CN111988727A - 扬声器系统中的主动式房间补偿 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于在音频系统内去除在施加给扬声器的信号和在听音位置中得到的功率平均值之间的频率响应中的谷值的方法。该音频系统至少包括左扬声器和右扬声器，该方法包括：确定左频率响应和右频率响应，设计左补偿滤波器和右补偿滤波器，并且在回放期间将左滤波器和右滤波器应用于左输入信号和右输入信号。该方法还包括确定单声道响应和侧响应以及设计单声道补偿滤波器和侧补偿滤波器，以及在回放期间，将单声道补偿滤波器应用于基于左输入信号和右输入信号的单声道信号，并且将侧补偿滤波器应用于基于左输入信号和右输入信号的侧信号。滤波器因此被组合以提供已经左/右滤波和单声道/侧滤波的左输出信号和右输出信号。

Description

扬声器系统中的主动式房间补偿
本申请是申请日为2015年12月16日，申请号为201580083574.2，发明名称为“扬声器系统中的主动式房间补偿”的申请的分案申请。
发明领域
本发明涉及对听音空间或听音室对由成对的扬声器提供的声学体验的影响进行主动补偿。
发明背景
为了补偿听音空间的声学行为，已知的是确定给定听音位置的传递函数LP，并且在信号源与信号处理系统(例如，放大器)之间的信号路径中引入滤波器。在简单的例子中，滤波器只是1/LP。为了确定LP，麦克风(或多个麦克风)被用来测量扬声器在房间中的听音位置(或多个听音位置)处的行为。(在时域或频域中)所计算出的响应用于产生滤波器1/LP，它在某种程度上是房间行为的倒数。滤波器的响应可以在频域或时域中被计算，并且它可能被平滑处理也可能不被平滑处理。目前在各种不同种类的系统中采用各种技术。
文献WO 2007/076863提供了这种房间补偿的示例。在WO 2007/076863中，除了听音位置传递函数LP之外，还使用分散在房间中的三个位置中的测量结果来确定全局传递函数G。全局传递函数是凭经验估计出的，并且旨在表示房间的总体声学趋势。虽然诸如在WO2007/076863中所公开的方法提供了显著的优点，但仍需要进一步改进现有的房间补偿方法。
本发明的一般公开
本发明的目的是提供改进的房间补偿。这对于但不限于采用指向性受控扬声器系统的实施方式特别有用。
第一发明构思涉及用于补偿听音室对来自音频系统的声学输出的声学影响的方法，该音频系统至少包括左扬声器和右扬声器，该方法包括：确定施加到左扬声器的信号与在听音位置中得到的功率平均值之间的左频率响应LPL，确定施加到右扬声器的信号与在听音位置中得到的功率平均值之间的左频率响应LPR，基于左响应和左目标函数来设计左补偿滤波器FL，以及基于右响应和右目标函数来设计右补偿滤波器FR。
该方法还包括：根据LPL FL+LPR FR确定经滤波的单声道响应LPM，根据LPL FL-LPRFR确定经滤波的侧响应LPS，其中，LPL是左响应，LPR是右响应，FL是左滤波器并且FR是右滤波器，以及基于经滤波的单声道响应LPM和目标函数来设计单声道补偿滤波器FM，基于经滤波的侧响应LPS和目标函数来设计侧补偿滤波器FS，以及在回放期间，将左补偿滤波器应用于左声道输入，将右补偿滤波器应用于右声道信号，将单声道补偿滤波器应用于基于左输入信号和右输入信号的单声道信号，以及将侧补偿滤波器应用于基于左输入信号和右输入信号的侧信号。
根据此发明构思，为单声道的声道和侧声道提供与左滤波器和右滤波器相组合的滤波器，以提供已经左/右滤波的和单声道/侧滤波的左输出信号和右输出信号。听音室特性的一个具体部分涉及取决于房间尺寸的模态频率。扬声器系统中的常规房间补偿方法使用具有此模态行为的幅度响应的倒数的滤波器。换句话说，在房间模式(由于共振驻波)在听音室中的位置处产生信号增加的情况下，音频系统包括使信号降低相同量的滤波器。通过将左/右滤波器与特定的单声道/侧滤波器相结合而对这种影响进行了补偿。
在一个实施例中，单声道信号形成为左输入信号与右输入信号的和，侧信号形成为左输入信号与右输入信号之间的差，左滤波器输入形成为经滤波的单声道输入与经滤波的侧声道输入的和，并且右滤波器输入形成为经滤波的单声道输入与侧声道输入之间的差。
滤波器因此被交叉组合，以提供已经左/右滤波和单声道/侧滤波的左输出信号和右输出信号。
可以将左目标函数和右目标函数设置为等于表示在听音位置的模拟脉冲响应的模拟目标函数HT，并且可以基于这个模拟目标函数HT来确定单声道目标函数和侧目标函数。
通过模拟目标而不是依靠经验方法，可以通过目标函数更准确地捕获房间的总体影响。与现有技术相比，由此目标更多地通过分析来确定，而不是纯经验方法的结果。
房间中的两个相关源(单声道响应)在低频处将在相位上相加，在高频处将在功率上相加。因此，根据一个实施例，单声道目标函数被确定为模拟目标函数乘以具有大约为100Hz的中心频率并且大约为一个dB的增益的倾斜型滤波器。
侧补偿滤波器可以被选择为具有与单声道补偿滤波器相同的趋势。根据一个实施例，侧目标函数因此被确定为单声道目标函数减小了在经平滑处理的滤波后的单声道响应和经平滑处理的滤波后的侧响应之间的差。
根据一个实施例，将左补偿滤波器FL设计为具有基于模拟目标函数HT乘以左响应的倒数的左滤波器传递函数，将右补偿滤波器FR设计为具有基于模拟目标函数HT乘以右响应的倒数的右滤波器传递函数，将单声道补偿滤波器FM设计成具有基于单声道目标函数乘以单声道响应的倒数的单声道滤波器传递函数，并且将侧补偿滤波器FS设计为具有基于侧目标函数乘以侧响应的倒数的侧滤波器传递函数。
这是获得滤波器功能的非常直接的方法。可以如详细描述中讨论的应用更复杂的替代方案，该替代方案包括水平归一化和各种限制。
根据一个实施例，模拟目标函数是通过将由三个正交壁界定的角落中的点源所发射的功率模拟为由三个壁限定的八分之一球体并且将模拟目标函数定义为在点源与所发射的功率之间的传递函数而获得的。该模拟可以例如是脉冲响应或者它可以在频域中完成。已经得到这种模拟方法以为滤波器提供了有利的目标。
经模拟的发射功率可以是基于分布在八分之一球体上的多个点，优选地多于12个点，例如16个点中的模拟的功率平均值。八分之一球体的半径基于听音室的大小，优选地在2至8m的范围内，并且可以例如是3米。
确定左响应和右响应可以包括：测量听音位置中的声压以及位于在听音位置具有中心点的矩形长方体的相对角落的两个互补位置的声压，所述矩形长方体与在左扬声器和右扬声器之间的对称线对准，以及由所测量出的声压形成平均声压。
通过测量多个位置处的声压并且将响应形成为功率平均值，而获得较少的混沌响应并且避免了强烈的波动。通过假设扬声器对称排列，并且与对称平面相对准地布置长方体的对角的位置，测量结果将捕捉相对于对称平面(上、下、左、右)沿所有轴的变化。
根据一个实施例，该方法还包括：确定左目标函数超出左响应给定阈值时的左滚降频率，确定左目标函数超出右响应给定阈值时的右滚降频率，基于左滚降频率和右滚降频率来计算平均滚降频率，基于平均滚降频率来估计作为具有截止频率的高通滤波器的滚降函数，以及在设计左滤波器和右滤波器之前采用滚降函数将左响应和右响应分开。
本发明的这个方面提供了确定和保持扬声器相关的低频行为的有效方式。作为补偿的结果，所得到的滤波器功能应当是在滚降频率以下的“平直排列(flat-lined)”。
高通滤波器可以是贝塞尔滤波器，例如，六阶贝塞尔滤波器。滤波器的截止频率取决于滤波器的类型和阈值水平。例如，如果选择了六阶贝塞尔滤波器，则对于10dB的阈值来说，因子是1，而对于20dB的阈值来说，因子是1.3。
左滤波器传递函数和右滤波器传递函数优选地设置为在500Hz以上等于单位增益，以考虑到在房间附近的边界的影响受限于较高频率(例如，300Hz以上的频率)的事实。
这种增益限制可以通过在合适的频率范围，诸如200Hz至500Hz内将所述传递函数交叉衰减到单位增益来完成。
可以通过以下步骤去除单声道响应和侧响应中的峰值：测量在听音位置中的单声道响应，将单声道补偿滤波器应用于所测量出的单声道响应以形成经滤波的单声道响应，形成经滤波的单声道响应与单声道目标之间的差，形成峰值去除分量作为所述差小于零的部分，以及从单声道补偿滤波器和侧补偿滤波器中减去峰值去除分量，以形成峰值抵消单声道补偿滤波器和峰值抵消侧补偿滤波器。
通过基于实际测量结果调整滤波器以去除或抵消响应中的峰值，性能得到进一步改进。注意，这种峰值抵消不限于以上讨论的方法，而是可以被视为单独的发明构思。
本申请提供了如下内容：
1)一种用于补偿听音室对来自音频系统的声学输出的声学影响的方法，所述音频系统至少包括左扬声器和右扬声器，所述方法包括：
确定作为施加到所述左扬声器的信号与在听音位置中得到的功率平均值之间的函数的左频率响应LPL，
确定作为施加到所述右扬声器的信号与在所述听音位置中得到的功率平均值之间的函数的右频率响应LPR，
基于所述左响应和左目标函数来设计左补偿滤波器FL，
基于所述右响应和右目标函数来设计右补偿滤波器FR，
其特征在于：
根据LPL FL+LPR FR确定经滤波的单声道响应LPM，
根据LPL FL-LPR FR确定经滤波的侧响应LPS，
其中，LPL是所述左响应，LPR是所述右响应，FL是所述左滤波器，并且FR是所述右滤波器，
基于所述经滤波的单声道响应LPM和目标函数来设计单声道补偿滤波器FM，
基于所述经滤波的侧响应LPS和目标函数来设计侧补偿滤波器FS，以及
在回放期间：
接收左输入信号和右输入信号，以及
将所述左补偿滤波器应用于左滤波器输入，将所述右补偿滤波器应用于右滤波器输入，将所述单声道补偿滤波器应用于基于所述左输入信号和所述右输入信号的单声道信号，并且将所述侧补偿滤波器应用于基于所述左输入信号和所述右输入信号的侧信号。
2)根据1)所述的方法，其中：
所述单声道信号形成为所述左输入信号与所述右输入信号的和，
所述侧信号形成为所述左输入信号与所述右输入信号之间的差，
所述左滤波器输入形成为经滤波的单声道输入与经滤波的侧声道输入的和，以及
所述右滤波器输入形成为所述经滤波的单声道输入与所述侧声道输入之间的差。
3)根据1)或2)所述的方法，还包括：
将所述左目标函数和所述右目标函数设置为等于模拟目标函数HT，所述模拟目标函数HT表示在所述听音位置中的模拟目标响应，
基于所述模拟目标函数HT确定单声道目标函数和侧目标函数。
4)根据3)所述的方法，其中，所述单声道目标函数被确定为所述模拟目标函数乘以具有大约为100Hz的中心频率和大约为一个dB的增益的倾斜型滤波器。
5)根据3)所述的方法，其中，所述侧目标函数被确定为所述单声道目标函数减小了在经平滑处理的滤波后的单声道响应与经平滑处理的滤波后的侧响应之间的差。
6)根据前述任一项所述的方法，其中：
所述左补偿滤波器FL被设计成具有基于所述模拟目标函数HT乘以所述左响应的倒数的左滤波器传递函数，
所述右补偿滤波器FR被设计成具有基于所述模拟目标函数HT乘以所述右响应的倒数的右滤波器传递函数，
所述单声道补偿滤波器FM被设计成具有基于所述单声道目标函数乘以所述单声道响应的倒数的单声道滤波器传递函数，以及
所述侧补偿滤波器FS被设计成具有基于所述侧目标函数乘以所述侧响应的倒数的侧滤波器传递函数。
7)根据前述任一项所述的方法，还包括：
测量在所述听音位置中的单声道响应，
将所述单声道补偿滤波器应用于所测量出的单声道响应以形成经滤波的单声道响应，
形成在所述经滤波的单声道响应与所述单声道目标之间的差，
形成峰值去除分量作为所述差小于零的部分，以及
从所述单声道补偿滤波器和所述侧补偿滤波器中减去所述峰值去除分量，以形成峰值抵消单声道补偿滤波器和峰值抵消侧补偿滤波器。
8)根据前述任一项所述的方法，其中，所述模拟目标函数是通过将由三个正交壁界定的角落中的点源所发射的功率模拟成由所述三个壁限定的八分之一球体并且将所述模拟目标函数定义为在所述点源与所发射的功率之间的传递函数而获得的。
9)根据8)所述的方法，其中，经模拟的发射功率是基于分布在所述八分之一方形上的多个点，优选地多于12个的点中的模拟的功率平均值。
10)根据8)或9)所述的方法，其中，所述八分之一球体的半径基于听音室的大小，优选地在2至8m的范围内。
11)根据任一项所述的方法，其中：
确定所述左响应和所述右响应包括：测量在所述听音位置中的声压以及位于在所述听音位置具有中心点的矩形长方体的相对角落的两个互补位置中的声压，所述矩形长方体与在所述左扬声器和所述右扬声器之间的对称线对准，以及
由所测量出的声压形成平均声压。
12)根据前述任一项所述的方法，还包括：
确定所述左目标函数超出所述左响应给定阈值时的左滚降频率，
确定所述左目标函数超出所述右响应给定阈值时的右滚降频率，
基于所述左滚降频率和所述右滚降频率来计算平均滚降频率，
基于所述平均滚降频率估计作为具有截止频率的高通滤波器的滚降函数，以及
在设计所述左滤波器和所述右滤波器之前采用所述滚降函数将所述左频率响应和所述右频率响应分开。
13)根据12)所述的方法，其中，所述高通滤波器是贝塞尔滤波器。
14)根据12)或13)所述的方法，其中，所述截止频率等于所述平均滚降频率乘以因子，并且其中，所述因子在1.2至1.5的范围内。
15)根据12)至14)中的一项所述的方法，其中，所述给定阈值在10至30dB的范围内。
16)根据12)至15)中的一项所述的方法，还包括：
将低于所述左滚降频率的所述左滤波器传递函数设置为等于在所述左滚降频率处的所述左滤波器传递函数，以及
将低于所述右滚降频率的所述右滤波器传递函数设置为等于在所述右滚降频率处的所述右滤波器传递函数。
17)根据前述任一项所述的方法，其中，所述左滤波器传递函数和所述右滤波器传递函数被设置为在500kHz以上等于单位增益。
18)根据17)所述的方法，其中，所述左滤波器传递函数和所述右滤波器传递函数从200Hz到500Hz交叉衰减到单位增益。
19)根据前述任一项所述的方法，还包括通过下列步骤平滑处理至少一个响应：
确定在所述响应中的每倍频程的峰值数量，
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量低于第一阈值的部分，采用第一平滑宽度来平滑处理所述响应，
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量高于第二阈值的部分，采用第二平滑宽度来平滑处理所述响应，
其中，所述第二阈值大于所述第一阈值并且所述第二平滑宽度比所述第一平滑宽度宽，以及
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量在所述第一阈值与所述第二阈值之间的部分，采用中间平滑宽度进行平滑处理。
20)根据19)所述的方法，其中，所述中间平滑宽度作为所述第一平滑宽度和所述第二平滑宽度的插值是频率相关的。
21)根据19)或20)所述的方法，其中，窄的所述第一平滑宽度小于1/4倍频程，优选地为1/12倍频程，并且宽的所述第二平滑宽度为至少一个倍频程。
22)根据19)至21)中的一项所述的方法，其中，较小的所述第一阈值小于每倍频程八个峰值，优选地为每倍频程五个峰值，并且较大的所述第二阈值大于每倍频程八个峰值，优选地为每倍频程十个峰值。
23)一种用于去除在施加给扬声器的信号和在听音位置中得到的功率平均值之间的频率响应中的谷值的方法，包括：
通过采用参考平滑宽度对所述响应进行平滑处理来提供参考，
比较所述响应与所述参考，以及
对于每个频率，选择所述响应和所述参考中的最大值作为谷值去除响应。
24)根据23)所述的方法，其中，所述参考平滑宽度是至少两个倍频程。
25)根据23)或24)所述的方法，其中，在所述比较步骤之前，使用比所述参考平滑宽度窄的平滑宽度来平滑处理所述响应。
26)根据25)所述的方法，其中，所述平滑处理是通过以下步骤执行的：
确定在所述响应中的每倍频程的峰值数量，
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量低于第一阈值的部分，采用第一平滑宽度来平滑处理所述响应，
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量高于第二阈值的部分，采用第二平滑宽度来平滑处理所述响应，
其中，所述第二阈值大于所述第一阈值并且所述第二平滑宽度比所述第一平滑宽度宽，以及
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量在所述第一阈值与所述第二阈值之间的部分，采用中间平滑宽度进行平滑处理。
27)根据26)所述的方法，其中，所述中间平滑宽度作为所述第一平滑宽度和所述第二平滑宽度的插值是频率相关的。
28)根据26)至27)中的一项所述的方法，其中，窄的所述第一平滑宽度小于1/4倍频程，优选地为1/12倍频程，并且宽的所述第二平滑宽度为至少一个倍频程。
29)根据26)至28)中的一项所述的方法，其中，较小的所述第一阈值小于每倍频程八个峰值，优选地为每倍频程五个峰值，并且较大的所述第二阈值大于每倍频程八个峰值，优选地为每倍频程十个峰值。
30)根据1)至18)中的一项所述的方法，还包括：使用根据权利要求23至29中的一项所述的方法去除至少一个响应中的谷值。
31)一种音频系统，包括：
至少左扬声器和右扬声器(2，3)，所述左扬声器和所述右扬声器被布置在听音室中；
至少一个麦克风，所述至少一个麦克风被布置在听音位置中；
信号处理系统(1)，所述信号处理系统用于补偿所述听音室对来自所述扬声器的声学输出的声学影响，所述信号处理系统被配置为：
将测试信号施加到所述左扬声器，基于在所述麦克风中测量的信号确定功率平均值，并且确定在所述测试信号与所述功率平均值之间的左频率响应LPL，
将测试信号施加到所述右扬声器，基于在所述麦克风中测量的信号确定功率平均值，并且确定在所述测试信号与所述功率平均值之间的右频率响应LPL，
设计左补偿滤波器FL，以及
设计右补偿滤波器FR；
其特征在于，
所述信号处理系统(1)还被配置为：
根据LPL FL+LPR FR确定经滤波的单声道响应LPM，
根据LPL FL-LPR FR确定经滤波的侧响应LPS，
其中，LPL是所述左响应，LPR是所述右响应，FL是所述左滤波器，并且FR是所述右滤波器，
基于所述经滤波的单声道响应LPM和目标函数来设计单声道补偿滤波器FM，
基于所述经滤波的侧响应LPS和目标函数来设计侧补偿滤波器FS；
并且其中，
所述系统还包括滤波系统(4)，所述滤波系统被配置为在回放期间：
接收左信号输入和右信号输入，
将所述左补偿滤波器应用于左滤波器输入，将所述右补偿滤波器应用于右滤波器输入，将所述单声道补偿滤波器应用于基于所述左输入信号和所述右输入信号的单声道信号，并且将所述侧补偿滤波器应用于基于所述左输入信号和所述右输入信号的侧信号。
32)根据31)所述的系统，其中，所述滤波系统(4)被配置为：
将所述单声道信号形成为所述左输入信号与所述右输入信号的和，
将所述侧信号形成为在所述左输入信号与所述右输入信号之间的差，
所述左滤波器输入形成为经滤波的单声道输入与经滤波的侧声道输入的和，以及
所述右滤波器输入形成为所述经滤波的单声道输入与所述侧声道输入之间的差。
33)根据31)或32)所述的系统，其中，所述扬声器是指向性受控的扬声器。
附图简述
参考示出了当前优选的实施例的附图，将更详细地描述这些或其他的发明构思。
图1是在听音室中的扬声器系统的示意性俯视图。
图2a和图2b示出了在听音位置的左响应和右响应。
图3示出了根据本发明的实施例模拟的目标响应。
图4示出了目标的滚降调整。
图5a和图5b示出了用于两个扬声器的经滚降调整的和经平滑处理的响应。
图6a和图6b示出了频率受限的左滤波器目标和右滤波器目标。
图7a和图7b示出了在听音位置的单声道响应和侧响应。
图8a示出了图7a中的单声道响应的每倍频程的峰值/谷值的数量。
图8b示出了根据本发明的实施例确定的可变平滑宽度。
图9a示出了采用图8b中的可变平滑宽度进行平滑处理的图7a中的单声道功率响应。
图9b示出了根据本发明的实施例确定的没有谷值的组合响应。
图10a和图10b示出了根据本发明的实施例确定的单声道目标和侧目标。
图11a和图11b示出了频率受限的单声道滤波器目标和侧滤波器目标。
图12示出了听音位置中的均衡化的并且经平滑处理的单声道响应。
图13a和图13b示出了在引入谷值之前和之后的单声道滤波器目标和侧滤波器目标。
图14示出了根据本发明实施例的滤波器功能的实施方式的框图。
图15a和图15b示出了根据本发明的实施例的经滤波的纯左信号。
图16a和图16b示出了根据本发明的实施例的经滤波的纯右信号。
图17a和图17b示出了根据本发明的实施例的经滤波的纯单声道信号。
图18a和图18b示出了根据本发明的实施例的经滤波的纯侧信号。
优选实施例的详细描述
图1示出了用于实现本发明的系统的一个示例。该系统包括信号处理系统1，该信号处理系统1连接到两个扬声器2、3。本发明的实施例可以有利地实现在受控的指向性扬声器系统，诸如来自Bang&Olufsen的
Figure BDA0002659645490000132
Figure BDA0002659645490000131
扬声器中。在WO2015/117616中公开了具有受控的指向性的扬声器系统，其据此通过引用并入本文。此出版物的图9示意性地示出了一个扬声器的布局，其包括处于三个不同频率范围(高、中、低)的多个转换器以及控制器，该控制器用于控制每个转换器的频率相关复数增益。
该信号处理器1接收左声道信号L和右声道信号R并且向扬声器提供经处理的信号，例如，经放大的信号。为了补偿听音空间或听音室对所得到的音频体验的影响，实现了房间补偿滤波器功能4。传统上，这种滤波器功能包括用于每个声道(左声道和右声道)的单独的滤波器。以下公开提供了根据若干发明构思的实施例的这种滤波器功能的若干改进。
信号处理系统1包括硬件和软件实现的功能，以用于使用一个或几个麦克风来确定频率响应并且用于设计由滤波器功能4所应用的滤波器。以下描述将集中在这种滤波器的设计和应用上。基于此描述，本领域技术人员将能够以硬件和软件实现该功能。
响应测量
通过采用在听音位置附近的三个不同的麦克风位置中的麦克风执行测量来确定来自在听音位置的每个扬声器的响应。在图示的示例中，第一位置P1处于听音位置，第二位置P2处于在其中心具有听音位置的矩形长方体的角落，并且第三位置P3处于长方体的相对角落。这里的麦克风是百灵达ECM8000(Behringer ECM8000)麦克风。
测量从两个扬声器2、3到每个麦克风位置P1、P2、P3的声压，使得执行总共六次测量。针对每次测量，确定所施加的信号与所测量出的声压之间的传递函数。对于每个扬声器来说，响应随后被确定为针对该扬声器的三个声压传递函数的功率平均值。图2a示出了左响应PL并且图2b示出了右响应PR。
如下所述，在扬声器与听音位置之间的距离将具有对响应和滤波器的影响。在图示的情况下，选择了两米左右的距离。
目标定义
目标，即在普通房间的频率与增益之间的期望函数，是通过模拟由三个无穷远边界(即，代表侧壁、后壁和地板)给定的无穷远角落中的点源的功率响应来确定的。为了在所得到的目标中避免梳状滤波器的尖锐特性，可以有利地使用多于一个的点源。在一个示例中，在角落分布了四乘四乘四个点源(总共为64个)。到后壁的距离为0.5m至1.1m，步长为0.2m；到侧壁的距离为1.1m至1.7m，步长为0.2m；并且到地板的距离为0.5m至0.8m，步长为0.1m。
功率响应被计算为对多个点(例如，16个点)的脉冲响应的功率平均值，该多个点分布在由三个壁限定的并且其中心处于无穷远角落的八分之一球体上。球体的半径是基于预计的房间大小来选择的。半径越大，在直达声音与来自墙壁的反射之间的水平差异将会越小。在图示的示例中，选择了3m的半径，其对应于正常的起居室。响应由来自点源的贡献加上来自七个镜像源的贡献组成。在低频时，波长太长以至于相对于直接响应，所有的源同相地增加至总共18dB。在高频时，源的总和是随机的，相对于直接响应增加至总共9dB。模拟响应在高频时被水平调整到0dB，并且最后使用一个半倍频程的平滑宽度进行平滑处理，以去除太细的细节。在图3中示出了所得到的模拟目标函数HT。假设有对称的房间，建议将该房间用于立体声听音，左目标HTL和右目标HTR将会是相同的(并且等于HT)。
滚降检测
为了保持在实际房间中扬声器的(扬声器相关)滚降，有兴趣的是找到其中模拟目标比功率平均值大给定阈值(例如，20dB)时的频率。首先，在从200Hz到2000Hz的频率范围中，功率平均值与目标对准。可以得到(左)对准增益是：
Figure BDA0002659645490000151
功率平均值PL以dB为单位以一个倍频程的平滑宽度被平滑处理并乘以对准增益LL。然后得到-20dB的频率作为其中此乘积大于HTL-20的最低频率。
平均滚降频率fRO被计算为左滚降频率和右滚降频率的对数平均值，并且形成经滚降调整的目标。在给定的示例中，通过计算具有是平均滚降频率1.32倍的截止频率的六阶高通贝塞尔滤波器的响应并且将该响应与目标相乘来形成经滚降调整的目标。
图4示出了经平滑处理的水平对准的响应(实线)、目标(点划线)和经滚降调整的目标(虚线)。还指示了所计算出的平均滚降频率fRO。
左响应和右响应的计算
左滤波器和右滤波器旨在补偿附近边界的影响。因此，这些滤波器不应该补偿模式和一般房间声染色。为了获得这样的行为，利用两个倍频程的平滑宽度对左功率平均值和右功率平均值进行平滑处理。为了避免该平滑处理影响滚降，在平滑处理之前将功率平均值除以所检测出的滚降。例如，可以使用以上讨论的贝塞尔滤波器。图5a和图5b示出了左功率平均值和右功率平均值除以滚降(虚线)和经平滑处理的版本(实线)。
现在可以如下计算左扬声器的滤波器响应目标HFL：
Figure BDA0002659645490000152
其中，HTL是左目标，LL是对准增益(参见上文)，并且PLsm是经平滑处理的左响应。通过包括对准增益，滤波器响应目标以单位增益为中心。以相同的方式计算出右滤波器目标。
在300Hz以上限制了扬声器附近的边界的影响。对于更高的频率，左响应和右响应应当相等以保持分级。为了实现这一点，左滤波器目标和右滤波器目标可以通过从幅度域中的200Hz到500Hz交叉衰减到单位增益而被限制于此频率范围。
图6a示出了在左扬声器频带限制后的水平对准的经平滑处理的功率平均值LL·PLsm(虚线)、目标响应HTL(点划线)和滤波器目标HFL(实线)。图6b示出了右扬声器的对应曲线。
滤波器可以被计算为最小相位IIR滤波器，例如，使用例如在
Figure BDA0002659645490000161
中实现的史蒂格利茨-麦克布莱德(Stelglitz-McBride)线性模型计算方法进行计算。使用滤波器目标直至所计算出的滚降频率。对于较低的频率，滤波器被设置为等于其在截止频率中的值。这在图6a和图6b中用虚线表示。
单声道滤波器和侧滤波器的计算
对于单声道信号和侧信号使用不同滤波器的原因在于，房间将取决于两个扬声器是以相同极性还是相反极性播放信号而以不同方式被激励。根据以下公式，针对单声道输入和侧输入(HMi和HSi)来计算对第i个麦克风的复合响应：
HMi＝HLi HFL+HRi HRF
HSi＝HLi HFL-HRi HRF
其中，HLi和HRi是麦克风i的左响应和右响应，并且HLF和HRF是如上定义的左滤波器和右滤波器。这些所计算出的单声道响应和侧响应也被称为经滤波的单声道响应和侧响应，因为它们基于由左滤波器和右滤波器滤波的左响应和右响应。图7a和图7b示出了基于三个测量结果的功率平均值PM和PS。
在1000Hz以上，单声道输入和侧输入的公共功率平均值被计算出来并且被用于两个输入。因此，在1000Hz以上，房间补偿单声道滤波器和侧滤波器将是相同的。
可变平滑处理
有兴趣的是在不丢失所测量出的功率响应的细节的情况下尽可能多地应用平滑处理，以便使滤波器复杂性和对时间响应的潜在影响最小化。为此，提出了具有变化的平滑宽度的平滑处理。注意，这种平滑处理被认为形成了单独的发明构思，不仅适用于响应的平滑处理，而且适用于频域中的其他信号。
为了找到有利于使用窄的平滑处理的频率，对信号进行局部峰值和谷值的分析，并且根据每倍频程的峰值/谷值的数量来选择平滑宽度。
为了降低对噪声的敏感性，仅检测在峰值和谷值分开超出给定阈值，例如1dB时的峰值和谷值会是有益的。为了避免检测信号的波谷中的多个峰值和谷值，还可能有用的是，将未经平滑处理的信号与例如采用两个倍频程的平滑宽度进行平滑处理的经平滑处理的版本进行比较。按频率顺序选择较大的值，以形成没有波谷的信号。谷值然后简单地形成为两个峰值之间的点。
图8a示出了如上所述被计算出的并经平滑处理的随着图7a中的单声道响应的频率而变化的每倍频程的峰值/谷值的数量。
现在可以随着每倍频程的峰值/谷值的数量的变化而选择平滑宽度。例如，当峰值/谷值的数量低于给定阈值时，可以选择较窄的平滑宽度，并且当峰值的数量高于给定阈值时，可以选择较宽的平滑宽度。
根据一个实施例，当每倍频程的峰值和谷值的数量低于五时，可以使用十二分之一倍频程的平滑宽度，并且当每倍频程的峰值和谷值的数量超过十时，可以使用一个倍频程的平滑宽度。当峰值的数量在五个与十个之间时，可以通过在1/12个倍频程与1个倍频程之间的对数插值求得平滑宽度。图8b示出了随着图8a中可变的峰值/谷值的频率而变化的所得到的可变平滑宽度。
平滑处理单声道响应
图9a示出了采用图8b中的可变平滑宽度进行平滑处理的图7a中的单声道功率响应(实线)。注意，刚好在模态分布相当稀疏的低频处，经平滑处理的曲线紧跟图7a中的功率响应。在更高的频率处，平滑变得更宽并且不跟随功率响应的细节。
为了避免在房间补偿滤波器中引入峰值，有兴趣的是使响应中的谷值最小化。因此，通过为每个频率选择在图9a中的可变平滑处理和也在图9a中所示的两个倍频程dB平滑(虚线)的最大值来形成组合响应。图9b示出了所得到的组合响应。很明显，在组合响应中，该响应的峰值被保持而谷值被去除。
单声道目标和侧目标
房间中的两个相关源(单声道响应)的功率响应在低频处将在相位上相加并且在高频处在功率上相加。因此，应当调整左/右目标，以便形成合适的单声道目标。根据一个实施例，具有115Hz的中心频率、3dB的增益和0.6的Q的低倾斜型滤波器被乘以左/右目标，以形成单声道目标。图10a示出了未经平滑处理的左/右目标(虚线)和单声道目标响应HTM(实线)。
房间中两个负相关源(侧响应)的功率响应在很大程度上取决于实际的麦克风位置。考虑了在麦克风被放置在对称线上的完美对称设置的情况。在这种情况下，由于从左扬声器和右扬声器到全向麦克风的响应将是相同的，因此侧响应将无限低。
侧补偿滤波器可以被选择为与单声道补偿滤波器具有相同的趋势。为了实现这一点，图10a中的单声道目标由经平滑处理的滤波后的侧响应与经平滑处理的滤波后的单声道响应之间的差来修改，以便形成侧目标。图10b示出了(使用2个倍频程平滑宽度以dB为单位)经平滑处理的单声道响应与侧响应之间的差、如图10a中所示的单声道目标(点划线)和所得到的侧目标响应HTS(实线)。
单声道滤波器目标和侧滤波器目标
为了对准响应水平，对准增益LMS被计算为：
Figure BDA0002659645490000181
这种对准增益乘以经平滑处理的目标响应(侧和单声道)，以确保滤波器响应目标以单位增益为中心。单声道滤波器响应目标HFM现在可以被计算为：
Figure BDA0002659645490000191
其中HTM是单声道目标，PMsm是经平滑处理的单声道功率响应并且LMS是对准增益。
图11a示出了水平对准的经平滑处理的单声道功率平均值(点划线)、单声道目标响应(实线)和单声道滤波器响应目标(虚线)。
图11b示出了侧声道的对应曲线。
单声道响应和侧响应的峰值均衡
在下文中，将描述用于去除经滤波的单声道响应和侧响应中的不期望的峰值的过程。
首先，将如上确定的单声道滤波器目标乘以在听音位置P1中测量的单声道响应并且使用如上所述基于每倍频程的极值数量的可变平滑宽度对结果进行平滑处理。例如，当每倍频程的峰值和谷值的数量低于十个时，可以使用十二分之一倍频程的平滑宽度，并且当每倍频程的峰值和谷值的数量超过二十个时，可以使用一个倍频程的平滑宽度。在每倍频程有十个到二十个极值之间，可以通过1/12个倍频程与1个倍频程之间的对数插值求得平滑宽度。
现在可以将峰值去除分量确定为在目标与经可变平滑处理的所测量出的响应之间的差。附加滤波器的增益被限制为零dB，使得它只包括谷值(某些频率的衰减)。因此，额外的滤波器将被设计为仅去除响应中的峰值。
图12示出了听音位置中麦克风的均衡化的并且经平滑处理的单声道响应(实线)以及单声道目标响应(虚线)。在实线超过虚线处将引入滤波器谷值，这主要发生在200Hz以上的频率。这个频率取决于在扬声器与听音位置之间的距离，并且如果更大的距离被使用，则频率会更低。图13a示出了在引入基于第一麦克风单声道响应所计算出的谷值之前(虚线)和之后(实线)的单声道滤波器目标。
可以以类似的方式调整侧滤波器，并且图13b示出在引入基于第一麦克风侧响应所计算出的谷值之前和之后的侧滤波器目标。
与左滤波器和右滤波器一样，单声道滤波器和侧滤波器可以被计算为最小相位IIR滤波器，例如，使用例如在
Figure BDA0002659645490000201
中实现的史蒂格利茨-麦克布莱德(Stelglitz-McBride)线性模型计算方法进行计算。类似于以上讨论的左滤波器和右滤波器，滤波器目标被使用直至所计算出的滚降频率。对于较低频率，滤波器被设置到等于其在截止频率中的值。
单声道滤波器和侧滤波器的可选限制
为了避免在高频处进行补偿，单声道滤波器目标响应和侧滤波器目标响应可以从1kHz到2kHz交叉衰减到单位增益。
此外，滤波器增益可以被限制于在80Hz处的低倾斜型滤波器的响应，其中增益为10dB，并且Q为0.5。例如，增益可以使用功率域中的一个倍频程的宽度以dB为单位进行平滑处理来限制。随后将左滤波器响应和右滤波器响应的最大增益按照频率的顺序添加到增益的计算。
更进一步地，为了避免在滤波器中引入尖锐的峰值，可以平滑处理单声道滤波器目标和侧滤波器目标中的峰值。这可以通过找到峰值并且在峰值周围的四分之一的倍频程带中引入局部平滑来完成。采用这种方法，间距很小的谷值将不受影响。
所得到的响应
以上讨论的滤波器可以在图1中的信号处理系统1的滤波器功能4中实现。图14提供了可以如何修改这种滤波器功能4以允许分别将左滤波器、右滤波器、单声道滤波器和侧滤波器应用于左声道和右声道的示例。
在所示情况下，首先将左输入信号和右输入信号(L输入，R输入)交叉组合，以形成侧信号S和单声道信号M，并且单声道滤波器11和侧滤波器12被应用。然后交叉组合经滤波的单声道信号和侧信号(S*，M*)以形成修改后的左输入信号和右输入信号(L输入*，R输入*)，其也被称为左滤波器输入和右滤波器输入。左滤波器13和右滤波器14被应用于这些信号，以形成左输出信号和右输出信号(L输出，R输出)。
下面描述了根据上述的实施例在应用立体声室补偿时的功率平均响应。注意，左补偿和右补偿不影响由单声道补偿和侧补偿所处理的模式。还注意到，峰值减少并且谷值不变。
图15a示出了在将左滤波器应用于纯左信号时所得到的响应(虚线)以及左目标(实线)。图15b示出了在将左滤波器、单声道滤波器和侧滤波器应用于纯左信号时所得到的响应(虚线)以及左目标(实线)。
图16a示出了在将右滤波器应用于纯右信号时所得到的响应(虚线)以及右目标(实线)。图16b示出了在将右滤波器、单声道滤波器和侧滤波器应用于纯右信号时所得到的响应(虚线)以及右目标(实线)。
图17a示出了在将左滤波器和右滤波器应用于纯侧信号时所得到的响应(虚线)以及侧目标(实线)。图17b示出了在将左滤波器、右滤波器和侧滤波器应用于纯侧信号时所得到的响应(虚线)以及侧目标(实线)。
图18a示出了在将左滤波器和右滤波器应用于纯单声道信号时所得到的响应(虚线)以及单声道目标(实线)。图18b示出了在将左滤波器、右滤波器和单声道滤波器应用于纯单声道信号时所得到的响应(虚线)以及单声道侧目标(实线)。
本领域中的技术人员认识到，本发明决不限于上面所述的优选实施例。相反，很多修改和变化在所附权利要求的范围内是可能的。例如，注意到在扬声器与听音位置之间的距离的不同选择将影响示例中的细节。也可以设想扬声器的不对称放置，在这种情况下，左目标和右目标将不再相同。此外，以上提出的滤波器的处理之外的或不同的滤波器的处理可能是有用的。而且，可以考虑与图14中所描绘的滤波器和输入信号的组合不同的滤波器和输入信号的其他组合。

Claims (8)

1.一种用于去除在施加给扬声器的信号和在听音位置中得到的功率平均值之间的频率响应中的谷值的方法，包括：
通过采用参考平滑宽度对所述响应进行平滑处理来提供参考，
比较所述响应与所述参考，以及
对于每个频率，选择所述响应和所述参考中的最大值作为谷值去除响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考平滑宽度是至少两个倍频程。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述比较步骤之前，使用比所述参考平滑宽度窄的平滑宽度来平滑处理所述响应。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述平滑处理是通过以下步骤执行的：
确定在所述响应中的每倍频程的峰值数量，
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量低于第一阈值的部分，采用第一平滑宽度来平滑处理所述响应，
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量高于第二阈值的部分，采用第二平滑宽度来平滑处理所述响应，
其中，所述第二阈值大于所述第一阈值并且所述第二平滑宽度比所述第一平滑宽度宽，以及
对于所述响应的所述每倍频程的峰值数量在所述第一阈值与所述第二阈值之间的部分，采用中间平滑宽度进行平滑处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述中间平滑宽度作为所述第一平滑宽度和所述第二平滑宽度的插值是频率相关的。
6.根据权利要求4至5中的一项所述的方法，其中，窄的所述第一平滑宽度小于1/4倍频程，优选地为1/12倍频程，并且宽的所述第二平滑宽度为至少一个倍频程。
7.根据权利要求4至6中的一项所述的方法，其中，较小的所述第一阈值小于每倍频程八个峰值，优选地为每倍频程五个峰值，并且较大的所述第二阈值大于每倍频程八个峰值，优选地为每倍频程十个峰值。
8.一种用于补偿听音室对来自音频系统的声学输出的声学影响的方法，所述音频系统至少包括左扬声器和右扬声器，所述方法包括：
确定作为施加到所述左扬声器的信号与在听音位置中得到的功率平均值之间的函数的左频率响应LPL，
确定作为施加到所述右扬声器的信号与在所述听音位置中得到的功率平均值之间的函数的右频率响应LPR，
基于所述左频率响应和左目标函数来设计左补偿滤波器FL，
基于所述右频率响应和右目标函数来设计右补偿滤波器FR，
其特征在于：
根据LPL FL+LPR FR确定经滤波的单声道响应LPM，
根据LPL FL-LPR FR确定经滤波的侧响应LPS，
其中，LPL是所述左频率响应，LPR是所述右频率响应，FL是所述左补偿滤波器，并且FR是所述右补偿滤波器，
基于所述经滤波的单声道响应LPM和目标函数来设计单声道补偿滤波器FM，
基于所述经滤波的侧响应LPS和目标函数来设计侧补偿滤波器FS，以及
在回放期间：
接收左输入信号和右输入信号，以及
将所述左补偿滤波器应用于左滤波器输入，将所述右补偿滤波器应用于右滤波器输入，将所述单声道补偿滤波器应用于基于所述左输入信号和所述右输入信号的单声道信号，并且将所述侧补偿滤波器应用于基于所述左输入信号和所述右输入信号的侧信号，
所述方法还包括：使用根据权利要求1至7中的一项所述的方法去除至少一个响应中的谷值。
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