CN102783179A - 多元件定向声阵列 - Google Patents

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Abstract

一种音频系统，包括左输入声道信号、右输入声道信号和分立中央输入声道。电路从该左输入声道信号和该右输入声道信号去除相关内容，并且在该中央输入声道信号中插入该相关内容以提供修改的左输入声道信号、修改的右输入声道信号和修改中央输入声道信号。由定向扬声器辐射该修改的左输入声道信号以使得在朝向收听区域方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小。由定向扬声器辐射该修改的右声道输入声道信号以使得在朝向收听区域方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小。

Description

多元件定向声阵列
技术领域
本说明书描述一种音频系统。
发明内容
在一个方面，音频系统包括左输入声道音频信号、右输入声道音频信号和分立中央输入声道音频信号；电路，用于从该左输入声道音频信号和该右输入声道音频信号去除相关内容，并且将该相关内容插入到该中央声道信号中，以提供修改的左输入声道音频信号、修改的右输入声道音频信号和修改的中央输入声道音频信号；第一定向扬声器，用于定向地辐射该修改的左音频声道信号，以使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小；第二定向扬声器，用于定向地辐射该修改的右声道音频信号，以使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小；以及第三扬声器，用于辐射该修改的中央声道。该第一定向扬声器可以包括第一干扰阵列。该第二定向扬声器可以包括第二干扰阵列。该第二定向扬声器可以包括至少一个公共声驱动器。第三扬声器可以是用于定向地辐射该修改的中央声道音频信号以使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小的第三定向扬声器。第三扬声器可以是用于定向地辐射该修改的中央声道音频信号以使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更大的第三定向扬声器。第三定向扬声器可以包括干扰阵列。第一定向扬声器可以包括第一干扰阵列；第二定向扬声器可以包括第二干扰阵列；以及第三定向扬声器可以包括第三干扰阵列；并且第一干扰阵列和第三干扰阵列可以包括公共声驱动器，并且第二干扰阵列和第三干扰阵列可以包括公共声驱动器。该音频系统还可以包括在该第三定向扬声器与收听位置之间的不透声壁垒。因此可以在电视机中实现该音频系统。可以将音频系统装配在电视机中，并且第三扬声器可以是用于定向地辐射该修改的中央声道音频信号以使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小的第三定向扬声器。可以将音频系统装配在电视机中，并且第三扬声器可以是用于定向地辐射该修改的中央声道音频信号以使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更大的第三定向扬声器。该第三定向扬声器可以包括干扰阵列。
在另一个方面，一种方法包括接收左声道音频信号、右声道音频信号和分立中央声道音频信号；从该左声道音频信号和该右声道音频信号去除相关内容，以提供修改的左声道音频信号和修改的右声道音频信号；将该相关内容与该分立中央声道音频信号组合；定向地辐射该修改的左声道音频信号和该修改的右声道音频信号，以使得在朝向收听位置的辐射比在其他方向中的辐射更小。辐射修改的左声道音频信号可以包括利用第一干扰阵列来辐射，并且辐射修改的右声道音频信号可以包括利用第二干扰阵列来辐射。该第一干扰阵列和该干扰阵列包括公共声驱动器。
在另一个方面，音频信号电路包括用于从左声道音频信号和右声道音频信号去除相关内容以提供修改的左声道音频信号和修改的右声道音频信号的电路；用于将该相关内容与分立中央声道音频信号组合以提供修改的分立中央声道的电路；以及用于处理该修改的左声道音频信号以使得可由第一干扰阵列定向地辐射该修改的左声道音频信号的第一处理电路；以及用于处理该修改的右声道音频信号以使得可由第二干扰阵列定向地辐射该修改的右声道音频信号的第二处理电路。该第一处理电路可以处理该修改的左声道音频信号并且该第二处理电路可以修改该右声道音频信号，以使得该第一干扰阵列和该干扰阵列包括公共声驱动器。该音频信号处理电路还可以包括第三处理电路，用于处理该修改的分立中央声道，以使得可由干扰阵列定向地辐射该修改的分立中央声道。该第三电路可以处理该修改的分立中央声道，以使得第三定向阵列和第一定向阵列具有公共声驱动器，并且以使得该第三定向阵列和第二定向阵列具有公共声驱动器。
当结合以下附图来阅读以下详细描述时，其他特征、目标和优点将从以下详细描述变得显而易见，其中：
附图说明
图1是音频模块的示意性俯视图和示意性前视图；
图2是包括图1的音频模块的电视机的示意性顶视图、示意性前视图和示意性侧视图；
图3A和3B是用于显示音频模块的一个或多个声驱动器的示意性侧视图；
图3C-3E是音频模块的末端声驱动器的示意性前视图；
图4A-4D各自是音频模块的示意图，示出定向阵列的其中之一的配置；以及
图5是音频信号处理系统的方框图。
具体实施方式
虽然在方框图中可以示出附图的多个视图的元件且描述为分立的元件并且可以被称为“电路”，但是若非另外指明，可以将这些元件实现为模拟电路、数字电路或一个或多个用于执行软件指令的微处理器中的一个或其组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。可以由模拟电路或由用于运行用于执行模拟操作的算术或逻辑的等同操作的软件的微处理器来执行操作。若非另外指示，则可以将信号线实现为分立模拟或数字信号线，实现为具有合适的信号处理来处理分离的音频信号流的单个分立数字信号线，或者实现为无线通信系统的元件。一些处理可以描述在方框图中。在每个方框中执行的动作可以由一个元件或由多个元件来执行，并且可以是在时间上分离的。用于执行方框的动作的元件可以是物理上分离的。若非另外指示，则可以用数字或模拟形式来编码并且发射音频信号或视频信号或者两者，在附图中可能并未示出常规的数模转换器和模数转换器。为了简单起见，措词“辐射与声道x中的音频信号相对应的声能”将被称为“辐射声道x”。
图1显示了包括多个(在该实施例中为7个)声驱动器18-1到18-7的音频模块12的俯视图和前视图。一个声驱动器18-4设置在靠近该模块的横向中心，靠近该音频模块的顶部处。三个声驱动器18-1到18-3设置在靠近音频模块的左端20并且接近地且不均匀地相间隔，使得距离l1≠l2，l2≠l3，l1≠l3。另外，该间隔被布置为使得l1＜l2＜l3。类似地，距离l6≠l5，l5≠l4，l6≠4。另外，该间隔可以被布置为使得l6＜l5＜l4。在一个实现中，l1＝l6＝55mm，l2＝l5＝110mm，并且l3＝l4＝255mm。图1的设备可以是独立的音频设备，或者可以在电视机中实现，如以下所示的。方向指示符16示出使用中的音频模块12的意图定向。虽然利用图1的音频模块图示了本文公开的概念，但是该原理可以用其他形式的定向扬声器以及用其他配置来实现。
当与电视机或类似的媒体设备一起使用或集成在其中时，图1的音频模块12特别有益。图2显示了在电视机控制台中包括图1的音频模块12的电视机10的俯视图、侧视图和前视图。该音频模块基本上是线性的并且横跨电视机在屏幕上方水平地延伸。在其他实现中，该音频模块可以设置在屏幕下方。在接下来的附图中显示了音频模块的更多细节。在俯视图中示出听众14，听众14与方向指示符16一起示出电视机的定向。
图3A-3E显示了一个或多个声驱动器18-1到18-7的定向的一些变化。在图3A的侧视图中，声驱动器18-n(其中n＝1-7)向上发射，即辐射表面面朝上。图3B的侧视图中，声驱动器18-n被定向为使得辐射表面相对于垂直线以角度θ面朝上并且朝后，其中θ大于0度并且小于90度。图3C的前视图中，最靠近音频模块12的左端的声驱动器18-1被定向为基本上直接向上。图3D的前视图中，最靠近音频模块12的左端的声驱动器18-1被定向为相对于垂直线以角度λ面朝上并且朝外。在图3E中，声驱动器18-1的角度λ是90度，使得声驱动器侧向发射，即面向侧面。可以与声驱动器18-7一起使用图3D和3E的镜像。可以与声驱动器18-2或声驱动器18-3或其二者一起实现图3D的定向。可以与声驱动器18-5或声驱动器18-6或其二者一起实现图3D的镜像。一个或多个声驱动器可以处于图3A-E的定向的组合的定向中；例如声驱动器可以相对应垂直线斜向后并且向外。在一个实现中，声驱动器18-2到18-6可以斜向后，以使得角度θ是27±5％度，并且由定向扬声器(如在美国专利公布专利申请2009/0274329A1中所描述的被配置为使得辐射实质上侧向的扬声器)代替声驱动器18-1和18-7。
与利用常规音频系统的情况相比，与下文描述的信号处理一起根据图3A-3E定向声驱动器会导致到达听众的更多或全部声辐射是间接辐射。更大比例的声辐射是间接辐射导致所期望的宽广的声象。
通过形成由声驱动器18-1到18-7的子集组成的干扰型定向阵列来实现导致尽可能多的由听众经历的声辐射是间接辐射。在美国专利5,870,484和美国专利5,809,153中讨论了干扰型定向阵列。在单独的声驱动器基本上全方位地辐射的频率上(例如对应的波长大于声驱动器的辐射表面的直径的两倍的频率)，来自每个声驱动器的辐射破坏性地或非破坏性地干扰来自每个其他声驱动器的辐射。破坏性干扰和非破坏性干扰的组合效应是在一些方向中辐射相对于任意方向中的最大辐射显著地更小，例如-14dB。辐射显著小于任意方向中的最大辐射的方向将被称为“空方向”。通过导致音频模块与听众之间的方向成为空方向来实现导致更多由听众经历的辐射是间接辐射。
在对应的波长小于声驱动器的辐射表面的直径的两倍的频率上，辐射模式变得没那么全向并且更加定向，直到在对应的波长等于或小于声驱动器的辐射表面的直径的频率为止，单独驱动器的辐射模式变成固有地定向。在这些频率上，在阵列的声驱动器之间存在更少破坏性干扰和非破坏性干扰，并且声象倾向于坍塌(collapse)成单个的声驱动器。但是，如果根据图3A-3E来定向声驱动器，则即使在对应的波长等于或小于该辐射表面的直径的频率上，听众也经历间接辐射。其结果是，察觉到的源是扩散的并且在有些地方与声驱动器不同。另外，壁垒21偏转辐射，使其间接地到达听众。壁垒具有隐藏声驱动器并且保护它们免受来自电视机前面的破坏的附加有点。
图4A显示了音频模块12的示意图，其显示了音频模块的定向阵列的配置。该音频模块用于辐射多声道音频信号源22的声道。通常，用于与电视机一起使用的多声道音频信号源至少具有左(L)、右(R)和中央(C)声道。在图4A中，左声道阵列32包括声驱动器18-1、18-2、18-3、18-4和18-5。分别由信号处理器电路24-1到24-5将声驱动器18-1到18-5耦合到左声道信号源38，信号处理器电路24-1到24-5应用分别由传递函数H1L(z)-H5L(z)所表示的信号处理。传递函数H1L(z)-H5L(z)在左声道音频信号上的影响可以包括相移、时延、极性反转等中的一个或多个。通常将传递函数H1L(z)-H5L(z)实现为数字滤波器，但是可以利用等效的模拟设备来实现。
在操作中，由声驱动器18-1到18-5将由传递函数H1L(z)-H5L(z)所修改的左声道信号L转换为声能。来自声驱动器的辐射破坏性并且非破坏性地干扰以导致希望的定向辐射模式。为了实现宽广的立体声声象，左阵列32朝向如箭头13所指示的空间的作边界导向辐射并且消除朝向听众的辐射。例如Boone等人在Audio Eng.Soc.的卷57中的Design of a Highly Directional Endfire Loudspeaker Array中描述了使用数字滤波器来应用传递函数以创建定向干扰阵列。相对于麦克风，Van der Wal等人在1996年第6期的Audio Eng.Soc.的卷44中的Design of Logarithmically Spaced ConstantDirectivity-Directivity Transducer Arrays(还相对于扬声器)以及Ward等人在1995年2月的J.Acoust.Soc.Am.97(2)中的Theory anddesign of broadband sensor arrays with frequency invariant far fieldbeam patterns也讨论了这一概念。就算术而言，通常可以将定向麦克风阵列概念应用于扬声器。
类似地，在图4B中，右声道阵列34包括声驱动器18-3、18-4、18-5、18-6和18-7。分别由信号处理器电路24-3到24-7将声驱动器18-3到18-7耦合到右声道信号源40，信号处理器电路24-3到24-7应用分别由传递函数H3R(z)-H7R(z)所表示的信号处理。传递函数H3R(z)-H7R(z)的影响可以包括相移、时延、极性反转等中的一个或多个。通常将传递函数H3R(z)-H7R(z)实现为数字滤波器，但是可以利用等效的模拟设备来实现。
在操作中，由声驱动器18-3到18-7将由传递函数H3R(z)-H7R(z)所修改的左声道信号L转换为声能。来自声驱动器的辐射破坏性并且非破坏性地干扰以导致希望的定向辐射模式。为了实现宽广的立体声声象，右阵列34朝向如箭头15所指示的空间的右边界导向辐射并且消除朝向听众的辐射。
在图4C中，中央声道阵列36包括声驱动器18-2、18-3、18-4、18-5和18-6。分别由信号处理器电路24-2到24-6将声驱动器18-2到18-6耦合到中心声道信号源42，信号处理器电路24-2到24-6应用分别由传递函数H2C(z)-H6C(z)所表示的信号处理。传递函数H2C(z)-H6C(z)的影响可以包括相移、时延、极性反转等中的一个或多个。通常将传递函数H2C(z)-H6C(z)实现为数字滤波器，但是可以利用等效的模拟设备来实现。
在操作中，由声驱动器18-2到18-6将由传递函数H2C(z)-H6C(z)所修改的中央声道信号C转换为声能。来自声驱动器的辐射破坏性并且非破坏性地干扰以导致希望的定向辐射模式。
在图4D中显示了用于中央声道阵列的可替换的配置，其中，中央声道阵列36包括声驱动器18-1、18-3、18-4、18-5和18-7。分别由信号处理器电路24-1、24-3、24-5和24-7将声驱动器18-1、18-3-18-5和18-7耦合到中央声道信号源42，该信号处理器电路24-1、24-3、24-5和24-7应用分别由传递函数H1C(z)、H3C(z)-H5C(z)和H7C(z)所表示的信号处理。传递函数H1C(z)、H3C(z)-H5C(z)和H7C(z)的影响可以包括相移、时延、极性反转等中的一个或多个。通常将传递函数H1C(z)、H3C(z)-H5C(z)和H7C(z)实现为数字滤波器，但是可以利用等效的模拟设备来实现。
在操作中，由声驱动器18-1、18-3-18-5和18-7将由传递函数H1C(z)、H3C(z)-H5C(z)和H7C(z)所修改的左声道信号C转换为声能。来自声驱动器的辐射破坏性并且非破坏性地干扰以导致希望的定向辐射模式。
图4C和4D的中央声道阵列如箭头17所指示地向上并且向后导向辐射并且消除朝向听众的辐射。
在高频上(例如对应的波长小于阵列元件之间的距离的三倍的频率上)，立体声声象可以倾向于朝向阵列的更紧密地间隔的声驱动器“坍塌”。如果定向阵列的在该阵列中央的阵列元件比在末端的阵列元件更紧密地间隔(例如“嵌套式谐波”定向阵列或对数间隔阵列中，例如在上述提及的van der Wal的论文中所描述的)，则立体声声象将朝向阵列的中心坍塌。
防止朝向阵列的中央的坍塌的一种方式是形成3个阵列，一个阵列具有紧密地间隔地、邻近声模块左端的元件，一个在声模块的中央，以及一个在声模块的右端。但是，该方案需要许多声驱动器并且因此很昂贵。例如，形成五元件的左、中和右声道阵列将需要15个声驱动器。
根据图4A-D的声模块利用更少的声驱动器允许左、中和右阵列并且极大地降低声象朝向阵列的中央倒塌坍塌的数量。由于坍塌倾向于朝向更紧密间隔的元件，如果存在左声道的任意坍塌，则到声模块12的左端，并且如果存在右声道的任意坍塌，则与朝向声象的中间相反，到声模块12的右端，如果更紧密间隔的声驱动器靠近该声模块的横向中间，则将是这个情况。另外，根据图4A-4D的音频系统提供了接收间接辐射的更宽部分的收听区域，并且因此与在电视机屏幕的横向中间处具有定向阵列的音频系统相比，具有更加扩散的、喜人的立体声声象。
在一些情况中，导致由听众经历的声辐射是间接辐射可能导致声象与当由常规扬声器系统辐射时不同，其中在常规扬声器系统中由用户经历的辐射的大部分是直接辐射。例如混合一些音乐视频，以使得歌手的声象集中但是使得其比演员在运动图像的再现中说话的声象更加扩散。一种用于创建该声象的方法是将一些歌手声道插入左声道和右声道中。当在常规立体声或5.1声道再现系统上再现时，歌手声道在左声道和右声道中的插入可能具有创建扩散的、集中的声象的希望的效果。但是，当在根据图1-4D的再现系统上再现时，歌手的声象比当在5.1声道再现系统的常规立体声上再现时更加扩散。
图5显示了具有附加元件的图4A-4D的音频处理系统。声道修改器122将多声道音频信号源22与定向阵列32、34和36耦合。声道修改器122包括相关性确定器100和信号组合器102。将由线138所表示的左声道信号和由线140所表示的右声道信号耦合到相关性确定器100。将相关性确定器100耦合到修改的左声道信号源38’，到修改的右声道信号源40’以及到组合器102。将由线142所表示的分立中央声道信号耦合到信号组合器102。将信号组合器102耦合到修改的中央声道信号源42’。如图4A-4D中所显示的，分别将修改的左声道信号源38’，修改的右声道信号源40’和修改的中央声道信号源42’耦合到左声道阵列42、右声道阵列34和中心声道阵列36。
在操作中，相关性确定器100去除由线138所表示的左声道音频信号中的和由线140所表示的右声道音频信号中的相关内容，并且将从左声道音频信号和右声道音频信号去除的相关内容与由线142所表示的中央声道音频信号组合。修改的左声道音频信号、修改的右声道音频信号和修改的中央声道音频信号然后如上所述进行处理。
可以由模拟电路但是最方便地由一个或多个用于执行数字信号处理指令的数字信号处理器实现相关性确定器100和信号组合器102。数字信号处理器还可以实现图4A-4D的传递功能。
图5的元件被描述为实现在如图1-4D所述的音频系统中。但是可以将图5的元件有利地在具有分立中央声道的任意多声道音频系统中实现并且这导致更多辐射间接而非直接到达听众。
在可替换的实施例中，可以配置、定向并且设置扬声器并且可以选择传递函数，以使得图4C和4D的中央声道阵列38朝向听众导向辐射。
可以有利地将图5的音频处理系统与美国专利申请12/465,146中所述的音频系统结合。在上述情况中，可以将从左声道和右声道去除的相关内容与音乐中央声道组合，这描述在美国专利申请12/465,146中。
在不脱离本发明的概念的前提下，可以做出与本文公开的具体装置和技术不同的大量使用。因此，要将本发明解释为包括本文所公开的每个新颖性特征和特征的新颖性组合并且仅仅受到所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (15)

1.一种音频系统，包括：
至少三个声驱动器，被布置为基本上处于一条线上并且以不均匀的距离分隔；
第一干扰定向阵列，包括：
该多个声驱动器的第一子集，用于定向地辐射左声道音频信号和右声道音频信号中的一个；以及
信号处理电路，用于处理到所述声驱动器的第一子集的音频信号，以使得来自所述声驱动器中的每个的辐射破坏性地干扰，从而使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小；
第二干扰定向阵列，包括：
该多个声驱动器的第二子集，用于定向地辐射左声道音频信号和右声道音频信号中的另一个；以及
信号处理电路，用于处理到所述声驱动器的第二子集的音频信号，以使得来自所述声驱动器中的每个的辐射破坏性地干扰，从而以使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小；
所述第一子集和所述第二子集包括至少一个公共声驱动器。
2.如权利要求1所述的音频系统，其中，所述第一定向阵列中的最左边两个声驱动器之间的距离小于所述第一定向阵列中的任意其他两个声驱动器之间的距离，并且其中，所述第二定向阵列中的最右边两个声驱动器之间的距离小于所述第二定向阵列中的任意其他两个声驱动器之间的距离。
3.如权利要求1所述的音频系统，其中，所述声驱动器的辐射表面面朝上。
4.如权利要求3所述的音频系统，其中，所述声驱动器的辐射表面面朝上并且朝后。
5.如权利要求1所述的音频系统，其中，最左边的声驱动器的辐射表面面朝外。
6.如权利要求1所述的音频系统，还包括在所述声驱动器前面的不透声壁垒。
7.如权利要求1所述的音频系统，其被实现在电视机中。
8.如权利要求1所述的音频系统，还包括：
第三干扰定向阵列，包括：
该多个声驱动器的第三子集，用于定向地辐射中央声道音频信号；以及
信号处理电路，用于处理到所述声驱动器的第三子集的音频信号，以使得来自所述声驱动器中的每个的辐射破坏性地干扰，从而使得在一个方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小。
9.一种电视机，包括音频设备，所述音频设备包括：
至少三个声驱动器，被布置为基本上处于一条线上并且以不均匀的距离分隔；
第一干扰定向阵列，包括：
该多个声驱动器的第一子集，用于定向地辐射左声道音频信号和右声道音频信号中的一个；以及
信号处理电路，用于处理到所述声驱动器的第一子集的音频信号，以使得来自所述声驱动器中的每个的辐射破坏性地干扰，从而使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小；
第二干扰定向阵列，包括：
该多个声驱动器的第二子集，用于定向地辐射左声道音频信号和右声道音频信号中的另一个；以及
信号处理电路，用于处理到所述声驱动器的第二子集的音频信号，以使得来自所述声驱动器中的每个的辐射破坏性地干扰，从而使得在朝向收听位置的方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小；
所述第一子集和所述第二子集包括至少一个公共声驱动器。
10.如权利要求9所述的电视机，其中，所述第一定向阵列中的最左边两个声驱动器之间的距离小于所述第一定向阵列中的任意其他两个声驱动器之间的距离，并且其中，所述第二定向阵列中的最右边两个声驱动器之间的距离小于所述第二定向阵列中的任意其他两个声驱动器之间的距离。
11.如权利要求9所述的电视机系统，其中，所述声驱动器的辐射表面面朝上。
12.如权利要求11所述的电视机系统，其中，所述声驱动器的辐射表面面朝上并且朝后。
13.如权利要求9所述的电视机系统，其中，最左边的声驱动器的辐射表面面朝外。
14.如权利要求9所述的电视机系统，还包括在所述声驱动器前面的不透声壁垒。
15.如权利要求9所述的电视机系统，还包括：
第一干扰定向阵列，包括：
该多个声驱动器的第三子集，用于定向地辐射中央声道音频信号；以及
信号处理电路用于处理到所述声驱动器的第三子集的音频信号，以使得来自所述声驱动器中的每个的辐射破坏性地干扰，从而使得在一个方向中的辐射比在其他方向中的辐射更小。
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