CN109218908A - 扬声器空间系统 - Google Patents

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CN109218908A CN201810736043.4A CN201810736043A CN109218908A CN 109218908 A CN109218908 A CN 109218908A CN 201810736043 A CN201810736043 A CN 201810736043A CN 109218908 A CN109218908 A CN 109218908A
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Abstract

一种被配置来建立声音区的扬声器空间系统包括：空间，其包含收听位置；以及扬声器布置，其在所述空间中设置在所述收听位置附近，所述扬声器布置被配置来接收大量电扬声器驱动信号并将它们转换成声音，所述声音被辐射到所述收听位置，使得所述辐射声音的最大声能集中在所述收听位置处。所述系统还包括信号处理布置，其操作性地连接在所述扬声器布置上游，其中所述信号处理布置包括多输入多输出系统，并且被配置来处理至少一个输入信号并且提供所述大量扬声器驱动信号。所述扬声器布置包括至少一个扬声器线阵列，并且所述至少一个扬声器线阵列包括至少三个两个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上，并且所述扬声器根据非线性中心到中心距离分布方案沿着所述线分布。

Description

扬声器空间系统
技术领域
本公开涉及一种用于处理音频信号的系统和方法(通称为“系统”)。
背景技术
在诸如汽车车厢的空间中同时使用各种声源可能会产生混乱的声音体验混合：个人平板电脑在一个地方播放电影，电话在另一个地方通话，并且导航提示中断音频系统当前在整个空间中播放的音乐。空间内空间有限且声音分离的区域可以允许同时再现不同的声音素材而不会相互干扰。希望在不使用物理分离或耳机的情况下实现这一点。单独声音区(Individual sound zone，ISZ)是一个集成的音频娱乐概念，让每位乘客都可以自由选择他或她自己的音频娱乐，同时为每个人保持和谐的厢内体验。单独声音区是通过多个声源(例如扬声器阵列)分布特定声音的区域，对要再现的音频信号进行适当的预处理，以便在预定区中再现不同的音频内容，而不干扰来自其它区的内容。可以通过调整多个声源的音频响应以近似期望区域中的期望声场来实施单独声音区。与声场控制相关发生的各种效果可能会恶化声音区之间的分离和声音区内的音质。
发明内容
一种被配置来建立声音区的扬声器空间系统包括：空间，其包含收听位置，以及扬声器布置，其在空间中设置在收听位置附近，所述扬声器布置被配置来接收大量电扬声器驱动信号，并将它们转换成声音，所述声音被辐射到收听位置，使得辐射声音的最大声能集中在收听位置处。所述系统还包括信号处理布置，其操作性地连接在扬声器布置上游的，其中信号处理布置包括多输入多输出系统，并且被配置来处理至少一个输入信号以提供大量扬声器驱动信号。所述扬声器布置包括至少一个扬声器线阵列，并且所述至少一个扬声器线阵列包括至少三个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上，并且所述扬声器根据非线性中心到中心距离分布方案沿着所述线分布。
一种被配置来在包含收听位置的空间中建立声音区的方法包括利用设置在收听位置附近的扬声器布置将大量电扬声器驱动信号转换成声音，所述声音被辐射到收听位置，使得辐射声音的最大声能集中在收听位置处。所述方法还包括利用操作性地与扬声器布置耦合的信号处理布置处理至少一个输入信号以提供电扬声器驱动信号，其中信号处理布置包括多输入多输出系统。所述扬声器布置包括至少一个扬声器线阵列，并且所述至少一个扬声器线阵列包括至少三个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上，并且所述扬声器根据非线性中心到中心距离分布方案沿着所述线分布。
通过研究以下详细描述和附图，其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。所有这样的另外的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书中，在本发明的范围内，并且由所附权利要求书保护。
附图说明
参考以下附图和描述，可以更好地理解所述系统。附图中的组件不必按比例绘制，而是重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，在所有不同的视图中，相同的附图标记表示相应的部件。
图1是具有两个单独声音区的示例性车厢的俯视图。
图2是示出示例性的2×2跨声道立体声系统的示意图。
图3是示出利用多误差最小均方(multiple error least mean square，MELMS)系统的具有M个记录通道和K个输出通道的基本声学多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)系统的示意图。
图4是示出适用于图3所示的MIMO系统的1×2×2 MELMS系统的示意图。
图5是示出设置在车辆内部的车顶内衬中的四个扬声器线阵列的示例性位置的示意图。
图6是示出示例性的对称非线性扬声器线阵列的示意图，其中扬声器对与中心点对数/指数地间隔开。
图7是示出示例性的非对称非线性扬声器线阵列的示意图，其中扬声器从阵列的一端到另一端彼此对数/指数地间隔开。
图8是示出在车辆内部的车顶内衬中的扬声器交叉阵列的示例性位置的示意图。
图9是示出包括两个扬声器线阵列的示例性交叉阵列的示意图，其中每对扬声器与相应的中心点对数地间隔开。
图10是示出包括两个扬声器线阵列的示例性交叉阵列的示意图，其中一个是线性阵列，另一个是与图7所示的阵列相同或相似的非线性线阵列。
图11是示出包括两个扬声器线阵列的示例性交叉阵列的示意图，其中两个线阵列都是与图7所示的线阵列相同或相似的非线性线阵列。
图12是示出在车辆内部中心的圆形扬声器线阵列的示例性位置的示意图。
图13是基于对数螺线的二维圆形线阵列的透视图。
图14是基于费马螺线的二维圆形线阵列的俯视图。
图15是基于圆锥螺旋的三维圆形线阵列的透视图。
图16是示出用于在空间扬声器系统中处理音频信号的示例性方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，示例性扬声器空间系统可以在空间(例如车辆(例如汽车104)的车厢103)中建立两个单独声音区101、102。音频内容A可以分布在区101中，并且音频内容B可以分布在区102中。两个区的空间取向可以不是固定的，并且可以适应收听者位置(也称为“收听位置”)，以理想地能够跟踪准确的位置，以便在收听者周围的空间区中再现期望的声音节目。然而，在两个区101和102中的每一个中发现的声场的完全分离对于在混响条件下实施并且包含有限阻抗边界的实际系统来说不是可实现的条件，因为预期收听者将受到由相邻再现的声场产生的一定程度的烦扰。然而，声音区的实际实施还应当允许在单独声音区内同时再现任意声音节目，创建安静区，再现全可听频谱(例如，20-20.0000Hz)，使区的取向适应空间中的用户位置，以及为每个区精确定义空间区。
图2示出了可以建立两个单独声音区的另一示例性扬声器空间系统。这个系统包括两区跨声道立体声系统，即2×2系统，其中声音输出信号是双声道(立体声)的，并且由收听者201的两只耳朵拾取，或者替代地，例如由布置在人工头部(未示出)上的耳朵位置处的两个麦克风(未示出)拾取。通过两个扬声器202和203，结合由具有传递函数CLL(jω)、CLR(jω)、CRL(jω)和CRR(jω)并且连接在两个扬声器202和203上游的四个逆滤波器204-207实施的逆滤波器矩阵，基于电输入(立体声)音频信号XL(jω)、XR(jω)，在收听者201的耳朵周围建立两个单独声音区。
上述信号和传递函数在频域中，并且与时域信号相对应。左电输入(音频)信号XL(jω)和右电输入(音频)信号XR(jω)由逆滤波器204-207预滤波，所述左电输入(音频)信号XL(jω)和右电输入(音频)信号XR(jω)可以由诸如无线电接收器、音乐播放器、智能手机、导航系统等的任何合适的音频信号源提供。滤波器204和205利用传递函数CLL(jω)和CLR(jω)对输入信号XL(jω)进行滤波，并且滤波器206和207利用传递函数CRL(jω)和CRR(jω)对输入信号XR(jω)进行滤波，以提供逆滤波器输出信号。
由滤波器204和206提供的逆滤波器输出信号由加法器208组合，并且由滤波器205和207提供的逆滤波器输出信号被组合，例如由加法器209相加，以形成组合信号SL(jω)和SR(jω)。尤其是，提供给左扬声器202的信号SL(jω)可以表达为：
SL(jω)＝CLL(jω)·XL(jω)+CRL(jω)·XR(jω)， (1)
并且提供给右扬声器203的信号SR(jω)可以表达为：
SR(jω)＝CLR(jω)·XL(jω)+CRR(jω)·XR(jω)。 (2)
扬声器202和203将(电)组合信号SL(jω)和SR(jω)转变成声音(声学)信号，所述声音(声学)信号分别传送到收听者201的左耳和右耳并由收听者201的左耳和右耳接收。实际存在于收听者201的左耳和右耳的声音信号分别表示为ZL(jω)和ZR(jω)，其中：
ZL(jω)＝HLL(jω)·SL(jω)+HRL(jω)·SR(jω)， (3)
ZR(jω)＝HLR(jω)·SL(jω)+HRR(jω)·SR(jω). (4)
在等式3和4中，传递函数Hij(ω)表示频域中的空间脉冲响应(room impulseresponse，RIR)，即分别从扬声器202和203到收听者201的左耳和右耳的传递函数。索引i和j是指左扬声器和右扬声器(索引“i”)以及左耳和右耳(索引“j”)，i和j可以各自是“L”或“R”。
上述等式1-4可以矩阵形式重写，其中等式1和等式2可以组合成：
S(jω)＝C(jω)·X(jω)， (5)
并且等式3和4可以组合成：
Z(jω)＝H(jω)·S(jω)，其中 (6)
X(jω)是由电输入信号组成的向量，即X(jω)＝[XL(jω)，XL(jω)]T，S(jω)是由扬声器信号组成的向量，即S(jω)＝[SL(jω)，SL(jω)]T。
C(jω)是表示四个滤波器传递函数CLL(jω)、CRL(jω)、CLR(jω)和CRR(jω)的矩阵，并且H(jω)是表示频域HLL(jω)、HRL(jω)、HLR(jω)和HRR(jω)中的四个空间脉冲响应的矩阵。组合等式5和6得到：
Z(jω)＝H(jω)·C(jω)·X(jω)。 (7)
从上面的等式7可以看出：
C(jω)＝H-1(jω)·e-jωτ， (8)
即滤波器矩阵C(jω)等于频域中的空间脉冲响应H-1(jω)的矩阵H(jω)的逆矩阵加上附加延迟τ(至少补偿声学延迟)，到达收听者左耳的信号ZL(jω)等于左输入信号XL(jω)，并且到达收听者右耳的信号ZR(jω)等于右输入信号XR(jω)，其中信号ZL(jω)和ZR(jω)分别与输入信号XL(jω)和XR(jω)相比延迟。也即：
Z(jω)＝X(jω)·e-Jωτ。 (9)
从等式7可以看出，设计跨声道立体声再现系统包括——理论上——对传递函数矩阵H(jω)求逆，传递函数矩阵H(jω)表示频域中的空间脉冲响应，即频域中的RIR矩阵。例如，可以如下确定逆矩阵：
C(jω)＝det(H)-1·adj(H(jω))， (10)
这是应用于等式8的克拉麦法则(Cramer’s rule)的结果(延迟在等式10中被忽略)。表达式adj(H(jω))表示矩阵H(jω)的辅助矩阵(adjugate matrix)。可以看出，预滤波可以分两级进行，其中滤波器传递函数adj(H(jω))确保串扰的衰减，并且滤波器传递函数det(H)-1补偿由传递函数adj(H(jω))引起的线性失真。辅助矩阵adj(H(jω))产生因果滤波器传递函数，而补偿滤波器具有传递函数G(jω)＝det(H)-1。
在图2所示的示例中，左耳(信号ZL)可以被认为位于第一声音区210中，并且右耳(信号ZR)可以被认为位于第二声音区211中。这个系统可以提供足够的串扰衰减，使得基本上，输入信号XL仅在第一声音区210(左耳)中再现，而输入信号XR仅在第二声音区211(右耳)中再现。由于声音区不一定与收听者的耳朵相关联，所以这个概念可以被推广和扩展到具有多于两个声音区的多维系统，只要该系统包括(至少)与单独声音区一样多的扬声器或扬声器组。
通过使用更多定向扬声器202和203或者结合波束形成器系统使用扬声器阵列，可以增强图2所示的系统，特别是考虑到声音区210和211彼此之间的空间分离，所述波束形成器系统允许形成具有可控形状和方向的声束。适用的波束形成器系统可以包括(加窗)延迟和求和((windowed)delay-and-sum)、最小方差无失真响应(minimum variancedistortionless response，MVDR)或MIMO概念。例如，如果要建模的系统与系统脉冲响应的长度相比变化缓慢，那么MIMO系统能够利用固有时变的脉冲响应来建模多个线性移位不变(linear shift-invariant，LSI)系统，使得时间可以被划分为其中声通道可以被假定为静止并且可以例如利用有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)滤波器来建模的周期。
图3是示出基于多输入多输出系统的信号处理布置的示意图，该多输入多输出系统具有：K个输出路径，其提供K个输出通道，用于提供K个输出信号y(n)到K组扬声器(未示出)，Q个输入路径，其提供Q个输入通道，用于接收Q个输入信号x(n)，和M个记录路径(记录通道)，其提供M个记录通道，用于从M组麦克风(由减法器块305表示)接收M个误差信号e(n)。K、M、Q为整数，其中K≥1，M≥1，并且Q≥1。假设一组扬声器包括连接到单个输出路径的一个或多个扬声器，并且假设一组麦克风包括连接到单个记录路径的一个或多个麦克风。还假设底层MIMO系统包括空间(例如扬声器-空间-麦克风系统，即其中布置有至少一个扬声器和至少一个麦克风的空间)，并且是线性的和非时变的(在一定时间段内)，使得MIMO系统可以由其空间声脉冲响应来描述。
块被理解为是硬件系统或其元件，其中处理单元中的至少一个执行软件并且具有专用电路结构，以便实现期望的信号传送或处理功能。路径可以包括传导电信号的电路径(例如，导线、模拟和/或数字电路)、传导声信号(声音)的声学路径和用于将电信号转变成声信号和相反转变的换能器中的至少一个。此外，滤波器块的滤波器矩阵是发生在该块的输入和输出之间的传递函数的矩阵。此外，底层MIMO系统可以使用由处理单元执行的软件来实施用于均衡的多误差最小均方(MELMS)算法，或者任何其它自适应控制算法，诸如(修改的)最小均方(least mean square，LMS)、递归最小二乘(recursive least square，RLS)等。
MELMS算法是用于获得最优最小均方(least mean square，LMS)解的迭代算法。MELMS算法的自适应方法允许滤波器的原位设计，并且还能实现每当(电和/或声)传递函数发生变化时重新调整滤波器的方便的方式。MELMS算法采用最速下降法(steepest descentapproach)搜索性能指标的最小值。这是通过以与梯度的负值成比例的量连续更新滤波器系数来实现的，据此，其中μ是控制收敛速度和最终失调的步长。出于近似目的，可以基于梯度的瞬时值而不是其期望值来更新向量w。
Q个输入信号x(n)用主路径滤波器矩阵P(z)滤波，主路径滤波器矩阵P(z)描述了表示从Q个输入路径到M组麦克风的主声学路径的主路径301的行为。由此，主路径301向M组麦克风305提供M个期望信号d(n)。基于MELMS算法，MELMS处理块306控制在均衡滤波器块303中实施的均衡滤波器矩阵W(z)，以对Q个输入信号x(n)进行滤波，使得当在K组扬声器和M组麦克风之间的二次路径304中滤波(如二次路径滤波器矩阵S(z)所表示的)时，得到的K个输出信号y(n)与期望的信号d(n)匹配。MELMS处理块306以及因此其MELMS算法被提供K×M个经过滤波的输入信号，即，在用在滤波器块302中实施的二次通滤波器矩阵和用减法器块305提供的M个误差信号e(n)滤波之后的输入信号x(n)，所述减法器块305从M个期望信号d(n)中减去M个麦克风信号y′(n)，即，用二次路径滤波器矩阵S(z)滤波后的K个输出信号y(n)。图3所示的MIMO系统允许使实际空间(例如车厢)的行为适应目标空间(例如真实或虚拟(模拟)参考空间)的行为。
图4是示出了另一种信号处理布置的示意图，所述信号处理布置具有基于图3所示的系统的示例性Q×K×M MELMS系统，其中Q是1，K是2，并且M是2，并且所述系统被调整以在麦克风415处形成亮区，而在麦克风416处形成暗区。“亮区”表示存在声场的区域，相反，“暗区”中则发生接近静音。输入信号x(n)被提供给四个预滤波器块401-404和两个均衡滤波器块405和406，预滤波器块401-404实施具有传递函数和的2×2二次路径滤波器矩阵，均衡滤波器块405和406具有实施均衡滤波器矩阵的传递函数W1(z)和W2(z)。滤波器块405和406由最小均方(LMS)块407和408控制。
LMS块407从预滤波器块401和402接收信号，并从麦克风415和416接收误差信号e1(n)和e2(n)。LMS块408从预滤波器块403和404接收信号，并从麦克风415和416接收误差信号e1(n)和e2(n)。均衡滤波器块405和406为扬声器409和410提供输出信号y1(n)和y2(n)。输出信号y1(n)由扬声器409经由二次路径411和412分别辐射到麦克风415和416。输出信号y2(n)由扬声器410经由二次路径413和414分别辐射到麦克风415和416。麦克风415从输出信号y1(n)、y2(n)和期望信号d1(n)生成误差信号e1(n)和e2(n)。预滤波器块401-404通过其传递函数和对具有传递函数S11(z)、S12(z)、S21(z)和S22(z)的二次路径411-414进行建模。
此外，实施相位延迟在频率上是线性的建模延迟的建模延迟块417可以向麦克风415以电(未示出)或声(示出)的方式提供期望信号d1(n)。期望信号d1(n)是延迟的输入信号x(n)，并且在麦克风415处被添加到在二次路径411和413的末端拾取的求和信号。这允许在那里形成亮区，而当生成误差信号e2(n)时，缺少诸如或类似于期望信号d1(n)的期望信号，因此允许在麦克风416处形成暗区。
再次参考图1所示的示例性车厢103，两个声音区101和102与车厢104的前座相关联。声音区101与驾驶员座椅相关联，并且声音区102与前排乘客座椅相关联。当对两个双声道收听者使用四个扬声器时，可以在前座建立四个区，并且等式7-10仍然适用，但是它们产生四阶系统而不是像图2的例子中的二阶系统，其中逆滤波器矩阵C(jω)和空间传递函数矩阵H(jω)于是为4×4矩阵。
参考图5，可以利用大量(小型)全向扬声器(例如，智能手机和平板电脑中常用的扬声器)来生成四个(例如，四个单声道)或八个(例如，四个双声道)单独声音区(未示出)，这些扬声器设置成四条线以形成四个扬声器线阵列501-504，从而形成扬声器布置。每个线阵列501-504的大量全向扬声器可以被按顺序布置为多个等强度偶极子对的线，每个偶极子对以相应线阵列501-504的声轴为中心并且间隔开不同的距离，使得每个连续偶极子对在预选的邻接声频带上独立地形成一个或多个心形(端射)波束图案。下面结合图6-10更详细地描述示例性替代扬声器线阵列。
在图5所示的布置中，线阵列501-504中的每一个可以设置在车辆(例如汽车506)的车厢505的车顶内衬(未示出)中，或者设置在四个乘客位置507-510中的一个前面的任何其它位置中。每个线阵列501-504的扬声器被布置成使得它们的端射波束图案指向乘客位置507-510中的相应一个。线阵列501-504中的每一个可以安装在刚性密封盒中，并且每个阵列的扬声器可以连接到信号处理电路，所述信号处理电路可以实施MIMO波束形成器以提供波束形成功能。波束形成功能可被调整以在最靠近特定阵列的乘客位置(亮区)处提供最大声压，而在其它乘客位置(暗区)处提供最小声压。
上面结合图5讨论的线阵列501-504可以如图6所示构造。通常扬声器外壳中的直接辐射扬声器面向预期收听者，并且理想地，来自这个扬声器的声波在预期一个收听者或多个收听者的方向上发出，即，具有朝向收听者的高方向性。方向性表示声波的方向性特性，并指示与所述扬声器生成的所有声能相比指向特定区域的声能。具有高方向性的扬声器，即在特定方向上传播而基本上不在其它方向上传播的扬声器，可以被预期听众更清楚地听到。在混响空间中，具有低方向性的扬声器，例如传播到所有方向的扬声器，只对混响场有贡献。传统的扬声器采用“散弹枪”的方式，以未经计算的方式将声音散射到空间各处。高频声音在地板和天花板上混响，导致声音不完美。然而，低频声音，如低音，是全向的。全向声音在每个方向上扩散。
沿着一条线等距间隔开的相似或相同的扬声器(具有相同或相似传递函数的扬声器)的线阵列在包含该线并且垂直于安装扬声器的挡板的平面中可以比单个扬声器呈现更窄的辐射图案或波束宽度。扬声器发出的高频声音由主瓣和旁瓣组成。波束宽度被测量为主瓣投影的四分之一功率点(-6dB)的夹角。较小的波束宽度角与较高的方向性成正比。没有校正滤波，线阵列的波束宽度随着频率的增加而变得越来越窄。波束宽度开始变窄的频率随线阵列的长度变化。
图6所示的对称非线性扬声器阵列提供了从扬声器发出的更均匀的声音模式。所发出的声音更受竖直、上下控制，但不受水平、向两侧控制。结果，声音被直接传递给收听者。图6所示的示例性扬声器阵列包括多个(相同或相似的)传统扬声器，它们成对布置，并围绕线上的中央点对称地间隔开。例如，图6所示的扬声器阵列包括挡板607上的六个单独扬声器601-606(布置成三对扬声器601和602、603和604、605和606)。可选地，单个扬声器(未示出)可以位于阵列的中央点608处，然而，所有其它驱动器成对存在。
扬声器601-606围绕中心点608纵向间隔开。最里面的一对驱动器601、602与中心点608等距地间隔开d0/2的距离，其中d0是从最里面的扬声器601、602的中心点测量的。最里面的一对扬声器d0之间的间距决定了阵列将按照预期工作的最高频率，称为空间混叠频率，而没有在离轴移动时的梳状滤波的效应，即减小高振幅旁瓣。主瓣是表现出最高声压的扬声器的方向性图案。这个频率f可以确定为：
f＝c/2·d0， (11)
其中c是声速。随后的成对驱动器应该根据以下等式沿着线间隔开：
dn＝4·n·d0， (12)
其中n＝1、2、3等，使得最里面的一对驱动器601、602和n处的n＝0随着每对扬声器沿着(线)阵列按顺序地添加而增加1。因此，次最里面的扬声器603、604具有中心到中心的距离d1，其中n＝1并且d1＝4·d0。因此，下一组扬声器605、606具有中心到中心的间距d2，其中n＝2并且d2＝8·d0。示例性扬声器阵列具有六个扬声器，尽管可以应用任意数量的扬声器。
在图6所示的示例性阵列中，扬声器和中心点之间的距离从中心点开始根据非线性标度增加，例如示出对数标度或指数标度。然而，任何其它非线性标度，例如任何其它对数或指数标度，例如质数标度(1，3，5，7，11...)，根标度(1，1.41，1.73，2...)，双对数或指数标度(1，2，4，8...)或二次标度(1，4，9，16...)可以构成基。应用频率滤波和波束形成中的至少一个可以进一步增加方向性，而没有来自地板和天花板的混响。
实际上，扬声器具有确定的物理尺寸。这个物理尺寸决定了扬声器之间的最小可能间距。实际上，那些必须彼此隔开小于物理尺寸允许的距离放置的扬声器是彼此接触放置的。这可能要求在最大可达空间混叠频率范围方面让步。当然，如果扬声器的尺寸选择得尽可能小，那么在最大可达上频率方面所作的让步将尽可能小。然而，较小的扬声器在功率和效率方面通常具有较差的特性。因此，实际上，在扬声器的质量和在分辨率方面作出的让步之间，必须作出妥协。
图7示出了示例性的非对称非线性扬声器线阵列，其中扬声器从阵列的一端到另一端对数地间隔开。图7所示的扬声器阵列是上面结合图6描述的阵列的替代方案，并且包括多个(相同或相似的)传统扬声器，例如四个单独扬声器701-704，它们对数地布置在挡板705上。例如，扬声器701可以设置在挡板705的一端。其它扬声器702-704围绕扬声器701纵向间隔开。彼此最靠近设置的扬声器，扬声器701和702与扬声器701间隔开距离d′0，其中d′0是从扬声器701和702的中心点测量的。扬声器701和702之间的间距d′0决定由于空间混叠阵列将按照预期工作的最高频率，而没有离轴移动时的梳状滤波的效应，即减小高振幅旁瓣。
第二靠近扬声器701的扬声器703设置在中心到中心的距离d′1处。设置在离扬声器701最远的位置(例如挡板705的另一端)的扬声器704具有中心到中心的间距d′2。示例性扬声器阵列具有四个扬声器，尽管可以应用任意数量的扬声器。在图7所示的示例性阵列中，扬声器702至704与扬声器701之间的距离从扬声器701开始根据非线性标度(例如，如图所示的对数标度或指数标度)增加。然而，任何其它非线性标度，例如任何其它对数或指数标度，诸如质数标度(1，3，5，7，11...)，根标度(1，1.41，1.73，2...)，双对数或指数标度(1，2，4，8...)或二次标度(1，4，9，16...)可以构成基。应用频率滤波和波束形成中的至少一个可以进一步增加方向性。
在图8所示的另一示例性布置中，仅使用一个扬声器阵列，即交叉阵列805，所述扬声器阵列设置在车厢(车顶内衬)的中心位置，并且能够将声音辐射到四个乘客位置801-804(即收听位置)。在交叉阵列805中，扬声器以交叉状图案布置，例如彼此垂直或以任何其它角度布置的两个线阵列，其中在扬声器和可选地在线阵列的公共中心点处的扬声器之间具有非线性间距。视情况而定，在中心点可以设置或不设置单个扬声器。交叉阵列805被设置成可能结合适当的信号处理(图8中未示出)产生指向四个乘客位置801-804中的每一个的声束。声束向不同的收听位置801-804提供不同的信息，即旨在由相应乘客感知的信号。
如前所述，交叉阵列的两个线区域不需要彼此垂直布置。取而代之的是，交叉阵列的线阵列可以被布置成使得线阵列在端射取向上指向期望收听位置中的每一个。例如，具有扬声器的等距或非等距分布的两个线阵列交叉地并且沿着四个收听位置之间(诸如在汽车中的左前和右后就座位置之间以及右前和左后就座位置之间)的每条对角线对齐。
图9示出了示例性交叉阵列，所述交叉阵列适用于作为图8所示的布置中的交叉阵列805，并且包括交叉形式的扬声器布置，例如彼此垂直的扬声器布置。图9所示的交叉阵列包括两个(或更多个)扬声器线阵列，它们(中的至少一个)可以与图6所示的扬声器线阵列相似，它们彼此垂直(或以任何其它角度)布置，并具有重合的中央扬声器901。同样，两个(或可选地更多个)线阵列中的扬声器根据例如如上所定义的非线性分布来布置。两个线阵列中的一个，例如图9中的竖直布置的线阵列，包括八个(相同的)传统扬声器902-909，它们布置成四对扬声器(902和903、904和905、906和907、908和909)，并且围绕布置中央扬声器801的中央点对称地间隔开。两个线阵列中的另一个，例如图9中的水平布置的线阵列，也包括八个(相同的)传统扬声器910-917，它们布置成四对扬声器910和911、912和913、914和915、916和917，并且围绕布置中央扬声器901的中央点对称地间隔开。
最里面的四个驱动器902、903、910和911在四个垂直方向上与布置中央扬声器901的中心点等距地间隔开。最外面的四个驱动器908、909、916和917在四个垂直方向上与布置中央扬声器901的中心点等距地并且相距最大距离地间隔开。在图9所示的示例性阵列中，扬声器和中心点之间的距离根据非线性标度从中心点开始沿着线阵列增加。
图10示出了另一个示例性交叉阵列，其也适用于作为图8所示的布置中的交叉阵列805，并且包括以交叉形式布置的两个(或更多个)扬声器线阵列。在本示例中，两个线阵列中的一个是线性阵列，并且另一个是与图7所示的相同或相似的非线性线阵列。所述(至少)两个线阵列彼此垂直地或与重合的中央扬声器1009成任何其它角度布置，所述重合的中央扬声器1009布置在两个线阵列的中央点处。两个线阵列中的一个(例如，图10中的竖直布置的线阵列)是非线性线阵列，并且包括根据非线性分布方案布置的八个(相同的)扬声器1001-1008。另一个线阵列，例如图10中的水平布置的线阵列，是线性线阵列，并且包括根据线性分布方案布置(即，与相邻扬声器等距间隔开)的八个(相同的)扬声器1010-1017。替代地，另一个线阵列(例如，图10中的水平布置的线阵列)也可以是非线性阵列，例如上面结合图6和7描述的阵列。
图11是示出包括两个扬声器线阵列的示例性交叉阵列的示意图，这两个线阵列都是与图7所示的线阵列相同或相似的非线性线阵列。图11所示的交叉阵列包括扬声器1101-1104的竖直线，扬声器1101-1104被对数地布置在挡板1105上，并且与图7所示的挡板705上的扬声器701-704相对应。交叉阵列还包括扬声器1106、1107、1103和1108的水平线，这些扬声器被对数地布置在挡板1109上，并且也与图7所示的挡板705上的扬声器701-704相对应。可以看出，扬声器1103是两条线的共同中心扬声器，因此是阵列的中心扬声器。
在竖直线中彼此最靠近设置的扬声器，即扬声器1101和1102，可以彼此间隔开dv0(＝d′0)的距离。在水平线中彼此最靠近设置的扬声器，即扬声器1106和1107，彼此间隔开dh0(＝dv0＝d′0)的距离。在竖直线中第二靠近扬声器1101的扬声器1103可以设置在dv1(＝d′1)的竖直中心到中心距离处，并且在水平线中第二靠近扬声器1106的扬声器1103可以设置在dh1(＝dv1＝d′1)的水平中心到中心距离处。在竖直线中设置成距扬声器1101最远的扬声器1104，例如在挡板1105的另一端，相对于扬声器1101可以具有dv2(＝d′2)的中心到中心间距。在水平线中布置成距扬声器1106最远的扬声器1108，例如在挡板1109的另一端，相对于扬声器1106可以具有dh2(＝dv2＝d′2)的中心到中心间距。示例性扬声器阵列具有七个扬声器，尽管可以使用任意数量的扬声器。
在图12所示的替代布置中，弯曲的非线性线阵列1201替代上面结合图8描述的交叉阵列。可用作弯曲非线性线阵列1201而不是图12所示的圆形不规则采样的二维阵列的弯曲非线性线阵列的示例相对于图13-15示出，其中示出了特定类型的弯曲线阵列的示例，这里称为螺线或螺旋阵列。此外，这些阵列的扬声器沿着曲线非线性分布，这意味着扬声器之间的间距不相等，而是根据非线性方案。
螺线是从一点发出的曲线，曲线在围绕该点旋转时移动得更远。螺旋是在平行于轴移动的同时围绕轴以恒定或持续变化的距离转动的曲线。螺旋包括圆锥形螺旋和圆柱形螺旋，其中一般如果曲线的连续“环”具有与圆柱形螺旋中相同的直径，则很少应用“螺线”这一表述。这里，基于二维螺线(即平面中的螺线)、三维螺线(即圆锥形螺线)和包括圆柱形螺旋和圆锥形螺旋的螺旋形式的曲线的曲线阵列被纳入可以是二维和三维的表述“圆形线阵列”下。
图13是二维圆形线阵列的透视图，其中大量扬声器1301-1308根据非线性分布方案布置在平面对数螺线1309上。在图13所示的阵列中使用的非线性分布方案例如与结合图7所示的阵列使用的分布方案相似，其中图13中的扬声器1301可以对应于图7中的扬声器701，而图13中的扬声器1308可以对应于图7中的扬声器704(然而，其间具有不同数量的扬声器)，并且扬声器1301-1308沿着其布置的(虚拟)线被弯曲以形成对数螺线。然而，任何其它类型的二维螺线，例如二维阿基米德螺线、双曲螺线、连锁螺线(lituus spiral)、狄奥多罗斯螺线、斐波那契螺线等可以形成曲线的基。
图14是二维圆形线阵列的俯视图，其中大量扬声器1401-1406根据非线性分布方案布置在平面费马型螺线1407上，其中中央扬声器1400设置在螺线的中心。在图14所示的阵列中使用的非线性分布方案例如与结合图6所示的阵列使用的分布相似，其中图14所示的扬声器1401和1402可以对应于图6所示的扬声器601和602，并且图14所示的扬声器1305和1306可以对应于图6中的扬声器605和606。两条(虚拟)子线1407和1408在螺线中心开始，并且扬声器1401-1406沿着这两条子线布置，这两条子线弯曲以形成费马螺线。
图15是三维圆形线阵列的透视图，其中大量扬声器1501-1504根据非线性分布布置在圆锥形螺旋1505上。在图15所示的阵列中使用的非线性分布例如与结合图7所示的阵列使用的分布相似，其中图15中的扬声器1501可以对应于图7中的扬声器701，并且图14中的扬声器1504可以对应于图7中的扬声器704，并且扬声器1401-1404沿着其布置的(虚拟)线弯曲以形成圆锥螺旋。然而，任何其它类型的三维螺线或螺旋，例如三维阿基米德螺线、猫眼星云(cat′s eye nebula)、向日葵螺线。
图16是示出用于在空间扬声器系统中处理音频信号的示例性方法的流程图。所述方法被配置来在包含收听位置的空间中建立声音区，并且包括利用设置在收听位置附近的扬声器布置将大量电扬声器驱动信号转换成声音，所述声音被辐射到收听位置，使得辐射声音的最大声能集中在收听位置处(过程1601)，并且利用操作性地连接在扬声器布置上游的信号处理布置，对至少一个输入信号进行处理和并且提供电扬声器驱动信号，所述信号处理包括多输入多输出处理(过程1602)。所述扬声器布置包括至少一个扬声器线阵列，所述至少一个扬声器线阵列包括至少三个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上并且根据非线性中心到中心距离方案沿着所述线分布。
实施例的描述是为了说明和描述的目的而呈现的。对实施例的适当修改和变化可以根据以上描述来执行，或者可以从实践这些方法中获得。例如，除非另外指出，否则一个或多个所描述的方法可以由合适的设备和/或设备的组合来执行。所描述的方法和相关联的动作还可以以除了在本申请中描述的顺序之外的各种顺序、并行和/或同时执行。所描述的系统本质上是示例性的，并且可以包括另外的元件和/或省略元件。
如在本申请中所使用的，以单数叙述并且前面有单词“一”或“一个”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非声明了这种排除。此外，对本公开的“一个实施例”或“一个示例”的引用并不旨在解释为排除也结合所述特征的另外的实施例的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求或特定位置顺序。
虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是对于本领域普通技术人员将显而易见的是，在本发明的范围内可以有更多很多的实施例和实施方案。尤其是，本领域技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的互换性。尽管这些技术和系统已经在某些实施例和示例的上下文中公开，但是应当理解，这些技术和系统可以扩展到超出特定公开的实施例到其它实施例和/或其使用和明显修改。

Claims (15)

1.一种被配置来建立声音区的扬声器空间系统，其包括：
空间，其包含收听位置；
扬声器布置，其在所述空间中设置在所述收听位置附近，所述扬声器布置被配置来接收大量电扬声器驱动信号并将它们转换成声音，所述声音被辐射到所述收听位置，使得所述辐射声音的最大声能集中在所述收听位置处；以及
信号处理布置，其操作性地连接在所述扬声器布置上游，所述信号处理块包括多输入多输出系统，并且被配置来处理至少一个输入信号并提供所述大量扬声器驱动信号；其中
所述扬声器布置包括至少一个扬声器线阵列，所述至少一个扬声器线阵列包括至少三个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上，并且所述扬声器根据非线性中心到中心距离方案沿着所述线分布。
2.根据权利要求1所述的系统，其中
所述至少三个扬声器包括设置在所述线的一端的一个扬声器和设置在所述线的另一端的一个扬声器；并且
相邻扬声器之间的中心到中心距离从所述线的一端到所述线的另一端非线性地增大。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述扬声器线阵列包括：
内部扬声器对，其被配置来从所述信号处理布置接收所述扬声器驱动信号之一；
沿着所述线阵列的中心点，其中所述内部扬声器对以所述第一对扬声器中的所述扬声器之间的中心到中心距离以所述中心点为中心；以及
至少两个随后的扬声器对，其包括外部扬声器对，所述外部扬声器对与所述内部扬声器对成一直线地布置并且以所述中心点为中心，所述至少两个随后的扬声器对被间隔开，使得每个所述随后的扬声器对中的所述扬声器之间的所述中心到中心距离从所述内部扬声器对到所述外部扬声器对非线性地增大。
4.根据权利要求3所述的系统，其还包括设置在所述线阵列的所述中心点上的单个扬声器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个扬声器线阵列的所述线是弯曲的。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述至少一个扬声器线阵列的所述曲线被配置成形成至少一个螺旋。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述非线性中心到中心距离方案包括基于对数或基于指数的中心到中心距离方案。
8.根据权利要求1所述的系统，其还包括至少一个附加线阵列，其中所述线阵列和所述至少一个附加线阵列彼此以预定角度设置。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述至少一个附加线阵列中的至少一个包括至少三个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上，并且所述扬声器根据非线性中心到中心距离方案沿着所述线分布。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述至少一个附加线阵列中的至少一个包括至少三个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上，并且所述扬声器根据线性中心到中心距离方案沿着所述线分布。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述线阵列和所述至少一个附加线阵列具有共同中心扬声器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述多输入多输出系统被配置来结合所述扬声器布置提供声束形成结构；所述声束形成结构被配置来进一步将所述最大声能集中到所述收听位置。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述空间包括车顶内衬，并且所述扬声器布置在所述空间的所述车顶内衬中设置在所述收听位置附近。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述空间包括中心位置，并且所述扬声器布置在所述空间中设置在所述中心位置处。
15.一种被配置来在包含收听位置的空间中建立声音区的方法，所述方法包括：
利用设置在所述收听位置附近的扬声器布置将大量电扬声器驱动信号转换成声音，所述声音被辐射到所述收听位置，使得所述辐射声音的最大声能集中在所述收听位置处；以及
利用操作性地连接在所述扬声器布置上游的信号处理布置处理至少一个输入信号并提供所述电扬声器驱动信号，所述信号处理包括多输入多输出处理；其中
所述扬声器布置包括至少一个扬声器线阵列，所述至少一个扬声器线阵列包括至少三个扬声器，所述扬声器的中心设置在一条线上，并且所述扬声器根据非线性中心到中心距离方案沿着所述线分布。
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