CN101361405B - 在房间中均衡扬声器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于均衡位于房间中的一个或多个扬声器的方法和系统，例如高保真系统，以便对房间的影响补偿来自扬声器的声音重现。该方法包括：测量从扬声器(L1)的电输入到房间中的收听位置(LP)的声压的收听位置传递函数(L)。确定表示由扬声器(L1)生成的在房间中的声压水平的空间平均值的全局传递函数(G)。这个全局传递函数(G)或是可被确定为在散布在房间中的场点所测量的两个或多个传递函数的平均值，或是可基于从扬声器(L1)测量的声学功率输出与关于房间的声音吸收特性的数据一起进行计算的。随后基于全局传递函数(G)的倒数确定增益上限(UGL)作为频率的函数。随后基于收听位置传递函数(L)的倒数确定均衡滤波器(F)，但是根据增益上限(UGL)其增益限制在最大增益。最后，利用均衡滤波器(F)均衡扬声器(L1)，该滤波器(F)利用FIR或HR滤波器的例如最小相位近似来实现。优选地，作为频率的函数的增益下限(LGL)还被确定为全局传递函数(G)的倒数，其中根据增益下限(LGL)，均衡滤波器(F)的增益被限制在最小增益。使用增益上限和增益下限(UGL，LGL)，对系统的操作者仅执行简单任务即可实现能够自动地设计均衡滤波器(F)的系统。

Description

在房间中均衡扬声器的方法和系统

技术领域

本发明涉及音频和声音再现设备的领域，更具体地，本发明提供了一种在房间中均衡扬声器的方法和系统，目的在于使扬声器适应于房间并且因此改善声音再现。更具体地，这种均衡是为了校正在房间中的收听位置所感觉的频率特征，以便获得具有所感觉的中间音色的声音再现，该中间音色更加独立于房间的房间特点、扬声器位置以及收听位置。

背景技术

在音频再现领域中，例如家用高保真立体声或环绕声系统，采用预均衡来补偿由于收听房间或是由于扬声器与收听房间之间的相互作用所引入的音色的声音再现是公知的。当在给定的房间的给定位置聆听扬声器时，已经采用不同方案来提供具有更中性的音色的改进的声音再现质量。

现有技术的解决方案包括基于从扬声器至收听位置的传递特征的测量和随后设计补偿这种传递特征的滤波器的方法。除非执行多次额外的修改，由于房间模式的存在，这种方法在特定的低频出现诸如不可控制的高增益的多种公知的缺点。然而，与不施加均衡相比，这些种均衡方法导致在收听位置之外的位置，导致更坏的着色的声音再现。甚至从收听位置移动很小的位置，例如几厘米，也可足以导致所感知的声音质量的足够大的下降。这种单点均衡方法的例子如美国专利US 4,458,362所示。

可选地，几种现有技术的方法教示了取在靠近收听位置的几个位置测量得到的传递特征的平均值，以便提供使更大收听区域内获得满意结果的均衡化。然而，这种方法经常需要大量的测量，并且当收听者移出收听区域外一点时就只能获得很差的结果。因此，为了使这种方法变得通用，需要由有技术的操作者执行大量的手动校正。这种多点均衡方法的例子如美国专利US 6,760,451所示。

存在的其它均衡方法基于估计来自房间中的扬声器的总的声响应，即远离收听位置。如在EP 0772374B1中所描述的一样，或是通过取在房间中的多个位置执行的测量的平均值，或是可选地通过测量来自扬声器的功率输出或例如辐射电阻的等效声学参数，来实现这种方法。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种均衡扬声器的方法和系统，以便补偿扬声器所在的房间的影响，从而改善在房间中的收听位置收听扬声器的收听者感觉的声音再现质量。该方法还提供扬声器的均衡，以便改善位于收听位置之外的收听者的声音再现质量。该方法必需适于仅具有非技术的操作者要求的非常有限的任务以高成功结果的概率的自动滤波器设计。因此，该方法适用于由普通非技术人员操作以均衡位于起居室的特定位置的高保真扬声器的高保真系统，同时考虑到房间的独立的声学特性以及房间与扬声器之间的相互作用。

在本发明的第一方面中提供一种用于均衡位于房间中的第一扬声器的方法，以便补偿房间的影响，所述方法包括下列步骤：

1)测量从第一扬声器的电输入到房间中的收听位置的声压的收听位置传递函数，

2)确定表示由第一扬声器生成的房间中的声压水平的空间平均值的全局传递函数，

3)确定增益上限作为频率的函数，该增益上限是基于全局传递函数的倒数的，

4)基于收听位置传递函数的倒数确定均衡滤波器，其中根据增益上限，均衡滤波器的增益被限制在最大增益，以及

5)根据该均衡滤波器来均衡第一扬声器。

在步骤1)中，应当懂得，收听位置传递函数可由在房间中的优选收听位置一次单个测量来执行。可选地，收听位置传递函数可在空间上位于收听位置周围的多个位置进行测量，包括或不包括优选的收听位置，而是覆盖收听区域，例如空间平均表示收听区域的传递函数。

在下面的说明书中，“增益”和“传递函数”是指以dB幅度标度表示的数值，或是等同的表示，并且一般地它们被认为是频率的函数。因此，正的增益理解为大于1的绝对增益，而负的增益理解为小于1的绝对增益。相应地，传递函数的倒数对应于以其dB的幅度值的符号的变化，例如，如果G(f1)＝3dB，则1/G(f1)＝-3dB。相应地，传递函数的相加或相减也理解为对dB幅度所执行的操作。

利用根据第一方面的方法，可对于收听位置均衡第一扬声器，但是仍考虑房间的总的特性。尽管均衡滤波器是基于对于特定收听位置的测量的传递函数的，但是基于表示房间中的平均声压的传递函数的倒数，引入频率取决于的增益上限，由于这些特性在全局传递函数中是固有的，因此根据房间的总的声学特性可形成均衡滤波器。

使用这种方法，可使均衡滤波器适于收听位置，仍改变滤波器的最大增益以便符合房间的总的特性。因此，可避免设计在由收听位置的局部特性所指示的窄的频率间隔具有高的最大增益的均衡滤波器。根据这个方法，这种高的最大增益仅在它们对应于房间的总趋势的情况下才被允许。因此，增益上限用来解决在特定窄的频率范围内的高增益的问题，例如，由于房间模式所导致的收听位置的窄的频率范围内的局部节点所造成。没有高的最大增益，特别是在低频处，有助于节省功率放大器和扬声器动态净空间。此外，由于减小了收听位置的特定的局部声学特性，这还提供与更大的收听区域的更好的匹配。总之，根据本方法，可提供扬声器的房间适配滤波，这将向收听者提供由房间-扬声器的相互作用所造成的较差的音色极大地降低的收听体验，并且无需在收听位置之外的位置引入人为音色。

由于可以自动的形式执行本方法，其中指示操作者执行关于收听位置传递函数的测量以及全局传递函数的确定的不同步骤，因此非技术的操作人员可执行第一方面的方法。通过在显示器上的文字指令或是通过合成的语言指令可指示操作者。这样的指令例如可以是：“将麦克风插头连接到麦克风输入以及将麦克风放置到你的优选收听位置。当麦克风处于收听位置时按下“OK””。步骤1)和步骤2)需要系统的操作者的一些参与，但是步骤3)和步骤4)可由计算机算法自动地执行。步骤3)和步骤4)当然也可由懂技术的操作者的或多或少的参与来执行，该操作者可能希望响应例如表示测量的传递函数的曲线或表示目标滤波器函数等的曲线来操作滤波器设计。

根据增益上限如何基于全局传递函数以及均衡滤波器如何基于收听位置传递函数的选择，可提供如下的均衡滤波器：a)更关注特定收听位置或b)不特别关注的并且更一般地适于房间的特性。

尽管已经编号1)-5)，但是可以想到的是可以不同的次序来执行这几个步骤，例如，步骤1)可在步骤2)和步骤3)等之后执行。由于在与均衡滤波器的设计的步骤1)-4)的密切关系，步骤5)不是必须执行的，步骤5)被视为是任选的步骤。

可以不同方式来确定步骤2)的全局传递函数，例如优选地：

A)基于从第一扬声器的声学功率输出的测量以及关于房间的声音吸收特性的数据计算全局传递函数，或者

B)全局传递函数是基于从第一扬声器的电输入到散布在房间中的各个场点位置的声压测量的至少两个场点传递函数的平均值的。

在A)中，需要关于扬声器的声学功率测量，例如使用声音强度技术。此外，需要房间的声音吸收数据，例如基于房间中的回音时间测量或是基于房间尺寸和关于房间中的声音吸收材料的信息。

在B)中，直接地测量全局传递函数，并且如果以正确反映由第一扬声器生成的房间中的平均声压的方式来选择场点，则该全局传递函数因此包括关于房间的声学特性的所有相关信息。由于还应该测量收听位置传递函数，因此诸如麦克风和数据处理装置的测量设备必须可用于现场执行该方法，并且使用相同设备可执行用于确定全局传递函数的场点传递函数。优选地，全局传递函数是基于从第一扬声器的电输入到房间中的各个场点位置的声压测量的至少三个场点传递函数的平均值的。为了获得更精确的全局传递函数，可基于从第一扬声器的电输入到房间中的各个场点位置的声压测量的至少六个场点传递函数的平均值。一般地，更多的场点产生改善的结果，然而是以更复杂的测量为代价。然而，可以发现两个场点测量可提供满意的结果。

在优选的实施例中，其中全局传递函数是基于从第一扬声器的电输入到房间中的场点位置的声压测量的至少一个场点传递函数与收听位置传递函数一起的平均值的。因此，还可使用始终执行的、在收听位置执行的测量来提供关于房间的总的声学特性的信息。在这种情况下，仅需要一个额外的场点传递函数来提供满意的结果，这仍然会从基于全局传递函数的增益上限中获益。

在另一优选实施例中，全局传递函数是基于从第一扬声器的电输入到散布在房间中的场点位置的各个声压测量的至少两个场点传递函数与收听位置传递函数的平均值的。

优选地，计算全局传递函数所涉及的传递函数的平均值为功率平均值，例如简单功率型的平均，其中要平均的所有单独的传递函数均相同地加权。然而，在收听位置传递函数包括在平均中以形成全局传递函数的情况下优选地可应用不同的加权。

一般地，优选地在房间中随机地选择至少两个场点传递函数。优选地，这包括在完全随机的基础上在房间的边界内选择至少两个位置的每一个位置。例如，场点的随机选择可基于来自随机数生成器的输入，该随机数生成器基于房间的预先输入的维数在三维中随机地选择位置。

除了增益上限之外，本方法优选地包括基于全局传递函数的倒数确定增益下限作为频率的函数，并且其中根据增益下限均衡滤波器的增益被限制在最小增益。因此，增益上限和增益下限一起提供其中均衡滤波器的增益受到限制的增益包络(gain envelope)。由于增益上限和增益下限均是基于全局传递函数，可对用来使所得到的均衡滤波器适于房间的总的声学特性的均衡滤波器提供增益限制，而不是反映在收听位置的特定局部特性。特别地，增益下限用来确保不允许在收听位置传递函数中观测到的频域内的峰值具有作为在所得到的均衡滤波器中对应的倾斜的完全效应，除非在收听位置观测到的峰值反映房间的总的趋势。

增益上限优选地被确定为全局传递函数的倒数加上第一正的增益，例如3dB的正的增益，或是可选地第一正的增益简单地为0dB。第一正的增益可以是频率无关的或是频率相关的。因此，增益下限被确定为全局传递函数的倒数减去第二正的增益，例如3dB的第二正的增益。第二正的增益可以是频率无关的或是频率相关的。基于全局传递函数以及增益的相加/相减提供不同增益上限和增益下限的这些方式可使用来提供或多或少的严格包络，其中均衡滤波器的增益是允许的。

增益上限可被限制在第一增益间隔，例如0dB至+10dB的间隔，第一增益间隔是频率无关的或是频率相关的。因此，增益下限可被限制在第二增益间隔，例如-15dB至+10dB的间隔，第二增益区间是频率无关的或是频率相关的。

通过这些限制间隔，可进一步完善其中均衡滤波器被限制的包络。例如，与上述的第一和第二增益一起，这可实现自动算法的执行，无需来自操作者的手动协助即可获得满意的均衡滤波器，还可获得特别的房间扬声器配置。

根据对于测量的传递函数所选择的频率分辨率，优选地可包括在该方法的各个步骤期间对一个或多个传递函数执行平滑程序。该方法包括对于全局传递函数执行平滑程序，例如在执行步骤3)之前对全局传递函数执行该平滑程序。该方法可包括对于收听位置传递函数执行平滑程序，例如在执行步骤4)之前对收听位置传递函数执行该平滑程序。该方法可包括基于收听传递函数与全局传递函数之间的差对传递函数执行平滑程序。该方法可包括在基于目标滤波器函数实现均衡滤波器之前对于目标滤波器函数执行平滑程序。

优选地，该方法包括在执行步骤4)之前，全局传递函数的水平(level ofglobal transfer function)相对于收听传递函数的水平(level of listening transferfunction)的对齐。因此，可自动地补偿在测量设备增益设定等中的不想要的差值，该差值可能已经在场点的测量与在收听位置的测量之间变化引起的，并且还可自动地补偿在收听位置与全局传递函数之间的总的水平差，该水平差是由于在收听位置的声压水平(sound pressure level)通常高于房间内的平均声压水平引起的，因为扬声器经常放置于靠近收听位置。该水平对齐(levelalignment)可基于全局传递函数和收听位置传递函数的各自的平均水平来执行，在预定的频率间隔内计算所述各自的平均水平，例如300Hz至800Hz的频率间隔。可通过该水平对齐发现的全局传递函数和收听位置传递函数的公共平均水平可用作在步骤3)和步骤4)中用来确定全局传递函数和收听位置传递函数的倒数形式的水平。

在执行步骤3)之前滤波器可应用于全局传递函数。优选地该滤波器用来去除朝向更低频率的总的‘房间增益’，例如低于200Hz。可选地或额外地，可设置滤波器来去除第一扬声器的方向性的影响，这种影响例如是朝向更高频率的降低的水平(level)并且因此补偿在许多收听设定中利用指向收听位置的声学高频驱动器来导向扬声器的事实，因此在高频一般产生比房间中更高的水平。

在执行步骤4)之前，滤波器可应用于收听位置传递函数。该滤波器可用作与上述段落中所述的关于应用于全局传递函数任选的滤波器的相同目的，也就是说，去除朝向更低频率的总的‘房间增益’和/或补偿朝向更高频率的非平坦或非均匀的频率响应。

在执行步骤3)之前，滤波器至少可应用于收听位置传递函数，从而去除总的高通效应，例如由第一扬声器所引起的高通效应。类似的滤波器还可应用于全局传递函数。当在执行滤波器设计之前就去除了扬声器中的自然截止固有特性时，可获得均衡滤波器的改进设计。

均衡滤波器优选地是目标滤波器函数的最小相位近似或线性相位近似。

优选地，通过对第一扬声器施加例如随机噪声信号或纯音信号的电测试信号并且收集在房间中的对应的声学响应来测量收听位置传递函数和场点传递函数的至少一个传递函数。

在例如一对立体声扬声器的方法的实施例中，该方法包括确定位于房间中的第二扬声器的第二均衡滤波器，并且根据该第二均衡滤波器均衡该第二扬声器。通过同时对第一和第二扬声器施加电测试信号，优选地相同的电测试信号，并且收集在房间中的对应的声学响应可执行收听位置传递函数和/或场点的测量。以相似方式，场点传递函数可通过对两个扬声器同时施加电测试信号来测量。因此，来自两个扬声器的声学作用包括在单个测量中。

可选地，第一和第二扬声器分开地执行收听位置传递函数的测量。对于这种情况，对于第一和第二扬声器分开地测量的传递函数可相加以形成第一和第二扬声器的公共收听位置传递函数，从而利用叠加在数学上相加来自两个扬声器的声学作用。对应于这个替代方案，可对场点传递函数的测量执行相似的程序。

可优选地设计第一和第二均衡滤波器具有相同的传递特性，因此便于滤波器设计的程序。

在用于环绕声音的例如多扬声器收听设定的方法的实施例中，例如5.1扬声器设定，该方法可包括对位于房间中的多个扬声器确定多个均衡滤波器，并且根据多个均衡滤波器来分别均衡多个扬声器。收听位置传递函数的测量可通过同时对多个扬声器施加电测试信号，优选地相同的电测试信号，并且收集在房间中的对应的声学响应来执行。可选地，对多个扬声器的至少两个扬声器分开地执行收听位置传递函数的测量，例如对多个扬声器的所有扬声器分开地执行。正如可以理解的，类似的测量方法可用于场点传递函数测量。

收听位置传递函数可选地通过同时对多个扬声器的第一子集施加电测试信号的组合来执行，而对多个扬声器的第二子集执行分开测量。还可使用场点测量的对应的替代方案。

更可选地，收听位置传递函数可通过同时对多个扬声器的第一子集施加电测试信号来执行，并且对多个扬声器的第二子集分开地施加电测试信号。还可使用场点测量的对应的替代方案。

对于所有的所述实施例，所有测量的传递函数优选地具有等效于1/12-八音度或是更佳的频率的分辨率。该方法优选地应用在整个音频范围内，但是它可以仅应用在起有限的部分，例如20-5,000Hz或20-1,000Hz的范围，设计均衡滤波器在音频范围的其余部分内具有平坦的幅度-频率特性。

在第二方面，本发明提供适于执行第一方面的方法的计算机可读程序代码。该程序但码可以出现在数据载体，例如存储卡、磁盘、硬盘、只读存储器、随机存取存储器等。该程序代码可适于在例如个人计算机的通用设备上执行或是例如测量设备或音频设备的专用设备。

在第一方面的方法中所述的相同优点也适于第二方面的程序代码。

在第三方面，本发明提供了适于执行根据第一方面的方法的系统，该系统包括：

测量系统，适于执行第一方面的步骤1)至步骤4)，以及

滤波器装置，适于执行第一方面的步骤5)。

在第一方面的方法中所述的相同优点也适于第三方面的系统。

在实施例中，该测量系统和该滤波器装置作为适于通过接口互连的分开的单元来实现。

在可替代的实施例中，该测量系统和该滤波器装置集成为一个单元。这个单元可作为适于插入音频放大器或另一音频设备的电路板来实现。这个单元另外可以是单独设备，例如适于连接到传统的高保真系统的设备。

该测量系统可作为计算机实现，例如个人计算机，根据均衡滤波器具有适于下载滤波器系数到该滤波器装置的接口。

在第四方面，本发明提供了一种音频设备，包括根据第三方面的测量系统和滤波器装置的至少一个。该音频设备可包括测量系统和滤波器装置两者。该音频设备例如可是放大器、环绕声音接收器等。

在第一方面的方法中所述的相同优点也适于第四方面的系统。

附图简要说明

在下面，将参考所附的附图更详细地描述本发明，其中，

图1描绘根据本发明的房间均衡系统的基本部件，

图2表示在房间中测量的9个测量的传递函数的例子的曲线图(细线)。在上部的曲线图中以粗线表示作为9个测量的传递函数的功率平均值的全局传递函数G，而在下部的曲线图中以粗线表示收听位置传递函数L，用于比较，

图3的上部表示全局传递函数G(粗线)，以水平线表示在频率间隔300至800Hz之间的全局传递函数G的平均水平，而斜线表示朝向G的更高频率的总的下降水平，和下部表示G′的补偿形式(粗曲线)，

图4分别表示补偿的全局传递函数的倒数形式1/G′和补偿的收听位置传递函数的倒数形式1/L′，其中L和G已经彼此水平对齐(level alignment)，

图5的上部表示基于1/G′的增益上限UGL和增益下限LGL的例子，而下部描绘作为收听位置传递函数的倒数1/L′的增益受限形式的目标滤波函数T，

图6表示与图5相同的内容，但是增益上限UGL和增益下限LGL的另一个例子，因此得到不同的目标滤波函数T(下部的曲线图)，

图7描绘对于图5的例子的目标滤波函数T和形成作为均衡滤波器F实施的传递函数的目标滤波函数T的平滑形式，以及

图8描绘由于朝向更低频率的总的‘房间增益’得到的优选低频提升的例子。

尽管本发明可以接受各种变化和替代的形式，特定的实施例已通过附图中的例子表示了并且将在这里详细地描述。然而，应该懂得，本发明并不局限于所公开的特定形式。相反，本发明包括落入由所附的权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的全部变化、等效以及替代。

优选实施例的叙述

图1用于说明本发明的优选实施例的基本部件。扬声器L1位于例如具有收听位置LP的起居室的房间中。扬声器L1可以是通常的高保真立体声装置的一部分，例如连接至扬声器L1的功率放大器和CD播放器所示的。如图所示，根据本发明，均衡滤波器F，即预滤波器插入在信号源(CD播放器)与功率放大器之间，主要目的在于至少部分地补偿由于房间的影响在收听位置LP的声音再现，或是来自扬声器L1与房间之间的声学相互作用的影响。

如图所示，对房间均衡系统的输入包括：a)在从扬声器L1的电气输入到收听位置的声压的收听位置传递函数L中的测量的传递，以及b)代表由扬声器L1生成的房间中的声压水平的空间平均的全局传递函数G。在所述实施例中，全局传递函数G是基于三个场点传递函数G1、G2、G3的平均值，优选地基于上述三个场点传递函数的功率平均值，三个场点传递函数G1、G2、G3是从扬声器L1的电气输入到散布在房间中的各个场点位置PF1、PF2、PF3的声压测量的，即场点不仅围绕LP散布而是覆盖整个房间。因此，全局传递函数G用来反映总的声学趋势或房间的特性，而收听位置传递函数L包括收听位置LP的准确的声学特性。

为了在收听位置LP提供完全的补偿，均衡滤波器F应该基于等于1/L的目标滤波器函数来设计。然而，实际上收听扬声器L1的一个人或多个人不会处于一个点。此外，选择1/L作为目标滤波器函数通常会由于房间模式而导致在低频处的窄频带的无限增益。这些问题由本发明通过引入增益上限UGL作为频率的函数，以及可选地引入增益下限LGL作为频率的函数来改变目标1/L来解决，这些增益限制是基于1/G的。之后，均衡滤波器F基于1/L进行设计，但是F的增益局根据UGL限制为最大增益，并且任选地具有进一步限制：F根据LGL限制为最小增益。

因此，获得均衡滤波器F，用于补偿收听位置的具体特性但是限制房间的整体特性的补偿。得到的均衡滤波器F也允许处于收听位置之外但是靠近该收听位置LP可感觉的好的效果，并且滤波器F还提供在远离收听位置LP的位置的有利的效果。

声电传递函数L、G1、G2、G3可使用麦克风的已知的方式来测量，并且可使用例如基于伪随机噪声的方法的在声学测量技术领域中公知的测量方法，例如最大长度序列技术或时间延迟频谱。

在优选的传递函数测量方法中，使用在频率范围为20-20,000Hz以1/12-八音度间隔的频率的同步纯音。优选地使用Goertzel分析滤波器，并且选择纯音频率以使它们准确地匹配分析滤波器的频率拍子。

场点传递函数G1、G2、G3优选地在散布在房间中的随机选择的场点PF1、PF2、PF3进行测量，即相对于房间的长度、宽度以及高度尺寸随机地选择的位置。

如果使用更多的场点则可以获得更好的结果，但是通常仅需要两个场点来获得可接受的结果，特别地，如果L也包括在与场点传递函数一起平均中来形成G。在这个例子中，使用总共三个麦克风位置可获得可接受的结果。

作为测量场点传递函数G1、G2、G3的替代，可以基于来自处于房间特定位置的扬声器L1的声学功率输出的测量与关于房间的声音吸收特性的数据一起来计算G，例如使用声音强度测量技术。房间的声音吸收特性可基于房间中的声音吸收材料的声音吸收数据来计算，或是声音吸收特性可基于测量的数据，例如利用在房间中的回音时间测量。

正如已经提及的一样，房间均衡系统的实际的实施方式可以采用几种形式。适用于现有的高保真系统的一种实施方式可通过两个分开的单元来形成：测量单元和具有到测量单元的接口的滤波单元，该滤波单元适于接收来自测量单元的滤波系数。

随后优选地设计测量单元来处理传递函数测量以及滤波器设计，并且优选地包括信号处理装置来与使用者对话的方式执行传递函数测量，以便指示使用者将测量麦克风放置在正确的位置并且确保所有的电连接都是正确的等。优选地，包括误差处理算法，以便验证测量结果是否可以被接受或是否需要重复测量，也就是说，确保严密(waterproof)的自动程序。此外，测量单元优选地还包括自动算法，以便能够无需使用者要求的任何人工交互作用即可执行滤波器F的设计。测量单元可以是独立设备或是由具有音频处理卡的通常的个人计算机形成的。

为了适应通常的高保真系统，滤波器可以是独立单元而包括在信号源(例如，CD播放器)与放大器之间，或是在预放大器与功率放大器之间。该滤波器可适于接收模拟或数字输入音频信号，并且该滤波器可适于数字或模拟格式的滤波的输出。优选地，均衡滤波器利用FIR或IIR滤波器来实现。

在具有数字信号处理装置的放大器的例子中，放大器可适于加载来自测量系统的滤波系数。

图2上部曲线图描绘了9个测量的场点传递函数和计算作为它们的功率平均值的全局传递函数G(粗线)的幅度-频率曲线的例子。可以看出，这9个场点传递函数是相当不同的并且它们包括高的单独的峰和谷。计算的G是很平滑的并且仅反映单独的场点的总的特性。请注意，例如，相对于500-1,000Hz，在10-15dB的30-100Hz范围内有一般的升高。

图2下部的曲线图表示与上部的曲线图相同的场点传递函数，但是在这里收听位置传递函数L以粗线表示。比较L与G，可以注意到的是L在略微低于40Hz的窄频带具有更大的谷。因此，使用1/L作为滤波目标将在40Hz附近产生大增益，从而需要功率放大器和扬声器的相当大的动态净空间，并且由于房间模式而导致在L中出现谷，在收听位置LP不能获得最优的声学响应。

图3描绘在计算UGL和LGL之前基于这两者改变G的优选的补偿技术。图3上部的曲线图表示指示在特定频率间隔内计算的G的平均水平的水平线(horizontal line)，优选地，范围为300-800Hz，但是其它范围可同样适用。目的在于确定G的总的水平并且相应地补偿，以便获得作为水平偏移的补偿形式G′，从而G′具有零dB的总增益。因此，可提供基于测量的计算均衡滤波器F的自动方法，无需相对于绝对水平校正，并且仍得到具有零dB的总增益F，也就是说，没有任何频率无关的增益或总体上与F强度无关的衰减。

图3上部的曲线图还表示指示在G中朝向高频的水平减小的总的趋势的斜线。由于来自扬声器的声学输出的特定方向性，一般可以预料这种斜线，由于例如高保真使用的通常的扬声器经常被设计为具有平的轴上频率特性，而传送到房间的平均声音功率由于朝向更高频率的非球面方向性图案而在高频下降。因此，当在dB-幅度-对数频率曲线图观看时，G通常具有可以由直的斜线近似得到的总的下降水平。根据优选的补偿方法，基于G计算直的斜线，并且优选地随后对截止频率上的这种倾斜效果补偿G，该截止频率由表示G的总的水平的水平线与计算的直的斜线之间的交点来确定。

图3下部的曲线图描绘相对于总的水平(level)和高频下降的G的补偿形式G′，如上所述的。可以看出，G′具有总体上平坦的特性和一般零dB电平。尽管还可以看出，G′在30-80Hz范围内具有大于10dB的增益。

图4描绘补偿的全局传递函数的倒数形式1/G′。此外，还表示相应地补偿的收听位置传递函数1/L′，其中L′是具有通过对应于上面描述G′的方法获得的零dB的总增益的L的水平偏移形式。因此优选地1/G′和1/L′均具有零dB的总增益。基于1/G′，现在可以计算增益上限UGL和增益下限LGL。

图5上部的曲线图表示基于图4所示的1/G′的UGL和LGL的例子。设定UGL等于1/G′，但是限制在频率无关的第一增益限制间隔gi1之内，在这里选为间隔[0dB至+10dB]。一般地，虽然还可选择设定UGL＝1/G′+g1，其中g1为正的增益(以dB表示)，例如可选择为g1＝3dB或g1＝6dB。在优选实施例中，在如图5上部的例子中还表示g1＝0dB。在UGL＝1/G′+g1是在间隔gi1之外的情况，UGL被设定等于最接近于(1/G′+g1)的增益的gi1的端点。因此，在图5的例子中，在100Hz之下，1/G′(+0dB)比gi1的低gi1的下端点，在这里UGL被设定等于gi1的下端点，即0dB。

以相似的方式，LGL被限制在频率无关的第二增益限制间隔gi2之内，在这里选为间隔[-15dB至+10dB]。在这个间隔内，LGL被设定等于1/G′-3dB，或一般是：LGL＝1/G′-g2，其中g2为正的增益(以dB表示)，例如g2＝0dB或g2＝3dB。因此，通过在设定LGL＝1/G′-3dB时的所述的设定UGL＝1/G′的策略，对所得到的均衡滤波器F的可能最大增益施加相当严格的限制，尽管仍允许具有小于1/G′所规定的最小增益。

通过选择g1、gi1、g2以及gi2的正确策略，可在一端是总的“房间特性”而另一端是更关注的“收听位置”特性之间调节所得到的均衡滤波器F。

图5的下部表示从对1/L′施加增益限制UGL和LGL以确定作为所述频率的函数的可允许的最大和最小增益而得到均衡滤波器F的目标函数T。1/L′用细线表示而增益受限形式T用粗线表示。可以看出，T不会受到具有高增益值的窄峰的影响，特别地可以看出，由于峰值出现在1/G′，因而已经抑制刚好低于40Hz在1/L′中的峰值，并且因此根据所述的程序，由于峰值是取决于收听位置LP的局部现象，因此不会在这个频率范围内允许高增益值。相反地，由于还发现1/G′中的峰值，因此在110-120Hz周围的窄频带中允许7dB的增益，因此这个峰值反映房间的总特性而非收听位置LP中的局部现象。

图6表示与图5相似的上部和下部曲线图，但是选择UGL和LGL的可选的策略。图6上部的曲线图表示UGL＝1/G′+3dB，而LGL＝1/G′-3dB，也就是说，与图5的UGL和LGL相比较，不施加限制间隔。图6的下部表示在对1/L′施加上部曲线图的增益限制UGL和LGL之后的目标滤波器函数T(粗线)。为了便于比较，1/L′用细线表示。所得到的T与图5中的不同，但是它们仍具有几个共同的基本特征，例如尽管1/L′指示了，在低于40Hz的范围内没有增益峰值。

图7用细线表示从图5下部的曲线图得到的目标滤波器函数T以及在优选实施例中T的平滑形式的最终的均衡滤波器函数F。平滑的一个原因是均衡滤波器F可以由较低的滤波水平来近似并且因此以更有效地和由更经济的装置来执行，仍不会带来任何听觉上的缺点。

由于例如正常的起居室的典型房间的特性，由于在房间中典型地朝向较低频率的声学吸收量比在中间和高频小的事实，房间中的声音再现总是导致朝向较低频率的增大的声压水平。人耳可自然感觉朝向较低频率的增大的声压水平如正提供给收听者实际在房间中的感觉。因此，为了保持自然声音再现，优选地，房间均衡系统不会通过在低频处提供平坦的目标响应来去除在低频的水平的平滑增大。相反，优选地，房间均衡系统提供目标响应，其中保持在低频的水平的这种自然平滑增大，因此考虑可称为自然低频“房间增益”。

在最终实施的均衡滤波器函数以及因此在再现的声音中的低频‘房间增益’的保持可以通过对全局传递函数施加作为频率的函数的滤波器来执行，用于去除低频‘房间增益’并且实现变化的全局传递函数，随后使用这个全局传递函数来形成增益上限。以相同方式，收听位置传递函数可以通过施加作为频率的函数的滤波器来改变，用于去除低频‘房间增益’并且在基于收听位置传递函数确定均衡滤波器之前实现变化的收听位置传递函数。可选地，低频‘房间增益’当然可以通过估计来自测量的传递函数的‘房间增益’并且将这个估计的‘房间增益’加到根据已经描述的本发明的一般规则准备的均衡滤波器中来实现，例如在实现均衡滤波器函数之前以这个‘房间增益’改变最终的目标函数。更可选地，固定的滤波器可最终应用到实现均衡滤波器函数的过程中，具有预定的滤波器函数的该固定的滤波器用来保持预定的‘房间增益’，该预定的‘房间增益’不是基于在实际房间中获得的测量结果。

图8表示基于在典型收听房间中测量的全局传递函数G的优选目标函数ST的例子。正如所看到的，由于房间的特性的缘故，全局传递函数在不同的频率范围内展现出不同的总特性。在中间频率，即200-5000Hz，全局传递函数G具有总的平坦特性，因此优选地在这个频率范围内具有目标ST，如果总体上是平坦的例如在中间频率处具有固定的增益，例如零dB的增益。然而，从图8可以看出，ST曲线实际上具有轻微的倾斜，例如在200Hz的增益为比在5kHz高的1dB或2dB。在5kHz以上，全局传递函数G具有每八度6dB的总的滚降，并且这种滚降优选地也采用在目标函数ST中。

最后，从图8的全局传递函数G中可以看出，包括上述的总的低频上升，在这里为200Hz以下。响应这种在200Hz以下的电平的总的上升，选择目标函数ST通过以在大约30-50Hz具有最大增益直到6dB的小增益来保持这种总的‘房间增益’。如所看到的，不会选择使目标函数ST跟随G中的大约150-200Hz的水平跳跃，但是目标函数ST具有开始于150-200Hz具有朝向低频的增大的增益的很平滑的低频上升，在最低的音频频率范围达到最大的增益水平。在优选的实施例中，在目标函数ST中的低频上升是基于预定的固定的滤波器函数，因此用于向收听者提供固定的和极佳定义的与实际收听房间无关的‘房间增益’，因而避免均衡系统适于在呈现很高的低频增益的房间中的极低频率增益。例如，这种固定的‘房间增益’可以基于IEC标准收听房间的性能。优选地，在扬声器的下限之下平滑地滚降增益以便避免对扬声器在低于低频的频率的高增益滚降，从而节省了放大器功率并且避免低频扬声器的振动膜的大振幅。

在优选实施例中出现的均衡不是聚焦于均衡扬声器的不完善。然而，这种扬声器不完善的额外的均衡当然可以包括在均衡滤波器F的设计中。特别地，可期望增加适度的低频提升(boost)来补偿小扬声器的相当高的截止频率。由于L和G的传递函数测量包括关于实际扬声器的低频截止频率的信息，这种低频提升很容易结合根据本发明的方法进行设计。因此，可对其进行补偿。然而，如前面所提到的，优选地，在执行步骤3)之前就在开始去除测量的传递函数中高通效应。则在步骤4)之后可施加对于这种高通效应的均衡，例如形成组合的滤波器F，不仅用于对房间与扬声器之间的相互作用进行补偿，还对扬声器的总的高通效应进行补偿。

可以理解的是，可以在计算L和G的倒数之前或之后分别执行对于L和G的所述的处理，即水平对齐、平滑等。因此，可以懂得，例如平滑可以应用到G或是1/G或是1/G加增益因子。

在权利要求中，仅为了清楚的原因包括附图中的参考标记。在附图中示例的实施例的这些参考不应该以任何方式构成对权利要求保护范围的任何限制。

Claims (53)

1.一种均衡位于房间中的第一扬声器(L1)以便补偿房间的影响的方法，所述方法包括下列步骤：

1)测量从第一扬声器(L1)的电输入到房间中的收听位置(LP)的声压的收听位置传递函数(L)，

2)确定表示由第一扬声器(L1)生成的房间中的声压水平的空间平均值的全局传递函数(G)，

3)确定增益上限(UGL)作为频率的函数，该增益上限(UGL)是基于全局传递函数(G)的倒数的，

4)基于该收听位置传递函数(L)的倒数确定均衡滤波器(F)，其中根据该增益上限(UGL)，该均衡滤波器(F)的增益限制在最大增益，以及

5)根据该均衡滤波器(F)均衡第一扬声器(L1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，该全局传递函数(G)是基于来自第一扬声器(L1)的声学功率输出的测量和关于房间的声音吸收特性的数据来计算的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定该全局传递函数(G)是基于从第一扬声器(L1)的电输入到散布在房间中的各个场点位置(PF1，PF2)的声压所测量的至少两个场点传递函数(G1，G2)的平均值的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，该全局传递函数(G)是基于从第一扬声器(L1)的电输入到散布在房间中的各个场点位置(PF1，PF2，PF3)的声压所测量的至少三个场点传递函数(G1，G2，G3)的平均值的。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，该全局传递函数(G)是基于从第一扬声器(L1)的电输入到散布在房间中的各个场点位置的声压所测量的至少六个场点传递函数的平均值的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，该全局传递函数(G)是基于从第一扬声器(L1)的电输入到房间中的场点位置(PF1)的声压所测量的至少一个场点传递函数(G1)与该收听位置传递函数(L)的平均值的。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该全局传递函数(G)是基于从第一 扬声器(L1)的电输入到散布在房间中的场点位置(PF1，PF2)的各个声压所测量的至少两个场点传递函数(G1，G2)与该收听位置传递函数(L)的平均值的。

8.根据权利要求3-7的任一个权利要求所述的方法，其中，在计算该全局传递函数(G)所涉及的传递函数的平均是功率平均。

9.根据权利要求3所述的方法，其中，基于来自随机数生成器的输入在房间中随机地选择至少两个场点传递函数(G1，G2)，该随机数生成器基于房间的预输入的维度在三维中随机地选择该位置。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

基于该全局传递函数(G)的倒数确定增益下限(LGL)作为频率的函数，并且其中根据该增益下限(LGL)，均衡滤波器(F)的增益限制在最小增益。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，该增益上限(UGL)被确定为该全局传递函数(G)的倒数加上第一正的增益(g1)，其中，第一正的增益(g1)为0dB、3dB或6dB。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一正的增益(g1)是频率无关的或是频率相关的。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，该增益下限(LGL)被确定为该全局传递函数(G)的倒数减去第二正的增益(g2)，其中，第二正的增益(g2)为0dB或3dB。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，第二正的增益(g2)是频率无关的或是频率相关的。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，该增益上限(UGL)限制在第一增益间隔(gi1)，其中，第一增益间隔(gi1)为间隔[0dB至+10dB]。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，第一增益间隔(gi1)是频率无关的或是频率相关的。

17.根据权利要求10所述的方法，其中，该增益下限(LGL)限制在第二增益间隔(gi2)，其中，第二增益间隔(gi2)为间隔[-15dB至+10dB]。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，第二增益间隔(gi2)是频率无关的或是频率相关的。 

19.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

对该全局传递函数(G)执行平滑程序。

20.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

对该收听位置传递函数(L)执行平滑程序。

21.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

基于该收听位置传递函数(L)与该全局传递函数(G)之间的差，对传递函数执行平滑程序。

22.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在执行步骤4)之前，该全局传递函数(G)的水平与该收听位置传递函数(L)的水平的水平对齐。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述水平对齐是基于该全局传递函数(G)和该收听位置传递函数(L)的各自平均水平执行的，在预定的频率间隔内计算所述各自的平均水平。

24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，通过所述水平对齐所发现的该全局传递函数(G)和该收听位置传递函数(L)的公共平均水平被用作在步骤3)和步骤4)中用来确定该全局传递函数(G)和该收听位置传递函数(L)的倒数形式的水平。

25.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行步骤3)之前滤波器应用到该全局传递函数(G)。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述滤波器用来去除第一扬声器(L1)的方向性的影响，这种影响是朝向更高频率的降低的水平。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中，所述滤波器用来去除由于低频房间增益引起的朝向更低频率的水平的上升。

28.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行步骤4)之前，滤波器至少应用到该收听位置传递函数(L)。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述滤波器用来去除总的高通效应。

30.根据权利要求28或29所述的方法，其中，所述滤波器用来去除由于低频房间增益引起的朝向更低频率的水平的上升。 

31.根据权利要求1所述的方法，其中，所述均衡滤波器(F)的确定包括执行目标滤波器函数(T)的最小相位近似或线性相位近似。

32.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对第一扬声器施加电测试信号，并且收集在房间中的对应的声学响应来测量该收听位置传递函数(L)和场点传递函数(G1)的至少一个。

33.根据权利要求1所述的方法，其中，所述均衡滤波器(F)的确定包括对目标滤波器函数(T)执行平滑程序。

34.根据权利要求1所述的方法，其中，测量该收听位置传递函数(L)包括测量在空间上位于该收听位置(LP)附近的一个或多个位置的声压。

35.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

确定在房间中的第二扬声器的第二均衡滤波器，并且根据所述第二均衡滤波器均衡所述第二扬声器。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，通过同时对第一扬声器(L1)和第二扬声器施加电测试信号，施加相同的电测试信号，并且收集在房间中的对应的声学响应来执行该收听位置传递函数(L)的测量。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，通过同时对第一扬声器(L1)和第二扬声器施加电测试信号，施加相同的电测试信号，并且收集在房间中的对应的声学响应来执行在形成该全局传递函数(G)中涉及的测量。

38.根据权利要求35所述的方法，其中，对于第一和第二扬声器分开地执行该收听位置传递函数(L)的测量。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，对于第一扬声器(L1)和第二扬声器分开地测量的传递函数相加以形成对于第一扬声器(L1)和第二扬声器的公共收听位置传递函数(L)。

40.根据权利要求35所述的方法，其中，均衡滤波器(F)和第二均衡滤波器具有相同的传递特性。

41.根据权利要求35所述的方法，还包括如下步骤：

对于位于房间中的各个多个扬声器确定多个均衡滤波器，并且根据各个所述多个均衡滤波器均衡多个扬声器。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，通过同时对多个扬声器施加电 测试信号，施加相同的电测试信号，并且收集在房间中的对应的声学响应来执行收听位置传递函数(L)的测量。

43.根据权利要求41所述的方法，其中，对多个扬声器的至少两个扬声器分开地执行收听位置传递函数(L)的测量。

44.根据权利要求41所述的方法，其中，通过对多个扬声器的第一子集同时地施加电测试信号的组合来执行收听位置传递函数(L)，同时对多个扬声器的第二子集执行分开的测量。

45.根据权利要求41所述的方法，其中，通过同时对多个扬声器的第一子集施加电测试信号并且分开地对多个扬声器的第二子集施加电测试信号来执行该收听位置传递函数(L)。

46.一种适于执行根据上面的任何一项权利要求所述的方法的系统，所述系统包括：

测量系统，适于执行所述步骤1)至所述步骤4)，以及

滤波器装置，适于执行所述步骤5)。

47.根据权利要求46所述的系统，其中，利用适于通过接口互连的分开的单元实现所述测量系统和所述滤波器装置。

48.根据权利要求47所述的系统，其中，至少一个分开的单元是独立设备。

49.根据权利要求46所述的系统，其中，所述测量系统和所述滤波器装置集成为一个单元。

50.根据权利要求49所述的系统，其中，所述一个单元作为适于插入音频放大器的电路板来实现。

51.根据权利要求49所述的系统，其中，所述一个单元是独立设备。

52.根据权利要求46-49中的任一项权利要求所述的系统，其中，所述测量系统作为具有根据均衡滤波器(F)适于下载滤波器系数到所述滤波器装置的接口的计算机来实现。

53.一种音频设备，包括根据权利要求46-52中的任一项权利要求所述的系统中的测量系统和滤波器装置。 

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