CN116208896B - 一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法及系统，所述方法包括：S1，将车内分为至少一个音频播放区，每个音频播放区包括一定向扬声器、音效补偿器和听音者所在的收听区；S2，定向扬声器将中高频声音通过传播路径定向投射到收听区，同时音效补偿器将低频声音通过补偿通道投射到收听区，对收听区进行低音补偿。本发明通过将普通扬声器的发声技术与定向扬声器的超声波发声技术相结合，在定向发声满足私密性需求的同时，可以形成独特的声场效果，满足听音者需求。

Description

一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及车载音效补偿技术领域，具体涉及一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法及系统。

背景技术

汽车作为当今社会交通的重要参与工具，已经融入人们的日常生活中，同时，随着自动驾驶技术的日益成熟，在很大程度上降低车辆对驾驶员的依赖，缓解了驾驶员的精力消耗，而且随着自动驾驶技术越来越成熟，车辆驾驶员将会在车里变得很无聊，他们将会增加对车辆娱乐、办公等方面的功能需求，而声音作为这些功能的重要载体，将在这个过程中扮演着越来越重要的角色。

特别是，目前定向声技术已经越来越成熟，在逐渐满足人们声音私密性需求的同时，也需要在音色方面进行优化、补偿，才能真正意义上解决人们对私密听音的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法及系统。

为实现上述目的，一方面，本发明提出了一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法，包括：

S1，将车内分为至少一个音频播放区，每个所述音频播放区包括一定向扬声器、音效补偿器和听音者所在的收听区；

S2，所述定向扬声器将中高频声音通过传播路径定向投射到所述收听区，同时所述音效补偿器将低频声音通过补偿通道投射到所述收听区，对所述收听区进行低音补偿。

在一优选实施例中，所述音频播放区设置多个时，所述S2中，所述音效补偿器还发出用于干扰低音的反向声波，所述反向声波通过抑制通道发送到抑制区域，在所述抑制区域与相邻音频播放区的音效补偿器发出的低频声音进行抵消。

在一优选实施例中，所述音效补偿器与所述定向扬声器集成为一个模组，或者所述音效补偿器与所述定向扬声器相独立设置。

在一优选实施例中，所述音效补偿器为扬声器阵列，所述定向扬声器为压电超声换能器阵列或者为静电式薄膜超声换能器。

在一优选实施例中，所述静电式薄膜超声换能器为透明的，其具体包括振动层、间隔件和固定基层，所述振动层包括振膜和设置于振膜上的第一电极层，所述固定基层包括基板和设置于所述基板上的第二电极层，所述间隔件位于所述振动层和固定基层之间，用于提供所述振膜振动所需的空气间隙，所述振膜在所述第一电极层和第二电极层之间通入的电压的作用下振动发声。

另一方面，本发明提出了一种基于定向扬声器的车载音效补偿系统，包括：

信号处理单元，所述信号处理单元的输入信号包括控制信号和音频信号，其具体包括控制单元、音频处理单元和音频放大单元，所述控制信号输入给控制单元，所述音频信号输入给音频处理单元，所述音频信号包括外部音源输入信号，所述控制单元在所述控制信号的控制下控制所述音频处理单元对所述外部音源输入信号进行信号处理，处理后输出给所述音频放大单元进行信号放大后输出第一音频驱动信号和第二音频驱动信号；

及至少一个与所述信号处理单元的输出端相连的播放单元，每个音频播放区设置一个所述播放单元，所述播放单元包括定向扬声器和音效补偿器，所述定向扬声器在所述第一音频驱动信号的驱动下将中高频声音通过传播路径定向投射到听音者所在的收听区；所述音效补偿器在所述第二音频驱动信号的驱动下将低频声音通过补偿通道投射到所述收听区，对所述收听区进行低音补偿。

在一优选实施例中，所述音频信号还包括由麦克风阵列采集到的环境音频信号，所述环境音频信号经所述音频处理单元和音频放大单元处理后输出给音效补偿器，由所述音效补偿器发出并通过抑制通道发送到抑制区域，在所述抑制区域与相邻音频播放区的音效补偿器发出的低频声音进行抵消。

在一优选实施例中，所述音频处理单元对外部音源输入信号采用超声波载波信号进行调制处理，处理形成超声波调制信号输出给音频放大单元，所述音频放大单元对所述超声波调制信号进行数模转换和功率放大处理后输出所述第一音频驱动信号给所述定向扬声器，所述第一音频驱动信号包括所述超声波调制信号和所述超声波载波信号。

在一优选实施例中，所述环境音频信号经所述音频处理单元进行数字信号处理后，输出给所述音频放大单元进行模数转换和功率放大处理，将数字型的环境音频信号转换成模拟音频并放大到一定功率后输出给音效补偿器。

在一优选实施例中，所述音效补偿器为扬声器阵列，所述定向扬声器为压电超声换能器阵列或者为静电式薄膜超声换能器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明将定向扬声器应用于车载声学场景，并结合发低音的音效补偿器对定向扬声器进行低音补偿。具体通过将声音的中高频段通过超声波的方式进行传播，并利用空气的自解调机制，将声音的中高频段定向投射到听音者所在的音区范围内；同时，辅助音效补偿器，对声音的低频段进行处理并播放，从而弥补定向扬声器本身的低音缺陷。本发明通过将音效补偿器的自然发声技术与定向扬声器的超声波发声技术相结合，在定向发声满足私密性需求的同时，可以形成独特的声场效果，满足听音者需求。

2、本发明通过主动降噪技术，解决音效补偿器所产生的相邻位置声音串扰问题，并结合定向扬声器的定向发声技术，营造真正意义上的独立音区声场。具体通过听音者所在的收听区的相关音效补偿器对其他收听区的音效补偿器所发出的串扰音频进行主动消除，在给车上乘客提供低音补偿效果的同时，也能够保证一定的私密性，不会对邻座的驾乘人员造成声音干扰。

附图说明：

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明一具体实施例中音频播放区的布局示意图；

图3为本发明另一具体实施例中音频播放区的布局示意图；

图4为本发明一具体实施例中定向扬声器的结构示意图；

图5为本发明系统的结构框图；

图6为本发明系统的具体结构示意图。

附图标记为：

1、第一音频播放区，11、第一定向扬声器，12、第一音效补偿器，13、第一收听区，14、第一抑制区域，2、第二音频播放区，21、第二定向扬声器，22、第二音效补偿器，23、第二收听区，24、第二抑制区域，3、振动层，31、振膜，32、第一电极层，4、间隔件，5、固定基层，51、基板，52、第二电极层，6、空气间隙，111、第一传播路径，112、第二传播路径，211、第一补偿通道，212、第二补偿通道，311、第一抑制通道，312、第二抑制通道，411、第一干扰路径，412、第二干扰路径，7、信号处理单元，71、控制单元，72、音频处理单元，73、音频放大单元，8、播放单元。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

本发明所揭示的一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法及系统，其应用场景主要是车载声学场景，一方面通过将普通扬声器的自然发声技术与定向扬声器的超声波发声技术相结合，对定向扬声器发出的中高频信号进行低音补偿，在定向发声满足私密性需求的同时，可以形成独特的声场效果，满足听音者需求；另一方面通过主动降噪技术，解决普通扬声器所产生的相邻位置声音串扰问题，并结合定向扬声器的定向发声技术，营造真正意义上的独立音区声场。本发明除车载声学场景外，也可以应用于其他使用场景，如会议、展厅等其他场景。

如图1所示，本发明实施例所揭示的一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法，包括以下步骤：

S1，将车内分为至少一个音频播放区，每个音频播放区包括一定向扬声器、音效补偿器和听音者所在的收听区。

具体地，本实施例中，结合图2和图3所示，将车内分为两个音频播放区，为了便于描述，定义这两个音频播放区分别为第一音频播放区1和第二音频播放区2，这两个音频播放区主要覆盖车内后排的左右两个座位。当然，本发明对此不做限制，也可以在车内其他区域设置，如也可以增设覆盖车内的主驾和副驾的音频播放区。当然也可以根据需要，只在一个区域设置音频播放区，即音频播放区可以设置一个或多个，且设置位置不做限定，可以根据实际需求设定。

本实施例中，每个音频播放区包括一个定向扬声器、音效补偿器、听音者所在的收听区和抑制区域，具体地，第一音频播放区1包括第一定向扬声器11、第一音效补偿器12、第一收听区13和第一抑制区域14；同样地，第二音频播放区2包括第二定向扬声器21、第二音效补偿器22、第二收听区23和第二抑制区域24。

其中，第一定向扬声器11设置于主驾座椅的后面，第一收听区13位于后排左边座椅头部所在的音区，即乘客头部所在的收听区，第一定向扬声器11对着第一收听区13。另外，第二定向扬声器21设置于副驾座椅的后面，第二收听区23位于后排右边座椅头部所在的音区，即乘客头部所在的收听区，第二定向扬声器21对着第二收听区23。

实施时，第一定向扬声器11和第二定向扬声器21可采用压电超声换能器阵列或者为静电式薄膜超声换能器，其中，压电超声换能器阵列是将多个小型压电超声换能器按照一定的尺寸间隔阵列组合而成。本实施例中，两个定向扬声器均采用静电式薄膜超声换能器，且具体采用的是透明的静电式薄膜超声换能器，如图4所示，其结构具体包括振动层3、间隔件4和固定基层5，其中，振动层3包括振膜31和设置于振膜31上的第一电极层32，固定基层5包括基板51和设置于基板51上的第二电极层52，间隔件4位于振动层3和固定基层5之间，用于提供振膜31振动所需的空气间隙6，振膜31在第一电极层32和第二电极层52之间通入的电压（具体为直流偏置电压和交流电压）的作用下振动发声。

本实施例中，音效补偿器采用的是扬声器阵列，具体为一排由8个扬声器单元组成的扬声器阵列。实施时，在其中一实施例中，如图3所示，扬声器阵列可以与定向扬声器集成为一个整体的模组，如集成到定向扬声器的下方，与定向扬声器作为一个整体的定向声发声单元。具体地，在其中一实施例中，如图2所示，在主驾座椅的后面设置一个集成的定向声发声单元，以及在副驾座椅的后面也设置一个集成的定向声发声单元，每个定向声发声单元包括一定向扬声器和扬声器阵列，扬声器阵列由一排8个扬声器单元组成，其集成于定向扬声器的下方。

在另一替换实施例中，扬声器阵列也可以与定向扬声器相独立设置，且扬声器阵列可以采用车内自身的扬声器阵列，如左后门内侧设置的扬声器阵列和右后门内侧设置的扬声器阵列。当然，音效补偿器也不限于这里的扬声器阵列，也可以是普通单个的扬声器。且音效补偿器的设置位置也不限于这里所限定的，可以根据实际需要设置。

S2，所述定向扬声器将中高频声音通过传播路径定向投射到所述收听区，同时所述音效补偿器将低频声音通过补偿通道投射到所述收听区，对所述收听区进行低音补偿。

具体地，本实施例中，第一定向扬声器11将中高频声音通过第一传播路径111定向发送到第一收听区13，这里的第一传播路径111即第一定向扬声器11至第一收听区13之间形成的音频传输通道，由于第一定向扬声器11所采用的超声传播技术发出的是超声声波，超声声波具有较强的指向性，即第一定向扬声器是定向发声的，其本身具有良好的方向性，所以其发出的声音很难扩散到除第一收听区13以外的其他区域，如第二收听区23，即位于第二收听区23的乘客很难听到第一定向扬声器11发出的声音，或者第二收听区23所接收到第一定向扬声器11的声音能量很低，不会对第二收听区23乘客造成干扰，可忽略不计。

同理，第二定向扬声器21对着第二收听区23第二收听区23，将中高频声音通过第二传播路径112定向发送到第二收听区23，这里的第二传播路径112即第二定向扬声器21至第二收听区23之间形成的音频传输通道，由于第二定向扬声器21所采用的超声传播技术发出的是超声声波，超声声波具有较强的指向性，即第二定向扬声器21是定向发声的，其本身具有良好的方向性，所以其发出的声音很难扩散到除第二收听区23以外的其他区域，如第一收听区13，即位于第一收听区13的乘客很难听到第二定向扬声器21发出的声音，或者第一收听区13所接收到第二定向扬声器21的声音能量很低，不会对第一收听区13乘客造成干扰，可忽略不计。

但是，由于定向扬声器发出的主要是中高频的声音，其投射到第一收听区13的声音中很少有低频部分，所以优选地，为了提高收听区的音频音效，在音频播放区增设可发出低音的音效补偿器，对对应收听区进行低音补偿，从而提高收听区中乘客的听音效果。

具体地，如第一音频播放区1中，第一音效补偿器12将低频声音通过第一补偿通道211投射到第一收听区13，对第一收听区13进行低音补偿，这里的第一补偿通道211即第一音效补偿器12至第一收听区13之间形成的音频传输通道。同理，第二音频播放区2中，第二音效补偿器22将低频声音通过第二补偿通道212投射到第二收听区23，对第二收听区23进行低音补偿，这里的第二补偿通道212即第二音效补偿器22至第二收听区23之间形成的音频传输通道。也就是说，定向扬声器采用超声波调制技术，将音频信号以超声波的形式发出，实现定向发声效果，扬声器阵列发出普通低音音频信号，补偿定向扬声器所不能发出的低音部分，从而大大改善每个收听区的音效，提高收听者的听音舒适性。

另外，当音频播放区设置多个时，由于第一音效补偿器12所发出的补偿低音并没有定向传输能力，在传输至第一收听区13的同时，也会有很大一部分能量传输给第二收听区23中的乘客，如果对这部分声音不进行特殊处理，将会降低第一收听区13的私密性，也会对第二收听区23的乘客造成一定程度干扰。同样，第二音效补偿器22所发出的补偿低音也会传输给第一收听区13中的乘客，如果对这部分声音不进行特殊处理，将会降低第二收听区23的私密性，也会对第一收听区13的乘客造成一定程度干扰，从而失去定向扬声器本身良好私密性的优势。

因此，优选地，针对上述补偿低音的串扰问题，本发明的音效补偿器还发出用于干扰低音的反向声波，反向声波通过抑制通道发送到抑制区域，在抑制区域与相邻音频播放区的音效补偿器发出的低频声音进行抵消，抵消后的少量残留干扰低音传输至收听区，降低了收听区中所接收到的音效补偿器的干扰低音能量，保证了收听区的私密性。具体地，第一音效补偿器12在给第一收听区13发出补偿低音的同时，也会发出针对第二音效补偿器22传输过来的串扰低音的第一反向声波，即第一音效补偿器12发出的第一反向声波通过第一抑制通道311传输至第一抑制区域14，在第一抑制区域14与相邻的第二音频播放区2的第二音效补偿器22通过第二干扰路径412发出的干扰低频声音进行抵消，抵消后的少量残留干扰低音传输至第一收听区13，降低了第一收听区13中所接收到的第二音效补偿器22的干扰低音能量，保证了第一收听区13的私密性。同样，第二音效补偿器22在给第二收听区23发出补偿低音的同时，也会发出针对第一音效补偿器12通过第一干扰路径411传输过来的串扰低音的第二反向声波，即第二音效补偿器22发出的第二反向声波通过第二抑制通道312传输至第二抑制区域24，在第二抑制区域24与相邻的第一音频播放区1的第一音效补偿器12发出的干扰低频声音进行抵消，抵消后的少量残留干扰低音传输至第二收听区23，降低了第二收听区23中所接收到的第一音效补偿器12的干扰低音能量，保证了第二收听区23的私密性。关于第一音效补偿器12如何发出针对第二音效补偿器22发出的干扰低音的反向声波，该技术可参照现有技术实现，本发明不再赘述。

与上述一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法相对应的，本发明还揭示了一种基于定向扬声器的车载音效补偿系统，结合图5和图6所示，具体包括信号处理单元7及至少一个与该信号处理单元7的输出端相连的播放单元8。

其中，信号处理单元7的输入信号包括控制信号和音频信号，其具体包括控制单元71、音频处理单元72和音频放大单元73，其中，上述控制信号输入给控制单元71，音频信号输入给音频处理单元72，本实施例中，音频信号具体包括外部音源输入信号和由麦克风阵列采集到的环境音频信号。控制单元71在控制信号的控制下控制音频处理单元72对外部音源输入信号进行信号处理，处理后输出给音频放大单元73进行信号放大后输出用于驱动定向扬声器的第一音频驱动信号和用于驱动音效补偿器的第二音频驱动信号。

具体地，控制单元71对整个信号处理单元起控制作用，包括上下电控制、温度控制、通信控制、状态控制、音频模式控制等一系列逻辑控制功能。对于音频模式控制功能来说，控制单元71需要把控制信号转换成音频控制所需的时序指令，然后发送给音频处理单元72来实现。

本实施例中，音频处理单元72为数字信号处理单元，音频处理单元72对外部音源输入信号的处理过程具体包括：采用超声波载波信号对该外部音源输入信号进行调制处理，处理形成超声波调制信号输出给音频放大单元73，音频放大单元73对该超声波调制信号进行数模转换和功率放大处理后输出上述第一音频驱动信号给定向扬声器，其中，第一音频驱动信号包括超声波调制信号和超声波载波信号，也就是说，定向扬声器采用的是双通道音频输入。另外，对于外部音源输入信号，音频处理单元直接将其依次经音频处理单元72和音频放大单元73处理后，直接输出上述第一音频驱动信号给音效补偿器，驱动音效补偿器工作，也就是说，音效补偿器采用的是单通道音频输入。

具体地，每个音频播放区设置一个上述播放单元，每个播放单元包括定向扬声器和音效补偿器，其中，定向扬声器在上述第一音频驱动信号的驱动下将中高频声音通过传播路径定向投射到听音者所在的收听区；音效补偿器在第二音频驱动信号的驱动下将低频声音通过补偿通道投射到收听区，对收听区进行低音补偿，营造出独特的声场效果。其中，定向扬声器和音效补偿器的具体如何工作原理可参照上述方法中的描述，这里不做赘述。

优选地，信号处理单元对环境音频信号的处理过程具体包括：环境音频信号经音频处理单元进行数字信号处理后，输出给所述音频放大单元进行模数转换和功率放大处理，将数字型的环境音频信号转换成模拟音频并放大到一定功率后输出给音效补偿器，由音效补偿器发出并通过抑制通道发送到抑制区域，在抑制区域与相邻音频播放区的音效补偿器发出的低频声音进行抵消。具体原理也可参照上述方法中的描述，这里不做赘述。

本发明的优点在于，1、本发明将定向扬声器应用于车载声学场景，并结合发低音的音效补偿器对定向扬声器进行低音补偿。具体通过将声音的中高频段通过超声波的方式进行传播，并利用空气的自解调机制，将声音的中高频段定向投射到听音者所在的音区范围内；同时，辅助音效补偿器，对声音的低频段进行处理并播放，从而弥补定向扬声器本身的低音缺陷。本发明通过将音效补偿器的自然发声技术与定向扬声器的超声波发声技术相结合，在定向发声满足私密性需求的同时，可以形成独特的声场效果，满足听音者需求。2、本发明通过主动降噪技术，解决音效补偿器所产生的相邻位置声音串扰问题，并结合定向扬声器的定向发声技术，营造真正意义上的独立音区声场。具体通过听音者所在的收听区的相关音效补偿器对其他收听区的音效补偿器所发出的串扰音频进行主动消除，在给车上乘客提供低音补偿效果的同时，也能够保证一定的私密性，不会对邻座的驾乘人员造成声音干扰。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，将车内分为至少一个音频播放区，每个所述音频播放区包括一定向扬声器、音效补偿器和听音者所在的收听区；

S2，所述定向扬声器将中高频声音通过传播路径定向投射到所述收听区，同时所述音效补偿器将低频声音通过补偿通道投射到所述收听区，对所述收听区进行低音补偿：

所述音频播放区设置多个时，所述S2中，所述音效补偿器还发出用于干扰低音的反向声波，所述反向声波通过抑制通道发送到抑制区域，在所述抑制区域与相邻音频播放区的音效补偿器发出的低频声音进行抵消。

2.如权利要求1所述的一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法，其特征在于，所述音效补偿器与所述定向扬声器集成为一个模组，或者所述音效补偿器与所述定向扬声器相独立设置。

3.如权利要求2所述的一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法，其特征在于，所述音效补偿器为扬声器阵列，所述定向扬声器为压电超声换能器阵列或者为静电式薄膜超声换能器。

4.如权利要求3所述的一种基于定向扬声器的车载音效补偿方法，其特征在于，所述静电式薄膜超声换能器为透明的，其具体包括振动层、间隔件和固定基层，所述振动层包括振膜和设置于振膜上的第一电极层，所述固定基层包括基板和设置于所述基板上的第二电极层，所述间隔件位于所述振动层和固定基层之间，用于提供所述振膜振动所需的空气间隙，所述振膜在所述第一电极层和第二电极层之间通入的电压的作用下振动发声。

5.一种基于定向扬声器的车载音效补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

信号处理单元，所述信号处理单元的输入信号包括控制信号和音频信号，其具体包括控制单元、音频处理单元和音频放大单元，所述控制信号输入给控制单元，所述音频信号输入给音频处理单元，所述音频信号包括外部音源输入信号，所述控制单元在所述控制信号的控制下控制所述音频处理单元对所述外部音源输入信号进行信号处理，处理后输出给所述音频放大单元进行信号放大后输出第一音频驱动信号和第二音频驱动信号；

及至少一个与所述信号处理单元的输出端相连的播放单元，每个音频播放区设置一个所述播放单元，所述播放单元包括定向扬声器和音效补偿器，所述定向扬声器在所述第一音频驱动信号的驱动下将中高频声音通过传播路径定向投射到听音者所在的收听区；所述音效补偿器在所述第二音频驱动信号的驱动下将低频声音通过补偿通道投射到所述收听区，对所述收听区进行低音补偿；

所述音频信号还包括由麦克风阵列采集到的环境音频信号，所述环境音频信号经所述音频处理单元和音频放大单元处理后输出给音效补偿器，由所述音效补偿器发出并通过抑制通道发送到抑制区域，在所述抑制区域与相邻音频播放区的音效补偿器发出的低频声音进行抵消。

6.如权利要求5所述的一种基于定向扬声器的车载音效补偿系统，其特征在于，所述音频处理单元对外部音源输入信号采用超声波载波信号进行调制处理，处理形成超声波调制信号输出给音频放大单元，所述音频放大单元对所述超声波调制信号进行数模转换和功率放大处理后输出所述第一音频驱动信号给所述定向扬声器，所述第一音频驱动信号包括所述超声波调制信号和所述超声波载波信号。

7.如权利要求6所述的一种基于定向扬声器的车载音效补偿系统，其特征在于，所述环境音频信号经所述音频处理单元进行数字信号处理后，输出给所述音频放大单元进行模数转换和功率放大处理，将数字型的环境音频信号转换成模拟音频并放大到一定功率后输出给音效补偿器。

8.如权利要求5所述的一种基于定向扬声器的车载音效补偿系统，其特征在于，所述音效补偿器为扬声器阵列，所述定向扬声器为压电超声换能器阵列或者为静电式薄膜超声换能器。