CN101189912B - 音频装置和声束控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种音频装置，其具备由多个扬声器单元排列而成的扬声器阵列装置，通过使主声束方向朝向特定者而发射声束，能够以固定音质收听音频内容。另外，由于其他人在非主声束位置收听音频内容，因此在中频带及低频带由于声束的旁瓣而传播漏音，从而能够以适当的音量收听音频内容。另一方面，由于对高频带进行尖锐的声束控制，因此在音量大于或等于中等音量时，与上述声束叠加且无指向性地发射高频带成分。

Description

音频装置和声束控制方法

技术领域

本发明涉及一种使用扬声器阵列的音频装置，特别涉及一种声束控制方法，其与音频信号对应而生成具有规定指向性的声束，同时控制该声束的指向性。

本申请基于2005年6月6日的日本专利申请：特愿2005-166230号要求优先权，在这里引用其内容。

背景技术

当前，生活在发达国家的都市中的人们享受着多种生活方式，所以在各种时段活动。另外，随着人口增加，特别是在都市中住宅密集，因而不仅对同住的家庭成员，而且对附近的住户造成的噪声骚扰呈增加的趋势。例如，在夜间使用音频视频设备(例如，电视机)的情况下，如果发出音量较大的声音，则会形成噪声骚扰而使收看者之外的人们产生不适感。另外，从保护人们隐私的观点出发，也必须减少噪声骚扰。

迄今为止，始终是使收看者注意减小音量以不对周围的人们造成噪声骚扰，但如果单纯地减小音量，则产生难以听清音频内容(或节目)的问题。

另外，在收看者位于远离音频视频设备的位置(例如，远离起居室的厨房等)的情况下，或在听力衰退的老年人使用音频视频设备的情况下，需要充分地提高音量。但是，在位于接近音频视频设备的位置处的收看者或听力健全的收看者同时收看该内容(或节目)的情况下，存在如果增大音量则产生不适感的问题。另外，对于不想收看内容(或节目)的同住家庭成员或附近的人们来说，如果增大音量，则产生噪声骚扰。

为了解决上述问题，设置在特定收看者附近的局部扬声放大器得以实用化(参照非专利文献1)。

非专利文献1：“耳に優しいみみもとくんα”，利用互联网进行在线检索：http://home.s00.itscom.net/large/CS-30P/

但是，非专利文献1公开的装置由配置在特定收看者附近的扬声(或耳机)放大器构成，需要通过线缆将该装置与电视机连接。由此，线缆和扬声放大器变得碍事，并且设置繁琐。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种音频装置及其声束控制方法，无需另外在特定收看者附近设置扬声器，就可以使位于接近音频视频设备的位置处的收看者、远离位置处的收看者及听力衰退的收看者，都以相同音量及音质收听相同的音频内容。

本发明的第1技术方案是一种音频装置，其具有：扬声器阵列，其排列有多个扬声器单元；音量控制部，其控制输入的音频信号的音量；主处理部，其通过对将音频信号向扬声器阵列的扬声器单元供给的定时进行控制，使扬声器阵列输出至少1束向规定方向发射的声束；高频带控制部，其控制音频信号中含有的高频带成分使其能够以在广域范围内分布的指向特性发射，然后将该高频带成分供给扬声器阵列；以及控制部，其与音频信号的音量及/或声束的发射方向对应而控制高频带控制部的输出电平。

本发明的第2技术方案是在第1技术方案所涉及的音频装置中，具有音频信号处理部，其向上述扬声器阵列的多个扬声器单元应用窗函数，该窗函数使音量从上述扬声器阵列的中央部向两端部逐渐减小。上述音频信号处理部与上述音量对应而控制上述窗函数的权重。

本发明的第3技术方案是一种声束控制方法，其用于具备由多个扬声器单元排列而成的扬声器阵列的音频装置中，在该声束控制方法中，控制所输入的音频信号的音量，对将音频信号向扬声器阵列的各个扬声器单元供给的定时进行控制，以使扬声器阵列输出至少1束向规定方向发射的声束，控制音频信号中含有的高频带成分使其能够以在广域范围内分布的指向特性发射，然后以与音量及/或声束的发射方向对应的电平将该高频带成分供给扬声器阵列。

本发明的第4技术方案是在第3技术方案所涉及的声束控制方法中，对上述扬声器阵列的多个扬声器单元应用窗函数，与上述音量对应而控制上述窗函数的权重，其中，该窗函数使音量从上述扬声器阵列的中央部向两端部逐渐减小。

发明的效果

根据本发明，在音频装置的使用者一个人收听音频内容的情况下，可以设定为使漏音减少。另外，在多个人收听相同音频内容时，在其中特定者位于远离扬声器阵列装置的位置、或特定者为听力衰退的老年人的情况下，能够以大音量(或高声压)向特定者传播声音，

另一方面，以通常的音量及音质向其他人传播声音。

附图说明

图1是说明使用扬声器阵列装置形成声束的方法的图。

图2(A)表示基于仅实施定时控制的音频信号驱动扬声器阵列而形成的声束的特性，(B)表示基于利用窗函数实施音量调整的音频信号而形成的声束的特性，(C)表示高频带的声束特性。

图3(A)是表示将音频装置和电视机组合而成的系统的外观的正视图，(B)是表示该系统结构的框图。

图4是表示音频装置的内部结构的框图。

图5(A)表示使用扬声器阵列装置无指向性地输出声束的情况下的声束控制，(B)表示不进行声束控制，从扬声器阵列仅输出高频带成分。

图6是表示从扬声器阵列装置发射的声束的声束角度和附加的高频带成分之间关系的曲线图。

图7(A)表示在音频信号的声束化处理中，与音量及声束角度对应的窗函数的权重的例子，(B)是表示窗函数的权重、音量及声束角度之间关系的曲线图。

具体实施方式

(声束的说明)

参照附图说明本发明的优选实施例所涉及的音频装置。该音频装置可以采用与电视机等音频视频设备连接的结构，也可以是单独使用该音频装置。

本实施例所涉及的音频装置具有扬声器阵列装置。图1是说明使用扬声器阵列装置形成声束的方法的图。在扬声器阵列装置中沿水平方向排列有多个扬声器单元。例如，假定是将40个小型扬声器设置为3列的扬声器阵列装置(可以在互联网上检索：http://www.yamaha.co.jp/news/2004/04111601.html)。向各扬声器单元供给相同的音频信号，但其供给定时及音量可以针对每一个扬声器单元独立地进行控制。如图1所示，控制各扬声器单元的输出定时(即，延迟时间)。由此，使向P方向(焦点方向或主声束方向)传播的声波，形成由于扬声器单元发射的声音相位一致而具有高声压的声束。因而，通过具有高声压的声束，减少距离导致的衰减。

另一方面，在除了主声束方向之外的方向(即，非主声束方向)上，由于从扬声器单元输出的声波相位存在偏差，因此相互抵消而产生衰减，使声压降低。

即，形成的声束能够在其主声束方向上传播声压高且清晰的声音，在其非主声束方向上抑制声压而仅传播很弱的漏音。

如图5(A)所示，通过将焦点设定在扬声器阵列装置的背后而进行延迟控制，能够以在广域范围内分布的指向特性(或无指向性)输出音频信号。

图2(A)～(C)表示使用扬声器阵列装置形成的各种声束的特性(声束特性或声压分布)。由于扬声器阵列装置长度有限，所以在形成的声束中产生旁瓣。如果向构成扬声器阵列装置的多个扬声器单元供给实施了定时控制的相同音量的音频信号，则如图2(A)所示，产生较高强度的旁瓣，在除了主声束方向之外的非主声束方向上也传播较大音量的漏音。

如图2(B)所示，在使用下述窗函数调整音量的情况下，在扬声器阵列装置的正面中央部形成高强度的主声束，将旁瓣的强度抑制为较低，其中，该窗函数使向扬声器阵列装置中包含的多个扬声器单元供给的音频信号的音量，从扬声器阵列装置的中央部向两端部变小。由此，在非主声束方向上传播低强度的漏音。

图2(A)及图2(B)均表示与中频带的音频信号对应的声束的声束特性。图2(C)表示与高频带的音频信号对应的声束的声束特性，是使用图2(B)所示的窗函数进行了声束特性控制的情况。音频信号的频率越高，则声束特性越尖锐，漏音强度越低。另外，由于由壁面等产生的反射音也变小，所以在声束控制模式下，可以使音频信号中，特别是高频带的音频成分在非主声束方向上衰减。

(本实施例所涉及的音频装置的说明)

本实施例所涉及的音频装置，利用上述扬声器阵列装置的声束特性，并使用户能够利用遥控器自由地设定或解除声束控制模式、以及设定声束的焦点位置(由主声束方向及距离定义)。另外，音频装置基于声束控制模式中设定的音量，推定用户的使用状态而进行下述两种非主声束方向的音量控制。

(1)第一种情况

这种情况是在声束控制模式时，控制音量使其大于规定的中等音量的情况。例如，多个人使用音频装置收听音频内容，但特定的人位于远离音频装置的厨房等位置、或特定的人是听力衰退的老年人时，设定为使声束朝向特定人，并且推定其他人位于非主声束方向。

在这里，进行下述处理，以向位于非主声束方向的其他人传播通常音量下产生的漏音。

(a)抽取音频信号的高频带成分，无指向性地向非主声束方向附加输出。

(b)将应用于各扬声器单元的窗函数的权重控制为较小，使旁瓣变大。由此，使高频带衰减得到缓和的音频信号到达在非主声束方向收听音频内容的收听者处。

(2)第二种情况

本情况是在声束控制模式时将音量控制为较小的情况。例如，推定为在深夜中，为了不影响周围其他人，而设定为使声束仅朝向一个收听者的方向，并进行下述处理。

(a)将应用于各扬声器单元的窗函数的权重控制为较大，从而减小旁瓣。

(b)停止附加上述高频带成分。

通过声束控制，即使音频信号音量较小，也能够在到达收听者时保持清晰度。另外，由于音频信号音量较小，所以由旁瓣或反射等产生的漏音不会造成不适，不会影响到周围的其他人。

参照图3(A)、(B)说明执行上述声束控制的音频装置的结构。

图3(A)是概略表示将音频装置和音频视频装置组合而成的系统外观的正视图。在该系统中，音频装置(包含扬声器阵列装置2)在下方与42英寸的电视机(包含显示器3)连接。

图3(B)是表示将音频装置和电视机组合而成的系统的结构的框图。在这里，电视调谐器11输出视频信号及音频信号。将视频信号供给至视频信号处理部13，分离颜色信号、亮度信号及同步信号等而供给至显示器3。显示器3基于上述输入信号显示图像。

另一方面，将音频信号供给至音频装置1内的音频信号处理部12。音频信号处理部12进行音频信号的音量控制，同时对构成扬声器阵列2的扬声器单元进行延迟控制及音量控制。

控制部10管理上述音频信号处理部12的延迟控制及音量控制。音频装置1附带红外线遥控器4，通过用户操作该红外线遥控器4，向控制部10作出声束控制模式的打开/关闭、焦点位置(由主声束方向及距离定义)的设定及音量的指示。

图4是表示音频信号处理部12的内部结构的框图。音频信号处理部12可以由模拟信号处理电路或处理数字信号的处理器构成。在本实施例中，构成为音频信号处理部12使用处理数字信号的处理器。输入的音频信号由主音量控制器21调整整体音量。然后，将音频信号分送至主处理部和副处理部(即高频带控制部)。

主处理部对音频信号实施规定处理，具有声束化处理部22。声束化处理部22控制向各扬声器单元供给的音频信号的定时及音量，以使扬声器阵列装置2基于音频信号而生成声束、或者无指向性地输出声音。为此，声束化处理部22具有与每个扬声器单元分别对应的延迟处理部及增益控制器。通过由声束化处理部22控制向扬声器单元供给的音频信号的延迟时间，能够如图1所示那样从扬声器阵列2向焦点位置P输出声束。如果进行音频信号的定时控制，使扬声器阵列装置2中央部的延迟时间变小，则能够如图5(A)所示，生成在扬声器阵列装置2的背后形成焦点而向前方扩散的声束，由此，能够发出无指向性的声音。

如上述所示，将针对各扬声器单元而控制定时及音量后的音频信号，经由分别对应各个扬声器单元而设置的加法器23及功率放大器24，供给至扬声器阵列装置2的各扬声器单元。

另一方面，高频带控制部用于对非主声束方向附加高频带成分，其具有高通滤波器25、音量控制部26及声束化处理部27。高通滤波器25是能够由控制部10变更截止频率及表示截止陡度(steepness)的Qfactor的有源滤波器，与声束角度和音量对应而进行设定。音量控制器26控制由高通滤波器25抽出的高频带音频信号的音量。声束化处理部27具有与主处理部的声束化处理部22相同的结构，分别针对各个扬声器单元对由音量控制部26控制音量后的高频带成分实施延迟控制及(为了实现窗函数的)音量控制，将其输出信号供给至加法器23。加法器23分别针对各个扬声器单元将主处理部的输出信号和高频带控制部的输出信号相加。

此外，由控制部10控制高频带控制部，以使其在主音量控制器21设定为大于或等于中等音量时起作用。

如上述所示，高频带控制部将高频带成分以在广域范围内分布的指向特性或无指向性地向非主声束方向输出。在由扬声器阵列装置2以广域范围这一指向性或无指向性地输出音频信号的情况下，对声束化处理部27进行设定以实现图5(A)、(B)所示的声束分布。

图5(A)表示下述方式，即，进行各扬声器单元的定时控制，以将焦点设定在扬声器阵列装置2的后方，使声音从该焦点进行扩散。在该方式中，进行下述定时控制：使向位于扬声器阵列装置2两端部的扬声器单元施加的延迟时间为最大，另一方面，使向位于扬声器阵列装置2中央部的扬声器单元施加的延迟时间大致为0。

图5(B)表示下述方式，即，不使用扬声器阵列装置2进行声束控制，而使用该扬声器阵列装置2中包含的扬声器单元的一部分仅输出高频带成分。在该方式中，不从扬声器阵列装置2输出声束，而以规定的单个扬声器单元的指向特性仅输出音频信号的高频带成分。

(高频带成分的附加及窗函数控制的说明)

图6是说明与主音量控制器21设定的音量及主处理部的声束化处理部22设定的声束角度(即，从扬声器阵列装置2正面方向扩散的声束的发射方向的角度)对应的高频带成分附加控制(即，音量控制部26的设定控制)的曲线图。

在音量较小时，不在从扬声器阵列装置2发射的声束中附加高频带成分。这是因为在小音量时，推定为音频装置1的使用者一个人欣赏音频内容，而不希望干扰周围其他人，从而不需要向除了主声束方向之外的方向输出音频信号。

在大于或等于中等音量的情况下，推定为多个人收听相同的音频内容，并使其中特定的人以比较大的音量收听音频内容。在此情况下，需要针对特定的人设定声束，使其他人在非主声束方向听到漏音。所以，在非主声束方向附加高频带成分，从而强调漏音的高频带成分而产生具有平坦特性的音频。

在上述情况下，由于如果增大音量则会强调低频带成分，另一方面，使高频带成分减弱，因此为了进行弥补，而如图6所示的曲线图那样增加高频带成分的附加量。

另外，由于如果声束角度变大，则偏离主声束方向的位置处的高频带成分极度衰减，所以在声束角度较大的情况下，与声束角度较小的情况相比，增加高频带成分的附加量。

图7(A)、(B)表示与主音量控制器21设定的音量及主处理部中的声束化处理部22设定的声束角度对应，而由声束化处理部27使用的窗函数的权重的控制方法。即，在旁瓣最小的状态和不使用窗函数的状态之间，对使音量从扬声器阵列的中央部向两端逐渐减小的窗函数赋以权重。

在小音量且声束角度小时，增加窗函数的权重(参照图7(A)、(B)的a)。由此，能够尽量减小周围的漏音。随着增大音量，或随着增大声束角度，而逐渐减小窗函数的权重(参照图7(A)、(B)的b、c)。在音量及声束角度这两者都较大的情况下，不利用窗函数进行音量控制，而是向扬声器阵列装置2中包含的所有扬声器单元供给具有平坦的音量特性的音频信号(参照图7(A)、(B)的d)。由此，旁瓣变大，因而漏音的音量也变大。

在本实施例中，同时进行高频带成分的附加控制和使用窗函数的旁瓣控制，但也可以仅执行其中一种控制。

在本实施例中，基于主音量控制器21的音量设定而自动设定高频带成分的附加量及窗函数的权重，但也可以由音频装置的使用者设定高频带成分的附加量及窗函数的权重。

另外，也可以与主音量控制器21设定的音量及主处理部的声束化处理部22设定的声束角度对应而控制高通滤波器25的截止频率及Qfactor。

如图2(A)、(B)、(C)所示，由于随音频信号的频率不同，声束的特性不同，因此也可以执行下述声束控制，即，对音频信号进行频带分割，分别针对每个频带设定不同的窗函数。由此，能够在整个频带实现相同的声束特性。

工业实用性

本发明提供一种使用扬声器阵列装置进行声束控制的音频装置，其能够与现有的音频视频设备连接而使用，简单地实现音频内容的收听控制，此外，本发明可以用于各种音频视频系统中。

Claims (4)

1.一种音频装置，其特征在于，具有：

扬声器阵列，其排列有多个扬声器单元；

音量控制部，其控制输入的音频信号的音量；

主处理部，其通过对将上述音频信号向上述扬声器阵列的扬声器单元供给的定时进行控制，使上述扬声器阵列输出至少1束向规定方向发射的声束；

高频带控制部，其控制上述音频信号中含有的高频带成分使其能够以在广域范围内分布的指向特性发射，然后将该高频带成分供给上述扬声器阵列；以及

控制部，其与上述音频信号的音量及/或上述声束的发射方向对应而控制上述高频带控制部的输出电平。

2.根据权利要求1所述的音频装置，其特征在于，

具有音频信号处理部，其向上述扬声器阵列的多个扬声器单元应用窗函数，该窗函数使音量从上述扬声器阵列的中央部向两端部逐渐减小，

上述音频信号处理部与上述音量对应而控制上述窗函数的权重。

3.一种声束控制方法，其用于具备由多个扬声器单元排列而成的扬声器阵列的音频装置中，

其特征在于，在该声束控制方法中，

控制所输入的音频信号的音量，

对将上述音频信号向上述扬声器阵列的各个扬声器单元供给的定时进行控制，以使上述扬声器阵列输出至少1束向规定方向发射的声束，

控制上述音频信号中含有的高频带成分使其能够以在广域范围内分布的指向特性发射，然后以与上述音量及/或上述声束的发射方向对应的电平将该高频带成分供给上述扬声器阵列。

4.根据权利要求3所述的声束控制方法，其特征在于，在该声束控制方法中，

对上述扬声器阵列的多个扬声器单元应用窗函数，该窗函数使音量从上述扬声器阵列的中央部向两端部逐渐减小，

与上述音量对应而控制上述窗函数的权重。

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