CN117337581A - 用于产生声场的音频设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于产生声场的设备(100)和方法。所述设备(100)包括设置在平面内的多个位置处的多个扬声器(101)和用于驱动所述多个扬声器(101)的处理电路。所述多个扬声器(101)的第一子集限定了所述平面内的第一菱形，所述多个扬声器(101)的第二子集限定了所述平面内的第二菱形。所述第一菱形基本上垂直于所述第二菱形定向。所述多个扬声器的其它子集可以限定其它菱形子阵列。音频设备可以实现为条形音响或声效板。因此，公开了一种提供更丰富声音体验的音频设备。

Description

用于产生声场的音频设备和方法
技术领域
本发明涉及音频处理和声音产生。例如，本发明涉及一种包括用于产生声场的多个扬声器的音频设备以及相应的方法。
背景技术
扬声器可设计范围很广。工业设计可以定义形式和用户相关特征，而声学设计可以定义电声架构，供用户享受目标声音体验。扬声器的一个有趣的设计是平板扬声器，因为它们可以灵活地安装在墙上(像图像一样)。除了吸引人的原创美学，它还可以实现轻松安装和声学功能，如控制以3D方式发射到房间的声音、全方位辐射、身临其境的感觉，最终，产生更丰富的3D音频体验。设计这种平板扬声器可能由于几个方面而具有挑战性，例如，由于深度有限，声学效果可能难以实现，组件的选择可能会受到限制，或者可用的内部体积可能会受到限制。
扬声器阵列的波束形成是指声音定向发射到环境中。安装在墙上的2D平板扬声器阵列的优点是，它可以配置为将波束沿任何方向引导到房间中。可以利用上述方式通过以使声音被反射并从期望方向到达听众的方式向反射表面发送声束，从而向听众提供3D声音体验(例如声场)。例如，引导到房间天花板的声束可能会被反射并从上面到达听众。如果满足延迟和衰减方面的某些标准，则听众可以定位来自天花板反射点的声音，而不是来自实际设备的声音。然后，可以利用这种效果来获得完整的3D声音体验，其中，声源可以从听众周围的任何位置定位。
在家庭影院场景中，3D音频体验可以由称为条形音响系统的音频设备提供，这种条形音响通常由一条或多条水平扬声器线组成，可能与定向在不同方向的扬声器(如上射或侧射扬声器)集成。与条形音响类似，声效板可以用于引导对应于不同输入信道的波束。在条形音响中，扬声器通常水平设置，这样可以在水平面上引导波束。这适用于通过利用听众环境侧壁上的反射来渲染标准水平声场，如立体声和环绕声格式，如5.1、7.1等。
声效板中的2D扬声器阵列也可以将声束引导到垂直方向。这与3D环绕声格式(如杜比Atmos或包含高度信息的一般7.1.2信号)一起应用。这种高度信道可以通过以下方式再现：将波束引导到天花板并从天花板反射，以产生声音来自听众上方的感知。已知(例如，US 5,809,150)如何使用反射来模拟虚拟源。根据哈斯原理，为了让用户感知反射信号(由于它需要传播的路径较长，反射信号较晚到达)，而不是感知来自源(例如条形音响)的直接信号，必须满足的一个条件是，到达用户的反射声音应至少比直接声音大10dB。
发明内容
根据本发明的设备和方法使得多个扬声器能够在只需要少量的扬声器的情况下产生丰富的声音体验。
这通过独立权利要求的主题来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中显而易见。
根据第一方面，提供了一种用于产生声场的设备。根据第一方面所述的设备包括设置在平面内的多个位置处的多个扬声器(例如也称为转换器)。所述平面可以是用于在基本上垂直于所述平面的方向上发射声波的公共平面。所述设备可以包括壳体，其中，所述多个扬声器设置在所述壳体的一侧等，所述多个扬声器可以用于沿着基本上垂直于所述壳体的这一侧的方向发射声波。在整个公开过程中，设备也可以被称为音频设备，包括条形音响、声效板或任何其它音频设备。
根据第一方面所述的设备还包括处理电路，所述处理电路可以包括一个或多个处理器等，所述处理店里用于处理一个或多个输入信号以获取多个输出信号，并将所述多个输出信号输出到所述多个扬声器。例如，将所述多个输出信号输出到所述多个扬声器，用于驱动所述扬声器，例如，所述多个扬声器中的每个扬声器的相应膜。
所述多个扬声器中的第一子集包括至少三个扬声器，其中，所述第一子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第一菱形的至少三个角处。所述第一菱形具有第一主(或主要)对角线和第一副对角线，其中，所述第一主对角线比所述第一副对角线长。例如，所述多个扬声器的所述第一子集可以包括四个扬声器。如在本发明中使用的，子集也可以理解为子群；菱形也可以理解为名义菱形。
所述多个扬声器中的第二子集包括至少三个扬声器，其中，所述第二子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第二菱形的至少三个角处。所述第二菱形具有第二主(或主要)对角线和第二副对角线，其中，所述第二主对角线比所述第二副对角线长。例如，所述多个扬声器的所述第二子集可以包括四个扬声器。
所述第一(名义)菱形和所述第二(名义)菱形以相对于另一个的方式设置，使得所述第一菱形的所述第一主对角线基本上垂直于所述第二菱形的所述第二主对角线延伸。例如，在安装的音频设备中，所述第一主对角线可以基本上水平延伸，而所述第二主对角线可以基本上垂直延伸。在这种设置中，所述第一子集中的所述扬声器将主要(但不排他性地)用于产生高度上的声音印象，而所述第二子集中的所述扬声器主要用于在水平面上产生声音印象。
所述第一副对角线的长度在所述扬声器的最小间距d与2d之间，其中，2d是最小间距的两倍。同样的情况也适用于所述第二副对角线，所述对角线的长度可以在d与2d之间。因此，提供了一种改进的音频设备，包括多个扬声器，用于在只需要少量扬声器的情况下在水平和垂直方向上产生丰富的声音体验。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一主对角线具有与所述第二主对角线基本上相同的长度和/或所述第一副对角线具有与所述第二副对角线基本上相同的长度。因此，所述扬声器的类似或相同设置可以用于所述第一子组和所述第二子组，例如使输入信号处理不那么复杂。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一副对角线具有与所述第一菱形的边基本上相同的长度和/或所述第二副对角线具有与所述第二菱形的边基本上相同的长度。因此，所述扬声器的类似或相同设置可以用于所述第一子组和所述第二子组，例如使输入信号处理不那么复杂。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述多个扬声器中的第三子集包括至少三个扬声器，其中，所述第三子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第三菱形的至少三个角处。所述第三菱形具有第三主对角线和第三副对角线，其中，所述第三主对角线比所述第三副对角线长。所述第三菱形的所述第三主对角线基本上平行于所述第一菱形的所述第一主对角线延伸，从而基本上垂直于所述第二菱形的所述第二主对角线。因此，提供了一种改进的音频设备，包括多个扬声器，用于在只需要少量扬声器的情况下产生丰富的声音体验。例如，所述多个扬声器的所述第三子集可以包括四个扬声器。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第三菱形的所述第三主对角线沿着与所述第一菱形的所述第一主对角线相同的名义线，例如名义水平线延伸。对于已安装的设备，相同的名义线可以是水平线。因此，所述扬声器的类似或相同设置可以用于所述第一子集和所述第三子集，例如使输入信号处理不那么复杂。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第二子集的至少一些扬声器设置在由所述第一菱形的所述第一主对角线和所述第三菱形的所述第三主对角线限定的名义线上方或下方。对于安装的音频设备，所述第二子集的至少一些扬声器设置在由所述第一菱形的所述第一主对角线和所述第三菱形的所述第三主对角线限定的基本水平线上方或下方。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第三主对角线具有与所述第一主对角线基本上相同的长度和/或所述第三副对角线具有与所述第一副对角线基本上相同的长度。因此，所述扬声器的类似或相同设置可以用于所述第一子集、所述第二子集和所述第三子集，例如使输入信号处理不那么复杂。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第三副对角线具有与所述第三菱形的边基本相同的长度。因此，所述扬声器的类似或相同设置可以用于所述第一子集、所述第二子集和所述第三子集，例如使输入信号处理不那么复杂。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述多个扬声器中的一个可以是所述第二子集和所述第一子集或所述第三子集的一部分。换句话说，所述多个扬声器中的一个可以位于并限定所述第二菱形的角落和所述第一菱形的角落或所述第三菱形的角落。因此，所述扬声器的数量可以进一步减少，同时仍然提供丰富的声音体验。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述多个扬声器中的一个是所述第二子集和所述第一子集或所述第三子集的一部分。换句话说，所述多个扬声器中的一个位于并限定所述第二菱形的角落和所述第一菱形的角落或所述第三菱形的角落。因此，有利地，所述扬声器的数量可以进一步减少，同时仍然提供丰富的声音体验。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述多个扬声器中的第四子集包括至少三个扬声器，其中，所述第四子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第四菱形的至少三个角处，所述第四菱形的边长是所述第一菱形的边长的约2至4倍。所述第四菱形具有第四主对角线和第四副对角线，其中，所述第四主对角线比所述第四副对角线长。例如，所述第四菱形的边长是所述第一菱形的边长的约3倍。因此，提供了一种改进的音频设备，包括多个扬声器，用于产生更丰富的声音体验，其中，所述第四子集的所述扬声器主要提供比所述第一子集的所述扬声器更低的频率声音。例如，所述多个扬声器的所述第四子集可以包括四个扬声器。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第四菱形的所述第四主对角线基本上平行于所述第一菱形的所述第一主对角线延伸，或基本上垂直于所述第二菱形的所述第二主对角线。因此，所述第四子集的所述扬声器可以具有相对于所述第一子集的所述扬声器的良好定义的取向，例如，从而使输入信号处理不那么复杂。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述处理电路用于实现一个或多个波束形成器，用于根据期望的主辐射方向处理所述多个输入信号，以获取所述多个输出信号。因此，提供了一种改进的音频设备，包括多个扬声器，用于在只需要少量扬声器的情况下产生丰富的声音体验。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述处理电路用于：实现一个或多个第一波束形成器，用于根据第一期望主辐射方向处理第一频率范围内的多个输入信号，以获取用于所述多个扬声器的所述第四子集中的多个输出信号；实现一个或多个第二波束形成器，用于根据第二期望主辐射方向处理第二频率范围内的多个输入信号，以获取用于所述多个扬声器的所述第一子集和/或所述第二子集中的多个输出信号。所述第一频率范围可以是高频范围，所述第二频率范围可以是低频范围。这两个范围可以部分重叠，也可以不重叠。
在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，对于非重叠的情况，例如，所述第一频率范围和所述第二频率范围之间的交叉频率可以在约2kHz与约4kHz之间，例如约3kHz。因此，提供了一种改进的音频设备，包括多个扬声器，用于在只需要少量扬声器的情况下在低频率和高频率下产生丰富的声音体验。
在一种可能的实现方式中，子集中的扬声器是相邻扬声器。例如，所述第一子集中的所述扬声器彼此相邻设置。这种扬声器之间的距离可以是最小间隔d。
如上所述，根据第一方面所述的设备还包括具有多个第一子集和/或第二子集的实现方式。这样的多个子集可以以交替的方式水平和垂直设置。因此，这些设备提供了上面描述的所有优点和技术效果，并更详细地关于实施例描述。
根据第二方面，提供了一种用于产生声场的方法。所述方法包括：
操作设置在平面内的多个位置处的多个扬声器；
处理多个输入信号以获取多个输出信号，并将所述多个输出信号输出到所述多个扬声器，
其中，所述多个扬声器的第一子集包括至少三个扬声器，所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第一菱形的至少三个角处，所述第一菱形具有第一主对角线和第一副对角线，所述第一主对角线比所述第一副对角线长；
所述多个扬声器的第二子集包括至少三个扬声器，所述第二子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第二菱形的至少三个角处，所述第二菱形具有第二主对角线和第二副对角线，所述第二主对角线比所述第二副对角线长，
其中，所述第一菱形的所述第一主对角线基本上垂直于所述第二菱形的所述第二主对角线延伸。
所述第一副对角线的长度在所述扬声器的最小间距d与2d之间，其中，2d是最小间距的两倍。同样的情况也适用于所述第二副对角线，所述对角线的长度可以在d与2d之间。所述副对角线的长度影响音质。在等于最小间距d的长度下，由于可以实现高截止频率，所产生的声音的质量得到改善。
根据所述第一扬声器子集和所述第二扬声器子集的多个输出信号，可以获取期望的主辐射方向。因此，获取了期望方向上的主辐射。换句话说，主要在期望方向上的声音辐射通过第一子集和第二子集的扬声器的输出信号获取。
在一种实现方式中，期望的主辐射方向包括水平主辐射方向和/或垂直主辐射方向。因此，声场可以被调整。例如，根据水平和/或垂直的主辐射方向，可以创建声源在空间中期望位置的印象。
在一种实现方式中，通过配置处理电路的一个或多个处理器以提供一个或多个波束形成滤波器以获取多个输出信号，来获取所需的主辐射方向。滤波器可以根据扬声器的第一子集和第二子集确定。具体地，滤波器可以应用基于扬声器的多个位置和期望的主辐射方向获取的增益和延迟。
例如，在安装的音频设备中，所述第一主对角线可以基本上水平延伸，而所述第二主对角线可以基本上垂直延伸。在这种设置中，为了产生水平主辐射，滤波器将主要(但不排他性)在低频中使用第一子集的扬声器，在高频中使用第二子集的扬声器。为了产生垂直主辐射，滤波器将主要(但不排他性)在低频中使用第二子集的扬声器，在高频中使用第一子集的扬声器。
因此，在只需要少量扬声器的大频率范围内获得水平和垂直方向上的期望主辐射方向。
本发明第二方面所述的方法可由本发明第一方面所述的设备执行。因此，根据第二方面的方法的其它特征直接来自根据第一方面的音频设备的功能以及上文和下文描述的其不同实现方式。根据第二方面的方法的其它特征和实现方式直接取决于根据第一方面的装置的特征和实现方式。
根据第三方面，提供了一种计算机程序产品，包括用于存储程序代码的计算机可读存储介质，当所述程序代码由计算机或处理器执行时，所述计算机或所述处理器执行根据第二方面所述的方法。
一个或多个实施例的细节在附图和说明书中阐述。其它特征、目标和优点将从说明书、附图和权利要求中显而易见。
附图说明
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
图1为设置为2D矩形平面阵列的多个扬声器的示意图。
图2为设置为实现三个嵌套行阵列的对称对数阵列的多个扬声器的示意图。
图3为用于获取图2所示的三个行阵列的子带信号的示例性滤波器组。
图4为用于图2的波束形成器的示例性方向响应。
图5为设置为交错的2D矩形平面阵列的多个扬声器的示意图。
图6为一个实施例提供的设备的扬声器设置的示意图，包括设置为第一水平菱形和第二垂直菱形的多个扬声器。
图7为另一个实施例提供的设备的扬声器设置的示意图，包括设置为第一水平菱形和第三水平菱形以及第二垂直菱形的多个扬声器。
图8为一个实施例提供的设备实现的多个扬声器的两个其它子集的示意图。
图9为另一个实施例提供的设备的扬声器设置的示意图，包括设置为堆叠菱形阵列的多个扬声器。
图10为一个实施例提供的设备的家庭影院实现方式的俯视图和侧视图。
图11为一个实施例提供的具有设备实现的多个波束产生器的处理电路的示意图。
图12为图11的处理电路的波束形成器的更详细方面的示意图。
图13为另一个实施例提供的设备的示意图，包括设置为菱形阵列的多个扬声器。
图14为一个实施例提供的设备的60度主辐射方向和0度零辐射方向的示例性定向波束形成器响应。
图15为一个实施例提供的用于产生声场的方法的流程图。
在下文中，相同参考符号是指相同或至少在功能上等效的特征。
具体实施方式
在以下描述中，参考构成本发明一部分的附图，附图通过说明的方式示出了本发明实施例的特定方面或可使用本发明实施例的特定方面。应理解，本发明的实施例可用于其它方面，并且包括未在附图中描绘的结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，本发明的范围由所附权利要求书界定。
例如，应当理解，与描述方法有关的公开内容可以对用于执行所述方法的对应设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了一个或多个特定方法步骤，则对应的设备可以包括一个或多个单元，例如，功能单元，用于执行所描述的一个或多个方法步骤(例如，执行所述一个或多个步骤的一个单元，或各自执行所述多个步骤中的一个或多个步骤的多个单元)，即使图中未明确描述或说明此类一个或多个单元。另一方面，例如，如果根据一个或多个单元(例如，功能单元)来描述特定装置，对应的方法可以包括一个步骤来执行一个或多个单元的功能(例如，执行所述一个或多个单元的功能的一个步骤，或各自执行所述多个单元中的一个或多个单元的功能的多个步骤)，即使图中未明确描述或说明此类一个或多个步骤。此外，应理解，除非另外具体指出，否则本文中描述的各种示例性实施例和/或方面的特征可彼此组合。
在更详细地描述音频设备的不同实施例之前，在下面将介绍一些技术背景以及传统的音频设备。
图1示出了音频设备的传统2D平面阵列扬声器设置10，其中，多个扬声器11设置在规则的方形网格上。如果正方形的每一边的长度为L，并且阵列由N＝n·n个扬声器11组成，则相应扬声器11之间的间隔(距离)在平面中的两个正交方向上为d＝L/(n-1)。在作为壁挂式音频设备的典型场景中，这两个方向对应于水平和垂直方向。此外，扬声器n的长度L和数量可以在方向之间变化，这取决于音频设备的特定使用情形和相应方向的重要性(人类在声源定位方面的性能在水平方向上比在垂直方向上要高得多)。
对于图1所示类型的扬声器阵列10，当波长的一半小于两个相邻扬声器11之间的距离时，发生空间混叠。为了减少高频下的混叠，扬声器11之间的间隔应该较小(例如，λ＝cs/f，空气中的声速为cs＝343m/s，f＝8kHz下的波长为λ＝4.3cm，是指只有在阵列元件间隔λ＝4.3cm的情况下，才能实现在该频率下的无混叠波束形成)。对于图1中所示的特定扬声器设置10，扬声器11的总数为N＝15，具有间隔为dh的nh＝5个水平元件和具有间隔为dv的nv＝3个垂直元件。总尺寸(例如孔径)为Lh＝dh*nh，Lv＝dv*nv。
为了在低频下获得良好的分辨率，阵列10的长度应该尽可能大。根据瑞利分辨率极限，波束的角宽度由波长除以孔径尺寸(阵列10在相应维度上的总延伸)限定。因此，长度L的阵列可以创建宽度w(以弧度为单位)高达波长λ＝w*L的波束。正如将理解的那样，对于相同的阵列几何形状，频率越低，波束就越宽。在相同的频率下，更大的阵列可以创建更窄的波束。阵列尺寸(孔径L)与波束宽度和频率之间的关系是线性的。
一般情况下，阵列孔径应大于一个波长。对于f＝500Hz，λ＝0.686m的阵列的期望的较低工作频率，阵列的尺寸应约为70厘米。虽然高频限制相当尖锐，但波束形成性能向低频的下降相当平稳，主要由音频设备的效率决定。控制波长大于阵列大小的低频需要大量的功率和能够产生高声压级的扬声器。
为了在这种低频下实现适当的声压级，所实施的扬声器的有效辐射面积应足够大。对于再现低于1kHz的频率，扬声器的直径应至少为3厘米(5厘米或更大将具有更好的声学性能)。
对于具有给定数量N的扬声器且间隔相等的扬声器的扬声器阵列，上述两个方面将设备的工作频率范围限制在特定范围内。例如，图1的2D阵列10设计为频率界限500Hz和8kHz，并且元件之间的间隔相等dv，dh＝2.15cm，Lh，Lv＝68.6cm，每个维度需要个元件。因此，2D阵列将需要900多个扬声器，这显然是不实用的。此外，直径小于2厘米的扬声器将无法很好地再现低频(例如500Hz)。
因此，通过具有扬声器阵列的音频设备可以实现的波束形成性能对频率的依赖性很高。频率下限由孔径尺寸限定。然而，没有明确的边界，因为波束只是向较低的频率变宽。如果频率增大，由于孔径尺寸和波长的比率增大，波束不断变窄。由于较窄的波束对许多应用都是有利的，因此阵列性能随着频率的增大而提高。在设计波束形成器时，如果需要，通常可以创建更宽的波束。
对于较高的频率，额外的波束(除了主波束)将以与预期主方向不同的角度出现。当这些额外的波束比主波束弱时，它们被称为旁瓣，当它们与主波束处于同一水平时，它们被称为混叠。混叠发生在混叠频率以上的频率下。对于许多应用，旁瓣是可以接受的，前提是它们基本上低于主波束。
在消费类音频设备(如条形音响和平板扬声器)中波束形成的一个目标是利用墙壁上的反射，以实现设备前面的用户获取分布在他周围的声源的印象。为了获得这种效果，到达听者的反射声音必须达到一定的强度，该强度高于直接从设备到达听者的直接声音。因此，波束的宽度可能是关键的。可以容忍的实际宽度取决于反射方向和直接声音方向之间的角度差。
根据哈斯原则，必须满足的一个条件是，到达用户的反射而不是来自源(例如条形音响)的直接正面，即到达用户的反射声音应比直接声音大10dB。由于反射声音传播的距离更长，额外的延迟需要额外的强度差来补偿。在典型的场景中，为了实现反射声音方向的定位，需要20dB的反射与直接声音比。
因此，用于实现这一目标的典型波束形成器由两个方向定义：主方向引导最大声音强度，使得它在适当的壁上反射到听众；零方向引导最小强度的凹口直接朝向听者。这有效地最大限度地提高了反射与直接的声音比。在这种情况下，波束的实际宽度就不那么重要了。只要旁瓣不影响零方向，就可以接受。
可用于提高阵列性能的一种已知方法是使用具有不等间隔扬声器的阵列，以便它包括紧密间隔的扬声器，以消除高频下的空间混叠，以及大孔径以最大限度地提高低频下的源分辨率。-个常见的选择是使用对数间隔的扬声器，这些扬声器聚集在行阵列的一端。对于1D线扬声器阵列，本主题被研究(例如，MENNOVANDERWAL、EVERTW.START、DIEMERDEVRIES“对数间隔恒定方向性传感器阵列的设计(Design of LogarithmicallySpaced Constant-Directivity Transducer Arrays)”，J.AudioEngSoc，第44卷，第6期，1996年)。2D示例主要来自麦克风和其它传感器阵列。为了实现所需频率范围的改进覆盖，如图2所示对称和对数间隔的扬声器阵列20可用于实现各种频带的波束。图2中所示的对称对数扬声器阵列20包括三个嵌套行阵列，每个嵌套行阵列具有五个扬声器21(总共九个扬声器21)。中央扬声器21a由所有三个阵列共享。
从中央扬声器21a和由其扬声器数量N和两个连续扬声器21之间的最小距离d1限定的第一行阵列开始，建立对称和对数间隔的拓扑，添加扬声器，以获取具有相同数量扬声器N和定义为2≤n≤N，dn＝kn-1 d1的距离的M个行阵列。然后，每个行阵列可用于仅发射音频信号的子带。第m行阵列可被限制在最高可达以下频率范围内使用：
对于2≤m≤M，两个连续边界频率之间的关系由下式给出
因此，第m行阵列可用于发射具有由两个频率和/>定义的带宽的音频信号子带。
图3示出了图3中所示的对称对数阵列的子带分解(例如，使用带通滤波器的滤波器组)的示例(其显示了幅度作为频率的函数)，距离d＝9cm。从图5可以看出，三个所得行阵列使用从约312.5Hz到约625Hz(m＝3)的第一子带31、从约625Hz到约1250Hz(m＝2)的第二子带33和从约2500Hz到约2500Hz(m＝1)的第三子带35来实现。k＝2的选择是自然的，因为它导致了一个恒定的方向性条件，其中所有子带中的波束具有相同的宽度。
在这个示例中，用于将音频信号划分成子带的图3的带通滤波器可以是6阶的巴特沃兹滤波器。每个频带的结果波束理论上完全相同，因为三个行阵列的距离和密度相对于处理的频带完全相同。这也在图3所示的曲线中示出，该曲线显示了定义的子带(即440Hz、880Hz和1760Hz)内的各种频率的值是相同的。
因此，对数间距在可以有效增加低频覆盖，而不需要大量的扬声器。然而，这种方法的局限性在于，扬声器在不同的阵列之间共享，并且通常具有相同的大小。为了能够实现低频的高声压级，扬声器很大，这限制了最小间隔，从而限制了高频阵列的有效性。
一种已知的用于增加扬声器阵列的频率上限的方法是交错阵列，该方法可以减少相邻元件之间的有效间隔。图5中示出了包括多个扬声器51的示例性交错阵列扬声器设置50。保持相邻扬声器51之间的距离d固定，但在水平方向上每第二行移动d/2，将水平尺寸上的有效间距减小到d/2。因此，混叠频率有效地翻了一番。更具体地，将间隔固定在d产生扬声器51之间的水平间隔水平孔径尺寸Lh增加到/>而在垂直方向上，水平孔径尺寸减小到/>
如将理解的，图5中所示的交错阵列设置50可以主要在一个方向上改进高频限制，通常是水平方向。如果设置旋转90度，则会交换对水平和垂直方向的影响。然而，孔径尺寸没有增加，因此频率下限没有改进。因此，图5中所示的交错阵列设置50被限制在可实现的总频率范围内。
如下面将在图6至图15的上下文中描述的，本文公开的实施例提供了一种音频设备100(如图10和图13所示)，例如条形音响或声效板100，具有用于只需要少量的扬声器101的情况下产生具有丰富声音体验的声场的扬声器设置102。
在图6所示的实施例中，音频设备100(见图13)包括扬声器设置102，扬声器设置102具有设置在公共平面内的多个位置处的多个扬声器101(也称为转换器101)，用于在基本上垂直于平面的方向上发射声波。音频设备可以包括壳体120(例如在图13中所示的实施例中)，其中多个扬声器101设置在壳体120的一个侧壁中，并用于沿着基本上垂直于壳体120的该侧壁的方向发射声波。
音频设备100还包括处理电路110(下面在图11和12的上下文中进一步详细描述)，可以包括一个或多个处理器，用于处理一个或多个输入信号以获取多个输出信号，并将多个输出信号输出到多个扬声器101，用于驱动多个扬声器101，特别是多个扬声器101中的每一个的相应膜。
从图6可以看出，多个扬声器101的第一子集包括四个扬声器，其中第一子集中的四个扬声器的中心设置在平面内(图6中的右手侧)的第一名义水平定向菱形的四个角处。第一菱形具有第一水平定向的主(或主要)对角线和第一副对角线，其中，所述第一主对角线比所述第一副对角线长。
多个扬声器101的第二子集也包括四个扬声器，其中第二子集中的四个扬声器的中心设置在平面内(图6中的左手侧)的第二名义垂直定向菱形的四个角处。第二菱形具有第二垂直定向的主(或主要)对角线和第二副对角线，其中，所述第二主对角线比所述第二副对角线长。需要说明的是，同样的情况也适用于包括三个扬声器的第一子集和第二子集，即使没有明确示出。
第一名义菱形和第二名义菱形以相对于另一个的方式设置，使得第一菱形的第一主对角线基本上垂直于第二菱形的第二主对角线延伸。如上所述，在安装的音频设备100中，第一主对角线可以基本上水平延伸，而第二主对角线可以基本上垂直延伸。在这种设置中，第一子集中的扬声器将主要(但不排他性)用于产生高度上的声音印象，而第二子集中的扬声器主要用于在水平面上产生声音印象。
在一个实施例中，第一(或第二)副对角线的长度在d与2d之间，其中d是扬声器的最小间隔。例如，第一副对角线的长度为d，第二副对角线的长度为1.5d。
在一个实施例中，第一菱形的第一主对角线的长度与第二菱形的第二主对角线的长度相同。在一个实施例中，第一菱形的第一副对角线的长度与第二菱形的第二副对角线的长度相同。
如下面将更详细地描述的，图6所示的音频设备100的扬声器设置102的第一菱形和第二菱形限定了用于提供音频设备100的其它实施例的基本构建块。在图6所示的实施例中，第一菱形和第二菱形具有相同的尺寸。此外，在图6所示的实施例中，相应菱形的所有四个边和副对角线具有相同的长度d，限定了元件的间隔。
从图6可以理解，即使所有扬声器101之间的间隔是d，与定义水平和垂直方向上的频率上限相关的实际扬声器间隔分别是和/>因此，上限截止频率有利地增加水平方向的系数/>和垂直方向的系数/>对于水平方向，孔径尺寸保持d，对于垂直方向，孔径尺寸增加到/>如果旋转90°，对水平和垂直方向的上限截止频率和孔径尺寸的影响是相反的。由于最小间隔d通常由用于构建扬声器阵列的扬声器101的尺寸定义，因此菱形形状对于获得小扬声器距离并因此获得高截止频率是最佳的。还可以使用更大的扬声器来实现相同的频率范围。这可能具有优势，因为较大的扬声器通常可以产生更高的声压级。
基于图6中所示的菱形构建块的音频设备100的扬声器设置102的另一个实施例在图7中示出。在图7所示的实施例中，音频设备100的多个扬声器101的第三子集包括四个扬声器，其中第三子集中的四个扬声器的中心设置在平面内(位于图7的左手侧)的第三菱形的四个角处。第三名义菱形具有第三主对角线和第三副对角线，其中，所述第三主对角线比所述第三副对角线长。第三菱形的第三主对角线基本上平行于第一菱形的第一主对角线延伸，从而基本上垂直于第二菱形的第二主对角线。
因此，图7的扬声器设置102由三个菱形元件限定，即一个垂直设置，两个水平设置。如将理解的，这可以是可以实现水平和垂直波束形成的最小配置。水平孔径是垂直孔径要小得多。这是由于扬声器101的数量在产品应用中受到限制，并且水平方向的强调有利于人类的感知(例如，左/右比上/下更重要)。为了在一个或另一个维度上获得更好的性能，可以在四个方向中的任何一个方向上添加额外的元件。
通过添加在所需方向上增加长度的其它元件，可以容易地实现扩展音频设备100的孔径尺寸。然而，为了在音频设备100的进一步实施例中实现所需的频率范围，可以添加具有更大间隔的一个或多个菱形元件的第二层，例如图8中所示的一个或多个其它元件。这不仅确保了孔径尺寸的增加，而且还确保了可以使用膜直径较大的扬声器，从而在低频下具有更大的最大声压。
因此，在一个实施例中，音频设备100的多个扬声器101可以包括具有四个扬声器的第四子集，其中，第四子集中的四个扬声器设置在平面内的第四名义菱形的四个角处，第四菱形的边长是第一菱形的边长的约2与4倍之间，具体是3倍(如图8所示)。第四菱形具有第四主对角线和第四副对角线，其中，第四主对角线比第四副对角线长。
菱形概念的元件可以很容易地缩放以覆盖不同的频率范围。缩放扬声器间距d以线性方式影响上限和下限截止频率范围。因此，改变间距d是将音频设备100的扬声器设置102调谐到所需频率范围的非常有效的参数。由于小菱形元件的最大延伸为相邻转换器之间的最小间隔为/>因此与等间距阵列相比，每个元件的频率范围扩大。
在音频设备100的其它实施例中，几个子集，例如多个扬声器101的子阵列(例如小菱形和大菱形)可以在扬声器设置102中堆叠在一起(类似于上述对数阵列)，如图9所示。由于每个元件所覆盖的频率范围更宽，不同元件的尺寸比率可以增加。虽然k＝2对于上述传统的对数阵列是最佳的，但k＝3对于由根据实施例的音频设备100实现的菱形阵列可以是最佳的，因为每个阵列覆盖更宽的频率范围。这还确保了为低频阵列使用更大的扬声器101所需的空间。这导致了更高的声压级。
对于图9中所示的实施例，堆叠明显扩大了工作频率范围。小间距d(在2至4厘米范围内)的小型扬声器允许10kHz以上的高频率上限。添加间隔约3d(6至12厘米)的第二层扬声器(例如第四子集)可以获取大孔径尺寸，并可以使用大直径扬声器，这有利于低频下的高声压级。
对于典型的使用情况，音频设备110的扬声器阵列用于产生以典型的多声道音频格式提供的音频内容。该内容的各个信道可以由波束形成器处理，每个信道对应于所需方向。其想法是利用墙壁上的反射来实现正确方向的定位。需要说明的是，波束形成器和实际扬声器之间可能需要更多的元件，如放大器。如图9所示，多个扬声器101中的一些扬声器可以限定两个菱形的角。
应当理解，如图6至图9中描述的音频设备100可以包括多个第一子集和第二子集，例如以可替换的方式在水平和垂直方向上设置。为了简单起见，在此不对这些实施例进行更详细的描述。
图10为一个实施例提供的音频设备100的家庭影院实现方式的俯视图和侧视图。在图10所示的实施例中，音频设备100实现为声效板100，声效板100安装在与听众200相似的高度上，反射壁围绕听众200。
图11和图12示出了根据具有多个波束形成器113的实施例的音频设备100的处理电路110的示意图。在一个实施例中，处理电路110可以实现解码器111，用于解码输入信号并将这些信号提供给多个波束形成器113。如图11和图12所示，相应的波束形成器113可以实现为延迟并在行阵拓扑中添加波束形成器。给定信号x(t)、M个扬声器101中的每个扬声器101之间的距离d和发射方向α，目标是向方向α发射音频信号，同时忽略其它方向。
实现这一点的一个简单但高效的方法是延迟(图12中的处理块115)并可能加权(图12中的处理块114)扬声器信号x1(t)、x2(t)……xM(t)。延迟和添加波束形成器113背后的想法是，在所需方向上发射的声音是以相位添加的，而在其它方向上发射的声音不是以相位添加的，从而在所需方向上为声音带来更多的增益。因此，延迟和添加波束形成器113假定扬声器101是远场中的点源，例如足够远，以至于声音大约作为平面波前沿到达。在收听点，由所有扬声器贡献产生的信号然后可以导出为所有扬声器信号的加权总和，w1＝w2＝……＝wM＝1/M，例如，
其中，y1(t)、y2(t)……yM(t)是延迟扬声器信号。延迟与每个扬声器101之间的距离d直接相关。
其中，c表示空气中的声速。波束形成器113的方向响应可以考虑由扬声器阵列发射并作为平面波前沿从方向β到达收听点P的δ狄拉克脉冲δ(t)来导出。在收听点，所有扬声器产生的信号在这种情况下是
其中，两个相邻扬声器信号之间的延迟为
对δ狄拉克信号的响应的傅里叶变换产生作为频率函数的方向响应，例如：
简单延迟和添加波束形成器的局限性在于，它只能通过定义主辐射的目标方向α来确定。然而，对于消费类设备中的实际应用，重要的是，同时将发射到听众的直接声音降至最低。因此，需要具有最小辐射的第二目标角。
这种高级波束形成器目标函数可能需要更高级的建模框架。为此，可以在不同的频带中优化权重和延迟(每个扬声器101和每个频率的复增益编码增益和延迟)。一种常见的方法是波束形成器的最小二乘优化(在最小二乘意义上)最小化所需目标辐射图案和波束形成器辐射图案之间的差异。由此产生的复增益(延迟和权重)通常与频率相关。一个优化因素是最大增益，因为这取决于所使用的电声系统的能力。
对于包括菱形扬声器子阵列的堆叠阵列(如图9所示)的音频设备100的实施例，每个子阵列可以用于处理音频信号的不同频率。由于k＝3对于菱形阵列是最佳的，因此，对于具有间隔d(第一阵列)和3d(第二阵列)的2个阵列的示例，两个阵列之间的交叉频率可以在选择。对于在2至4厘米范围内具有小间距d和在6至12厘米范围内具有大间距3d的典型阵列，交叉频率可以在范围约2kHz至4kHz内。显然，与该最佳频率范围的小变化对所需结果没有很大的影响，并且在实践中可以等效地选择。
对于要由音频设备100再现的音频内容的每个单独通道，两个波束形成器113可以由对应于所需方向的处理电路110提供。第一波束形成器连接到第一阵列的扬声器101(间隔d)，而第二波束形成器连接到第二阵列的扬声器101(间隔3d)。波束形成器的参数(如延迟和增益)可以针对两个波束形成器独立获取。音频信号分离到两个频段可以通过滤波器组获获取，如Linkwitz-Riley交叉或替代滤波器。较低频段信号提供给第二波束形成器，而较高频段提供给第一波束形成器。
图13示出了音频设备100的另一个实施例(类似于图7中所示的实施例)。图13所示的实施例与图7所示的实施例的主要区别在于，在图13所示的实施例中，垂直定向的菱形的三个扬声器位于由两个水平定向的菱形限定的水平线以下(在图7的实施例中，垂直定向的菱形的三个扬声器位于在由两个水平定向的菱形确定的水平线上方)。此外，在图13的实施例中，中央扬声器101a是所有三个子阵列的组件，即两个水平定向的菱形和垂直定向的菱形(可以最小化扬声器101的数量，同时仍然提供丰富的声音体验)。在图13所示的实施例中，安装在壳体120内的12个扬声器101可以具有32mm的膜直径和间距d＝35mm。
图14为图13中实施例提供的音频设备100的60度主辐射方向和0度零辐射方向的示例性定向波束形成器响应。定向响应可用于产生位于音频设备100前面的听众的右侧的声源的印象。定向响应显示主辐射方向的声级比在宽频率范围内直接向听者发射的声音高20dB。覆盖500Hz至8kHz之间的频率范围对于大多数应用非常重要。如果音频设备的环境中存在合适的反射器，则本实施例的反射与直接声比大于20dB。
图15为一个实施例提供的用于产生声场的方法1500的图。该方法包括操作设置在平面内多个位置处的音频设备100的多个扬声器101的第一步骤1501。此外，方法1500包括步骤1503：处理多个输入信号以获取多个输出信号，并将所述多个输出信号输出到多个扬声器101。如上文己经描述，多个扬声器101中的第一子集包括至少三个扬声器，其中，第一子集中的至少三个扬声器的中心设置在平面内的第一菱形的至少三个角处。第一菱形具有第一主对角线和第一副对角线，其中，第一主对角线比第一副对角线长。多个扬声器101中的第二子集包括至少三个扬声器，其中，第二子集中的至少三个扬声器的中心设置在平面内的第二菱形的至少三个角处。第二菱形具有第二主对角线和第二副对角线，其中，第二主对角线比第二副对角线长。第一主对角线垂直于第二主对角线延伸。
本领域技术人员将理解，各种图式(方法和装置)的“方框”(“单元”)表示或描述实施例的功能(而不一定是硬件或软件中的单独“单元”)，因此同样描述装置实施例以及方法实施例的功能或特征(单元＝步骤)。
在本申请中提供的若干实施例中，应理解，所公开的系统、装置和方法可通过其它方式实现。例如，所描述的装置实施例仅仅是示例性的。例如，单元划分仅仅是一种逻辑功能划分，实际实现时可以有其它划分方式。例如，可将多个单元或部件合并或集成到另一系统中，或可忽略或不执行部分特征。另外，所显示或讨论的相互耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口来实现的。装置或单元之间的直接耦合或通信连接可通过电子、机械或其它形式实现。
作为分立部分描述的单元可以是物理上分开的，也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部分可以是物理单元，也可以不是物理单元，可以位于一个位置，也可以分布在多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，本文公开的实施例中的功能单元可集成到一个处理单元中，或每个单元可物理上单独存在，或两个或两个以上单元可集成到一个单元中。

Claims (22)

1.一种用于产生声场的设备(100)，其特征在于，包括：
多个扬声器(101)，设置在平面内的多个位置；
处理电路(110)，用于处理多个输入信号以获取多个输出信号，并将所述多个输出信号输出到所述多个扬声器(101)，
其中，所述多个扬声器(101)的第一子集包括至少三个扬声器，所述第一子集(101a)中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第一菱形的至少三个角处，所述第一菱形具有第一主对角线和第一副对角线，所述第一主对角线比所述第一副对角线长；
所述多个扬声器(101)的第二子集包括至少三个扬声器，所述第二子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第二菱形的至少三个角处，所述第二菱形具有第二主对角线和第二副对角线，所述第二主对角线比所述第二副对角线长，
其中，所述第一主对角线垂直于所述第二主对角线延伸，
所述第一副对角线和/或第二副对角线的长度在所述扬声器(101)的最小间隔d与2d之间。
2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述第一主对角线具有与所述第二主对角线相同的长度和/或所述第一副对角线具有与所述第二副对角线相同的长度。
3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述第一副对角线具有与所述第一菱形的边相同的长度和/或所述第二副对角线具有与所述第二菱形的边相同的长度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述多个扬声器(101)的第三子集包括至少三个扬声器，其中，所述第三子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第三菱形的至少三个角处，所述第三菱形具有第三主对角线和第三副对角线，所述第三主对角线比所述第三副对角线长，所述第三菱形(103c)的所述第三主对角线平行于所述第一菱形(103a)的所述第一主对角线延伸。
5.根据权利要求4所述的设备(100)，其特征在于，所述第三菱形(103c)的第三主对角线沿着与所述第一菱形(103a)的所述第一主对角线相同的名义线延伸。
6.根据权利要求5所述的设备(100)，其特征在于，所述第二子集的至少一些扬声器设置在由所述第一菱形的所述第一主对角线和所述第三菱形的所述第三主对角线限定的名义线上方或下方。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述第三主对角线具有与所述第一主对角线相同的长度和/或所述第三副对角线具有与所述第一副对角线相同的长度。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述第三副对角线具有与所述第三菱形(103c)的边相同的长度。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述多个扬声器(101)中的一个是所述第二子集和所述第一子集或所述第三子集的一部分。
10.根据上述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述多个扬声器(101)中的一个是所述第二子集和所述第一子集或所述第三子集的一部分。
11.根据上述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述多个扬声器的第四子集包括至少三个扬声器，其中，所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第四菱形的至少三个角处，所述第四菱形的边长是所述第一菱形的边长的约2至4倍，所述第四菱形具有第四主对角线和第四副对角线，所述第四主对角线比所述第四副对角线长。
12.根据权利要求11所述的设备(100)，其特征在于，所述第四主对角线垂直于所述第一菱形的所述第一主对角线或垂直于所述第二菱形的所述第二主对角线延伸。
13.根据上述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述处理电路(110)用于实现一个或多个波束形成器(113)，用于根据期望的主辐射方向处理所述多个输入信号，以获取所述多个输出信号。
14.根据权利要求11或12所述的设备(100)，其特征在于，所述处理电路(110)用于：实现一个或多个第一波束形成器(113)，用于根据第一期望主辐射方向处理第一频率范围内的多个输入信号，以获取用于所述多个扬声器(101)的所述第四子集中的多个输出信号；实现一个或多个第二波束形成器(113)，用于根据第二期望主辐射方向处理第二频率范围内的多个输入信号，以获取用于所述多个扬声器(101)的所述第一子集和/或所述第二子集的多个输出信号。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第一频率范围和所述第二频率范围之间的交叉频率在约2kHz与约4kHz之间。
16.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述子集内的所述扬声器(101)是相邻扬声器(101)。
17.一种用于产生声场的方法(1500)，其特征在于，包括：
操作(1501)设置在平面内的多个位置处的多个扬声器(101)；
处理(1503)多个输入信号以获取多个输出信号，并将所述多个输出信号输出到所述多个扬声器(101)，
其中，所述多个扬声器(101)的第一子集包括至少三个扬声器，所述第一子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第一菱形的至少三个角处，所述第一菱形具有第一主对角线和第一副对角线，所述第一主对角线比所述第一副对角线长；
所述多个扬声器(101)的第二子集包括至少三个扬声器，所述第二子集中的所述至少三个扬声器的中心设置在所述平面内的第二菱形的至少三个角处，所述第二菱形具有第二主对角线和第二副对角线，所述第二主对角线比所述第二副对角线长，
其中，所述第一主对角线垂直于所述第二主对角线延伸，
所述第一副对角线和/或第二副对角线的长度在所述扬声器(101)的最小间隔d与2d之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，期望的主辐射方向是根据所述第一扬声器子集和所述第二扬声器子集的多个输出信号获取的。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，期望的主辐射方向包括水平主辐射方向和/或垂直主辐射方向。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述期望的主辐射方向是通过提供一个或多个波束形成滤波器而获取的，其中，所述一个或多个波束形成滤波器是根据所述第一扬声器子集和所述第二扬声器子集的多个输出信号确定的。
21.根据上述权利要求17至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述子集内的所述扬声器(101)是相邻扬声器(101)。
22.一种计算机程序产品，其特征在于，包括用于携带程序代码的计算机可读存储介质，当所述程序代码由计算机或处理器执行时，所述程序代码使所述计算机或所述处理器执行根据权利要求17至21中任一项所述的方法(1500)。
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