CN103503485B - 用于产生具有强化的空间效应的声音信号的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备及方法，所述设备包含信号滤波器组，所述信号滤波器组适于通过滤波器特性对差音频信号进行滤波以限制所述差音频信号的带宽，其中将所述带宽限制差音频信号施加到至少一对扬声器上以用于偶极声发射。

Description

用于产生具有强化的空间效应的声音信号的方法及设备

技术领域

本发明涉及用于产生具有强化的空间效应的声音信号的方法及设备，并且涉及包含此类设备的移动装置。

背景技术

用户听到的声音信号是由扬声器响应于音频信号源所输出的电音频信号而产生的。例如，将包含左音频信号及右音频信号的立体声信号供应到间隔一定距离的两个扬声器，并且朝向收听该声音信号的用户。通常情况下，接收立体声音频信号的扬声器被彼此分开来放置，使得听者能感知到这样一种音频图像，举例来说，在记录立体声的古典音乐信号时，该音频图像使得听者能够对交响乐队中不同乐器的位置进行定位。但是，听者的这种室内体验受限于扬声器之间的距离，当距离超出了将该立体声音频信号转换成声音信号的两个扬声器之间的距离时，空间效应便无法实现。

已提出了其他系统来提升用户收听声音信号的空间听觉体验，此处的声音信号是指响应于音频信号而产生的。已知的常规配置例如有5.1环绕声多信道音频系统，该系统最常用于商业电影院及家庭影院中。常规的5.1内环绕声多信道音频系统使用了五个全带宽信道和一个低频强化信道。如图1所示，该5.1环绕声多信道音频系统经设计用于向处于五个扬声器之间的中心位置的最佳听音位置处的听者提供所有声源的恰当定位。

但是，图1所示的常规音频系统存在一些缺点。人们希望布置扬声器以满足对于环绕声多信道音频系统的需求，但这一愿望经常与一般的起居室等常规房间的空间限制相冲突。另外，在许多应用中，不可能环绕用户来放置扬声器。尤其对于整合有扬声器的移动电话等的移动通信器件而言，围绕听者来放置扬声器是不可能的。

因此，本发明的目的在于提供一种用于产生声音信号的方法及设备，所述声音信号的空间效应得到强化，能不受限于扬声器之间的距离，并且无需以听者为中心来定位扬声器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备，其中所述设备包含至少一个信号滤波器组，所述至少一个信号滤波器组适于通过滤波器特性对差音频信号进行滤波以限制所述差音频信号的带宽，

其中将所述带宽限制差音频信号施加到至少一对扬声器上以用于偶极声发射。

在所述设备的第一实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，先对所述带宽限制差信号进行反相，然后将其施加到所述成对扬声器中的第一扬声器；而对于所述成对扬声器中的第二扬声器，则直接向其施加所述带宽限制差信号。

在所述设备的第二实施方案中，或者说，在根据第一方面的所述设备的可能实施方案中，或者说，根据所述设备的第一实施方案，所述设备包含信号减法器，所述信号减法器适于从第二音频信号中减去第一音频信号以提供所述差音频信号。

在所述设备的第三实施方案中，或者说，在根据第一方面的所述设备的可能实施方案中，或者说，根据所述设备的第一或第二实施方案，所述至少一个信号滤波器组包含滤波器，所述滤波器中的每一滤波器适于对所述差音频信号中的关联频率子带进行滤波。

在所述设备的第四实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第三实施方案的可能实施方案中，对于所述信号滤波器组中的每个频率子带，提供对应的一对扬声器。

在所述设备的第五实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第四实施方案的可能实施方案中，从所述第一音频信号中减去用于低频率子带的由所述信号滤波器组中的滤波器所输出的带宽限制差音频信号，以提供用于所述偶极声发射成对扬声器中的第一扬声器的第一输入音频信号。

在所述设备的第六实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第四或第五实施方案的可能实施方案中，将用于低频率子带的由所述信号滤波器组中的滤波器所输出的带宽限制差音频信号加到所述第二音频信号，以提供用于所述偶极声发射成对扬声器中的第二扬声器的第二输入音频信号。

在所述设备的第七实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第四实施方案的可能实施方案中，将用于高频率子带的由信号滤波器组中的滤波器所输出的带宽限制差音频信号直接施加到额外的成对扬声器，所述额外的成对扬声器包含朝左以及朝右的扬声器。

在所述设备的第八实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者说，在所述设备的第一至第七实施方案中的任一实施方案中，所述信号滤波器组中的滤波器包含无限脉冲响应IIR滤波器。

在所述设备的第九实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者说，在根据所述设备的第一至第七实施方案中的任一实施方案中，所述信号滤波器组中的滤波器包含有限脉冲响应FIR滤波器。

在所述设备的第十实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者说，在所述设备的第一至第九实施方案中的任一实施方案中，所述至少一个信号滤波器组中的滤波器适于均衡所述成对扬声器的扩散频率响应。

在所述设备的第十一实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者说，在所述设备的第一至第十实施方案中的任一实施方案中，对于所述信号滤波器组中的每一滤波器，串联连接额外的滤波器。

在所述设备的第十二实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者说，在所述设备的第一至第十一实施方案中的任一实施方案中，成对扬声器中的两个扬声器相对于对称轴成轴对称，且相距预定的距离。

在所述设备的第十三实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第十二实施方案的可能实施方案中，根据所述距离来设置用于相应频率子带的偶极声发射成对扬声器的频率子带的中心频率。

在所述设备的第十四实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第十三实施方案的可能实施方案中，随着所述偶极声发射扬声器中的扬声器之间的距离增加，用于相应频率子带的偶极声发射成对扬声器的频率子带的中心频率降低。

在所述设备的第十五实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者说，在所述设备的第一至第十四实施方案中的任一实施方案中，所述至少一个信号滤波器组包含预定的滤波器特性。

在所述设备的第十六实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者说，在所述设备的第一至第十五实施方案中的任一实施方案中，所述至少一个信号滤波器组包含可调整的滤波器特性。

在所述设备的第十七实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的可能实施方案中，或者在所述设备的前述实施方案中的任一实施方案中，所述设备包含第一成对扬声器和第二成对扬声器，所述至少一个信号滤波器组包含第一滤波器和第二滤波器，其中所述第一滤波器适于对所述差音频信号的第一频率子带进行滤波以提供第一带宽限制信号，其中所述第二滤波器适于对所述差音频信号的第二频率子带进行滤波以提供第二带宽限制信号，所述第二带宽限制信号具有不同于所述第一带宽限制信号的中心频率以及/或者带宽限制，并且其中将所述第一带宽限制信号提供到所述第一成对扬声器，并且将所述第二带宽限制信号提供到所述第二成对扬声器。

在所述设备的第十八实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第十七实施方案的可能实施方案中，不将所述第一带宽限制信号提供到所述第二成对扬声器，并且不将所述第二带宽限制信号不提供到所述第一成对扬声器。

在所述设备的第十九实施方案中，或者说，在根据第一方面的设备的第十七或十八实施方案的可能实施方案中，其中所述第一成对扬声器中的两个扬声器相对于对称轴成轴对称，相距预定的第一距离，并且所述第二成对扬声器中的两个扬声器相对于对称轴成轴对称，相距预定的第二距离，其中所述第二距离大于所述第一距离，并且所述第二滤波器的中心频率小于所述第一滤波器的中心频率。

如同所属领域的技术人员所知的那样，所述各个构件，具体而言是滤波器组及滤波器、反相器、信号减法器及信号加法器等为功能实体，并且可实施于硬件、软件或两者的组合中。如果将所述构件实施于硬件中，那么可将所述构件作为装置或系统的部分来实施，并且可实施为，例如离散单元、集成电路或处理器。如果将所述构件实施于软件中，那么其可实施为计算机程序产品、函数、例行程序、程序代码或可执行对象。

根据本发明的第二方面，提供一种移动装置，所述移动装置包含根据本发明的第一方面或其前述实施方案中的任一实施方案的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备。

根据本发明的第三方面，提供一种条形音箱，所述条形音箱包含根据本发明的第一方面或其前述实施方案中的任一实施方案的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备。

根据本发明的第四方面，提供一种扩展坞，所述扩展坞包含根据本发明的第一方面或其前述实施方案中的任一实施方案的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备。

根据本发明的第五方面，提供一种用于产生具有强化的空间效应的声音信号的方法，其中所述方法包含步骤：

通过滤波器特性对差音频信号进行滤波以限制所述差音频信号的带宽；以及

将所述带宽限制差音频信号施加到至少一对扬声器上用于偶极声发射。

附图说明

在以下的可能实施方案中，将参考所含附图对本发明的不同方面中的两个方面进行详细描述。

图1所示为用于描绘常规5.1环绕声多信道音频系统的图；

图2所示为根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的可能实施方案的方框图；

图3、图4、图5所示为根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的不同的可能实施方案；

图6所示为根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的可能实施方案的方框图；

图7所示为用于描绘信号滤波器组的频率响应的图，所述信号滤波器组用于图6所示的根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的实施方案中；

图8所示为根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的其他可能实施方案的图；

图9所示为用于描绘用于不同频率区的不同复制方法的图，所述方法由图8所示的根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备所用；

图10所示为用于描绘扬声器的方向特性的图，所述扬声器用于具有扬声器之间的特定距离的偶极声发射，所述图用于描绘根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的可能实施方案；

图11所示为在根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的另外可能实施方案中所用的用于描绘具有在扬声器之间的特定距离的偶极声发射的扬声器的方向特性的另一个图；

图12所示为用于描绘扩散声场响应的图，其用于描绘根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的可能实施方案中所用的棚架校正滤波器的影响；

图13所示为用于描绘根据本发明的第四方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备的可能实施方案的流程图；

图14所示为包含根据本发明的第二方面的用于产生声音信号的设备的移动装置的透视图；

图15所示为用于描绘扬声器的方向性随频率的增加而增加的图，其中在根据本发明的第一及第四方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备中，以及在用于产生具有强化的空间效应的声音信号的方法中，使用了所图示的效应；

图16所示为用于描绘坐标系的以及角的定义的图，在所述图中可界定方向响应；

图17所示为用于描绘偶极扬声器的方向响应的图，该响应可由偶极声发射的一对扬声器所执行，如同由根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备所用的。

具体实施方式

图2所示为根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1的可能实施方案。如图2所示，该声音信号可被引导到听者U那里。

图2中所示的设备1的实施方案包含两个信号输入端2-1、2-2，第一音频信号A1及第二音频信号A2被分别施加到所述两个信号输入端2-1、2-2上。第一音频信号A1及第二音频信号A2可由不同的音频信号源来输出。例如，所述两个音频信号A1、A2可为由立体声信号音频源输出的立体声音频信号中的第一音频信号和第二音频信号。图2中所示的设备1的实施方案包含信号减法器3，所述信号减法器3适于从第二音频信号A2中减去第一音频信号A1以提供图2中所示的差音频信号D。设备1另外包含至少一个信号滤波器组4，所述至少一个信号滤波器组4适于通过滤波器特性对差音频信号D进行滤波以限制差音频信号D的带宽。如图2所示，滤波器组4输出带宽限制的差音频信号D′。在所示的实施方案中，带宽限制的差音频信号D′由信号反相构件5来反相。信号反相构件5可由乘法器来构成，该乘法器将带宽限制的差音频信号D′与负值-1相乘。借助于图2所示的第一信号加法器6-1，将所述经反相的带宽限制差音频信号加到第一音频信号A1中，第一音频信号A1被施加到设备1的第一输入端2-1。另一方面，借助于图2所示的第二信号加法器6-2，将带宽限制差音频信号D′直接加到第二音频信号A2中。将第一信号加法器6-1的输入信号施加到图2所示的成对扬声器7中的第一扬声器7-1的输入中。另外，将第二信号加法器6-2的输出信号施加到所述的成对扬声器7-1、7-2中的第二扬声器7-2的输入中。扬声器7-1、7-2构成用于偶极声发射的成对的扬声器。设备1所使用的一对扬声器7-1、7-2用于偶极声发射，也就是说，该成对扬声器7-1、7-2模拟了偶极扬声器，偶极是指类似于具有前向和后向的两个相等辐射的极性响应，尤其是在访问过程中的极性响应。

在可能的实施方案中，图2所示的设备1的信号滤波器组4包含滤波器，所述滤波器中的每一者适于对施加到信号滤波器组4的差音频信号D的关联频率子带SB进行滤波。对于信号滤波器组4中的每一频率子带SB，可提供对应的成对扬声器。在图2所示的实施方案中，仅向一个频率子带提供信号滤波器组4。信号滤波器组4中的滤波器可由无限脉冲响应IIR滤波器来构成。在替代实施方案中，信号滤波器组4中的滤波器也可包含有限脉冲响应FIR滤波器。对于信号滤波器组4中的每个滤波器而言，还可串联连接额外的信号滤波器。如图2至图5所示，在可能的实施方案中，成对扬声器7中的两个扬声器7-1、7-2相对于某一对称轴来布置，并且相距预定距离d。在可能的实施方案中，根据用于相应频率子带的偶极声发射成对扬声器7的频率子带SB中的中心频率，对偶极声发射成对扬声器7-1、7-2的扬声器7-1、7-2之间的距离d进行设置。随着频率子带SB的中心频率fc降低，将扬声器7-1、7-2之间的距离d设置为更高的距离值。在可能的实施方案中，随着偶极声发射成对扬声器中的扬声器之间的距离d的增加，用于相应频率子带SB的偶极声发射成对扬声器7-1、7-2的中心频率fc降低。在根据本发明的第一方面的设备1的另外的可能实施方案中，偶极声发射成对扬声器7的扬声器7-1、7-2之间的距离d可以调整，并且扬声器7-1、7-2可围绕对称轴相对于彼此移动。在此特定的实施方案中，随着用于相应频率子带的偶极声发射成对扬声器7的频率子带SB的中心频率fc的降低，偶极声发射成对扬声器7-1、7-2中的可移动扬声器之间的距离d可增加。在此特定的实施方案中，扬声器7-1、7-2相对于彼此的移动可由控制单元来控制。

在根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的的设备1的可能实施方案中，信号滤波器组4包含预定的预置滤波器特性。在根据本发明的第一方面的设备1的替代实施方案中，信号滤波器组4包含可调整的滤波器特性。在可能的实施方案中，可调整的滤波器特性可由滤波器特性调整单元经由设备1的接口来进行调整。

图3、图4、图5所示为根据本发明的第一方面的用于产生空间效应得到强化的声音信号设备1的不同的可能实施方案。图3所示的实施方案包含用于偶极声发射的单独的一对扬声器7-1、7-2，该成对扬声器7-1、7-2相对于对称轴Z成轴对称，相距距离d图3所示的设备1的实施方案对应于图2所示的实施方案。

图4所示为用于产生声音信号的设备1的另外的可能实施方案，该设备1包含两对扬声器7-1、7-2以及8-1、8-2。用于偶极声发射的第一对扬声器7-1、7-2相对于对称轴Z成轴对称，相距距离d1。如图4所示，用于偶极声发射的第二对扬声器8-1、8-2围绕同一对称轴Z间隔距离d2。图4所示的用于偶极声发射的第一对扬声器7和第二对扬声器8都朝向听者U，听者U位于设备1的前方，并收听所产生的声音信号。

图5所示为根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1的另外的可能实施方案，该设备1包含成对的扬声器9-1、9-2，成对扬声器9-1、9-2在垂直于对称轴Z的方向上分别朝左，朝右。第一对扬声器7-1、7-2及第二对扬声器8-1、8-2位于设备1的前侧，朝向听者U并且用于偶极声发射，而另外一对扬声器9-1、9-2用于高的频率子带并且不用于偶极声发射。在替代实施方案中，位于设备1远端的成对扬声器9-1、9-2也可用于偶极声发射。

在可能的实施方案中，图3、图4及图5中所示的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1可整合在条形音箱(soundbar)或移动装置中。例如，该移动装置可为移动电话、智能手机、平板电脑等。

图6所示为根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1的可能实施方案。图6所示的实施方案包含与图5所示的实施方案相似的三对扬声器7、8、9。在图6的实施方案中，信号滤波器组4包含经整合的三个IIR滤波器，减法器3将音频信号D供应给这三个IIR滤波器，这三个IIR滤波器将根据滤波器特性来对所施加的差音频信号D进行滤波。在图6所示的特定实施方案中，额外的IIR滤波器10-1、10-2、10-3串联连接到滤波器组4中的每一个信号滤波器。

图7图示了图6所示的信号滤波器组4内的整合IIR滤波器的频率响应。信号滤波器组4包含滤波器，其中的每一个滤波器适于对所施加的差音频信号D的关联频率子带SB进行滤波。在图6所示的实施方案中，信号滤波器组4包含三个经整合的IIR滤波器，这三个IIR滤波器适于对差音频信号D的关联频率子带SB进行滤波。整合在信号滤波器组4内的第一信号滤波器用于第一低频率子带SB，并包含图7所示的频率响应FR1。在信号滤波器组4中的第二信号滤波器用于第二中频率子带SB，并包含图7所示的滤波器响应FR2。整合在信号滤波器组4中的第三信号滤波器用于第三高频率子带SB，并包含图7所示的滤波器响应FR3。

在信号滤波器组4内的含有频率响应FR1的第一信号滤波器的经滤波信号从信号滤波器组4处被输出到IIR滤波器10-1。由IIR滤波器10-1输出的带宽限制差音频信号D′-1由反相构件5A反相，并借助于图6所示的第一信号加法器6-1而加到第一音频信号A1中。将信号滤波器10-1输出的带宽限制差音频信号D′-1直接施加到第二信号加法器6-2，并将其加到图6所示的第二音频信号A2中。在可能的实施方案中，第一音频信号A1及第二音频信号A2可分别作为施加到设备1的立体声信号中的左输入信号和右输入信号。将第一信号加法器6-1的输出信号和第二信号加法器6-2的输出信号直接施加到用于偶极声发射的成对扬声器8-1、8-2的输入中。

由整合在信号滤波器4中的第二滤波器所输出的经滤波的输出信号可由IIR滤波器10-2来进一步滤波，以均衡带宽限制差音频信号D′-2中的相应的成对扬声器的扩散频率响应，所述带宽限制差音频信号D′-2可经反相器5B反相而施加到该成对扬声器7中的扬声器7-2，并且不经反相而直接施加给其中另一个扬声器7-1。

由信号滤波器组4中的第三滤波器所输出的带宽限制差音频信号经IIR滤波器10-3进一步滤波，并作为带宽限制差音频信号D′-3而直接施加到额外的成对扬声器9。如图6所示，成对扬声器9包含朝左的扬声器9-1和朝右的扬声器9-2。带宽限制差音频信号D′-3用于高频率子带。

图8所示为用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1的另外的可能实施方案，如图8所示，该设备1包含三对扬声器7、8、11，所述三对扬声器7、8、11用于偶极声发射并且朝向听者U。如图8所示，该设备1包含额外的成对扬声器9，所述成对扬声器9包含围绕对称轴Z的朝左的扬声器9-1和朝右的扬声器9-2。成对扬声器7、8、11用于偶极声发射，如图8所示，这些配对7、8、11中的扬声器分别间隔预定距离d1、d2、d3。图8所示的设备1的前侧与听者U之间的距离Δ可改变。如图8所示，听者U可位于沿对称轴Z的位置。

图9所示为用于描绘针对不同的频率范围或频率子带SB的设备1的不同的复制方法的使用的图。如图9所示，可提供对应于成对扬声器的数目的数个不同的频率子带SB1、SB2、SB3、SB4。例如，图8的实施方案中所示的设备1包含图9中所示的用于不同的频率子带SB的四对扬声器7、8、9、11。随着相应的偶极声发射成对扬声器的相应频率子带SB中的中心频率fc降低，在成对扬声器7、8、11等偶极声发射成对扬声器中的扬声器之间的距离d增加。因此，在图8所示的实施方案中，成对扬声器11中的扬声器11-1、11-2间隔距离d3，d3为与朝向听者U的成对扬声器相关联的距离d1至d3中的最大距离，并且成对扬声器11中的扬声器11-1、11-2用于具有最低中心频率fc的频率子带SB，即图9所示的频带SB1。用于偶极声发射的扬声器8-1、8-2以间隔距离d2，并且将所述扬声器8-1、8-2提供于图9所示的用于频率子带SB2的所示实施方案中。将用于偶极声发射的成对扬声器7中的扬声器7-1、7-2用于图9中所示的频率子带SB3。将分别朝左，朝右的扬声器9-1、9-2用于产生图9所示的高频率子带SB4中的声音信号。如图9所示，对于低频率及中频率，即对于频率子带SB1、SB2、SB3，由于经滤波的差音频信号D′的带宽限制，而使用了具有偶极声发射的成对扬声器(LSP)11、8、7。随着频率增加，在成对扬声器11、8、7中的扬声器之间的距离d降低。例如，如图8所示，用于子带SB3的扬声器7-1、7-2相距最近，而用于最低频率子带SB1的扬声器11-1、11-2间隔最大距离d3。

滤波器10-1、10-2及10-3适于均衡成对扬声器的扩散频率响应。在替代实施方案中，此成对扬声器的扩散频率响应的均衡是通过信号滤波器组4的滤波器来实现的，信号滤波器组4的滤波器适于将此均衡与带限整合在一起。频率越高，则成对扬声器中的扬声器彼此间的位置越近。这种情况是有可能的，因为随着频率增加，扬声器的方向性也增强。例如，图15图示了此情况。

图10所示为用于描绘当相应的两个扬声器间隔距离0.1m时偶极声发射的成对扬声器的方向特性的图。如图10所示，该成对扬声器在例如500Hz的低频率下表现出良好性能，然而随着频率的增加性能会降级，例如在频率f＝3kHz时辐射图指向了所有方向而不具有任何左方向性及右方向性。

图11所示为描绘在扬声器以距离d＝40cm/0.4m间隔时偶极声发射成对扬声器的方向特性的另一个图。

图12所示为描绘两对偶极声发射扬声器在距离d＝10cm以及在距离d＝40cm时的扩散声场响应的图。还图示了相应的棚架滤波器(shelvingfilter)的频率响应，所述棚架滤波器用于使偶极声发射成对扬声器的扩散声场响应平坦化。所述棚架校正滤波器为补偿滤波器，并且可由图6中所示的滤波器10-i来实施。

图13所示为根据本发明的第四方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的方法的可能实施方案的流程图。

如图13所示，所述方法包含第一步骤S1，其中根据滤波器特性对差音频信号D进行滤波，以限制该差音频信号的带宽。

在第二步骤S2中，将带宽限制差音频信号D′施加到用于偶极声发射的至少一对扬声器上。

在可能的实施方案中，图13所示的方法可由信号处理软件来实施。在图13所示方法的实施方案中，先将带宽限制音频信号D′反相然后将其施加到用于偶极声发射的成对扬声器中的第一扬声器，但是对于此偶极声发射成对扬声器中的第二扬声器则直接施加带宽限制音频信号D′。在可能的实施方案中，通过从第二音频信号中减去第一音频信号，得出差音频信号D来计算在步骤S1中经滤波的此差音频信号D。第一音频信号和第二音频信号可由立体声音频信号中的左音频信号和右音频信号来形成。在可能的实施方案中，通过滤波器特性对差音频信号D进行滤波，所述滤波器特性可由控制单元来调整，所述控制单元连接到收听所产生的声音信号的听者U的用户接口。在所述方法的可能实施方案中，用于偶极声发射的成对扬声器中的两个扬声器间隔距离d，并且可围绕对称轴来移动，其中根据用于相应频率子带SB的偶极声发射成对扬声器的频率子带SB的中心频率来调整距离d。在可能的实施方案中，随着相应频率子带SB中的中心频率fc降低，偶极声发射成对扬声器中的相应扬声器之间的距离d可增加。

图14所示为根据本发明的第二方面的移动通信设备12的透视图，其包含根据本发明的第一方面的用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1。移动装置12可由，例如移动电话构成。移动装置12还可以是，例如智能手机或平板电脑。根据图14中的实施方案，移动装置12由图14所示的具有显示器13的移动电话构成。移动装置12具有用于偶极声发射的扬声器7-1、7-2，所述扬声器7-1、7-2围绕对称轴Z间隔距离d。图14所示的实施例对应于图3所示的实施例。在可能的实施方案中，包含扬声器7-1、7-2的成对扬声器7位于移动装置12的一侧上。在另外的可能的实施方案中，两对偶极声发射扬声器位于移动装置12的两侧上。在另外的可能实施方案中，两对偶极声发射扬声器位于所述移动装置的前侧中的两侧，即左侧与右侧上，其中所述前侧指的是例如包含显示器13的那一侧并且对称轴Z垂直于显示器的表面。移动装置12强化了所产生的具有强化的空间效应的声音信号的听觉体验。所述声音可以是，例如，音乐、电脑游戏配乐或铃声。移动装置12还可包含数对用于偶极声发射的扬声器，所述成对扬声器可位于移动装置的外壳的两侧上，或者位于移动装置的前侧中的两侧，即左侧与右侧上。另外，移动装置12有可能另外包含位于移动装置12的顶部以及/或者底部的如图5及图8所示的成对扬声器9。

根据本发明的第一方面的设备1还可在条形音箱中来实施，具体而言在呈现5.1环绕音频信号的条形音箱中来实施。还可能对所述5.1环绕信号应用立体声下混以根据本发明的第三方面来使用条形音箱，所述条形音箱包含用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1。还可能以不同方式来处理中央声道C以及左环绕声道L_S与右环绕声道R_S。例如，声音信号L_S+R_S可与经低路径滤波的差信号相同，因为未对L_S+R_S进行任何低路径滤波来呈现全带环绕声道。在可能的实施方案中，在将中央声道C引用到条形音箱的两个中央扬声器之前，可通过例如-3dB或-6dB的幅度对中央声道C进行增益调整。

根据本发明的第五方面，提供一种用于呈现5.1、7.1或其他多信道音频内容的虚拟环绕音频系统，其包含根据本发明的第一方面的产生具有强化的空间效应的声音信号的至少一个设备1。

图15所示为描绘扬声器的方向性增加的图。该效应是根据本发明的第一方面由设备1所利用的。如图15所示，在最高为50Hz的低频率处，扬声器几乎不存在任何方向性。例如通过将频率增加到1kHz，方向性增加并且声发射被引导到某一方向。所述成对扬声器模拟了偶极扬声器，并且用于偶极声发射，在概念上与压力梯度麦克风相似，并且其目标在于在特定方向上复制声压梯度。平面声波的声场可由以下方程式来表达：

$p(x,y,z,t)={\mathrm{Pe}}^{j(\mathrm{\ωt}+k_{x}x+k_{y}y+k_{z}z)},---\left(1\right)$

其中p为复振幅，并且

k_z＝ksinγ，(2)

其中k＝w/c，c为空气中的声速。

图16描绘了包含角度及γ的所用座标系的定义。平面波的声压在X方向中的一阶导数由以下方程式给出：

$p(x,y,z,t)=\frac{\mathrm{\δp}(x,y,z,t)}{\mathrm{\δx}}$

$=\mathrm{jk}\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\γp}(x,y,z,t).---\left(3\right)$

因此，方向响应DIR由以下方程式给出：

$\mathrm{DIR}(\mathrm{\φ},\mathrm{\γ},\mathrm{j\ω})=\frac{\mathrm{j\ω}}{c}\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\γ}.---\left(4\right)$

并且方向响应DIR相对于X轴成轴对称。因此，其完全由处于水平平面(z＝0)中的方向响应来决定，即

$\mathrm{DIR}(\mathrm{\φ},\mathrm{j\ω})=\frac{\mathrm{j\ω}}{c}\cos \mathrm{\φ}.---\left(5\right)$

与复制声压相比，声压导数的复制具有一阶高通滤波器特性。

图17所示为发射偶极声发射的成对扬声器的方向响应。

有可能通过在两点处的声场的微分来逼近该声场梯度。在X方向中所有声场梯度可通过该微分来逼近。

$p(x+\frac{d}{2},y,z,t)-p(x-\frac{d}{2},y,z,t).$

其中d为在两个测量点之间的距离。可将此微分的复制写成如下形式：

$p_x(x,y,z,t)=2j\sin \left(\frac{\mathrm{\ω}}{2c}d\cos \mathrm{\φ}\right)p(x,y,z,t)/d.---\left(6\right)$

在低频率处，此方程式6可通过以下方程式来逼近：

$p_x(x,y,z,t)\≈\frac{\mathrm{j\ω}}{c}\cos \mathrm{\φp}(x,y,z,t).---\left(7\right)$

含频率响应的滤波器具有与频率无关的偶极响应

从上述方程式(7)一直到因子d中可以看出，所述微分逼近等于方程式(5)所表达的真导数，两者对应于具有一阶高通特性的理想偶极方向响应。

根据本发明的方法及设备的应用范围广泛。例如，其可在音频系统的条形音箱中实施。根据本发明的设备及方法可在移动装置中实施，例如在图14所示的移动装置中实施。根据本发明的设备的方法也可用于室内或室外应用。

设备1的信号滤波器组4可通过芯片来实施。例如，可将图6所示的滤波器10-i整合在该芯片中。在图6所示的包含减法器3的设备1的可能实施方案中，还可将信号加法器6和反相器以及滤波器组整合在同一芯片中。

设备1定义了不同的复制技术，这样对于每种信号类型以及频率范围都可使用最佳的操作技术。在可能的实施方案中，频率子带SB的中心频率可以调整。在可能的实施方案中，频率子带也可彼此重叠。在替代实施方案中，频率子带SB可以间隔开来，并且在频率子带之间具有频带间隙。在另外的可能实施方案中，频率子带SB可在频率上改变。

用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备1可从任何种类的音频信号源接收输入音频信号。所述信号源可为，例如输出立体声音乐音频信号的立体声播放器。另外，所述输入音频信号可由麦克风或麦克风组来输出。另外，可能的是根据本发明的第一方面施加到设备1的输入音频信号是由收发器来提供的，所述收发器经由空中链路从基站接收信号。另外，可能的是输入音频信号是从存储音频信号的内存装置中读取的。施加到设备1的输入音频信号的应用可由控制单元来控制。

Claims (13)

1.一种用于产生具有强化的空间效应的声音信号的设备(1)，所述设备(1)包含：

至少一个信号滤波器组(4)，所述至少一个信号滤波器组(4)适于通过滤波器特性对差音频信号(D)进行滤波以限制所述差音频信号(D)的带宽，从而得到带宽限制差音频信号(D')；

其中将所述带宽限制差音频信号(D')施加到至少一对扬声器(7-1、7-2)上以用于偶极声发射；

其中所述至少一个信号滤波器组(4)包含滤波器，所述滤波器中的每一滤波器适于对所述差音频信号(D)的关联频率子带SB进行滤波，整合在所述信号滤波器组内的第一信号滤波器用于第一低频率子带，整合在所述信号滤波器组内的第二信号滤波器用于第二中频率子带，整合在信号滤波器组内的第三信号滤波器组用于第三高频率子带；

其中对于所述至少一个信号滤波器组(4)的各个频率子带(SB)，提供对应的一对扬声器(7、8、9、11)，所述第一低频率子带对应的一对扬声器用于偶极声发射、所述第二中频率子带对应的一对扬声器用于偶极声发射；

其中成对扬声器中的两个扬声器相对于对称轴(Z)成轴对称，间隔预定距离(d)，

其中根据所述距离(d)来设置用于相应频率子带(SB)的所述偶极声发射成对扬声器(7、8、11)的所述频率子带(SB)中的中心频率。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中先对所述带宽限制差音频信号(D')进行反相，然后将其施加到所述成对扬声器中的第一扬声器(7-1)，而对于所述成对扬声器中的第二扬声器(7-2)则直接向其施加所述带宽限制差音频信号(D')。

3.根据权利要求1所述的设备(1)，包含信号减法器(3)，所述信号减法器(3)适于从第二音频信号(A2)中减去第一音频信号(A1)以提供所述差音频信号(D)。

4.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中从第一音频信号(A1)中减去用于低频率子带的由所述至少一个信号滤波器组(4)中的滤波器所输出的所述带宽限制差音频信号(D')，以提供用于所述偶极声发射成对扬声器(7)中的第一扬声器(7-1)的第一输入音频信号，并且

其中将用于低频率子带的所述至少一个信号滤波器组(4)中的滤波器所输出的所述带宽限制差音频信号(D')加到第二音频信号(A2)，以提供用于所述偶极声发射成对扬声器(7)中的第二扬声器(7-2)的第二输入音频信号。

5.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中将用于高频率子带的由所述至少一个信号滤波器组(4)中的滤波器所输出的所述带宽限制差音频信号(D')直接施加到额外的成对扬声器(9)，所述成对扬声器(9)包含朝左及朝右的扬声器(9-1、9-2)。

6.根据前述权利要求1至5中的一项权利要求所述的设备(1)，

其中所述至少一个信号滤波器组(4)中的所述滤波器包含无限脉冲响应(IIR)滤波器或有限脉冲响应(FIR)滤波器。

7.根据前述权利要求1至5中的一项权利要求所述的设备(1)，

其中所述至少一个信号滤波器组(4)中的所述滤波器适于均衡所述成对扬声器(7、8、9、11)的扩散频率响应。

8.根据前述权利要求1至5中的一项权利要求所述的设备(1)，

其中额外的滤波器(10-i)串联连接到所述信号滤波器组(4)中的每一个滤波器。

9.根据权利要求1所述的设备，

其中随着所述偶极声发射成对扬声器(7、8、11)中的所述扬声器之间的距离(d)增加，用于所述频率子带(SB)的所述偶极声发射成对扬声器(7、8、11)的所述频率子带(SB)中的所述中心频率降低。

10.根据前述权利要求1至5中的一项权利要求所述的设备，

其中所述至少一个信号滤波器组(4)包含预定的滤波器特性或可调整的滤波器特性。

11.一种包含根据权利要求1至5中的一项权利要求所述的设备(1)的移动装置(12)。

12.一种包含根据权利要求1至5中的一项权利要求所述的设备(1)的条形音箱(soundbar)。

13.一种用于产生具有强化的空间效应的声音信号的方法，所述方法包含步骤：

至少一个信号滤波器组通过滤波器特性对差音频信号(D)进行滤波(S1)以限制所述差音频信号(D)的带宽，从而得到宽带限制差音频信号；以及

将所述带宽限制差音频信号(D')施加到至少一对扬声器(7、8、11)上以用于偶极声发射；

其中所述至少一个信号滤波器组(4)包含滤波器，所述滤波器中的每一滤波器适于对所述差音频信号(D)的关联频率子带SB进行滤波，整合在所述信号滤波器组内的第一信号滤波器用于第一低频率子带，整合在所述信号滤波器组内的第二信号滤波器用于第二中频率子带，整合在信号滤波器组内的第三信号滤波器组用于第三高频率子带；

其中对于所述至少一个信号滤波器组(4)的各个频率子带(SB)，提供对应的一对扬声器(7、8、9、11)，所述第一低频率子带对应的一对扬声器用于偶极声发射，所述第二中频率子带对应的一对扬声器用于偶极声发射；

其中成对扬声器中的两个扬声器相对于对称轴(Z)成轴对称，间隔预定距离(d)，

其中根据所述距离(d)来设置用于相应频率子带(SB)的所述偶极声发射成对扬声器(7、8、11)的所述频率子带(SB)中的中心频率。