專利名稱：包括窄指向性和寬指向性揚聲器的音頻重現系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括排列好的揚聲器的音頻重現系統。這樣的傳統系統包括多個空間放置的揚聲器，并且例如被用作環繞音頻重現系 統。一般這樣的系統具有前置揚聲器和后置揚聲器，其中兩個或多個揚聲器可被用來創建 位于揚聲器位置之間某處(例如在前置揚聲器之間的某處)的幻像(phantom)音頻源。在傳統的音頻重現系統中，幻像源到聽眾位置的距離總是小于揚聲器到該聽眾位 置的距離。如果這樣的系統被用于語音通信系統(例如分布式家庭電話系統或集成于音頻 娛樂系統的電話裝置等)中，感知的人與人之間的距離變成一個重要的因素。通常，希望創 建一個幻覺聲源被放置在比最近揚聲器的位置離聽眾更近的位置上。已確定了在談話中 人們之間的自然距離典型地小于1. 5米。傳統的環繞音頻重現系統不能在離處于最佳收聽 位置的聽眾的自然距離處創建虛擬揚聲器。
背景技術：
本發明的一個目的是提供一種能夠在離收聽位置期望距離處創建虛擬聲源的音 頻重現系統。
發明內容
通過根據本發明的音頻重現系統該目的得以實現，該系統包括結合至少一個具有 第二指向性程度的第二音頻類型揚聲器排列好的具有第一指向性程度的第一音頻類型揚 聲器，其中第二指向性程度實質上(substantially)大于第一指向性程度。在聲學中，指向性是從源的輻射方向圖的測量，指示了在特定方向上輻射了多少 來自源的總能量。在室內環境中聲源的感知距離基本上取決于直達聲(direct sound)(即 直接來自源的聲音)、早期反射聲和混響聲的相對幅度。接近于觀察點即聽眾位置的聲源的 一個特性是與反射聲能量的等級相比，直達聲的幅度較大。在統計的室內聲學中，在觀察點處的聲音幅度通常由下列方程式表征Lp = Lw+101og10 (Q/ (4 n r2) +4/A)其中項Lw是源的功率級，項r是聽眾離源的距離，而項A是房間的吸收面積。項 Q表示源的指向性指數，使得Q = 1表示具有球形方向圖的全向源，Q = 2表示半球，通常較 高的Q值表示較大的方向性。在上述方程式中對數運算內的兩項表示在房間中的直達聲和 反射的聲學能量等級。根據對數運算內的第一項，可推導出對于距離r的平方有方向性指 數Q的交換(exchange)。即，與更接近于觀察點的較小指向性聲源(directionalsource) 相比，具有較大Q的較高指向性聲源從遠距對的整個聲壓級起類似的作用。這同樣適用于 聲源的感知距離，由此面對接聽者的較高指向性聲源似乎比它實際地更近。在方程式中對 數運算內這兩項之間的比得出在室內環境中這樣的典型聲源的短距離。用于創建高指向性聲源的多種技術本身是已知的，例如，使用揚聲器陣列的波場 合成(wave field synthesis)、指向性平板揚聲器或喇叭形揚聲器(horn speaker)。在使用平板揚聲器的實際實驗中，發現這種高指向性音頻揚聲器的使用產生了強烈的在接近范 圍內具有聲源的感知錯覺。然而，該錯覺通常感知得不自然。這主要是由以下情況引起的 與在上述方程式的統計聲學描述中的兩項相關的能量的確與聲源接近度的感知相匹配，但 是由指向性聲場的空間和時間特性產生的房間響應是不自然的。換句話說，與環境中自然 聲源相關的感知房間效應和與使用指向性揚聲器產生的聲源相關聯的房間效應之間是不 匹配的。在根據本發明的音頻重現系統中，結合低指向性音頻揚聲器利用一個或多個指向 性、優選是高指向性的音頻揚聲器。這兩種類型的揚聲器都可以是就其本身而言已知的揚 聲器。在一個實施例中，寬或者相對寬指向性的音頻揚聲器是環繞音頻揚聲器。這些揚聲 器優選被用于通過增加早期反射聲和擴散混響聲(diffuse reverberation)來改變混響聲 場，以提高感知空間音頻體驗的自然性。注意在本文獻中術語“指向性”指示了音頻揚聲器或者一般而言的聲源在使用期 間具有輻射具有窄角度聲束的特性。因此，這樣的揚聲器具有窄或者尖銳(sharp)指向性。 在本上下文中注意術語“高指向性”涉及具有非常窄角度的波束。因此，產生這種類型的波 束的揚聲器或者一般而言的聲源具有高指向性特性。有多種換能器技術可獲得用于產生高 指向性聲場。具有這樣的特性的音頻揚聲器例如是喇叭形揚聲器、平板揚聲器和通過生成 具有窄角度波束的期望形式(pattern)的方式驅動的揚聲器陣列單元。術語“低指向性”指 示了音頻揚聲器或者一般而言的聲源在使用期間具有輻射具有寬角度即不是窄角度的聲 束的特性。因此，這樣的揚聲器具有寬指向性。具有這樣的特性的音頻揚聲器例如是具有 錐形或類似錐形膜片的揚聲器。進一步地注意到在本文獻中術語“音頻”、“音頻波”等涉及 人類可聽到的聲音。因此，音頻波是可聽到的聲音(即頻率在大概20和20，000Hz之間的 聲音)的波。根據本發明的音頻重現系統的優選實施例在權利要求1至5中得以定義。本發明還涉及根據本發明的音頻重新系統的使用。優選地，該系統位于墻壁附近， 用于生成該系統幻像聲源的鏡像源(image source) 0本發明進一步涉及一種電話系統，例如配備了根據本發明的音頻重現系統的分布 式家庭電話系統或者集成在音頻和/或視頻娛樂系統中的電話系統，并且涉及一種配備了 根據本發明的音頻重現系統的音頻和/或視頻和/或數據系統。并且本發明還涉及一種用于重現聲音的方法。根據本發明的方法包括步驟從排 列好的第一指向性程度的揚聲器發射音頻波，并且同時從第二指向性程度的至少一個揚聲 器發射音頻波，第二指向性程度實質上大于第一指向性程度，以在距離聽眾位置期望距離 處產生虛擬揚聲器位置。該方法基于如在前段落中討論的相同理解，并且具有類似的優點。在根據本發明的方法的一個優選變形中，具有相對寬指向性的音頻揚聲器被用作 第一類型的揚聲器，具有非常窄指向性的音頻揚聲器被用作第二類型的至少一個揚聲器。優選地，利用由反射在墻上產生的鏡像源，并且處理音頻信號以構成出自由排列 好的第一指向性程度的揚聲器發射的音頻波和由第二指向性程度的至少一個揚聲器發射 的音頻波的音頻聲音。商業上可獲得的控制硬件和軟件可被用來控制音頻信號。在例如環 繞音頻系統中信號可被延遲和/或減弱。可通過基于在聽眾耳朵中聲音傳播的速度和到源 的距離的基本幾何分析來選取延遲。可選取與鏡像源相關的幅度，使得它反映在自由場情
4況下傳播中的被減弱聲音。根據本發明的音頻重現方法的優選變形在權利要求9至12中得以定義。注意US2007/0036366A1公開了一種音頻特性校正系統，適用于音頻環繞系統，其中從指向性揚聲器，特別是陣列揚聲器發射出的聲音在墻表面上被反射以產生虛擬揚聲 器，校正系統意欲用于校正音頻信號輸入，使得在墻表面反射的聲音在聽眾位置處具有期 望的音頻特性。還注意到W002/093773A1公開了一種非傳統參數聲音系統，用于創建包括被聽眾 感知為原始聲源的虛擬聲源的多個音響效果。該系統包括與參數揚聲器相結合的音頻揚聲 器。在使用期間，音頻揚聲器發射音頻壓縮波，參數揚聲器發射方向朝向環境中的一個或多 個反射表面的超聲波輸出以產生到沒有放置音頻揚聲器的聽眾方向的虛擬聲源。根據本發明的系統和方法非常適用于分布式家庭電話系統或集成到音頻娛樂系 統中的電話設備中。根據本發明的概念也可以成功地被用于在環繞音頻重放中或在控制臺 或PC游戲應用中生成附加音響效果。參考權利要求書，應當注意，在權利要求書中提到的特征的所有可能組合是本發 明的一部分。參考以下描述的例子，本發明的這些和其他方面將變得顯而易見，并且將得以說 明。附圖概要
圖1是已知音頻重現系統的例子。圖2是根據本發明的音頻重現系統的第一實施例。圖3是根據本發明的音頻重現系統的第二實施例。
具體實施例方式注意實施例被示例性地描述了。還應當注意在示例實施例的描述中相應組件具有 相同的附圖標記。在圖1中描述的已知音頻重現系統包括三個前置揚聲器101、102和103與兩個后 置揚聲器104和105的集合。該系統是環繞音頻重放系統，其中揚聲器101至105是普通 音頻揚聲器。聽眾的位置Ip正如合乎習慣的那樣位于由揚聲器定界(border)的區域中。 在語音通信中，位于聽眾位置Ip處的用戶在給定例子中在前置揚聲器102和103之間感知 到幻像源ps，或者換句話說，在給定例子中說話者的聲音以這個人似乎在前置揚聲器之間 的某處的方式得以呈現。在很多情況下，從聽眾位置Ip到幻像源ps的距離大于對話者之 間的自然距離。在圖2中描述的根據本發明音頻重現系統的優選實施例包括排列好的具有相對 寬指向性的傳統環繞音頻揚聲器1至5和一個具有非常窄指向性的音頻揚聲器7。音頻揚 聲器1、2和3是前置揚聲器，而音頻揚聲器4和5是后置揚聲器。音頻揚聲器7位于音頻 揚聲器1至5的集合中的某處，在該例中在音頻揚聲器2和3之間的某處。音頻揚聲器7 可以是能夠產生高指向性聲場的任何音頻揚聲器，例如平板揚聲器或喇叭式揚聲器。和平 常一樣，聽眾的位置LP位于由音頻揚聲器1至5定界和定義的區域中。在語音通信中，位 于聽眾位置LP處的聽眾在音頻揚聲器1至5和該聽眾位置LP之間的區域中感知到幻像源PS，在該給定例子中從前置揚聲器2和3感知到幻像源，結果縮短了聽眾位置LP和幻像源 PS之間的距離。這意味著在該給定例子中說話者的聲音以該人似乎在聽眾附近的方式得以 呈現。以這種相對簡單的方式，從聽眾位置LP到幻像源PS的距離能夠被調整成將是對話 者之間通常的自然距離的期望距離。環繞音頻揚聲器1至5可用于通過增加早期反射聲和 擴散混響聲來改變混響聲場，以提高感知空間音頻體驗的自然性。還可以使用揚聲器陣列來實現指向性揚聲器7，使得經控制的陣列效應產生到期 望方向的定向聲束。在這種情況下，由于音頻重現和聲學系統的線性，將相同物理陣列的元 件用作第一指向性程度的揚聲器是可能的。以相同的方式，當揚聲器陣列被用來產生室內 環境的虛擬環繞音頻重現時，例如類似于US2007/0036366A1，同時將相同的陣列用作具有 第二指向性程度的高定向性揚聲器是可能的。這可通過在驅動該陣列產生虛擬環繞音頻重 現的揚聲器信號上增加產生表示第二指向性程度揚聲器的指向性波束的驅動信號來實現。在圖3中描述的優選實施例中，應用了與在圖2的實施例中類似的排列。并且，在 環繞音頻設置中高指向性音頻揚聲器7和傳統(在此即不是高指向性的)音頻揚聲器1至 5的聯合播放基于已知的鏡像源模型概念。(Berkeley&Allen)。來自墻壁20的反射由位于 該墻壁后面的合成鏡像源22表示。表示該鏡像源的聲音可使用環繞音頻系統的音頻揚聲 器1至5通過延遲和減弱信號而得以呈現。延遲由基于在聽眾耳朵中聲音傳播速度和到聲 源的距離的基本幾何分析來選取。可選取與鏡像源22相關的幅度使得它們反映在自由場 條件下傳播中聲音的衰減。雖然本發明在附圖和上述描述中得以詳細地解釋和說明，但解釋和說明應當被認 為是解釋性的或示例性的，而非限制性的。本發明并不限于所示實施例，例如，應用比所描 述的音頻揚聲器數目更多或更少的揚聲器是可能的。特別要強調的是，可以使用多于一個 的高指向性音頻揚聲器。可在環境中應用多個高指向性音頻揚聲器以在不同方向產生聲 源。討論的實施例可向上擴展到多聲道解決方案。對公開的例子的其他變形可由本領域技術人員根據附圖、說明書和權力要求的學 習在實踐要求保護的發明時理解和實現。在權利要求書和說明書中詞“包括”不排除其他元件，不定冠詞“一”或“一個”不 排除多個。在權利要求書中的任何附圖標記不應當被解釋為限制范圍。
權利要求
一種音頻重現系統，包括結合具有第二指向性程度的第二音頻類型的至少一個揚聲器排列好的具有第一指向性程度的第一音頻類型揚聲器，其中第二指向性程度實質上大于第一指向性程度。
2.如權利要求1所述的音頻重現系統，其中，第一類型的揚聲器是具有相對寬指向性 的音頻揚聲器。
3.如權利要求1或2所述的音頻重現系統，其中，至少一個第二類型的揚聲器是具有非 常窄指向性的音頻揚聲器。
4.如權利要求1、2或3所述的音頻重現系統，其中，提供多于一個的第二類型的揚聲器。
5.如上述權利要求的任意一個所述的音頻重現系統，其中，該系統是環繞音頻揚聲器 系統。
6.如上述權利要求的任意一個所述的音頻重現系統的使用，其中，該系統位于墻壁附 近，用于產生該系統幻像聲源的鏡像源。
7.—種配備有如上述權利要求1至5的任意一個所述的音頻重現系統的電話系統，例 如分布式家庭電話系統或集成在音頻和/或視頻娛樂系統中的電話系統 。
8.—種配備有如上述權利要求1至5的任意一個所述的音頻重現系統的音頻和/或視 頻和/或數據系統。
9.一種用于重現聲音的方法，包括步驟從排列好的第一指向性程度的揚聲器發射音 頻波，同時從實質上大于第一指向性程度的第二指向性程度的至少一個揚聲器發射音頻 波，以在到聽眾位置的期望距離處生成虛擬揚聲器位置。
10.如權利要求9所述的方法，其中，具有相對寬指向性的音頻揚聲器被用作第一類型 的揚聲器，具有非常窄指向性的音頻揚聲器被用作至少一個第二類型的揚聲器。
11.如權利要求9或10所述的方法，其中，利用由在墻壁上的反射產生的鏡像源，處理 音頻信號以構成出自由排列好的第一指向性程度的揚聲器發射的音頻波和由第二指向性 程度的至少一個揚聲器發射的音頻波的音頻聲音。
12.如權利要求9或10所述的方法，其中，揚聲器陣列被以這種方式驅動，以使得它同 時產生模仿具有第一指向性程度的揚聲器集合和第二指向性程度的至少一個揚聲器的效 應的輻射方向圖。
全文摘要
一種音頻重現系統，包括結合具有第二指向性程度的第二類型的至少一個音頻揚聲器(7)排列好的具有第一指向性程度的第一類型的音頻揚聲器(1-5)。為了在到聽眾位置(LP)期望距離處產生虛擬聲源，第二指向性程度實質上大于第一指向性程度。
文檔編號H04R1/32GK101878660SQ200880103761
公開日2010年11月3日 申請日期2008年8月11日 優先權日2007年8月14日
發明者A·S·哈馬 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司