CN114245273B - 一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法。所述方法包括以下步骤：构建多排扬声器阵列；根据波束投射的反射直达比设置多排扬声器阵列参数；根据阵列重放的频带范围对输入的音源信号进行分频处理，并得到各阵列对应的频带信号；根据阵列灵敏度计算不同频带信号之间的衔接增益；将得到的不同频带信号馈给对应的多排扬声器阵列；设置波束投射的角度以及波束投射所需的单元延时和增益；根据各通路的声程，对各通路做相应的增益和延时的调节，使得各通路的声音同时到达双耳并消除声程差带来的幅度变化，最后得到环绕听觉的效果。本发明改进了波束投射的性能，使得在更宽的频带能形成波束投射，实现更好的环绕声听觉效果。

Description

一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法

技术领域

本发明涉及电声技术领域，具体涉及一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法。

背景技术

目前多通路环绕声技术已经得到了广泛的应用，不只限于电影院，在家用声重放中也受到欢迎。比较常见的多通路环绕声是水平环绕声，即在水平面布置扬声器。例如国际电信联盟推荐的家用5.1通路环绕声是采用水平面前方左L、中C、右R、侧后方左环绕LS、侧后方右环绕RS共五个全频带扬声器布置，加上可选择的次低频扬声器。

在实际应用中，对于家用电视等应用，以及由于室内条件的限制，有时并不一定适合布置空间环绕声的多个扬声器。因而可以采用波束投射的方法，只需将扬声器阵列布置在前方。其基本原理是，调整阵列扬声器信号的幅度和相位形成波束，再利用房间的墙面反射形成期望方向的虚拟声像，从而得到类似于多通路环绕声的效果,达到简化多通路环绕声扬声器布置的目的。

现已发展了采用前方扬声器阵列波束投射重放环绕声的技术，但都是采用单阵列进行重放的。对于不能形成波束的低频部分和会发生混叠的高频部分，由于反射直达比不满足前向掩蔽条件，导致不能形成目标方向的虚拟源，因此普通存在一定的缺陷。当所使用的线性扬声器的长度太短时，低频的截止频率会较高，导致低频较多的成分都不能形成波束；当所使用的扬声器阵列较长时，常常伴随着扬声器间距变大，这使得高频混叠频率下降，导致更多的高频成分会出现副瓣。或者是使用更多的单元体积较小的扬声器，这一方面会增加硬件资源，较小的扬声器单元还会导致扬声器单元的低频幅频响应下降。因而需要对单阵列波束投射技术进行改进以改善重放效果。在发明专利授权(US10306358)中公开了一种用立体声偶极子重放低频成分，用单阵列波束投射技术重放高频成分的方法。该方法可在一定程度上减少低频的直达声，但是反射声是不可控的。在发明专利授权(US8477951)中公开了一种用串声消除技术重放低频成分，用单阵列波束投射技术重放高频成分的方法。该方法可在一定程度改善甜点的重放效果，但是串声消除技术的听音区很窄。在发明专利授权(US8150068)中公开了一种用单独的低音扬声器重放低频，用单阵列波束投射重放高频。该方法的低频空间感会下降。总之，这些发明专利授权所涉及的改进单阵列波束投射重放环绕声的方法，低频带仍然存在不足的问题。

发明内容

本发明为了克服现有单阵列波束投射技术无法同时兼顾高低频段的问题，提出了一种基于高低分频的多扬声器阵列的波束投射方法。该方法采用多个线性扬声器阵列进行重放，根据需要波束投射的频率范围以及各阵列在不同频率带的工作性能，设计不同尺寸和不同间隔的多排扬声器阵列，然后根据前向掩蔽效应设计分频点，将不同的频带馈给不同的单扬声器阵列，在更宽的频率范围形成有效波束，从而提升整体的空间环绕感。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法，包括以下步骤：

S1、构建多排扬声器阵列；

S2、根据波束投射的反射直达比设置多排扬声器阵列参数；

S3、根据阵列重放的频带范围对输入的音源信号进行分频处理，并得到各阵列对应的频带信号；

S4、根据阵列灵敏度计算步骤S3中得到的不同频带信号之间的衔接增益；

S5、将步骤S3中得到的不同频带信号馈给对应的多排扬声器阵列；

S6、设置波束投射的角度以及波束投射所需的单元延时和增益；

S7、根据各通路的声程，对各通路做相应的增益和延时的调节，使得各通路的声音同时到达双耳并消除声程差带来的幅度变化，最后得到环绕听觉的效果。

进一步地，步骤S1中，根据需求构建多排扬声器阵列，包括低频扬声器阵列的长度L，以及高频扬声器阵列的间距d，具体如下：

其中，f_L和f_H分别为不能形成波束的低频截止频率和高频混叠频率。

进一步地，步骤S2中，根据人耳听觉前向掩蔽的特性，波束投射的反射直达比大于9dB。

进一步地，步骤S2中，首先确定构建的多排扬声器阵列的扬声器单元个数、扬声器单元间隔，然后计算每个阵列在全频带的反射直达比，再根据波束投射的反射直达比的要求确定各阵列的重放的频带。

进一步地，步骤S3中，采用二阶的IIR滤波器进行分频。

进一步地，步骤S4中，根据扬声器阵列的灵敏度，计算不同频带信号之间的衔接增益，具体如下：

设多排扬声器阵列中有M个扬声器阵列，第j个扬声器阵列的灵敏度为S_j，j＝1，2，……,M，以第一个扬声器阵列的灵敏度为基准，则第j个扬声器阵列的衔接增益为：

其中，j∈[1,M]，g_j表示第j个扬声器阵列的衔接增益。

进一步地，步骤S6中，音源信号类型包括立体声通路音源和5.1通路音源。

进一步地，步骤S6中，根据重放房间尺寸、倾听者位置和音源信号类型设置波束投射的角度以及波束投射所需的单元延时和增益，具体如下：

对于5.1通路音源类型，有L,R,C,LS,RS五个全频带通路信号，根据重放房间的尺寸，倾听者位置以及阵列位置决定的；设重放房间的水平尺寸为X₀,Y₀，阵列的中心位置为(x_S,y_S)，倾听者的坐标为(x_F,y_F)，L和R通路的反射点坐标分别为(x_L,0)，(x_R,Y₀)，LS和RS通路的两次反射点坐标分别为(x_LS,0)，(X₀,y_LS’)和(x_RS,Y₀)，(X₀,y_RS’)；对于L通路有：

θ_L表示L通路的波束投射角度；

对于LS通路有：

θ_LS表示LS通路的波束投射角度；

R通路的反射点推导与L通路类似，RS通路的推导与R通路类似；

计算得到各通路的波束投射角度后，进而得到各通路的波束投射所需的单元延时和增益；

对于立体声通路音源类型，只有L,R两个全频带通路信号，其处理方式和5.1通路音源类型的L,R通路一样。

进一步地，步骤S6中，采用延时和的算法形成波束，对于单位间距为d，单元数为N的等间距线性多排扬声器阵列，为了产生θ方向的波束，第i个单元需要的延时t_i为：

其中，i∈[1,N]，c₀表示声速。

进一步地，步骤S7中，根据各通路的声程，对各通路做相应的增益和延时的调节，具体如下：

设有Q个通路，第k个通路声程记为L_k，其需要调节的增益和延时分别记为A_k和τ_k，k＝1，2，……,Q；以声程最大的通路为基准，则有L_max＝max{L₁,L₂,…,L_k}，则第k个通路的衔接增益A_k和延时τ_k分别为：

其中c₀表示声速。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.根据不同频段的需求，采用不同的扬声器线阵列重放，从而拓展波束形成的频率范围；

2.利用人耳的听觉感知特性来确定分频点，可以获得听觉上较优的效果。

附图说明

图1为本发明实施例中实现一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法的系统的流程图；

图2为本发明实施例中5.1通路空间环绕声的布置示意图

图3为本发明实施例中扬声器阵列和倾听者在房间的布置示意图；

图4为本发明实施例中双排扬声器阵列的设计流程图；

图5为本发明实施例中双排扬声器阵列布置的示意图；

图6为本发明实施例中5.1通路波束投射示意图；

图7为本发明实施例中波束投射的流程图；

图8为本发明实施例中不同音源类型“优”的结果示意图；

图9为本发明实施例中一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法的步骤流程图；

图10为本发明实施例中波束反射坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

实施例：

本实施例中，如图1所示，具体介绍5.1通路空间环绕声波束投射在电视应用作为其中的实施例子,并在多媒体计算机上实现。但本发明并不限定于5.1通路空间环绕声，也包括其它多通路空间环绕声,如7.1通路、7.1.2通路空间环绕声重放。本发明并不限定于电视的应用,也包括其它的应用,如蓝光光盘播放机的应用、家庭影院的应用、多媒体计算机的应用等。本发明也不限定于用多媒体计算机实现，也可以用其他方式实现，如设计成专用的集成电路芯片实现，还可以在DSP上实现。

一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法，如图9所示，包括以下步骤：

S1、构建多排扬声器阵列；

根据需求构建多排扬声器阵列，包括低频扬声器阵列的长度L，以及高频扬声器阵列的间距d，具体如下：

其中，f_L和f_H分别为不能形成波束的低频截止频率和高频混叠频率。

5.1通路环绕声是一种传统的空间环绕声系统，共包括L、C、R、LS、RS共5个通路，另外再加上可选择的低频效果通路(扬声器)，如图2所示。

本实施例中，在400Hz～6000Hz的频率范围内实现波束投射，并以双排扬声器阵列为例，以一间尺寸长3.6m宽3.2m的房间为例，且扬声器阵列布置在倾听者正前方，距离倾听者头中心垂直距离为2m，其布置如图3所示。

S2、如图4所示，根据波束投射的反射直达比设置多排扬声器阵列参数；

根据人耳听觉前向掩蔽的特性，波束投射的反射直达比大于9dB，首先确定构建的多排扬声器阵列的扬声器单元个数、扬声器单元间隔，然后计算每个阵列在全频带的反射直达比，再根据波束投射的反射直达比的要求确定各阵列的重放的频带。

本实施例中，将低频阵列记为第一阵列1，其灵敏度记为S₁，单元间隔为d₁，单元数记为N₁；高频阵列记为第二阵列2，其灵敏度记为S₂，单元间隔为d₂，单元数记为N₂；两阵列重放的分频点记为f₀。首先根据低频下限选择低频单元的尺寸和间隔，考虑扬声器的幅频响应选择尺寸为0.085m的扬声器单元，再根据波束形成的低频下限计算得出所需的阵列长度为0.85m，从而有N₁＝10，d₁＝0.085。进一步再根据高频上限和第一阵列1的参数设计第二阵列2。根据波束投射的高频混叠频率，计算得到第二阵列2的单元间隔d₁＝0.028m。由于第一阵列1的高频混叠频率为2000Hz，且其对于不同角度(0°～60°之间)的波束在2000Hz的反射直达比都大于9dB，故将分频点设为f₀＝2000Hz。为了保证第二阵列2在分频点处的反射直达比也大于9dB，通过仿真分析确定N₂＝10。设计完的第一阵列1和第二阵列2如图5所示并排摆放。

S3、根据阵列重放的频带范围对输入的音源信号，本实施例中，采用二阶IIR进行分频处理，并得到各阵列对应的频带信号；

本实施例中，分频点为f₀，并将f₀以下的频率馈给第一阵列1，将f₀以上的频率馈给第二阵列2。

S4、根据阵列灵敏度计算步骤S3中得到的不同频带信号之间的衔接增益；

本实施例中，记第一阵列1和第二阵列2的分频衔接增益分别为g₁和g₂，则有：

其中j＝1,2。

S5、将步骤S3中得到的不同频带信号馈给对应的多排扬声器阵列；

S6、根据重放房间尺寸、倾听者位置和音源信号类型设置波束投射的角度以及波束投射所需的单元延时和增益；

采用延时和的算法形成波束，对于单位间距为d，单元数为2的等间距线性多排扬声器阵列，为了产生θ方向的波束，第i个单元需要的延时t_i为：

其中i＝1,2；c₀表示声速。

本实施例中，重放5.1通路空间环绕声，其中C通路由正前方的波束直接到达倾听者；L和R通路经过一次墙面反射形成镜像虚拟源达到倾听者；LS和RS通路经过两次墙面反射形成镜像虚拟源达到倾听者，如图6所示。

本实施例中，如图10所示，房间的水平尺寸为X₀＝3.6,Y₀＝3.2，阵列的中心位置x_S＝0.2,y_S＝1.6，倾听者的坐标为x_F＝2.2,y_F＝1.6，L和R通路的反射点坐标分别为(x_L,0)，(x_R,Y₀)，LS和RS通路的两次反射点坐标分别为(x_LS,0)，(X₀,y_LS’)，(x_RS,Y₀)，(X₀,y_RS’).对于L通路有：

对于LS通路有：

根据上式计算得到θ_L＝-58°，θ_LS＝-148°，根据对称性得到θ_R＝58°，θ_RS＝148°。因此得到各通路的波束方向分别为L通路-58°；R通路58°；C通路0°；LS通路-148°；RS通路148°。

S7、根据各通路的声程，对各通路做相应的增益和延时的调节，使得各通路的声音同时到达双耳并消除声程差带来的幅度变化，最后得到环绕听觉的效果。

本实施例中，根据需要波束投射的角度调节各扬声器单元的延时和增益以形成波束。根据各通路之间的声程差调节通路的整体增益和延时，使得各波束同时到达双耳且有相同的增益。其流程如图7所示。根据S6计算得到的各通路的波束方向即可得到各通路的声程，LS和RS通路的声程相等且最大记为L_max，L和R通路的声程记为L₁,C通路的声程最短记为L₂，其需要调节的增益和延时分别记为A_k和τ_k(k＝1，2)。则第k个通路的衔接增益和延时分别为：

c₀表示声速。

心理声学实验验证了本发明的实际效果。评价本发明的关键是主观空间感和音色质量。本实施例中，将对以下三种处理方法进行对比评价：

方法一：未经过幅度和延时调节，直接将信号馈给扬声器阵列；

方法二：传统单阵列算法；

方法三：本发明；

其中以上三种方法中，方法三采用扬声器间隔分别为0.085m和0.028m的低频扬声器阵列和高频扬声器阵列，单元数都为10；方法一和方法二采用间隔为0.028m的高频扬声器阵列，单元数为16。方法一和方法三声卡为Antelope Orion32，功放为订做的多通路功放。

实验用强制排序的方法对以上三种方法就空间感和音色的整体偏好属性进行了对比。实验流程、信号选取参考ITU标准。

实验是在一间墙面平整的普通小房间内进行，房间尺寸为：3.6m×3.2m×3m。扬声器阵列布置在倾听者正前方，距离倾听者头中心垂直距离为2m。重放声压级大约为80dB。

实验评价采用4类，8段信号，在表1中列出。

表1实验信号表

信号片段出处	音源类型	环绕声类型
			拉特斯基进行曲	古典音乐	5.1
黑桃皇后	古典音乐	5.1
			直升机	音效	5.1
Leaf(Dolby Atomos试音碟)	音效	7.1
			Game of Thrones(Dolby Atomos试音碟)	电影	7.1
泰坦尼克号	电影	5.1
			Without you	流行音乐	立体声
Top of the word	流行音乐	立体声

信号长度为20s.受试者可以任意切换三种方法的信号，然后针对感知整体偏好的综合属性，最后强制对三种方法进行排序。共需12名听力参与实验，受试者双耳听力正常。每名受试者重复判断3次。因而每个条件下总共有3重复×12受试者＝36个排序。图8给出了不同音源类型“优”的结果。表2列出了排序总的结果，从表中可以发现不管是整体合计还是单个音源类型进行合计方法三排序为“优”的结果都比方法一和方法二的多。

表2强制排序实验结果表

为了进一步的分析排序结果的显著性采用1、2和3三个分数作为排序标度，其中“优”给3分；“中”给2分；“劣”给1分。将受试者三次重复的得分取平均值，其结果在表3中给出。

表3强制排序得分结果表

对每种情况下不同重放信号得到的排序总得分，采用Friedman检验的方法进行数据分析三种算法之间的显著性区别，其结果在表4中列出。

表4强制排序显著性结果表

从表4可知所有音源一起统计时整体偏好的结果是显著的，说明方法三要好于方法一和方法二；不同类型的音源单独统计时，对于四种音源类型方法三都要好于其他两种方法。上述实验表明双排扬声器阵列的方法三可以进一步改善感知空间感和音色质量，因此实验验证了本发明的效果。

Claims (5)

1.一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建多排扬声器阵列；

S2、根据波束投射的反射直达比设置多排扬声器阵列参数；

S3、根据阵列重放的频带范围对输入的音源信号进行分频处理，并得到各阵列对应的频带信号；

S4、根据阵列灵敏度计算步骤S3中得到的不同频带信号之间的衔接增益；

S5、将步骤S3中得到的不同频带信号馈给对应的多排扬声器阵列；

S6、设置波束投射的角度以及波束投射所需的单元延时和增益；

S7、根据各通路的声程，对各通路做相应的增益和延时的调节；

步骤S2中，根据人耳听觉前向掩蔽的特性，波束投射的反射直达比大于9dB；

步骤S2中，首先确定构建的多排扬声器阵列的扬声器单元个数、扬声器单元间隔，然后计算每个阵列在全频带的反射直达比，再根据波束投射的反射直达比的要求确定各阵列的重放的频带；

步骤S6中，音源信号类型包括立体声通路音源和5.1通路音源；

步骤S6中，根据重放房间尺寸、倾听者位置和音源信号类型设置波束投射的角度以及波束投射所需的单元延时和增益，具体如下：

对于5.1通路音源类型，有L,R,C,LS,RS五个全频带通路信号，根据重放房间的尺寸，倾听者位置以及阵列位置决定的；设重放房间的水平尺寸为X₀,Y₀，阵列的中心位置为(x_S,y_S)，倾听者的坐标为(x_F,y_F)，L和R通路的反射点坐标分别为(x_L,0)，(x_R,Y₀)，LS和RS通路的两次反射点坐标分别为(x_LS,0)，(X₀,y_LS’)和(x_RS,Y₀)，(X₀,y_RS’)；对于L通路有：

θ_L表示L通路的波束投射角度；

对于LS通路有：

θ_LS表示LS通路的波束投射角度；

R通路的反射点推导与L通路类似，RS通路的推导与R通路类似；

计算得到各通路的波束投射角度后，进而得到各通路的波束投射所需的单元延时和增益；

对于立体声通路音源类型，只有L,R两个全频带通路信号，其处理方式和5.1通路音源类型的L,R通路一样；

步骤S6中，采用延时和的算法形成波束，对于单位间距为d，单元数为N的等间距线性多排扬声器阵列，为了产生θ方向的波束，第i个单元需要的延时t_i为：

其中，i∈[1,N]，c₀表示声速。

2.根据权利要求1所述的一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法，其特征在于，步骤S1中，根据需求构建多排扬声器阵列，包括低频扬声器阵列的长度L，以及高频扬声器阵列的间距d，具体如下：

其中，f_L和f_H分别为不能形成波束的低频截止频率和高频混叠频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法，其特征在于，步骤S3中，采用二阶的IIR滤波器进行分频。

4.根据权利要求1所述的一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法，其特征在于，步骤S4中，根据扬声器阵列的灵敏度，计算不同频带信号之间的衔接增益，具体如下：

设多排扬声器阵列中有M个扬声器阵列，第j个扬声器阵列的灵敏度为S_j，j＝1，2，……,M，以第一个扬声器阵列的灵敏度为基准，则第j个扬声器阵列的衔接增益为：

其中，j∈[1,M]，g_j表示第j个扬声器阵列的衔接增益。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于高低分频多扬声器阵列的波束投射方法，其特征在于，步骤S7中，根据各通路的声程，对各通路做相应的增益和延时的调节，具体如下：

设有Q个通路，第k个通路声程记为L_k，其需要调节的增益和延时分别记为A_k和τ_k，k＝1，2，……,Q；以声程最大的通路为基准，则有L_max＝max{L₁,L₂,…,L_k}，则第k个通路的衔接增益A_k和延时τ_k分别为：

其中c₀表示声速。

Images