CN103988525A - 虚拟音频系统调谐 - Google Patents

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Abstract

一种虚拟地调谐音频系统的方法，该音频系统包含声学补偿系统，其中音频系统适于通过一个或多个声音换能器在监听环境中播放音频信号。声学补偿系统具有位于监听环境中的传感器位置处的音频传感器。从每个声音换能器到音频传感器位置的传递函数是固有的。该方法预期在传感器位置处记录噪声，并且基于从每个声音换能器到传感器位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到传感器位置的虚拟传递函数。通过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数来处理音频信号。通过将经过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数处理的音频信号与在传感器位置处记录的噪声相结合来创建虚拟传感器信号。

Description

虚拟音频系统调谐
技术领域
本公开涉及音频系统的调谐。
背景技术
音频系统可以包括改变音频信号的一个或多个参数以造成由监听环境中的监听者感知到的声音的期望的影响。所造成的影响通常是信号水平的变化以及/或者监听环境中的声音的均衡化。正在研发在诸如机动车厢、机场、餐厅等嘈杂环境中使用的系统的音频系统设计人员期望在实际环境中使用该系统，同时保持对系统的动态参数进行调谐的能力，目标在于研发在监听环境的不同条件下良好工作的系统。该项工作要求在实际使用条件下反复且广泛地使用监听环境，而这可能是困难且昂贵的。
一些用于监听环境(其中监听环境中的噪声会变化)的音频系统在尝试处理(account for)噪声的变化时被动态地调节。这样的环境的一个示例是机动车的车厢。发动机声音、道路噪声以及诸如与车窗的状态(升起、部分打开或者完全打开)相关联的风噪声之类的来自监听环境的其它条件的噪声影响对通过音频系统播放的声音的感知。一种声学补偿系统感测机动车内部的声音，从所感测的声音中提取噪声，并且以预定方式调节音频信号来处理噪声。例如，再现水平、动态范围和频率响应能够基于对噪声的分析而变化。
还可以期望例如通过消除或者增强车厢中的发动机声音来改变对它们的感知。包含声学补偿系统的音频系统能够通过基于发动机谐波来创建音频信号而实现这一目的。
允许对音频系统的某些方面进行虚拟评估的系统是已知的。例如，经由耳机所进行的虚拟监听可以被用于主观评估。这样的虚拟监听系统可以包括向音频输出添加预先记录的噪声，以模仿实际环境。
发明内容
为了便于包含声学补偿系统的音频系统有效地工作，音频系统必须进行调谐；即，动态参数的数值需要基于实际使用条件来建立。针对车辆音频系统而言，调谐要求车辆必须在模仿用户很可能经历的条件的各种车辆工作条件下进行工作。这通常要求当车辆在诸如发动机RPM、车速、路面条件和车窗状态之类的各种条件下进行工作时，在车内的一个或多个噪声传感器位置处测量噪声。对包含声学补偿系统的音频系统的适当调谐因此要求对特定监听环境(例如车辆)进行长期且实质性的访问。
通过与常规方法比较，本发明的某些实施例预期在监听环境中的一个或多个传感器位置处记录声音，并且同时在监听环境中的一个或多个声音评估位置处单声道地或者双声道地记录声音。期望对记录进行校准，以使得所记录的声音能够以它们在记录期间存在的相同水平进行回放。还可以记录与监听环境中的声音相关的另外的非声学信号。这样的信号的示例包括与车辆发动机噪声相关联的发动机RPM、节气门位置和/或发动机扭矩。发动机RPM信号定义了发动机谐波频率，而节气门位置和/或发动机扭矩则有助于针对谐波增强定义发动机噪声的水平。从每个扬声器到每个声学传感器位置和每个声音评估位置的传递函数(transfer function)被虚拟化。声学传感器信号然后能够被虚拟化并且被反馈到声学补偿系统控制器。这允许音频系统在无需在调谐过程期间对车辆进行操作的情况下被调谐。期望对传递函数的测量和虚拟化进行校准，以使得通过虚拟化系统回放的信号使用相对于所记录的噪声水平的适当水平来输出。其结果是，一旦出于在传感器位置和评估位置记录声音信号和非声学信号的目的而已经在期望的工作条件下对车辆进行了操作，调谐工程师就能够在任意时间或者地点对系统进行调谐。
在一些实施例中，本发明包括应用虚拟化以进行声学补偿系统的调谐，该声学补偿系统随音频系统一起工作，以将信号回放到监听环境中。该声学补偿系统可以改变音频系统的工作参数，其可以改变由音频系统再现的信号，或者上述二者。声学补偿系统被用来响应于影响监听环境的系统的工作条件的变化而以某一方式动态地改变由音频系统在监听环境中呈现的信号。声学补偿系统接收一个或多个输入。该输入中的至少一些输入来自于具有非静态统计的传感器(声学的或者非声学的)。也就是说，传感器输出信号统计是时变的。通常，传感器输出信号统计随环境的工作特性而变化。在适于在车辆中使用的实施例中，传感器输出统计随车辆的工作状态(速度、传动齿轮、车窗状态等)而变化。声学传感器被虚拟化。非声学传感器和/或不被来自音频系统的输出所影响的其它系统输入(例如，发动机RPM)被记录。声学补偿系统内的控制器基于所接收的输入而形成输出。该控制器可以具有前馈拓扑或者反馈拓扑，或者可以表现出上述二者的特性。该控制器可以开环或者闭环地工作。该控制器可以是非时变的或者自适应的。该控制器的输出可以改变音频系统的工作参数，其可以改变由音频系统再现的信号，或者上述二者。
在监听环境是车辆乘客车厢的一个示例中，声学补偿系统改变音频系统的工作参数，以在监听区域(车厢)中呈现所期望的音频节目信息。基于环境中存在的环境噪声而改变参数，以在存在噪声的情况下改善所呈现的音频信号的可听性。该参数响应于噪声的动态变化而被动态地改变。
在其中监听环境又是车辆乘客车厢的另一个示例中，该声学补偿系统改变与车辆发动机特征(signature)相关联的信号的特性并且通过音频系统输出该信号。动态地变化的输出信号干扰监听环境中存在的发动机信号，以改变位于监听环境(车厢)中的监听者对发动机特征的感知。在一个实例中，经改变的信号破坏性地干扰发动机噪声，在另一个实例中，其建设性地干扰。经改变的信号可以是发动机噪声特征的宽带副本，或者其可以表示发动机特征的基频的一个或多个单独谐波。该信号可以破坏性地干扰一些谐波并且建设性地干扰其它谐波。
声学补偿系统具有位于监听环境内的某处的一个或多个传感器；这些传感器中的至少一些传感器通常是诸如麦克风之类的声学传感器。该系统还可以具有感测与环境噪声相关的参数的一个或多个非声学传感器和/或与噪声相关的一个或多个非声学输入，诸如从汽车的发动机控制单元接收的发动机RPM信号。非声学传感器或者其它非声学输入可以包括发动机RPM、节气门位置或者发动机负载，它们与车辆发动机噪声相关。该系统能够使用这些输入来确定如何改变系统或者处理信号以实现一些期望的状态。
音频系统的虚拟化是已知的。可能将音频系统与监听环境的相互作用进行综合，以使得个人能够监听信号，该信号表示在该个人在物理上位于监听实际的物理音频系统的监听环境中的情况下将会存在的信号。该信号可以通过耳机或扬声器来再现。目前，这样的虚拟化音频系统还是静态的；它们还无法处理动态变化的条件。该虚拟化仅在评估位置来完成。也就是说，仅在监听者的耳朵的位置来完成。
这里的创新在于，声学补偿系统的使用要求使用传感器来感测空间内该系统正试图补偿的某一条件。为了对这样的系统进行虚拟调谐，仅对评估点进行虚拟化是不够的；还必须记录传感器信号或者与监听环境相关的其它系统输入，或者对系统所使用的传感器进行虚拟化。除了生成表示在评估点存在的信号的虚拟信号之外，经虚拟化的声学补偿系统还需要访问将会在真实环境中存在的传感器信号。只到那时，声学补偿系统的虚拟版本才能够输出将表示将由暴露于相同环境的物理系统输出的真实信号的信号。需要对能够被声学补偿系统影响的传感器信号进行虚拟化。
这里描述了对评估点进行虚拟化的多种方式。在用来在存在噪声的情况下改变音频系统参数以提高由该系统呈现的期望信号的可听性的系统的第一示例中，工程师期望对系统进行调谐，用于好像他出现在真实车辆中那样监听音频系统。如对于简单的虚拟监听静态(非时变的)音频系统所已知的，这最好通过对评估点处的双声道信号进行虚拟化来完成。在发动机声音的特点正在被声学补偿系统改变的第二示例中，不必在评估点处使用双声道的虚拟化。对存在于监听者的头部附近的单个点处的信号的虚拟化足以确定发动机声音是否具有正确的特点。对于EHC(发动机谐波消除)的情形，甚至可能客观地对此加以确定，其中所期望的SPL(声压水平)的降低的客观度量可以是可用的。虽然不必针对EHC应用和EHE(发动机谐波增强)应用来使用双声道的虚拟化，但是这样做是肯定可能的，并且在一些情况下，调谐工程师还可能想要监听经修改的发动机声音。此外，由于EHC和EHE可以同时随音频系统一起使用，所以调谐工程师可能希望在两个系统同时运行的情况下对虚拟车厢系统进行监听。
通常，本公开的一个方面以一种虚拟地调谐包含声学补偿系统的音频系统的方法为特征，其中音频系统用于通过监听环境中的一个或多个声音换能器来播放音频信号。声学补偿系统具有位于监听环境中的传感器位置处的传感器。测量并且存储从每个声音换能器到传感器位置的传递函数。该方法预期在传感器位置处记录噪声。基于所测量的从每个声音换能器到传感器位置的传递函数来创建从每个声音换能器到传感器位置的虚拟传递函数。然后通过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数来处理音频信号。通过将经过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数处理的音频信号与在传感器位置处记录的噪声相结合来创建虚拟传感器信号。该虚拟传感器信号随后能够在音频系统调谐工作中使用，或者以其它方式将在实际音频系统中作为真实噪声传感器输出来使用。
各种实施方式可以包括以下的一个或多个特征。在监听位置中可以存在声音评估位置，并且可以测量从每个声音换能器到评估位置的传递函数。该方法可以进一步包括与记录在传感器位置处的噪声同时地记录在声音评估位置处的噪声，基于从每个声音换能器到评估位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到评估位置的虚拟传递函数，通过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数来处理音频信号，并且通过将经过所有虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数处理的音频信号与在声音评估位置处记录的噪声相结合来创建音频评估信号。
声学补偿系统可以进一步包括处理音频信号的处理器，并且该方法可以进一步包括向处理器输入虚拟传感器信号，其中虚拟传感器信号被处理器用来导致对作为音频评估信号的一部分而被播放(即，在虚拟化的监听环境中被播放)的音频信号进行修改。该方法还可以进一步包括向处理器输入一个或多个声学补偿系统输入，其从包括发动机PRM信号、音乐信号、表示车速的信号以及表示车辆功能状态的信号的输入的组中选择。这些声学补偿系统输入可以被处理器用来导致对在虚拟化的监听环境中被播放的音频信号进行修改。
噪声可以被双声道地记录，并且所记录的噪声可以包括车厢中的声音，其中该声音可以在车辆在特定的、变化的车辆工作条件下进行工作的情况下被记录。该方法可以进一步包括(例如，在数据库中)将所记录的声音与记录时的特定车辆工作条件相关联。该方法还可以进一步包括使用特定车辆工作条件查询数据库，以取回在这样的条件下记录的声音，并且使用这样的取回的声音和记录的声音系统输入来创建虚拟传感器信号和音频评估信号。
声学补偿系统可以包括位于监听环境中的多个传感器位置处的多个传感器，在这样的情况下，可以同时在所有传感器位置处记录噪声。在监听环境中可以存在多个评估位置，并且可以同时在所有传感器位置和所有评估位置处记录噪声。该方法可以进一步包括分析音频评估信号，这可以通过向耳机施加音频评估信号来实现。传感器可以是麦克风或者加速计。
所记录的噪声可以包括监听环境中的声音，并且该声音可以在监听环境的变化的环境条件下被记录。该方法可以进一步包括在数据库中将所记录的声音与记录时的特定环境条件相关联。该方法可以进一步包括使用特定环境条件查询数据库，以取回在这样的条件下记录的声音。该方法还可以进一步包括使用所取回的声音来创建虚拟传感器信号和音频评估信号。
总体上，在另一方面，本公开以一种虚拟地调谐具有声学补偿系统的音频系统的方法为特征，其中音频系统被用来通过车厢中的一个或多个声音换能器来播放音频信号。声学补偿系统包括处理音频信号的自适应处理器，以及位于车厢中的传感器位置处的麦克风。在车厢中存在声音评估位置。测量并存储从每个声音换能器到传感器位置的传递函数，并且测量并存储从每个声音换能器到评估位置的传递函数。该方法包括在传感器位置处记录声音，并且与在传感器位置处记录声音同时地在声音评估位置处记录声音，其中该声音在车辆在特定的、变化的车辆工作条件下进行工作的情况下被记录。所记录的声音可以在数据库中与记录时的特定车辆工作条件相关联。基于从每个声音换能器到传感器位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到传感器位置的虚拟传递函数。基于从每个声音换能器到评估位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到评估位置的虚拟传递函数。通过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数来处理音频信号，并且通过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数来处理音频信号。通过将经过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数处理的音频信号与在传感器位置处记录的声音相结合来创建虚拟传感器信号。通过将经过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数处理的音频信号与在声音评估位置处记录的声音相结合来创建音频评估信号。虚拟传感器信号被输入到处理器；虚拟传感器信号被处理器用来导致对要在虚拟化的车厢中播放的音频信号进行修改。从包括发动机RPM信号、音乐信号、表示车速的信号以及表示车辆功能状态的信号的声学补偿系统输入的组中选择的一个或多个声学补偿系统输入也被输入到处理器。这些声学补偿系统输入与在传感器位置和评估位置处的噪声记录一起被同时记录。声学补偿系统输入被处理器用来导致对要在虚拟化的车厢中播放的音频信号进行修改。可以使用特定车辆工作条件对数据库进行查询，以取回在这样的条件下记录的声音。随后使用所取回的声音来创建虚拟传感器信号和音频评估信号。随后可以例如通过向耳机施加音频评估信号来分析音频评估信号。可替换地，可以客观地实现该分析。
本公开的该方面的各种实施方式可以包括以下的一个或多个特征。声学补偿系统可以包括位于车厢中的多个传感器位置处的多个麦克风，并且该声音可以在所有传感器位置处同时被记录。车厢中可以存在多个评估位置，并且可以同时在所有传感器位置处记录声音并且在所有评估位置处双声道地记录声音。
总体上，在另一方面，本公开以一种虚拟地调谐作为音频系统的一部分的声学补偿系统的方法为特征，音频系统用来创建消除或者增强车厢中的发动机谐波的音频信号，声学补偿系统包括处理音频信号的处理器，以及位于车厢中的传感器位置处的麦克风，其中车厢中存在声音评估位置，其中测量并存储从每个声音换能器到传感器位置的传递函数，并且其中测量并存储从每个声音换能器到评估位置的传递函数。该方法包括同时在传感器位置处记录声音、在声音评估位置处记录声音以及记录一个或多个与发动机相关的信号。在车辆以各种发动机工作条件进行工作的情况下进行声音记录。基于从每个声音换能器到传感器位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到传感器位置的虚拟传递函数。基于从每个声音换能器到评估位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到评估位置的虚拟传递函数。通过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数来处理音频信号。通过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数来处理音频信号。通过将经过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数处理的音频信号与在传感器位置处记录的声音相结合来创建虚拟传感器信号。通过将经过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数处理的音频信号与在声音评估位置处记录的声音相结合来创建音频评估信号。虚拟传感器信号被输入到处理器，其中虚拟传感器信号被处理器用来导致对要在虚拟化的车厢中播放的音频信号进行修改，以消除或者增强一个或多个发动机谐波。发动机RPM信号也被输入到处理器。发动机RPM信号与所记录的声音一起同时被记录，并且被处理器用来导致对在虚拟化的车厢中播放的音频信号进行修改。使用所取回的声音来创建虚拟传感器信号和音频评估信号。分析音频评估信号，这可以通过向耳机施加音频评估信号来实现。
附图说明
以上和其它的目标、特征和优势将从以下对如附图中图示的本发明的特定实施例的描述而是显而易见的，附图中同样的附图标记贯穿不同视图而指代相同的部分。附图并不必依比例绘制，而是强调图示出本发明的各个实施例的原理。
图1是监听环境的示意图，该监听环境被用来记录噪声和/或非声学信号，并且其适于采用能够依据本发明针对其仿真调谐的类型的动态音频系统。
图2是用于在动态音频系统的仿真调谐中使用的系统的示意图。
图3是用于在动态音频系统的仿真调谐中使用的可替换系统。
具体实施方式
本发明的实施例预期在监听环境中的一个或多个传感器位置处记录声音并且同时在监听环境中的一个或多个声音评估位置处记录声音。诸如发动机RPM、节气门位置、发动机负载和/或发动机扭矩之类的非声学与发动机相关的信号能够与声音记录一起同时被记录。必要时可以使用非声学传感器来感测这样的信号。或者，这样的信号可以由现有车辆组件或者子系统来提供。(多个)评估位置处的声音记录可以是但并不必是双声道的。从每个扬声器到每个声音传感器位置和每个声音评估位置的传递函数被虚拟化。声音传感器信号然后能够被虚拟化并且反馈到声学补偿系统的控制器。这允许包含声学补偿系统的音频系统在无需在调谐过程期间操作车辆的情况下被调谐。结果是，一旦出于在传感器位置和评估位置处记录声音并且同时记录非声音信号的目的而已经在期望的工作条件下操作车辆，调谐工程师就能够在任意时间或地点调谐该系统。
记录和声音系统10(图1)图示了监听环境12。监听环境12适于采用在监听环境12中通过一个或多个扬声器(诸如扬声器16和18)播放音频的音频系统14。这里的本发明允许对可以作为音频系统14的一部分的声学补偿系统进行调谐。
监听环境12可以是封闭的、部分封闭的或者开放的环境。封闭监听系统的一个示例是机动车的车厢。部分封闭的监听环境可以是具有诸如门口之类的开口的房间或者其它内部场所，示例包括诸如餐厅之类的公众场所。开放的监听环境可以是要在其中播放音乐或者其它音频的户外场所，或者诸如机场大厅之类的大型开放室内空间或者场所。
期望使用虚拟监听技术来调谐包括声学补偿系统的音频系统。声学补偿系统性能中要求调谐的一个方面是使用这样的系统用于车辆噪声补偿。这里所预期的一种类型的车辆噪声补偿系统被公开在第5,434,922号美国专利中，其公开内容通过引用结合于此。在该系统中，车厢中所播放的音频的响度和/或均衡化被修改以对补偿车厢中的噪声。声学补偿系统在车辆中的另一用途是用于EHC/EHE，其中车厢中的发动机声音被消除或者增强。这样的系统也需要进行调谐。
为便于声学补偿系统被调谐以使得其正常工作，该系统在监听环境的所有相关工作条件和工作参数下进行工作；音频工程师通常在监听环境受制于该系统要针对其进行调谐的各种条件时、在出现在监听环境中的同时监听音频系统输出。这些条件中的至少一些条件通常是时变的。工程师能够修改声学补偿系统的参数以实现最优的音频结果。调谐因此既要求对监听环境的实质性访问，又要求调谐工程师出现在监听环境之中。
可能对音频系统与监听环境的交互进行综合，以使得个人能够监听如下信号，该信号表示在该人员物理上位于监听实际的物理音频系统的监听环境中的情况下将存在的信号。该信号可以通过耳机或者扬声器再现。目前，这样的虚拟化音频系统还是静态的；它们尚无法处理动态变化的条件。该虚拟化仅在评估位置处来完成。也就是说，仅在监听者的耳朵的位置处来完成。例如，已经通过事先记录实际监听环境中的噪声、随后将所记录的噪声与音频系统输出混合并且通过耳机向调谐工程师播放经混合的信号来对存在噪声情况下的音频系统性能进行了虚拟化。这样的系统被公开在第US2008/0212788A1号美国专利公开中，其公开内容通过引用结合于此。
声学补偿系统能够使用一个或多个传感器来感测时变的条件，该条件是处于或者将到达该系统意在补偿的空间。这样的空间的示例是诸如车厢之类的监听环境。传感器可以包括用于感测声音的麦克风，或者诸如加速计之类的用于感测振动的振动传感器。为了虚拟地调谐这样的系统，必须对(多个)评估位置和(多个)传感器输出两者进行虚拟化。因此，为了允许声学补偿系统远离监听环境进行调谐(这里被称作“虚拟调谐”)，存在于每个传感器位置处的声学信号必须与在监听环境中的一个位置或者多个位置处的噪声记录一起同时被记录，出于调谐的目的将会在上述位置(这里被称作“评估位置”)处进行评估。诸如RPM、节气门位置和/或发动机扭矩之类的时变的、与发动机相关的信号可以被同时记录到声音信号记录。
图1公开了在一个或多个传感器位置以及一个或多个声音评估位置处实现对监听环境12中的噪声和与发动机相关的信号的同时记录的系统。通常为麦克风的声音传感器20在环境12中位于第一感测位置(例如，在将是监听者的一只耳朵所在位置的位置)。声音感测系统24在环境12中位于第一声音评估位置。与发动机相关的非音频信号能够被(多个)非声学传感器25感测；这样的传感器位于监听环境中或者其它地方。如果与发动机相关的信号(例如，RPM、节气门位置、传动设置)已经存在于车辆之中，则它们无需使用单独的传感器来感测而是可以直接从车辆输入到声学补偿系统。就RPM而言，在一些情况下，可以从发动机控制单元取得模拟RPM脉冲，并且声学补偿系统能够基于该脉冲的时序而得出RPM。在其它情况下，发动机控制单元提供表示RPM值的数字信号；该信号能够直接被声学补偿系统所使用。第二声音传感器22位于第二传感器位置(例如，在将是监听者的第二只耳朵所在位置的位置)，第二声音感测系统26位于第二声音评估位置，并且(多个)第二非声学传感器27位于监听环境之中或者其它地方。
图1中示出了两组传感器，但这并非限制本发明，本发明包含使用至少一个传感器，包括零个或更多声学传感器以及零个或更多非声学传感器。本发明的某些实施例预见到在一个或多个声音传感器位置处的一个或多个声音传感器，而且还预见到一个或多个声音评估位置，其全部位于特定监听环境之中。然而，本发明并不局限于任何特定类型的监听环境。例如，为了对用于车厢的音频系统进行虚拟评估，可能希望对不同座椅中的声音进行评估。车厢是非对称的，并且会出现不平衡。系统工程师当前通过在不同座椅之中进行监听来评估系统。在EHE和EHC系统中，来自音频系统的信号如何与发动机噪声相互作用会随座椅不同而变化。可以对多个座椅进行评估以确保车内的所有位置满足所期望的性能目标。
所有声学传感器和非声学传感器的输出以及声音感测系统的输出被提供至记录系统28。到记录系统28的输入还可以是针对特定监听环境的材料工作条件/环境条件。例如，在车辆噪声补偿系统中，期望将机动车的工作条件与所感测的声音以及所感测的非声学信号相关联。可以被输入到记录系统28的机动车的工作参数包括发动机RPM信号、表示车速的信号以及表示另一车辆功能的状态的信号。一个车辆功能包括每个车窗的状态(是关闭的、完全打开的还是部分打开的)。对于EHC/EHE系统而言，发动机RPM是所关注的能够与所记录的噪声信号相关联并且与其同时被记录的工作参数。当被使用时，记录系统28能够将特定工作条件与在这样的条件下记录的传感器信号和声音相关联。
声音传感器位于监听环境中，并且在传感器的位置处检测声音。当使用麦克风时，所感测的声音是期望的声音(音频系统输出)与存在于传感器位置处的噪声的组合。传感器输出被反馈到声学补偿系统，其中通常经由诸如本领域已知的自适应噪声消除器之类的自适应过程从信号中去除所期望的音频来创建表示噪声的噪声估计。该噪声估计被声学补偿系统的控制器用来生成用于音频系统的控制信号，其导致被设计为补偿存在于环境中的噪声的所期望的音频系统输出变化。例如，音频的音量和/或均衡化能够被修改以使得音频在噪声上保持为可听见的。
传感器的另一示例是振动传感器。振动信号可以在它们与正在被补偿或者改变的噪声相关的情况下被使用。例如，车辆发动机上的加速计可以具有与存在于车厢中的声学特征相关的特征。能够将加速计安装至其它噪声源，诸如变速箱壳。被安装至车轮悬架(suspensionstrut)的加速计可以提供表示车厢中的道路噪声的信号。传感器信号与环境中的环境噪声的相关性越高，非声学传感器可能越有用。加速计输出信号也很可能远不如麦克风那样对来自音频系统的输出敏感。当试图形成存在于车厢中的噪声的估计时，只要振动信号与声学噪声良好相关，振动信号就可能比麦克风信号更有用，这是因为振动信号未被音频系统输出所破坏。
系统50(图2)能够被用来例如出于虚拟调谐的目的来实现包括声学补偿系统的音频系统的虚拟评估。在一个示例中，通过创建通过耳机或者扬声器向人员(诸如调谐工程师)播放的虚拟音频信号61来实现虚拟评估62。虚拟音频信号是这样的信号，其类似于位于相关评估位置处的人将在音频系统在相关工作条件下进行工作的情况下听到的声音。对于车辆噪声补偿系统而言，评估位置将是车厢中的位置。所选择的工作条件可以包括以上所给出的条件中的一个或多个条件，诸如发动机RPM、车速、路面条件和车窗状态。虚拟音频信号61将包括被声学补偿系统52修改以处理噪声的音频信号与在所选择的特定车辆工作条件下、在(多个)相关评估位置处记录的噪声的组合。对于车辆EHC/EHE系统而言，虚拟音频信号61可以包括被系统52修改以消除或者增强发动机谐波的音频信号与以相关发动机RPM在相关评估位置处记录的噪声的组合。
在虚拟评估系统50中，从每个扬声器到每个传感器位置和评估位置的传递函数必须预先确定并存储在系统中。确定从扬声器到传感器和/或到监听者的(多只)耳朵(即，评估位置)的传递函数是本领域已知的。例如，能够综合具有与所测量的从一个源到一个位置(传感器或者评估位置)的传递函数相匹配的传递函数的滤波器。能够针对每个扬声器到每个传感器和每个评估位置来综合这样的滤波器。例如，可以测量左前方扬声器到麦克风传感器的传递函数。随后综合具有与所测量的传递函数相同的脉冲响应的滤波器(尽可能切合实际，如本领域已知的)。对左前方扬声器进行馈送的信号随后与滤波器脉冲响应进行卷积以形成输出信号，该输出信号将表示由于到左前方扬声器的输入信号由左前方扬声器播放到监听环境中而存在于麦克风处的实际信号。这样的传递函数以及依据这里的本发明使用它们的方式被称作“虚拟传递函数”。
在系统50中，虚拟传感器输出信号57包括在声学传感器处记录的噪声与由声学补偿系统52输出的、已经通过扬声器到传感器的虚拟传递函数55进行过处理的音频信号54的组合56。信号57因此类似于位于监听环境中记录噪声的传感器位置处的真实麦克风的输出。系统52能够以适于对响应于这样的输入的音频信号进行调适的方式将信号57作为输入来使用。系统52优选地包括控制器53。系统52可以是自适应的或者不是自适应的。到系统52的输入可以包括能够使系统52修改音频信号的参数。
系统50能够以至少两种方式被用于虚拟调谐。一种使用方式是主观评估62—允许人员对音频系统进行调谐而无需实现调谐的人员出现在监听环境中，或者无需在调谐过程期间(例如，在机动车运行的同时)以其正常方式来操作该环境。这经由音频评估信号61而被提供，其是在(多个)特定评估位置处记录的噪声信号与通过扬声器到(多个)评估位置的虚拟传递函数58处理的音频信号54的组合60。在这种情况下，信号61是双声道的并且因此处理两个评估位置(双耳)，并且通常被提供至由调谐工程师佩戴的一副耳机。信号61对在人员坐在车辆中使用其在评估位置处的耳朵听到与车厢中在所选择的车辆工作条件下存在的噪声相结合的音频信号54的情况下会被听到的声音进行仿真，在这种情况下，噪声已经事先被记录。提供至耳机的评估信号通常是双声道的信号对，每只耳朵一个信号。每个耳朵信号根据所记录的双声道信号与和该耳朵的位置相关联的虚拟传递函数来形成；每只耳朵具有其自己的虚拟传递函数。
作为针对这样的主观评估的替换，可以执行客观评估62。客观评估可以通过反复修改特定音频系统的每个调谐参数来实现。评估62然后会对作为结果的信号61的变化进行客观的确定或者测量。例如，对于车辆噪声补偿系统而言，结果可以是虚拟车厢中在各个频率或者频带的声音水平。作为另一示例，对于车辆EHC或EHE系统的客观评估而言，客观评估可以确定与变化的音频系统参数相关的声谱，以确定实现EHC/EHE系统的最大性能的参数设置，因为这样的期望的性能已经被预先定义。例如，在车厢中的一个或多个发动机谐波要被这样的系统消除或者减小的情况下，客观测量将是感兴趣的(多个)频率处的SPL。作为另一示例，对于被设计为以特定方式增强发动机谐波的EHE系统，客观系统将测量在相关频率处的SPL并且将测量结果与所期望的结果进行比较。
发动机噪声具有与发动机RPM相关联的基频(即，最低频率分量)。发动机的特征主要由该基频加上若干较高阶谐波分量构成。谐波是与乘以通常为整数的倍数的基频相关的频率。半倍谐波也是可能的。EHC和EHE系统选择一些有限数量的谐波(以及可能选择基频)来以某一方式进行改变(幅度的增大或者减小)。最终目标被主观地确定。这里的虚拟调谐提供了以被设计为达到所期望的目的的方式改变谐波的能力。发动机的整个特征由所有谐波的幅度和相位来确定，其中相位意味着相对于参考谐波的相位关系。声学补偿系统52通过改变某一数量的谐波的幅度和/或相位来改变特征。可以推理地开发客观标准，并且系统能够被虚拟地评估以便获得该客观度量。系统52的属性被改变以最佳地实现所期望的最终状态。
EHC或EHE系统使用发动机RPM信号来确定发动机谐波的频率。发动机RPM信号可以连同噪声一起被记录，并且可以是到系统52的输入。其它输入例如可以是节气门位置或者发动机负载。EHC或EHE系统可以被预先配置为消除谐波或者以某一其它方式对其进行增强或者改变而在车厢中实现期望的发动机声音。EHC或EHE系统以适当的频率和幅度生成声音。该声音通过车厢扬声器来播放以实现所期望的结果。系统52调节该声音的幅度和相位以实现所期望的结果。在消除的情况下，幅度和相位被调节以最小化在车内传感器(麦克风)处、在感兴趣频率处的声音的水平，该车内传感器在理想情况下处于或者非常接近于评估位置。由传感器感测的声音是在该频率处的噪声(其通常完全或者主要是由发动机在该频率处产生的噪声)连同由HEC扬声器产生的声音一起的声学之和。EHC麦克风传感器信号因此是被EHC系统在消除情况下最小化的误差信号。对于EHE而言，系统52改变该声音来实现期望的谐波特征。在EHE系统中，可以没有传感器并且没有反馈；诸如RPM、节气门位置和发动机扭矩之类的发动机信号可以是到系统52的输入，其然后确定并且输出实现期望的发动机谐波增强的适当音频信号。针对EHC或EHE系统的评估可以是在单点处，或者可以是双声道的。
在本发明中，仅需要对车辆以及车辆在其上运行的测试追踪或者测力计进行一次访问以记录噪声度量。对于EHC或EHE系统而言，能够记录诸如发动机RPM之类的非声学信号。系统50通常使用发动机RPM作为到系统52的一个输入。预定的虚拟传递函数取代了实际情形中存在的从扬声器到音频传感器和评估麦克风的声学路径。信号57和信号61因此将与实际情形的性能高度匹配。在EHC的情况下，噪声消除量能够被客观地确定。因此，能够自动进行通过反复调谐相关系统参数所实现的评估62。这能够使用优化程序来实现，其每次一个地反复修改每个EHC调谐参数，以确定最大化在测量麦克风处(即，在(多个)评估位置处)的EHC性能的调谐。
在声学补偿系统的一些示例中，虚拟传感器信号57不被反馈至系统52。在这样的情况下，信号57可以被认为是系统的输出。在EHC系统中，信号57被反馈至自适应系统52。EHE系统可以不使用音频传感器，在这种情况下不存在信号57；则模块58的输出就是系统50的输出。
图3公开了特别适于允许对车厢噪声补偿系统进行虚拟调谐的系统80。自适应声学补偿系统82包括音频系统控制信号算法84和音频系统86。虚拟传感器信号91包括通过扬声器到传感器的虚拟传递函数88播放的音频信号87与所记录的传感器噪声信号的组合90。虚拟传感器信号91被输入至算法84，算法84可以是实施车辆噪声消除处理的信号处理器的一部分。算法84的输出被提供至音频系统86，并且在必要时控制音频系统回放参数，以使得由车辆噪声补偿系统80做出的仿真系统变化类似于实际车厢中将经历的系统变化。
在一个非限制性示例中，依据系统10(图1)，在诸如不同的路面、不同的车速、不同的发动机RPM值、不同的车窗状态等各种车辆工作条件下事先在车厢中进行若干记录。随后能够如上所述创建测试套件或者数据库。数据库包括噪声记录。数据库还可以包括记录时的条件，并且与各自的记录相关联。测试套件可以是自适应系统82的一部分。系统80然后能够被调谐工程师用于主观调谐。系统80可替换地能够被更自动地使用，即，用于客观调谐。能够选择要进行测试的特定车辆工作条件，并且从数据库取回相对应的传感器以及双声道评估位置噪声信号。这些记录的噪声信号随后被分别输入至组合器90和组合器94。音频信号87通过扬声器到评估位置的虚拟传递函数92进行播放并且被提供至求和器94，其输出在评估模块96进行评估。
并非必然要捕捉关于路面、速度和其它测试条件的信息。只要在所有感兴趣的工作状态上已经进行了记录，就能够实现虚拟调谐。然而，知晓特定条件(例如，窗户被打开)出现在记录中的何处会是十分有帮助的。例如，如果开窗导致麦克风中使麦克风信号大幅波动的气流噪声，则在该条件下的自适应系统行为很可能将不正确。如果噪声记录还指示在观察到该行为时窗口被打开，则将有助于对系统行为进行故障排除。
与当前所执行的手工调谐相比，本仿真调谐发明能够以较低成本简化并且加快音频系统调谐。如这里所描述的仿真调谐不受制于监听环境(例如，目标车辆和测力计以及/或者测试轨迹)以及其它设备和支持人员的可用性。另外，本发明允许场外调谐，并且提供了在不同的车辆工作状态之间快速切换的能力，这二者在实际车辆的情况下都是不可能的。这些因素能够在音频系统调谐工作中节约大量时间和金钱。另外，本发明导致了更好的一致性，因为所仿真的性能在基线噪声测量结果的单个集合上运行，所以噪声对于音频系统的每次调谐运行都是完全相同的。本发明还允许在噪声补偿系统、EHC或EHE系统或者使用自适应音频处理系统或者非自适应音频处理系统的其它声音系统的开发中在各种音频系统控制信号算法之间进行容易且快速的比较。本发明允许在各个监听位置的系统性能之间进行容易且快速的比较，避免了物理上在位置之间进行移动的需要。
本发明能够被用于声学补偿系统，声学补偿系统适于被用于除车厢以外的监听环境；在该情况下，到声学补偿系统的输入可以包括影响在评估位置处听到的声音的特定监听环境的工作条件。
虽然本发明已经被描述为使用与每个评估位置相关联的虚拟传递函数的单个集合，但是在一些实施例中可以获得传递函数族，其中一个评估位置的族成员与物理系统的不同状态相关联。例如，为了对敞篷汽车的音频系统的动态工作进行虚拟调谐，可能必须获得表示其中车顶升起的第一车辆状态以及其中车顶落下的第二车辆状态的单独的传递函数集合。类似地，可以获得表示诸如各种车窗条件之类的其它状态的不同传递函数。
这里已经对若干实施例和选项进行了描述。可以进行修改而不背离本发明的精神和范围。因此，其它实施例处于权利要求的范围之内。所请求保护的是：

Claims (25)

1.一种虚拟地调谐音频系统的方法，所述音频系统包含声学补偿系统，其中所述音频系统适于使用一个或多个声音换能器在监听环境中播放音频信号，所述声学补偿系统包括位于所述监听环境中的传感器位置处的音频传感器，其中从每个声音换能器到所述音频传感器位置的传递函数是固有的，所述方法包括：
在所述传感器位置处记录噪声；
基于从每个声音换能器到所述传感器位置的固有传递函数来创建到所述传感器位置的用于每个声音换能器的虚拟传递函数；
通过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数来处理音频信号；并且
通过将经过所述虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数处理的所述音频信号与在所述传感器位置处记录的所述噪声相结合来创建虚拟传感器信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述监听环境中存在声音评估位置，并且其中从每个声音换能器到所述评估位置的传递函数是固有的，所述方法进一步包括：
与记录在所述传感器位置处的噪声同时地记录在所述声音评估位置处的噪声；
基于已知的从每个声音换能器到所述评估位置的所述传递函数来创建从每个声音换能器到所述评估位置的虚拟传递函数；
通过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数来处理音频信号；并且
通过将经过所述虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数处理的所述音频信号与在所述声音评估位置处记录的所述噪声相结合来创建音频评估信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述监听环境中、在监听者的耳朵将处于的位置的近似位置处存在一对声音评估位置，其中在两个声音评估位置同时记录噪声，其中从每个声音换能器到两个声音评估位置创建虚拟传递函数，并且其中所述音频评估信号是双声道的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述声学补偿系统进一步包括处理所述音频信号的处理器。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括向所述处理器输入所述虚拟传感器信号，其中所述虚拟传感器信号被所述处理器用来导致对所述音频信号进行修改。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括向所述处理器输入从以下各项构成的声学补偿系统输入的组中选择的一个或多个声学补偿系统输入：发动机RPM信号、音乐信号、表示车速的信号以及表示车辆功能状态的信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述声学补偿系统输入中的一个或多个声学补偿系统输入被所述处理器用来导致对所述音频信号进行修改。
8.根据权利要求4所述的方法，进一步包括与在所述传感器位置和所述声音评估位置记录噪声同时地记录一个或多个非声学信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述非声学信号从由发动机RPM信号、指示节气门位置的信号以及指示发动机扭矩的信号组成的信号的组中选择。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述非声学信号在多个不同位置处被记录。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将记录的非声学信号输入到所述处理器，其中所述非声学信号被所述处理器用来导致对所述音频信号进行修改。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述监听环境中存在多个评估位置，并且其中在所有所述传感器位置和所有所述评估位置同时记录噪声。
13.根据权利要求3所述的方法，进一步包括分析所述音频评估信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中分析所述音频评估信号包括向耳机施加所述音频评估信号。
15.根据权利要求2所述的方法，其中所记录的噪声包括所述监听环境中的声音，并且所述声音在所述监听环境的变化的环境条件下被记录。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在数据库中将所记录的声音与记录时的特定环境条件相关联。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使用特定环境条件查询所述数据库，以取回在这样的条件下记录的声音。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括使用所取回的声音创建所述虚拟传感器信号和所述音频评估信号。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器是麦克风或者加速计。
20.一种虚拟地调谐包括声学补偿系统的音频系统的方法，其中所述音频系统适于通过一个或多个声音换能器在车厢中播放音频信号，所述声学补偿系统包括处理所述音频信号的自适应处理器，以及位于所述车厢中的传感器位置处的麦克风，其中在所述车厢中存在声音评估位置，其中从每个声音换能器到所述传感器位置的传递函数是固有的，并且其中从每个声音换能器到所述评估位置的传递函数是固有的，所述方法包括：
在所述传感器位置处记录声音，并且与在所述传感器位置处记录声音同时地在所述声音评估位置处双声道地记录声音，其中所述声音在所述车辆在各种车辆工作条件下进行工作的情况下被记录；
基于从每个声音换能器到所述传感器位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到所述传感器位置的虚拟传递函数；
基于从每个声音换能器到所述评估位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到所述评估位置的虚拟传递函数；
通过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数来处理音频信号；
通过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数来处理音频信号；
通过将经过所述虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数处理的所述音频信号与在所述传感器位置处记录的所述声音相结合来创建虚拟传感器信号；
通过将经过所述虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数处理的所述音频信号与在所述声音评估位置处记录的所述声音相结合来创建音频评估信号；
将所述虚拟传感器信号输入到所述自适应处理器，其中所述虚拟传感器信号被所述自适应处理器用来导致对所述音频信号进行修改；
将从由发动机RPM信号、音乐信号、表示车速的信号以及表示车辆功能状态的信号组成的声学补偿系统输入的组中选择的一个或多个声学补偿系统输入输入到所述自适应处理器，其中所述声学补偿系统输入被所述自适应处理器用来导致对所述音频信号进行修改；
使用所记录的声音创建所述虚拟传感器信号和所述音频评估信号；并且
分析所述音频评估信号，其中分析所述音频评估信号包括向耳机施加所述音频评估信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述声学补偿系统包括位于所述车厢中的多个传感器位置处的多个麦克风，并且其中所述车厢中存在多个评估位置，并且其中同时在所有所述传感器位置处记录声音并且在所有所述评估位置处双声道地记录声音。
22.一种虚拟地调谐包括声学补偿系统的音频系统的方法，其中所述音频系统适于创建修改或者消除车厢中的发动机谐波的音频信号，所述声学补偿系统包括处理所述音频信号的处理器，以及位于所述车厢中的传感器位置处的麦克风，其中所述车厢中存在声音评估位置，其中从每个声音换能器到所述传感器位置的传递函数是固有的，并且其中从每个声音换能器到所述评估位置的传递函数是固有的，所述方法包括：
在所述传感器位置处记录声音，在所述声音评估位置处记录声音，并且记录与所述发动机相关联的一个或多个非声学信号，所有这样的记录同时进行，并且其中在所述车辆在各种发动机工作条件下进行工作的情况下进行这样的记录；
基于从每个声音换能器到所述传感器位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到所述传感器位置的虚拟传递函数；
基于从每个声音换能器到所述评估位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到所述评估位置的虚拟传递函数；
通过虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数来处理音频信号；
通过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数来处理音频信号；
通过将经过所述虚拟的声音换能器到传感器位置的传递函数处理的所述音频信号与在所述传感器位置处记录的所述声音相结合来创建虚拟传感器信号；
通过将经过所述虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数处理的所述音频信号与在所述声音评估位置处记录的所述声音相结合来创建音频评估信号；
将所述虚拟传感器信号和所记录的非声学信号输入到所述处理器，其中所述输入被所述处理器用来导致对所述音频信号进行修改，以修改或者消除一个或多个发动机谐波；
将发动机RPM信号输入到所述处理器，其中所述发动机RPM信号被所述处理器用来导致对所述音频信号进行修改；
使用所记录的声音创建所述虚拟传感器信号和所述音频评估信号；并且
分析所述音频评估信号。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述音频系统包括位于所述车厢中的多个传感器位置处的多个麦克风，并且其中所述车厢中存在多个评估位置，并且其中在所有所述传感器位置处并且在所有所述评估位置处同时记录声音。
24.一种虚拟地调谐包括声学补偿系统的音频系统的方法，其中所述音频系统适于在车厢中通过声音换能器来播放音频信号，所述音频信号用来修改所述车厢中的发动机谐波，其中在所述车厢中存在声音评估位置，并且其中从每个声音换能器到所述评估位置的传递函数是固有的，所述方法包括：
在所述声音评估位置记录声音并且同时记录与所述发动机相关联的一个或多个非声学信号，其中在所述车辆在各种发动机工作条件下进行工作的情况下进行这样的记录；
从所记录的非声学信号确定发动机谐波；
基于从每个声音换能器到所述评估位置的固有传递函数来创建从每个声音换能器到所述评估位置的虚拟传递函数；
使用所记录的非声学信号来导致对所述音频信号进行修改，以便修改一个或多个发动机谐波；
通过虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数来处理音频信号；
通过将经过所述虚拟的声音换能器到评估位置的传递函数处理的所述音频信号与在所述声音评估位置处记录的所述声音相结合来创建音频评估信号；并且
分析所述音频评估信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其中分析所述音频评估信号包括向耳机施加所述音频评估信号。
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