CN104185134B - 听音室内个别声音区的产生 - Google Patents

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Abstract

公开了一种可在一个相干听音室中提供至少两个独立音区的声音再现系统。一方面，系统包括音频源，其具有至少两个输出信道并为每个输出信道提供音频源信号。每个音频信道与一个音区相关。系统还包括具有定向特性的至少两个平面扬声器，每个扬声器与一个音频信道和一个音区相关。每个扬声器被供有各自的扬声器信号且发出对应的声信号。此外，系统包括接收音频源信号并提供扬声器信号的多信道数字滤波器。数字滤波器具有以转移矩阵为特征的转移特性。由平面扬声器发出的声信号在每个音区中叠加成所得声信号，转移矩阵被设计成在每个音区中，所得声信号大体上对应于与相同音区相关的音频源信号，且使与不同音区相关的音频源信号对所得声信号的贡献最小。

Description

听音室内个别声音区的产生
技术领域
本发明大致涉及听音室内的声音重现，其中不同的声音区被提供来实现针对不同声音区中的不同听众的个别听音体验。
背景技术
近来越来越多地关注能够在听音室的不同空间部分中提供不同声音的高级声音重现系统。在这种背景下，已出现(个别)声音区的概念。即，在一个(相干)听音室内提供两个不同声音区，其中将在每个声音区内重现(并且提供给存在于各自区中的听众)的声音可能不同。在这方面，不同声音将被理解为不同声音区的不同音频内容(例如，两个不同广播节目)或不同声音设置(高音、低音等)。应注意将在特定声音区重现的声音信号也可能是零以形成静音区。
当在不同的空间分离声音区内重现不同声音信号时，一个重要特征是将针对特定声音区指定的声学声音信号“限制”至所述特定声音区并且防止至相邻声音区的“串扰”。理论著作(D.H.Cooper、J.L.Bauck：“Prospects for Transaural Recording”，在J.AudioEng.Soc.，第37卷，第1/2号，1989年1月/2月中)已表明使用逆滤波器的情况下串扰消除是可行的。可行的实践实施是所谓的“耳间立体声”系统，其使用逆滤波器补偿从左音频通道至听众右耳的串扰且反之亦然。这个概念理论上可适用于多维情况。但是，实践实施通常因所述(多维)逆滤波器的滤波器设计的复杂性而不可行。
听音室可为例如住宅或汽车内部(车厢)。特别在高级汽车市场中，已确定对高质量音频重现增大的需求，其包括在不同声音区中重现不同的声音信号，其中声音区通常与存在于汽车中的特定人员相关。例如，四个不同的声音区可被提供在车厢内：一个针对驾驶人员，一个针对前座乘客，且两个后座乘客各一个。
因此，存在对在听音室内实现多个声音区的声音重现系统的大致需求。
发明内容
公开一种能够在一个相干听音室中提供至少两个单独声音区的声音重现系统。根据本发明的一个方面，所述系统包括音频源，其具有至少两个输出通道并且为每个输出通道提供一个音频源信号。每个音频通道与一个声音区相关。所述系统还包括至少两个平面扬声器，其具有方向特性，其中每个扬声器与一个音频通道和一个声音区相关。每个扬声器被供应各自的扬声器信号并且辐射相应的声信号。此外，所述系统包括多通道数字滤波器，其接收音频源信号并且提供扬声器信号。数字滤波器具有转移特性，其特点在于转移矩阵。平面扬声器所辐射的声信号叠加至每个声音区中的所得声信号，其中转移矩阵被设计使得在每个声音区中，所得声信号实质上对应于与相同声音区相关的音频源信号，且与不同声音区相关的音频源信号至所得声音信号的贡献被最小化。
转移矩阵可表示房间脉冲响应矩阵的求逆，其包括表示由至少两个扬声器和至少两个声音区定义的房间脉冲响应的转移函数。每个扬声器可能展现方向特性，使得由扬声器产生的声信号电平在与扬声器无关的声音区中比在与扬声器相关的声音区中低至少20dB。
根据本发明的另一个方面，相干听音室是车厢。至少两个单独的声音区被提供在车厢的前部且至少两个单独的声音区被提供在车厢的后部。提供至少四个具有方向特性的平面扬声器，其中每个扬声器与一个音频通道和一个声音区相关。第一多通道数字滤波器接收与车厢的前部中的声音区相关的音频通道的音频源信号并且为与车厢的前部中的所述声音区相关的扬声器提供各自扬声器信号；且第二多通道数字滤波器接收与车厢的后部中的声音区相关的音频通道的音频源信号并且为与车厢的后部中的所述声音区相关的扬声器提供各自扬声器信号。每个多通道数字滤波器的转移特性的特点在于相应的转移矩阵。这些转移矩阵表示各自房间脉冲响应矩阵的求逆，其包括表示分别由车厢的前部和车厢的后部中的至少两个扬声器和至少两个声音区定义的房间脉冲响应的转移函数。
此外，描述一种能够在一个相干听音室中提供至少两个单独声音区的方法。根据本发明的另一个方面，所述方法包括为每个声音区提供与声音区相关的音频源信号和使用具有方向特性的至少两个平面扬声器辐射声信号。每个扬声器与一个声音区相关且每个扬声器被供应各自扬声器信号。所述方法还包括使用多通道数字滤波器将音频源信号滤波并且将扬声器信号提供为经滤波信号，其转移特性的特点在于转移矩阵。声信号由平面扬声器辐射并且叠加至每个声音区中的所得声信号。转移矩阵被设计使得在每个声音区中，所得声信号实质上对应于与相同声音区相关的音频源信号，且与不同声音区相关的音频源信号至所得声信号的贡献被最小化。
通常，可为每个声音区提供双声道音频源信号且一对扬声器用于辐射双声道声信号，每对扬声器与每个声音区相关。
附图说明
可参考附图及描述更好地理解本发明。在附图中：
图1图示一个听音室内的不同声音区的概念；
图2图示耳间立体声系统的基本设置；
图3图示由车厢形成的听音室内的四个不同声音区；
图4图示车厢内在四个不同声音区中用于单声道声音重现的四个平面扬声器的配置；
图5图示车厢内在四个不同声音区中用于立体声声音重现的四对平面扬声器的配置。
具体实施方式
现在参考图示，其中在不同视图各处，相同参考数字用于指示相同或类似元件，图示并且描述本发明的实例。图不一定按比例绘制且在一些情况下仅为说明的目的已将图夸大和/或简化。基于下文示例性实施方案的描述，本领域一般技术人员将了解本发明的许多可能应用和变化。
首先提出封闭空间(听音室)内两个(或更多个)个别声音区的概念作为一般概念。典型声音区设置的配置图示在图1中。图示的听音室10由三个不同声音区组成：声音区A、声音区B和听音室10的其余部分(未被声音区A和B覆盖)。在声音区A中，第一音频信号(例如，广播节目)可被重现，而在声音区B中，第二音频信号可被重现。听音室的其余部分还可被视作一个声音区。不同标准可适用于第三声音区。将在这个区内满足的标准可为例如静音或“无限制”，即，区A和B外的声场将不重要。两个区的空间位置可能固定或适应性地改变(例如，取决于各自听众的位置)。一般设计目标是使从(与声音区A相关的)第一音频信号至声音区B的串扰和从(与声音区B相关的)第二音频信号至声音区A的串扰最小化。应注意，图1图示俯视图。声音区实际上涵盖包括听众头部(具体为耳朵)的三维体积。
图2图示所谓“耳间立体声”系统的基本结构。在所描绘的系统中，音频信号和转移函数是频域信号和函数，其分别具有相应时域信号和函数。例如，可由无线电接收器提供的左输入音频信号XL(jω)和右输入音频信号XR(jω)被所谓逆滤波器CLL(jω)、CLR(jω)、CRL(jω)和CRR(jω)预滤波且滤波器输出信号如图2中所示被组合；即，供应至左扬声器LSL的信号SL(jω)可被计算为：
SL(jω)＝CLL(jω)·XL(jω)+CRL(jω)·XR(jω)， (1)
且被供应至右扬声器LSR的信号SR(jω)可被计算为：
SR(jω)＝CLR(jω)·XL(jω)+CRR(jω)·XR(jω)。 (2)
扬声器将信号SL(jω)和SR(jω)辐射为声信号，其分别传播至听众的左耳和右耳。实际存在于听众左耳和右耳上的声音信号分别被标注为ZL(jω)和ZR(jω)，其中：
ZL(jω)＝HLL(jω)·SL(jω)+HRL(jω)·SR(jω)， (3)
且
ZR(jω)＝HLR(jω)·SL(jω)+HRR(jω)·SR(jω)。 (4)
在等式3和4中，转移函数Hij(jω)表示频域内的房间脉冲响应(RIR)，即，从扬声器LSi至听众左耳和右耳的转移函数。指标i和j可为“L”和“R”，其分别指的是左扬声器和右扬声器以及左耳和右耳。
以上等式1至4还可写作矩阵形式，其中等式1和2可组合为：
S(jω)＝C(jω)·X(jω)， (5)
且等式3和4可被组合为：
Z(jω)＝H(jω)·S(jω)， (6)
其中X(jω)是由输入信号组成的矢量，即，X(jω)＝[XL(jω),XR(jω)]T，S(jω)是由扬声器信号组成的矢量，即，S(jω)＝[SL(jω),SR(jω)]T，C(jω)是表示四个滤波器转移函数CLL(jω)、CRL(jω)、CLR(jω)和CRR(jω)的矩阵，且H(jω)是表示频域HLL(jω)、HRL(jω)、HLR(jω)和HRR(jω)中的四个房间脉冲响应的矩阵。组合等式5和6产生：
Z(jω)＝H(jω)·C(jω)·X(jω)。 (7)
从上述等式6中，可见当：
C(jω)＝H-1(jω)·e-jωτ， (8)
即，当滤波器矩阵C(jω)等于频域H-1(jω)中的房间脉冲响应的矩阵H(jω)的求逆额外加上延迟τ(其至少表示声延迟)时，随后到达听众左耳的信号ZL(jω)等于左输入信号XL(jω)且到达听众右耳的信号ZR(jω)等于右输入信号XR(jω)，其中信号ZL(jω)和ZR(jω)与输入信号XL(jω)和XR(jω)相比，分别被延迟达所述延迟τ。即：
Z(jω)＝X(jω)·e-jωτ。 (9)
如从等式7和8中可见，从数学角度看，设计耳间立体声重现系统的问题是一个对转移函数矩阵H(jω)求逆的问题，其表示频域(RIR矩阵)内的房间脉冲响应。已知不同方法用于矩阵求逆。例如，求逆可确定如下：
C(jω)＝det(H)-1·adj(H(jω))， (10)
其是适用于等式8的克莱姆准则的结果(延迟在等式10中被忽略)。表达式adj(H(jω))表示RIR矩阵H(jω)的转置伴随矩阵。可见预滤波可按两个阶段完成，其中滤波转移函数adj(H(jω))确保串扰的阻尼且滤波转移函数det(H)-1补偿由转移函数adj(H(jω))导致的线性失真。转置伴随矩阵adj(H(jω))总是得到因果滤波器转移函数，而补偿滤波器G(jω))＝det(H)-1可能更难以设计。但是，用于逆滤波器设计的数个已知方法可能是适当的。
在图2的实例中，左耳(信号ZL)可被视作位于第一声音区中且右耳(信号ZR)可被视作位于第二声音区中。图2中描绘的系统可提供足够的串扰阻尼，使得输入信号XL实质上仅在第一声音区(左耳)中重现且输入信号XR仅在第二声音区(右耳)中重现。这个概念可一般化(声音区不一定与听众的耳朵相关)并且扩展至多维情况(超过两个声音区)，前提是系统至少包括与个别声音区一样多的扬声器。图3是车厢的俯视图，其中一个声音区与汽车的每个座椅相关。声音区A与驾驶人员的座椅相关，声音区B与前座乘客的座椅相关，声音区C与右后座乘客的座椅相关且声音区D与左后座乘客的座椅相关。当使用至少四个扬声器(图3中未示出)时，等式6至9仍有效但产生四阶系统而非如图2实例中的二阶系统。逆滤波器矩阵C(jω)和RIR矩阵H(jω)则是4×4矩阵。
通常，同轴扬声器用在汽车中。这种同轴扬声器通常无主要辐射声功率的任意优选方向。因此，同轴扬声器据称无方向性。其它“经典”构造的电动力汽车扬声器通常还可模型化为点源，且因此无方向性。上述四阶系统的模拟(见图2)已用同轴扬声器执行且已观察到有关串扰消除的良好性能。但是，实践实验并未得到同样好的结果。尤其，预期串扰消除在实践中远比在模拟中差。实践中，实现令人满意的串扰补偿的声音区与听众头部相比相对较小，使得在听众耳朵的实际位置上仍可听见明显串扰。理论上，串扰仅在声音区内的一个参考点中为零且听众耳朵距离参考点越远，实际串扰越高。通常，串扰阻尼针对较高频率变得较差(尤其对于大于1kHz的频率)。
根据本发明的一个实例，至少两个平面扬声器被用于结合不同声音区的声音重现。这种平面扬声器(例如，电动力平面扬声器(EDPL))具有高方向性(即，明显方向特性)；使用这种EDPL可明显减小参考点附近的串扰。换句话说，使用EDPL明显增大其中串扰阻尼足够高的声音区的大小。由于平面扬声器的方向性，可实现个别声音区的“自然”分离(见图3)。尤其在汽车应用中，车厢的前部中的声音区(图3中的声音区A和B)可与车厢的后部中的声音区(图3中的声音区C和D)分离。
图4图示四个平面扬声器LSFL、LSFR、LSRL和LSRR的配置，其中每个扬声器与一个特定声音区相关(见图3中的声音区A至C)。平面扬声器安装在座椅垂直上方的车厢的车顶内衬中。如上所述，车厢的前部中的声音区与后部中的声音区的“自然”分离透过使用平面扬声器实现。因此，如图2中所示，车厢前部(声音区A和B)中和后部(声音区C和D)中的声音重现可使用两个类似操作的二阶系统单独实施。为了进一步改进串扰阻尼，可实施一个四阶系统，其将四个声音区A至D和所有四个扩音器组合为一个系统。通常，如图3中所示，图4中描绘的系统能够提供四个声音区，但仅允许每个声音区中的单声道声音重现。对于四个不同声音区中的立体声声音重现，可使用图5的设置。
图5图示四对平面扬声器LSFL1、LSFL2；LSFR1、LSFR2；LSRL1、LSRL2和LSRR1、LSRR2的配置，其中每对扬声器与一个特定声音区相关(见图3中的声音区A至C)。每对平面扬声器被安装在座椅垂直上方的车厢的车顶内衬中。每个声音区A至D虚拟地分为右子区(例如，AR、BR等)和左子区(例如，AL、BL等)。类似于参考图2讨论的二阶系统，与前子区AL、AR、BL和BR相关的四个扬声器LSFL1、LSFL2、LSFR1和LSFR2被组合为一个四阶声音重现系统。类似地，类似于参考图2讨论的二阶系统，与前子区CL、CR、DL和DR相关的四个扬声器LSRR1、LSRR2、LSRL1和LSRL2被组合为一个四阶声音重现系统。本质上而言，图5的实例是图4的单声道实例的双声道增强版，其中，在本实例中，每个声音区与一个双声道音频信号相关。如在单声道实例中，车厢的前部中的声音重现可单独于车厢的后部中的声音重现处理，因为平面扬声器提供足够的方向性以确保车厢前部与后部之间有充分的串扰阻尼。或者，类似于参考图2讨论的二阶系统，所有八个扬声器可被组合为一个八阶声音重现系统。但是，所得8×8RIR矩阵H(jω)可能被不佳地调节，且矩阵求逆的数学问题因此可能产生不佳结果。此外，这样一种八阶系统可利用64个逆滤波器，其将需要有关时间和存储器的高计算工作量。两个单独四阶系统因此可能表现得比上述八阶系统好。
与特定声音区(例如，声音区A)相关的扬声器的方向性应使得由所考虑的扬声器产生的所得声信号电平在与所考虑的扬声器相关的声音区(例如，声音区A)中比在与所考虑的扬声器无关的那些声音区中高至少20分贝(dB)。即，由扬声器LSFL(见图3和图4的实例)在声音区A中产生的声信号电平比在声音区B、C和D中产生的声信号电平高20dB。一些平板扬声器(例如，EDPL)在侧向和纵向方向上展现不同的方向性。实验中使用的EDPL在纵向上具有比侧向上高的方向性。在这些情况下，扬声器可被安装使得来自位于车厢的前部中的声音区(例如，声音区A和B)至位于车厢的后部中的声音区(例如，声音区C和D)的声音辐射被最小化。再次，根据经验，与在车厢的前部中的声音区(例如，声音区A和B)相关的扬声器(例如，扬声器LSFR1、LSFR2、LSFL1、LSFL2)产生一个声信号，其电平在位于车厢的后部中的声音区(例如，声音区C和D)中比位于车厢的前部中的声音区(例如，声音区A和B)中低至少20dB。以这样一种方式，实现车厢的前部中的声音区(A、B)从后部中的声音区(C、D)的所述分离且声音重现系统可单独于汽车的后部处理汽车的前部。在图5的实例中，这种分离得到两个四阶RIR矩阵而非一个八阶RIR矩阵。如上所述，与使用基于八阶逆RIR矩阵的逆滤波器相比，四阶RIR矩阵的求逆通常得到所得逆滤波器的明显更好性能。
虽然已详细描述本发明及其优点，但是应了解可对其进行不同变化、替代和更改而不脱离如随附权利要求定义的本发明的精神和范围。
此外，本申请的范围不旨在受限于本说明书中描述的事物、方式、方法和步骤的工艺、机器、制造、组成的特定实施方案。如本领域一般技术人员从本发明的公开中容易地理解，可根据本发明利用目前存在或将来开发的事物、方式、方法和步骤的工艺、机器、制造、组成，其执行与本文描述的相应实施方案实质相同的功能或实现与其实质相同的结果。因此，随附权利要求旨在在其范围内包括事项、方式、方法和步骤的这些工艺、机器、制造、组成。

Claims (11)

1.一种在一个相干听音室中提供至少两个单独声音区的声音重现系统；所述系统包括：
音频源，其具有至少两个输出通道并且为每个输出通道提供一个音频源信号，每个音频通道与一个声音区相关；
至少两个平面扬声器，其具有方向特性，其中每个扬声器与一个音频通道和一个声音区相关，且每个扬声器被供应各自扬声器信号并且辐射相应声信号；
多通道数字滤波器，其接收所述音频源信号并且提供所述扬声器信号，所述数字滤波器的转移特性的特点在于转移矩阵，
其中由所述平面扬声器辐射的所述声信号叠加至每个声音区中的所得声信号，且
其中所述转移矩阵被设计使得在每个声音区中，所述所得声信号实质上对应于与相同声音区相关的所述音频源信号，且与不同声音区相关的音频源信号至所述所得声音信号的贡献被最小化，
其中所述相干听音室是车厢且至少两个单独声音区被提供在所述车厢的前部中且两个单独的声音区被提供在所述车厢的后部中，
提供至少四个具有方向特性的平面扬声器，其中每个扬声器与一个音频通道和一个声音区相关，
其中所述多通道数字滤波器接收与所述车厢的所述前部中的声音区相关的音频通道的所述音频源信号，并且为与所述车厢的所述前部中的所述声音区相关的所述扬声器提供所述各自扬声器信号；且
其中所述声音重现系统包括又一个多通道数字滤波器，其接收与所述车厢的所述后部中的声音区相关的音频通道的所述音频源信号，并且为与所述车厢的所述后部中的所述声音区相关的所述扬声器提供所述各自扬声器信号，每个多通道数字滤波器的所述转移特性的特点在于相应的转移矩阵。
2.根据权利要求1所述的声音重现系统，其中所述转移矩阵表示房间脉冲响应矩阵的求逆，其包括表示由所述至少两个扬声器和所述至少两个声音区定义的所述房间脉冲响应的所述转移函数。
3.根据权利要求1或2所述的声音重现系统，其中每个所述扬声器展现方向特性使得由所述扬声器产生的声信号电平在与所述扬声器无关的声音区中比在与所述扬声器相关的声音区中低至少20dB。
4.根据权利要求1所述的声音重现系统，其中与所述车厢的所述前部中的声音区相关的每个扬声器具有方向特性，使得由这个扬声器产生的声信号电平在所述车厢的所述后部中的声音区中比在与所述车厢的所述前部中的所述扬声器相关的所述声音区中低至少20dB。
5.根据权利要求4所述的声音重现系统，其中所述转移矩阵表示各自房间脉冲响应矩阵的求逆，其包括表示分别由在所述车厢的所述前部和所述车厢的所述后部中的所述至少两个扬声器和所述至少两个声音区定义的所述房间脉冲响应的所述转移函数。
6.根据权利要求4所述的声音重现系统，其中所述转移矩阵被设计使得在每个声音区中，所述所得声信号实质上对应于与所述相同声音区相关的所述音频源信号，且与不同声音区相关的音频源信号至所述所得声音信号的所述贡献被最小化。
7.根据权利要求1所述的声音重现系统，其中所述音频源为每个声音区提供至少一个双声道音频信号。
8.根据权利要求7所述的声音重现系统，其中一对扬声器与每个音频通道和每个声音区相关，且每对扬声器被供应各自双声道扬声器信号并且辐射相应声学立体声信号。
9.根据权利要求1所述的声音重现系统，其中与一个特定声音区相关的所述扬声器被配置在所述声音区的垂直上方。
10.一种用于在一个相干听音室中提供至少两个单独声音区的方法；所述方法包括：
为每个声音区提供与所述声音区相关的音频源信号；
使用具有方向特性的至少两个平面扬声器辐射声信号，其中每个扬声器与一个声音区相关，且每个扬声器被供应各自扬声器信号；
使用多通道数字滤波器将所述音频源信号滤波并且将所述扬声器信号提供为经滤波信号，其转移特性的特点在于转移矩阵，
其中由所述平面扬声器辐射的所述声信号叠加至每个声音区中的所得声信号，且
其中所述转移矩阵被设计使得在每个声音区中，所述所得声信号实质上对应于与相同声音区相关的所述音频源信号，且与不同声音区相关的音频源信号至所述所得声信号的贡献被最小化，
其中所述相干听音室是车厢且至少两个单独声音区被提供在所述车厢的前部中且两个单独的声音区被提供在所述车厢的后部中，
提供至少四个具有方向特性的平面扬声器，其中每个扬声器与一个音频通道和一个声音区相关，
其中所述多通道数字滤波器接收与所述车厢的所述前部中的声音区相关的音频通道的所述音频源信号，并且为与所述车厢的所述前部中的所述声音区相关的所述扬声器提供所述各自扬声器信号；且
其中所述声音重现系统包括又一个多通道数字滤波器，其接收与所述车厢的所述后部中的声音区相关的音频通道的所述音频源信号，并且为与所述车厢的所述后部中的所述声音区相关的所述扬声器提供所述各自扬声器信号，每个多通道数字滤波器的所述转移特性的特点在于相应的转移矩阵。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
为每个声音区提供双声道音频源信号，且其中：
一对扬声器用于辐射双声道声信号，每对扬声器与每个声音区相关。
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