波束。當(dāng)聚焦在陣列前面的 2m處時，半角波束寬度減小到 15度。當(dāng)波束聚焦在在陣列前面的 2m處時，在IKHz處測得的波束半角減小到小于7度。明顯地，在這樣窄的波束寬度的情況下，從陣列中被輻射的聲音在聽音室中的所有散射表面周圍被擴散地傳播的比例，相比于小的分立揚聲器的情形，被大大減少。凈效果是任何XTC實現(xiàn)方案將具有更大的實現(xiàn)可接受的串?dāng)_水平的機會。
在本發(fā)明中，陣列揚聲器可被用于將聲音或3D聲傳遞給聽眾，其具有附加特征，即攜帶針對左耳的信息的波束或多個波束被引導(dǎo)朝向聽眾的左耳，而攜帶針對右耳的信息的波束或多個波束被引導(dǎo)朝向聽眾的右耳。因此，在每只耳朵處預(yù)定于該耳朵的波束的相對強度相對于另一只耳朵被增強。凈效果是在每只耳朵處對所需的信號的提高的鑒別率。
在本發(fā)明中，陣列揚聲器可被用于將聲音或3D聲傳遞給聽眾，其具有附加特征，即被引導(dǎo)朝向聽眾的左耳的波束或多個波束還在距陣列某一距離處被聚焦，該距離與聽眾的左耳距該陣列的距離對應(yīng)，并且被引導(dǎo)朝向聽眾的右耳的波束或多個波束還在距陣列某一距離處被聚焦，該距離與聽眾的右耳距該陣列的距離對應(yīng)。因此，在每只耳朵處預(yù)定于該耳朵的波束的相對強度相對于另一只耳朵被進一步增強。在圖4中,包括聲換能器5的陣列的陣列揚聲器I在聽眾3的前面，同時一個聲音波束被引導(dǎo)并聚焦到靠近聽眾3的左耳的焦點20并且另一聲音波束被引導(dǎo)并聚焦到靠近聽眾的右耳的焦點21。由于所述兩個波束在其各自的自身焦點處的強度相對于在其它波束的焦點處的相同的波束強度的顯著差異，好的聽眾通道分離可被實現(xiàn)，使得聽眾3用她的左耳(其靠近焦點20)主要聽到第一波束并且用她的右耳(其靠近焦點21)主要聽到第二波束。因此，如果這兩個波束上的節(jié)目素材代表聽眾將在她戴著耳機的每只耳朵中聽到的內(nèi)容，則使用HRTF信息制備的立體聲和全環(huán)繞聲可被遠程傳遞給聽眾，而無需電線或耳機。在本發(fā)明中，陣列揚聲器可被用來將聲音或3D聲傳遞給聽眾，其具有附加特征，即通過以先前所描述的方式引導(dǎo)每個另外的波束組朝向?qū)?yīng)的另外的聽眾，另一完全獨立的兩個或多個波束組被用來將聲音或3D聲傳遞給一個或多個另外的聽眾。由于陣列揚聲器的線性度，另外的波束基本上不受其它波束的存在的影響，只要總的輻射功率維持在換能器通道中每一個通道的標(biāo)稱線性容量內(nèi)。此外，因為針對每個聽眾的波束組可通過朝向該聽眾適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)和聚焦該波束以及通過適當(dāng)確定用于感興趣的頻率/波長的揚聲器陣列的尺寸以實現(xiàn)足夠的波束指向性(即適當(dāng)窄的波束角)被相對地局部化到該聽眾附近，所以另外的波束將不對其它聽眾造成不可接受的另外的串?dāng)_。在本發(fā)明中，陣列揚聲器可以如上所述的被用于將聲音或3D聲傳遞給一個或多個聽眾，其具有附加特征，即視頻攝像機被用于觀察聽眾位于的區(qū)域中的聽音室以及被用于實時或近實時地從所捕捉的視頻圖像畫面中確定一個或多個聽眾相對于揚聲器陣列的位置，并且對于每個這樣的位置被跟蹤的聽眾中的一個或多個聽眾，視頻攝像機被用于適當(dāng)?shù)卣{(diào)整用于將3D聲傳遞給該聽眾的兩個或多個波束的方向，使得隨著以及當(dāng)該聽眾改變其在房間里的位置時，相關(guān)聯(lián)的波束被保持在到聽眾的頭部的或多或少相同的相對位置中，以適當(dāng)優(yōu)化該聽眾的頭部處的XTC。因此，可以提供一種系統(tǒng)，其中，視頻攝像機被用于檢測聽眾的位置并且聲音波束被相應(yīng)地引導(dǎo)。任選地，一個或多個聽眾的位置由視頻攝像機實時跟蹤，并且聲音波束被相應(yīng)地弓I導(dǎo)。在本發(fā)明中被使用的XTC和HRTF可以根據(jù)已知的例子。示例性算法可以在
Kirkeby 等人(Aalborg 大學(xué)通信技術(shù)系，F(xiàn)r.Bajers Vej 7, 9220Aalborg O Denmark)
的“Design of Cross-talk Cancellation Networks by using Fast Deconvolution，，中或 Wang 等人的 “A Stereo Crosstalk Cancellation System Based on theCommon-Acoustical Pole/Zero Model，，(EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, Volume2010 (2010), Article ID719197)中找到。
權(quán)利要求
1.一種具有揚聲器陣列的系統(tǒng)，所述揚聲器陣列包括至少部分地分布在左到右的方向上并被配置成至少產(chǎn)生左聲音波束和右聲音波束的多個換能器；其中所述系統(tǒng)被配置成使得: 所述左聲音波束使用第一變跡模式在第一方向上被引導(dǎo)； 所述右聲音波束使用第二變跡模式在第二方向上被引導(dǎo)； 所述第一方向和所述第二方向在所述左到右的方向上具有不同的分量；以及 所述第一變跡模式和所述第二變跡模式中的至少一個關(guān)于穿過所述揚聲器陣列的中心的垂直軸線不對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一變跡模式和所述第二變跡模式各自關(guān)于穿過所述揚聲器陣列的中心的垂直軸線是不對稱的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述第一變跡模式和所述第二變跡模式彼此不同。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述第一方向朝向左側(cè)，且所述第二方向朝向右側(cè)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述波束被差分地變跡，使得所述波束聽起來來源于所述陣列的不同部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述聲音波束的來源的視在位置是偏離中心的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述左聲音波束的來源的視在位置在中心的左側(cè)，且所述右聲音波束的來源的視在位置在中心的右側(cè)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述揚聲器陣列包括以規(guī)則模式分布的多個換能器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述揚聲器陣列包括分布在水平排列的行中的多個換能器。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述第一變跡模式和所述第二變跡模式各自都是窗函數(shù)，所述窗函數(shù)具有峰值且離開所述峰值平滑衰減。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述第一變跡模式和所述第二變跡模式從如下窗函數(shù)中選擇:(a)Hann 窗； (b)余弦窗；(c)Hamming 窗； (d)Kaiser 窗；(e)Chebyshev 窗。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中每個波束攜帶3D聲音節(jié)目的不同分量，且其中串?dāng)_消除被應(yīng)用。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述左波束被引導(dǎo)朝向聽眾的左耳，且所述右波束被弓I導(dǎo)朝向聽眾的右耳。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中在所述陣列的左手端處的換能器中的一個或多個換能器與右波束信號斷開，且任選地，在所述陣列的右手端處的換能器中的一個或多個換能器與左波束信號斷開，或反之亦然。
15.—種使用揚聲器陣列引導(dǎo)左聲音波束和右聲音波束的方法,所述揚聲器陣列包括至少部分地分布在左到右的方向上的多個換能器；所述方法包括: 使用第一變跡模式在第一方向上引導(dǎo)所述左聲音波束； 使用第二變跡模式在第二方向上引導(dǎo)所述右聲音波束； 其中所述第一方向和所述第二方向在所述左到右的方向上具有不同的分量；并且 其中所述第一變跡模式和所述第二變跡模式中的至少一個關(guān)于穿過所述揚聲器陣列的中心的垂直軸線不對稱。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一變跡模式和所述第二變跡模式各自關(guān)于穿過所述揚聲器陣列的中心的垂直軸線不對稱。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中所述第一變跡模式和所述第二變跡模式彼此不同。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法，其中所述第一方向朝向左側(cè)，且所述第二方向朝向右側(cè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中任一項所述的方法，其中所述波束被差分地變跡，使得它們聽起來來源于所述陣列的不同部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中任一項所述的方法，其中所述聲音波束的來源的視在位置是偏離中心的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述左聲音波束的來源的視在位置在中心的左側(cè)，且所述右聲音波 束的來源的視在位置在中心的右側(cè)。
22.根據(jù)權(quán)利要求15至21中任一項所述的方法，其中所述揚聲器陣列包括以規(guī)則模式分布的多個換能器。
全文摘要
一種通過使用差分變跡法引導(dǎo)來自陣列揚聲器的波束用于在聽眾位置產(chǎn)生聲音和3D聲的聲音再現(xiàn)系統(tǒng)。任選地，串?dāng)_消除被應(yīng)用于被引導(dǎo)到聽眾的左耳和右耳的波束。
文檔編號H04S7/00GK103181189SQ201180042860
公開日2013年6月26日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者安東尼·胡利, 埃德加·耶齊德·舒埃里, 保羅·雷蒙德·溫德爾 申請人:劍橋機電有限公司