CN107925813A - 具有不对称扩散以用于经反射声音再现的向上激发扩音器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将经反射声波从上部表面向下发射到收听环境的条形音箱扬声器，其包括：机柜，其含有多个音频驱动器；直接激发驱动器，其位于所述机柜内且经定向以沿着大体上垂直于所述机柜的前表面的水平轴线发射声音；及一对向上激发开槽驱动器，其接近于所述机柜的顶部表面的端而放置且相对于所述水平轴线以倾斜角度定向。所述开槽驱动器经配置以在高频率声音被向下反射到位于扬声器对前方一定距离处的收听位置时为所述高频率声音形成重叠的经反射声音投射。此扬声器投射经反射声音，所述经反射声音提供较宽水平或侧向扩散以较好地覆盖收听区。

Description

具有不对称扩散以用于经反射声音再现的向上激发扩音器
相关申请案交叉参考
此申请案主张2015年8月14日提出申请的美国临时专利申请案62/205,148及2016年4月15日提出申请的美国临时专利申请案62/323,001的优先权，所述美国临时专利申请案据此以引用的方式并入。
技术领域
一或多个实施方案一般来说涉及音频扬声器，且进一步涉及具有不对称扩散以用于在空间声音回放中产生经反射信号的向上激发扬声器。
背景技术
数字影院的出现已形成针对影院声音的新标准，例如并入多个音频信道以允许内容创造者的较大创造性以及听众的较包容(enveloping)且逼真的听觉体验。已开发基于模型的音频描述以扩展超越传统扬声器馈送及基于信道的音频作为用于在不同回放配置中散布空间音频内容及进行再现的手段。在真正三维(3D)或虚拟3D环境中的声音回放已成为被越来越多地研究及开发的领域。声音的空间呈现利用音频对象，所述音频对象为具有视在源位置(例如，3D坐标)、视在源宽度及其它参数的相关联参数源描述的音频信号。基于对象的音频可用于例如数字电影、视频游戏、模拟器等许多多媒体应用，且尤其在其中扬声器数目及其放置一般受相对小收听环境局限的限制或约束的家庭环境中具有重要性。
已开发各种技术以在全影院环境及较小规模家庭环境两者中较准确地捕获及重现创造者对音轨的艺术意图。已开发下一代空间音频(还称为“自适应音频”)格式，其包括音频对象与传统基于信道的扬声器馈送连同音频对象的位置元数据的混合物。在空间音频解码器中，将信道直接发送到其相关联扬声器或缩混到现有扬声器组，且由解码器以灵活方式再现音频对象。与每一对象相关联的参数源描述(例如3D空间中的位置轨迹)连同连接到解码器的扬声器的数目及位置一起作为输入被采用。再现器利用特定算法来跨越所附接扬声器组而散布与每一对象相关联的音频。因此，经由存在于收听环境中的特定扬声器配置而最优地呈现每一对象的创作空间意图。
当前空间音频系统一般已被开发用于影院使用，且因此涉及在大房间中的部署及相对昂贵设备(包含围绕剧院散布的多个扬声器的阵列)的使用。然而，越来越多的高级音频内容可用于通过流式传输技术及高级媒体技术(例如蓝光光盘等等)而在家庭环境中进行回放。另外，例如3D电视及高级计算机游戏以及模拟器等新兴技术正鼓励使用相对复杂的设备，例如在家庭及其它收听环境中的大屏幕监视器、环绕声音接收器及扬声器阵列。尽管此内容具有可用性，但设备成本、安装复杂性及房间大小仍为阻碍在大多数家庭环境中充分利用空间音频的现实约束。举例来说，高级基于对象的音频系统通常采用头顶(overhead)或高度扬声器来回放本打算源于收听者的头部上方的声音。在许多情形中且尤其在家庭环境中，此类高度扬声器可为不可用的。在此情形中，如果此类声音对象仅通过地板或墙壁安装式扬声器而播放，那么会丢失高度信息。
为了克服沿着天花板或上部墙壁的高度扬声器的问题，已开发经反射声音扬声器以允许地板或低安装式扬声器从天花板或上部墙壁反射具有高度提示(cue)的音频内容。在同在申请中的专利申请案第62/007,354(D14054USP1)号中描述例如产品及系统，所述专利申请案据此以引用的方式并入。图1图解说明如此描述的向上激发扬声器的定向。如图1中所展示，地板或书架扬声器102包含驱动器或驱动器阵列，所述驱动器或驱动器阵列经向上定向以将声音从上部表面(通常为天花板)上的点或区104反射到收听位置106上，使得本打算源自高度位置的声音仍然如此，即使所述声音是从低得多的位置102投射。这有效地用较方便落地式单元来替换高度或天花板扩音器。
如所已知，扩音器驱动器是将电能转换成声能或声波的装置。在其最简单形式中，典型扩音器驱动器由导线线圈组成，所述导线线圈接合到锥体或振膜且被悬置使得线圈处于磁场中并且使得线圈及锥体或振膜可垂直于磁场而移动或振动。电音频信号被施加到线圈且经悬置部件成比例地振动并产生声音。关于扬声器扩散，安装于机柜(cabinet)中的传统扩音器驱动器具有在低频率下为宽的、通常全向的且在较高频率下为窄的或较具方向性的扩散或方向性特性。图2展示位于密封机柜206中的扩音器锥体204以及声音辐射型式或扩散如何在较高频率下变得较窄的实例性横截面图。如图2中所展示，低频率下的声音扩散型式201为极宽的(针对所展示的实例，大体上360度)，而针对中频率的声音扩散型式203为较窄的(例如，120度)，而针对高频率的声音扩散型式205为更窄的(例如，60度)。狭窄程度还取决于扩音器驱动器的大小，其中在较低频率下较大直径驱动器展现比较小直径驱动器窄的扩散。
当在向上激发扩音器中使用典型圆锥体扩音器驱动器(如在图1中)时，根据图2中所展示的频率相依声音扩散型式，较低频率声音在所有方向上进行辐射，而较高频率声音朝向天花板进行辐射并从天花板朝向收听位置反射。图3A图解说明针对将经反射声音从天花板激发的典型已知向上激发扩音器的实例性高频率声音扩散型式302。图3A展示较高频率扩散型式对用于反射天花板的声音的典型扩音器驱动器的效应。如图3A中所展示，一旦声音已从天花板反射并向下反射到收听位置307上，从驱动器的相当窄的辐射角度301便变为相当宽的区303。
针对典型立体或环绕声音音频内容，通常成对地部署扬声器。因此，图3A中的扬声器阵列可实际上包括放置于电视或观看屏幕的任一侧上的两个向上激发扬声器。图3B展示针对图3A的扬声器设置的声音扩散的前视图。如图3B中所展示，两个(左及右)向上激发扩音器形成相应经反射声音扩散型式304及306，其提供单独左及右天花板声音图像。图3C展示图3B的声音扩散型式的俯视图。图3B及3C中可见，在高频率下，两个扬声器均不在收听位置处提供良好的声音覆盖。坐在中心的人从两个扬声器接收到极少能量，且坐在收听位置307任一侧处的人主要从最近向上激发扩音器接收能量。用以在收听位置307处提供较均匀高频率覆盖的一种方式是将扩音器旋转使得所述扩音器面向收听位置。此展示于图4A及4B中，其中图4A图解说明针对向内旋转的图3A的扬声器的实例性声音扩散的前视图且图4B图解说明图3B的声音扩散型式404及406的俯视图。如图4A及4B中可见，高频率声音的重叠区域403并不大且极相依于扩音器的瞄准(如针对扩音器的实例性旋转角度402所展示)，这帮助将两个声音扩散型式404及407重叠到收听位置407上。
因此，需要一种用于经反射声音的扬声器系统，所述扬声器系统提供较宽水平或侧向扩散以较好地覆盖收听区。
出于本发明描述的目的，术语扩音器意指并入有一或多个扩音器驱动器的完整扩音器机柜；驱动器或扩音器驱动器意指将电能转换成声音或声能的换能器，且声音扩散或扩散意指或描述来自源(在此情形中，扩音器)的方向性途径声音被扩散或投射。宽扩散指示源在许多方向上宽地且相当一致地辐射声音；最宽扩散为全向的，其中声音在所有方向上进行辐射。窄扩散指示源较多地在一个方向上且在有限角度内辐射声音。扩散在不同轴线(举例来说，竖直及水平)中可为不同的，且在不同频率下可为不同的。
背景章节中所论述的标的物不应仅由于其在背景章节中的提及而被假定为现有技术。类似地，背景章节中所提及或与背景章节的标的物相关联的问题不应被假定为先前已在现有技术中意识到。背景章节中的标的物仅表示不同方法，所述不同方法本身也可为发明。杜比(Dolby)及全景声(Atmos)是杜比实验室许可公司(Dolby LaboratoriesLicensing Corporation)的注册商标。
发明内容
实施例针对于一种用于发射将从收听环境的上部表面被反射的声波的条形音箱扬声器，其包括：机柜，其含有多个音频驱动器；一或多个直接激发驱动器，其位于所述机柜内且经定向以沿着大体上垂直于所述机柜的前表面的水平轴线发射声音；及一对向上激发开槽(slotted)驱动器，其接近于所述机柜的顶部表面的端而放置且相对于所述水平轴线以倾斜角度定向。所述机柜的所述顶部表面可被构建为倾斜表面，且其中所述倾斜角度介于18度到22度之间。所述开槽驱动器中的每一者可包括突出穿过开槽挡板的锥体或磁性条带(ribbon)驱动器，或所述开槽驱动器可各自包括具有形成为矩形狭槽的出口部分的喇叭形(horn)驱动器。构成所形成喇叭形或开槽挡板的所述狭槽包括窄矩形，所述窄矩形的高度尺寸为所述矩形的宽度尺寸的大约4到8倍。所述狭槽尺寸经配置以在高频率下产生垂直于狭槽轴线的相对宽声音扩散型式及沿着所述狭槽轴线的相对窄声音扩散型式。针对所述对开槽驱动器的所述宽声音扩散型式及所述窄声音扩散型式经配置以在所述高频率被向下反射到位于所述扬声器前方一定距离处的收听位置时为所述高频率形成重叠的经反射声音投射。虚拟高度滤波器电路可连同所述扬声器一起使用以将频率响应曲线施加到被发射到所述开槽驱动器的信号以形成目标传递曲线。所述虚拟高度滤波器补偿存在于被直接发射穿过所述收听环境的声波中的高度提示以有助于存在于从所述收听环境的所述上部表面被反射的所述声音中的高度提示。
所述扬声器可被实施为单个整体条形音箱扬声器或者被实施为一对独立扬声器机柜或独立扬声器机柜的阵列，每一独立扬声器机柜具有向上激发开槽驱动器，所述向上激发开槽驱动器部署于一对扬声器或多个扬声器的阵列中以形成高频率经反射声音的重叠的声音扩散型式。
以引用方式并入
此说明书中所提及的每一公开案、专利及/或专利申请案以其全文引用的方式并入本文中，其并入程度如同具体地及个别地指示将每一个别公开案及/或专利申请案以引用的方式并入。
附图说明
在以下图式中，相似参考编号用于指相似元件。虽然以下各图描绘各种实例，但一或多个实施方案不限于各图中所描绘的实例。
图1图解说明对向上激发驱动器的使用，所述向上激发驱动器使用经反射声音来模拟头顶扬声器，如目前所已知。
图2图解说明针对低、中及高频率的典型扩音器的实例性声音扩散型式。
图3A图解说明针对将经反射声音从天花板激发的典型已知向上激发扩音器的实例性高频率声音扩散。
图3B展示针对图3A的扬声器设置的声音扩散的前视图。
图3C展示图3B的声音扩散型式的俯视图。
图4A图解说明针对向内旋转的图3A的扬声器的实例性声音扩散的前视图。
图4B图解说明图3B的声音扩散型式的俯视图。
图5图解说明根据一些实施例的并入有声音扩散改进的特定特征的条形音箱扬声器。
图6图解说明根据实例性实施例的针对图5的条形音箱的向上激发驱动器的近似高频率声音扩散。
图7展示根据一些实施例的具有喇叭形件的实例性压缩驱动器，所述喇叭形件具有狭槽出口且可用于条形音箱中以进行经反射音频回放。
图8图解说明根据一些实施例的具有狭槽或线出口喇叭形件的压缩驱动器，并且展示狭槽出口的近似扩散行为。
图9图解说明实例性实施例中的如安装于扩音器机柜中的狭槽或线出口喇叭形驱动器的声音扩散。
图10展示针对安装于简单扩音器机柜1002中的典型平面磁性驱动器的扩散。
图11展示根据一些实施例的具有向上激发驱动器的狭槽出口的实例性条形音箱。
图12A图解说明根据实例性实施例的针对条形音箱的右侧高频率声音扩散的前视图，所述条形音箱具有向上激发狭槽以从天花板反射声音。
图12B图解说明根据实例性实施例的针对图12A的条形音箱的右侧高频率声音扩散的平面图。
图13A图解说明根据实例性实施例的针对条形音箱的左侧及右侧高频率声音扩散的前视图，所述条形音箱具有向上激发狭槽以从天花板反射声音。
图13B图解说明根据实例性实施例的针对图13A的条形音箱的左侧及右侧高频率声音扩散的平面图。
图14展示根据实例性实施例的在7kHz的频率下的小(大约3”)直径扩音器驱动器的声音辐射或扩散型式。
图15A图解说明根据实施例的针对大约4英寸高的平面磁性或条带驱动器在7kHz下的实例性水平辐射型式。
图15B图解说明根据实施例的针对图15A的平面磁性或条带驱动器在7kHz下的实例性竖直辐射型式。
图16描绘根据一些实施例的从基于跨越大的主体集合而求平均的HRTF(头部相关传递函数)响应的数据库的方向性听觉模型得出且可用于虚拟高度滤波器的虚拟高度滤波器响应。
具体实施方式
针对扩音器及条形音箱描述实施例，所述扩音器及条形音箱并入有开槽驱动器以通过在投射从天花板及上部墙壁表面反射的声音时防止或减小频率效应而改进声音扩散。本文中所描述的一或多个实施例的方面可在音频或音频-视觉(AV)系统中实施，所述音频或AV系统在包含执行软件指令的一或多个计算机或处理装置的混合、再现及回放系统中处理源音频信息。所描述实施例中的任一者可单独地使用或彼此以任何组合一起使用。虽然各种实施例可能已受到关于现有技术的各种缺点(在说明书中的一或多处可能论述或提到所述缺点)推动，但实施例未必解决任何这些缺点。换句话说，不同实施例可能解决可能在说明书中所论述的不同缺点。一些实施例可仅部分地解决可能在说明书中所论述的一些缺点或仅一个缺点，而一些实施例可能不解决任何这些缺点。
除了已给出的定义之外且出于本发明描述的目的，以下术语还具有相关联含义：术语“信道”意指音频信号加元数据，其中将位置编码为信道识别符，例如，左前或右上环绕；“基于信道的音频”是经格式化以用于通过具有相关联标称位置(例如，5.1、7.1等等)的一组预定义扬声器区带而进行回放的音频；术语“对象”或“基于对象的音频”意指具有例如视在源位置(例如，3D坐标)、视在源宽度等参数源描述的一或多个音频信道；及“空间音频”或“自适应音频”意指基于信道的及/或基于对象的音频信号加元数据，其使用音频流加元数据、基于回放环境而再现音频信号，其中将位置编码为空间中的3D位置；以及“收听环境”意指任何开放、部分封围或完全封围的区(例如可用于单独地回放音频内容或者与视频或其它内容一起回放的房间)且可体现于家庭、影院、剧院、礼堂、演播室、游戏控制台等等中。此区可具有安置于其中的一或多个表面，例如可直接或扩散地反射声波的墙壁或挡板。
实施例针对于经反射声音再现系统，所述经反射声音再现系统经配置以与基于音频格式及再现技术的可称为“空间音频系统”的声音格式及处理系统一起工作以允许增强的听众沉浸感、较大艺术控制以及系统灵活性及可扩缩性。整体自适应音频系统一般包括音频编码、散布及解码系统，所述音频编码、散布及解码系统经配置以产生含有基于常规信道的音频元素及音频对象编码元素的一或多个位流。与单独采用的基于信道的方法或基于对象的方法相比，此经组合方法提供较大编码效率及再现灵活性。可连同本发明实施例一起使用的自适应音频系统的实例在杜比全景声系统中体现。
一般来说，音频对象可视为声音元素群组，所述声音元素群组可被感知为从收听环境中的一或若干特定物理位置发出。此类对象可为静态(静止)或动态(移动)的。音频对象由定义给定时间点处的声音的位置的元数据以及其它函数控制。当对象被回放时，其使用所存在的扬声器根据位置元数据而再现，而非必需被输出到预定义物理信道。在实施例中，具有包含高度提示的空间方面的音频对象可称为“扩散(diffused)音频”。此扩散音频可包含例如周围头顶声音(例如，风、沙沙作响的叶子等)的一般性高度音频或可具有特定或基于轨迹的头顶声音(例如，鸟、闪电等)。
杜比全景声是并入有高度(上/下)尺寸的系统的实例，所述系统可被实施为9.1环绕系统，或类似环绕声音配置(例如，11.1、13.1、19.4等)。9.1环绕系统可包括处于地板平面中的所组成五个扬声器及处于高度平面中的四个扬声器。一般来说，这些扬声器可用于产生被设计为在收听环境内大致准确地从任何位置发出的声音。在典型商业或专业实施方案中，处于高度平面中的扬声器通常提供为天花板安装式扬声器或在听众上方较高地安装于墙壁上的扬声器(例如通常在影院中所见)。这些扬声器对于打算通过将声波从头顶位置直接向下发射给听众而在收听者上方被听到的信号提供高度提示。
向上激发条形音箱扬声器
如图1中所展示，已开发特定向上激发扬声器以克服其中天花板安装式头顶扬声器不可用或安装不实际的情景。在此情形中，高度尺寸必须由地板或低墙壁安装式扬声器提供。在实施例中，高度尺寸由具有向上激发驱动器的扬声器系统提供，所述向上激发驱动器通过从天花板反射声音而模拟高度扬声器。在自适应音频系统中，特定虚拟化技术由再现器实施以通过这些向上激发驱动器而重现头顶音频内容，且因此驱动器使用关于哪些音频对象应在标准水平平面上方被再现的特定信息来引导音频信号。
越来越多的产品正变得可用，所述产品集成了在不同方向上瞄准的多个扩音器驱动器以及信号处理以在无需围绕房间的多个单独扩音器的情况下在收听位置处呈现环绕声音体验。这些产品通常称作条形音箱，所述条形音箱是以细长机柜为特征的扩音器，所述细长机柜打算匹配或近似电视屏幕的宽度且通常安装或放置于电视下方及/或前方。图5图解说明根据一些实施例的并入有声音扩散改进的特定特征的条形音箱扬声器。条形音箱502展示具有以向上激发驱动器的所要瞄准角度而倾斜的顶部挡板的实例。替代地，顶部可为平坦的且驱动器安装于成角度凹部中。图5图解说明并入有向前、侧向及向上激发驱动器的实例性条形音箱。图6图解说明针对向上激发以从天花板或上部墙壁表面反射声音的条形音箱产品扩音器驱动器的高频率声音扩散的前视图。针对图5的实施例，条形音箱502包含若干个驱动器，包含向前激发驱动器506、侧向激发驱动器508及向上激发驱动器504。向上激发驱动器的角度由形成扬声器机柜的顶部表面的角度设定，且可取决于设计及制造配置而变化。设定向上激发角度的其它方法也是可能的，例如旋转体(swivel)安装式驱动器、可变角度机柜等等。
图6图解说明根据实例性实施例的针对图5的条形音箱的向上激发驱动器的近似高频率声音扩散。如图5中所展示，条形音箱502放置于电视或显示监视器下方及/或正前方且条形音箱的两个驱动器提供左天花板声音图像602及右天花板声音图像604。在标准配置中，经反射声音型式指示在高频率下，两个扬声器均不在收听位置606处提供特别良好的声音覆盖。
用以弥补此效应的一种方式是在现有条形音箱机柜中或通过使条形音箱较短而将驱动器移动为较靠近在一起。这将在收听位置处在高频率覆盖内提供一些重叠，但还将使两个天花板空间图像位置较靠近在一起，从而减小声音回放的所感知宽度感或空间感。驱动器也可朝向收听者成角度(如针对图4A及图4B中所展示的单独扩音器)，然而条形音箱的物理设计及/或小的外观尺寸通常阻碍较复杂的安装。
用以弥补图6中所展示的高频率声音覆盖问题的另一方式是改变驱动器设计或添加不同类型的驱动器以改进扩散型式。在实施例中，通过添加狭槽驱动器而修改条形音箱502以实现经反射音频信号的经改进声音扩散。典型锥体类型扩音器驱动器具有锥形的扩散型式或辐射角度，即，所述扩散型式或辐射角度对于垂直于瞄准轴线的任何轴线为相同的。此间接地展示于图3B及图3C中，这是因为实例性辐射角度针对侧视图及前视图为相同的。狭槽或线出口提供实现不对称扩散(即，在一个轴线上较宽且在另一轴线上较窄的扩散)的手段。出于描述的目的，术语“开槽驱动器”可指以声音投射穿过其的狭槽或窄矩形孔口为特征的任何类型的扩音器。此驱动器可被实施为用挡板(穿过其而切割狭槽)覆盖的标准锥体类型或条带类型驱动器，或通过形成有开槽喇叭形件的喇叭形驱动器而实施，或者被实施为形成为狭槽或由开槽挡板或盖覆盖的任何其它驱动器或换能器。一般来说，狭槽一般为具有高度尺寸大约为宽度尺寸的4到8倍的比例的窄矩形，但其它尺寸是可能的。
图7展示根据一些实施例的具有喇叭形件702的实例性压缩驱动器，所述喇叭形件具有狭槽出口且可用于条形音箱中以进行经反射音频回放。图8图解说明根据一些实施例的具有狭槽或线出口喇叭形件的压缩驱动器，并且展示狭槽出口的近似扩散行为。图8展示针对在被安装于挡板中时的狭槽扬声器702的侧视图(a)及俯视图(b)的实例性声音扩散型式，所述挡板是如扩音器机柜的面的平板。针对图8的俯视图(b)中所展示的垂直于狭槽长度的轴线，声音容易地衍射且扩散为宽的。在如图8的侧视图(a)中所展示的其它轴线中，扩散为窄的。图7的驱动器702一般表示其声压波为大体上平坦或平面的驱动器。
图9图解说明实例性实施例中的如安装于扩音器机柜902中的狭槽或线出口喇叭形驱动器的声音扩散。如图9中所展示，沿着垂直于狭槽轴线的轴线的声音扩散904为相对宽的，且比沿着狭槽轴线的声音扩散906宽。
如用于条形音箱或其它机柜中以进行经反射声音回放的扬声器702的狭槽的尺寸可取决于系统及收听环境约束及配置而变化。一般来说，具有比狭槽宽度长大约两倍的波长的频率将衍射以给出极宽的水平扩散。举例来说，针对15mm狭槽宽度，低于11kHz的频率将容易地衍射，从而产生极宽的水平扩散。在此频率以上，水平束宽度将随着增加的频率而缓慢变窄。一些水平扩散变窄在较高频率下为可接受的，假定束宽度仍为足够宽的以将声音辐射到所要收听区。在实施例中，使用15mm的狭槽宽度，这是因为所述狭槽宽度对于大多数回放情景及内容一般为适当的，但其它宽度也是可能的。
狭槽的高度影响竖直束宽度且因此影响收听位置处的覆盖的前后宽度。类似于上文所描述的宽度关系，具有比狭槽高度长大约两倍的波长的频率将容易地衍射且竖直束宽度为极宽的。举例来说，针对150mm长的狭槽，低于约1kHz的频率容易地衍射且竖直束宽度为极宽的。在此频率以上，束宽度越来越窄。针对150mm长的平面驱动器，束宽度在20kHz下变窄到约小于10度。在实施例中，大约100mm的狭槽高度或平面驱动器高度产生相当窄的前后覆盖区(其仍为足够宽的以覆盖躺椅或沙发的深度)，但其它高度也是可能的。
为了计算适当狭槽尺寸(高度及宽度)，可使用以下关系来确定用于优化狭槽尺寸的波长：
c＝f*w
c＝声速(大约343米/秒)
f＝以循环/秒或Hz为单位的频率
w＝以米为单位的波长
实例：针对3000Hz，一个波长w＝c/f＝343/3000＝0.1143m＝114.3mm
代替使用具有狭槽出口的喇叭形件，图9中的机柜可由放置于狭槽出口后面的典型(锥体类型)扩音器驱动器组成，且其中狭槽长度与驱动器的直径大约相同。扩散型式类似于喇叭形件情形，但频率不一致，这是因为扩音器驱动器与含有狭槽的前板之间的内部反射。
其它类型的扩音器也可适于此用途。举例来说，许多平面磁性扩音器通常具有两个长窄的狭缝或出口。所述长窄的出口与由平面磁性驱动器振膜产生的几乎完美的平面波前组合会产生在出口的线的轴线中甚至更窄的扩散型式。图10展示针对安装于简单扩音器机柜1002中的典型平面磁性驱动器的扩散。如图10中所展示，沿着垂直于狭槽轴线的轴线的声音扩散1004为相对宽的，且比沿着狭槽轴线的声音扩散1006宽。典型平面磁扬声器1002的两个狭槽一般足够靠近使所述两个狭槽充当单个狭槽。
图11展示根据一些实施例的实例性条形音箱，所述实例性条形音箱具有用于向上激发驱动器的狭槽、出口。如图11中所展示，条形音箱1102包括细长扬声器机柜，所述细长扬声器机柜包含可全部为标准锥体类型驱动器的一或多个侧向瞄准的扩音器及一或多个向前瞄准的驱动器。机柜的成角度顶部部分包含接近机柜的任一端安置的狭槽开口1104。穿过狭槽1104投射声音的驱动器可为锥体或平面磁性类型驱动器，或者其它适当类型的驱动器。如图11中所展示，条形音箱的顶部部分经成角度1102以投射将以特定角度从天花板被反射的向上瞄准的声音。替代地，条形音箱的顶部可为平坦的且具有放置于成角度凹部中的狭槽1104。
如图11中所展示，一般来说，开槽驱动器1104经定向使得其高度轴线对应于或平行于条形音箱1102的宽度并垂直于所述条形音箱的长度轴线，但其它定向是可能的。
图12A图解说明根据实例性实施例的针对具有用以从天花板反射声音的向上激发狭槽的条形音箱的右侧高频率声音扩散的前视图。如图12A中所展示，条形音箱1202从右侧狭槽驱动器朝向天花板向上反射声音，所述声音将以扩散型式1204被向下往回反射到收听区1202。也针对条形音箱1202的左侧狭槽驱动器提供类似扩散型式。
图12B图解说明根据实例性实施例的针对图12A的条形音箱的右侧高频率声音扩散的平面图。如图12B中所展示，来自条形音箱1202的右侧驱动器的经反射声音的声音扩散型式1204相对于收听位置1206的宽度而以相当广泛的方式覆盖所述位置。因此，针对右侧条形音箱狭槽的高频率声音扩散，所述狭槽的较宽水平扩散提供侧向跨越房间的宽得多的收听区且比上文所描述及图解说明的先前配置更好地覆盖收听位置。
图13A及13B展示根据一些实施例的针对条形音箱的左狭槽及右狭槽两者的高频率声音扩散。图13A图解说明根据实例性实施例的针对具有用以从天花板反射声音的向上激发狭槽的条形音箱的左侧高频率声音扩散1305及右侧高频率声音扩散1306的前视图。图13B图解说明根据实例性实施例的针对图13A的条形音箱的左侧及右侧高频率声音扩散的平面图。如图13A及13B中可见，声音扩散型式1304及1305在两个狭槽的覆盖中展现大量重叠，且坐在收听位置1306中的任何人从两侧听到声音。如图13B中所展示，与先前扬声器系统相比，条形音箱扬声器投射经反射声音，所述经反射声音提供更宽水平或侧向扩散以更好地覆盖收听位置1306。
如上所述，针对条形音箱所展示的狭槽可为装载有喇叭形狭槽的驱动器(如图7中所展示)或由具有狭槽出口的挡板覆盖的典型扩音器驱动器。替代地，可使用长窄出口平面磁性驱动器来代替狭槽。在此向上激发配置中使用狭槽或窄平面磁性驱动器消除了对在条形音箱中进行复杂安装(其中需要使向上激发驱动器水平地旋转或朝向收听位置成角度，如图4B中所展示)的需要。此外，狭槽或窄平面磁性驱动器可用于独立式扬声器中或凹入式墙壁内(in-wall)扩音器中(如图3A到3C中所展示)，使得所述狭槽或窄平面磁性驱动器无需朝向收听位置成角度。
在实施例中，图11的向上激发开槽驱动器为经配置以回放大约全音频频谱或几乎全音频频谱(例如，100Hz到16kHz)的全带宽驱动器。替代地，开槽驱动器1104可经配置而以特定频带(例如低音、中音及高频率)进行操作，且可因此被实施为低音驱动器、中音驱动器或高频扬声器(tweeter)。此类驱动器可连同其它驱动器一起使用以提供经反射音频内容所需的全带宽。扬声器机柜1102的尺寸及构造材料可取决于系统要求而被裁适，且许多不同配置及大小为可能的。举例来说，在实施例中，机柜可由中等密度纤维板(MDF)或例如木材、纤维玻璃、有机玻璃(Perspex)等等其它材料制成；且所述机柜可由任何适当厚度(例如针对MDF机柜，0.75”(19.05mm))制成。
关于用于经反射声音回放的向上投射的声音，特定测量产生相关特性。举例来说，已发现大约7kHz的声音频率一般为高度感知的关键。归因于人类听觉系统的各种方面，与从类似高度发出到收听者的耳朵及头部的声音相比，来自收听者上方的声音具有大约7kHz的声音能量的较高比例。图14展示根据实例性实施例的在7kHz的频率下的小(大约3”)直径扩音器驱动器的声音辐射或扩散型式。图1402中的向上方向(0度)是扩音器的瞄准方向。由于驱动器为圆的，因此所述型式围绕瞄准轴线或方向为相同的。主瓣的宽度可被计算为相对于瞄准方向的-10dB声音水平之间的角度。针对图1402，所述角度为大约80度。
如图8中所展示，开槽喇叭形或条带驱动器的声音扩散取决于相对于轴线(水平或竖直)(其相对于狭槽轴线)的声音投射方向而为不同的。图15A图解说明根据实施例的针对大约4英寸高的平面磁性或条带驱动器在7kHz下的实例性水平辐射型式；并且图15B图解说明根据实施例的针对图15A的平面磁性或条带驱动器在7kHz下的实例性竖直辐射型式。如图15A及15B中所展示，主要声音束为水平上较宽的且竖直上较窄的。出于锥体驱动器与开槽驱动器之间的比较的目的，图15A的水平型式宽度为大约110度，其比图14的3”驱动器宽；且图15B的竖直型式宽度为大约40度，其比图14的3”驱动器窄。
虚拟高度滤波器
在实施例中，空间音频系统利用向上激发驱动器来提供用于头顶音频对象的高度元素，且可通过条形音箱(例如图11中所图解说明)而进行播放。一般来说，高度元素通过对来自收听者上方的经反射声音的感知而部分地实现。然而，在实践中，声音并不以完美的方向性方式从向上激发驱动器沿着经反射路径进行辐射。来自向上激发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，从而减弱对来自经反射位置的声音的感知。与所要经反射声音相比，此不期望的直接声音的量一般随一或若干向上激发驱动器的方向性型式而变。为了补偿此不期望的直接声音，已展示并入信号处理以将感知高度提示引入到被馈送到向上激发驱动器的音频信号中会改进虚拟高度信号的定位及所感知质量。举例来说，已开发方向性听觉模型以形成虚拟高度滤波器，所述虚拟高度滤波器在被用于处理由向上激发驱动器重现的音频时，改进所述重现的所感知质量。在实施例中，虚拟高度滤波器根据相对于收听位置的物理扬声器位置(与收听者大约对齐)及经反射扬声器位置(在收听者上方)两者得出。针对物理扬声器位置，基于从扬声器位置直接行进到位于收听位置处的收听者的耳朵的声音的模型而确定第一方向性滤波器。此滤波器可从方向性听觉的模型(例如HRTF(头部相关传递函数)测量数据库或参数双耳听觉模型、耳廓模型或者利用帮助感知高度的提示的其它类似传递函数模型)得出。虽然将耳廓模型考虑在内的模型一般为有用的(由于其帮助界定如何感知高度)，但滤波器函数并不旨在隔离耳廓效应，而是处理来自一个方向的声音水平与来自另一方向的声音水平的比率，且耳廓模型是可被使用的双耳听觉模型的一个此种模型的实例，但也可使用其它模型。
此滤波器的逆元素(inverse)被确定并用于移除针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提示。接下来，针对经反射扬声器位置，使用相同方向性听觉模型基于从经反射扬声器位置直接行进到位于相同收听位置处的收听者的耳朵的声音的模型而确定第二方向性滤波器。此滤波器被直接应用，从而基本上赋予在声音从收听者上方的经反射扬声器位置被发出的情况下耳朵将接收的方向性提示。在实践中，这些滤波器可以允许单个滤波器的方式组合，所述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提示，又至少部分地插入来自经反射扬声器位置的方向性提示。此单个滤波器提供频率响应曲线，所述频率响应曲线在本文中称为“高度滤波器传递函数”、“虚拟高度滤波器响应曲线”、“所要频率传递函数”、“高度提示响应曲线”或者用以描述在音频回放系统中从高度声音分量对声音分量进行滤波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射进行建模的第一滤波器的以dB为单位的频率响应且P2表示对来自经反射扬声器位置的声音发射进行建模的第二滤波器的以dB为单位的频率响应，那么以dB为单位的虚拟高度滤波器PT的总响应可表达为：PT＝α(P2-P1)，其中α为控制滤波器的强度的缩放因子。在α＝1的情况下，滤波器被最大限度地应用，且在α＝0的情况下，滤波器什么都不做(0dB响应)。在实践中，基于经反射声音相对于直接声音的相对平衡而将α设定为在0与1之间某处(例如α＝0.5)。随着直接声音的水平与经反射声音相比增加，也应使α增加以便将经反射扬声器位置的方向性提示更完全地赋予此不期望的直接声音路径。然而，不应使α如此大以损坏已含有恰当方向性提示的、沿着经反射路径行进的音频的所感知音质。在实践中，已发现α＝0.5的值对于在向上激发配置中的标准扬声器驱动器的方向性型式良好地起作用。一般来说，滤波器P1及P2的确切值将随物理扬声器位置相对于收听者的方位角以及经反射扬声器位置的高程(elevation)而变。此高程又随物理扬声器位置距收听者的距离以及天花板的高度与扬声器的高度(假定收听者的头部处于与扬声器相同的高度)之间的差异而变。
图16描绘从基于跨越大的主体集合而求平均的HRTF响应的数据库的方向性听觉模型得出的虚拟高度滤波器响应PT，其中α＝1。黑色线1603表示在与合理扬声器距离及天花板高度对应的一定范围的方位角及一定范围的仰角上计算的滤波器PT。综观PT的这些各种实例，首先注意到，每一滤波器的变化大部分发生在高于4Hz的较高频率下。另外，每一滤波器展现位于大致7kHz处的峰值及位于大致12kHz处的凹谷。峰值及凹谷的确切水平在各种响应曲线之间变化几dB。考虑到此响应集合之间的峰值及凹谷位置的此接近一致，已发现，对于大多数合理的物理扬声器位置及房间尺寸，由粗灰线给出的单个平均滤波器响应1602可用作通用高度提示滤波器。考虑到此发现，单个滤波器PT可经设计用于虚拟高度扬声器，且不需要为获得合理的性能而知晓确切扬声器位置及房间尺寸。然而，为获得提高的性能，可利用此知晓来将滤波器PT动态地设定为与特定扬声器位置及房间尺寸对应的、图16的图1600中的特定黑色曲线中的一者。
将此虚拟高度滤波器用于虚拟高度再现的典型使用是在音频通过向上激发虚拟高度扬声器而被播放之前使所述音频由展现特定量值响应的滤波器预处理。滤波器可被提供为扬声器单元的一部分，或所述滤波器可为被提供为再现器、放大器或其它中间音频处理组件的一部分的单独组件。
在实施例中，应用无源或有源高度提示滤波器以形成目标传递函数以优化高度反射的声音。包含高度提示滤波器的系统的频率响应(如利用所有所包含组件而测量)使用正弦对数扫频(sweep)而在参考轴线上一米处被测量且与使用六分之一倍频程(octave)的最大平滑目标曲线相比，在从180Hz到5kHz处必须具有±3dB的最大误差。另外，相对于从1,000Hz到5,000Hz的均值，应在7kHz处具有不小于1dB的峰值且在12kHz处具有不多于–2dB的最小值。在这两个点之间提供单调关系可为有利的。对于向上激发驱动器，低频率响应特性应遵循具有180Hz的目标截止频率及0.707的质量因子的二阶高通滤波器的低频率响应特性。具有低于180Hz的拐角的滚降(rolloff)是可接受的。在90Hz处，响应应大于–13dB。自供电系统应以使用正弦对数扫频在参考轴线上一米处产生的从1kHz到5kHz的86dB的三分之一倍频程中的平均SPL来进行测试。
关于扬声器方向性，在实施例中，向上激发扬声器系统需要如在参考轴线及直接响应轴线两者上测量的、向上激发驱动器的相对频率响应。直接响应传递函数一般使用正弦对数扫频以相对于参考轴线成+70°的角度在一米处被测量。高度提示滤波器包含于两个测量中。参考轴线响应与直接响应的比率在5kHz处应为至少5dB且在10kHz处应为至少10dB，并且建议这两个点之间为单调关系。
可在同在申请中的美国专利申请案62/093,902(D14054USP3)中找到虚拟高度滤波器的额外以及更多细节及配置，所述美国专利申请案据此以其全文引用的方式并入。
一般来说，如本文中所描述的并入有虚拟高度滤波技术的向上激发扬声器可用于从硬天花板表面反射声音以模拟定位于天花板中的头顶/高度扬声器的存在。空间音频内容的引人注目的属性是使用头顶扬声器阵列来重现空间分集的音频。然而，如上所述，在许多情形中，在家庭环境中安装头顶扬声器太过昂贵或不切实际。通过使用在水平平面中正常定位的扬声器来模拟高度扬声器，可利用易于定位的扬声器而形成引人注目的3D体验。在此情形中，空间音频系统正使用条形音箱中的向上激发/高度模拟驱动器，从而允许对象的空间重现信息形成由向上激发驱动器重现的音频。虚拟高度滤波组件帮助调和或最小化高度提示，与经反射声音相比，所述高度提示可被直接发射给收听者，使得由头顶反射的信号恰当地提供高度感知。
本文中所描述的系统的方面可在用于处理数字或数字化音频文件的适当基于计算机的声音处理网络环境中实施。音频系统的部分可包含一或多个网络，所述一或多个网络包括任何所要数目个个别机器。
图11的针对向上瞄准的驱动器而并入有开槽驱动器的条形音箱扬声器可取决于音频系统及收听环境特性而具有任何适当大小、尺寸及配置。一些实例性配置包含长度介于8英寸到16英寸之间的条形音箱，所述条形音箱具有接近条形音箱的端而竖直地定向的一对开槽扬声器(如在条形音箱1102中)，且其中条形音箱机柜的顶部表面为具有介于18度到22度之间的倾斜角度的倾斜表面。取决于天花板的高度以及倾斜角度，收听位置可位于距条形音箱约英尺4到12英尺的距离处。开槽驱动器可为突出穿过开槽挡板的锥体或条带(平面磁性)驱动器或具有形成为窄狭槽的出口的喇叭形驱动器。狭槽可为窄矩形，所述窄矩形的高度尺寸为矩形的宽度尺寸的大约4到8倍，且一对窄狭槽可用于形成每一单个狭槽。符合本文中所描述的各种实施例的其它配置及尺寸也是可能的。
除非上下文另外明确要求，否则在描述及权利要求书通篇中，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等等应在与排他性或穷尽性意义相反的包含性意义上解释；也就是说，在“包含但不限于”的意义上。使用单数或复数数目的词语也分别包含复数或单数数目。另外，词语“本文中”、“下文中”、“上文”、“下文”及类似含义的词语是指此申请案的整体而非是指此申请案的任何特定部分。当参考两个或两个以上项目的列表而使用词语“或(or)”时，所述词语涵盖所述词语的以下解释中的全部：所述列表中的项目中的任一者、所述列表中的项目的全部及所述列表中的项目的任何组合。
尽管通过实例方式且就特定实施例来描述了一或多个实施方案，但应理解，一或多个实施方案不限于所揭示的实施例。相反，打算涵盖各种修改及类似布置，如所属领域的技术人员将明了。因此，所附权利要求书的范围应被赋予最广泛的解释以便囊括所有此类修改及类似布置。

Claims (20)

1.一种用于发射将从收听环境的上部表面被反射的声波的条形音箱扬声器，其包括：
机柜，其含有多个音频驱动器；
一或多个直接激发驱动器，其位于所述机柜内且经定向以沿着大体上垂直于所述机柜的前表面的水平轴线发射声音；及
一对向上激发开槽驱动器，其接近于所述机柜的顶部表面的端而放置且相对于所述水平轴线以倾斜角度定向。
2.根据权利要求1所述的扬声器，其中所述机柜为形成条形音箱的细长机柜。
3.根据权利要求1所述的扬声器，其中所述机柜的所述顶部表面被构建为倾斜表面，且其中所述倾斜角度介于18度到22度之间。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的扬声器，其中所述开槽驱动器中的每一者包括突出穿过开槽挡板的锥体驱动器。
5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的扬声器，其中所述开槽驱动器中的每一者包括具有形成为矩形狭槽的出口部分的喇叭形驱动器。
6.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的扬声器，其中所述开槽驱动器中的每一者包括突出穿过开槽挡板的平面磁性驱动器。
7.根据权利要求5到6中任一权利要求所述的扬声器，其中构成所形成喇叭形或开槽挡板的所述狭槽包括窄矩形，所述窄矩形的高度尺寸为所述矩形的宽度尺寸的大约4到8倍。
8.根据权利要求7所述的扬声器，其中所述窄矩形包括两个紧密间隔的窄矩形，使得所述喇叭形或开槽挡板包括一对窄狭槽。
9.根据权利要求7所述的扬声器，其中所述狭槽尺寸经配置以在高频率下产生垂直于狭槽轴线的相对宽声音扩散型式及沿着所述狭槽轴线的相对窄声音扩散型式。
10.根据权利要求9所述的扬声器，其中针对所述对开槽驱动器的所述宽声音扩散型式及所述窄声音扩散型式经配置以在所述高频率被向下反射到位于所述扬声器前方一定距离处的收听位置时为所述高频率形成重叠的经反射声音投射。
11.根据权利要求9所述的扬声器，其中高频率包括7kHz及7kHz以上的频率，且其中所述距离处于6英尺到12英尺的范围内。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的扬声器，其进一步包括虚拟高度滤波器电路，所述虚拟高度滤波器电路将频率响应曲线施加到被发射到所述开槽驱动器的信号以形成目标传递曲线。
13.根据权利要求12所述的扬声器，其中所述虚拟高度滤波器补偿存在于被直接发射穿过所述收听环境的声波中的高度提示以有助于存在于从所述收听环境的所述上部表面被反射的所述声音中的高度提示。
14.一种用于发射将从收听环境的上部表面被反射的声波的扬声器，其包括：
整体机柜，其含有一或多个直接激发驱动器，所述一或多个直接激发驱动器位于所述机柜内且经定向以沿着大体上垂直于所述机柜的前表面的水平轴线发射声音；及
向上激发开槽驱动器，其放置于所述机柜的顶部表面上且相对于所述水平轴线以倾斜角度定向，并且经配置以连同另一相同扬声器一起作为扬声器对而工作，从而在高频率声音被向下反射到位于所述扬声器对前方一定距离处的收听位置时为所述高频率声音形成重叠的经反射声音投射。
15.根据权利要求14所述的扬声器，其中所述机柜的所述顶部表面被构建为倾斜表面，且其中所述倾斜角度介于18度到22度之间。
16.根据权利要求14所述的扬声器，其中所述开槽驱动器包括突出穿过开槽挡板的锥体驱动器。
17.根据权利要求14所述的扬声器，其中所述开槽驱动器包括具有形成为矩形狭槽的出口部分的喇叭形驱动器。
18.根据权利要求15所述的扬声器，其中所述开槽驱动器中的每一者包括突出穿过开槽挡板的平面磁性驱动器。
19.根据权利要求15到18中任一权利要求所述的扬声器，其中构成所形成喇叭形或开槽挡板的所述狭槽包括窄矩形，所述窄矩形的高度尺寸为所述矩形的宽度尺寸的大约4到8倍。
20.根据权利要求19所述的扬声器，其中所述狭槽尺寸经配置以在高频率下产生垂直于狭槽轴线的相对宽声音扩散型式及沿着所述狭槽轴线的相对窄声音扩散型式。
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