CN107743712B - 差分声音再现 - Google Patents

Abstract

用于声音再现系统的计算单元包括输入器件、处理器和用于控制阵列的至少三个换能器的至少三个输出。输入器件具有接收待使用阵列再现的音频流的目的，其中音频流具有频率范围。处理器被配置为计算待使用至少三个输出输出的三个单独的音频信号，使得使用阵列生成具有二阶或更高阶的第一声差。

Description

差分声音再现

技术领域

本发明的实施例涉及用于声音再现系统的计算单元、对应的方法以及包括计算单元和阵列的系统。

背景技术

一些声音再现系统基于所谓的差分声音再现方法。由于差分声音再现，可以再现指向性图案。指向性图案从定向麦克风是已知的。定向麦克风通常通过测量声压梯度或其近似来实现，如例如在G.Bore和S.Peus所著的标题为“Mikrophone：Arbeitsweise undAusführungsbeispiele”和H.Olson所著的标题为“Gradient microphone”的出版物中所述。例如，一阶梯度具有八字形指向性图案。当测量声压差时，通过使一个声道延迟，可以实现诸如心形或尾状心形的指向性图案。一阶差分或梯度麦克风是定向麦克风中的标准。

较少频率地被使用，同样的概念也可以应用于扬声器，如由H.Olson所著的标题为“Gradient loudspeakers”的出版物中可以看到的。虽然维度大大约一个数量级，但是会导致不同的属性/限制。

当与常规的延迟求和波束形成器相比时，差分扬声器阵列的这种概念与通常以许多扬声器为特征的延迟求和阵列对照，具有仅需要少量扬声器的优点。此外，由于具有比延迟求和波束形成器更小的孔径，因此可以在低频下实现相同的指向性。

专利申请WO 2011/161567 A1公开了用于包括三个或更多个换能器的扬声器布置的偶极子相关处理。在所描述的三个驱动器设置中，两个最外面的驱动器是以偶极子配置(非转向)驱动的。这两个之间的驱动器用于产生可以优选地朝收听位置转向的陷波(notch)。这通过第二驱动器信号的(频率选择性)相对偏移来实现。这里，优选地使用等间隔的驱动器(即，从第一驱动器到第二驱动器的距离等于从第二驱动器到第三驱动器的距离)。为中间驱动器生成的信号可以具有相对于偶极子配置的相位差和(频率选择性)增益。

美国专利5,870,484公开了使用梯度扬声器的声音再现系统。该公开详细描述了如何例如使用两个或三个扬声器，或者实现偶极子效应的一个扬声器和被动开口来创建偶极子系统。这里，优选地使用一阶梯度指向性特性。其背景是，根据该公开，与一阶梯度系统相比，较高阶梯度扬声器往往效率更低、需要大量的换能器、更多的信号处理和附加的放大声道。

已经发现，差分扬声器阵列不具有随着频率的降低而降低的指向性，延迟求和波束形成器也是如此，随着频率变为零其水平降低到零。此外，一阶差分阵列在指向性方面被限制为例如大约6dB。因此，需要一种改进的方法。

发明内容

本发明的目的是改进在更宽的工作带宽下的声音再现的指向性性能。

这个目的是通过独立权利要求的主题来解决的。

实施例提供了用于包括具有至少三个换能器的阵列的声音再现系统的计算单元。计算单元包括输入器件、处理器和至少三个输出。输入器件具有接收使用阵列再现的音频流的目的。音频流具有预定义的频率范围，例如，从20Hz到20kHz或从50Hz到40kHz。基于这个音频流，在处理音频流使得至少三个换能器可经由三个单独的音频信号控制之后，使用至少三个输出，输出用于阵列的至少三个换能器的至少三个单独的音频信号。处理器被配置为计算(至少)三个单独的音频信号，使得生成具有二阶或更高阶的第一声差。

处理器还可以使用包括音频流的整个频率范围的第一有限部分(例如，高于50Hz或100Hz或在100Hz和200Hz之间的范围内或在100Hz至2kHz之间)的第一通带特性对三个单独的音频信号进行滤波。

本文公开的教导基于以下知识：具有二阶或更高阶的声差使得能够进行更好的声音再现或尤其是在特定频率范围内的更好的指向性性能，其中在该特定频率范围之外的一些频率可能被错误地再现。根据本文公开的教导的实施例基于以下原理：(优选地，为整个频率范围的一部分的特定频率范围，或者一般地)整个频率范围使用具有二阶或更高阶的声差来再现。优选的特定频率范围的再现使得能够在该频率范围内进行良好的声音再现，同时避免通常当在其它频率范围内基于具有二阶或更高阶的声差来执行声音再现时导致的缺陷。

根据实施例，相对于待再现的频率选择扬声器的集合，即，使得扬声器之间的距离与差分在其内工作良好的频率区域相关。通常，使用不同的扬声器/扬声器集合覆盖不同的频率范围。

根据另外的实施例，计算待使用至少三个(不同)输出中的两个输出的至少两个另外的单独的音频信号，使得使用经由该两个输出控制的两个换能器生成具有一阶的第二声差。处理器使用包括音频流的整个频率范围的第二有限部分(例如上至100Hz或200Hz)的第二通带特性对该两个另外的单独的音频信号进行滤波。通常，第二有限部分与第一有限部分不同；即，声音在不同的频率范围内使用不同的声差进行再现。

根据实施例，使用了包括多个扬声器的阵列，对于每个差分，使用扬声器的子集。选择这些子集，使得扬声器距离为使得对应的差分具有期望的频率操作范围。

根据另一个实施例，使用包括至少四个换能器的阵列。因此，计算单元包括用于至少四个换能器的至少四个输出。这里，使用属于第一组的四个输出中的至少三个生成第一声差，其中处理器被配置为计算待使用第二组的至少四个输出中的三个输出的三个另外的单独的音频信号，使得使用该阵列生成另一个二阶或更高阶的声差。处理器使用包括音频流的频率范围的第二有限部分的通带特性对该三个另外的单独的音频信号(属于第二组)进行滤波。这里，第二有限部分也与第一有限部分不同。此外，应当注意的是，第二组的输出中的至少一个输出与第一组的输出不同；即，不是使用相同的换能器用于再现第一声差和第二声差。

根据另外的实施例，处理器被配置为计算单独的音频信号，使得第一声差的零响应和第二声差的零响应基本上位于同一区域内或在同一点处。这意味着执行通过使用第一声差再现的声音消除和通过使用第二声差再现的声音消除，使得两个声差在同一位置或区域处生成相同的最小响应。

根据另外的实施例，处理器基于以下公式执行计算

s₁(t)＝s(t-τ₁)

s₂(t)＝-2s(t-τ₂)

s₃(t)＝s(t-τ₃)，

其中τ₁、τ₂和τ₃是与三个单独的音频信号s₁、s₂和s₃对应的延迟特性。

关于再现第一声差的上述原理也可以应用于再现整个频带的另一个频带(部分)的附加声差的再现。因此，使用三个声差再现三个不同的频率范围。例如，第一声差和第二声差之间的衰减频率可以在300Hz处(在100Hz和400Hz之间的范围内)，其中第二声差和第三声差之间的衰减可以在500Hz处(在300Hz和1000Hz之间的范围内)。

为了再现附加的声差，也可以使用阵列的其它换能器。根据优选实施例，阵列包括经由计算单元的五个输出控制的至少五个换能器。从另一部分的角度看，这意味着执行不同频带(属于不同声差)的再现，使得阵列的换能器的第一集合再现第一频带，其中同一阵列的换能器的第二集合再现第二频带，并且该阵列的换能器的第三集合再现第三频带。因此，由于用于三个频带的集合彼此不同的事实，再现相应频带的换能器之间的间隔也不同。例如，用于较低频带的换能器之间的间隔可能大于用于再现较高频带的换能器之间的间隔。根据实施例，阵列的换能器被布置成使得以下条件成立：即使一些换能器用于不同的集合，换能器集合中的所有换能器也是等距的。

根据另外的实施例，以上原理可以应用于立体声音频流。

另一个实施例提供包括以上讨论的计算单元和对应阵列的系统。

根据另一个实施例，提供用于计算声音再现的对应方法。

附图说明

随后将参考附图讨论本发明的实施例，其中：

图1示出根据第一实施例的计算单元的示意性框图；

图2a示意性地示出生成二阶声差的三个扬声器和优选收听位置；

图2b示意性地示出为在围绕阵列的圆上行走的距离处的收听者考虑的指向性图案的确定；

图2c示出二阶声差在观看方向上的频率响应的示意图；

图2d示出二阶声差的指向性图案的示意图；

图3示意性地示出用于多达三个频带二阶声差的扬声器阵列；

图4a示出三个偶极子的频率响应的示意图；

图4b示出具有附加子带处理的偶极子的频率响应的示意图；

图5a-5c示出扬声器阵列中的扬声器的三个示例性设置。

具体实施方式

下面将参考附图讨论本发明的实施例。这里，对相同的元件或具有相同或相似功能的元件提供相同的标号。因此，其描述是可互换的并且相互适用的。

图1示出用于声音再现系统100的计算单元10，声音再现系统100包括具有排成一行的至少三个换能器20a、20b和20c的阵列20。

计算单元10包括输入器件12、至少三个输出14a、14b和14c以及处理器16。输入器件12具有接收待使用阵列20进行再现的音频流的目的。由处理器执行再现的计算以便获得用于三个换能器20a-20c的至少三个单独的音频信号。具体而言，使用输出14a-14c控制阵列20的三个换能器20a-20c。

在这种基本实现中，计算三个单独的音频信号，使得生成具有至少二阶的第一声差，其中该第一声差的频带被限制到音频流的整个频率范围(20Hz至20kHz)的一部分(100Hz至400Hz)。选择该部分，使得使用具有二阶的声差不能再现或仅仅无效再现的“有问题的”频率(例如低于100Hz的低频)被抑制。反之亦然，这意味着第一声差只包括可以使用具有二阶的声差正确再现的频率。能够以较高阶再现和不能以该阶再现的相应频带取决于阵列20，例如，取决于换能器的大小，尤其是取决于换能器20a、20b、20c之间的间隔。例如，当与较低频带的再现相比时，较高频带的再现要求较小的间隔。为了限制通过使用第一声差再现的频率范围的部分，处理器可以执行滤波，或者可以包括(数字)滤波器实体，比如IIR，来执行滤波。因此，第一声差的再现使得能够再现整个音频流，但是具有有限的音频流的频带。

可以使用其它声差再现不使用第一声差再现的频带的部分。这里，对两个原理做出如下区分：

根据第一原理，提供第二声差，使得第二声差具有一阶(限于第1阶)。具有一阶的声差的再现通常仅使用两个换能器(例如，由输出14a和14c控制的20a和20c)是可能的。因此，根据实施例，处理器14为另一个频带(其在以上被称为有问题的频带。注意的是，有问题的频率取决于与特定换能器/阵列配置的组合)执行仅具有一阶的第二声差的计算。当与第一声差的频带相比时，通常，但不一定，第二声差的频带可以包括较低的频率。回到以上使用具有增加的间隔的换能器更好地再现较低频率的声明，可以使用两个外部换能器20a和20c再现第二声差，因此换能器20a和20c之间具有大的间隔。

根据另一个原理，音频流的频率范围的缺失(有问题的)部分使用也具有二阶或更高阶的第二声差来再现。在这种情况下，该概念从具有至少四个换能器20a-20d的阵列开始，如虚线所示。这里，执行第二声差的再现，使得使用其它换能器，例如，换能器20a、20c和20d(即，不是第一声差的换能器20a、20b和20c)。由此，可以通过使用另一个换能器配置/集合来克服在有问题的频率范围内再现二阶或更高阶的声差时导致的限制。具体而言，用于再现第二声差的换能器配置与用于再现第一声差的换能器配置关于其单个换能器之间的间隔或至少相应集合的两个换能器之间的间隔不同。这种原理的变型将参考图3进行更详细的讨论。

仅仅为了完整起见，应当注意的是，对于该第二原理，处理器16执行第二声差的计算并执行滤波，使得第二声差仅包括通过使用各自的换能器集合可再现的频率。此外，通过至少附加的输出14d增强包括输出14a-14c的用于输出单独的音频信号的器件。

以上讨论的再现整个频率范围的第二部分的两个原理的共同之处在于，使用与用于再现第一声差的换能器集合不同的换能器集合来再现第二声差(一阶，二阶或更高阶)。

根据另一个实施例，可以组合再现整个频带的第二部分的两个基本概念，使得可以通过使用三个或更多个声差来再现三个或更多个频带。这里，声差(除了第一声差之外)可以取决于所使用的原理具有一阶或更高的阶数。

注意的是，两个(频带受限的)频率范围通常彼此分离，但是可以具有由滤波器边缘引起的过渡区域。可替代地，用于对两个频率部分进行滤波的滤波器可以被设计为具有重叠部分。

下面将详细说明以上讨论的基本实施例的背景。

图2a示出了在位置x₁、x₂和x₃处的三个扬声器20a、20b和20c以及由标号30标记的优选收听点。这里，声音用二阶声差进行再现，其中零点朝优选的收听点30转向。

通过减去将其零点指向公共点的两个一阶声差来生成二阶声差。换句话说，这意味着通过组合两个一阶声差来生成二阶声差。具有在位置x₁和x₂处的扬声器20a和20b的一阶声差由以下生成：

s₁(t)＝s(t-τ₁)

s₂(t)＝-s(t-τ₂)，(1)

变量s₁和s₂表示经由其驱动换能器20a和20b的信号。差分的中心位于x位置

延迟τ₁和τ₂使得零点从m₁朝优选的收听位置30转向。具有在位置x₂和x₃处的扬声器20b和20c的一阶声差由以下生成：

s₂(t)＝s(t-τ′₂)

s₃(t)＝-s(t-τ₃).(2)

这里，变量s₂和s₃表示用于换能器20b和20c的信号。差分的中心位于x位置

延迟τ′₂和τ₃使得零点从m₂朝优选的收听位置30转向，即τ′₂＝τ₂。减去两个一阶差分，以便生成零点朝优选收听位置30转向的二级差分：

s₁(t)＝s(t-τ₁)

s₂(t)＝-2s(t-τ₂)

s₃(t)＝s(t-τ₃).(3)

一阶差分的零点的方向是：

φ₁＝atan2(r，-m₁)

φ2＝atan2(r，-m₂).(4)

转向延迟与转向角的关系如下：

注意的是，在图2a中标记了角度Φ₁和Φ₂。用最小延迟应当为零的附加条件来计算这三个延迟。

这个过程可以换句话来表达：可以应用延迟(和/或反转)操作，使得差分在特定方向或点(参见点30)的区域中具有零响应。

在以下讨论中，考虑当在具有半径r的圆(如图2b所示)上测量时发生指向性图案。

这里，三个扬声器20a、20b和20c位于x₁＝0.2m，x₂＝-0.6m，以及x₃＝-1.4m处。如关于图2a所讨论的，通过生成声差，可以生成为在围绕阵列或围绕阵列的点32的圆上行走的距离r处的收听者考虑的指向性图案。

图2c示出了在负x方向(二阶尾状心形的观看方向)上结果产生的频率响应。操作范围是从大约100Hz至200Hz。对于较低的频率，振幅太低，如果低频衰减将延长，那么这将需要强大的扬声器。在较高的频率下，指向性图案变得不一致。这些频率相依的效应由图2d所示，其中图示了二阶声差的指向性图案。如可以看到的，在操作范围(100至200Hz)内，指向性图案非常相似。对于较低的频率，比如60Hz，振幅较低，并且对于较高的频率，比如240Hz以上，指向性图案变得混叠。根据该分析，选择整个频率范围的第一部分(使用具有二阶或更高阶的声差来再现)。因此，频率范围低于和高于该所选部分。该所选部分(这里低于100Hz和高于200Hz)必须通过使用如上所述为变化的换能器集合计算的第二(和第三)声差来再现。

如所解释的，二阶声差具有有限的频率范围，在该范围内，它提供一致的频率响应和指向性图案。常规地，在差分麦克风和扬声器信号处理中，使用麦克风/扬声器之间相对小的距离，以便将操作范围偏移到更高的频率(以防止混叠)。然后，较低频率的衰减用低架型滤波器进行补偿。这个过程对于扬声器尤其具有缺点，即，低频率被放大，从而增加了对低频再现的扬声器要求，这在瘦(lean)形状因子中往往是不现实的。此外，对于二阶来说，低频衰减是每倍频程12dB，从而使得低频衰减补偿完全不切实际。

为了实现更宽的操作带宽，应当使用用于不同频率的不同扬声器集合。先前描述的示例(参见图2)优选地仅在大约100至200Hz的频率范围内可用。其它扬声器三元组集合将用于覆盖200至400Hz和/或400至800Hz等的频率范围。

这种扬声器设置或扬声器阵列由图3示出。图3的阵列20'包括五个扬声器20a-20e，其可以用于多达三个频带二阶声差。与图2a的示例相比，已经添加了两个扬声器(参见20d和20e)，并且已经改变沿着所有扬声器20a至20e的x轴的定位。由于五个扬声器三种不同的组合，因此每种使用三个扬声器是可获得的。这些组合被称为三元组。用于三个频带的扬声器三元组由标号26a、26b和26c指示。第一三元组26a包括扬声器20a、20d和20e，第二三元组26b包括扬声器20a、20b和20d，其中第三三元组26c包括扬声器20b、20c和20d。

如可以看到的，扬声器20a-20e可以被布置成使得扬声器20a和20d彼此间隔开的距离等于扬声器20d和20e之间的距离。扬声器20b被布置在扬声器20a和20d之间的中间。例如，第一扬声器20a可以被布置在位置0.2m处，第二扬声器20b在位置-0.2m处，第三扬声器20c在位置-0.4m处，第四扬声器20d可以被布置在位置-0.6m处，其中第五扬声器20e可以被布置在位置-1.2m处。此外，扬声器20c被布置在扬声器20b和20d之间的中心。由于这种布置条件成立，因此，即使一些换能器用于不同的集合，第一三元组26a、第二三元组26b和第三三元组26c的所有扬声器也是等距的。

图4a示出了在负x方向(二阶尾状心形的观看方向)上对三个偶极子进行滤波之前三个偶极子的频率响应。频率响应26a_fr1、26b_fr1和26c_fr1属于图3的三元组26a、26b和26c。该数据意味着合理的子带过渡(transition)频率可以是200Hz和500Hz，或者一般地在100Hz和300Hz之间以及在350Hz和800Hz之间。例如，三个子带是用3阶IIR全速率滤波器组来实现的。

由附加子带处理产生的偶极子的频率响应如图4b所示。频率响应26a_fr2、26b_fr2和26c_fr2属于三元组26a、26b和26c，并且由频率响应26a_fr1、26b_fr1和26c_fr1的处理产生。由于用于再现子带二阶声差的不同扬声器三元组26a-26c的扬声器20a-20e的不同位置，延迟可能在子带的过渡频率中导致不期望的干扰。为了延迟对准不同子带信号的声音再现，对每子带的三个扬声器，可以向公式(5)的延迟τ₁、τ₂和τ₃添加延迟偏移。

根据另外的实施例，所提出的技术也可以被实现用于更高阶的声差。在这种情况下，考虑三个扬声器对，从而需要至少四个扬声器。在四个扬声器的情况下，可以再现3个一阶差分：

s₁(t)＝s(t-τ₁)

s₂(t)＝-s(t-τ₂)，(6)

s₂(t)＝s(t-τ₂)

s₃(t)＝-s(t-τ₃)，(7)

s₃(t)＝s(t-τ₃)

s₄(t)＝-s(t-τ₄).(8)

给定(6)和同时反转的(inverted)(7)到扬声器1至3再现二阶差分(类似于(3))。给定(7)和同时反转的(8)到扬声器2至4再现第二二阶差分。三阶声差通过同时再现两个二阶差分来实现，一个被反转：

s₁(t)＝s(t-τ₁)

s₂(t)＝-3s(t-τ₂)

s₃(t)＝3s(t-τ₃)

s₄(t)＝-s(t-τ₄).(9)

通常，用于k阶的声差的扬声器信号可以如下计算：

或

其中k是差分的阶数，并且n是扬声器数量，其中n＝(1,2，...，k+1)。即，对于k阶声差，需要k+1个(等距)扬声器。

用与以上针对二阶差分描述的类似思想来计算延迟。

例如，用于获得延迟的简单算法是：

●设置τ₁＝0并计算(负或正)延迟τ₂，使得一阶差分的零点方向是所期望的，例如，指向优选的收听点。

●给定先前计算出的τ₂，计算用于第二差分的τ₃，使得其零点指向期望的方向。

●给定先前计算出的τ₃，计算用于第三差分的τ₄，使得其零点指向期望的方向。

●向所有延迟添加偏移，使其达到期望的范围，例如

偏移＝-min{min{min{τ₁，τ₂}，τ₃}，τ₄} (10)

●当使用不同的子带时，添加到每个子带的扬声器信号的延迟偏移可以与(10)不同，即，可以被确定以减少子带之间的干扰。

因此，实施例提供了用于计算各个声差的延迟特性的方法。

根据另一个实施例，处理器可以被配置为执行反转操作。

例如，其之间的距离为1m的扬声器对允许制作一阶的偶极子，该偶极子具有与具有长度为2m(第一和第二扬声器之间的1m间隔，以及第二和第三扬声器之间的1m间隔)的阵列的二阶偶极子类似的频率范围。

因此，阵列的孔径被限制到特定大小。一阶偶极子(图5a中的26a)可以处理比二阶偶极子(26b、26c和26d)更低的频率范围。这促使对较低频率使用一阶偶极子(26a)和对较高频率使用二阶偶极子(26b、26c和26d)。图5a中示出了使用图3的通知的示例。

相反，在高频处，除非使用非常小的扬声器，否则扬声器间距对于再现精确的声差过于粗略。这促使通过将信号直接给予扬声器(而不试图做声差)来再现高频。此外，在高频处，扬声器通常是十分定向的。因此，甚至只有单个扬声器朝其指向的方向发射有效波束。这种设置由使用图3的通知的图5b示出。这里使用了二阶偶极子(26a'、26b和26c)和一个单个扬声器(26d)。

一般而言，可以为每个频带使用声差阶，从而给出在对应频带中的最佳期望性能。这可能导致在不同的频带中使用不同的阶。

根据另外的实施例，可以使用用于重低音扬声器(subwoofer)的附加输出来再现或支持低频范围。因此，计算单元可以包括重低音扬声器输出。

图5c示出了多频带双声道示例。这里，示例设置包括7个扬声器(20a-20g)用于立体声再现。三个二阶差分(26a'、26b、26c)用于左声道，并且三个用于右声道(26d、26e、26f)。每子频带的左声道扬声器三元组被选择为面向左，并且右声道扬声器三元组面向右。在这个示例中，注意的是，频带1在左和右之间共享扬声器。

如上所述，用扬声器对(一阶)、扬声器三元组(二阶)或更多个扬声器(更高阶)来再现声差。当扬声器位置相对于收听位置左右对称时，再现声偶极子，即，指向性特性是左右对称的。当扬声器相对于收听位置偏向左时，那么声差具有面向左的指向性特性。对右侧也类似。为了再现两个输入信号(立体声)，可以选择左侧的扬声器组来再现声差，以将左侧信号投影到左侧。类似地，对右信号，可以选择右侧的扬声器。这使得能够再现立体声，而左信号和右信号被投影到左侧和右侧，从而产生宽立体图像。

实施例提供如上所述的计算单元10，其中处理器16被配置为计算待使用添加的三个输出14a-14c中的两个输出的两个另外的单独的音频信号，使得使用经由两个输出14a-14c控制的两个换能器20a-20e生成具有一阶的第二声差，并且其中处理器16被配置为使用包括与第一有限部分不同的音频流的频率范围的第二有限部分的第二通带特性来对两个另外的单独的音频信号进行滤波。

关于以上实施例，应当注意的是，阵列20/20'的换能器20a-20e可以(优选地)布置在公共的外壳中。可替代地，阵列20/20'可以由多个换能器20a-20e形成，每个换能器20a-20e(或换能器20a-20e中的至少两个)具有分离的外壳。

根据实施例，计算单元10还可以包括用于五个换能器20a-20e的至少五个输出(参见14a-14d+附加输出)，其中使用属于第一组的五个输出14a-14d中的至少三个生成第一声差，其中使用属于第二组的五个输出14a-14d中的至少两个生成第二声差，并且其中使用属于第三组的五个输出14a-14d中的至少两个生成第三声差，并且其中第一组、第二组和第三组关于至少一个输出14a-14d彼此不同。

根据实施例，声音再现可以基于具有二阶或更高阶的第一声差和限于一阶的另一个声差。

根据另外的实施例，计算单元可以包括用于重低音扬声器的附加输出，其中处理器16被配置为基于音频流进行计算，并使用包括比第一有限部分的频率范围、第二有限部分的频率范围和/或第三有限部分的频率范围低的音频流的频率范围的通带特性来对重低音扬声器音频信号进行滤波。

音频流可以是立体声流，即，处理器16可以被配置为计算指向左侧的波瓣、再现立体声流的左声道的第一声差，以及计算具有指向右侧的波瓣、再现立体声流的右声道的第二声差。

可选地，音频流可以是多声道流(例如，5.1流)。在这种情况下，处理器16可以被配置为渲染多声道流，使得多声道流可以通过使用上述阵列来再现。

另一个实施例提供包括以上讨论的装置/计算单元和包括至少三个换能器的阵列的系统。

实施例提供一种系统，包括：

-用于声音再现的计算单元10；以及

-具有至少三个或四个换能器20a-20e的阵列(参见阵列20)，其中用于生成具有一级的第二声差的换能器20a-20e彼此间隔的距离大于用于生成第一声差的换能器20a-20e之间的距离，或者其中经由第二组的输出14a-14d控制的换能器20a-20e彼此间隔的距离大于经由属于第一组的输出14a-14d控制的换能器20a-20e之间的距离。

此外，已经关于用于计算单个声差的装置讨论了以上实施例，另一个实施例表示对应的方法。

虽然已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是清楚的是，这些方面也表示对应方法的描述，其中模块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应模块或项或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以由(或使用)硬件装置来执行，比如，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，可以由这样的装置执行最重要的方法步骤中的一些或多个方法步骤。

本发明处理(编码)的音频信号可以存储在数字存储介质上，或者可以在诸如无线传输介质或有线传输介质的传输介质(诸如互联网)上传输。

取决于某些实现要求，本发明的实施例可以用硬件或者用软件来实现。实现可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质来执行，例如软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或FLASH存储器，其中数字存储介质与可编程计算机系统协作(或能够协作)，使得执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，使得执行本文所述的方法之一。

通常，本发明的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码可操作用于执行方法之一。程序代码可以例如存储在机器可读载体上。

其它实施例包括存储在机器可读载体上、用于执行本文所述的方法之一的计算机程序。

换句话说，本发明方法的实施例因此是计算机程序，该计算机程序具有当该计算机程序在计算机上运行时用于执行本文所述的方法之一的程序代码。

应当注意的是，以上使用的音频流可以是多声道音频流或立体声流或环境流。

因此，本发明方法的另一个实施例是包括其上记录的用于执行本文所述的方法之一的计算机程序的数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非瞬态的。

因此，本发明方法的另一个实施例是表示用于执行本文所述的方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如经由互联网)传送。

另一个实施例包括被配置为或适于执行本文所述的方法之一的处理器件，例如计算机或可编程逻辑设备。

另一个实施例包括具有安装在其上的用于执行本文所述的方法之一的计算机程序的计算机。

根据本发明的另一个实施例包括被配置为将用于执行本文所述的方法之一的计算机程序(例如，电子地或光学地)传送到接收器的装置或系统。接收器可以例如是计算机、移动设备、存储器设备等。该装置或系统可以例如包括用于将计算机程序传送到接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可以使用可编程逻辑设备(例如现场可编程门阵列)来执行本文所述的方法的功能中的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行本文所述的方法之一。通常，这些方法优选地由任何硬件装置执行。

上述实施例仅仅是对本发明的原理的说明。应当理解的是，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的意图是仅由所附的专利权利要求的范围限制，而不是由通过对本文实施例的描述和解释给出的具体细节限制。

Claims (16)

1.一种用于包括具有至少三个换能器的阵列（20）的声音再现系统的计算单元（10），所述计算单元（10）包括：

输入器件（12），用于接收待使用阵列（20）再现的音频流；

处理器（16）；以及

至少三个输出，用于输出至少三个单独的音频信号，以便用于控制所述阵列（20）的所述至少三个换能器，

其中所述处理器（16）被配置为计算所述至少三个单独的音频信号，使得使用阵列（20）再现二阶声差或更高阶声差；以及

其中所述处理器（16）被配置为基于以下公式计算二阶声差：

其中τ₁、τ₂和τ₃分别是与三个单独的音频信号s₁、s₂和s₃对应的延迟特性；或者

其中所述处理器（16）被配置为基于以下公式计算更高阶声差：

或

，

其中τ_n分别是与第k阶的差分所需的n个单独的音频信号对应的延迟特性，其中n =1,2，...，k+1。

2.如权利要求1所述的计算单元（10），其中所述处理器（16）被配置为计算单独的音频信号，使得二阶或更高阶声差对收听区域具有零响应。

3.如权利要求1所述的计算单元（10），其中处理器（16）被配置为将接收到的音频流分割为至少两个频带并且计算用于所述至少两个频带的单独的音频信号，其中经由所述至少两个频带的音频信号来控制所述阵列（20）的所述至少三个换能器的至少两个不同子集，使得在所述至少两个频带内再现二阶或更高阶声差。

4.如权利要求1所述的计算单元（10），其中处理器（16）被配置为将接收到的音频流分割为至少两个频带并且计算用于所述两个频带中的第一频带的单独的音频信号和/或计算用于所述至少两个频带中的第二频带的音频信号，其中接收到的音频流的第二频带或整个频率范围的音频信号被直接给予一个或多个换能器。

5.如权利要求1所述的计算单元（10），其中处理器（16）被配置为将接收到的音频流分割为至少两个频带并且计算用于所述两个频带中的第一频带的单独的音频信号和/或用于所述至少两个频带中的第二频带的音频信号，其中通过使用一阶声差的所述阵列、或者通过用于再现一阶声差的所述阵列（20）的所述至少三个换能器的换能器对，来再现所述第二频带的音频信号。

6.如权利要求3所述的计算单元（10），其中所述至少两个频带中的第一频带和第二频带之间的衰减频率位于50 Hz和400 Hz之间的范围内，和/或其中所述第二频带和所述至少两个频带中的另一个频带之间的衰减频率位于100 Hz和1000 Hz之间的范围内。

7.如权利要求1所述的计算单元（10），其中所述音频流包括至少两个输入信号，并且其中处理器（16）被配置为计算用于所述两个输入信号中的至少第一输入信号和用于所述两个输入信号中的至少第二输入信号的单独的音频信号，其中用于第一输入信号的单独的音频信号和用于第二输入信号的单独的音频信号相对于所述阵列（20）的所述至少三个换能器中的所使用的换能器或所应用的参数彼此不同。

8.如权利要求1所述的计算单元（10），其中所述阵列（20）包括左右对称的换能器设置，

其中所述音频流包括用于至少两个声道的至少两个输入信号，并且其中处理器（16）被配置为渲染用于所述两个声道中的第一声道和用于所述两个声道中的第二声道的单独的音频信号，

其中用于第一声道的单独的音频信号包括经由所述阵列的面向左的换能器输出的声差，并且其中用于第二声道的单独的音频信号包括经由所述阵列的面向右的换能器输出的声差。

9.如权利要求1所述的计算单元（10），其中所述阵列（20）包括左右对称的扬声器设置；以及

其中最左的换能器（20a）和最右的换能器（20e）用于低频。

10.如权利要求1所述的计算单元（10），其中所述阵列（20）包括左右对称的扬声器设置，

其中所述音频流包括用于至少四个声道的至少四个输入信号，并且其中处理器（16）被配置为渲染用于四个声道中的第一声道和第三声道以及用于四个声道中的第二声道和第四声道的单独的音频信号，

其中用于第一声道和第三声道的单独的音频信号包括经由所述阵列的面向左的换能器输出的声差，并且其中用于第二声道和第四声道的单独的音频信号包括经由所述阵列的面向右的换能器输出的声差。

11.如权利要求1所述的计算单元（10），包括用于至少四个换能器的至少四个输出，

其中使用属于第一组的四个输出中的至少三个输出生成第一声差，以及

其中所述处理器（16）被配置为计算待使用第二组的所述至少四个输出中的三个输出来输出的三个另外的单独的音频信号，使得使用所述阵列（20）生成另一个二阶或更高阶声差，

其中所述处理器（16）被配置为使用包括与第一有限部分不同的音频流的频率范围的第二有限部分的通带特性对所述三个另外的单独的音频信号进行滤波，以及

其中所述第二组的输出中的至少一个输出与所述第一组的输出不同。

12.如权利要求1所述的计算单元（10），其中所述处理器（16）计算所述至少三个单独的音频信号，使得单独的音频信号关于延迟特性、相位特性和/或幅度特征彼此不同。

13.一种声音再现系统（100），包括：

如权利要求1所述的用于声音再现系统的计算单元（10）；以及

具有至少三个换能器的阵列（20）。

14.一种用于计算包括具有至少三个换能器的阵列（20）的声音再现系统的声音再现的方法，所述方法包括以下步骤：

接收待使用阵列（20）再现的音频流，其中所述音频流具有频率范围；

计算待使用至少三个输出输出的至少三个单独的音频信号，使得使用所述阵列（20）生成具有二阶或更高阶的第一声差；以及

输出至少三个音频信号，以便控制所述阵列（20）的所述至少三个换能器；以及

基于以下公式计算二阶声差：

其中τ₁、τ₂和τ₃分别是与三个单独的音频信号s₁、s₂和s₃对应的延迟特性；或者

基于以下公式计算更高阶声差：

或

，

其中τ_n分别是与第k阶的差分所需的n个单独的音频信号对应的延迟特性，其中n =1,2，...，k+1。

15.如权利要求14所述的方法，还包括使用包括所述音频流的频率范围的第一有限部分的第一通带特性对所述单独的音频信号进行滤波的步骤；和/或

还包括计算单独的音频信号的各自的延迟特性的步骤。

16.一种计算机可读数字存储介质，具有存储于其上的计算机程序，所述计算机程序具有程序代码，用于当在计算机上运行时，执行如权利要求14所述的方法。

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