CN103155594B - 头戴式耳机装置 - Google Patents

Abstract

[问题]为了在虚拟声场再现中使个体差异的影响最小并且还为了使得能够自然听见外部声音。[解决方案]一种头戴式耳机装置，其中，左侧头戴式耳机单元和右侧头戴式耳机单元具有包括多个扬声器单元的扬声器阵列，多个扬声器单元被布置为围绕外耳。头戴式耳机单元中的扬声器阵列使用波前合成以在外耳附近的闭合曲面内再现声场。由个体差异导致的影响不太可能发生，这是因为扬声器阵列通过波前合成在外耳附近的闭合曲面内再现声场，且因为在每个个体的耳朵中发生混响和衍射效应。此外，扬声器阵列包括被布置成围绕外耳的多个扬声器单元，并扬声器阵列的形状不遮挡收听者的耳朵，这使得能够自然听见外部声音。

Description

头戴式耳机装置

技术领域

本发明涉及一种头戴式耳机装置，并且具体地涉及一种包括具有多个扬声器单元的扬声器阵列的头戴式耳机装置。

背景技术

已经对声场再现方法进行了常规研究。关于扬声器再现，大体上提出了诸如5.1声道和7.1声道的环绕声再现，并将其商业化。该技术的优点是使用被称为后置环绕声扬声器的扬声器以及前置扬声器，并且它们组合起来能够再现后侧声音和环境声音。

然而，在环绕声再现期间出现以下问题：在有限的安装中心的服务区中找到收听的最理想声场点。此外，在环绕声再现中，存在以下问题：在实际的家庭中难以将扬声器布置在后侧位置处。

作为用以解决与扬声器布置有关的问题的措施，有一种使用经口进入（transoral）技术的前置环绕扬声器。在前置环绕扬声器中，通过仅使用前置扬声器和使用头部相关传递函数来享受虚拟环绕声。该技术的优点是能够容易地安装扬声器并且系统简单。另一方面，存在以下问题：因为使用头部相关传递函数而会发生效果的个体变化。此外，还在该技术中，存在与收听位置有关的问题，即限制了用于再现的理想位置。

作为用以解决与收听位置有关的问题的措施，有一种使用波场合成的声场再现技术（参见NPL1）。这是一种这样的技术，其使得在扬声器阵列被配置的情况下可以完全控制闭合曲面内的声场，并且可以完全控制不包括声源的具有闭合曲面形状的声压以及法线方向上的质点速度。当使用利用波场合成的声场再现技术时，完全再现闭合曲面内的声场，并且还增加了收听位置的自由度。

例如，在PTL1中，公开了一种三维声场再现装置，其中扬声器阵列的多个扬声器遮盖收听者的整个头部，并且可以再现实际的高级别。然而，在三维声场再现装置中，由于使用多个扬声器并为了配置需要的阵列，存在规模变大的问题。此外，在使用扬声器阵列的情况下，存在由于空间混叠而导致要再现的频带受到扬声器之间的间距限制的问题。

另一方面，在头戴式耳机再现领域中，有一种使用头部相关传递函数的虚拟环绕声。当使用虚拟环绕时，可以理想地利用便利的头戴式耳机装置享受声场并且不会发生与收听者位置有关的问题。

引用列表

专利文献

PTL1：日本未审查专利申请公布第2008-118559号

非专利文献

NPL1：″StudyonThree-DimensionalVirtualRealitybasedonKirchhoff′sIntegralEquation″,WasedaUniversity,AdvanceResearchInstituteforScienceandEngineering,AcousticLaboratory,YoshioYAMAZAKI,[online],April,1997,(searchOctober1,2010],Internet<URL:http:www.acoust.rise.waseda.ac.jp/publications/happyou/1997-h9.html>

发明内容

技术问题

然而，如上所述，在头戴式耳机再现领域中使用头部相关传递函数的虚拟环绕声中，由于在外耳道的入口附近的声压被复制为“点”，所以存在没有考虑个人外耳的影响并且不能根据个人获得理想效果的问题。此外，通常，由于头戴式耳机具有遮挡耳朵的形状，所以存在下述问题：即使可以用虚拟环绕声获得头部之外的感觉，也无法听到外部声音。

本发明的目的是提供一种头戴式耳机，其中，不太可能发生在虚拟声场再现中个体差异的影响，并且该头戴式耳机能够自然地收听外部声音。

本发明的构思是一种头戴式耳机装置，包括：

扬声器阵列，扬声器阵列由多个扬声器单元构成，多个扬声器单元被布置成围绕外耳，

其中，该扬声器阵列使用波场合成，在外耳附近的闭合曲面内再现声场。

在本发明中，包括扬声器阵列。该扬声器阵列由布置成围绕外耳的多个扬声器单元构成。然后，使用波场合成，通过扬声器阵列在外耳附近的闭合曲面内再现声场。在这种情况下，声压信号，作为用于使得在扬声器单元的每个位置处发出声音的驱动信号，被提供给扬声器阵列的多个扬声器单元，以在外耳附近的闭合曲面内再现声场。

如上所述，在本发明中，使用波场合成，通过扬声器阵列在外耳附近的闭合曲面内再现声场，由于在个人的耳朵中发生混响或衍射效果，所以不太可能发生由个体差异导致的影响。此外，在本发明中，扬声器阵列由布置成围绕外耳的多个扬声器单元构成，并且扬声器阵列的形状不遮挡收听者的耳朵，于是能够自然地听到外部声音。

在本发明中，例如，扬声器阵列的所述多个扬声器单元可以被布置成朝着闭合曲面向内倾斜。因此，可以在闭合曲面内满意地再现上下左右的全部方向上的质点的传播速度。例如，头戴式耳机装置还可以包括圆环形耳垫，圆环形耳垫具有开口部分，外耳能够被插入在该开口部分中，并且其中扬声器阵列的所述多个扬声器单元可以被布置成沿着耳垫的与收听者的对接侧相反的圆形端部。

此外，在本发明中，例如，当最大再现频率是fmax[Hz]且声速是c[m/s]时，扬声器阵列的所述多个扬声器单元的间距Δd[m]可以满足公式：Δd<c/(2·fmax)。因此，可以再现直到最大再现频率fmax[Hz]的频带。

本发明的有利效果

根据本发明，在虚拟声场再现中个体差异的影响不太可能发生并且可以自然地听到外部声音。换言之，由于使用波场合成，通过扬声器阵列再现在外耳附近的闭合曲面内的声场并且在个人的耳朵中发生混响或衍射效应，所以由个体差异导致的影响不太可能发生。此外，扬声器阵列具有布置成围绕外耳的多个扬声器单元，并且扬声器阵列的形状不遮挡收听者的耳朵，于是能够自然地听到外部声音。

附图说明

图1是示出了作为本发明的实施例的头戴式耳机装置的配置示例的视图。

图2是示出了闭合曲面的示例的视图，在该闭合曲面中，由在头戴式耳机主体中包括的扬声器阵列再现声场。

图3是用于说明在头戴式耳机主体中包括的扬声器阵列的多个扬声器单元被布置成朝着再现声场的闭合曲面向内倾斜。

图4是用于说明扬声器阵列的多个扬声器单元被布置成沿着耳垫的与收听者的对接侧相反的圆形端部。

图5是用于说明在头戴式耳机主体中包括的扬声器阵列的多个扬声器单元的布置间距的视图。

图6是示出了将声压信号提供给在头戴式耳机主体中包括的扬声器阵列的每个扬声器单元的电路的配置示例的框图。

具体实施方式

下文中，将描述用于实施本发明的模式（下面被称作“实施例”）。此外，将按以下顺序进行描述。

1.实施例

2.修改示例

<1.实施例>

[头戴式耳机装置的配置示例]

图1（a）至（c）示出了作为实施例的头戴式耳机装置100的配置示例。图1（a）是其顶视图，图1（b）是其前视图，且图1（c）是其侧视图。头戴式耳机装置100被配置成使得左侧头戴式耳机主体120L和右侧头戴式耳机主体120R分别连接到头带110的左侧和右侧的前端部。

左侧头戴式耳机主体120L具有扬声器阵列130。扬声器阵列130由多个扬声器单元131构成，多个扬声器单元131被布置成围绕收听者的外耳（左侧）。在左侧头戴式耳机主体120L中包括的扬声器阵列130使用波场合成而在图1（b）所示的外耳（左侧）附近的闭合曲面140L内再现声场。作为用于使得在扬声器单元131的每个位置处发出声音的驱动信号的声压信号被提供给在左侧头戴式耳机主体120L中包括的扬声器阵列130的多个扬声器单元131，以使得能够在闭合曲面140L内再现声场。

右侧头戴式耳机主体120R也具有扬声器阵列130。扬声器阵列130由多个扬声器单元131构成，多个扬声器单元131被布置成围绕收听者的外耳（右侧）。在右侧头戴式耳机主体120R中包括的扬声器阵列130使用波场合成而在图1（b）所示的外耳（右侧）附近的闭合曲面140R内再现声场。作为用于使得在扬声器单元131的每个位置处发出声音的驱动信号的声压信号被提供给在右侧头戴式耳机主体120R中包括的扬声器阵列130的多个扬声器单元131，以使得能够在闭合曲面140R内再现声场。

此外，关于波场合成，将省略其详细描述，然而，例如存在使用克希霍夫（Kirchhoff）积分公式的方法等，如在YoshioYAMAZAKI的论文“StudyonThree-DimensionalVirtualRealitybasedonKirchhoff′sIntegralEquation”中所指出的。在该方法中，通过在N个点处将该闭合曲面S离散化以及通过在闭合曲面S上的N个点处再现声压P(rj)和质点速度un(rj)，来再现闭合曲面S内的声场。在本实施例中，基于上述波场合成，来生成向在头戴式耳机主体120L和120R中包括的扬声器阵列130的每个扬声器单元131提供的声压信号。

图2（a）示出了闭合曲面140L的示例，其中通过在左侧头戴式耳机主体120L中包括的扬声器阵列130来再现声场。闭合曲面140L是在从人（收听者）的头部侧面观看时在外耳道周围的具有8cm至10cm的直径的狭窄区域。图2（b）示出了在安装有头戴式耳机100的情况下左侧头戴式耳机主体120L与闭合曲面140L之间的位置关系。此外，即使类似地省略了详细描述，闭合曲面140R也是在外耳道周围的具有8cm至10cm的直径的狭窄区域，其中，由在右侧头戴式耳机主体120R中包括的扬声器阵列130在闭合曲面140R中再现声场。

如图3所示，在头戴式耳机主体120L和120R中包括的扬声器阵列130的多个扬声器单元131被布置成朝着其中声场被再现的闭合曲面140L和140R向内倾斜。换言之，每个扬声器单元131的中心轴S朝着扬声器阵列130的中心轴Z倾斜。如上所述，由于扬声器阵列130的多个扬声器单元131被布置成倾斜，所以能够在闭合曲面140L和140R内满意地再现质点在上下左右的全部方向上的传播速度。

在上述图1中，即使省略了图示，头戴式耳机主体120L和120R也分别包括具有可插入外耳的开口部分的圆环形耳垫150。如图4所示，上述扬声器阵列130的多个扬声器单元131被布置成沿着耳垫150的与收听者的对接侧相反的圆形端部150a。

如图5所示，在头戴式耳机主体120L和120R中包括的扬声器阵列130的多个扬声器单元131被布置成具有间距Δd[m]。当最大再现频率是fmax[Hz]时，间距Δd[m]满足以下公式（1）。在这一方面，c是声速（大约为340m/s）。因此，能够再现直到最大再现频率fmax[Hz]的频带。

Δd<c/(2·fmax)(1)

通常，波场合成系统具有空间混叠的问题。混叠发生在将声速除以间距的两倍而得到的值的频率处，并且基于空间采样的概念来确定可再现的边界频率。例如，当扬声器单元被布置在5cm的间距处时，大约3.4kHz是空间混叠的频率。相比于人类的听觉频带20kHz，这是超低频率。空间混叠频率falias[Hz]被表示为以下公式（2）。

falias=c/(2·Δd)···(2)

频率的上限在缩减其间距时出现，这意味着从扬声器单元131发出的声压减小。此外，存在空间混叠与声压之间的权衡关系，声场难以在大空间中再现。然而，在头戴式耳机装置100中，由于扬声器阵列130在外耳附近，因此，即使扬声器单元131小，也可以向收听者呈现足够的声压。例如，在使用8mm的超小型扬声器单元时，由于Δd=0.008m，所以空间混叠频率falias是20kHz或更大，并且可以通过公式（2）再现足够的声场。

图6示出了头戴式耳机主体120（120L和120R）的电路的配置示例。将与扬声器阵列130的每个扬声器单元131对应的声压信号从声压信号输出部160提供给头戴式耳机主体120。如上所述，基于波场合成来生成声压信号。例如，可以通过用在每个扬声器单元的一定位置处布置的麦克风收集声音来获得声压信号。此外，例如，可以在诸如5.1声道和7.1声道的多声道信号中进行转换处理来获得声压信号。

头戴式耳机主体120具有数字滤波部121、D/A转换器122和放大器电路123以及扬声器阵列130。在数字滤波部121中执行滤波器处理之后，经由D/A转换器122和放大器电路123将来自声压信号输出部160的与每个扬声器单元131对应的声压信号提供给扬声器阵列130。

例如，数字滤波部121中的滤波处理是用于控制区域的滤波处理。在这种情况下，从扬声器阵列130的每个扬声器单元131发出的声音是处于比扬声器单元131的位置稍微更内部的位置处的声音，并且更不可能受到空间混叠的影响。此外，例如，数字滤波部121中的滤波处理是用于校正每个扬声器单元131的特性的滤波处理。

如上所述，在图1所示的头戴式耳机装置100中，使用波场合成，通过在头戴式耳机主体120L和120R中包括的扬声器阵列130，在外耳附近的闭合曲面140L和140R内再现声场。因此，由于在个体的耳朵中发生混响或衍射效应，所以由个体差异所导致的影响不太可能发生在虚拟声场再现中。换言之，相比于扬声器再现，利用简单的头戴式耳机类型的系统可以消除个体差异。

此外，在图1所示的头戴式耳机装置100中，在头戴式耳机主体120L和120R中包括的扬声器阵列130具有多个扬声器单元131，多个扬声器单元131被布置成围绕外耳。因此，扬声器阵列130的形状不遮挡收听者的耳朵，从而自然能够听到外部声音。因此，将虚拟声场和实际世界的声场结合（这在相关技术的头戴式耳机装置中是不可能的）的效果也可以存在，并且在戴上头戴式耳机装置的情况下，在两个人之间也可以自然交流。

<2.修改示例>

此外，按照使得多个扬声器单元131以圆圈方式被布置在包括在头戴式耳机主体120L和120R中的扬声器阵列130中的方式，说明以上实施例。然而，多个扬声器单元131可以不以圆圈方式来布置，并且其可以被布置成椭圆形、方形或其它形状。换言之，扬声器单元可以被布置成围绕外耳。此外，按照使得多个扬声器单元131以单个圆圈方式被布置在包括在头戴式耳机主体120L和120R中的扬声器阵列130中的方式，说明以上实施例。然而，也可以考虑布置成两个圆圈或三个圆圈的配置。

附图标记列表

100头戴式耳机装置

110头带

120头戴式耳机主体

120L左侧头戴式耳机主体

120R右侧头戴式耳机主体

121数字滤波部

122D/A转换器

123放大器电路

130扬声器阵列

131扬声器单元

140L、140R闭合曲面

150耳垫

150a圆形端部

160声压信号输出部

Claims (13)

1.一种佩戴式装置，包括：

扬声器阵列，所述扬声器阵列由多个扬声器单元构成，所述多个扬声器单元被布置成围绕外耳并且不遮挡外耳，

其中，所述扬声器阵列能够使用波场合成，在所述外耳附近、与外耳表面基本上平行的闭合曲面内再现声场；

其中，所述扬声器阵列在所述外耳表面的法线方向上具有闭合空间；

其中，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元通过用于在与每个所述扬声器单元的布置位置对应的位置处发出声音的声压信号来驱动，以使得能够再现所述闭合曲面内的声场；

其中，所述佩戴式装置还包括：

声压信号获得部，其获得与所述多个扬声器单元对应的声压信号；以及

声压信号提供部，其对所获得的多个声压信号进行滤波处理以用于控制区域和/或校正所述扬声器单元的特性，然后将所述声压信号分别提供给所述多个扬声器单元。

2.根据权利要求1所述的佩戴式装置，

其中，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元被设置成围绕所述闭合曲面的外围边缘，所述闭合曲面是所述声场的再现表面。

3.根据权利要求2所述的佩戴式装置，

其中，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元被布置成使得能够在所述闭合曲面内再现在上下左右所有方向上的质点的传播速度。

4.根据权利要求3所述的佩戴式装置，

其中，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元被布置成朝着所述闭合曲面向内倾斜。

5.根据权利要求4所述的佩戴式装置，还包括：

圆环形耳垫，所述圆环形耳垫具有开口部分，所述外耳能够被插入在所述开口部分中，并且

其中，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元被布置成沿着所述耳垫的与收听者的对接侧相反的圆形端部。

6.根据权利要求1所述的佩戴式装置，

其中，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元被布置成具有这样的间距：在该间距上，在没有受到空间混叠的影响的情况下，能够再现直到最大再现频率的频带。

7.根据权利要求6所述的佩戴式装置，

其中，当所述最大再现频率是fmax[Hz]且声速是c[m/s]时，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元的间距Δd[m]满足以下公式：

Δd<c/(2·fmax)。

8.根据权利要求1所述的佩戴式装置，

其中，所述闭合曲面是从头部侧面观看时在外耳道周围的具有8cm至10cm的直径的区域。

9.根据权利要求1所述的佩戴式装置，

其中，与所述布置位置对应的位置是不受到空间混叠影响的位置。

10.根据权利要求9所述的佩戴式装置，

其中，与所述布置位置对应的位置是在所述扬声器单元的所述布置位置内侧的位置。

11.根据权利要求1所述的声压信号提供装置，

其中，所述声压信号提供部对所述多个声压信号进行所述滤波处理，使得允许从每个所述扬声器单元发出的声音是在每个所述扬声器单元的位置内侧的位置的声音。

12.一种用于再现声场的方法，包括：

将多个扬声器单元布置成围绕外耳并且不遮挡外耳，并构成所述外耳表面的法线方向上的闭合空间；

将与每个所述扬声器单元对应的声压信号提供给所述多个扬声器单元，以及

使用波场合成，在所述外耳附近的、与外耳表面基本上平行的闭合曲面内再现声场；

其中，所述方法还包括：

获得与所述多个扬声器单元对应的声压信号；以及

对所获得的多个声压信号进行滤波处理以用于控制区域和/或校正所述扬声器单元的特性，然后将所述声压信号分别提供给所述多个扬声器单元。

13.一种音响系统，包括：

扬声器阵列，所述扬声器阵列由多个扬声器单元构成，所述多个扬声器单元被布置成围绕外耳并且不遮挡外耳，

声压信号获得部，其获得与所述扬声器阵列的多个扬声器单元对应的声压信号，以及

声压信号提供部，其对所获得的多个声压信号进行滤波处理以用于控制区域和/或校正所述扬声器单元的特性，然后将所述声压信号分别提供给所述多个扬声器单元，

其中，所述扬声器阵列能够使用波场合成，在所述外耳附近、与外耳表面基本上平行的闭合曲面内再现声场；

其中，所述扬声器阵列在所述外耳表面的法线方向上具有闭合空间；

其中，所述扬声器阵列的所述多个扬声器单元通过用于在与每个所述扬声器单元的布置位置对应的位置处发出声音的声压信号来驱动，以使得能够再现所述闭合曲面内的声场。