CN101217830A - 定向扬声器系统及其自动设置方法 - Google Patents

定向扬声器系统及其自动设置方法 Download PDF

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Abstract

一种定向扬声器系统及其自动设置方法，通过该系统和方法自动设置定向扬声器系统的转向角。该方法包括：生成多个信号；利用定向扬声器，将所述多个信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束；从输入到麦克风的所述多个声音波束的每一个中，提取确定方向性的物理值；以及通过相互比较所述声音波束的所述物理值，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。

Description

定向扬声器系统及其自动设置方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年1月5日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2007-0001714号的优先权，其内容通过引用融入本文。
技术领域
本总体发明构思涉及利用定向扬声器的前环绕声音再现系统，更具体地，涉及定向扬声器系统及其自动设置方法，通过该系统和方法自动设置定向扬声器系统的转向角。
背景技术
常规地，前环绕声音再现系统利用信号处理技术，在没有侧面或后面扬声器的情况下，从前扬声器阵列产生立体声感觉。
前环绕声音再现系统利用定向扬声器阵列，从环绕声道信号形成声音波束，并且向墙壁发射该声音波束，从而从墙壁反射的反射声音到达聆听者。由此，由于声音的反射，聆听者可以感受到立体声效果，仿佛声音是从侧面与后面扬声器听到的。
前环绕声音再现系统使用虚拟化器、后反射器、以及定向扬声器。由此，将前环绕声音再现系统分类为定向扬声器系统与阵列型音响系统。
定向扬声器系统或阵列型音响系统的立体声声音性能依赖于如何根据聆听者以及聆听空间适当地控制声音波束方向。控制变量为声音波束的角度、强度、以及到达时间差，并且其根据聆听空间的几何结构与材料改变。但是，需要对于一般用户的设置方法，所述一般用户不具备定向扬声器的技术知识，因此无法容易地设置与使用定向扬声器系统或阵列型音响系统。
在WO04/066673(2004年1月19日提交，名称为“SET-UP METHOD FORARRAY-TYPE SOUND SYSTEM”)中公开一种关于阵列型音响系统的自动设置方法的技术。
图1显示利用常规自动设置方法的阵列型音响系统。参照图1，控制器(未显示)控制5.1声道中属于环绕声道的C(中央)、Ls(左环绕)、以及Rs(右环绕)声道信号，以具有不同方向上的正直性。控制器控制小孔径扬声器阵列10以形成声音波束12-1，并且控制中孔径扬声器(未显示)以再现中频与低频信号。小孔径扬声器阵列10形成具有适当角度上的正直性的声音波束12-2，从而环绕声道信号在从侧面与后面墙壁161反射之后，会聚于聆听者13的耳朵。由此，由小孔径扬声器阵列10再现的声音从侧面与后面墙壁161反射，从而聆听者13感受到立体声效果。图1所示的阵列型音响系统利用声压级(SPL)技术，确定第一反射角度以及与反射表面的距离。
由此，图1所示的阵列型音响系统的自动设置方法使用SPL作为发射测试信号并且确定测试信号的反射角度的技术。
但是，图1所示的常规自动设置方法具有以下缺点：当在实际空间中出现复杂反射或者漫射时，设置过程失败，这是因为常规自动设置方法试图仅利用SPL来测量反射位置/角度。另外，因为图1所示的常规自动设置方法使用测试信号，例如最大长度序列(MLS)，所以用户可能会觉得设置过程非常令人烦恼。
发明内容
本总体发明构思提供一种定向扬声器系统及其自动设置方法，利用该系统与方法，通过分析定向扬声器中在所希望的方向上反射的声音波束的信号特性，自动设置每个声道的声音波束方向。
本总体发明构思的其它方面与用途将部分地在以下说明书中列出，部分地从说明书可以明显看出，或者可以通过对本总体发明构思的实践而学习。
本总体发明构思的以上和/或其它方面与用途可以通过提供一种定向扬声器系统的自动设置方法达到，该方法包括：生成多个随机信号；利用定向扬声器，将所述多个随机信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束；从输入到麦克风的所述多个声音波束的每一个中，提取确定方向性的物理值；以及通过相互比较所述声音波束的物理值，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
本总体发明构思的以上和/或其它方面与用途也可以通过提供一种定向扬声器系统达到，该系统包括：定向扬声器，用来根据多个设置的转向角，将多个信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束，所述多个信号的每一个具有不同的频率；多个麦克风，用来接收从反射墙反射的所述定向扬声器的所述多个声音波束；以及信号处理单元，用来生成多个随机信号，该多个随机信号的每一个具有不同的频率与不同的转向角，通过对输入到所述多个麦克风的所述多个声音波束进行波束形成处理，提取每个声音波束的波束形成功率，以及通过相互比较所述波束形成功率，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
本总体发明构思的以上和/或其它方面与用途也可以通过提供一种设置定向扬声器系统的方法达到，该方法包括：生成多个测试信号；利用定向扬声器，根据所述多个测试信号，生成预定转向角上的多个声音波束；确定所述多个声音波束的方向性与幅度；比较相关虚拟扬声器位置上的所述多个声音波束的方向性与幅度；以及根据该比较，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
所述生成多个声音波束可以包括：生成多个不同的单调频率信号。
所述确定所述多个声音波束的方向性与幅度可以包括：同时在每个虚拟扬声器位置上，确定所述多个声音波束的每一个的方向性与幅度。
本总体发明构思的以上和/或其它方面与用途也可以通过提供一种定向扬声器系统达到，该系统包括：定向扬声器，用来根据多个设置的转向角，将多个信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束，所述多个信号的每一个具有不同的频率；麦克风模块，用来接收从反射墙反射的所述定向扬声器的所述多个声音波束；以及信号处理单元，用来生成多个信号，该多个信号的每一个具有不同的频率与不同的转向角，通过测量输入到麦克风模块的所述多个声音波束的声音强度，确定每个声音波束的声音强度，以及通过相互比较所述声音强度，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
所述麦克风模块可以包括用来检测信号路径差的多个孔与管。
所述麦克风模块可以为麦克风阵列。
附图说明
从以下结合附图的实施例的描述，本总体发明构思的这些和/或其它方面与用途将会变得显而易见和更容易被理解，附图中：
图1显示利用常规自动设置方法的阵列型音响系统；
图2为显示根据本总体发明构思的实施例的定向扬声器系统的自动设置装置的示意性方框图；
图3为显示根据本总体发明构思的实施例的、从多个测试信号生成的多个声音波束的概念图；
图4A与图4B显示根据本总体发明构思的实施例的、利用麦克风阵列确定声音波束的方向性；
图5A与图5B显示根据本总体发明构思的实施例的麦克风的排列间隔；
图6显示定向麦克风的结构；以及
图7为根据本总体发明构思的实施例的定向扬声器系统的自动设置方法的流程图。
具体实施方式
现在详细参照本总体发明构思的实施例，其例子在附图中显示，其中通篇相同的附图标记表示相同的元件。以下描述实施例来通过参照附图解释本总体发明构思。
图2为显示根据本总体发明构思的实施例的定向扬声器系统的自动设置装置的示意性方框图。
参照图2，该自动设置装置可以包括：信号处理单元210、定向扬声器220、以及麦克风模块240。
信号处理单元210可以在测量模式下生成形成和弦的多个测试信号，并且可以将该多个测试信号输出到定向扬声器220。在这种情况下，信号处理单元210可以响应每个测试信号，预先设置由定向扬声器220生成的声音波束的转向角控制信号，并且可以与所述多个测试信号一起输出该转向角控制信号。通过同时再现多个不同的单调频率信号，来获得该多个测试信号，其可以建立和弦，以使设置过程期间的用户烦恼最小化。例如，可以使用大调三和弦，例如哆、咪、嗦，并且可以根据喜好选择不谐和弦。可以在窄波段中生成和弦或不谐和弦。信号处理单元210可以通过对从麦克风模块240的多个麦克风输入的多个声音波束的每一个进行波束形成处理或者声音强度测量，来测量声音波束功率或者声音强度，可以相互比较声音波束功率或者声音强度，并且设置具有最大声音波束功率或者声音强度的声音波束的转向角为相关虚拟扬声器位置的转向角。信号处理单元210可以将相关虚拟扬声器位置的方向信息(转向角控制信号)反馈给定向扬声器220。
例如，定向扬声器220接收对应于来自信号处理单元210的所述多个测试信号的每一个的转向角控制信号，并且根据对应的转向角控制信号，将该多个测试信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束。例如，定向扬声器220利用所述多个测试信号形成多个声音波束，其具有对应于L(左)声道的虚拟扬声器位置的近似候选转向角(例如45°、50°、55°等等)。如果假定使用具有不同频率的3个测试信号，则可以从第一测试信号形成具有45°转向角的声音波束，从第二测试信号形成具有50°转向角的声音波束，并且从第三测试信号形成具有55°转向角的声音波束。转向角可以由信号处理单元210预先设置。
麦克风模块240可以包括麦克风阵列或者定向麦克风，用来确定利用其达到最优反射的反射角，并且可以接收从反射墙230反射的多个声音波束。例如，麦克风阵列可以利用多于两个麦克风(其具有小于要测量的频率的波长的一半的间隔)，确定声音波束的方向性。由此，当将麦克风阵列平行于在聆听空间中传播的声波的波前安装时，麦克风阵列可以获得具有最佳信噪比(SNR)的波束形成功率。另外，定向麦克风可以利用多个孔与管来检测来自波前的信号的路径差，从而确定声音波束的方向性。
图3为显示根据本总体发明构思的实施例的、从多个测试信号生成的多个声音波束的概念图。
参照图3，定向扬声器220可以根据从信号处理单元210输入的多个测试信号，利用小孔径扬声器阵列，形成多个声音波束。从定向扬声器220输出的多个声音波束根据反射墙230的特性反射。将由反射墙230反射的多个声音波束输入到麦克风模块240。
图4A与图4B为显示根据本总体发明构思的实施例的、利用麦克风阵列确定声音波束的方向性的图示。
信号处理单元210可以根据通过麦克风模块240的麦克风阵列接收的声音波束，测量确定方向性的物理值，例如声音强度或者波束形成功率。声音强度为利用两个麦克风之间的信号幅度差以及相位差来表示声音的传播特性的物理值。可以通过自相关函数以及两个信号之间的互相关函数来获得声音强度。信号处理单元210可以利用常用的波束形成处理而不使用声音强度，来确定声音波束的方向性。
在实际的聆听空间中，还存在不同于测试信号的许多噪音信号。由此，为了通过排除噪声信号来仅提取所希望的信号，使用多个麦克风阵列。当麦克风数目增加时，可以获得更高的SNR。
例如，参照图4A，其间具有预定间隔“d”以及预定斜率θ的两个麦克风440与450通过波前接收多个声音波束①、②、与③。粗箭头指示各个声音波束的方向，并且预定间隔“d”以及预定角度θ为根据要测量的对象的变量。两个麦克风440与450可以位于用户的聆听位置。信号处理单元210通过向通过两个麦克风440与450获取的声音波束①、②、与③应用波束形成算法，获得在各自方向上输入的每个声音波束①、②、与③的波束形成功率。
参照图4B所示的根据入射角度的波束形成功率的曲线图，第一声音波束①在到两个麦克风440与450的输入时间之间没有路径差。由此，在声音波束①、②、与③的波束形成功率中，第一声音波束①的波束形成功率为最大。但是，由于到两个麦克风440与450的输入时间之间的路径差，声音波束②与③的波束形成功率减少。由此，信号处理单元210将对应于最大波束形成功率的第一声音波束①的转向角确定为最优声音波束转向角。
图5A与图5B显示根据本总体发明构思的实施例的麦克风的排列间隔。
如果两个麦克风之间的间隔“d”大于半波长，如图5A所示，则在其上发生空间假频效应(spatial aliasing effect)的点处测量声音波束，并且如果两个麦克风之间的间隔“d”等于半波长，如图5B所示，则在奇点(singular point)处测量声音波束。由此，可以将两个麦克风之间的间隔“d”限定到对应要测量的声音波束的频率的波长的1/2之内。
图6显示定向麦克风的结构。
参照图6，该定向麦克风可以包括多个孔与管，以检测来自波前的信号之间的路径差。
图7为根据本总体发明构思的实施例的定向扬声器系统的自动设置方法的流程图。
参照图7，在操作710，确定当前模式是否为测量模式。如果在操作710确定当前模式不是测量模式，并且在操作780确定当前模式为再现模式，则在操作790再现信号。
如果在操作710确定当前模式为测量模式，则在操作720同时生成可以产生和弦的多个单调。
在操作730，利用定向扬声器，将该多个单调转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束。在这种情况下，利用多个预先设置的转向角，从该多个单调形成多个声音波束。
在操作740，通过反射墙向虚拟扬声器位置发射多个声音波束。
在操作750，从通过麦克风阵列或者定向麦克风接收的多个声音波束的每一个中，提取确定方向性的物理值，例如波束形成功率或者声音强度。例如，利用波束形成算法，测量通过麦克风阵列或者定向麦克风接收的多个声音波束的波束形成功率。每个声音波束的方向与幅度由波束形成功率表示。在另一实施例中，利用两个麦克风之间的信号幅度差以及相位差，来提取声音强度。
在操作760，利用所述多个声音波束的波束形成功率或者声音强度，相互比较该多个声音波束的方向与幅度。
在操作770，从该多个声音波束中，检测出具有最大物理值(波束形成功率或者声音强度)的声音波束，并且将对应于所检测的声音波束的转向角设置为虚拟扬声器位置的转向角。在这种情况下，预先设置对应于所检测的声音波束的转向角。即，因为信号处理单元210预先知道每个声音波束的频率特性，所以信号处理单元210可以识别具有最大波束形成功率或者声音强度的声音波束，并且知道该声音波束的转向角。
最终，L、R、C、Ls、Rs声道的每个信号可被设置以在其中空间地再现该信号的所希望的方向上被反射。
在另一实施例中，获得具有最高SNR的测试信号，生成围绕测试信号的方向细微控制的声音波束，并且利用该声音波束，生成细微的声音波束转向角。
本总体发明构思也可被实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质为可以存储以后可以由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的例子包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储设备、以及载波(例如通过因特网的数据传输)。计算机可读记录介质也可以分布在网络耦合的计算机系统上，从而以分布的方式存储与执行计算机可读代码。
如上所述，根据本总体发明构思的各种实施例，可以利用麦克风阵列与波束形成算法，精确地检测在空间上分布的声音波束的方向。另外，通过生成形成和弦的多个测试信号，可以迅速的完成定向扬声器的设置，由此使用户的烦恼最小化。
虽然已经显示并且描述了本总体发明构思的几种实施例，但是本领域技术人员应该理解：在不偏离本总体发明构思的精神与原理的情况下，可以对这些实施例进行改变，本发明的范围由附加的权利要求及其等价物限定。

Claims (23)

1.一种定向扬声器系统的自动设置方法，所述方法包括：
生成多个信号；
利用定向扬声器，将所述多个信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束；
从输入到麦克风的所述多个声音波束的每一个中，提取确定方向性的物理值；以及
通过相互比较所述声音波束的所述物理值，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述将所述多个信号转换为所述多个声音波束包括：
设置所述多个信号的转向角；以及
根据所述转向角，从所述多个信号形成朝向虚拟扬声器候选位置的所述多个声音波束。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述多个信号为单调、和弦、以及不谐和弦中的一种。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述多个信号具有不同的频率。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述麦克风为麦克风阵列以及定向麦克风中的一种。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述麦克风阵列包括间隔小于要测量的频率的半波长的两个或更多个麦克风。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述定向麦克风包括用来检测信号路径差的多个孔与管。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述多个声音波束被同时或者依次朝向虚拟扬声器位置生成。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述提取物理值包括：通过基于输入到至少一个麦克风的声音波束的路径差对每个声音波束进行波束形成处理，来提取所述声音波束的波束形成功率。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述提取物理值包括：利用所述至少一个麦克风之间的信号幅度差以及相位差，提取声音强度。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述设置转向角包括：相互比较所述多个声音波束的波束形成功率，从所述多个声音波束中选择具有最大波束形成功率的声音波束，并且将所述选择的声音波束的转向角设置为所述虚拟扬声器位置的转向角。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述设置转向角包括：相互比较所述多个声音波束的声音强度，从所述多个声音波束中选择具有所述最大声音强度的声音波束，并且将所述选择的声音波束的转向角设置为所述虚拟扬声器位置的转向角。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述波束形成功率根据输入到多个麦克风的所述多个声音波束的时间路径差生成。
14.一种定向扬声器系统，包括：
定向扬声器，用来根据多个设置的转向角，将多个信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束，所述多个信号的每一个具有不同的频率；
麦克风模块，用来接收从反射墙反射的所述定向扬声器的所述多个声音波束；以及
信号处理单元，用来生成多个信号，所述多个信号的每一个具有不同的频率与不同的转向角，通过对输入到所述麦克风模块的所述多个声音波束进行波束形成处理，来提取每个声音波束的波束形成功率，以及通过相互比较所述波束形成功率，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
15.如权利要求14所述的定向扬声器，其中所述麦克风模块包括用来检测信号路径差的多个孔与管。
16.如权利要求14所述的定向扬声器，其中所述麦克风模块为麦克风阵列。
17.一种计算机可读记录介质，包括用来执行定向扬声器系统的自动设置方法的计算机可读代码，所述方法包括：
生成多个信号；
利用定向扬声器，将所述多个信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束；
从输入到麦克风的所述多个声音波束的每一个中，提取确定方向性的物理值；以及
通过相互比较所述声音波束的所述物理值，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
18.一种设置定向扬声器系统的方法，所述方法包括：
生成多个测试信号；
利用定向扬声器，根据所述多个测试信号，生成预定转向角上的多个声音波束；
确定所述多个声音波束的方向性与幅度；
比较相关虚拟扬声器位置上的所述多个声音波束的所述方向性与幅度；以及
根据所述比较，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述生成多个声音波束包括：生成多个不同的单调频率信号。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述确定所述多个声音波束的所述方向性与幅度包括：同时在每个虚拟扬声器位置上，确定所述多个声音波束的每一个的所述方向性与幅度。
21.一种定向扬声器系统，包括：
定向扬声器，用来根据多个设置的转向角，将多个信号转换为朝向虚拟扬声器候选位置的多个声音波束，所述多个信号的每一个具有不同的频率；
麦克风模块，用来接收从反射墙反射的所述定向扬声器的所述多个声音波束；以及
信号处理单元，用来生成多个信号，所述多个信号的每一个具有不同的频率与不同的转向角，通过测量输入到所述麦克风模块的所述多个声音波束的所述声音强度，确定每个声音波束的声音强度，以及通过相互比较所述声音强度，设置相关虚拟扬声器位置的转向角。
22.如权利要求21所述的定向扬声器，其中所述麦克风模块包括用来检测信号路径差的多个孔与管。
23.如权利要求21所述的定向扬声器，其中所述麦克风模块为麦克风阵列。
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