CN106416293B - 具有用于反射声音渲染的向上发射驱动器的音频扬声器 - Google Patents

Abstract

实施例针对使声音从天花板反射到与扬声器相距一段距离的收听位置的向上发射扬声器。反射的声音提供高度线索以再现具有头顶音频分量的音频对象。基于方向听觉模型的虚拟高度滤波器被应用到向上发射驱动器信号以改善对于由虚拟高度扬声器发射的音频信号的高度的感知以便提供头顶反射声音的最优再现。向上发射驱动器以相对于扬声器的水平轴成近似于20度的倾角而倾斜，并且单独的高度和直接终端连接被提供以与自适应音频渲染系统接口。

Description

具有用于反射声音渲染的向上发射驱动器的音频扬声器

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年6月3日提交的美国临时专利申请No.62/007,354的优先权权益，该申请通过引用被整体结合于此。

技术领域

一个或多个实现一般地涉及音频扬声器，以及更多涉及用于使用反射的信号渲染自适应音频内容的向上发射扬声器和相关联的高度滤波器电路。

背景技术

数字影院的出现创造了影院声音的新标准，诸如音频的多个声道的结合，以便允许内容创建者有更大的创造性以及观众具有更包容(enveloping)和真实的听觉体验。基于模型的音频描述已被开发以扩展超越传统的扬声器馈送和基于声道的音频作为用于在不同的回放配置中分配空间音频内容以及进行渲染的手段。在真实三维(3D)或虚拟3D环境中的声音的回放已经成为被越来越多地研究和开发的领域。声音的空间表示利用音频对象，该音频对象是带有视在源位置(例如3D坐标)、视在源宽度和其他参数的相关参数源描述的音频信号。基于对象的音频可以用于许多多媒体应用(诸如数字电影、视频游戏、仿真器)，并且在家庭环境中尤其重要，在家庭环境中，扬声器的数目和它们的布置通常受到相对小的收听环境的局限的限制或约束。

各种技术已经被开发以便在全影院环境和更小规模的家庭环境两者中更精确地捕获和再现创建者对音轨的艺术意图。包括音频对象和传统的基于声道的扬声器馈送以及用于音频对象的位置元数据的下一代空间音频(也被称为“自适应音频”)格式(在

系统中实现)已经被开发。在空间音频解码器中，声道被直接发送到它们的相关联的扬声器或下混到现存的扬声器组，并且音频对象由解码器以灵活的(flexible)方式渲染。与每个对象相关联的参数源描述(诸如3D空间中的位置轨迹)被与连接到解码器的扬声器的数目和位置一起作为输入。渲染器利用某些算法以在附接的扬声器组中分发与每个对象相关联的音频。因而，所创作的每个对象的空间意图通过存在于收听环境中的、特定的扬声器配置被最优化地呈现。

当前的空间音频系统提供了前所未有的观众沉浸水平和最高精度的音频位置和运动。但是，因为它们通常针对于影院应用被开发，所以它们牵涉到在大房间中的部署和对包括环绕剧院分布的多个扬声器的阵列的、相对昂贵的器材的使用。但是，越来越大量的先进音频内容正被使得能够用于通过流传输技术和先进媒体技术(诸如蓝光光盘等)在家庭环境中回放。为了空间音频(例如Dolby Atmos)内容的最优回放，家庭收听环境应该包括可以复制打算源自三维空间中收听者上方的音频的扬声器。为了实现这一点，消费者可以在天花板上在传统二维环绕系统上方的推荐位置安装附加的扬声器，并且一些家庭剧院爱好者可能欢迎这个方法。但是，对于许多消费者，这种高度扬声器可能不能负担得起或可能造成安装困难。在这种情况下，如果仅通过在地板或墙上安装的扬声器来播放头顶(overhead)的声音对象，那么高度信息会丢失。

因此，所需要的是如下这样的扬声器设计，其使得落地式和书架式扬声器能够复制音频，就好像声源源自天花板一样。还需要的是提供完全包容三维音频而无需昂贵的安装或对现存的消费者家庭剧院覆盖区的改变的家庭音频扬声器系统。

在背景部分中讨论的主题不应该仅仅因为它在背景部分中提到而被假设为现有技术。类似地，在背景部分中提到的或与背景部分的主题相关的问题不应该被假设为先前已经在现有技术中认识到。在背景部分的主题仅表示不同的方法，该方法本身也可以是发明。Dolby和Atmos是杜比实验室授权公司的注册商标。

发明内容

实施例针对用于发送将从收听环境的上表面反射的声波的扬声器，该扬声器包括机壳(cabinet)、在机壳内并且被定向为沿着基本上垂直于机壳的前部表面的水平轴发射声音的直接发射驱动器、被定向为相对于水平轴具有18度到22度之间的倾角的向上发射驱动器、和具有到直接发射驱动器和向上发射驱动器的分开的输入连接的、被固定到机壳外侧的终端板。向上发射驱动器被嵌入机壳的顶部表面内的凹部中，并且被配置为从收听环境的天花板上的反射点反射声音，并且来自向上发射驱动器的直接响应的对应的角度标称为相对于水平轴为70度。扬声器还包括布置在机壳的顶部表面的凹陷区域中的声音吸收泡沫体，该声音吸收泡沫体被布置为至少部分地围绕向上发射驱动器以减小驻波和衍射效应并且帮助平滑化该向上发射驱动器的频率响应。机壳可以具有跨越内侧布置的内架以便在向上发射驱动器和直接发射驱动器之间提供声学分离。

在实施例中，终端板包括将音频系统连接到直接发射驱动器的第一组输入终端结合连接器，和将音频系统连接到向上发射驱动器的第二组输入终端结合连接器。第一组输入终端结合连接器的极性等于第二组输入终端结合连接器的极性。向上发射驱动器通常具有6ohm或更大的额定阻抗以及至少4.8ohm的最小阻抗。在沿着水平轴1米的距离处以及在向上发射驱动器的额定功率处理水平下，在100Hz和15kHz之间有不多于3dB的压缩。

在实施例中，扬声器具有或被耦合到虚拟高度滤波器电路，该虚拟高度滤波器电路将频率响应曲线应用到被发送到向上发射驱动器的信号以创建目标传递曲线。虚拟高度滤波器补偿存在于直接发送通过收听环境的声波中的高度线索，有利于(in favor of)存在于从收听环境的上表面反射的声音中的高度线索。

在实施例中，向上发射驱动器的低频响应特性遵循具有180Hz的目标截止频率和0.707的品质因数的二阶高通滤波器的低频响应特性。直接响应传递函数在沿着水平轴1米的距离处以相对于水平轴为70度的角度使用正弦对数扫描法被测量，其中70度角响应与直接响应的比率在5kHz处至少为5dB，在10kHz处至少为10dB。

扬声器还可以具有与虚拟高度滤波器集成的分频电路(crossover circuit)，该分频具有被配置为将低于阈值频率的低频信号发送到直接发射驱动器的低通部分，和被配置为将高于阈值频率的高频信号发送到向上发射驱动器的高通部分。机壳可以由0.75英寸厚度的中密度纤维板(MDF)制成。

向上发射驱动器和直接发射驱动器可以被封闭在外壳内，作为集成的虚拟高度扬声器系统，并且使用在2.83Vrms的正弦对数扫描在沿着水平轴1米距离处产生的、在由来自向上发射驱动器的声音投射定义的参考轴上的、从1到5kHz的三分之一倍频带中的线性压力水平的均值沿着水平轴比直接驱动器低不多于3dB。可替代地，扬声器可以包括封闭向上发射驱动器的向上发射驱动器机壳，该机壳布置在封闭直接发射驱动器的直接发射驱动器机壳的上表面上。

这样的扬声器和电路被配置为与用于使用反射的声音元素渲染声音的自适应音频系统结合使用，该自适应音频系统包括用于围绕收听环境分布的音频驱动器阵列，其中驱动器中的一些是直接驱动器，其他的是将声波朝着收听环境的天花板投射以便反射到特定收听区域的向上发射驱动器；用于处理音频流和一个或多个元数据集合的渲染器，该一个或多个元数据集合与每个音频流相关联并且指定相应的音频流的在收听环境中的回放位置，其中音频流包括一个或多个反射音频流和一个或多个直接音频流；以及用于根据该一个或多个元数据集合将音频流渲染到音频驱动器阵列的回放系统，其中该一个或多个反射音频流被发送到反射音频驱动器。

实施例还针对将期望的频率传递函数直接合并到扬声器的换能器设计中的扬声器或扬声器系统，该换能器设计被配置为从上表面反射声音，其中期望的频率传递函数在由渲染器产生的自适应音频信号中从高度声音分量过滤直接声音分量。

实施例还针对用于从扬声器生成音频场景的方法，该方法通过接收第一和第二音频信号；将第一音频信号路由到扬声器的直接发射驱动器；并且将第二音频信号路由到扬声器的向上发射驱动器；其中第一和第二音频信号分别是表示直接和扩散(diffused)音频内容的物理离散信号。在这种方法中，扩散音频内容包括具有高度线索的、基于对象的音频，该高度线索表示声音在包含扬声器的房间中从位于收听者上方的视在源发出。向上发射驱动器可以被定向为相对于由直接发射驱动器定义的水平轴具有在18度到22度之间的倾角。该方法还可以包括将向上发射驱动器定向为相对于由前部发射驱动器定义的水平轴具有定义的倾斜角，以便将声音向上发射到房间的天花板上的反射点，使得它向下反射到房间中相对于扬声器有一段距离的收听区域。

该方法还可以包括接收来自渲染音频场景的音频处理系统的、用于通过附接到扬声器的终端的第一组连接器路由到直接发射驱动器的第一音频信号，并且接收来自音频处理系统的、用于通过终端的第二组连接器路由到向上发射驱动器的第二音频信号。在实施例中，第一组连接器的极性等于第二组连接器的极性。该方法还可以包括将虚拟高度滤波器频率响应曲线应用到第二音频信号以补偿存在于被直接发送通过房间的声波中的高度线索，有利于(in favor of)存在于从房间的天花板反射的声音中的高度线索。它还可以包括将分频函数(function)应用到第一和第二音频信号，该分频函数具有被配置为发送低频带信号到直接发射驱动器的低通过程和被配置为发送高频带信号到向上发射驱动器的高通过程，其中定义的频率阈值区分低频带和高频带。

实施例还针对制作和使用或部署扬声器、电路和换能器设计的方法，该扬声器、电路和换能器设计使用在音频回放系统中从高度声音分量过滤直接声音分量的频率传递函数对反射的声音内容的渲染和回放进行优化。

通过引用并入本文

在本说明书中提到的每个出版物、专利和/或专利申请通过引用被整体并入本文，如同每个单独的出版物和/或专利申请被具体地和单独地指示为通过引用并入一样。

附图说明

在下面的图中，相同的附图标记用于指代相同的元件。虽然下面的图描绘了各种示例，但是该一个或多个实现不限于在图中描绘的示例。

图1示出了使用反射的声音以仿真收听环境中的头顶扬声器的向上发射驱动器的使用。

图2示出了根据实施例的集成的虚拟高度(向上发射)驱动器和直接发射驱动器。

图3示出了根据实施例的向上发射驱动器与直接发射驱动器的相对倾斜角。

图4示出了根据实施例的用于向上发射和直接发射驱动器的连接器终端。

图5是示出根据实施例的从方向听觉模型(directional hearing model)得出的虚拟高度滤波器的幅度响应的图。

图6示出了实施例中的合并成为具有向上发射驱动器的扬声器系统的一部分的虚拟高度滤波器。

图7A示出了根据实施例的接收位置信息和旁路信号的高度滤波器。

图7B是示出根据实施例的包括分频电路的虚拟高度滤波器系统的图。

图8A是根据实施例的与虚拟高度滤波器结合使用的双频带分频滤波器的高水平电路图。

图8B示出了根据实施例的实现高通滤波路径中的虚拟高度滤波的双频带分频。

图8C示出了根据实施例的、组合向上发射和前部发射扬声器分频滤波器网络的用于与不同的高频驱动器一起使用的分频。

图9示出了根据实施例的图8的双频带分频的频率响应。

图10示出了根据实施例的用于与虚拟高度滤波器一起使用的各种不同的向上发射和直接发射驱动器配置。

图11是示出根据实施例的用于向上发射扬声器系统的目标传递函数1102的图。

图12A示出了根据实施例的用以测量向上发射驱动器和直接发射驱动器的相对频率响应的麦克风相对于向上发射扬声器系统的布置。

图12B示出了在图12A的所指示的测量位置处的参考轴响应和直接响应。

图13是根据实施例的包括房间校正和虚拟高度扬声器检测能力的虚拟高度渲染系统的框图。

图14是显示根据实施例的对于校准的预加重滤波的效果的图。

图15是示出根据实施例的在具有向上发射驱动器的自适应音频系统中执行虚拟高度滤波的方法的流程图。

图16A是示出根据实施例的模拟虚拟高度滤波电路的电路图。

图16B示出了结合期望的响应曲线的图16A的电路的示例频率响应曲线。

图17A示出了根据实施例的用于虚拟高度滤波器的数字实现的示例系数值。

图17B示出了连同期望的响应曲线一起的图17A的滤波器的示例频率响应曲线。

图18是示出根据实施例的可以与虚拟高度滤波电路一起使用的模拟分频电路的电路图。

图19示出了根据实施例的在集成的机壳中集成直接发射驱动器和向上驱动器的扬声器。

图20是图19中示出的扬声器的侧视图，其中提供了一些示例尺寸。

图21A是根据实施例的具有至少部分地环绕向上发射驱动器的声音吸收泡沫体的扬声器机壳的详细例证。

图21B仅示出了根据实施例的向上发射扬声器和声音吸收泡沫体。

图22示出了具有向上发射驱动器和虚拟高度滤波部件的扬声器在收听环境内的示例布置。

具体实施方式

描述了包括向上发射驱动器以渲染意图提供沉浸式音频体验的自适应音频内容的换能器系统和音频扬声器的实施例。扬声器可以包括如下这样的自适应音频系统或与如下这样的自适应音频系统结合使用：该自适应音频系统具有用于使用反射的声音渲染基于对象的音频内容以再现头顶声音对象和提供虚拟高度线索的虚拟高度滤波器电路。在本文中描述的一个或多个实施例的方面可以在在混合、渲染和回放系统中处理源音频信息的音频或视听(AV)系统中被实现，该音频或视听系统包括运行软件指令的一个或多个计算机或处理设备。所描述的实施例中的任一个可以被单独使用或以任何组合彼此一起使用。虽然各种实施例可能是由在本说明书中一个或多个位置中可能被讨论或暗示的、现有技术的各种缺陷激发的，但是实施例不必然解决这些缺陷中的任何一个。换言之，不同的实施例可以解决可能在说明书中讨论的不同的缺陷。一些实施例可以仅部分地解决在说明书中可能讨论的一些缺陷或仅一个缺陷，而一些实施例可以不解决这些缺陷中的任何一个。

为了本说明书，下面的术语具有相关联的意义：术语“声道”指的是音频信号加上其中位置被编码为声道标识符(例如左前部或右顶部环绕)的元数据；“基于声道的音频”是被格式化以用于通过带有相关联的标称位置(例如5.1、7.1等等)的一组预定义的扬声器区回放的音频；术语“对象”或“基于对象的音频”指的是带有参数源描述(诸如视在源位置(例如3D坐标)、视在源宽度等)的一个或多个音频声道；且“自适应音频”指的是基于声道和/或基于对象的音频信号加上元数据，该元数据使用音频流加上其中位置被编码为空间中的3D位置的元数据来基于回放环境渲染音频信号；且“收听环境”指的是任何开放的、部分封闭的或全封闭的区域(诸如可以用于将音频内容单独回放或与视频或其他内容一起回放的房间)，并且可以实现在家庭、影院、剧院、礼堂、工作室、游戏控制台等等中。这样的区域在其中可以部署有一个或多个表面，诸如可以直接反射或扩散反射声波的墙或挡板。

实施例针对反射声音渲染系统，该反射声音渲染系统被配置为与可以被称为“空间音频系统”或“自适应音频系统”的声音格式和处理系统协作，该系统基于音频格式和渲染技术，以允许提供增强的观众沉浸感、更大的艺术控制以及系统灵活性和可扩展性。整体自适应音频系统通常包括被配置为生成包含传统的基于声道的音频元素和音频对象编码元素两者的一个或多个比特流的音频编码、分布和解码系统。与分开采用基于声道的或基于对象的方法相比，这样的组合方法提供了更高的编码效率和渲染灵活性。可以与本实施例结合使用的自适应音频系统的示例在市售Dolby Atmos系统中实现。

通常，音频对象可以被视为可以被感知为从收听环境中一个或多个特定的物理位置发出的声音元素的组。这样的对象可以是静态的(固定的)或动态的(移动的)。音频对象由定义给定时间点的声音的位置的元数据以及其他函数控制。当对象被回放时，它们根据位置元数据使用存在的扬声器被渲染，而不是必须被输出到预定义的物理声道。在实施例中，具有包括高度线索的空间方面的音频对象可以被称为“扩散音频(diffused audio)”。这样的扩散音频可以包括诸如环境头顶声音(例如风、沙沙作响的叶子等)的一般化的高度音频，或它可以具有特定的或基于轨迹的头顶声音(例如鸟、闪电等)。

Dolby Atmos是合并了高度(上/下)维度(dimension)的系统的示例，该系统可以被实现为9.1环绕系统，或类似的环绕声配置(例如11.1、13.1、19.4等)。9.1环绕系统可以包括在地板平面中包含的五个扬声器和在高度平面中的四个扬声器。通常，这些扬声器可以用于产生如下声音，该声音被设计成在收听环境内大致精确地从任何位置发出。在典型的商业或专业实现中，高度平面中的扬声器通常作为安装在天花板的扬声器或安装在墙上观众上方的高处的扬声器(诸如在影院中经常看到的那样)而被提供。这些扬声器对于意图通过将声波从头顶位置直接向下发送到观众而在听众上方被听到的信号提供了高度线索。

向上发射扬声器系统

在许多情况下(诸如典型家庭环境)，安装在天花板的头顶扬声器不可用或实际上不能安装。在这种情况下，高度维度必须由安装在地板或墙上低处的扬声器提供。在实施例中，高度维度由具有向上发射驱动器的扬声器系统提供，该向上发射驱动器通过从天花板反射声音来仿真高度扬声器。在自适应音频系统中，某些虚拟化技术由渲染器实现以通过这些向上发射驱动器再现头顶音频内容，因此驱动器使用关于哪些音频对象应该在标准水平面上方被渲染的特定信息来定向(direct)音频信号。

出于描述的目的，术语“驱动器”指的是响应于电音频输入信号产生声音的单个电声换能器(或紧凑的换能器阵列)。驱动器可被以任何合适的种类、几何形状和尺寸被实现，并且可以包括喇叭、圆锥、带状换能器等等。术语“扬声器”指的是单一封壳中的一个或多个驱动器，且术语“机壳”或“外壳”指的是封闭一个或多个驱动器的单一封壳。因而，向上发射扬声器或扬声器系统包括扬声器机壳，该扬声器机壳包括至少向上发射驱动器和一个或多个其他直接发射驱动器(例如高音扬声器加上主要或低音扬声器)、和其他相关联的电路(例如分频、滤波器等)。直接发射驱动器(或前部发射驱动器(front firing driver))指的是沿着扬声器的主轴通常水平地将声音发送出扬声器的前部表面的驱动器。

图1示出了使用反射的声音以仿真一个或多个头顶扬声器的向上发射驱动器的使用。图100示出了这样的示例：在该示例中，收听位置106位于收听环境内的特定地点处。系统不包括用于发送包含高度线索的音频内容的任何高度扬声器。相反，扬声器机壳或扬声器阵列包括向上发射驱动器以及(一个或多个)前部发射驱动器。向上发射驱动器被配置(关于位置和倾角)为将它的声波108向上发出到天花板102上的特定的点104，在该点处声波向下反射回到收听位置106。据假设，天花板由合适的材料和组成制成，以将声音充分地向下反射到收听环境内。向上发射驱动器的相关特性(例如尺寸、功率、位置等)可以基于天花板组成、房间尺寸和收听环境的其他相关特性而被选择。

图1的实施例示出了一个或多个直接发射驱动器被封闭在第一机壳112内，而向上发射驱动器被封闭在第二分开的机壳110内的情况。用于虚拟高度扬声器的向上发射驱动器110通常被布置在直接发射驱动器112的顶部上，但是其他朝向也是可能的。应该注意，任何数目的向上发射驱动器可以组合使用，以创建多个仿真高度扬声器。可替代地，数个向上发射驱动器可以被配置为将声音发送到天花板上基本相同的点，以实现某一声音强度或效果。

图2示出了如下这样的实施例，在该实施例中(一个或多个)向上发射驱动器和(一个或多个)直接发射驱动器被设置在相同的机壳中。这样的扬声器配置可以被称为“集成”向上/直接发射扬声器系统。如图2中所示，扬声器机壳202包括直接发射驱动器206和向上发射驱动器204两者。虽然在图1和图2中的每个仅示出了一个向上发射驱动器，但是在一些实施例中，多个向上发射驱动器可以被合并到再现系统中。对于图1和图2的实施例，应该注意，依赖于所需频率响应特性、以及任何其他相关约束，诸如尺寸、额定功率、部件成本等，驱动器可以具有任何合适的形状、尺寸和种类。

如图1和图2中所示，向上发射驱动器被定位为使得它们将声音成角度地向上投射到天花板，然后声音可从天花板向下弹回到收听者。倾斜角度可以依赖于收听环境特性和系统需求而设置。例如，向上发射驱动器204可以向上倾斜为20度和60度之间，并且可以在扬声器封壳202中被放置直接发射驱动器206上方以便最小化与从直接发射驱动器206产生的声波的干扰(interference)。向上发射驱动器204可以以固定的角度安装，或它可以被安装为使得倾斜角可以被手动调节。可替代地，伺服机构可以被使用以允许自动控制或电控制向上发射驱动器的倾斜角和投射方向。对于某些声音(诸如环境声音)，向上发射驱动器可以从扬声器封壳202的上表面垂直指向上，以创建可以被称为“顶部发射”驱动器的东西。在这种情况下，依赖于天花板的声学特性，大的声音分量可以向下反射回扬声器上。但是，在多数情况下，一些倾斜角通常用于帮助使声音通过从天花板反射而投射到收听环境中的不同的或更中心的位置。

在实施例中，顶部发射扬声器安装平面以相对于水平面成18°和22°之间的角度(标称20°)向前倾斜。这在图3中示出，图3示出了在本实施例中的向上发射驱动器与直接发射驱动器的相对倾斜角度。如图300所示，直接发射驱动器310将声音沿着垂直于或基本上垂直于扬声器机壳的前部表面301(面)的直接轴线302投射到收听者。向上发射驱动器308与直接轴线偏离20°的倾斜角度。那么来自向上发射驱动器308的直接响应到收听者的对应的角度306将标称为70°。虽然示出了20°的相当精确的角度304，但是应该注意，可以使用任何类似的角度，诸如在18°到22°范围内的任何角度。在一些情况下，为了实现所需的反射声音向下到达收听者的方向性，驱动器可以被安装使得它们不被定向为相对于水平面在18°和22°之间(20°标称)。如果是这样，那么全部测量仍然相对于参考轴进行，该参考轴相对于竖直轴成20°。其他角度的使用可以依赖于某些特性，诸如天花板高度和角度、收听者位置、墙影响、扬声器功率等。

终端、连接和极性

对于在图1中示出的实施例，向上发射驱动器被包含在与直接发射驱动器112分开的机壳110中。两个驱动器(或驱动器组)通常均是单个扬声器系统的一部分。在这种情况下，分开的输入连接被提供给直接发射驱动器和向上发射驱动器。输入连接可以由被设置为扬声器的主机壳的一部分的终端连接器板提供，并且通常被安装在机壳的后表面上。图4示出了在实施例中的用于向上发射和直接发射扬声器的连接终端。如图4中所示，连接器终端400包括两组接线柱或连接器以将标准扬声器导线耦合到音频系统的放大器或输出级。一组终端(正和负)402被标记为“高度”用于连接到向上发射驱动器。另一组终端404被标记为“前部”用于连接到直接发射驱动器。对于集成的扬声器，诸如在图2中所示的，单个连接器组可以被提供用于向上发射驱动器和直接发射驱动器两者，在这种情况下，向上发射扬声器终端的极性应该与直接发射扬声器终端的极性匹配。对于附加模块扬声器产品，当正输入电压被跨终端施加(正到正，负到负)时，正输入电压应该产生从主驱动器椎体的向外压力运动。

关于额定阻抗，在实施例中，对于无源器件，向上发射驱动器的额定或标称阻抗是6Ω或更大，并且最小阻抗将不小于4.8Ω(额定阻抗的80％)。

关于灵敏度，在实施例中，对于集成的向上发射驱动器(例如图2)，使用在2.83Vrms的正弦对数扫描在向上发射扬声器参考轴上1米处产生的、在从1到5kHz的三分之一倍频带中的线性压力水平(转换成dB SPL)的均值比直接发射驱动器在它的参考轴上低不多于3dB。对于附加模块扬声器产品(例如图1)，使用2.83Vrm的正弦对数扫描在参考轴上1米处产生的、在从1到5kHz的三分之一倍频带中的平均SPL是85dB或更大。

在一个实施例中，扬声器系统的特性为连续输出SPL(声音压力水平)，使得在1米的距离处以及在向上发射驱动器的额定功率处理水平，在100Hz和15kHz之间压缩不应多于3dB。当向上发射驱动器被用在包括直接发射驱动器的集成扬声器中时，向上发射驱动器的功率处理能力应该可以比得上直接发射驱动器的功率处理能力，并且应该被以类似的方式评估。

虚拟高度滤波器

在实施例中，自适应音频系统利用向上发射驱动器来提供用于头顶音频对象的高度元素(element)。如图1和图2中所示，这通过对来自上方的反射声音的感知部分地实现。但是，在实际中，声音并不以完美定向的方式从向上发射驱动器沿着反射路径辐射。来自向上发射驱动器的一些声音将沿着直接从驱动器到收听者的路径行进。这削弱了对于来自反射位置的声音的感知。相比于期望的反射声音的这种不期望的直接声音的量通常是一个或多个向上发射驱动器的方向性图案的函数。为了补偿这种不期望的直接声音，已经示出，合并信号处理以便将可感知的高度线索引入被馈送到向上发射驱动器的音频信号中改善了虚拟高度信号的定位和感知的质量。例如，方向听觉模型已经被开发以创建虚拟高度滤波器，当该虚拟高度滤波器用于处理由向上发射驱动器再现的音频时，改善了再现的感知质量。在实施例中，虚拟高度滤波器根据相对于收听位置的反射扬声器位置(收听者上方)和物理扬声器位置(与收听者大致平齐)得出。对于物理扬声器位置，第一方向滤波器基于直接从扬声器位置行进到收听位置处的收听者耳朵的声音的模型被确定。这样的滤波器可以从诸如HRTF(头部相关传递函数)测量的数据库或参数双耳听觉模型、耳廓模型或使用帮助感知高度的提示的其他类似的传递函数模型的方向听觉模型得出。虽然考虑到耳廓模型的模型通常有用，因为它帮助定义高度怎样被感知，但是，滤波器函数不是意图隔离耳廓效应，而是处理从一个方向到另一个方向的声级的比率，并且耳廓模型是可能使用的双耳听觉模型中的一个这样的模型的示例，但是也可以使用其他模型。

接下来，这个滤波器的逆被确定并且用于移除对沿着直接从物理扬声器位置到收听者的路径行进的音频的方向性线索。接下来，对于反射扬声器位置，第二方向滤波器使用相同的方向听觉模型基于直接从反射扬声器位置到相同收听位置处的收听者的耳朵行进的声音的模型被确定。这个滤波器被直接应用，本质上赋予了在声音从收听者上方的反射扬声器位置发出的情况下耳朵将接收的方向性线索。在实践中，这些滤波器可被以允许实现如下这样的单个滤波器的方式组合：该单个滤波器既至少部分地移除来自物理扬声器位置的方向性线索，又至少部分地插入来自反射扬声器位置的方向性线索。这样的单个滤波器提供了频率响应曲线，该频率响应曲线在本文中被称为“高度滤波器传递函数”、“虚拟高度滤波器响应曲线”、“期望的频率传递函数”、“高度线索响应曲线”、或用来描述在音频回放系统中从高度声音分量过滤直接声音分量的滤波器或滤波器响应曲线的类似词语。

关于滤波器模型，如果P₁表示对来自物理扬声器位置的声音发送进行建模的第一滤波器的以dB计的频率响应，且P₂表示对来自反射扬声器位置的声音发送进行建模的第二滤波器的以dB计的频率响应，那么以dB计的虚拟高度滤波器P_T的总响应可以被表示为P_T＝α(P₂-P₁)，其中α是控制滤波器强度的缩放因子。当α＝1时，滤波器被最大限度地应用，当α＝0时，滤波器什么都不做(0dB响应)。在实践中，α基于反射声音相对于直接声音的相对平衡而被设置为在0和1之间(例如α＝0.5)。随着直接声音的水平与反射声音相比增大，α也应该增大以便更充分地将反射扬声器位置的方向性线索赋予到这个不期望的直接声音路径。但是，α不应该大到损害已经包含合适的方向性线索的、沿着反射路径行进的音频的感知音色。在实践中，已经发现，α＝0.5的值对于在向上发射配置中的标准扬声器驱动器的方向性图案有效地起作用。通常，滤波器P₁和P₂的确切值将是物理扬声器位置相对于收听者的方位角以及反射扬声器位置的高程(elevation)的函数。这个高程继而是物理扬声器位置相对于收听者的距离和在天花板高度和扬声器高度(假设收听者的头部位于与扬声器相同的高度)之间的差异的函数。

图5描绘了基于跨越大的主体(subject)集合求平均的HRTF响应的数据库从方向听觉模型得出的虚拟高度滤波器响应P_T，其中α＝1。黑线503表示在与合理的扬声器距离和天花板高度对应的一定范围的方位角和一定范围的仰角上计算的滤波器P_T。综观P_T的这些各种实例，首先注意到每个滤波器的变化的主要部分出现较高频率，高于4Hz。此外，每个滤波器在大概7kHz处呈现峰值，并且在大概12kHz处呈现凹谷。峰值和凹谷的精确水平在各种响应曲线之间变化数个dB。假设在该组响应之间的峰值和凹谷的位置接近一致，已经发现，对于大多数合理的物理扬声器位置和房间尺寸，由粗灰线给出的单个平均滤波器响应302可以用作通用高度线索滤波器。考虑到这个发现，单个滤波器P_T可以被设计用于虚拟高度扬声器，并且不需要为了得到合理性能而知道精确的扬声器位置和房间尺寸。但是，为了提高的性能，这样的知识可以被用于将滤波器P_T动态地设置为与特定的扬声器位置和房间尺寸对应的、图5中的特定的黑色曲线中的一个。

将这样的虚拟高度滤波器用于虚拟高度渲染的典型应用是在音频通过向上发射虚拟高度扬声器被播放之前，使音频由呈现图5中描绘的幅度响应中的一个(例如平均曲线502)的滤波器预处理。滤波器可以被提供为扬声器单元的一部分，或它可以是被提供为渲染器、放大器或其他中间音频处理部件的一部分的分开的部件。图6示出了根据实施例的被合并为具有向上发射驱动器的扬声器系统的一部分的虚拟高度滤波器。如图6的系统600中所示，自适应音频渲染器612输出包含分开的高度信号分量和直接信号分量的音频信号。高度信号分量意图通过向上发射驱动器618被播放，而直接音频信号分量意图通过直接发射驱动器617被播放。信号分量不必需在频率内容或音频内容方面不同，而是相反，基于存在于音频对象或信号中的高度线索被区分。对于图6的实施例，包含在渲染部件612中或以其他方式与渲染部件612相关联的高度滤波器606通过将可感知的高度线索提供到高度信号中而对可能存在于高度信号中的、任何不期望的直接声音分量进行补偿，以改善虚拟信号的定位和感知质量。这样的高度滤波器可以结合有图5中示出的参考曲线。正如与在扬声器机壳618中的可选高度滤波器部件616一起示出的，高度滤波器部件可以被合并到扬声器系统中，而不是位于渲染部件612中。这种可替代实施例允许高度滤波器函数内置到扬声器以便提供虚拟高度滤波。

在实施例中，某些位置信息被与旁路信号一起提供给高度滤波器，该旁路信号使能或禁用扬声器系统中的虚拟高度滤波器。图7A示出了根据实施例的接收位置信息和旁路信号的高度滤波器。如图7A中所示，位置信息被提供给虚拟高度滤波器712，该虚拟高度滤波器712连接到向上发射驱动器714。位置信息可以包括用于从图5中描绘的集合中选择合适的虚拟高度滤波器响应的扬声器位置和房间尺寸。此外，这个位置数据可以用于改变向上发射驱动器724的倾角，如果这样的角度被使得能够通过自动或手动方式调节的话。如图3所示，对于大多数情况有效的典型角度是近似20度。但是，正如前面讨论的，在理想情况下，该角度应该被设置为使收听位置处的反射声音与直接声音的比率最大化。如果向上发射驱动器的方向性图案是已知的，那么可以在给定精确的扬声器距离和天花板高度的情况下计算最优角度，并且如果向上发射驱动器相对于直接发射驱动器是可移动的(诸如通过铰接的机壳或伺服控制布置)，那么倾斜角可以被调节。依赖于控制电路(例如模拟、数字或机电的)的实现，这样的位置信息可以通过电信令方法、机电手段或其他类似的机制被提供。

在某些场景中，关于收听环境的附加信息可能使得需要通过手动或自动方式对倾角进一步调整。这可以包括天花板吸收性非常强或天花板不同寻常地高的情况。在这样的情况下，沿着反射路径行进的声音量可以被削弱，并且因此可能期望将驱动器进一步向前倾斜以增大来自驱动器的直接路径信号的量，以增大再现效率。正如前面解释的，随着这个直接路径分量增大，随后就期望增大滤波器缩放参数α。同样地，这个滤波器缩放参数α可以作为可变倾角以及与反射声音和直接声音的比率相关的其他变量的函数被自动设置。对于图7A的实施例，虚拟高度滤波器722还接收旁路信号，这样允许在不期望虚拟高度滤波的情况下该滤波器从电路中切出。

如图6中所示，渲染器将分开的高度和直接信号直接输出到相应的向上发射驱动器和直接发射驱动器。可替代地，渲染器可以输出由离散分离或分频电路分成高度分量和直接分量的单个音频信号。在这种情况下，来自渲染器的音频输出将由分离电路分成它的构成(constituent)高度分量和直接分量。在某些情况下，高度和直接分量不是依赖频率的，并且外部分离电路用于将音频分成高度和直接声音分量，并且将这些信号路由到合适的相应驱动器，其中虚拟高度滤波将被应用到向上发射扬声器信号。

但是，在大多数情况下，高度和直接分量可以是依赖频率的，并且分离电路包括将全带宽信号分成低分量和高分量(或带通分量)以用于发送到合适的驱动器的分频电路。这经常是最有用的情况，因为高度线索通常在高频信号中而不是在低频信号中更普遍，并且对于这个应用，分频电路可以与虚拟高度滤波器部件结合使用或集成到虚拟高度滤波器部件中以将高频信号路由到(一个或多个)向上发射驱动器，并且将低频信号路由到(一个或多个)直接发射驱动器。图7B是示出根据实施例的包括分频电路的虚拟高度滤波器系统的图。正如在系统750中所示，来自渲染器702的通过放大器(amp)(未示出)的输出是全带宽信号，并且虚拟高度扬声器滤波器708用于对被发出到向上发射驱动器712的信号赋予期望的高度滤波器传递函数。分频电路706将来自渲染器702的全带宽信号分成高频(向上)和低频(直接)分量，用于发送到合适的驱动器712(向上发射)和714(直接发射)。分频706可以与高度滤波器708集成或与高度滤波器708分开，并且这些分开的或组合的电路可以设置在信号处理链条中的任何位置，诸如在渲染器和扬声器系统之间(正如示出的)、作为链条中的放大器或预放大器的一部分、在扬声器系统本身中或作为紧密耦合到渲染器702或集成到渲染器702内的部件。分频功能可以先于或后于虚拟高度滤波功能被实现。

分频电路通常将音频分至两个或三个频带，其中被滤波的来自不同频带的音频被发出到扬声器中的合适的驱动器。例如，在双频带分频中，较低频被发出到能够忠实地再现低频的较大的驱动器(例如低音扬声器/中音扬声器)，并且较高频通常被发出到更能忠实地再现较高频的、较小的换能器(例如高音扬声器)。图8A是在实施例中的与诸如图7A中所示的虚拟高度滤波器结合使用的双频带分频滤波器的高水平电路图。参考图800，输入到分频电路802的音频信号被发出到高通滤波器804和低通滤波器806。分频802被设置或编程具有特定的截止频率，该截止频率定义了分频点。这个频率可以是静态的或它可以是可变的(例如在模拟实现中通过可变电阻电路或在数字实现中通过可变分频参数可变)。高通滤波器804截断低频信号(低于截止频率的信号)并将高频分量发出到高频驱动器807。类似地，低通滤波器806截断高频(高于截止频率的频率)并且将低频分量发出到低频驱动器808。三路分频以类似的方式运行，除了以下之外：存在两个分频点和三个带通滤波器以将输入音频信号分成三个频带用于发送到三个分开的驱动器，诸如高音扬声器、中音扬声器和低音扬声器。

分频电路802可以被实现为使用已知模拟部件(例如电容器、电感器、电阻器等)和已知电路设计的模拟电路。可替代地，它可以被实现为使用数字信号处理器(DSP)部件、逻辑门、可编程阵列的数字电路或其他数字电路。

图8A的分频电路可以用于实现至少一部分的虚拟高度滤波器，诸如图7的虚拟高度滤波器702。正如图5中看到的，大多数虚拟高度滤波发生在4kHz以上的频率处，该频率比许多双路分频的截止频率高。图8B示出了根据实施例的在高通滤波路径中实现虚拟高度滤波的双频带分频。如图820中所示，分频821包括低通滤波器825和高通滤波器824。高通滤波器是包括虚拟高度滤波器元件828的电路820的一部分。这个虚拟高度滤波器在被高通滤波的信号发送到高频驱动器830之前将期望的高度滤波器响应(诸如曲线302)应用于该被高通滤波的信号。

旁路开关826可以被提供以允许系统或用户在校准或设置操作期间对虚拟高度滤波器电路进行旁路，使得其他音频信号处理可以在不与虚拟高度滤波器干扰的情况下操作。开关826可以是滤波电路驻留于该处的扬声器或渲染部件上设置的手动的用户操作的拨动开关，或它可以是由软件控制的电子开关，或任何其他合适种类的开关。位置信息822还可以被提供给虚拟高度滤波器828。

图8B的实施例示出了与分频的高通滤波级一起使用的虚拟高度滤波器。应该注意，在可替代的实施例中，虚拟高度滤波器可以与低通滤波器一起使用，使得较低频带也可以被修改以便模仿如图5中所示的响应的较低频率。但是，在大多数实际应用中，根据存在于低频范围内的最小高度线索，分频可能是过度复杂的。

图9示出了根据实施例的图8B的双频带分频的频率响应。如图900中所示，分频具有截止频率902以创建切断截止频率902以上的频率的低通滤波器的频率响应曲线904，以及切断截止频率902以下的频率的高通滤波器的频率响应曲线906。当虚拟高度滤波器在高通滤波器级之后被应用到音频信号时，虚拟高度滤波器曲线908被叠加在高通滤波器曲线906上。

在图8B中示出的分频实现假设向上发射虚拟高度扬声器使用两个驱动器被实现，一个用于低频，一个用于高频。但是，这个配置在大多数情况下可能不是理想的。向上发射扬声器的特定的且受控制的方向性对于有效的虚拟化经常是至关重要的。例如，当实现虚拟高度扬声器时，单个换能器扬声器通常更有效。此外，更小的单个换能器(例如具有3"的直径)是优选的，因为它在较高频处更具方向性并且比更大的换能器更实惠。

在实施例中，向上发射驱动器可以包括不同尺寸和/或特性的两个或多个扬声器的对或阵列。图10示出了根据实施例的用于与虚拟高度滤波器一起使用的各种不同的向上发射和直接发射驱动器配置。如图10中所示，向上发射扬声器可以包括两个驱动器1002和1004，这两个驱动器均安装在相同的机壳1001中以便以相同的角度向上发射。依赖于应用需要，驱动器可以具有相同的配置或它们可以具有不同的配置(尺寸、功率、频率响应等)。向上发射(UF)音频信号被发送到这个扬声器1001，并且内部处理可以用于发出合适的音频到驱动器1002和1004中的任一个或两者。正如在扬声器1010中示出的，在可替代实施例中，向上发射驱动器中的一个(例如1004)可以与其他的驱动器成不同的角度。在这种情况下，向上发射驱动器1004被定向为从机壳1010基本上向前发射出去。应该注意，任何合适的角度可以被选择用于驱动器1002和1004中的任一个或两者，并且扬声器配置可以包括任何合适数目的、各种种类的(锥形、带状、喇叭状等)驱动器或驱动器阵列。在实施例中，向上发射扬声器1001和1002可以被安装在向前或直接发射扬声器1020上，该向前或直接发射扬声器1020包括将声音从主机壳直接发送出去的一个或多个驱动器1020。这个扬声器接收与UF音频信号分开的主音频输入信号。

图8C示出了根据实施例的将向上发射和前部发射扬声器分频滤波器网络组合以与不同的高频驱动器(诸如图10中示出的)一起使用的分频。图8000示出了如下这样的实施例：分开的分频被提供给前部扬声器和虚拟高度扬声器。直接发射扬声器分频8012包括馈送低频驱动器8020的低通滤波器8016和馈送高频驱动器8018的高通滤波器8014。虚拟高度扬声器分频8002包括低通滤波器8004，该低通滤波器8004通过与分频8012中的低通滤波器8016的输出组合也馈送低频驱动器8020。虚拟高度分频8002包括合并了虚拟高度滤波器功能8008的高通滤波器8006。这个部件8007的输出馈送高频驱动器8010。驱动器8010是向上发射驱动器，并且典型地是比直接发射低频驱动器8020小并且可能与直接发射低频驱动器8020具有不同组成(composition)的驱动器。作为示例，对于面向前部的驱动器低频驱动器8020的有效频率范围可以被设置为从40Hz到2Khz，对于面向前部的高频驱动器8018的有效频率范围可以被设置为从2Khz到20kHz，并且对于向上发射高频驱动器8010的有效频率范围可以被设置为从400Hz到20kHz。

将如图10所示的向上和直接发射驱动器的分频网络组合有数个益处。首先，优选的较小的驱动器将不能有效地再现较低频，并且可能实际上在响亮的水平失真。因此，将低频进行滤波并重定向到直接发射驱动器的低频驱动器将允许更小的单个扬声器被用于虚拟高度扬声器并导致更高的保真度。此外，研究表明，对于400Hz以下的音频信号几乎没有虚拟高度效应，所以仅将较高频发出到虚拟高度扬声器1010代表那个驱动器的最优使用。

扬声器传递函数

在实施例中，无源或有源高度线索滤波器被应用以创建目标传递函数以便优化高度反射的声音。包括高度线索滤波器的系统频率响应(通过全部被包括的部件被测量)通过使用正弦对数扫描在参考轴上1米处被测量，并且与使用六分之一倍频带(octave)的最大平滑的目标曲线相比，在从180Hz到5kHz处必须具有±3dB的最大误差。此外，相对于从1000到5000Hz的均值，应该在7kHz处具有不小于1dB的峰值，并且在12kHz处具有不多于–2dB的最小值。在这两个点之间提供单调的关系可以是有利的。对于向上发射驱动器，低频响应特性应该遵循具有180Hz的截止频率和0.707的品质因数的二阶高通滤波器的低频响应特性。具有低于180Hz的拐角的滚降(rolloff)是可接受的。在90Hz处，响应应该大于–13dB。自供电系统应该以使用正弦对数扫描在参考轴上1米处产生的从1到5kHz的86dB的三分之一倍频带中的平均SPL进行测试。图11是示出在实施例中的用于向上发射扬声器系统的目标传递函数1102的图。

关于扬声器方向性，在实施例中，向上发射扬声器系统需要在参考轴和直接响应轴两者上测量的、向上发射驱动器的相对频率响应。直接响应传递函数通常使用正弦对数扫描以相对于参考轴成+70°的角度在1米处测量。高度线索滤波器被包括在两个测量两者中。参考轴响应与直接响应的比率在5kHz处应该是至少5dB，并且在10kHz处应该是至少10dB，并且建议这两点之间为单调关系。图12A示出了麦克风1204相对于向上发射扬声器系统1202的布置，以测量向上发射和直接发射驱动器的相对频率响应；并且图12B示出了在实施例中的在指示的测量位置1214处的参考轴响应1212和直接响应。以上表示在实施例中的用于向上发射扬声器系统的一些示例性测试和配置数据，并且其他变型也是可能的。

使用虚拟高度扬声器进行房间校正

正如上面所讨论的，将虚拟高度滤波添加到虚拟高度扬声器添加了可感知提示到音频信号，这样添加或改善了到向上发射驱动器的高度的感知。将虚拟高度滤波技术合并到扬声器和/或渲染器中可能需要考虑由回放设施执行的其他音频信号处理。一个这样的处理是房间校正，房间校正在市售AVR中是普遍的。房间校正技术利用放置在收听环境中的麦克风以测量通过带有连接的扬声器的AVR回放的音频测试信号的时间和频率响应。测试信号和麦克风测量的目的是测量并补偿数个关键因数，诸如房间和环境对于音频的声学影响，包括房间节点(零值(null)和峰值)、回放扬声器的非理想频率响应、在多个扬声器和收听位置之间的时间延迟、以及其他类似的因数。自动频率均衡和/或音量补偿(volumecompensation)可以被应用到信号以克服由房间校正系统检测到的任何影响。例如，对于前两个因数，通常使用均衡化以修改通过AVR/扬声器系统回放的音频，以便调节音频的频率响应幅度，使得房间节点(峰值和凹谷)和扬声器响应的不精确性被校正。

如果虚拟高度扬声器在系统中(通过向上发射扬声器)被使用并且虚拟滤波被启用，那么房间校正系统可以将虚拟高度滤波器检测为房间节点或扬声器异常，并且尝试将虚拟高度幅度响应均衡为平坦的。如果虚拟高度滤波器呈现出显著的高频陷波，诸如当倾角相对高时，那么这种尝试的校正特别引人注目。虚拟高度扬声器系统的实施例包括防止房间校正系统使虚拟高度滤波失效的技术和部件。图13是在实施例中的包括房间校正和虚拟高度扬声器检测能力的虚拟高度渲染系统的框图。正如在图1300中所示，AVR或其他渲染部件1302被连接到结合有虚拟高度滤波器处理1308的一个或多个虚拟高度扬声器1306。这个滤波器产生可能对于房间校正1304或由渲染器1302执行的其他异常补偿技术敏感的频率响应。

在实施例中，房间校正补偿部件包括部件1305，部件1305允许AVR或其他渲染部件检测到虚拟高度扬声器连接到它。一个这样的检测技术是将一个种类的扬声器指定为虚拟或非虚拟高度扬声器的扬声器定义和房间校准用户接口的使用。现存的音频系统经常包括要求用户指定每个扬声器位置中的扬声器尺寸(诸如小、中、大)的接口。在实施例中，虚拟高度扬声器种类被添加到这个定义组。因而，系统可以通过附加的数据元素(诸如小、中、大、虚拟高度等)预料虚拟高度扬声器的存在。在可替代的实施例中，虚拟高度扬声器可以包括信令硬件，该信令硬件声明它是虚拟高度扬声器而不是非虚拟高度扬声器。在这种情况下，渲染设备(诸如AVR)可以探测扬声器并且寻找关于是否任何特定的扬声器结合了虚拟高度技术的信息。这个数据可以经由定义的通信协议被提供，该通信协议可能是无线、直接数字连接的、或经由使用现存的扬声器线或分开的连接的专用模拟路径。在另外的可替代实施例中，可以通过使用测试信号和测量步骤执行检测，该测试信号或测量步骤被配置或修改以识别扬声器中虚拟高度滤波器的独特频率特性，并且确定虚拟高度扬声器经由对被测量的测试信号的分析被连接。

一旦具有房间校正能力的渲染设备检测到连接到系统的(一个或多个)虚拟高度扬声器的存在，那么校准处理1305被执行以正确地校准该系统而不对虚拟高度滤波功能1308产生不利影响。在一个实施例中，可以使用如下这样的通信协议执行校准：该通信协议允许渲染设备使得虚拟高度扬声器1306旁路虚拟高度滤波处理1308。如果扬声器是活动的并且可以旁路该滤波，那么这可以做到。旁路函数可以被实现为用户可选择开关，或它可以被实现为软件指令(例如如果滤波器1308在DSP中实现)或实现为模拟信号(例如如果滤波器被实现为模拟电路)。

在可替代实施例中，可以使用预加重滤波执行系统校准。在这个实施例中，房间校正算法1304对它生成并且输出到扬声器以用于在校准处理中使用的测试信号执行预加重滤波。图14是显示根据实施例的用于校准的预加重滤波的效果的图。绘图1400示出了对于虚拟高度滤波器1404的典型频率响应，和互补的预加重滤波器频率响应1402。预加重滤波器被应用到在房间校准处理中使用的音频测试信号，使得当通过虚拟高度扬声器回放时，滤波器的效应被消除，正如由绘图1400的高频范围内的两个曲线1402和1404的互补的绘图示出的那样。用这种方式，校准将被应用，仿佛使用正常的、非虚拟高度扬声器那样。

在另外的可替代实施例中，可以通过将虚拟高度滤波器响应添加到校准系统的目标响应来执行校准。在这两种情况的任一种中(目标响应修改或预加重滤波)，用于修改校准步骤的虚拟高度滤波器可以被选择以精确地匹配在扬声器中使用的滤波器。但是，如果与扬声器一起使用或在扬声器内部的虚拟高度滤波器是通用滤波器，该通用滤波器没有做为扬声器位置和房间尺寸的函数被修改，那么相反，校准系统可以选择与实际位置和尺寸对应的虚拟高度滤波器响应，如果这样的信息对于系统是可用的话。用这种方式，校准系统应用这样的校正，该校正等同于在扬声器中使用的通用响应和更精确的、依赖于位置的虚拟高度滤波器响应之间的差异。在这个混合系统中，扬声器中的固定的滤波器提供了良好的虚拟高度效果，并且AVR中的校准系统使用收听环境的更多知识进一步细化了这个效果。

图15是示出根据实施例的在自适应音频系统中执行虚拟高度滤波的方法的流程图。图15的过程示出了由图13中示出的部件执行的功能。过程1500由将一个或多个测试信号发出到带有内置虚拟高度滤波的虚拟高度扬声器，即行动1502开始。内置的虚拟高度滤波产生频率响应曲线(诸如在图7中所示)，该频率响应曲线可以被视为将由任何房间校正处理校正的异常。在行动1504中，系统检测虚拟高度扬声器的存在，使得由于应用房间校正方法导致的任何修改可以被校正或补偿以允许虚拟高度扬声器的虚拟高度滤波操作，即行动1506。

扬声器系统和电路设计

如上所述，虚拟高度滤波器可以在扬声器中独立地或者与分频电路一起或作为分频电路的一部分来实现，该分频电路依赖于分频设计将输入音频频率分成高频带和低频带或更多。这些电路中的任何一个可以被实现为实现FIR(有限脉冲响应)或IIR(无限脉冲响应)滤波器的数字DSP电路或其他电路以近似虚拟高度滤波器曲线，诸如在图5中示出的。分频、分离电路和/或虚拟高度滤波器中的任何一个可以被实现为无源或有源电路，其中有源电路需要单独的电源以运行，并且无源电路使用由其他系统部件或信号提供的电源。

对于其中高度滤波器或分频被设置为扬声器系统(机壳加上驱动器)的一部分的实施例，这个部件可以在模拟电路中实现。图16A是示出在实施例中的模拟虚拟高度滤波器电路的电路图。电路1600包括虚拟高度滤波器，该虚拟高度滤波器包括模拟部件的连接，其值被选择为近似曲线502的等同值，对于具有到18kHz的标称平坦响应的3英寸6欧姆扬声器，缩放参数α＝0.5。这个电路的频率响应在图16B中作为黑色曲线1622，与灰色的期望的曲线1624一起被描绘。图16的示例电路1600意图表示用于虚拟高度滤波器电路的可能的电路设计或布局的仅一个示例，并且其他设计是可能的。

图17A描绘了用于在应用DSP或有源电路的被供电(powered)扬声器中使用的高度线索滤波器的数字实现。滤波器被实现为四阶IIR滤波器，其系数对于48kHz的采样率被选择。这个滤波器可以通过本领域的技术人员公知的方式可替代地被转换成等同的有源模拟电路。图17B描绘了这个滤波器的示例频率响应曲线1724以及期望的响应曲线1722。

图18是示出在实施例中的可以与虚拟高度滤波器电路一起使用的模拟分频电路的电路图。图18示出了可以用于直接发射低音扬声器和高音扬声器的标准类型的分频电路。虽然特定的部件连接和值在图18中示出，但是应该注意，其他实现变型也是可能的。

在对于家庭剧院或类似收听环境实现虚拟高度滤波的自适应音频系统中使用的扬声器可以使用基于现存的环绕声配置(例如5.1、7.1、9.1等)的配置。在这种情况下，根据已知的环绕声惯例提供并定义数个驱动器，其中对于向上发射声音部件提供附加的驱动器和定义。向上发射和直接发射驱动器可被以具有不同的独立驱动器单元和驱动器组合的各种不同的配置被封装在单一的机壳中。图19示出了在实施例中的使用虚拟高度滤波的用于反射声音应用的向上和直接发射扬声器的配置。在扬声器系统1900中，机壳包含直接发射驱动器，该直接发射驱动器包括低音扬声器1904和高音扬声器1902。向上发射驱动器1906被部署以将信号从机壳的顶部发送出去用于从收听房间的天花板反射。正如在前面描述的，倾角可以被设置为任何合适的角度，诸如20度，并且驱动器1906可以相对于这个倾角被手动或自动地移动。声音吸收泡沫体1910或任何类似的阻挡材料可以被包括在向上发射驱动器端口中以将这个驱动器与扬声器系统的其余部分声学隔离。图19的配置仅意图提供示例例证，并且许多其他配置是可能的。机壳尺寸、驱动器尺寸、驱动器种类、驱动器布置和其他扬声器设计特性全部可以基于音频内容、渲染系统和收听环境的需求和限制以不同的方式被配置。

扬声器机壳的尺寸和构造材料可以依赖于系统需求而定制，并且许多不同配置和尺寸是可能的。例如，在实施例中，机壳可以由中密度纤维板(MDF)或其他材料(诸如木材、玻璃纤维、有机玻璃等)制成；并且它可以被制造为任何合适的厚度，诸如对于MDF机壳的0.75”(19.05mm)。扬声器可以被配置为具有符合书架式扬声器、落地式扬声器、桌面扬声器的尺寸，或任何其他合适的尺寸。图20是在图19中示出的扬声器的侧视图，其中一些示例尺寸以毫米提供。在图20中提供的说明仅是为了示例例证，并且许多其他适合的尺寸是可能的。在示例实施例中，图20的侧视图示出扬声器的内部结构，正如示出的，向上发射扬声器2006凹陷到封壳2002的顶部内，允许扬声器以20°的向上的角度(或任何其他合适的角度)发射。内部隔板2004提供了对于主系统低音扬声器2008和向上发射驱动器2006的声学隔离和加载。

如图19所示，声音吸收泡沫体用于向上发射驱动器周围的扬声器机壳的凹陷区域中，以减小驻波和衍射效应，有效地平滑化驱动器的频率响应。图21A是在实施例中的具有至少部分地环绕向上发射驱动器2102的声音吸收泡沫体2104的扬声器机壳2106的详细示例。图21B仅示出了在实施例中的向上发射驱动器和声音吸收泡沫体。由于机壳的上部成角度的事实，声音吸收泡沫体2104被示出为部分地环绕向上发射驱动器。可替代地，依赖于声学特性，泡沫体可以被配置为完全环绕该驱动器，或可以仅沿着驱动器的某些周边被布置。依赖于扬声器尺寸约束和声学需求，可以使用任何合适的材料和厚度的泡沫体。

对于扬声器系统1900的向上发射(顶部发射)、直接发射和高音扬声器可以使用任何种类的合适的换能器。下面的表1列举了在实施例中的用于每个驱动器的一些示例换能器种类。应该注意，这仅是示例，并且其他换能器种类和尺寸也是可能的。

表1

在典型的自适应音频环境中，数个扬声器封壳将被容纳在收听环境中。这允许用户容易地将高度使能的扬声器插入标准环绕声配置中，并且实现高度精确的高度图像而无需执行复杂的天花板扬声器的安装。图22示出了在收听环境中具有向上发射驱动器和虚拟高度滤波器部件的扬声器的示例布置。正如图22中所示，收听环境2200包括四个单独扬声器2202，每个具有至少一个前部发射、侧部发射和向上发射驱动器。收听环境还可以包含用于环绕声应用(诸如中心扬声器和低音炮或LFE(低频元件))的固定的驱动器。正如在图22中可以看到的，依赖于收听环境和相应的扬声器单元的尺寸，扬声器2202在收听环境中的合适的布置可以提供由来自该数个向上发射驱动器的从天花板反射声音而产生的丰富的音频环境。依赖于内容、收听环境尺寸、收听者位置、声学特性和其他相关参数，扬声器可以旨在提供从天花板平面上的一个或多个点的反射。

正如前面所述，向上发射扬声器的最优角度是导致到收听者上有最大反射能量的虚拟高度驱动器的倾角。在实施例中，这个角度是相对于扬声器的距离和天花板高度的函数。虽然通常天花板高度对于特定的房间中的全部虚拟高度驱动器将是相同的，但是虚拟高度驱动器可能不与收听者或收听位置106等距。虚拟高度扬声器可以用于不同的功能，诸如直接投射和环绕声功能。在这种情况下，对于向上发射驱动器的不同的倾角可以被使用。例如，环绕虚拟高度扬声器可以依赖于内容和房间条件被设置为与前部虚拟高度驱动器相比成较浅(shallower)或较陡(steeper)的角度。此外，不同的α缩放因数可以用于不同的扬声器，例如用于环绕虚拟高度驱动器与前部高度驱动器。同样，不同的形状幅度响应曲线可以用于应用到不同扬声器的虚拟高度模型。因而，在具有多个不同虚拟高度扬声器的部署系统中，扬声器可以被定向为成不同的角度和/或用于这些扬声器的虚拟高度滤波器可以呈现出不同的滤波器曲线。

通常，在本文中描述的包括虚拟高度滤波技术的向上发射扬声器可以用于从硬质天花板表面反射声音以仿真放置在天花板中的头顶/高度扬声器的存在。自适应音频内容的引人注目的属性是使用头顶扬声器阵列再现空间分集的音频。但是，如上所述，在许多情况下，安装头顶扬声器在家庭环境中太贵或不切实际。通过使用通常在水平面中放置的扬声器仿真高度扬声器，可以创建引人注目的3D体验，且易于放置扬声器。在这种情况下，自适应音频系统正在以新的方式使用向上发射/高度仿真驱动器，因为音频对象及其空间再现信息正被用于创建由向上发射驱动器再现的音频。虚拟高度滤波部件帮助调和或最小化高度线索，与反射的声音相比，该高度线索可以直接发送到收听者，使得高度的感知由头顶反射信号合适地提供。

本文中描述的系统的方面可以在合适的基于计算机的声音处理网络环境中实现用于处理数字或数字化的音频文件。自适应音频系统的部分可以包括一个或多个网络，该一个或多个网络包括任何期望数目的单独机器，包括用于缓冲和路由在计算机之间传输的数据的一个或多个路由器(未示出)。这样的网络可以建立在各种不同的网络协议上，并且可以是互联网、广域网(WAN)，局域网(LAN)或其任何组合。

部件、块、过程或其它功能部件中的一个或多个可以通过对系统的基于处理器的计算设备的运行进行控制的计算机程序来实现。还应该注意，就其行为、寄存器传递、逻辑部件和/或其它特性而言，本文中公开的各种功能可以使用硬件、固件的任何数目的组合被描述，和/或被描述为在各种机器可读或计算机可读介质中实现的数据和/或指令。在其中实现这样的格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括但不限于各种形式的物理(非暂时性)、非易失性存储介质，诸如光、磁或半导体存储介质。

除非上下文明确地要求为其他方式，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等将被解释为包含的意义，而不是排他的或穷尽的意义；也就是说，解释为“包括但不限于”的意义。使用单数或复数数目的词语也分别包括复数或单数数目。此外，词语“本文”、“下文”、“上方”、“下方”以及类似含义的词语指的是这个应用的整体而不是这个应用的任何特定的部分。当词语“或”用于引用两个或多个术语的列表时，那个词语覆盖下面对该词的解释的全部：在列表中的术语中的任何一个，在列表中的术语的全部和在列表中的术语的任何组合。

虽然一个或多个实现已经以示例的方式并且就特定的实施例而言被描述，但是，应该理解，一个或多个实现不限于公开的实施例。相反，正如本领域的技术人员所清楚的，它意图覆盖各种修改和类似的布置。因此，所附权利要求的范围应该给予最广泛的解释以便包含全部这样的修改和类似的布置。

Claims (34)

1.一种用于发送声波的扬声器，该声波将从收听环境的上表面被反射，该扬声器包括：

机壳；

直接发射驱动器，位于所述机壳内部，并被定向为沿着与所述机壳的前部表面基本垂直的水平轴发送声音；

向上发射驱动器，被定向为被设置为使收听位置处的反射声音与直接声音的比率最大化的且相对于水平轴成18度到22度之间的倾角，其中关于向上发射驱动器的直接响应的对应角度相对于水平轴成70度；

终端板，被固定到所述机壳的外侧，具有分开的与所述直接发射驱动器和所述向上发射驱动器的输入连接；

虚拟高度滤波器电路，将频率响应曲线应用到被发送到向上发射驱动器的信号以创建目标传递曲线，其中虚拟高度滤波器电路对存在于直接发送通过收听环境的声波中的高度线索进行补偿，有利于存在于从收听环境的上表面反射的声音中的高度线索，并且其中虚拟高度滤波器的缩放参数作为所述倾角以及与所述反射声音与直接声音的比率相关的其他变量的函数被自动设置；以及

分频电路，具有被配置为将低于阈值频率的低频信号发送到直接发射驱动器的低通部分，以及被配置为将高于阈值频率的高频信号发送到向上发射驱动器的高通部分，其中所述高通部分与虚拟高度滤波器集成，使得在高频信号被发送到向上发射驱动器之前，虚拟高度滤波器将频率响应曲线应用于高频信号，

其中，被发送到所述直接发射驱动器的所述低频信号是从所述低通部分中的低通滤波器输出的低频信号与从所述高通部分中的低通滤波器输出的低频信号的组合。

2.如权利要求1所述的扬声器，其中向上发射驱动器嵌入所述机壳的顶部表面内并被配置为从收听环境的天花板上的反射点反射声音。

3.如权利要求2所述的扬声器，还包括声音吸收泡沫体，所述声音吸收泡沫体放置在机壳的顶部表面的凹陷区域中并且至少部分地围绕向上发射驱动器设置以减小驻波和衍射效应并且帮助平滑化向上发射驱动器的频率响应。

4.如权利要求1所述的扬声器，还包括跨机壳的内腔放置的内架以提供在向上发射驱动器和直接发射驱动器之间的声学分离。

5.如权利要求1所述的扬声器，其中，终端板包括：

第一组输入终端接合连接器，用于将音频系统连接到直接发射驱动器；及

第二组输入终端接合连接器，用于将音频系统连接到向上发射驱动器。

6.如权利要求5所述的扬声器，其中第一组输入终端接合连接器的极性等于第二组输入终端接合连接器的极性。

7.如权利要求1所述的扬声器，其中向上发射驱动器具有6ohm或更大的额定阻抗，以及至少4.8ohm的最小阻抗。

8.如权利要求7所述的扬声器，其中在沿着水平轴1米距离处以及在向上发射驱动器的额定功率处理水平，在100Hz到15kHz之间有不多于3dB的压缩。

9.如权利要求1所述的扬声器，其中向上发射驱动器的低频响应特性遵循具有180Hz的目标截止频率和0.707的品质因数的二阶高通滤波器的低频响应特性。

10.如权利要求1所述的扬声器，其中直接响应传递函数在沿着水平轴1米距离处以相对于水平轴成70度的角度使用正弦对数扫描方法被测量，并且其中，70度角响应与直接响应的比率在5kHz处至少是5dB，在10kHz处至少是10dB。

11.如权利要求1所述的扬声器，其中机壳由0.75英寸厚的中密度纤维板(MDF)制成。

12.如权利要求1所述的扬声器，其中向上发射驱动器和直接发射驱动器被封闭在外壳内作为集成的虚拟高度扬声器系统，并且其中通过使用在2.83Vrms的正弦对数扫描在由来自向上发射驱动器的声音投射限定的参考轴上、在沿着水平轴1米的距离处产生的、从1至5kHz的三分之一倍频带中的线性压力水平的均值比直接驱动器沿着水平轴低不多于3dB。

13.如权利要求1所述的扬声器，还包括被放置在封闭直接发射驱动器的直接发射驱动器机壳的上表面上的、封闭向上发射驱动器的向上发射驱动器机壳。

14.一种用于将声波从房间天花板反射到房间中的收听位置的扬声器系统，包括：

机壳；

直接发射驱动器，在机壳内部并且被定向为将声音沿着与机壳的前部表面基本垂直的水平轴发送；

向上发射驱动器，嵌入机壳的顶部表面内的凹部中，并且被配置为使声音从天花板上的反射点反射，其中所述向上发射驱动器被定向为被设置为使收听位置处的反射声音与直接声音的比率最大化的且相对于水平轴成18度到22度之间的倾角，并且其中关于向上发射驱动器的直接响应的对应角度相对于水平轴成70度；

虚拟高度滤波器电路，将频率响应曲线应用到被发送到向上发射驱动器的信号以创建如下这样的目标传递曲线：该目标传递曲线通过至少部分地移除来自扬声器位置的方向性线索并且至少部分地插入来自反射点的方向性线索而对存在于被直接发送通过房间的声波中的高度线索进行补偿，有利于存在于从天花板反射的声音中的高度线索，并且其中虚拟高度滤波器的缩放参数作为所述倾角以及与所述反射声音与直接声音的比率相关的其他变量的函数被自动设置；以及

分频器，具有被配置为将低频信号发送到直接发射驱动器的低通部分和被配置为将高频信号发送到向上发射驱动器的高通部分，其中所述高通部分与虚拟高度滤波器集成，使得在高频信号被发送到向上发射驱动器之前，虚拟高度滤波器将频率响应曲线应用于高频信号，

其中，被发送到所述直接发射驱动器的所述低频信号是从所述低通部分中的低通滤波器输出的低频信号与从所述高通部分中的低通滤波器输出的低频信号的组合。

15.如权利要求14所述的扬声器系统，还包括被固定到具有分开的与直接发射驱动器和向上发射驱动器的输入连接的机壳外侧的终端板。

16.如权利要求14所述的扬声器系统，其中向上发射驱动器被封闭在第一扬声器机壳中，并且前部发射驱动器被封闭在第二扬声器机壳中。

17.如权利要求14所述的扬声器系统，其中向上发射驱动器和前部发射驱动器被封闭在单一扬声器机壳中。

18.如权利要求16所述的扬声器系统，还包括声音吸收泡沫体，该声音吸收泡沫体被放置在机壳的顶部表面的凹陷区域中并且被至少部分地围绕向上发射驱动器设置以减小驻波和衍射效应并且帮助平滑化向上发射驱动器的频率响应。

19.如权利要求14所述的扬声器系统，其中向上发射扬声器具有6ohm或更大的额定阻抗，以及至少4.8ohm的最小阻抗。

20.如权利要求19所述的扬声器系统，其中在沿着水平轴1米距离处以及在向上发射驱动器的额定功率处理水平，在100Hz到15kHz之间有不多于3dB的压缩。

21.如权利要求20所述的扬声器系统，其中向上发射驱动器的低频响应特性遵循具有180Hz的目标截止频率和0.707的品质因数的二阶高通滤波器的低频响应特性。

22.如权利要求21所述的扬声器系统，其中直接响应传递函数在沿着水平轴1米距离处以相对于水平轴成70度的角度使用正弦对数扫描方法被测量，并且其中70度角响应与直接响应的比率在5kHz处至少是5dB，在10kHz处至少是10dB。

23.如权利要求14所述的扬声器系统，其中机壳由0.75英寸厚的中密度纤维板(MDF)制成。

24.一种用于从扬声器生成音频场景的方法，该方法包括：

接收第一音频信号和第二音频信号；

将第一音频信号路由到扬声器的直接发射驱动器；及

将第二音频信号路由到扬声器的向上发射驱动器，其中所述向上发射驱动器被定向为被设置为使收听位置处的反射声音与直接声音的比率最大化的且相对于由所述直接发射驱动器定义的水平轴成18度到22度之间的倾角，并且其中关于向上发射驱动器的直接响应的对应角度相对于水平轴成70度；其中第一音频信号和第二音频信号分别是表示直接音频内容和扩散音频内容的物理上离散的信号，

其中，分频函数被应用到第一音频信号和第二音频信号，该分频函数具有被配置为将低频带信号发送到直接发射驱动器的低通过程和被配置为将高频带信号发送到向上发射驱动器的高通过程，其中定义的频率阈值区分低频带和高频带，并且

其中，虚拟高度滤波器频率响应曲线被应用到经分频的高频带信号以对存在于直接发送通过房间的声波中的高度线索进行补偿，有利于存在于从房间的天花板反射的声音中的高度线索，并且其中虚拟高度滤波器的缩放参数作为所述倾角以及与所述反射声音与直接声音的比率相关的其他变量的函数被自动设置，

其中，被发送到所述直接发射驱动器的所述低频带信号是所述低通过程中从低通滤波器输出的低频信号与所述高通过程中从低通滤波器输出的低频信号的组合。

25.如权利要求24所述的方法，其中扩散音频内容包括基于对象的音频，该基于对象的音频具有代表在包含扬声器的房间中位于收听者上方的视在源所发出的声音的高度线索。

26.如权利要求25所述的方法，还包括将向上发射驱动器定向为相对于由前部发射驱动器定义的水平角度成定义的倾斜角，以便将声音向上发射到房间的天花板上的反射点，使得它向下反射到房间中的与扬声器相距一段距离的收听区域。

27.如权利要求25所述的方法，其中定义的倾斜角在18度和22度之间。

28.如权利要求24所述的方法，还包括：

接收来自渲染音频场景的音频处理系统的第一音频信号以用于通过附接到扬声器的终端的第一组连接器路由到直接发射驱动器；及

接收来自音频处理系统的第二音频信号以用于通过终端的第二组连接器路由到向上发射驱动器。

29.如权利要求28所述的方法，其中第一组连接器的极性等于第二组连接器的极性。

30.如权利要求24所述的方法，其中向上发射驱动器被封闭在第一扬声器机壳中，并且前部发射驱动器被封闭在第二扬声器机壳中。

31.如权利要求24所述的方法，其中向上发射驱动器和前部发射驱动器被封闭在单一扬声器机壳中。

32.一种用于从扬声器生成音频场景的设备，所述设备包括：

处理器；和

计算机可读存储介质，存储有程序指令，所述程序指令在被执行时使得所述处理器执行如权利要求24-31中任一项所述的方法。

33.一种包括用于执行如权利要求24-31任一项所述的方法的部件的装置。

34.一种在其上存储有程序指令的计算机可读存储介质，所述程序指令在被执行时使得执行设备执行如权利要求24-31中任一项所述的方法。

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