CN107864697B - 用于狭窄空间的音频系统及用于补偿声功率降低的方法 - Google Patents

Abstract

用于狭窄空间的音频系统，包括N个声音换能器，其中N是整数且N≥2。每个声音换能器被配置为接收音频系统的相应通道的音频信号并从音频信号产生声音信号并且可操作地联接到具有相位响应的相应滤波器。在具有对应波长λ＝d/(n+1/2)的频率f处，所述滤波器中的至少一个的相位响应与所述滤波器中的至少另一个的相位响应不同，其中n是整数并且n≥0，以及d是N个声音换能器中的两个或更多个处于狭窄空间中时的特征间隔。由此实现对在频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低的补偿。

Description

用于狭窄空间的音频系统及用于补偿声功率降低的方法

技术领域

本发明涉及用于改善在具有与声音波长相当的尺寸的空间中使用多个扬声器的情况下的低音输出和效率的方法。

背景技术

在双通道立体声家庭扬声器系统中，两个扬声器的输出被分散到房间的大体积中，因此扬声器独立地辐射。对于具有两个以上通道的多通道系统通常也是如此。典型的立体声音频信号在低频时主要是单通道的。因此，来自左右通道低音输出的声音输出将在听众的耳朵处增加。

然而，当这样的扬声器系统在更狭窄的空间中使用时，扬声器独立辐射的假设可能不适用。这进而可能在听音空间中导致不希望的声音假象，这可能损害听众对声音的体验。

例如，汽车音频系统可以由安装在左右车门上的扬声器组成，如图1所示。在这样的布置中，车厢尺寸通常比家庭听音室小得多，并且狭窄空间可能导致不希望的声音效果，使得某些频率可能不如其它频率那么强烈地被感知。

这些问题的常规解决方案通常是提高扬声器(例如驱动诸如低音扬声器(woofer)的低音换能器单元)的功率。尽管这样可以改善这个问题，但它不是有效的解决方案，因为声音系统消耗更多的功率，并且可能需要更庞大的放大器。而且，它可能导致以不希望的频率增加音量。

另一种增强低音声音的解决方案可以包括单独的超低音扬声器(sub-woofer)来产生低频率的声音信号。在汽车音频系统中，超低音扬声器可位于车厢的地板上。同样，尽管使用超低音扬声器可以带来更好的低音声音，但是系统往往消耗更多的功率，并且需要额外的换能器单元和驱动电子器件。在一些类型的车辆(例如跑车)中，有限的空间可能妨碍使用超低音扬声器。

EP2357846A1描述了一种用于自动均衡由音频系统产生的低音频范围中的群延迟的低音管理系统。管理系统解决了音频系统中相位对准和/或群延迟的问题并自动地进行，而手动地优化这种系统更为常见，特别是在诸如车厢的狭窄空间内。

尽管有上述各种技术，但仍需要更有效和高效的技术来处理在狭窄空间中实现多通道音频系统时可能出现的不希望的声音假象。这对于产生高质量声音且位于汽车小车厢内的系统而言尤其如此。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了用于狭窄空间的音频系统，所述音频系统包括：

N个声音换能器，其中N是整数且N≥2，其中，每个声音换能器被配置为接收音频系统的相应通道的音频信号并且从音频信号产生声音信号，

其中，N个声音换能器中的每一个可操作地联接到具有相位响应的相应滤波器，其中在具有对应波长λ＝d/(n+1/2)的频率f处，所述滤波器中的至少一个的相位响应与所述滤波器中的至少另一个的相位响应不同，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低，其中n是整数并且n≥0，以及d是N个声音换能器中的两个或更多个声音换能器处于狭窄空间中时的特征间隔。

这里关键的一点是，相对狭窄空间中的相消干涉效应可能导致声场中的声音异常。虽然这种异常有时可以通过增加功率来处理，但是本发明试图通过抵消相消干涉来解决这些异常。具体而言，与传统思维相反，本发明试图通过故意使一个或多个不同通道的声音换能器之间的相位错位来改善狭窄空间中的总体系统性能。以这种方式，可以校正由声音换能器所在的狭窄空间引起的声音异常。

应该指出的是，本发明特别适用于低音频率，其倾向于具有与音频系统可以在其中使用的典型狭窄空间的尺寸相当的声波长。此外，另一个关键点是，从听众的角度，在这样的低频率处，在狭窄空间中维持左右对称比更高频率不重要得多，从而允许使用相位错位。

虽然本发明的补偿技术是参照具有对应波长λ＝d/(n+1/2)的频率f来说明的，但是实际的滤波器在高于和低于频率f处也提供了一些相位补偿，并且因此有可能在与相消干涉频率稍微失调的频率处通过相位错位实现声音异常的不同补偿。

在一些实施方式中，滤波器是全通滤波器，其特别适合于调整信号相位。在一些优选实施方式中，滤波器是高Q二阶全通滤波器。

优选地，滤波器中的至少一个具有中心频率大于所述频率的特征响应，以及滤波器中的至少另一个具有中心频率小于所述频率f的特征响应。这使频率f周围的特定相对相位响应出现，可以调整该频率以校正异常。

在其它实施方式中，N个声音换能器是在N个相应扬声器中的低音扬声器驱动单元。这样的单元产生低音信号，这些低音信号在狭窄空间中最容易产生相消干涉效应。对该效应的补偿意味着不需要增加驱动功率也不需要使用独立的低音扬声器。

在一些优选实施方式中，存在两个声音换能器(N＝2)，当处于狭窄空间中时，这两个声音换能器分别形成由间隔d分开的相对的扬声器的一部分。这种布置非常适合于车厢等。在这种情况下，优选地，可操作地联接到各自声音换能器的两个滤波器的相位响应相对于彼此关于所述频率f是不对称的。

对于滤波器，可以选择在系统要被校正的频率周围的特定相位响应。这通常包括选择滤波器的特征中心响应频率及其品质因数。

尽管系统将包括与N个通道相关联的至少N个换能器，如上所述，但是系统可以包括N组M个声音换能器，其中M是整数且M≥2，其中给定组中的每个声音换能器被配置为接收音频系统的相应通道的音频信号并从音频信号生成声音信号。

有时给定组中的其它换能器可以以不同的频率工作，例如中频和高音扬声器驱动单元，在这种情况下，给定组的换能器通常将被布置在单个扬声器单元中。取而代之的是，给定组中可以有以相同的频带操作的若干个换能器，例如多个低音扬声器驱动单元。在这种情况下，补偿可以施加于具有相似换能器的组。

在一些实施方式中，N×M个声音换能器中的每一个可操作地联接到具有相位响应的相应滤波器，其中在所述频率f处，联接到给定组中的M个声音换能器的滤波器的相位响应是相同的并且与联接到至少另一组中的M个声音换能器的滤波器的相位响应不同，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低。

在一些其它实施方式中，N×M个声音换能器中的每一个可操作地联接到具有相位响应的相应滤波器，其中在频率f处，联接到给定组中声音换能器的至少一个滤波器的相位响应与联接到同一组中声音换能器的至少另一个滤波器的相位响应不同并且也与联接到至少另一组中的声音换能器的至少一个滤波器的相位响应不同，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低。

本发明的系统非常适合在引起声音异常的狭窄空间范围内操作。例如，该系统非常适合于汽车的车厢，特别是跑车的紧凑车厢。

根据本发明的第二方面，提供了一种补偿狭窄空间中声音信号的声功率降低的方法，所述声音信号由包括N个声音换能器的音频系统产生，其中N是整数且N≥2，其中，每个声音换能器被配置为接收音频系统的相应通道的音频信号以及从音频信号产生声音信号，该方法包括以下步骤：

对待由N个声音换能器中的至少两个声音换能器接收的音频信号进行滤波，其中，在具有对应波长λ＝d/(n+1/2)的频率处对至少两个声音换能器中的每一个以不同的相位响应进行滤波，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低，其中n是整数并且n≥0，以及d是N个声音换能器中的两个或更多个在狭窄空间中的特征间隔。

在一些特定的实施方式中，其中N＝2并且两个声音换能器分别形成狭窄空间中由间隔d分开的相对的扬声器的一部分，对待由两个声音换能器接收的音频信号进行滤波，在所述频率f处以具有预定相位差的相位响应进行滤波。在一些优选实施方式中，在所述频率f处的预定相位差是180°。优选地，相位响应相对于彼此关于所述频率f是不对称的。

在各种实施方式中，第二方面的方法可以在另外的方法步骤方面反映本发明的第一方面的装置的许多实施方式。

根据本发明的第三方面，提供了包括可执行代码的计算机程序产品，该可执行代码在声音换能器系统的处理器上执行时使系统执行第二方面的方法。

在一些实施方式中，计算机程序产品可以作为对现有数字信号处理器(DSP)的更新或改善而实施，这是因为可能不需要硬件改变。在其它实施方式中，计算机程序产品可以作为对现有多通道或立体声音频处理器的更新或改善而实施。

根据本发明的第四方面，通常提供了适于执行第二方面的方法的计算机声音换能器系统。

如本领域技术人员将理解的，本发明提供了用于补偿可能在具有与声波波长相当的尺寸的狭窄空间中的多通道音频系统中发生的声音异常的新技术。根据具体的设计和应用可以调整精确的实施方式，并且根据本公开内容，对于本领域技术人员来说，进一步的变化和修改将变得显而易见。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明的示例，附图中：

图1示意性地示出了汽车音频系统中扬声器的典型布置；

图2示出了在图1中所示类型的汽车音频系统中测量的低音声音信号的频谱成分；

图3示意性地示出了在双通道扬声器系统中实施的本发明的实施方式；

图4示出了在图3中所示类型的双通道扬声器系统中使用的两个全通滤波器的各相位响应和相对相位响应的示例；

图5示出了当使用图3的补偿扬声器时在图1中所示类型的汽车音频系统中测量的低音声音信号的频谱成分；

图6示意性地示出了用于双通道立体声系统的三路扬声器的典型布置；以及

图7示意性地示出了在图6中所示的三路扬声器中实施的本发明的实施方式。

具体实施方式

如将要描述的，本发明提供了用于补偿当多通道音频系统位于相对狭窄空间时可能发生的声音异常的新技术。

在图1中所示类型的汽车音频系统10中，车门的间隔基本上限定了相对的左扬声器11和右扬声器12的间隔，因为它们通常位于左侧门板和右侧门板中。当用相同的信号驱动扬声器时，在以下声音频率f下可能发生相消干涉：扬声器之间的距离与该声音频率处声音信号的奇数个半波长(n+1/2)λ(例如1/2、1¹/₂、2¹/₂个波长)对应。

这会导致与这些不同波长对应的频率处的输出减小以及效率降低。最强烈的效果将往往在与相对的扬声器的1/2波长间隔对应的频率处发生。该频率可以根据f＝v_s/2d计算出，其中v_s＝340m/s是声音在空气中的速度，以及d是两个扬声器的间隔。对于图1中所示类型的汽车音频系统，车门通常分开1.5m至2m。扬声器间隔1.5m对应于频率f＝113Hz，其对应于低音声音频率。

相消干涉可能导致在车辆乘员的头部处测量的音频系统的频率响应中产生不希望的陷波(notch)。图2仅示出了由车厢中的汽车音频系统产生的声场的测量频率成分中这样的陷波20。显而易见，低音声功率在约113Hz的频率f处被抑制，并且在该频率周围宽度为Δf的频率范围上被抑制。

因此，图2中可见的陷波20不仅表示差的频率响应，而且表示低音声输出功率的损失，这将显著影响听众的音频体验质量。对这个陷波进行均衡是可能的，但是这将需要大量增加放大器功率和扬声器锥体(cone)运动。相反地，并且根据本发明，更好的解决方案是尽可能地防止发生相消干涉。

在中频和高频下，立体声音频系统的左右通道必须被接近相同地处理以保持声音在立体声图像中的位置。然而，这里关键的一点是，在车厢内的低频处，这种左右对称的维持与有效地校正图2中所示类型的陷波相比不重要得多。因此，左右低音信号可以稍微不同地处理。

因此，与常规系统相反，本发明不同地处理左右通道的相位响应，但是仅在对应于不希望的陷波的窄频率范围上进行这样的处理。期望的效果通常要求两个扬声器的输出在陷波频率处相差180°。然而，根据声音异常的性质或严重性可以使用其它相位对准。

本发明的一个实施方式使用两个高Q二阶全通滤波器来实施校正。为两个通道中的每一个提供滤波器，且特征中心频率分别高于和低于发生不希望的相消干涉的频率。

图3示出了这样的简单双扬声器系统。在这种布置中，左音频信号33穿过高Q二阶全通滤波器35，同时时间对准的右音频信号34穿过其高Q二阶全通滤波器36。两个全通滤波器35和36分别被选择为具有略高于和略低于目标补偿频率的特征中心频率。滤波后的信号将随后被馈送到相应的左扬声器31和右扬声器32。

在该实施方式中，两个全通滤波器在s域中的传递函数(transfer function)被选择为如下：

其中，H_L(s)是较低频的滤波器的响应，以及H_H(s)是较高频的滤波器的响应。较低频的滤波器可以与左扬声器或右扬声器中的任一个一起使用，只要较高频的滤波器与左扬声器或右扬声器中的另一个一起使用即可。

在上述频率响应中，参数R_H＝ω×r且R_L＝ω/r，其中ω是对应于陷波中心频率(f)的角频率(ω＝2πf)，r是根据要被校正的陷波频率范围的宽度Δf而选择的比率，以及Q是滤波器的被选择为在陷波中心频率f处提供180°相位差的品质因数。

图4的两条下曲线40示出了上述两个全通滤波器的相位响应，以及上曲线41示出了两个滤波器的相对相位响应。在这个示例中，较低频的滤波器和较高频的滤波器的中心频率分别是104.9Hz和115.4Hz，并且滤波器的品质因数Q是12。可以看出，滤波器的相位响应不对称并且在所选择的频率f处具有180°的相位差，并在陷波中心频率f周围频带中产生非零的相对相位响应。

图5示出了当用图4所示的滤波器相位响应对左右音频信号施加全通滤波器校正时由车厢的汽车音频系统产生的声场的测量的频率成分。可以看出，明显的是，与没有相位补偿的相同系统的图2所示的测量的频率成分相比，在50处没有陷波，并且没有低音声功率的损失。系统在所示出的低音范围上的频率响应更为均匀。

尽管目前为止已经将音频系统描述为每个通道具有单个扬声器的双通道系统，但该系统实际上可以包括多于两个通道和/或每个扬声器可以包括多于一个声音换能器。图6示出了典型的三路扬声器60内的单元的示意图。如所示出的，扬声器包含以下驱动单元形式的三个声音换能器：高音扬声器(tweeter)61c、中频扬声器61b和低音扬声器61a，分别用于产生较高、中和低音声音频率。

扬声器可以形成双通道立体声系统的一部分，并接收左通道音频信号63，如所示出的。如所示出的，信号63有效地穿过每个驱动单元不同的滤波器或滤波器组，即用于高音扬声器61c驱动单元信号的高通滤波器67c、用于中频扬声器61b驱动单元信号的带通滤波器67b以及用于低音扬声器61a驱动单元信号的低通滤波器67a。以这种方式，整个音频信号被滤波，使得只有信号的适当频带被用来驱动相应声音换能器。在双通道立体声系统中，接收右通道的扬声器通常将以类似的方式配置。类似的扬声器布置也可以用于具有多于两个通道的多通道系统。

当在图1中所示类型的汽车音频系统中使用这种扬声器配置时，由于前面所述的原因，在低音信号中可能出现声音异常，而与较高频和中频相关的异常问题可能不存在或可忽略。在这种情况下，本发明仍然可以通过以图7所示的方式进一步对低音扬声器的信号进行滤波来实现低音补偿。

如图7中所示，图6的扬声器布置已被调整为70，以在驱动低音扬声器单元71a的信号链中有效地包括在低通滤波器77a和低音扬声器驱动单元71a之间的全通滤波器75。将对多通道音频系统中的每个三路扬声器进行类似的调整，并且根据本发明选择具有不同相位响应的全通滤波器，以补偿所得到的复合声学低音信号中的异常。在双通道立体声系统中，右扬声器将是左扬声器的复制品，并且用于左右低音扬声器的全通滤波器可以以上述方式实施，其中，特征中心频率高于和低于不希望的陷波频率。

以这种方式，对于每个通道，中频和较高频被相同地处理，由此例如在立体声图像中保持声学声音的位置，而对于每个通道低音频率被不同地处理以处理发生在低音频率范围内不希望的异常。

该系统通常可以包含响应于音频系统的特定通道的声音换能器组。换能器组中的一些换能器可以在相同的频带上操作，并且一些可以在不同的频带上操作。换能器组中的一些换能器可以位于单个扬声器单元内，而另一些可以是分开的。如果需要，使用根据本发明的滤波器的补偿可以施加在给定组内的换能器之间以及来自不同组的换能器之间。在包含具有相似的但位置不同的声音换能器的两个组的立体声系统中，可以在两组换能器中的相应换能器之间施加不同的补偿。

一些系统配置可能导致由较低频和较高频之间的交叉所引起的不期望的群延迟。在这种情况下，本发明的补偿技术可以有利地与公开的国际专利申请WO2014106756A1中描述的群延迟均衡技术相结合，该国际专利申请的内容通过引用并入本文中。当在单个音频系统中结合这两种技术时，可以合并和优化滤波器以便在高效设计中达到期望的效果。

总之，本发明提供了在狭窄空间中与多通道扬声器音频系统一起使用的新的补偿技术，以去除由狭窄空间产生的不希望的声音假象。该补偿可以根据特定应用以多种不同的配置来实施。在不失一般性的情况下，上述实施方式的教导可以组合成任意复杂的系统。此外，如本领域技术人员将理解的，基于前述教导，本发明的各种修改是可能的。

Claims (21)

1.用于狭窄空间的音频系统，所述音频系统包括：

N个声音换能器，其中N是整数且N≥2，其中，每个声音换能器被配置为接收所述音频系统的相应通道的音频信号并从所述音频信号产生声音信号，

其中，所述N个声音换能器中的每一个能够操作地联接到具有相位响应的相应滤波器，其中在具有对应波长λ＝d/(n+1/2)的频率f处，所述滤波器中的至少一个的相位响应与所述滤波器中的至少另一个的相位响应不同，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低，其中n是整数并且n≥0，以及d是所述N个声音换能器中的两个或更多个声音换能器在处于所述狭窄空间中时的特征间隔。

2.根据权利要求1所述的音频系统，其中，所述滤波器是全通滤波器。

3.根据权利要求2所述的音频系统，其中，所述滤波器是高Q二阶全通滤波器。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的音频系统，其中，所述滤波器中的至少一个具有中心频率大于所述频率的特征响应，以及所述滤波器中的至少另一个具有中心频率小于所述频率f的特征响应。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的音频系统，其中，所述N个声音换能器是N个相应扬声器中的低音扬声器驱动单元。

6.根据权利要求1所述的音频系统，其中，N＝2，并且当处于所述狭窄空间中时，两个声音换能器分别形成由所述间隔d分开的相对的扬声器的一部分。

7.根据权利要求6所述的音频系统，其中，能够操作地联接到相应声音换能器的两个滤波器的相位响应相对于彼此关于所述频率f是不对称的。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的音频系统，其中，针对所述两个扬声器中的一个扬声器的相位响应为：

以及针对所述两个扬声器中的另一扬声器的相位响应为：

其中R_H＝ω×r且R_L＝ω/r，并且其中ω是与所述频率对应的角频率(ω＝2πf)，r是根据待校正的宽度为Δf的频率范围而选择的比率，Q是所述滤波器的被选择为在所述频率f处提供预定相位差的品质因数。

9.根据权利要求8所述的音频系统，其中，所述滤波器的所述品质因数Q被选择为在所述频率f处提供180°的相位差。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的音频系统，其中，所述系统包括N组M个声音换能器，其中M是整数且M≥2，其中给定组中的每个声音换能器被配置为接收所述音频系统的相应通道的相同音频信号并从所述音频信号产生声音信号。

11.根据权利要求10所述的音频系统，其中，所述N组M个声音换能器中的每一个声音换能器能够操作地联接到具有相位响应的相应滤波器，其中在所述频率f处，联接到给定组中的M个声音换能器的滤波器的相位响应是相同的并且与联接到至少另一组中的M个声音换能器的滤波器的相位响应不同，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低。

12.根据权利要求10所述的音频系统，其中，所述N组M个声音换能器中的每一个声音换能器能够操作地联接到具有相位响应的相应滤波器，其中在所述频率f处，联接到给定组中的声音换能器的至少一个滤波器的相位响应与联接到同一组中的声音换能器的至少另一滤波器的相位响应不同并且也与联接到至少另一组中的声音换能器的至少一个滤波器的相位响应不同，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的音频系统，其中，所述狭窄空间是汽车的车厢。

14.补偿狭窄空间中声音信号的声功率降低的方法，所述声音信号由包括N个声音换能器的音频系统产生，其中，N是整数且N≥2，其中，每个声音换能器被配置为接收所述音频系统的相应通道的音频信号并从所述音频信号产生声音信号，所述方法包括以下步骤：

对待由所述N个声音换能器中的至少两个声音换能器接收的音频信号进行滤波，其中在具有对应波长λ＝d/(n+1/2)的频率处对所述至少两个声音换能器中的每一个以不同的相位响应进行滤波，以便补偿在所述频率f周围宽度为Δf的频率范围上发生的声功率降低，其中n是整数并且n≥0，以及d是所述N个声音换能器中的两个或更多个在所述狭窄空间中的特征间隔。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，N＝2并且两个声音换能器分别形成所述狭窄空间中由所述间隔d分开的相对的扬声器的一部分，以及其中，对待由所述两个声音换能器接收的音频信号进行滤波，在所述频率f处以具有预定相位差的相位响应进行滤波。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述预定相位差在所述频率f处为180°。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其中，所述相位响应相对于彼此关于所述频率f是不对称的。

18.包括计算机可执行代码的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可执行代码在被执行时致使声音换能器系统的处理器执行权利要求14至17中任一项所述的方法。

19.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述计算机可执行代码还作为对现有数字信号处理器(DSP)扬声器系统的更新或改善而实施。

20.根据权利要求18所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述计算机可执行代码还作为对现有多通道或立体声音频处理器的更新或改善而实施。

21.声音换能器系统，包括：

处理器；以及

存储器，联接到所述处理器以存储指令，所述指令在被所述处理器执行时致使所述处理器执行权利要求14至17中任一项所述的方法。