CN1038387A - 多维立体声声音重放系统 - Google Patents

Abstract

立体声一维重放有步骤：重放经由至少二个隔置 一定距离的转换器、由至少二个麦克风检测的声音， 该声音包括多套各由不同转换器产生的声波；在位于 转换器与听众间的声接收共振表面上把多套声波转 换为相应多套沿表面向相邻波传播的波；使沿表面传 播的多套波相互干涉以在与表面正交的方向产生不 同的分立驻波，各驻波代表各点声源，且在沿表面相 对转换器(与相对麦克风的各点声源对应)的位置产 生。

Description

本发明涉及听众面前的多维声音的重放，更具体地说涉及一种对声源（如乐器、人的声音）的相对空间位置进行模拟的新颖系统和方法，所述声源的声音是利用常规立体声设备录制或广播的。

人们在交响音乐厅欣赏“现场”表演时会在同一时间听到许多不同声音（如由弦乐器、管乐器或打击乐器发出的声音和人的声音）。在听现场音乐时，听众不仅可听到由乐器和/或歌唱家发出的各种声音，而且还可感受到乐器和/或歌唱家所处的具体位置。例如，听众会听到从法国号部分所处的舞台右侧发出的法国号声、从小提琴所处的舞台中央发出的小提琴声、从打击乐部分所处的舞台左侧发出的鼓声。确定乐器相对位置的该特性在这里被称为三维声音。

引入立体声的概念，以试图在具有预先录制或广播声音源的视听室中对在相同节目的现场表演中会听到的声音进行模拟。

在立体声中，声音是依靠在分立的各声道上的录制而被在具有立体声效果的情况下专门录制成的，声音被位于录制室或音乐厅中预定位置处的多个麦克风的每一个接收。声音可录制在录制装置、磁带或致密磁盘一类的介质上。录制的声音可由此在诸如家用立体声系统一类的立体声或双声道系统上重放。家用立体声系统典型地说包括这样一个装置，该装置用于读取存储在介质上的各声道中的声音信息，並用于产生代表该信息的电信号，该电信号被放大，並供给电-声转换器（如扬声器）以产生听众听到的声波。

希望在立体声系统上的重放的声音听起来与原始的声音一样。为了达到尽可能好的音质，使立体声扬声器相互间隔一特定距离。这在图1中已有所示。在该实例中，发出音乐的乐器I₁、I₂和I₃位于录制室16中的位置10、12和14。在录制室16中，二个麦克风M₁和M₂位于位置18和20。麦克风M₁和M₂录制在位置18和20接收到的声音。代表通过麦克风M₁和M₂接收的声音的电脉冲依靠声音录制和重放单元22录制在分立的声道上。在视听室24中，声音录制和重放单元22与位于位置26和28的扬声器S₁和S₂相连。扬声器S₁和S₂仿照麦克风M₁和M₂的隔开相互隔开。扬声器S₁重放麦克风M₁录制的声音，扬声器S₂重放麦克风M₂录制的声音。因此，从理论上讲，由于扬声器S₁和S₂隔开，位于位置30的听众当其在录制室中时便可望听到感觉相同的重放音乐。但实际上，听众听到的却是同时从二个扬声器S₁、S₂发出的乐器声I₁、I₂和I₃。由于从乐器I₁、I₂和I₃发出的各原始声是分别从各不同位置10、12和14（由乐器位置确定）产生，而不是如听众通过常规立体声声音重放时所感受到的那样从二个分立位置产生，所以这便就产生了一种模拟失真的声音。更具体地说，视听室中的听众听到的是来自二个扬声器二种不同声音源的混合，这种混合声音反映麦克风/扬声器的组合M₁/S₁和M₂/S₂的特征，该麦克风/扬声器的组合传递由点源I₁、I₂和I₃产生的声音的组合。

通过使用立体声耳机可以减少一些重放声音的失真。由于来自左、右扬声器的声音是分别直接和独立供入听众左、右耳的，所以基本消除了左、右扬声器声音的混合。但是，实际声音並未完全被模拟，听众並不能差别各声音源的相对精确位置。

为了精确重放声音，听众应听到三个不同声源（即乐器）的声音，还应听到声音源相互之间的相对位置（因为这就是听众当其听“现场”表演时，即当其在产生声音的乐器I₁、I₂和I₃前面时所听到的声音）。

因此，本发明的目的就是提供一种立体声声音重放系统，该系统与至今为止常规视听室中所可能消除的失真程度相比能更大程度地消除失真。

另一个目的是提供一种装置，该装置可根据本发明系统实现对预先录制的声音进行立体声重放，这种重放与至今为止常规视听室中所可能消除的失真相比能更大程度地消除失真。

再一个目的是提供一种视听室中立体声声音重放的方法，该方法相对地消除了听众感觉到的各声源位置的失真。

本发明的这些和其它目的及其优点可参见以下详细描述。

根据本发明，可利用一个系统来实现以上目的，该系统提供一种装置，该装置用于对预先有立体效果录制的声音进行重放，並大大改善了听众听到的重放声音的质量。通过本发明系统重放的声音近似地对声源最初产生的声音（尤其是针对声源间相对位置）进行模拟。

通过利用本发明的方法和装置，由声音变换器发出的声音（包含有穿过空气的声波）在共振材料的接收声音的表面或“声屏”上变换成向相邻波传播的材料波。这些波之间相互结合，相互干涉，由此实际上便在材料上产生形式上为驻波的声-声转换器，每个这样的驻波对应和代表一个给定的声音源。所产生的各驻波的位置出现与原始声音源相应的位置具有相同的相对位置。驻波象喇叭的振动膜一样产生模拟各声源的声音。听众不仅可清楚地听到原始声源的声音，而且还能感受和确定原始声音源的相对位置，正如他在听“现场”音乐时可以听到的那样。

本发明的特点和优点从以下附图将会变得更加明了。

图1示意地说明了前文已讨论的录制室和视听室的实际布置。

图2示意地说明了本发明系统的实施例。

图3说明了本发明系统的另一实施例。

图4说明了声屏上干涉表面波构成的驻波波形。

图5说明了本发明系统的另一实施例。

图6说明了本发明系统自含式实施例。

通过使用本发明系统，重放的立体声介质的质量可改善到一定程度，以致于听众感觉到重放的声音是“现场”的声音，而不是预先录制的声音。本发明的系统不仅模拟了各原始声源，而且在与原始声源同样的相对位置模拟所述声音源。因此，如果原始声源是小提琴位于左侧，鼓位于右侧，钢琴位于鼓和小提琴之间，听众便能感觉到三个不同的声音源（小提琴、鼓和钢琴），小提琴声来自左侧，鼓声来自右侧，钢琴声来自小提琴与鼓之间的位置。

图2示意地说明了本发明，在该说明中，原始声源（单个乐器I₁）位于录制室65中的位置50。麦克风M₁和M₂位于录制室65中的位置70和75，与声源I₁的距离分别是LM₁和LM₂。麦克风M₁和M₂在声波到达位置70和75时分别检测声音或声波，並把声波转换成电信号S₁和S₂。可用立体声录制装置SRE录制电信号S₁和S₂，並通过立体声重放系统SRS（如家用的）重放，以便通过转换器（形式为扬声器LS₁和LS₂）进行收听。

麦克风M₁和M₂检测到的声波是由在单个位置50的单个声源I₁产生的。如不采用本发明的方法和装置，即使原始声音源仅为单个乐器I₁，位于位置80的听众也会同时听到来自二个声音源的多重声音，所以，听众听到的不是单个声源，而是听到二个声源，这二个声源相互混合，产生模拟失真的声音。

在本发明的方法中，使来自扬声器LS₁和LS₂的声波在共振物质的接收声音的表面或“声屏”85上，在到达位于80的听众之前相互干涉。用这种方法，使从扬声器LS₁和LS₂传播的入射声波在声屏85上相互发生相应干涉，从而在声屏的材料上产生驻波。驻波有效地驱动喇叭（即声屏材料），喇叭则产生模拟原始声源声音的增强声音。

一般来说，乐器的尺寸与其在空气中产生的声音的波长相比较小，因此，可以认为在本说魇橹欣制鞯燃塾诘闵础Ｍ罂朔鏜₁和M₂以及扬声器LS₁和LS₂可认为分别等价于点声源。所以，从扬声器LS₁和LS₂传播的声波所发生的声波效应可比喻为杨氏实验所说明的光波的干涉效应。在很多物理教科书中描述的著名杨氏实验证明了光的波的特性。在该实验中，点光源照射二条平行且以小距离相隔的窄缝，由于光线来自相同的点光源，所以这二条窄缝起着二个相干光源的作用，使从这二条窄缝射出的光照到置于窄缝后面的屏上，则会呈现出光波的干涉图形。如果移动点光源，则干涉图形会同步且在相对方向上移动。

杨氏实验所说明的干涉效应可适合于声波。如上所述，可认为原始声源I₁、麦克风M₁和M₂、扬声器LS₁和LS₂是点声源，因此，从扬声器传来的声波便呈现出相干波的特性。立体声录制和重放单元会保持原始声音的声相和振幅。但是，在常规系统中，与相干扬声器（等价于来自点声源的波）的相隔距离（在该距离时干涉效应呈现在人耳中）取决于几个变量（包括频率、位置、声源声音的出现时间），这就致使干涉图形十分复杂，使听众所听到的声音失真加剧。由于音乐包括的声音频率范围宽，所以不存在这样一个与扬声器相隔的距离，在此距离时听众可听见相对所有构成音乐的声音的发生位置及发生时间的不同相长干涉效应。

因此，依靠使来自转换器或扬声器LS₁和LS₂的传播的入射声波在其到达听众之前相互发生干涉时，声屏上便产生对应于原始声源的组合驻波，该驻波驱动声-声转换器，由该转换器，所传播的声音的质量近似地模拟原始声源的声音质量。此外，维持了原始声源的一维方位位置。

图3示出了本发明的一个最佳实施例。立体声声音重放装置100（如唱机、磁带录音机或致密盘放音机）从左声道105和右声道110输出信号。电信号在放大装置111和112中被放大，並用来驱动位于视听室117中的电-声转换器115和116。转换器115和116把电信号转换成声音。

为实现本发明的目的，扬声器的有效直径应该较小，以便使得螺旋运动的波的声阻与大声谐振器118匹配，谐振器118包括有壳体119、声屏120和二个在位置121和125的左右扬声器115和116。具有大喇叭直径的常规扬声器即使在低频范围时也最好不要用于本发明的系统，这是因为声屏120和封闭壳体119形成了一个非常宽频率范围的谐振器。二个扬声器特性的匹配不是关键的，这与常规立体声系统的情况不同。声屏120的声输出在其整个表面上是均匀的，这是因为声屏上的驻波具有二个扬声器115和116、声屏120和封闭壳体119的组合声特性。如果有人要从常规喇叭直径与声屏水平尺寸之间的尺寸比来粗略地计算本发明的低频极限，则他可获得以下数字：常规低音扬声器直径为12英寸（频率极限约为30Hz），声频的典型水平尺寸大约是10英尺。

声屏的低频极限F_low

F_low＝30× 12/120 ＝3Hz

在本发明中，低频响应极限不再取决于转换器115和116的物理特性。

至于高频响应极限，由于从基本机械理论可知道的声屏振动的非线性特性致使产生基本乐器和声音音质的更高谐波，所以显著地改善了高音频频率范围中的音质。与空气中声音的波长相比，转换器115和116的直径最好较小，以便起到点声源等价物的作用，由此使此后产生的驻波效应达到最大，可以采用如常规立体声装置一类的喇叭。为了驱动声屏120，最好用刚性喇叭，以抵消声屏的阻抗。但是，转换器的直径应大到足以在低频时提供适当响应。

转换器115和116位于位置121和125，位置121和125最好与麦克风的相对位置相对应，通过该麦克风原始声音被最初录制下来。虽然转换器的间隔不同于麦克风的间隔，但依靠本发明的系统可实现模拟“音乐厅环境”。在实际情况中，转换器的间隔距离确实实际上小于麦克风的间隔。听众以距离“D”位于位置130。声屏120被置于转换器115和116与在130处的听众之间。声屏120在位置135必须具有一定尺寸和形状，声屏120的位置要使得听众听到来自声屏的增强的声音。希望声屏120的宽度至少与转换器的间隔相同，声屏与转换器的间隔小于转换器的间隔。

声屏120可以是任何直线圈成的形状;但声屏最好被制成矩形或椭圆形。也可把声屏制成围绕转换器的非平面的椭圆形或椭球形，由此使由转换器115和116产生的声波的相互作用最佳。

所以，声屏120在135的位置必须位于来自转换器115和116的声波的路径上，以在声波到达听众之前拦截声波，以便保证仅有来自声屏120的声波被听众听到。

声屏120可由多种类型的成分或其组合物构成。如声屏可由刚性纤维或纤维与铝箔的组合物构成。

制成声屏的材料的特性决定频率响应范围，並由此常常决定声屏最适合的音乐类型。许多参数对材料的声响应均有影响，如材料的柔性。例如，紧绷在框架上的布要比松弛地置于相同框架上的相同的布会具有更高的频率响应。本申请人已发现从布到金属到陶瓷可用来达到不同的响应。例如，可采用棉花、亚麻布、纤维玻璃和其它人造纤维。还已经发现，布越薄，频率响应就越高，还与线的直径、纺织密度和材料本身的整个物理特性有关。在高频范围内，由银、钨及铝或其它金属或合金制成的箔使用情况良好。此外，还可用晶体膜和陶瓷膜，如金刚石、矾土、氧化锆、氧化锆-钛和石墨膜。依靠在材料的上部安置覆盖层，可对材料的声响应进行某些修正。合适的覆盖物包括搪瓷、清漆、胶膜、涂料和环氧树脂。

尽管声屏可以是均匀的，但屏可分为分立的区域，从而使不同区域响应不同的频率范围更加灵敏。例如，屏的上部可以是具有极高频率响应的铝箔，以便最佳响应高频声音。屏的中部可包括有覆盖有涂料的纤维，可在频率的中间范围内较好工作，屏的下部可由松弛编织的材料构成，具有最佳的低频响应。

声屏120提供一种介质，该介质拦截来自转换器115和116的声波，並使各声源（即乐器）产生的声音相长干涉，由此导致立体声声音的输出增强。被增强的声音不仅音质更好，而且对各声源还模拟了相对麦克风的原始声源的相对位置。例如，如果重放的声音由一个分成五块的地带产生，则由声屏会产生五个不同的声音源，每个声音源由不同的一块地带产生。

更具体地说（参照图4），当来自分别位于155和160的转换器或扬声器S₁和S₂的传播的入射波150和153落在屏上时，它们便被转换成表面张力波或剪切力波165和170。

由于来自分别位于155和160的转换器S₁和S₂的传播的入射波150和153均由同一个点声源产生（参照杨氏实验），所以它们同时落到屏上，並具有相同的频率。作为入射声波，表面波165和170保持了相同频率和相特性。

由来自二个扬声器S₁和S₂且由传播的入射波产生的剪切波165和170具有相同的波形165和170，该剪切波分别向屏的相对侧传播，最后在位置175相互碰撞和相互干涉，从而模拟单个点声源。碰撞位置与相对麦克风的原始单个点声源位置相对应。干涉使屏以原始声源的频率发生振荡，从而产生点声源的声音，该声音在相对位置处近似地模拟了原始点声源，所述的相对位置与原始声源的相对位置相对应。

图5说明了本发明的另一实施例。在该实施例中，分别位于200和205处的声转换器S₁和S₂其放置方向与位于210处的听众“L”相对。但转换器200和205的放置要使得转换的声输出朝着阻碍物（如壁）215的方向传播，阻碍物215包含有刚性或固体（致密的）材料（如混凝土）。声屏220置于壁215和转换器200和205之间，使得当来自转换器S₁和S₂的声波到达壁215之前就被声屏220拦截。在声屏220和壁215之间存在空气间隙222。所得到的包括有各点声源声音的增强声波由声屏220朝壁215传播。这些声波再根据屏220和壁215的组合的局部声阻由壁向听众反射。这种反射器结构最好用于有大量观众的情况下。

图6所示了一种扬声器盒式结构。在该实施例中，二个诸如具有小面积振动膜的喇叭一类的声转换器180和181相隔比较近地置于封闭的外壳（如木箱或木盒）175中。喇叭对着箱子的前部，在箱子的前部放有声屏190。由此实现了利用小的自含单元获得增强的声音。单元的尺寸可根据扬声器的尺寸进行改形。

Claims (6)

1、一种用于立体声声音的一维重放方法，其中至少有二个麦克风检测由至少一个产生声音的点声源所产生的声音，该方法包括以下步骤：

通过至少二个隔置一定距离的转换器，重放由麦克风检测的声音，所述重放的声音包含有数套传播入射的声波，每套传播入射的声波由不同的转换器产生；

在位于转换器和听众之间的声接收的表面上，把该数套传播入射声波变换成沿所述表面向相邻波传播的相应套波；

使不同套的波沿所述表面传播，以使其相互干涉，从而在与表面正交的方向上产生分立和不同的驻波，每个驻波代表各产生声的点声源的特性，且在沿表面相对转换器的位置产生，转换器与相对麦克风的各产生声的点光源相对应。

2、一种根据权利要求1的方法，其中声接收表面是具有一定厚度的材料，该厚度相对其线性表面尺寸来说较小，並保持一定绷紧程度以便使得多套传播的入射声波被转变成相应的多套产生所述分立和不同驻波的干涉表面波。

3、一种根据权利要求2的方法，其中声接收表面位于平行于连接转换器的虚线的平面中。

4、一种立体声声音的重放系统，该系统对至少由一个声源产生且至少由二个麦克风检测到的声音进行重放，所述重放系统可为听众重放声音的不同点声源，每个点声源代表在相对位置的不同声源的特性，所述的相对位置在检测时模拟声音源的位置，所述系统包括有：

至少二个声音转换器，它们相隔一定距离，重放由麦克风检测的声音，由每一声音转换器重放的所述声音就是一套传播的入射波;

一个可共振的声接收表面，该表面包括有一个位于声音转换器和听众之间的声屏，所述声屏包含一种材料，该材料拦截由各声音转换器产生的传播的入射波，並致使产生相应的多套表面波，这些表面波沿着声屏向相邻的波传播，所述材料使表面波发生干涉，以产生至少一个驻波，不同驻波的数目近似等于声源的数目，每个驻波与一个处于某一位置的声源相对应，该位置在麦克风检测声音时模拟具体声源的相对位置。

5、一种根据权利要求4的立体声声音重放系统，其中声屏位于一个平行于连接转换器的虚线的平面中。

6、一种根据权利要求5的立体声重放系统，其中声屏宽度至少与转换器之间的间隔相等，声屏与转换器的间隔小于转换器之间的间隙。

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