CN101129091B - 阵列扬声器系统 - Google Patents

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Abstract

一种阵列扬声器系统，分别在RL、FL、C、FR、RR通道上的信号被HPF和LPF分别地分成高频信号和低频信号。在RL、FL和C通道上的低频信号被叠加并从左侧低频扬声器(21-1)输出，而在RR、FR和C通道上的低频信号被叠加并从右侧低频扬声器(21-2)输出。分别通过方向性控制部分(17-1至17-5)把预定方向性给到在各个通道上的高频信号，并从阵列扬声器的各个扬声器单元(20-1至20-n)输出所产生的信号，以便通过从墙壁表面的反射来产生虚拟声源。后通道(RL，RR)的分隔频率(f2)被设置为高于前通道(FL，FR)的分隔频率(f1)，并且在该后通道上的信号被形成为一个窄声束来产生高质量的环绕声场。

Description

阵列扬声器系统
技术领域
本发明涉及一种阵列扬声器系统，被构成通过输出多通道声束而利用墙壁反射的方式产生虚拟声源来实现环绕再现。
背景技术
在延迟阵列式系统的扬声器系统中，直线或平面上排列的若干扬声器单元输出同一个声音信号，同时将稍有不同的延迟时间给到该信号，使得这些声音信号同时地到达在一个空间中的确定点(焦点)，以便通过同相相加来增强围绕该焦点的声能，并因此导致清晰的方向性，即以该焦点的方向产生声束。
随后，当把上述延迟处理分别加到多个通道的每一通道并且随后在把全部通道上的信号输出到扬声器单元之前将它们相加在一起时，由于扬声器单元和空间实质上是线性系统，造成在该多个通道上的输出信号分别地在每一通道上提供每一个都具有不同方向性的多个声束。
因此，能够通过增强在特定方向上的方向性来把大音量只提供给听觉受损的人(专利文献1)，能够通过将不同方向性分别给予两个不同内容的声音来使两个人同时地分别收听不同内容(专利文献2)，或能够通过使包括环绕的该多通道上的声束部分从墙壁反射并产生虚拟声源来产生一个环绕声场(专利文献3)。
图3是一种状态的示意图，其中通过将多个声束直射在房间的任一墙壁以便从该墙壁反射来产生靠近该墙壁的虚拟声源，并且因此产生一种多通道环绕声场。
图3中，31是听音室、32是视频系统、33是阵列扬声器、34是收听者、35是该收听者左侧的墙壁表面、36是该收听者右侧的墙壁表面、37是该收听者后侧的墙壁表面。在此将以执行五通道再现的假设情况下进行说明。基于中心(C)通道信号从阵列扬声器33产生出声音信号，而基于前左(FL)通道信号通过控制声束直射在收听者左侧的墙壁表面35来产生虚拟FL通道声源38，并且基于前右(FR)通道信号通过控制声束直射在收听者右侧的墙壁表面36来产生虚拟FR通道声源39。并且，基于后左(RL)通道信号通过控制声束从左侧墙壁35直射在后侧的墙壁表面37来产生虚拟RL通道声源40，以及根据后右(RR)通道信号通过控制声束从右侧墙壁36直射在后侧的墙壁表面37来产生虚拟RR通道声源41。
以此方式，通过将清晰的方向性给予分别在FL(前左)、FR(前右)、RL(后左)及RR(后右)通道上的信号来把这些信号形成声束，然后使该收听者34基于从墙壁反射的声束来感觉墙壁方向上的声源。因此，能够在使用提供在前侧的阵列扬声器的同时，通过该虚拟声源来生成环绕声场。
同时，通过阵列配置来物理地决定其方向性能由阵列扬声器控制的频带。换句话说，比该阵列的整个宽度长的波长(低频)或比扬声器单元之间的间距短的波长(高频)不能由该阵列扬声器控制。因此，实际采用一个小尺寸宽范围的扬声器来作为该扬声器单元，以便在某种程度上控制该高频带。由于除非扩展该阵列的整个宽度，否则该阵列扬声器不能控制该低频带，所以需要若干个扬声器单元。结果是，已经提出了其中并不将低频形成声束而是将低频分别输出的系统(专利文献3)。
图4是表示不将低频带形成声束的阵列扬声器系统的配置框图。图4中的33是由多个(n)扬声器单元33-1至33-n构成的上述阵列扬声器。
如图4所示，在中心(C)、前左(FL)、前右(FR)、后左(RL)及后右(RR)各个通道上的信号被输入到被提供来对应于各个通道的子频带滤波器中。每一子频带滤波器都由高通滤波器(HPF)和低通滤波器(LPF)的组合而构成。在各个通道上的信号被分别地分成选择地通过HPF 51-1至51-5的具有高于一个频带分割频率(分隔频率(crossover frequency))的一个频率的信号(高频成分)以及选择地通过LPF 52-1至52-5的具有低于该分隔频率的一个频率的信号(低频成分)。
通过LPF 52-1至52-5的在各个通道上的信号的低频成分由加法器53相加，然后把一个相加的信号输入到由增益控制部分54-6、频率特性校正部分55-6和延迟电路56-6构成的信号调整部分(ADJ部分)。在此校正该信号的电平和频率特性，并以一个预定的时间延迟产生的信号。
而且，通过HPF 51-1至51-5的在各个通道上的信号的高频成分被输入到由对应于各个通道提供的增益控制部分54-1至54-5、频率特性校正部分(EQ)55-1至55-5、以及延迟电路56-1至56-5构成的一个信号调整部分。在此分别地校正这些信号的电平和频率特性，并以一个预定的时间分别地延迟产生的信号。随后，信号被输入到分别对应于各个通道提供的方向性控制部分(Dir C)57-1至57-5，以使在各个通道上产生具有图3所示方向性的输出到阵列扬声器33的扬声器单元33-1至33-n的信号。对应于各个扬声器单元33-1至33-n的延迟电路和增益设置部分被提供至该方向性控制部分57-1至57-5，其中设置一个延迟量来将该声束定向到分配给该通道的方向，并相乘一个窗口因素来降低旁瓣。因此，产生输出到各个扬声器单元33-1至33-n的信号。
从该方向性控制部分57-1至57-5输出的、频率分别高于每一通道的分隔频率并对应于各个扬声器单元的信号，以及从延迟电路55-6输出的、频率低于所有通道的分隔频率的信号，被输入到对应于各个扬声器单元提供的加法器58-1至58-n，并被分别地相加。
从加法器58-1至58-n输出的信号由对应于各个扬声器单元33-1至33-n提供的功率放大器59-1至59-n所放大，并从该对应扬声器单元33-1至33-n输出。
以此方式，频率分别地低于分隔频率的那些信号未所有通道上形成声束并随后输出，而是频率分别地高于分隔频率的那些信号被形成图3所示的声束并随后输出。
其中，专利文献1是JP-A-11-136788、专利文献2是JP-A-11-27604、专利文献3是WO01/023104(JP-T-2003-510924)。
发明内容
当由延迟阵列系统控制该方向性时，阵列扬声器的方向图案将根据在阵列的总宽度与波长之间的关系来决定。该主波瓣在高频带中具有窄轮廓，而主波瓣在低频带中具有宽轮廓。
图5是阵列扬声器方向图案的示例示意图。如图5所示，该频率越高，则主波瓣的宽度变得越窄。即，此方向图案具有的趋向是在低频带中该方向性变宽。
由于前通道(FL，FR)的声束和后通道(RL，RR)的声束是由同一个系统产生，所以现有技术的上述阵列扬声器系统具有环绕声场的质量问题。
更具体地说，存在这样的一个问题，即：在该前通道(FL，FR)上的频带信号被定位在墙壁上，后通道(RL，RR)上的频带信号直接从阵列扬声器听到。这种问题的原因是：如图3所示，由于在后通道上的声束路径比前通道上的声束路径长，所以对应于该主波瓣的声束将随着距离的增加而被衰减(每两倍距离衰减6dB)，并且，在有宽方向性的低频带中，从虚拟声源产生的声音被从定位在主波瓣边缘的前方向发射的声能所压倒(overpowered)。此外，由于长距离引起一个时间延迟，所以在哈斯(Hass)效应方面该后通道是不利的。
而且如图3所示，与前通道上的声束相比，后通道上的声束具有对前方向的更小的角度，因此在主波瓣的方向与收听者之间的角度差是小的。换句话说，由于声束靠近地通过该收听者而使得声音容易叠加。
结果是，后通道的后回声定位变得困难。
另一问题是，存在后通道的时间对准问题。对于后通道的声束路径的距离被延长的程度来说，在后通道上的声束必须提早输出，以便在定时上与未被形成声束的后通道的低频成分重合。可是，在因为上述原因该声束的低频成分被从前面听到的境况下，在后通道上的声音将在随频带改变的定时被听到。
因此，本发明的一个目的是，在通过从阵列扬声器输出多通道声束来借助墙壁反射产生虚拟声源以产生环绕声场的阵列扬声器系统中，提高所产生的环绕声场的质量。
为了实现上述目的，本发明的一种阵列扬声器系统包括：阵列扬声器，其产生具有多个不同方向性的声束，用于通过利用墙壁反射来产生包括前通道和后通道的环绕声源；频带划分单元，其以第一分隔频率将该前通道上的信号划分成第一高频带信号和第一低频带信号，并以第二分隔频率将该后通道上的信号划分成第二高频带信号和第二低频带信号；第一输出单元，把该前通道上的信号中在高于该第一分隔频率的一个频带中的第一高频带信号和该后通道上的信号中在高于该第二分隔频率的一个频带中的第二高频带信号形成为一个声束，并随即输出所形成的信号；以及第二输出单元，其输出该前通道上的信号中在低于第一分隔频率的一个频带中的第一低频带信号和该后通道上的信号中在低于第二分隔频率的一个频带中的第二低频带信号，而不将这些信号形成为声束；其中该第二分隔频率被设置为比该第一分隔频率高的频率。
而且本发明的阵列扬声器系统还包括：与该阵列扬声器分离提供的一个低频带再现扬声器；其中该低频带再现扬声器输出该第一低频带信号和该第二低频带信号。
如本发明的这种阵列扬声器系统，能够通过实现分别针对前通道和后通道的最佳声束设计来特别地提高该后通道的质量。更具体地说，由于前通道被形成为在宽频带上的声束，因而能够产生具有良好回声定位感觉的稳定声像，同时由于该后通道被限制在一个高频窄带中来构成一个窄声束，因而能够减轻回声定位的问题及时间对准的问题。
而且，当采用了其中从低频带再现扬声器中输出低频带信号的双路系统时，能够提高低频带再现性能并实现在宽带中具有良好均衡的音乐再现。
附图说明
图1是本发明阵列扬声器系统的实施例的配置框图。
图2是本发明阵列扬声器系统的实施例中的扬声器部分外观的示意图。
图3是通过阵列扬声器生成多通道环绕声场的状态示意图。
图4是表示不将低频带形成声束的阵列扬声器系统的配置框图。
图5是阵列扬声器方向图案的示例示意图。
具体实施方式
本说明书中的参考数字说明如下：11-1至11-5：高通滤波器；12-1至12-5：低通滤波器；13-1至13-2：加法器；14-1至14-7：增益控制部分15-1至15-7：频率特性校正部分；16-1至16-7：延迟电路；17-1至17-5：方向性控制部分；18-1至18-n：加法器；19-1至19-n，29-1，29-2：功率放大器20：阵列扬声器；20-1至20-n：扬声器单元；21-1，21-2：低频带再现扬声器。
图1示出本发明实施例的一种阵列扬声器系统的配置框图。
本发明的阵列扬声器系统采用其中该频带被分成两个频带的双路系统。使用多个(n)扬声器单元20-1至20-n构成的阵列扬声器20将高频带形成声束并且将其输出，而未将低频带形成声束而从低频带再现扬声器(低频扬声器)21-1、21-2输出。
图2是本发明阵列扬声器系统实施例中的扬声器部分的外观示意图。
如图2所示，具有n个扬声器单元的阵列扬声器20被放置在扬声器壳体22的中央部分，而在面对该阵列扬声器系统时该低频扬声器21-1提供在阵列扬声器20的左侧并且低频扬声器21-2提供在阵列扬声器20的右侧。
以此方式，能够期望借助采用该双路系统在宽频带上的具有良好均衡的音乐再现。
图1中，分别在RL(后左)、FL(前左)、C(中央)、FR(前右)和RR(后右)通道上的信号被输入到由对应于各个通道提供的高通滤波器(HPF)11-1至11-5和低通滤波器(LPF)12-1至12-5构成的子频带滤 波器，并且将这些信号分成高于分隔频率的高频成分和低于分隔频率的低频成分。
其中，在本发明中假设提供了具有至少两种分隔频率类型的频率分割滤波器。
更详细地说，要求前通道(FL，FR)在听音室的侧墙壁上形成稳定的回声定位。因此，前通道(FL，FR)的HPF 11-2、LPF 12-2、HPF 11-4和LPF 12-4的分隔频率f1应被必然地设置到低频，以将尽可能宽的频带形成为声束。例如，如果阵列的总宽度设置为1m，则能够提供其波长等于这一尺寸的几乎达到300Hz的方向性，并因此300Hz左右的波长成为了分隔频率f1的目标。
而且，由于在保持清晰方向性的同时该后通道(RL，RR)必须通过比在该收听者旁的前通道的声束更窄的声束，所以仅应将与阵列的总宽度相比足够短的波长形成声束。因此，后通道(RL，RR)的HPF 11-1、LPF 12-1、HPF 11-5和LPF 12-5的分隔频率f2应被设置为高于前通道的分隔频率f1(f2＞f1)。
此外，从与前通道(FL，FR)音质均衡(f0＝f1)的角度考虑，中央通道(C)的HPF 11-3和LPF 12-3的分隔频率f0应被设置为与前通道(FL，FR)的分隔频率相同的程度。否则，可根据扬声器单元的再现特性和作为判据的低频扬声器来确定分隔频率f0。
RL通道上的通过LPF 12-1的信号的低频成分(具有低于频率f2的频率的信号)、FL通道上的通过LPF 12-2的信号的低频成分(具有低于频率f1的频率的信号)、以及C通道上的通过LPF 12-3的信号的低频成分(具有低于频率f0的频率的信号)被加法器13-1相加。此时，能够在把加权设置任意地给到在各个信道上的信号的同时来完成相加。例如，1的加权被分别给予RL通道和FL通道，而α的加权(0＜α＜1)被给予C通道。从RL通道和FL通道上的加法器13-1输出的低频成分的信号被增益控制部分14-6设置为一个预定增益，随后通过频率特性校正部分15-6把产生的信号的频率特性校正到一个预定的频率特性，然后由延迟电路16-6将产生的信号延迟一个预定的时间，并随后通过功率放大器29-1从左侧低频扬声器21-1输出产生的信号。
如上所述，在给予预定加权的同时，RR通道上的通过LPF 12-5的信号的低频成分(具有低于频率f2的频率的信号)、FR通道上的通过LPF 12-4的信号的低频成分(具有低于频率f1的频率的信号)、以及C通道上的通过LPF 12-3的信号的低频成分(具有低于频率f0的频率的信号)被加法器13-2相加。然后，如上所述，从RR通道和FR通道上的加法器13-2输出的该低频成分的信号分别由增益控制部分14-7、频率特性校正部分15-7和延迟电路16-7作预定处理，然后由功率放大器29-2放大产生的信号，并且随后从右低频扬声器21-2输出产生的信号。
以此方式，左侧通道(RL，FL)和中央通道上的信号的低频成分(由1:1:α加权)从左侧低频扬声器21-1输出，而右侧通道(RR，FR)和中央通道上的信号的低频成分(由1:1:α加权)从右侧低频扬声器21-2输出。将稍后描述在此情况下的增益控制部分14-6和14-7、频率特性校正部分15-6和15-7、以及延迟电路16-6和16-7中的处理内容。
相对照，通道FL、FR、RL、RR上的信号的高频成分被分别形成声束，并因此产生上面图3所示的虚拟声源38、39、40、41。
更详细地说，RL通道上的经过HPF11-1的信号的高频成分(具有高于频率f2的一个频率的信号)由增益控制部分14-1设置到一个预定增益，随后由频率特性校正部分15-1校正产生信号的频率特性，以符合该声束路径的特征，然后由延迟电路16-1把产生的信号延迟一个预定的时间，以针对由声束路径引起的传播延迟时间中的差异作出补偿，然后把产生的信号输入到方向性控制部分17-1。延迟电路和电平控制电路被提供到方向性控制部分17-1，以便分别对应于构成阵列扬声器20的n个扬声器。把一个延迟量分别地设置到从扬声器单元20-1至20-n输出的信号，使得RL通道上的高频信号经过图3所示的路径到达收听者，并且还通过电平控制电路把窗口因数分别与这些信号相乘，以便抑制从该阵列扬声器20输出的信号的旁瓣。因此输出对应于各个扬声器单元的输出信号。因此，该RL通道上的高频信号被从图3示出的左侧墙壁35和后墙壁37反射，并因此产生虚拟声源 40。
类似地，在FL通道上的经过HPF 11-2的信号的高频成分(具有高于频率f1的一个频率的信号)经过增益控制部分14-2、频率特性校正部分15-2、以及延迟电路16-2输入到用于该FL通道上的信号的方向性控制部分17-2。随后产生将被输出到各个扬声器单元20-1至20-n的信号，使得该FL通道上的高频信号构成从左侧墙壁35反射的声束，以便产生虚拟声源38。
而且，在FR通道上的经过HPF 11-4的信号的高频成分(具有高于频率f1的一个频率的信号)经过增益控制部分14-4、频率特性校正部分15-4、以及延迟电路16-4输入到用于该FR通道上的信号的方向性控制部分17-4。随后产生将被输出到各个扬声器单元20-1至20-n的信号，使得该FR通道上的高频信号构成从右侧墙壁36反射的声束，以便产生虚拟声源39。
而且，在RR通道上的经过HPF 11-5的信号的高频成分(具有高于频率f2的一个频率的信号)经过增益控制部分14-5、频率特性校正部分15-5、以及延迟电路16-5输入到用于该RR通道上的信号的方向性控制部分17-5。随后产生将被输出到各个扬声器单元20-1至20-n的信号，使得该RR通道上的高频信号构成从右侧墙壁36和后侧墙壁37反射的声束，以便产生虚拟声源41。
而且，在C通道上的经过HPF 11-3的信号的高频成分(具有高于频率f0的一个频率的信号)经过增益控制部分14-3、频率特性校正部分15-3、以及延迟电路16-3输入到用于该C通道上的信号的方向性控制部分17-3。随后，产生将被输出到各个扬声器单元20-1至20-n的信号，以便输出具有正向方向性的信号。
从对应于各个扬声器单元20-1至20-n的方向性控制部分17-1至17-5输出的信号由对应于各个扬声器单元提供的加法器18-1至18-n相加，以便产生被提供到各个扬声器单元20-1至20-n的输出信号。随后，该输出信号由对应于各个扬声器单元提供的功率放大器19-1至19-n放大，然后从对应的扬声器单元20-1至20-n输出。
由于跟随加法器18-1至18-n而包括一个空间的系统实质上是 线性系统，所以各个通道具有独立的方向性，好像阵列扬声器是对应于通道(声束)的数量提供的。产生如上述图3所示的虚拟声源，并且实现了多通道的再现。
随后将说明增益控制部分14-1至14-7、频率特性校正部分15-1至15-7、以及延迟电路16-1至16-7中的设置值等。
在增益控制部分14-1至14-7中，分别地响应每一通道的声束路径的距离来设置增益，使得能够补偿直到每一通道上的声束到达收听者为止引起的距离衰减。即，由于从阵列扬声器20到收听者的该后通道(RL，RR)的距离是长距离并且增加了距离衰减，所以把增益控制部分14-1和14-5的各个增益(音量)设置为高值，以便补偿这种衰减。随后，在FL通道和FR通道上的增益控制部分14-2和14-4的各个增益被设置为一个中间幅度，并且把C通道上的增益控制部分14-3的增益设置为“x1”。而且，设置针对该低频信号的增益控制部分14-6和14-7的各个增益，以补偿包括阵列扬声器20和低频扬声器21的效率和数量中的差异的衰减。
频率特性校正部分15-1至15-7校正该频率特性，以便补偿声束通过路径的特性(墙壁反射特性等)的差异。例如，频率特性校正部分15-1、15-2、15-4和15-5控制该频率特性，以便补偿该墙壁反射特性。
延迟电路16-1至16-7校正在由各个声束的路径长度中的差异引起的到达时间中的差异。更具体地说，没有延迟时间(延迟时间＝0)被设置到在具有至收听者的最长路径的后通道(RL，RR)上的延迟电路16-1和16-5，随后把对应于在从后通道开始的路径距离中的差值的第一延迟时间d1设置到该前通道(FL，FR)上的延迟电路16-2和16-4，并且随后把对应于在从后通道开始的路径距离中的差值的第二延迟时间d2(d2＞d1)设置到中央通道(C)上的和用于低频信号的延迟电路16-3、16-6和16-7。结果是，全部信号能同时地达到该收听者。
以此方式，根据本发明的阵列扬声器系统，当频带被分成两个频带并且高频信号形成声束来产生虚拟声源而且低频信号被输出不构成声束时，该分隔频率在前通道(FL，FR)和后通道(RL，RR)上被分别地 设置成不同频率，并且在比前通道中的频带更高的频带中的信号被在后通道上形成声束。结果是，由于在前通道(FL，FR)上的信号被形成为在宽频带上的声束，所以能够再现更稳定地定位的良好声像，同时由于在后通道上的信号被形成窄声束，所以能够减轻上述回声定位和时间延迟的问题。
在上述说明中，使用了两个低频扬声器并且再现了分别在左右通道上的低频信号。但是可以使用单个低频扬声器并且在所有通道上的低频信号可以由该单个低频扬声器再现。
而且，在上述说明中，说明了采用双路系统的情况。但本发明并不局限于这种情况。本发明可被用于图4所示的不使用双路系统的情况、可被用于使用三路系统的情况等等。
此外，在上述说明中，以实例的方式说明了采用五个通道的情况。但是本发明可被类似地用于例如7.1通道之类的其它多通道系统。
上面参考具体实施例详细说明了本发明。对本领域技术人员来说显见的是，在不脱离本发明的精神、范围或计划程度的条件下能够应用各种变型和改进。
本申请基于2005年2月25日提交的日本专利申请(专利申请号2005-051099)；其内容被结合在此参考。

Claims (2)

1.一种阵列扬声器系统，包括：
阵列扬声器，产生具有多个不同方向性的声束，用于通过利用墙壁反射来产生包括前通道和后通道的环绕声源；
频带划分单元，其以第一分隔频率将所述前通道上的信号划分成第一高频带信号和第一低频带信号，并以第二分隔频率将所述后通道上的信号划分成第二高频带信号和第二低频带信号；
第一输出单元，其把所述前通道上的信号中在高于所述第一分隔频率的一个频带中的第一高频带信号和所述后通道上的信号中在高于所述第二分隔频率的一个频带中的第二高频带信号的每一个形成为一个声束，并随即将形成的信号输出到阵列扬声器；和
第二输出单元，其输出所述前通道上的信号中在低于第一分隔频率的一个频带中的第一低频带信号和所述后通道上的信号中在低于第二分隔频率的一个频带中的第二低频带信号，而不将这些信号形成为声束；
其中所述第二分隔频率被设置为比所述第一分隔频率高的频率。
2.根据权利要求1的阵列扬声器系统，进一步包括：
与所述阵列扬声器分离提供的一个低频带再现扬声器；
其中所述低频带再现扬声器输出所述第一低频带信号和所述第二低频带信号。
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