CN113329319A - 一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法及其应用，采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对基于声道的沉浸声的还音制式进行实现，设各个扬声器的位置：扬声器阵列为S1、S2、……Sn，扬声器Sn的三维坐标设为(x_sn，y_sn，z_sn)，声像合成中扬声器的基本驱动方程为：

其中H(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换，w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，点声源的坐标为(x_o，y_o，z_o)。本发明设计了扬声器阵列可以实现传统5.1基于声道的沉浸声还音制式，同时还可以实现基于对象的沉浸声还音制式，以及虚拟双耳沉浸声的还音制式。

Description

一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法及其应用

技术领域

本发明涉及一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法及其应用。

背景技术

现在家庭影院，娱乐场所中的沉浸声通常采用传统5.1、7.1声道还音制式的进行实现，采用多个扬声器和一个低音扬声器实现。而多个扬声器被放置于房间中时涉及到布线和房间结构等问题。

使用扬声器阵列可以实现基于对象的沉浸声还音制式，以及虚拟双耳沉浸声的还音制式，但是存在以下技术问题需待解决：

(1)基于声道的扬声器阵列的声像合成问题；(2)基于对象的扬声器阵列的声像合成问题；(3)虚拟双耳沉浸声的还音制式问题。

发明内容

本发明设计了一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法及其应用，其解决的技术问题是(1)基于声道的扬声器阵列的声像合成问题；(2)基于对象的扬声器阵列的声像合成问题；(3)虚拟双耳沉浸声的还音制式问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对基于声道的沉浸声的还音制式进行实现，设各个扬声器的位置：扬声器阵列为S₁、S₂、……S_n，扬声器Sn的三维坐标设为(x_sn，y_sn，z_sn)，

声像合成中扬声器的基本驱动方程为：

其中H(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换，w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，点声源的坐标为(x_o，y_o，z_o)。

优选地，设合成声源O点的三维坐标设为(x₀，y₀，z₀)，扬声器的基本驱动方程为：

其中H(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换，w为角频率，v为声速，k为波数，A为常数。

优选地，在频域是原驱动信号频域的共轭表达式:

其中H^*(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换的共轭函数，w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，点声源的坐标为(x_o，y_o，z_o)。

优选地，通过算法对传统5.1的中的主声道进行后向的虚拟声源合成，对环绕声道进行前向聚焦声源合成，扬声器阵列的驱动方程为：

其中w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，点声源的坐标为(x_o，y_o，z_o)，H_R(w)代表右声道信号的傅里叶变换，H_L(w)代表左声道信号的傅里叶变换，H_C(w)代表中置声道信号的傅里叶变换，H_SR(w)代表右环绕声道信号的傅里叶变换，H_SL(w)代表左环绕声道信号的傅里叶变换，中置声道C距离听音者的距离为dc，则左右声道与中置声道夹角α，距离听音者的距离为dw，环绕声道与中置声道夹角为β，距离听音者的距离为ds。

一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：通过所述算法进行多个对象的点声源合成和线声源合成，扬声器阵列的驱动方程为：

其中w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，第k个对象的坐标为(x_k，y_k，z_k)，H^objk(w)代表第k个对象声音信号的傅里叶变换。

一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：通过所述算法在人耳两侧分别合成hrir的卷积后的声信号，扬声器阵列的驱动方程为：

其中H(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换，w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，听音者的位置坐标为(x_o，y_o，z_o)，人头部宽度为hw，左侧的HRTF函数定义为FL(w)，右侧的HRTF函数定义为FR(w)。

一种家庭影院，包括扬声器阵列，所述扬声器阵列应用上述的算法。

该扬声器阵列的沉浸声还音制式算法具有以下有益效果：

(1)本发明设计了扬声器阵列可以实现传统5.1基于声道的沉浸声还音制式，同时还可以实现基于对象的沉浸声还音制式，以及虚拟双耳沉浸声的还音制式。采用同一个设备可以兼容多种还音制式实现沉浸声，在实现传统5.1声道时无需布线，并且不受具体的房间结构影响。基于对象的沉浸声还音制式可以提供给听音者真实的还音环境，打破传统基于声道还音制式中皇帝位的限制。虚拟双耳沉浸声的还音制式，可以利用心理声学实现上下，左右，纵深全方位声还原。而这些效果的实现仅需前方水平方向的扬声器阵列即可实现。

(2)本发明采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对基于声道的沉浸声的还音制式进行实现。通过算法对传统5.1的中的主声道进行后向的虚拟声源合成，对环绕声道进行前向聚焦声源合成。

(3)本发明采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对基于对象的沉浸声的还音制式进行实现。通过算法进行点声源合成和线声源合成。

(4)本发明采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对虚拟沉浸声的还音制式进行实现。通过算法在人耳两侧分别合成HRTF处理后的声信号，此时可利用HRTF的心理声学构造出虚拟沉浸声的效果。

附图说明

图1：本发明中声像合成空间坐标系示意图；

图2：本发明中各扬声器编号示意图；

图3：本发明对传统5.1的中的主声道进行后向的虚拟声源合成示意图；

图4：本发明通过算法进行点声源合成和线声源合成示意图；

图5：本发明利用hrir的心理声学构造出虚拟沉浸声的效果图。

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本发明做进一步说明：

如图1所示，假设生成的声源为点声源也就是脉动球形声源，首先讨论脉动球形声源的辐射特性。设有一半径为r₀的球体，其表面做均匀的微小涨缩震动，也就是它的半径在r₀附近以微量dr做简谐的变化，从而在周围的媒质中辐射了声波，因为球面的振动过程具有各向均匀的脉动性质，因而它所产生的声波波阵面是球面辐射的是均匀球面波。取球坐标系比较简单，坐标原点取在球心，因而波阵面是球面的，所以在距离r处的波阵面面积就是球面面积S＝4πr²，在这种情况下可以方便的运用特殊形式的波动方程式：

其中c₀代表声速，

将S＝4πr²代入上式，则成为

现在作变量变换，令Y＝pr，那么上式就可化为：

因此可以直接得到这个上式的一般解为：

Y＝Ae^j(wt-kr)+Be^j(wt+kr) 公式4

其中A和B为两个待定常数；

解得Y，就可以使得公式2得的一般解为：

上式第一项代表向外辐射的球面波；第二项代表向球心反射的球面波。本发明现在讨论的为向无界空间辐射的自由行波，因而没有反射波，这里常数B＝0，这样公式5就成为：

公式6作为声像合成中驱动扬声器的基本公式。

声像合成首先需要建立空间坐标系，如图1所示，阵列与人耳高度一致的横向坐标轴作为空间坐标系中的X轴，位于阵列底部并且垂直于阵列横向坐标轴的法线为Y轴，阵列的竖直方向上的纵向坐标轴作为空间坐标系的Z轴。

设合成声源O点的三维坐标设为(x₀，y₀，z₀)，阵列中上下扬声器数量为n，L为扬声器阵列长度。

声像合成中驱动扬声器的基本公式为：

上式中k为波数，

w为角频率，v为声速，r为虚拟声源到扬声器的距离。因此上式可转换形式为：

其中e^jwt为需要生成的声信号，与驱动单个扬声器的算法控制无关。

因此可以得到扬声器的基本驱动方程为：

其中H(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换。

如图2所示，设各个扬声器的位置：扬声器阵列为S1、S2、……Sn。扬声器Sn的三维坐标设为(x_sn，y_sn，z_sn)。

在上面的基本公式中r为虚拟声源到扬声器的距离，因此在上侧扬声器阵列中

为了更精准的合成声像，其中扬声器的权值A也应与频率有关，用A(w)表示，声像合成的驱动方程为：

聚焦声源时扬声器的驱动信号是点声源的时间逆序，也就是当生成的声源在环屏扬声器前向方向，但不能超过听音者的位置处。也就是原声信号向外发散传播，变为向内收敛，在信号处理中，时域上信号的时间逆序，它的傅里叶变换是原信号的傅里叶变换的共轭函数，因此在频域是原驱动信号频域的共轭表达式:

如图3所示，通过算法对传统5.1的中的主声道进行后向的虚拟声源合成，对环绕声道进行前向聚焦声源合成，如下图所示R代表右声道，L代表左声道，C代表中置声道，SR代表右环绕声道，SL代表左环绕声道。

假设听音者位置坐标为(x_o,y_o,z_o)，中置声道C距离听音者的距离为dc，则左右声道与中置声道夹角α，一般建议22°—30°，距离听音者的距离为dw。环绕声道与中置声道夹角为β，一般建议90°—110°距离听音者的距离为ds。则中置声道C的坐标为(x_o,y_o-dc,z_o)；左声道L的坐标为(x_o-dwsinα，y_o-dwcosα,z_o)；右声道R的坐标为(x_o+dwsinα，y_o-dwcosα,z_o)；左环绕声道SL的坐标为(x_o-dssin(π-β)，y_o+dscos(π-β),z_o)；左环绕声道SL的坐标为(x_o+dssin(π-β)，y_o+dscos(π-β),z_o)。

此时扬声器阵列的驱动方程为：

H_R(w)代表右声道信号的傅里叶变换，H_L(w)代表左声道信号的傅里叶变换，H_C(w)代表中置声道信号的傅里叶变换，H_SR(w)代表右环绕声道信号的傅里叶变换，H_SL(w)代表左环绕声道信号的傅里叶变换。中置声道C距离听音者的距离为dc，则左右声道与中置声道夹角α，距离听音者的距离为dw。环绕声道与中置声道夹角为β，距离听音者的距离为ds。

其次，本发明采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对基于对象的沉浸声的还音制式进行实现。通过算法进行点声源合成和线声源合成。如下图4所示，右侧的对象是青蛙的叫声，左侧的对象是鸟鸣。背景对象是流水声。

在基于对象的沉浸声还音制式中，当对象线声源，下面是扬声器阵列线声源合成算法，扬声器阵列的驱动方程为：

其中d为扬声器间隔，n为扬声器阵列的数量，α为线声源的偏转的角度。

当形成多个声源对象时，假设对象1定义为obj1，对象2定义为obj2，……对象k定义为objk。则各对象的声信号频率响应为H^obj1(w)，H^obj2(w)，……，H^objk(w)。各对象虚拟声源点坐标为obj1(x₁,y₁,z₁),obj2(x₂,y₂,z₂),objk(x_k,y_k,z_k)。

那么此时扬声器阵列的驱动函数为各对象原驱动函数之和，整理成公式可得扬声器阵列的驱动方程为：

本发明采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对虚拟沉浸声的还音制式进行实现。通过算法在人耳两侧分别合成hrir的卷积后的声信号。如图5所示，此时可利用hrir的心理声学构造出虚拟沉浸声的效果。

假设听音者的位置为(x_o,y_o,z_o),人头部宽度为hw。则需要合成的双耳两侧的聚焦声源的坐标分别是(x_o-hw/2,y_o,z_o)和(x_o+hw/2,y_o,z_o)。

需要合成的声信号需要与HRTF函数进行卷积。左侧的HRTF函数定义为FL(w)，右侧的HRTF函数定义为FR(w)。

整理成公式可得扬声器阵列的驱动方程为：

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：采用多个的扬声器单元形成扬声器阵列对基于声道的沉浸声的还音制式进行实现，设各个扬声器的位置：扬声器阵列为S₁、S₂、……S_n，扬声器Sn的三维坐标设为(x_sn，y_sn，z_sn)，

声像合成中扬声器的基本驱动方程为：

其中H(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换，w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，点声源的坐标为(x_o，y_o，z_o)。

2.根据权利要求1所述的扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：在频域是原驱动信号频域的共轭表达式:

其中H^*(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换的共轭函数，w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，点声源的坐标为(x_o，y_o，z_o)。

3.根据权利要求2所述的扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：通过算法对传统5.1的中的主声道进行后向的虚拟声源合成，对环绕声道进行前向聚焦声源合成，扬声器阵列的驱动方程为：

其中w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，点声源的坐标为(x_o，y_o，z_o)，H_R(w)代表右声道信号的傅里叶变换，H_L(w)代表左声道信号的傅里叶变换，H_C(w)代表中置声道信号的傅里叶变换，H_SR(w)代表右环绕声道信号的傅里叶变换，H_SL(w)代表左环绕声道信号的傅里叶变换，中置声道C距离听音者的距离为dc，则左右声道与中置声道夹角α，距离听音者的距离为dw，环绕声道与中置声道夹角为β，距离听音者的距离为ds。

4.一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：通过所述算法进行多个对象的点声源合成和线声源合成，扬声器阵列的驱动方程为：

其中w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，第k个对象的坐标为(x_k，y_k，z_k)，H^objk(w)代表第k个对象声音信号的傅里叶变换。

5.一种扬声器阵列的沉浸声还音制式算法，其特征在于：通过所述算法在人耳两侧分别合成hrir的卷积后的声信号，扬声器阵列的驱动方程为：

其中H(w)表示的需要生成的声信号的傅里叶变换，w为角频率，v为声速，k为波数，其中A(w)与角频率w有关的函数，扬声器的坐标为(x_sn，y_sn，z_sn)，听音者的位置坐标为(x_o，y_o，z_o)，人头部宽度为hw，左侧的HRTF函数定义为FL(w)，右侧的HRTF函数定义为FR(w)。

6.一种家庭影院，包括扬声器阵列，其特征在于：所述扬声器阵列应用权利要求1-5中任何一项所述的算法。

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