CN107113492A - 提供定制声音分布的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供定制声学波前的扬声器系统，所述声学波前具有竖直和水平式样控制与振幅和相控制，所述系统包括一扬声器外壳(1)，所述外壳内至少一第一阵列(2)的高频驱动片段(3)和至少一第二阵列(4)的低频驱动片段(5)，所述第二阵列设置在所述第一阵列(2)之后，所述第一阵列的所述驱动片段(3)之间有足够的空间允许声学透明，因此来自所述第二阵列(4)的波前可以合理地通过所述第一阵列(2)。

Description

提供定制声音分布的方法和装置
技术领域
本发明涉及声音系统，具体但不排它地来说，本发明公开了一种提供声音的定制空间分布的装置和一种控制这样的装置的空间分布以处理各种聆听情形的方法。
背景技术
为了最大化音质，目前公知的是提供双路(有分别的高频和低频驱动)和更多路的扩音器，其具有对声音的静态(或机械)控制或者对声音弥散参数的单个维度(通常为竖直维度，但是扬声器的旋转可以改变这一单个维度以与水平维度相关)的动态控制。但是，第二维度(通常为水平维度)的弥散角度目前受限于双路扬声器的内置机械(静态或固定的)参数。另外，传统的现有技术的双路扬声器中高频驱动仅仅以单线式设置在低频驱动旁或之上。这些机械限制仅允许传统的双路扬声器仅仅在单个维度扩大和适配。
在一些情形，二维设置的有限带宽的驱动(driver)可以用作单路扬声器；但是，由于驱动大小和驱动性能的让步，这种技术不支持高保真全带宽音频。因此，现有技术的音频系统不能提供在包括高频和低频的整个音频带宽的、跨竖直和水平面的、控制的动态适配的二维波前(wavefront)。
在将差分控制信号发送给多驱动系统的多个单独的扬声器的情形，传统的现有技术可以包括：
(i)通过对扬声器阵列应用线性变化的延迟来改变声音方向，
(ii)通过对扬声器阵列应用二次方变化的延迟来聚焦或散焦所述声音，和
(iii)通过人工变化所述多个单独的扬声器的参数来试探性实现近似的声音分布。
在远场限制下，声波方程简化为傅里叶变换。
在这一情形，可以看到方向的变化通过傅里叶移位特性实现
其中，λ为声音的波长，
s＝sin(θ)/λ(θ为扬声器法向的角维持(angular subtenance))，
a为线性延迟(定义为偏转角的正弦)，和
F为f的傅里叶变换：
通过应用焦距为b的菲涅尔透镜的等同相来实现聚焦(散焦)：
但是，这三个方法(i，i，和iii)对于天然不对称存在的大多数环境(例如礼堂或体育馆)是不足的。因此需要其他技术。可以使用傅里叶变换，但是由于听众处的延迟模糊不清，这常常是不够的。这意味着没有一个独特的方案，但是有许多方案；这个问题会延伸为确定哪个方案是最佳方案(方案通常指明单独扬声器的衰减，因此失去利用所有可用能量的效率，另外，由于s是λ的函数，也需要考虑频率依赖性)。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种扬声器系统，用于提供定制的声学波前，所述声学波前带有竖直和水平式样控制与振幅和相控制，所述系统包括一扬声器外壳，所述扬声器外壳内有至少一第一阵列的高频驱动片段(高频扬声器)和至少一第二阵列的低频驱动片段(低频扬声器)，所述第二阵列设置在所述第一阵列之后，所述第一阵列的所述驱动片段之间有足够的空间允许声学透明，因此来自所述第二阵列的波前可以通过所述第一阵列。
根据本发明的一个方面，公开了一种将上述的改变方向和聚焦的方法(i和ii)延伸为进一步包括改变所述声音分布的不对称性的方法。这也使用应用到所述扬声器阵列的延迟。
具体来说，公开了一种方法，其包括根据方程(1)和(3)提供线性和二次方延迟的初始步骤，以改变波束的方向或其传播。随后，应用根据方程(4)的延迟来改变不对称性。
方程(4)利用亚理函数(Airy function)的特性，其傅里叶变换形式为立方相项。添加立方的延迟的效果因此会引起亚理函数在远场的卷积：相应地在声音的分布引入一偏斜。亚理函数和狄拉克分布(Dirac distribution)在相函数的代数转换中的独特性使得模拟它们的行为更直接。
根据本发明的又一个方面，公开了一种计算要应用至一阵列的扬声器的额外延迟的方法，其中(除了线性、二次方和三次方项)延迟的组分确定为一傅里叶系列，以平滑声音分布的空间变化中的波纹和/或提高声音分布的频率相关的一致性。
以余弦项为例结合的相项由下式给出：
其中，Δ是特定周期性函数的振幅，Λ是其周期。其中，延迟为括弧内的项的负值。方程的(5)的傅里叶变换如下：
其中，δ是狄拉克三角函数，其在变量为零时等于1而在变量不为零时等于0。这看作产生偏移如下角度的空间分布的额外谐波：
所述傅里叶系列可以通过选择Λ使得θn匹配空间分布中的任何振荡的半周期来基于声波的空间分布的分析来计算。Λ选择使得振荡最小。这种分析可以通过任何谐波分析(例如傅里叶变换、短时快速傅里叶变换、小波)和/或优化技术来执行，以减少在能谱中的更高频率峰值(例如最小均方回归、模拟退火(simulated annealing))。
根据本发明的又一个方面，公开了一种使用上述方法的音频扬声器，其包括一带有竖直和水平维度的声音幅射表面，所述维度由多个离散的片段限定，每一片段与一相应的单个声源关联，所述声源提供一处理的和放大的信号以生成振幅和相控制的水平和竖直声音式样。
优选地，所述片段应该限于最高控制频率大小上的十个波长。在片段的大小减小至小于一个波长时，获得最优效果。
优选地，所述信号处理包括相、延迟、振幅、无限脉冲响应(IIR)滤波器、有限脉冲响应(FIR)滤波器处理形式的数字信号处理(DSP)。
更优选的是，控制、DSP处理和放大的方法对所述音频扬声器是内置的或外置的。
更优选的是，一个片段中的声源发射表面的外边缘与相邻片段中的声源发射表面的外边缘之间的距离限于该片段控制的最高频率在距离上的十个波长。在该减小至小于一个该片段控制的最高频率在距离上的四分之一波长时，获得最优效果。
更优选的是，所述扬声器产生的频率范围通过使用限带滤波器分成一个或多个频段。
当使用多于一个频段时，每一频段优选符合上述准则，在所述平板阵列的表面形成一组片段。每一限带片段可以在三维空间彼此分层。限带片段的每一层可以离散处理。
更优选的是，每一限带层在另一限带层之上足够声学透明，以允许一限带板阵列波前声学经过任何外层的限带层。为了实现声学透明，最小穿孔率10％是优选的。
附图说明
现在参考附图描述本发明目前的优选实施例的扬声器箱，附图中：
图1是根据本发明一音频扬声器的剖视立体图；
图2是图1的组装的扬声器的侧视剖视图；
图3是描述一优选的设置现场场地系统以适应所述扬声器的方法的框图；
图4是描述所述声音系统持续适应的一优选设置的框图。
具体实施方式
下面针对一个单元描述本发明的扬声器。但是，本领域技术人员可以理解，本发明的扬声器可以适配使得多个这种扬声器竖直和水平堆积以产生一更大的系统。
这种大的系统可以是任何大小和形状并能够产生一个或多个定制的声学波前，所述声学波前具有竖直和水平式样控制与振幅和相控制。尽管根据本发明的任何大小的扬声器系统能够将水平和竖直式样控制与振幅与相控制控制在任何选定的低频限值之下，在所述大的系统的竖直长度或水平长度大于要控制的最低频率对应的长度一个波长时有最佳效果。
根据本发明的扬声器能够产生带有竖直和水平式样控制与振幅和相控制的、合成的非对称声学波前。作为一经济的替代，可以通过从同一处理和放大舞台提供对称的相对的多个声源来产生本发明的更划算的版本。本发明的这种变化仅仅将本发明限于产生带有竖直和水平式样控制与振幅和相控制的、对称的定制声学波前。
参考图1，示出了根据本发明的一个实施例的双路扬声器系统。所述扬声器系统可以包括一铝质外壳(1)并带有不锈钢板(2)上的多个直径22mm(毫米)的丝质软半球(soft-dome)高音扩音器(3)(高频片段)，所述高音扩音器产生1.5kHz-20kHz(千赫)的限带声音。所述多个直径22mm的高音扩音器可以隔开竖直和水平间隔5.3cm的音高，产生5列10行的50个高音扩音器的主板阵列。所述扬声器的主体尺寸优选26.5cm宽、53cm高，带有总共50个高音扩音器阵列(3)形式的50个高频片段。每一丝质软半球高音扩音器点声源优选含安装框直径约40mm。安装在所述高频板之下的是一铝板(4)，所述铝板安装有一包含10个43/4”驱动(5)(低频片段)的次级低频板阵列，产生20Hz-1.5kHz的限带声音。每一43/4”低频驱动优选竖直隔开约106mm、水平隔开约125mm。在给次级板阵列里有10个低频片段。所述多个高频频段(3)在驱动之间有足够的空间，以允许约54％的声学透明。设有一铝质前饰(frontcasing trim)(6)。每一低频(LF)和高频(HF)片段由一声源(未示出)馈入独特的、定制的计算处理音频信号。定制电子器件和放大对每一LF和HF片段提供独特的信号处理，优选形式为2秒延迟、四个双二阶滤波器无限脉冲响应(IIR)滤波器、一个10系数有限脉冲响应(FIR)滤波器、一个低通滤波器、一个高通滤波器和对输出的振幅控制。可以提供两个输入，在到达每一放大器模块之前对每一输入应用独特的处理和加合。在本实施例中，优选地有总共60个放大器通道。
上述的实施例能够产生带有振幅和相控阵的、定制的水平和竖直控制的波前，在操作带20Hz-20kHz控制。根据下面的描述会更清楚的是，本发明的扬声器系统还能够从180度到1度在水平和竖直面控制竖直和水平式样，以及更复杂的二维和三维(三维是水平轴、竖直轴和声学大小)波前。下面会详细讨论，由于具有两个独特处理的声源输入的特征，所述扬声器系统还能够采用“双监视器模式”。下面描述该扬声器的操作模式，以提供“现场场地设置”、“现场场地操作”“现场表演者跟踪”“三维板阵列音响”“三维板阵列影院”集成系统。
现场场地设置
在音频被放大并投射给听众的场地，音频必须以足以增强听众的听觉体验的方式传送给听众。在许多情形，由于场地之间隔变化和不同场所建造的方式，这是很难达到的。
投射的声音和场地环境之间的交互产生两个对于一场地独特的问题：
1)听众和扬声器之间的变化的距离。距离的变化转化为声压等级的变化。
2)各种反射声音的表面。这通常叫作室内混响或声音反射，会影响音质。声音朝向在没有听众的表面辐射越少，室内混响越小、声音更自然、音质更高。
利用“现场场地设置”和本发明的扬声器系统，可以将系统设置为适配场地，其中投射声音以优化在该场地的听众的听觉体验。
下面会详细讨论，这通过使用传统的测距仪和/或激光距离测量设备来实现，它们提供了一电子绘制该场地的简单工具以使得计算机能够确定在一三维空间里到听众(听者)平面的距离，这能够用于设置根据本发明的扬声器系统。
如下面所描述，通过使用优选的数学模型，可以为所述扬声器系统产生一定制的声学波前以对该空间产生最佳的声学效果。这可以包括减少朝向在该空间内的问题声学表面的声学能量、将声学能量限为仅朝向听众的位置和优化声压等级和其他声学品质，来产生在整个听众席的更统一的体验。
如图3所示，在为表演准备当中方法20设置一现场场地系统以适应本发明的扬声器系统。
方法20包括一第一步骤22，由该步骤获得声音要投射的场地的环境信息。该步骤通过使用商业上可以获得的激光测距仪诸如Opti-logic RS800来执行，其安装在商业上可以获得的偏移-倾斜(pan-tilt)机动支架上，诸如JEC J-PT-1205。这种激光测距仪通常带有计算机界面，例如RS232，并可以操作以最低限度把10m至30m范围的非发射表面作为目标。偏移-倾斜机动支架上的所述商业上可以获得的激光测距仪配有小型计算机或微处理器。这种小型计算机能够控制所述偏移-倾斜机动支架以及从所述激光测距仪读取数据。在一优选方案中，所述小型计算机可以是Raspberry Pi微型计算机，带有用于控制所述激光测距仪和机动支架的RS232接口和RS485接口。
在该方法的一个实施例中，可以配置可见光激光给整个系统，以允许视觉反馈显示所述激光测距仪瞄准的位置。或者，所述激光测距仪的取景器上可以安装一摄相机，其可以通过一链接至一控制界面的标准视频来浏览。在一优选方案中，所述摄像机连接至所述Rasberry Pi或者类似的微型计算机，以通过一无线或有线的标准以太网网络链接提供视频给操作人员。
作为在步骤22中获得的场地环境信息的一部分，所述带有偏移/倾斜机动支架的激光测距仪可以位于所述场地内的任何地方。但是在优选情形，所述激光测距仪安装在支架或悬挂支架上，所述支架或悬挂支架在该场地吊起(fly)本发明的板阵列扬声器系统或者安装本发明的板阵列扬声器系统。以这种方式，所述激光测距仪能够具有和扩音器(loudspeaker)同样的视角，使得场地的几何计算更简单。
所述Rasberry Pi或类似的计算机能够远程控制，以自动扫描场地的本地环境，穿过场地的整个水平的和倾斜竖直范围并从所述激光测距仪发射给定分辨率的距离测量给所述小型计算机，以产生该房间的三维模型。由该模型，能够构建包括每一水平和竖直分辨率的距离信息的数据阵列。操作员随后可以通过手工输入限定该扬声器覆盖的目标区域。
在一优选方案中，操作员能够通过无线以太网控制所述Rasberry Pi或类似的计算机。以这一方式，操作员能够从一远程的操作员位置远程读取所述数据并基于所述场地的三维模型初始确定最少4个边界位置。名义上讲，这4个位置通常是场地听众位置的右后角落、场地听众位置的左后角落、场地听众位置的左前角落和场地听众位置的右前角落。可以理解，对于有更复杂形状的场地或者听众位置诸如是环形或弯曲形听众位置，可以设定多于4个听众边界位置。
这4个或多个听众边界位置给操作员提供坐标输入信息，以自动调节机动支架的偏移和倾斜位置。优选1度的竖直增量和1度的水平增量，但是其他分辨率也是可以的。在所述的机动支架移动至一位置后，读取所述激光测距仪，从而构建每一竖直和水平位置的数据阵列。这一过程重复直至所述4个或多个边界位置限定的整个区域根据标称分辨率所覆盖。一旦包含相对于偏移和倾斜角度信息的距离信息的所述数据阵列生成，所述操作员有必要的环境信息，由此完成步骤22，其中所述偏移和倾斜信息绑定听众位置。
在步骤24，所述操作员必须限定对所述板阵列扬声器系统的输入。通常这要求所述操作员限定适于该场地的扬声器类型，其包括对要求的扬声器数量的评估以及所述扬声器的排布和在该场地内的位置。
在步骤26，限定扬声器要求后，能够确定大体的扬声器参数，包括在扬声器箱内的多个单独转换器(transducers)的大小、形状和间隔。所述扬声器参数通常是已知的，可以使用扬声器制造商提供的参数库获得。知晓安装在所述场地的扬声器的类型和这些扬声器的参数，操作员能够计算所述板阵列扬声器参数的最佳匹配，以优化特定场地的听者体验。可以通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火来实现数值a、b、亚理函数的不对称性、Δ和A的优化选择。
在步骤28，一旦确定板阵列扬声器系统的优化参数，所述优化参数可以直接被操作员应用到扬声器硬件。以这种方式，板阵列扬声器系统可以被操作员优化编程以产生最佳匹配所述场地的听众形状和听者距离的多维声学波前，同时使得更多的声学能远离在所述场地的三维地图中识别的非听众位置。为场地设定扬声器系统的这种方法导致在听众环境内音质的显著提高，这是因为尽可能移除了反射。另外，在听众位置的声音就色调特征和声压等级而言也尽可能的优化。
现场场地操作
一些场地可能有容纳听众的开放空间，但是听众可能聚集在该空间的一部分，而在其他场地中听众可能在一空间散布着。声音向没有听者的表面辐射的越少，混响就越小，声音更自然且音质更高。在一场地内的整个活动中，听众位置和上座率可能是不固定的、不断变化的。
可以理解，上述参照图3描述的设置方法20提供了一种将本发明的扬声器系统适配到场地投射声音的简单有效的手段。但是，本发明的系统还可以在一个活动中随着场地参数的变化提供声音系统持续的匹配。实现这个的方法30如图4所描述。
在步骤31，在活动期间监视场地的听众空间。这可以通过使用现场摄像机系统和面部识别软件来实现，所述面部识别软件能够评估和确定场地中听者的位置。通过监视听者位置的变化，可以更新所述扬声器系统的定制声学波前，以限定声学能量使得其特定朝向占据的空间。这样的系统通过减少朝向未占据的反射表面的声学能量提高了清晰度和其他声学特性。
如前面讨论的设置扬声器系统的方法20所述，商业上可以获得的摄像机系统通常设置为观察板阵列扬声器覆盖的空间。所述摄像机可以位于所述场地内任何位置；但是，所述摄像机优选安装在安装或悬挂支架上或者靠近扩音器，所述安装或悬挂支架上吊起或安装所述板阵列扬声器系统。以这种方式，所述摄像机可以有和所述扩音器同样的视角，使得几何计算更简单。
可以在计算机系统上运行的第三方面部识别软件提供所述场地的占据情况的持续分析，所述占据情况是相对于所述扩音器的水平和竖直位置在平面图中的相对坐标。优选的第三方面部识别软件为Cisco公司的视频监视系统。就此而言，操作员能够监视所述第三方面部识别软件以读取占据情况检测数据以及坐标信息。该信息随后被转换以更新步骤32中的听众边界情况。
在步骤32，这种听众边界情况可以如上面所述更新至“现场场地设置”模块。这些新的边界位置参考已经获得的信息阵列，所述信息阵列通过对在所述新的听众边界位置内的每一水平和竖直位置的距离以标称分辨率(水平和竖直上通常均为1度)进行激光扫描或物理测量来获取。
一旦生成所述数据阵列，操作员就有了必要的环境信息，所述数据阵列包括相对于偏移和倾斜角度信息的距离信息，所述距离信息绑定听众位置。在步骤33，进行评估以确定所述听众空间边界情况是否已经变化，如果没有变化，所述系统继续在步骤31监视听众空间。但是，如果因为听众数量增加或听众空间的设置变化而在步骤33确定听众空间有变化和听众空间边界已经变化，所述系统会寻求在步骤34重新限定所述场地扬声器要求。在步骤34，操作员必须限定给所述板阵列系统的输入。这通常涉及限定涵盖标称听众位置的扬声器类型、扬声器的数量和扬声器的排布。也会确定扬声器的其他方面，例如在扬声器箱内的单独转换器的大小、形状和间隔。在大多数情形，扬声器的这些方面可以通过使用扬声器制造商公开的参数库知晓。在该步骤，期待操作员手工输入所用的扬声器类型、扬声器的数量和所述扬声器阵列是如何设置的。
在步骤35，一旦知晓所有的环境和扬声器输入后，软件可以计算适合变化的环境的、所述板阵列扬声器系统的参数的最佳匹配。可以通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火等来实现数值a、b、亚理函数的不对称性、Δ和Λ的优化选择。
在步骤36，一旦确定板阵列扬声器系统的优化参数，所述优化参数可以直接被操作员应用到扬声器硬件。以这种方式，板阵列扬声器系统可以被操作员优化编程以产生最佳匹配持续变化的所述场地的听众形状和听者距离的多维声学波前，同时使得更多的声学能远离在所述场地中的非听众位置。为场地设定扬声器系统的这种方法导致在听众环境内音质的显著提高，这是因为尽可能移除了反射。另外，在听众位置的声音就色调特征和声压等级而言也尽可能的优化。
双监视器模式
在本发明的又一实施例中，所述扬声器系统可以控制以提供双监视器操作模式，其中所述多个扬声器控制为同时产生一个或多个声学波前。通过利用多于一个声源和对每一声源应用离散的处理，可以由根据本发明的单个扬声器系统合成和产生定制的声学波前。就此而言，声学波前的加合可以在放大之前或之后。
本发明的扬声器系统的这种双监视器操作模式通过单个扬声器系统提供了一种特定应用，其中第一舞台监视器混合可以针对舞台上的一个表演者，而第二监视显示器混合可以针对舞台上的一个不同的表演者。
就此而言，所述双监视器操作模式涉及一种操作本发明的扬声器系统的方法，使得两个或多个多维声学波前同时操作，每一个由一独立的音频输入馈入。
在以双模式操作本发明的方法的第一步骤，操作员首先确定一第一理想声学波前。这通过操作员使用手工输入理想目标弥散限定一多维波前来实现。理想目标弥散的一个例子是在水平上40度宽的波束、偏离(panned)水平板+20度，在竖直上40度宽的波束、偏离竖直板+45度。
在建立该第一理想声学波前后，系统软件能够通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火等来确定数值a、b、亚理函数的不对称性、Δ和Λ的优化选择。在该步骤，确定每一扬声器元件的最佳的操作参数，以产生理想声学波前和该声学波前的理想方向。在对于所述板阵列扬声器建立这些参数后，这些参数随后可以通过选定的通信方法应用到所述扬声器，所述通信方法优选通过无线以太网连接。
根据双模式操作，一旦设定所述扬声器系统的初始声学波前，操作员随后可以利用手工输入目标弥散来限定额外的多维波前。一个这样的目标弥散的例子是在水平上40度宽的波束、偏离水平板-20度，在竖直上40度宽的波束、偏离竖直板+45度。对于每一额外的波前，通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火等来确定数值a、b、亚理函数的不对称性、Δ和Λ的优化选择。随后确定每一扬声器元件的最佳的操作参数，以产生理想声学波前的形状和该声学波前的理想方向。对于所述板阵列扬声器的这些计算的参数随后可以通过选定的通信方法应用，所述通信方法优选通过无线以太网连接。
通过使用上述方法建立所述板阵列扬声器系统的双操作模式后，两个或多个音频输入随后可以通过每个不同的处理链路由，以从所述板阵列扬声器产生两个或多个声学波前，每一波前在空间上叠加，但是由单个板阵列扬声器产生。在上面的例子中，同一扬声器产生两个40度x 40度的声学波前，每一波前在竖直上分开40度(一个声音波束在水平上-20度，另一音波束在水平上+20度)。
可以理解，确定所述板阵列扬声器的最佳操作参数的步骤可以通过给操作员提供所述所述板阵列扬声器的预设参数来简化。尽管任何预设设置是可能的，优选的预设参数可以是上面列出的参数，提供两个具有分开40度的40度x40度的声学波前，竖直角度+45度。使用为板阵列双监视器模式的预设参数会有助于使用简便。
表演者现场跟踪
在本发明的又一实施例中，所述板阵列扬声器还可以设置为跟踪舞台上的或者一声学空间内的一表演者的位置，以确保声音总是直接朝向该表演者，无论其在该空间的位置。所述表演者的位置可以匹配覆盖该舞台的多扬声器系统的已知设置和位置。这样的系统可以补偿所述表演者到扬声器的距离，补偿声学波前的距离损失。另外，该操作方法可以用来减小回馈的可能性，这是因为开放的麦克风源更近的跟踪声学波前的起源。本发明的这种操作模式称作“表演者现场跟踪模式”。
在表演者现场跟踪模式下操作所述系统的第一步骤中，参考在先描述的操作模式中的方式首先获得所述空间的三维地图。
一旦为所述空间生成三维地图，绕舞台周围设置至少三个天线或者表演者空间可以馈入一计算机，以获取信号强度。随后附着一无线电频率(RF)发射器到一移动的表演者，其辐射给定频率或多个频率。可以使用基本上单频的RF发射器，但是优选的是符合IEEE(电子与电气工程师协会)802.15.4-201 1 UWB(超宽带广播)的无线收发器形式的无线射频识别发射器，例如DecaWave公司的DWIOOO IC。从所述三个或多个接收天线接收的信号由一计算机系统接收并通过三角测量算法，所述RF发射器相对于所述三个或多个接收天线的位置可以以10cm或更高的精度确定，所述三角测量算法考虑所述信号的信号强度和时间信息。
所述RF发射器的位置随后通过一传统的计算机模型绘制在所述三维空间内。在该计算机模型里，一个或多个板阵列扬声器系统的位置和朝向是手工输入的。
在表演时，表演者相对于一个或多个板阵列扩音器的位置能够被持续监视。通过简单的几何算法，能够计算所述表演者与所述板阵列扬声器之间的方向的几何信息。一旦知晓所述表演者与一个或多个板阵列扬声器之间的方向，可以自动确定偏移和倾斜参数，以允许针对所述表演者的个人音频混合朝向所述表演者。所述波前的水平和竖直弥散可以有操作员预先确定，但是优选的是40度水平和40度竖直的弥散。所述系统随后可以通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火等来实现数值a、b、亚理函数的不对称性Δ和Λ的优化选择。根据该分析，可以确定理想的声学波前形状和该声学波前的方向。对于每一板阵列扬声器的这些参数可以通过选定的通信方法应用至所述扬声器，所述通信方法优选为通过无线以太网。
在该方法的一个变化中，所述表演者和板阵列扬声器之间的距离可以基于所述表演者的已知位置和所述板阵列扬声器的已知位置计算。随后可以应用一简单的算法实现所述板阵列扬声器的整体增益。以这样的方式，朝向所述表演者的音频的等级可以自动调节，允许在所述表演者远离所述板阵列扬声器时相对于由所述表演者和操作员预先确定的等级增加等级以及在所述表演者靠近所述板阵列扬声器时相对于由所述表演者和操作员预先确定的等级降低等级。以这样的方式，所述表演者听到的音频等级保持恒定，因为麦克风靠近所述板阵列扬声器时的过高增益的回馈作用可以自动消除。
可以理解，上面描述的表演者现场跟踪模式可以不断重复，以提供所述表演者音频混合的方向和振幅的持续更新。优选的更新速率为每秒一次，但是其他的更新时间也是可以的。
三维板阵列音响
根据本发明的又一个实施例，所述扬声器系统可以设置为同时产生一个或多个声学波前。通过使用多于一个声源和对每一声源应用不同的离散的处理，可以根据本发明的单个扬声器系统加合和产生定制的声学波前。加合可以发生在放大阶段之前或之后。仅仅作为示例，影片环绕声音混合可以朝向房间内的一听者，不同的声音朝向屋顶、地板、墙壁以起到被这些表面反射到所述听者的目的，以通过所述单个扬声器系统提供声学方向性。
目前的环绕音响系统仅仅提供在单个水平轴上的声音环绕。而且，目前的环绕音响技术仅仅通过线性延迟(i)和聚焦(ii)来提供方向。当一听者不在所述空间的中央时，最近的音频源振幅的增加会将给听者的音频映像转移朝向更响的声源。简单的增益调节可以更正多个声源之间的这种振幅平衡，但是，这种更正以变化环绕声音场内的其他听者的聚焦为代价。因此，目前的环绕声系统仅仅能优化单个听者位置。
通过增加竖直控制的声音来围绕所述听者，可以产生更拟真的环绕声音场。仅仅作为示例，用于影片和游戏的三维音响可以产生13个离散的音频通道：
前左、前中、前右
中左、中右、环左、环右
上左、上中、上右
下左、下中、下右。
另外，通过结合亚理函数的不对称性和偏斜，可以产生一弥补和标准化在一空间内对于任何和所有音频源在不同听者位置之间的声学增益的声音场，从而为在所述环绕环境内所有听者保持声学聚焦。这样作，保持空间映像的最佳座位的“最佳听音位置”扩展为整个听众空间。根据本发明的扬声器系统可以同时为所有听者优化环绕声音场。
方法如下：
1)通过多个离散的音频通道编码解码的影片和游戏媒介。调换解码的音频通道的数量以关联在三维音响内有的通道的数量。优选的通道数为13，但是其他数量的通道也是可以的。
2)所述三维板阵列音响的每个特定执行预编程为对每一声源进行不同的离散处理。优选的执行参见下面的声学波前弥散特性：
前左-左手边仅使用音响的三分之一的转换器。弥散波束20x20度，水平夹角-10度，竖直夹角0度。
前中-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角0度，竖直夹角0度。
前右-右手边仅使用音响的三分之一的转换器。弥散波束30x30度，水平夹角+10度，竖直夹角0度。
中左-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角-45度，竖直夹角0度。
中右-使用音响的所有转换器。弥散波束30x30度，水平夹角+45度，竖直夹角0度。
环左-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角-15度，竖直夹角0度。
环右-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角+15度，竖直夹角0度。
上左-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角-45度，竖直夹角+45度。
上中-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角0度，竖直夹角+45度。
上右-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角+45度，竖直夹角+45度。
下左-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角-45度，竖直夹角-45度。
下中-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角-0度，竖直夹角-45度。
下右-使用音响的所有转换器。弥散波束20x20度，水平夹角+45度，竖直夹角-45度。
3)每一解码的音频信号通过其离散的处理通道馈入，产生三维拟真声音场。
为了采用这一系统，用户可以将其房间的尺寸、座位位置、三维音响模型输入计算机界面。一旦知道这些环境条件，软件随后可以通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火等来实现数值a、b、亚理函数的不对称性、Δ和Λ的优化选择。根据该分析，可以确定理想的声学波前形状和该声学波前的方向。对于板阵列扬声器的这些计算的参数可以通过选定的通信方法应用，所述通信方法优选为通过无线以太网。
三维板阵列影院
可以理解，本发明还提供影院应用以产生三维板阵列影院。
本发明的这样一个实施例可以利用或者不利用本发明的扬声器系统来同时产生一个或多个声学波前。通过使用多于一个声源和对每一声源应用不同的离散处理，可以用一个单个扬声器系统加合和产生定制的声学波前。在本发明的这样一个实施例中，一大型板阵列扬声器系统可以构建在一声学透明的投射屏幕之后。通过限制所述板阵列系统内的用于产生音频信号的元件的数量，可以产生声学聚焦在所述屏幕上任何位置的声音。这种声源随后用于投射给在影院听众平面内的所有听者。因此优选的是，所述声学和视觉聚焦是一致的。
另外，可以计算所述定制的声学波前的设置，使得所述声源完美地覆盖整个听众面并可以补偿距离损失，提供了对声压等级而言覆盖的均匀度。通过结合亚理函数的不对称性和偏斜，可以产生一弥补和标准化在一空间内对于任何和所有音频源在不同听者位置之间的声学增益的声音场，从而为在所述环绕环境内所有听者保持声学聚焦。这样作，保持空间映像的最佳座位的“最佳听音位置”扩展为整个听众空间。根据本发明的扬声器系统可以同时为所有听者优化环绕声音场。
方法如下：
1)通过多个离散的音频通道编码解码的影片媒介。每一音频通道还编码有与在室内三维空间内的声学聚焦关联的X-Y-Z坐标。
2)所述影院有已知的环境和源信息，其提供影院空间的大小、几何形状和维度以及所述板阵列扬声器系统的大小和位置、扩音器的间隔和转换器的大小的间隔。
定制的计算机算法接收声学聚焦位置的编码信息。所述软件随后可以通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火等来实现数值a、b、亚理函数的不对称性、Δ和Λ的优化选择。根据该分析，所述软件可以随后确定对于每一源的最佳参数，以为每一声源产生理想的声学聚焦、声学波前形状和声学方向，它们对听众数量和形状进行了优化。对于所述板阵列扬声器的软件计算参数可以通过选定的通信方法应用，所述通信方法优选为通过无线以太网。
3)所述计算机算法优选经常基于伴随编码的音频信号的编码指令来更新和计算理想的声学参数。因此，所述软件能够支持源的运动同时对所有听众保持声学聚焦。
设计和模仿软件
-根据本发明的软件包可以用于帮助模仿声音分布和定制波前的任务以匹配理想的操作环境。所述软件优选利用已有的硬件加速以平行处理有多个变量的循环。
-所述软件可以包括如下组件：
1)GUI(图形用户界面)前端：允许一定功能的界面(台式机、基于网络或者其他)，诸如设置扬声器阵列和环境参数(例如通过表格输入数据或者交互式图形控制)或者手工设定扬声器的大小和延迟、浏览所得的波前和频率响应和输出结果和扬声器阵列设置。典型的前端运行次序为：(i)加载扬声器数据(定义一组扬声器的参数，例如数量和不同箱之间偏置间隔；和对每一频段的频率范围、SPL(声压等级)、扬声器大小、间隔和数量)；(ii)加载环境数据(由环境的激光扫描计算的参数，例如到听众的距离、对每一波束的水平和竖直上的偏移/倾斜分布、倾斜和一大体封闭的四边形的上、下、左、右斜率)；(iii)编译运行的内核(例如为了设计，在单个频率和一宽带平均频率响应模拟)；(iv)设置(GUI)(例如使用具有事件的框架诸GTK如或Qt)。
2)设计后端：设计后端会依据一组环境参数和一些限定所述扬声器阵列参数，对阵列中的每一扬声器产生延迟值阵列。这种环境参数例如是角偏移(例如偏移/倾斜)、波前上每一维度的扩散和偏斜、对每一维度的一组限定一封闭四边形的4个斜率(例如上、下、左、右斜率)。扬声器参数可以例如包括扬声器阵列每一维度的扬声器计数和间隔和对于多簇扬声器来说相应数量和每一簇维度上的间隔。所述算法会利用方程(1)、(3)和(4)计算在跨扬声器阵列的相分布并由此计算每一扬声器的延迟值。
3)模拟后端：所述模拟后端在有硬件加速时是内核的包装，没有时以非平行的方式运行所述算法。为了模拟所述波前(无论是二维还是三维)，计算方法是在每一带和通道在波前维度上迭代以将大小和相计算为每一扬声器(和频率，如果需要宽带结果)的分布之和(优选使用内核在一组维度变量上平行计算和在对称性存在时利用对称性)。用菲涅尔衍射方程计算波传播。为了模拟频率响应，采用类似的方法作为三维宽带模型，除了该模型中空间分辨率更低而频率分辨率更高。由频率响应计算EQ滤波器(平衡滤波器)的值，其会使频率响应扁平化。
用于模拟软件的菲涅尔衍射公式为：
其中E为(声音)场，λ＝2π/k为波长，w1,2为波前维度，s1,2为跨扬声器阵列的维度，z为它们的法向，r＝((w1-s1)2+(w2-s2)2+z2)1/2是扬声器源到考虑的点的距离。
本领域技术人员可以理解，可以对本发明的所示实施例进行多种变化和/或改动而不背离本发明宽泛描述的范围和主旨。因此，所有实施例应当考虑为是解释性的而不是限制性的。例如，所述扬声器外壳的形状和设置、所述阵列/片段/限带层/声学源/驱动的数量和大小、固定HF和LF片段的方法可以根据应用和设计偏好变化。可以通过(i)仅在空间分布的峰值和谷底计算，(ii)在更多的数据点回归拟合，(iii)利用傅里叶分析来识别空间分布的周期律和振幅或(iv)使用遗传算法/模拟退火等来实现Δ和Λ的优化选择。另外，尽管为了简单起见以一维目标和扬声器阵列描述本发明的实施例，本发明可以应用到多维目标和多维扬声器阵列。

Claims (25)

1.一种用于提供定制声学波前的扬声器系统，所述声学波前具有竖直和水平式样控制与振幅和相控制，所述系统包括一扬声器外壳，所述外壳内有至少一第一阵列的高频驱动片段和至少一第二阵列的低频驱动片段，所述第二阵列设置在所述第一阵列之后，所述第一阵列的所述驱动片段之间有足够的空间允许声学透明，因此来自所述第二阵列的波前可以合理地通过所述第一阵列。
2.根据权利要求1的扬声器系统，其特征在于，所述驱动片段之间的空间为所述第一阵列的总面积的至少10％。
3.根据权利要求1的扬声器系统，其特征在于，使用时每一片段与一提供处理和放大的信号的相应声源结合，以产生振幅和相控制的水平和竖直声音式样。
4.根据权利要求1的扬声器系统，其特征在于，一驱动片段的声源发射表面的外边缘和相邻驱动片段的声源发射表面的外边缘的距离不大于所述驱动片段和所述相邻驱动片段控制的最高频率在距离上的十个波长。
5.根据权利要求3的扬声器系统，其特征在于，所述片段的尺寸小于所述的驱动片段控制的最高频率在大小上的十个波长。
6.根据权利要求1-5之一的扬声器系统，其特征在于，所述扬声器系统适配为产生一频率范围，所述频率范围通过使用限带滤波器分为一个或多个频段。
7.根据权利要求6的扬声器系统与一激光测距仪和计算机系统的组合，其中，扫描所述扬声器系统的周围区域以产生该周围区域的三维模型，以帮助选择扬声器设定和操作参数。
8.根据权利要求6的扬声器系统与用于观察和分析上座情况和听众边界条件的一摄像机和计算机系统的组合，其中，所述计算机系统带有面部识别软件，以帮助扬声器设定和操作参数。
9.根据权利要求6的扬声器系统与同时提供两个或多个多维波前的软件的组合，用于由同一扬声器系统同时将声音超向在两个或多个分别的物理位置的两个或多个表演者。
10.根据权利要求6的扬声器系统与用于跟踪一表演者在一舞台或声学空间的位置和移动的RFID发射器和接收天线的组合，用于优化权利要求6的扬声器系统产生的声学波前，以就声学波前的方向而言将所述声音特别朝向对所述表演者。
11.根据权利要求6的扬声器系统与用于跟踪一表演者在一舞台或声学空间的位置和移动的RFID发射器和接收天线的组合，用于优化权利要求6的扬声器系统产生的声学波前，以就声学波前的形状而言将所述声音特别朝向对所述表演者。
12.根据权利要求6的扬声器系统与用于跟踪一表演者在一舞台或声学空间的位置和移动的RFID发射器和接收天线的组合，用于优化权利要求6的扬声器系统产生的声学波前，以就声学波前的振幅而言将所述声音特别朝向对所述表演者。
13.一种算法，用于计算应用到一扬声器阵列的相或者用作计算应用到一扬声器阵列的相的一第一近似，其基于线性、平方和立方项，通过方程式(1)、(3)和(4)产生匹配理想波前形状的偏移、聚焦或散焦的亚理波束形状。
14.一种算法，用于计算应用到一扬声器阵列的参数或者用作计算应用到一扬声器阵列的参数的一第一近似，其基于线性、平方和立方项，通过方程式(1)、(3)和(4)产生亚理波束形状，所述亚理波束形状的声学加权用于产生一多维不同振幅的声学波前的目的，以补偿声音以不同距离经由空气传播到不同听者关联的声压等级差别。
15.根据权利要求14的算法，其特征在于，基于计算的波前和方程式(7)和(5)的应用中的波纹的单次或迭代分析，利用额外的正弦和余弦相项平滑所述波前和/或频率响应。
16.根据权利要求6的扬声器系统与应用权利要求14或15或16的算法的软件的组合。
17.根据权利要求14、15和16之一的算法在包括两个或多个离散的驱动的任何扬声器阵列中的应用，所述驱动包括任何间隔、任何大小、任何形状的单路、双路或更高路的系统。
18.根据权利要求6的扬声器系统用作一三维音响，给影院或游戏媒介提供带竖直控制的声学波前的离散音频信号。
19.一种由包括两个或更多个扩音器的阵列组成的扬声器系统与权利要求14或15或16结合用作三维音响，以产生跨一宽阔区域的任何位置的各种声源的标准化的声压等级，以同时为较大数量的听者优化立体声场或环绕声场。
20.根据权利要求6的扬声器系统与权利要求14或15或16结合用作三维音响，其具有对跨一宽阔区域的任何位置的各种声源的标准化声压等级的能力，以同时为较大数量的听者优化立体声场或环绕声场。
21.根据权利要求6的扬声器系统用作影院，以在从任何所述扬声器系统的竖直和水平面产生多维声场。
22.根据权利要求6的扬声器系统用作影院，以从与屏幕上的视频源起始的相同的位置产生声学聚焦。
23.根据权利要求6的扬声器系统与权利要求14或15或16结合用作影院，以从任何标称位置产生一声学聚焦同时覆盖在听众平面内的任何听者。
24.根据权利要求6的扬声器系统与权利要求14或15或16结合，以标准化跨一宽阔区域的(任何位置的各种声源的)声压等级，以同时为较大数量的听者优化立体声场或环绕声场。
25.由包括两个或更多个扩音器的阵列组成的扬声器系统与权利要求14或15或16结合，以标准化跨一宽阔区域的(任何位置的各种声源的)声压等级，以为较大数量的听者优化立体声场或环绕声场。
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