CN115050381A - 基于超声波的音频播放方法及基于超声波的电子装置 - Google Patents

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洪佃玖
朱仲石
丁炜中
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Abstract

本发明申请公开了基于超声波的音频播放方法及基于超声波的电子装置。该音频播放方法包含：通过麦克风接收超声波信号；处理该超声波信号，以得到该超声波信号的特征值；基于该特征值产生时间差信息；以及根据该时间差信息控制音频的延迟。

Description

基于超声波的音频播放方法及基于超声波的电子装置
技术领域
本发明申请是音频信号，尤其是关于音频信号的播放延迟补偿与扬声器(有时也称为喇叭)的音量控制。。
背景技术
图1是通过网络传送音频信号的示意图。假设远程装置(具有麦克风)与近端装置(具有扬声器160)通过网络连接，则远程音频110被近端装置的扬声器160播放之前可能会经过远程装置的麦克风/音效延迟120、网络延迟130、近端装置的音效延迟140及近端装置的系统延迟150。麦克风/音效延迟120是指麦克风从收音到产生音频信号或更包含音效处理(例如噪声消除)所需的时间。音效延迟140是指近端装置的音效软件处理音频信号所需的时间。系统延迟150是指近端装置的操作系统处理音频信号所需的时间。
当多个装置在同一空间中接收并播放同一个远程音频时，因为该多个装置有不同的网络延迟130、音效延迟140及系统延迟150，所以该多个装置所播放出来的声音可能不同步，造成使用体验不佳。另外，如果该多个装置的播放声音都太大，则会造成整体环境过于吵杂，甚至出现啸声(howling)的现象，反而令使用者听不清楚播出声音的内容。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基于超声波的音频播放方法及基于超声波的电子装置，以改善先前技术的不足。
本发明公开一种基于超声波的音频播放方法，包含：通过麦克风接收超声波信号；处理该超声波信号，以得到该超声波信号的特征值；基于该特征值产生时间差信息；以及根据该时间差信息延迟音频信号的播放。
本发明另公开一种基于超声波的音频播放方法，包含：通过麦克风接收装置所播放的超声波信号；处理该超声波信号，以得到该超声波信号的能量及相位差；根据该能量及该相位差，估算该装置的距离及方向；以及基于该距离及该方向调整扬声器的音量或发送音量调整信号。
本发明还公开一种基于超声波的电子装置，包含：麦克风；内存，用来储存多个程序代码或程序指令；以及计算电路，耦接该麦克风及该内存，用来执行该多个程序代码或程序指令以执行以下步骤：通过该麦克风接收超声波信号；处理该超声波信号，以得到该超声波信号的特征值；基于该特征值产生时间差信息；以及根据该时间差信息延迟音频信号的播放。
有关本发明的特征、实作与功效，将配合附图作实施例详细说明如下。
附图说明
为让本发明申请的上述目的和其他目的、特征、优点与实施例能够更加清楚、易懂，将结合附图做如下说明。
图1是通过网络传送音频信号的示意图；
图2是本发明电子装置的一个实施例的功能方块图；
图3是本发明基于超声波的音频播放方法的一个实施例的流程图；
图4是步骤S330的一个实施例的流程图；
图5是步骤S330的另一个实施例的流程图；
图6是本发明基于超声波的音频播放方法的另一个实施例的流程图；
以及
图7是近端装置与本地装置之间的距离及方向的示意图。
符号说明
160、250：扬声器
110：远程音频
120：麦克风/音效延迟
130：网络延迟
140：音效延迟
150：系统延迟
200：电子装置
210：网络收发电路
220：计算电路
230：内存
240：麦克风
S_aud_fr：远程音频信号
S_ult_lc：本地超声波信号
S_aud_lc：本地音频信号
S_ult_nr：近端超声波信号
S_aud_nr：近端音频信号
Ta_r,Tb_r：抵达时间信息
Ta_t、Tb_t：播放时间信息
710、730：近端装置
720：本地装置
DB：播音方向
DL：联机方向
DD：距离
SV_adj、SV_adj1、SV_adj2：音量调整信号
S310、S320、S330、S340、S410、S420、S510、S520、S530、S540、S550、S610、S620、S630、S640、S650、S660：步骤
具体实施方式
以下说明内容的技术术语是参照本技术领域中的常规术语，如本说明书对部分术语有加以说明或定义，该部分术语的解释是以本说明书说明或定义为准。
本发明申请的公开内容包含基于超声波的音频播放方法及基于超声波的电子装置。由于本发明的电子装置所包含的部分组件单独而言可能为已知组件，因此在不影响该装置发明的充分公开及可实施性的前提下，以下说明对于已知组件的细节将予以节略。此外，本发明的基于超声波的音频播放方法的部分或全部流程可以是软件及/或韧体的形式，并且可藉由本发明的电子装置或其等效装置来执行，在不影响该方法发明的充分公开及可实施性的前提下，以下方法发明的说明将着重于步骤内容而非硬件。
图2是本发明电子装置的一个实施例的功能方块图。电子装置200包含网络收发电路210、计算电路220、内存230、麦克风240及扬声器250。计算电路220通过网络收发电路210从网络接收远程音频信号S_aud_fr、通过扬声器250播放本地超声波信号S_ult_lc及本地音频信号S_aud_lc，以及通过麦克风240接收近端超声波信号S_ult_nr及近端音频信号S_aud_nr。在本说明书中，“近端(near-end)”是指电子装置200所在的空间(例如会议室、教室)，电子装置200的用户可以直接听到同一空间中的其他装置(即，近端装置)所播放的近端音频信号S_aud_nr；“远程(far-end)”是指非电子装置200所在的空间(例如另一地的会议室、教室)，电子装置200的用户无法直接听到该空间中的远程音频信号S_aud_fr(例如由该空间中的使用者所产生，经由远程的装置及网络传送至电子装置200)；“本地(local)”是指电子装置200本身。
本说明书所指的近端装置及本地装置可以是计算机(例如桌面计算机或笔记本电脑)、可携式电子装置(例如平版计算机、手机)，或其他具有连网功能且包含麦克风及扬声器的电子产品。
请参阅图3，图3为本发明基于超声波的音频播放方法的一个实施例的流程图，包含下列步骤。
步骤S310：电子装置200的计算电路220通过麦克风240接收近端装置(即，与电子装置200同一空间中的其他装置)所播放的近端超声波信号S_ult_nr。
步骤S320：计算电路220处理近端超声波信号S_ult_nr，以得到近端超声波信号S_ult_nr的特征值。举例来说，特征值是近端超声波信号S_ult_nr的能量或频率。
步骤S330：计算电路220根据近端超声波信号S_ult_nr的特征值产生时间差信息。时间差信息可以用来表示近端装置与电子装置200之间的音频信号延迟时间。
步骤S340：根据时间差信息延迟本地音频信号S_aud_lc的播放，以尽可能缩小本地音频信号S_aud_lc与近端音频信号S_aud_nr之间的延迟，使电子装置200的用户有更佳的使用体验。举例来说，如果时间差信息显示时间差为1秒，则计算电路220将所收到的远程音频信号S_aud_fr延迟1秒后再播出。
请参阅图4，图4是步骤S330的一个实施例的流程图，包含以下的子步骤。
步骤S410：计算电路220根据近端超声波信号S_ult_nr的能量计算距离。假设近端装置以默认的能量(例如40dB，电子装置200预先知道该默认的能量)发送近端超声波信号S_ult_nr，则本地装置(即，电子装置200)可以藉由比较所收到的近端超声波信号S_ult_nr的能量与默认的能量的差距来得知近端装置与本地装置的距离。换言之，在本实施例中，步骤S330的特征值为超声波信号的能量。在一些实施例中，超声波信号的能量可以用超声波信号的音压位准(sound pressure level,SPL)来表示，超声波信号的能量越大，音压位准越高。一般来说，若不考虑其他因素，音压位准与距离的关系如下式所示：
Figure BDA0002965359720000051
其中SPL_1代表第一个点量测到的声音，它与声源的距离是d_1，而SPL_2是第二个点量测到的声音，它与声源的距离是d_2。根据方程式(1)及近端超声波信号S_ult_nr的特征值(即，音压位准或能量)，计算电路220可以得知近端装置与电子装置200之间的距离。本技术领域普通技术人员可以根据以下的文献来取得超声波信号的音压位准：https://en.wikipedia.org/wiki/Sound_pressure及https://en.wikipedia.org/wiki/Inverse-square_law。
步骤S420：计算电路220基于距离及声速计算时间差信息，更明确地说，计算电路220将距离除以声速(例如常温下声音在空气中的传播速率)即可得知近端超声波信号从近端装置传播到本地装置所经历的时间，此时间即步骤S330的时间差信息。
请参阅图5，图5是步骤S330的另一个实施例的流程图。在此实施例中，近端装置对近端超声波信号S_ult_nr进行频率偏移调变(Frequency-Shift Keying)，即以不同的频率表示不同的数字，例如以21kHz代表数字“0”、以22kHz代表数字“1”，以此类推。如此一来，近端超声波信号S_ult_nr可以携带其系统播放时间(即，近端装置播放该近端超声波信号S_ult_nr的时间)。步骤S330包含以下的子步骤。
步骤S510：计算电路220记录近端超声波信号S_ult_nr的抵达时间信息Ta_r，也就是电子装置200收到该近端超声波信号S_ult_nr的时间点。
步骤S520：计算电路220解调变近端超声波信号S_ult_nr，以得到近端超声波信号S_ult_nr的播放时间信息Ta_t(即，近端装置播放近端超声波信号S_ult_nr的时间点)，换言之，在本实施例中，步骤S330的特征值为超声波信号的频率。解调变为本技术领域普通技术人员所熟知，故不再赘述。
步骤S530：计算电路220通过扬声器250播放本地超声波信号S_ult_lc，并记录本地超声波信号S_ult_lc的播放时间信息Tb_t(即，电子装置200播放本地超声波信号S_ult_lc的时间点)。
步骤S540：计算电路220通过麦克风240接收本地超声波信号S_ult_lc，并记录本地超声波信号S_ult_lc的抵达时间信息Tb_r，也就是电子装置200收到本地超声波信号S_ult_lc的时间点。
步骤S550：根据近端超声波信号S_ult_nr的播放时间信息Ta_t、近端超声波信号S_ult_nr的抵达时间信息Ta_r、本地超声波信号S_ult_lc的播放时间信息Tb_t及本地超声波信号S_ult_lc的抵达时间信息Tb_r计算时间差信息。更明确地说，时间差信息＝(Ta_r-Ta_t)-(Tb_r-Tb_t)。
相较于图4的实施例，图5的实施例可以得到更准确的时间差信息。更明确地说，从近端装置播放一声波(例如超声波信号或人耳可听到的音频信号)到本地装置收到该声波(即，仿真本地装置的用户听到该音频信号)之间的时间差包含近端装置的音效延迟、近端装置的系统延迟、路径延迟(即，声波在空气中从近端装置传播到本地装置的传播时间)及本地装置的麦克风/音效延迟；从本地装置播放一声波(例如超声波信号或人耳可听到的音频信号)到本地装置收到该声波(即，仿真本地装置的用户听到该音频信号)之间的时间差包含本地装置的音效延迟、本地装置的系统延迟及本地装置的麦克风/音效延迟。也就是说，图5的实施例将上述的延迟都纳入考虑，所以可以得到更准确的时间差信息。
请参阅图6，图6为本发明基于超声波的音频播放方法的另一个实施例的流程图，包含下列步骤。
步骤S610：计算电路220通过麦克风240接收近端超声波信号S_ult_nr。
步骤S620：计算电路220处理近端超声波信号S_ult_nr，以得到近端超声波信号S_ult_nr的音压位准及相位差(请参考：https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_(waves))。
步骤S630：计算电路220根据近端超声波信号S_ult_nr的音压位准及相位差，估算近端装置的距离及方向(即估算关于近端超声波信号S_ult_nr的声源讯息)。计算电路220可以基于方程式(1)利用音压位准估算近端装置的距离，以及基于波束成形(beam-forming)的技术利用相位差估算近端装置的方向。关于波束成形的技术，请参考https://en.wikipedia.org/wiki/Beamforming及http://www.labbookpages.co.uk/audio/beamforming/delaySum.html，故不再赘述。在一些实施例中，如图7所示，近端装置的方向可以用近端装置710的播音方向DB(即，近端装置710的扬声器(图未示)的指向)与联机方向DL之间的夹角θ(0°≤θ≤180°)来表示，联机方向DL是指从近端装置710到本地装置720的直线方向，尤其是指近端装置710的扬声器与本地装置720之间的直线方向。近端装置710与本地装置720之间的距离以距离DD表示。
步骤S640：计算电路220基于距离及方向调整自身的音量或发送音量调整信号给近端装置。举例来说，当距离DD及/或夹角θ较小(较大)时，近端装置710调降(调升)自身的扬声器的音量，及/或以音量调整信号SV_adj指示近端装置710调降(调升)音量，如此一来，便可以降低或防止啸声的现象。音量调整信号SV_adj可以是超声波信号(例如藉由频率偏移调变来携带控制信息(例如目标音量))或是网络信号(例如通过有线/无线网络传送控制信息)。在一些实施例中，控制信息可以根据经验决定，例如电子装置200的内存230储存有查找表(look-up table)，计算电路220以距离DD及/或夹角θ为索引从查找表中取得控制信息。
当同一个空间(例如会议室、教室)的多台装置(例如3台或以上的装置，例如近端装置710、本地装置720及近端装置730)皆实作图6的实施例时，该多台装置的扬声器可视为扬声器数组，而各装置(例如本地装置720)在收到其他装置(例如近端装置710及近端装置730)的音量调整信号(例如SV_adj1及SV_adj2)之后(即，步骤S650：本地装置720接收近端装置710及730所发送的音量调整信号)，可以根据所收到的音量调整信号以调整音场(sound field)的方式调整各自的扬声器的音量(即，步骤S660：本地装置720的计算电路220根据所收到的音量调整信号调整扬声器的音量，例如参考查找表)，使得加总后的音场(spatial sound field synthesis)对使用者而言是舒服的。
例如，在一些实施例中，根据近端的空间配置(例如，空间大小、空间形状、室内物品、物品材质等)以及这些装置(例如，多个电子装置200)的扬声器之间的距离，这些装置(例如，电子装置200的计算电路220)可判断出使用其扬声器(例如，多个扬声器250)可于近端的空间中形成的声学明区(acoustically bright zone，指多个扬声器以特定音量及/或指向性播音于该空间中形成的声音能量较高处)以及声学暗区(acoustically dark zone，相对地指多个扬声器以特定音量播音于该空间中形成的声音能量较低处)。根据这些声学明区、这些声学暗区以及使用者位于近端的空间中的位置(例如，一般状况下，会议室中的使用者皆大致位于其笔记本电脑的正面一定角度及距离内)，这些装置(包含多个及单一个)可控制其对应的扬声器以特定音量及/或指向性播音，令使用者(包含多个近端装置的用户及单一近端装置的用户)可被涵盖于声学明区(包含多个近端装置的扬声器加总的声学明区及单一近端装置的扬声器产生的声学明区)而非声学暗区当中。
在一些实施例中，计算电路220可一并执行图3及图6的步骤，以根据时间差信息以及自身/其他近端装置的音量调整信号来延迟并控制扬声器250的音量，使扬声器250所播放的音频具有延时校正以及加总音场的效果，但本发明不以此为限。
在一些实施例中，计算电路220可以是具有程序执行能力的电路或电子组件，例如中央处理器、微处理器、微控制器、微处理单元、数字信号处理电路(digital signalprocessor,DSP)或其等效电路。计算电路220藉由执行储存在内存230中的程序代码或程序指令来执行图3～6的步骤。在其他的实施例中，本技术领域普通技术人员可以根据以上的公开内容来设计计算电路220，也就是说，计算电路220可以是特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)或是由可程序化逻辑设备(Programmable Logic Device,PLD)等电路或硬件实作。
本发明的基于超声波的音频播放方法能够调整声音的延迟，以使同一空间中的声音尽可能同步，及/或能够调整声音的音量，以使空间中加总后的音场更为舒适。相较于传统技术，本发明可以防止空间中的啸声，因此可以提升使用者体验。
由于本技术领域普通技术人员可藉由本案的装置发明的公开内容来了解本案的方法发明的实施细节与变化，因此，为避免赘文，在不影响该方法发明的公开要求及可实施性的前提下，重复的说明在此予以节略。请注意，上文所公开的图标中，组件的形状、尺寸及比例仅为示意，是用于供本技术领域普通技术人员了解本发明，并非用以限制本发明。此外，在一些实施例中，上文所公开的流程图中所提及的步骤可依实际操作调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行。
虽然本发明申请内容已通过具体实施方式公开如上，但是这些实施例并非用于限定本发明申请内容，本领域普通技术人员在不脱离本发明申请内容的构思和范围，可依据本发明申请的明示或隐含的内容对本发明申请的技术方案作修改或调整，凡此种种变化均可能属于本发明申请所寻求的专利保护范畴，换言之，因此本发明申请的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于超声波的音频播放方法，其特征在于，所述基于超声波的音频播放方法包含：
通过麦克风接收超声波信号；
处理该超声波信号，以得到该超声波信号的特征值；
基于该特征值产生时间差信息；以及
根据该时间差信息延迟音频信号的播放。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述特征值产生所述时间差信息的步骤包含：
根据所述超声波信号的能量计算距离；以及
将所述距离除以声速以得到所述时间差信息。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波信号是近端超声波信号，且所述基于所述特征值产生所述时间差信息的步骤包含：
记录所述近端超声波信号的第一抵达时间信息；
解调变所述近端超声波信号以得到所述近端超声波信号的第一播放时间信息；
播放本地超声波信号，并记录所述本地超声波信号的第二播放时间信息；
通过所述麦克风接收所述本地超声波信号，并记录所述本地超声波信号的第二抵达时间信息；以及
根据所述第一播放时间信息、所述第一抵达时间信息、所述第二播放时间信息及所述第二抵达时间信息计算所述时间差信息。
4.一种基于超声波的音频播放方法，其特征在于，所述基于超声波的音频播放方法包含：
通过麦克风接收装置所播放的超声波信号；
处理所述超声波信号，以得到所述超声波信号的能量及相位差；
根据所述能量及所述相位差，估算所述装置的距离及方向；以及
基于所述距离及所述方向调整扬声器的音量或发送音量调整信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述超声波信号是第一超声波信号，所述音量调整信号是经过调变的第二超声波信号。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述距离及所述方向调整所述扬声器的音量或发送所述音量调整信号的步骤是使用查找表根据所述距离及所述方向产生所述音量调整信号。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述装置是第一装置，所述方法更包含：
接收所述第一装置所发送的第一音量调整信号；
接收第二装置所发送的第二音量调整信号；以及
根据所述第一音量调整信号及所述第二音量调整信号调整所述扬声器的音量。
8.一种基于超声波的电子装置，其特征在于，所述基于超声波的电子装置包含：
麦克风；
内存，用来储存多个程序代码或程序指令；以及
计算电路，耦接所述麦克风及所述内存，用来执行所述多个程序代码或程序指令以执行以下步骤：
通过所述麦克风接收超声波信号；
处理所述超声波信号，以得到所述超声波信号的特征值；
基于所述特征值产生时间差信息；以及
根据所述时间差信息延迟音频信号的播放。
9.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，所述计算电路更执行以下步骤以完成所述基于所述特征值产生所述时间差信息的步骤：
根据所述超声波信号的能量计算距离；以及
将所述距离除以声速以得到所述时间差信息。
10.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，所述超声波信号是近端超声波信号，且所述计算电路更执行以下步骤以完成所述基于所述特征值产生所述时间差信息的步骤：
记录所述近端超声波信号的第一抵达时间信息；
解调变所述近端超声波信号以得到所述近端超声波信号的第一播放时间信息；
播放本地超声波信号，并记录所述本地超声波信号的第二播放时间信息；
通过所述麦克风接收所述本地超声波信号，并记录所述本地超声波信号的第二抵达时间信息；以及
根据所述第一播放时间信息、所述第一抵达时间信息、所述第二播放时间信息及所述第二抵达时间信息计算所述时间差信息。
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