具有大的感知聲學尺度和聲像的小型音頻再現系統的制作方法

專利名稱：具有大的感知聲學尺度和聲像的小型音頻再現系統的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及小型音頻再現系統，尤其是涉及提高小型音頻再現系
統中聲源的感知尺度。
背景技術：
常規小型音頻再現系統，例如電視、柜式系統(shelfsystem)、計算 機、便攜式娛樂中心("內置立體聲系統")以及臺式收音機，存在的普遍 問題是感知上它們發出"很小"的聲音，至少部分地因為這個原因，這些系 統難以提供滿意的聽覺感受。當然，聲源的感知尺度與聲源的物理范圍有 關。另外，聲源的感知尺度取決于多個心理聲學因素，它們中大部分很少 為人了解。表面上的源尺度也顯示出4'聲學包圍的"寬敞度"或感覺有關， 例如當感知上很大的發射聲源在擴散聲場中包圍收聽者時。例如，在房間 四周廣泛分布的多個物理上很小的聲源可以通過組合來自多個方向的聲 音產生大的聲源的印象，或者它們可以通過在房間四周形成多個聲像并在 房間內形成更擴散的聲場來產生大的聲像臺的印象。當然，這種在擴散聲 場內包圍收聽者，產生大的聲源的印象的特定方式，不可能用于所有聲源 都相互緊密靠近定位的小型音頻再現系統中。該問題的另一方面是小型音 頻再現系統可以以幾乎任何可想象到的方向使用并且收聽者可以處于相 對于系統位置的幾乎任何位置，而且可以在收聽的同時移動。
許多不同的技術被用于增大聲源的感知尺度，取得了不同程度的成 功。 一種常用技術是采用兩個揚聲器，有意的使提供給一個揚聲器的頻率 范圍的一部分異相。眾所周知的是，異相信號分量不能定位并且趨向于通 過使來自聲源的直接聲范圍擴大而形成較大的聲源的印象。然而，這一技 術常常導致顯著的聲學振幅(頻率響應)誤差。許多收聽者還不愉快地感 知異相信號"到處但無處"的特征。
異相技術的變形是采用通過從右通道中減去左通道形成的通常所稱 的差分信號，L-R，或反之形成的R-L的不同組合。通常認為差分信號包
含按比例更大量的不相干的環境信息。采用差分信號形成更強的環境感可 以成功地形成更大、更充滿房間的聲音的感知，但常常以降低清晰度和聲 音"較不純質"的一般感知為代價。差分信號技術的幾種變形一直得到采 用并在已知收聽者相對于聲源的位置的情形下發揮很好的作用。例如在授
予Klayman的美國專利No.4，748，669、授予Polk的美國專利No.4，489，432 以及授予Cohen的美國專利No.4,308,423中公開了這樣的系統。然而，這 些技術通常不適用于系統的聲音發射元件(聲源)非常靠近在一起的場合 以及系統的聲學環境和收聽者的位置為任意的情形。
還采用多種其它技術，包括設法通過在多個方向發射聲音來提高感知 聲源尺度的多向聲源。這些技術的實例包括授予Olson的美國專利 No.3,104,729和授予Nichols的美國專利No.3,627,948。其它技術采用反射 和直達聲的組合(例如授予Bose的美國專利No.3，727，004)，以及擴大單 耳系統的感知聲像的早期的嘗試，例如在1946年提交的授予Camras的美 國專利No.2，710,662。這些技術通常用于再現單個音頻信號(通道)的單 個揚聲器的設計，意圖多個地使用這些單個揚聲器，間隔很開的每個信號 通道采用一個，如同在立體聲再現系統或環繞聲系統中。然而，在小型音 頻再現系統中，再現每個信號通道的各個揚聲器通常相互非常靠近，經常 間隔小于一英尺。在這種情況下，常規的多向聲音技術可以通過形成更擴 散的聲場而有助于產生更大聲源的印象，但由于聲源彼此非常靠近，因此 它們不能保留任何立體聲像的感覺。另外，當以那么小的比例實施時，所 得到的在很多這種設計中固有的梳狀濾波會導致主觀上無法接受的聲染 色的等級。授予Bose的美國專利No.3，5S2，553公開了一種采用多向聲音 的單揚聲器立體聲結構，參加圖7和圖9，其中大部分聲音通過分別接收 修正的左和右信號的左和右后揚聲器發出。更少量的聲音通過接收中心通 道信號或修正的總和信號的前揚聲器發出。該系統避免了與差分信號、異 相信號有關的問題，并在某種程度上通過保持非直達聲與直達聲的高比率 而降低梳狀濾波。其依靠反射聲的復模式增大感知的聲源尺度并保持立體 聲像的印象。該系統可以在允許系統準確定位以將所需的反射聲傳遞到預 定收聽區域的特定情形下很好地工作。
在授予Shimada的美國專利No. 3,892,624中示出了差分信號和反射聲 解決方案的組合，其中將反相的修正差分信號施加于一對緊密間隔的驅動 單元。在另一實施方式中，參見圖I7和圖18，接收與它們的對應前驅動
單元相同的修正差分信號的第二組緊密間隔的輔助后驅動單元用于產生 反射聲以增強立體聲效果。在另一實施方式中，將延遲施加到通過輔助后 揚聲器再現的信號以形成回聲效應。然而，可以很容易地認識到，采用異 相差分信號會導致聲音"更不純質(less solid)"的感知，并且采用產生相 同信號的未經補償的輔助后驅動單元除了再現聲中的聲染色的感知之外 還導致梳狀濾波。對這些后信號引入延遲簡單地將聲異常移動到較低頻 率。授予Brown的美國專利No.3,153,120還示出采用修正差分信號從單個 機柜提供立休聲再現。在一種實施方式中，將差分信號反相地施加于以相 反方向面對的一對緊密間隔的驅動單元，該對驅動單元由接收兩個輸入信 號的修正總和的面朝前的驅動單元補充。該方法存在在前所述的同時采用 差信號和異相技術的缺陷。
還采用通常所稱的"虛擬環繞"技術擴大表面聲源尺度。采用復雜音頻 信號處理的這些技術試圖從單獨一對揚聲器產生環繞聲式的感受。例如在 授予Mouri的美國專利No.5,799，094、授予Norris的美國專利No.6,173,061 、 以及授予Klaymen的美國專利No.5，912，976中公開了這樣的系統的實例。 這些方案依靠揚聲器與收聽者位置之間的特殊關系，需要收聽者保持在特 定位置并且通常需要單個揚聲器之間的距離大于小型系統，例如臺式收音 機的適用距離。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種用于至少兩個輸入信號的小型音頻再 現系統，其被感知為比其實際物理尺寸大很多的聲源。
本發明的另一目的是提供一種用于至少兩個輸入信號的小型音頻再 現系統，其保留明顯的立體聲或多通道聲像。
本發明的另一目的是提供一種用于至少兩個輸入信號的小型音頻再 現系統，其放置在多種聲學環境中實現上述目的的性能可以接受。
本發明的另一目的是提供一種用于至少兩個輸入信號的小型音頻再 現系統，其由相對于系統處于任意位置的收聽者感知為比其實際物理尺寸 大很多的聲源，并且其保留明顯的立體聲或多通道聲像。
根據本發明的實施方式，在一種用于兩個輸入信號的小型音頻再現系 統中，至少四個揚聲器布置在任意邊不大于2英尺而且高寬比不大于4: 1的矩形的頂點。兩個輸入信號與交替的揚聲器相連，使得沒有任何在矩形
的相鄰頂點的兩個揚聲器產生相同信號，從而在任意位置的收聽者感知比 矩形更大的聲源以及明顯的立體聲像。
根據本發明的另一實施方式，在一種用于兩個輸入信號的小型音頻再 現系統中，至少四個揚聲器布置在任意邊不大于2英尺的任意形狀的四邊 形頂點上，使得沒有任何兩個揚聲器彼此之間的距離小于任何兩個揚聲器 之間的最大距離的四分之一。兩個輸入信號與交替的揚聲器相連，使得沒 有任何在四邊形的相鄰頂點的兩個揚聲器產生相同信號，從而在任意位置 的收聽者感知比四邊形更大的聲源以及明顯的立體聲像。
根據本發明的另實施方式，在一種用于兩個輸入信號的小型音頻再 現系統中，第一或第二實施方式中位于相鄰頂點的兩個揚聲器接收與由其 它揚聲器接收的信號分開地均衡化的信號，從而降低梳狀濾波并提高裝置 放置在墻壁和其它障礙附近的容許度。
根據本發明的另一實施方式，在一種用于兩個輸入信號的小型音頻再 現系統中，第一或第二實施方式中的兩個揚聲器延遲與聲距對應的時間， 所述聲距至少等于兩個揚聲器之間的最短距離并且不大于兩個揚聲器之 間的最大距離，從而降低了梳狀濾波并提高對于任意位置的收聽者的大聲 源尺度和立體聲像的感知。


在此結合并構成說明書一部分的附圖示例說明了本發明，并且與文字 描述一起進一歩起到了說明本發明的原理以及使相應領域的技術人員能 夠制造和利用本發明的作用。
圖1示出具有矩形布置的四個揚聲器的本發明實施方式的平面圖。 圖2示出具有位于任意四邊形頂點的四個揚聲器的本發明實施方式的 平面圖。
圖3示出具有后揚聲器的單獨均衡化的本發明實施方式的平面圖。 圖4示出前揚聲器具有單獨延遲的信號的本發明實施方式的平面圖。 圖5示出本發明特定實例的視圖。
具體實施例方式
現在參照附圖對本發明的實施方式進行描述，圖中相同的附圖標記/ 編號表示同一或功能相似的構件。盡管討論的是特定構造和結構，但應該
認識到這僅僅是為示例的目的進行的。相關領域的技術人員將會認識到在 不脫離本發明精神和范圍的前提下可以采用其它構造和結構。
圖1示出本發明第一實施方式。揚聲器Ll、 L2、 L3和L4大致位于 矩形R1的頂點，并且一般地定向成從矩形的中心發出聲音。第一輸入信 號L連接到相互對角線布置的揚聲器Ll和L3。第二輸入信號R連接到相 互對角線布置的揚聲器L2和L4。揚聲器Ll與L4之間的邊Sl的長度大 致等于揚聲器L2與L3之間的邊的長度。同樣，揚聲器L3與L4之間的 邊S2的長度大致等于揚聲器Ll與L2之間的邊的長度。本領域技術人員 眾所周知的是，收聽者兩耳處相關的兩耳差異對于聲像定位起作用，而且 認為不相關的兩耳差異對于對聲源尺度的感知起作用。已經實驗發現對于 位于圖l所示系統附近隨機位置的收聽者，這種結構在收聽者兩耳處提供 了足夠的相關和不相關的兩耳差異，以提供聲源大于系統的物理范圍的感 矢口，并提供立體聲分離和聲像形成的明顯感知。
再次參照圖1，也已經通過實驗確定決定揚聲器L1、 L2、 L3和L4的 位置的矩形Rl的最大尺寸S2不應該大于大約2英尺或小于大約4英寸， 并且通過用最長邊長度與最短邊長度的比率計算得到的矩形Rl的高寬比 不應該大于4: 1。實驗已經表明這一尺寸范圍降低了頻率范圍內的梳狀濾 波，所述梳狀濾波趨向于被感知為對系統聲學性能不利。實驗還表明這一 尺寸范圍有助于更大的聲像尺寸的感知以及一定的立體聲像的保留。相信 這是這些尺寸與大致6.75英寸的兩耳距離的關系的結果。在本發明的特定 實施方式中，矩形Rl的最長和最短邊的尺寸分別是9英寸和6英寸。
圖2示出本發明的第二實施方式。除了揚聲器位于隨機形狀的四邊形 Q的頂點，該實施方式與第一實施方式相同地工作。在該特定實施方式中， 示出的是梯形，然而應該認識到只要任意兩個揚聲器之間的最大距離不大 于任意兩個揚聲器之間最短距離的四倍，可以采用許多不同形狀的四邊形 來提供可以接受的揚聲器L1、 L2、 L3和L4的位置。
圖3示出本發明的第三實施方式。該實施方式的功能與第一和第二實 施方式類似。在該第三實施方式中，將揚聲器L1和L2設計成前揚聲器， 而將揚聲器L3和L4設計成后揚聲器。后揚聲器L3和L4接收單獨修正 的第一和第二輸入信號L和R。修正裝置EQL和EQR可以包括(通過舉 例但不局限于)輸入信號頻率響應的均衡化以降低梳狀濾波并在裝置位于 例如墻壁的障礙附近時提高感知的音頻性能。接收修正的輸入信號L和R的揚聲器L3和L4通常或多或少地面向障礙同時揚聲器Ll和L2或多或 少地面向遠離障礙。
在該第三實施方式的一種實施中，修正裝置EQL和EQR包括帶阻濾 波器。在特定實施中，該帶阻濾波器中心大致在400Hz與2000Hz之間， 帶寬大致處于1到3倍頻程之間，增益大致在-4db至U-10db之間。在該第 王實施方式的另一實施中，信號修正裝置EQL和EQR包括高頻衰減。在 特定實施中，高頻衰減在大致位于2kHz到10kHz之間的頻率處提供大致 -6db的增益。修正裝置EQL和EQR的其它實例包括在模擬或數字電路中 實施的高通和低通濾波器、帶加強或帶阻濾波器、以及高或低傾斜度濾波 器(shelving filter)的組合。
圖4示出本發明的第四實施方式。該實施方式功能與第一和第二實施 方式類似，并且與第三實施方式相同，將揚聲器Ll和L2設計成前揚聲器， 而將揚聲器L3和L4設計成后揚聲器。在該第四實施方式中，前揚聲器 Ll和L2接收單獨修正的第一和第二輸入信號L和R，其中修正裝置dTL 和ldTR包括延遲。盡管可以采用模擬電路實現短時延遲，但很麻煩。延遲 通常以多種形式的數字信號處理實現，并且還可以與多種形式的頻率響應 修正組合。通常接收經過延遲的輸入信號的揚聲器Ll和L2或多或少地面 向遠離任何障礙并朝向最有可能的收聽區域。已經通過實驗確定大致對應 于大于前揚聲器和后揚聲器之間的最短距離并小于前揚聲器和后揚聲器 之間的最大距離的聲距的延遲，起到了降低由裝置附近隨機位置的收聽者 感知的梳狀濾波的作用，并且還起到增強立體聲分離和聲像成像的感知的 作用。
在該第四實施方式的一種實施中，左和右前延遲dTL和dTR大致等 于前揚聲器Ll與最近的后揚聲器L4之間的聲距Sl。在該第四實施方式 的特定實施中，前揚聲器Ll和L2與后揚聲器L4和L3之間分別的聲距 Sl為大致6英寸并且左和右前延遲dTL和dTR大致等于0.75毫秒。
圖5示出本發明的第五實施方式。左和右前揚聲器Ll和L2分別位于 距左和右后揚聲器L4和L3第一距離Sl處。左和右前揚聲器Ll和L2相 互隔開第二距離S2。左和右后揚聲器L4和L3相互隔開第三距離S3。如 圖5所示，所有四個揚聲器都安裝在同一整體物理結構上。左和右輸入信 號L和R分別連接到左和右前揚聲器Ll和L2，以由左和右前揚聲器再現。 左和右輸入信號還分別連接到左和右后揚聲器L3和L4，以由左和右后揚聲器再現。在該第五實施方式的特定實施中，第一、第二和第三距離S1、 S2和S3大致具有以下值
Sl—6英寸
52 — 8.5英寸
53 — 9.5英寸
在該第五實施方式的另一實施中，包括信號修正裝置EQR和EQL， 以便對連接到左和右后揚聲器L4和L3的信號單獨進行均衡化，以由左和
右后揚聲器再現。
在該第五實施方式的另一實施中，包括裝置以便對連接到左和右前揚 聲器的信^進行延遲，以由左和右前揚聲器L1和L2再現。在該第五實施 方式這方面的特定實施中，延遲大致等于0.75毫秒。
本領域技術人員已經清楚地了解到在此公開的方法的其它應用。通過 非限制性實例，在以上第三和第四實施方式中描述的后揚聲器均衡化和前 揚聲器延遲的多種組合可以被用于對其它實施方式中描述的前和后揚聲 器的任何幾何布置。這些實施還被認為是處于本發明的范圍內。另外的實 施方式包含在權利要求中。
權利要求
1.一種音頻再現系統，包括第一音頻輸入信號和第二音頻輸入信號；第一、第二、第三和第四揚聲器，其中所述第一、第二、第三和第四揚聲器分別位于四邊形的第一、第二、第三和第四頂點，所述第一、第二、第三和第四揚聲器中的任意兩個之間的最大距離不大于所述第 、第二、第三和第四揚聲器中的任意兩個之間的最小距離的四倍；用于將所述第一輸入信號傳送到所述第一和所述第三揚聲器的裝置，其中所述第一和第三揚聲器再現與由所述第一和第三揚聲器接收的信號相關的聲音；以及用于將所述第二輸入信號傳送到所述第二和第四揚聲器的裝置，其中所述第二和第四揚聲器再現與由所述第二和第四揚聲器接收的信號相關的聲音，其中沒有任何兩個相鄰的揚聲器再現相同的輸入信號；以及由所述第一、第二、第三和第四揚聲器再現的聲音被收聽者感知為是大于四邊形物理尺寸的聲源。
2. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述四邊形是沒有任何邊 大于2英尺的矩形。
3. 如權利要求2所述的系統，其特征在于，所述矩形大致9英寸寬， 6英寸深。
4. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述四邊形是沒有任何邊 大于2英尺的梯形。
5. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，還包括用于修正所述第一和第二輸入信號的信號修正裝置；以及 用于將所述修正的第一和第二輸入信號傳送到所述第三和第四揚聲 器的裝置。
6. 如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述信號修正裝置包括帶 有帶阻濾波器的頻率響應均衡，所述帶阻濾波器中心位于400Hz到2000Hz 之間，帶寬大于l倍頻程，衰減大于-4db。
7. 如權利要求1所述的系統，其特征在于，還包括用于將所述第一和第二輸入信號延遲與聲距相應的時間的信號裝置；以及用于將所述延遲的第一和第二輸入信號傳送到所述第一和第二揚聲 器的裝置，其中第一和第二揚聲器通常比第三和第四揚聲器更靠近優選的收聽區域。
8. 如權利要求7所述的系統，其特征在于，所述聲距大于或等于所述 第一、第二、第三和第四揚聲器中的任意兩個之間的最短距離并小于或等 于所述第一、第二、第二和第四揚聲器中的任意兩個之間的最大距離。
9. 如權利要求8所述的系統，其特征在于，所述聲距大致等于0.75毫秒。
全文摘要
一種用于兩個輸入信號的小型音頻再現系統包括布置在四邊形頂點的至少四個揚聲器，沒有任何兩個揚聲器彼此所成的距離小于任意兩個揚聲器之間最大距離的四分之一。兩個輸入信號連接到交替的揚聲器，使得沒有任何兩個揚聲器產生相同的信號，因而收聽者感知到大于四邊形的聲源以及明顯的立體聲像。由位于相鄰頂點的兩個揚聲器接收的信號與由其它揚聲器接收的信號分開地進行均衡。兩個揚聲器可以延遲與聲距相應的時間，所述聲距與揚聲器之間的距離有關，以便降低梳狀濾波并提高任意位置的收聽者對大聲源尺度和立體聲像的感知。
文檔編號H04R5/00GK101208988SQ200680019436
公開日2008年6月25日 申請日期2006年5月31日 優先權日2005年5月31日
發明者小馬修·S·波爾克, 布拉德利·M·斯塔羅賓 申請人:大不列顛投資有限公司