CN1391781A - 用于处理输入音频立体声信号的两种方法和两种装置,以及一种音频立体声信号重放系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于处理两种类型的公共输入音频立体声信号中的一种或另一种的方法与装置，使得其输出信号能通过一个音频立体声信号重放系统中再现正常宽广的立体声，上述系统包括一对彼此靠近放置的相同的扬声器。因此，本发明部分地涉及从一类(M+S)输入信号中产生特定的左和右输出信号对的方法与装置，并且部分地涉及从另一类(L+R)输入信号中产生相似类型的左和右输出信号对的方法与装置。最后，本发明涉及一种音频立体声信号重放系统，它包括一对彼此靠近放置的相同的扬声器，并且用来从所述多种输入信号类型中的一种(M+S)输入信号中再现正常宽广的立体声。

Description

用于处理输入音频立体声信号的两种方法 和两种装置，以及一种音频立体声信号重放系统

发明领域

本发明一般地涉及用于处理和重放音频立体声信号的方法和装置，并涉及相应的音频立体声信号重放系统。更具体地说，本发明涉及一种音频立体声信号重放系统，还涉及一种处理音频立体声信号的方法，用于保持由这样一个重放系统产生的明显的立体声像。

发明背景

存在大量的方法和系统，旨在忠实地再现听者在录音现场所感受的声音。这当中，能够真实地再现立体声效果，即来源于不同的空间位置的不同声源的印象的唯一一种就是使用立体声耳机。使用耳机来聆听已录制的立体声，听者就能感受到如同在录音现场曾经感受到的声像那样的立体声像。然而，这种方法不适用于在多于一个听者的听众场合重放立体声。为了克服这个缺点，含有两个以上扬声器的音频立体声重放系统被用来向听众重放立体声。这些系统中的大多数都基于一对相距较远的扬声器，并且只有在相对于扬声器的一个单独的位置上，才能在听者的两耳所感受的声音的相对强度及其时间差的意义上，真实地再现立体声效果。这就意味着在听众中，只有一名听者能感受到切实的立体声效果。听众中的所有其他成员将感受到一种畸变了的立体声效果。已经尝试过不同的方法，以便拓宽能感受到接近于正确的立体声印象的区域，也取得了不同程度的成功。

从物理上将两个扬声器隔开一段足够远的距离，使之能够为至少一名听者再现立体声印象，这通常是不实际的，并且在某些情况下是不可能的。这种情况的实例如具有整体扬声器的独立单元立体声收音机或CD播放器，或者在汽车和小房间中为几名听者再现立体声。调节由AB立体声系统所再现的边侧和中间信号的相对强度，以增加能感受到立体声的区域的宽度可能改进立体声宽度的印象，但是也可能使立体声的声像发生畸变，并且不推荐将这两个信号之间的比值改变3dB以上。也曾经建议用来改善通过相距较近的各扬声器所感受的立体声效果的其他方法，但是已经证明其效果是有限的。

发明概述

本发明的一个目标就是提供一种方法和一个装置，用以处理音频立体声信号，使之能在比先前的各种方法可能达到的更宽广的区域内，以高保真度再现所感受的立体声效果。

本发明的另一个目标就是提供一种方法和一个装置，用以处理音频立体声信号，使得通过使用一对彼此很靠近的扬声器，能以高保真度再现所感受的立体声像。

根据本发明，本方法和本装置从一对输入音频立体声信号产生一个左路和一个右路输出信号。左路输出信号等效于以一个因子α衰减了的中间输入信号(M)与边侧输入信号(S)之和，并且右路输出信号等效于以因子α衰减了的中间输入信号(M)与经过相移180°的边侧输入信号(S)之和。左路和右路输出信号形成一组输出音频立体声信号。最后，该输出立体声信号被送往一个音频立体声信号重放系统，其中包括一对彼此很靠近放置的扬声器单元。

本发明的又一个目标就是提供一个扬声器系统，包括至少一对相同的扬声器部件，适于再现根据前述方法处理过的音频立体声信号。在这里，一对两个相同的扬声器部件意味着这些部件具有基本上相同的传输性能，即，在各部件发出的声波方面，它们以实质上相同的方式来响应输入的电信号。

根据本发明，本系统包括至少一对相同的扬声器部件，它们被放置在一块隔音板上，具有被隔开的共鸣腔，使这两个部件彼此之间实现声学隔离。所述扬声器部件对中的各扬声器部件被对称地放置在一块假想的分隔平面的相对两侧。所述扬声器部件对中的各扬声器部件被这样放置，使得各部件的中心之间的距离小于各部件所发出的声波最短波长的四分之一，或者，若各部件所发出的声波最短波长小于68cm，则该距离小于17cm。最好是，各部件被相互靠近放置。

根据本发明的另一个方面，本系统包括一对以上的扬声器部件，其中，每一对都共享一个公共的分隔平面。

根据本发明的又一个方面，本系统还包括一个上述类型的处理装置。

附图说明

图1是说明根据本发明的用于M-S信号的处理方法的框图；

图2是说明根据本发明的用于L-R信号的处理方法的框图；

图3是一个扬声器系统的第一实施例的正视图；

图4是图3所示的扬声器系统的部分截面的俯视图；

图5是一个扬声器系统的第二实施例的正视图；

图6是图5所示的扬声器系统的部分截面的俯视图；

图7是图5所示的扬声器系统的部分截面的侧视图；

优选实施例说明

图1说明根据本发明的用于M-S输入信号的音频立体声信号处理方法，同时也说明一种装置的功能。输入的音频立体声信号包括一个中间信号M，以及一个边侧信号S，它们分别对应于输入立体声信号左路L与右路R之差，以及输入立体声信号左路L与右路R之和。根据本方法，准备送往一个左声道重放单元2’的输出立体声信号L_out是边侧信号S以及中间信号M乘以一个衰减因子α之和，而准备送往一个右声道重放单元2”的输出立体声信号R_out则是已倒相的边侧信号S以及中间信号M乘以一个衰减因子α之和。这可以用数学方法表示为 $\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{OUT}}\\ R_{\mathrm{OUT}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\α}& 1\\ \mathrm{\α}& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}M\\ S\end{array}\right],$ 边侧信号的倒相等效于在它前面加上负号，或者将它相移180°。

中间信号M以因子α被衰减，假定录音系统以及前后的立体声信号处理系统和立体声重放系统都是最佳的，衰减值典型地为-6dB到-9dB。已衰减的中间信号被分别叠加到S和-S信号，所得到的信号对被馈送到一对音频信号重放部件。然而，通过一个常规的、扬声器部件被远远地分隔开的音频重放系统来重放所得到的各信号，未能给出满意的结果，而通过使用根据本发明的音频立体声信号重放系统，就能真实地再现立体声效果。

在一般情况下，衰减因子α被调整，以优化听者所感知的立体声效果，并且它被允许在从-3dB到-10dB的范围内改变。已经发现，其最佳值取决于从扬声器部件发出的声音的分布角度。对于具有窄的分布角度的各部件来说，其最佳值约为-6dB，而对于具有宽的分布角度的部件来说，其最佳值则约为-9dB。

输出立体声信号L_out和R_out可乘以一个归一化因子，能补偿信号功率的轻微变化，但是，一般地说，输出信号的衰减或放大在本领域是人所共知的。

图2说明如上所述的根据本发明的用于音频立体声信号处理的方法，但是针对输入信号L-R。输入音频立体声信号包括左路L和右路R立体声信号，它们分别对应于中间信号M与边侧信号S立体声信号之和的一半，以及中间信号M与边侧信号S之差的一半。根据本方法，左路输出立体声信号L_out是左路立体声信号L乘以因子1+α与右路立体声信号R乘以因子α-1二者之和，而右路输出立体声信号R_out则是左路立体声信号L乘以因子α-1与右路立体声信号R乘以因子1+α二者之和，这可以用数学方法表示为 $\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{OUT}}\\ R_{\mathrm{OUT}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1+\mathrm{\α}& \mathrm{\α}-1\\ \mathrm{\α}-1& 1+\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right]$

通过对M和S信号进行线性变换，就能得出R和L信号，因而上述这两种表面上不同的方法在输出结果的意义上是明显地相同的。从数学上来说，这可以表示为下列变换 $\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{OUT}}\\ R_{\mathrm{OUT}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\α}& 1\\ \mathrm{\α}& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}M\\ S\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\α}& 1\\ \mathrm{\α}& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1+\mathrm{\α}& \mathrm{\α}-1\\ \mathrm{\α}-1& 1+\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right].$

因此，一般来说，本方法可以等效地用于可以被描述为R和L信号或者M和S信号的线性变换的任何输入项，但是为了方便起见，分别使用M和S以及R和L图形作为例子，对本方法进行说明。因此，本方法应当被解释为这样一种方法，不管各输入信号实际上是否包括M和S信号，或者是否能从各输入信号导出这些信号，诸如各输入信号包括R和L信号，或者包括可以被线性变换为M和S信号的任何其他信号的情况下，都有一个输出，它等效于S+αM以及-S+αM。

在这个处理过程的一个中间步骤中，本方法可能产生M和S信号，但这并不意味着必须产生这些信号。

图3表示根据本发明的音频立体声重放系统的一个优选实施例。声音重放系统1包括两个声音重放单元2’和2”，其中的每一个都包括一个或多个(在本例中为3个)扬声器部件3’a，3’b，3’c和3”a，3”b，3”c。如图所示，声音重放系统1可以包括一个公共的箱体，其中，在两个声音重放单元2’和2”之间有一块隔板6，它从声学上将这两个单元的共鸣腔互相隔离。在这里，“声学隔离”指的是，从一个共鸣腔传送到另一个的声音很小，甚至没有。可供选择地，也可以包括两个独立的单元，互相靠拢地放置，甚至互相贴近。每一个实例中，在每一个声音重放单元中相应的每对扬声器部件都应当被放置相对隔离平面(在图示的实施例中，它被定义为隔板6)对称的位置上，以便获得由每一对扬声器部件3’a，3”a等所发出的一致的声音图形。此外，每一对中的两个扬声器部件3’a，3”a等都应当按照实际尽可能地靠近放置，以便使因这两个扬声器部件之间的干扰所发出的声音图形中的凸起(lobing)而导致的音染最小。当这两个扬声器部件之间的距离小于所发出的声音的波长的四分之一时，就能做到这一点。要做到这一点意味着较高频率的扬声器部件对应当放置得比较低频率的扬声器部件对彼此更加靠拢。

对于使用低阶(1阶或2阶)滤波器来分隔要由中频和高频扬声器部件分别再现的频率间隔的各部分的声音重放系统来说，保留了一个比较大的频率间隔，它由中频和高频扬声器部件部分地再现。这种效应将使立体声重放的保真度受损，并且在这种情况下，最好将各中频和高频扬声器部件排成相互间水平对齐。在这种情况下，为了补偿没有尽可能地互相靠拢的高频扬声器部件，中频信号的衰减因子α最好是与频率有关，即α＝α(f)，这里f为频率。这也包括物理上无法将各扬声器彼此靠近到比这些部件所发出的波长更短的距离这样的情形。

在图4中，更清楚地图示了被置于声音重放单元2’和2”之间的一块板状部件4。这块可选的部件用于增强对音频频谱的中到高频率部分所感受的立体声效果。板状部件4被放置在对称于各声音重放单元的位置上，并且沿着基本上与声音重放单元的前表面垂直的方向延伸。它的形状以及从前表面的延伸适应于音频立体声信号重放系统所在环境的声学特性，并且取决于扬声器部件3的特性。最好是，它从扬声器部件的前表面延伸出来的距离等于一对扬声器部件的中心间距之半。板状部件的声学特性应当是中性的，并且可以由任何类型的材料来构成，只要在声波传播到等于板状部件4的延伸部分长度的距离之前，能避免从一对部件中的两个部件发出的声波互相混合即可。它是可伸缩的，以便当周围的环境发生改变时，能优化系统的性能。

图5表示根据本发明的音频立体声重放系统的第二实施例，它不易被划分为左路和右路单元。声音重放系统1包括5个扬声器部件3’a，3”a，3’b，3”b和3c。扬声器部件3’a和3”a组成一个扬声器对，扬声器部件3’b和3”b组成第二扬声器对。在一对扬声器中的两个部件是相同的。各部件的中心间距小于由各部件所发出的最短波长的四分之一，或者，若各部件所发出的最短波长小于68cm，则该距离至少不长于17cm。在一对扬声器中的各部件被对称地定位于想象中的分隔平面(未示出)的相对的两侧。分别由部件3’a，3”a，以及3’b，3”b组成的这两对扬声器共享一个公共的分隔平面。扬声器3c不属于这种成对的扬声器部件。

图6表示图5的实施例的俯视图，而图7则表示它的侧视图。从这些图中可以清楚地看出，两个部件对3’a，3”a和3’b，3”b，以及单独的部件3c互相偏离，并且被定位于距后表面不同的高度。即使这样，这两对还是共享一个公共的分隔平面。每一对都安装了一个板状部件4，而单独的扬声器部件3c则没有。在每一对的左路部件3’a和3’b都跟对应的右路部件3”a和3”b实现声学隔离。单独扬声器部件的共鸣腔不划分为左右两路，并且这个共鸣腔跟其他共鸣腔之间也实现声学隔离。

根据在本文中所公开的方法，对被送往一对扬声器部件(诸如含有部件3’a，3”a的扬声器对，或含有部件3’b，3”b的扬声器对)的输入音频立体声信号进行处理。就衰减因子α的数值或者它的可选的频率依赖关系α(f)而言，两对扬声器部件之间的处理可以是不同的。

由于本发明可以根据具体情况进行各种变化、修改和变动(它们中的一些在本文中已经述及)，所以在整个说明书或诸附图中所描述的所有事项都应被理解为说明性的，而不具有限制性的意义。

Claims (32)

1.一种处理输入音频立体声信号的方法，所述输入音频立体声信号包括两个输入信号，从中可以导出一个中间输入信号(M)以及一个边侧输入信号(S)，该方法是为了在一个音频立体声重放系统中再现经过处理的立体声信号，该系统包括至少一对相同扬声器部件，它们在声学上互相隔离，彼此间距小于这些部件所发出的最短波长的四分之一，或者，若这些部件所发出的最短波长小于68cm，则该间距小于17cm，本方法包括下列各步骤：

—产生一个左路输出信号，以便送到在所述扬声器部件对中的一个左方扬声器，该左路输出信号等效于按一个因子α衰减了的中间输入信号(M)与边侧输入信号(S)之和，

—产生一个右路输出信号，以便送到在所述扬声器部件对中的一个右方扬声器，该右路输出信号等效于按因子α衰减了的中间输入信号(M)与经过相移180°的边侧输入信号(S)之和。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于它包括下列各步骤：

—产生一个左路输出信号，它是按因子α衰减了的中间输入信号(M)与边侧输入信号(S)之和，

—产生一个右路输出信号，它是按因子α衰减了的中间输入信号(M)与经过相移180°的边侧输入信号(S)之和。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于它包括下列各步骤：

—产生一个左路输出信号，它是左路输入信号(L)乘以因子α+1与右路输入信号(R)乘以因子α-1这两项之和，

—产生一个右路输出信号，它是左路输入信号(L)乘以因子α-1与右路输入信号(R)乘以因子α+1这两项之和。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述方法，其特征在于，衰减因子α处于-3dB到-10dB的范围内。

5.根据权利要求1-3中任何一项所述方法，其特征在于，衰减因子α处于-5dB到-10dB的范围内。

6.根据权利要求1-3中任何一项所述方法，其特征在于，衰减因子α处于-6dB到-9dB的范围内。

7.根据权利要求1-6中任何一项所述方法，其特征在于，衰减因子α是与频率有关的。

8.根据权利要求1-7中任何一项所述方法，其特征在于，为了在相应的各对扬声器部件中进行重放，产生一对以上的左路和右路输出信号。

9.一种用于处理输入音频立体声信号的装置，所述输入音频立体声信号包括两个输入信号，从中可以导出一个中间输入信号(M)以及一个边侧输入信号(S)，该装置是为了在一个音频立体声重放系统中再现经过处理的立体声信号，该系统包括至少一对扬声器部件，它们在声学上互相隔离，彼此间距小于这些部件所发出的最短波长的四分之一，或者，若这些部件所发出的最短波长小于68cm，则该间距小于17cm，其特征在于它：

—产生一个左路输出信号，以便送到在所述扬声器部件对中的一个左方扬声器，左路输出信号等效于按因子α衰减了的中间输入信号(M)与边侧输入信号(S)之和，

—产生一个右路输出信号，以便送到在所述扬声器部件对中的一个右方扬声器，右路输出信号等效于按因子α衰减了的中间输入信号(M)与经过相移180°的边侧输入信号(S)之和。

10.根据权利要求9所述装置，其特征在于它：

—产生一个左路输出信号，它是按因子α衰减了的中间输入信号(M)与边侧输入信号(S)之和，

—产生一个右路输出信号，它是按因子α衰减了的中间输入信号(M)与经过相移180°的边侧输入信号(S)之和。

11.根据权利要求9所述装置，其特征在于它：

—产生一个左路输出信号，它是左路输入信号(L)乘以因子α+1与右路输入信号(R)乘以因子α-1这两项之和，

—产生一个右路输出信号，它是左路输入信号(L)乘以因子α-1与右路输入信号(R)乘以因子α+1这两项之和。

12.根据权利要求9-11中任何一项所述装置，其特征在于，衰减因子α处于-3dB到-10dB的范围内。

13.根据权利要求9-11中任何一项所述装置，其特征在于，衰减因子α处于-5dB到-10dB的范围内。

14.根据权利要求9-11中任何一项所述装置，其特征在于，衰减因子α处于-6dB到-9dB的范围内。

15.根据权利要求9-14中任何一项所述装置，其特征在于，衰减因子α是与频率有关的。

16.一种音频立体声信号重放系统，包括至少一对在声学上互相隔离的扬声器部件(3’a，3”a；3’b，3”b)，在所述扬声器部件对中的各部件彼此相同，并且被对称地放置在一个分隔平面的相对两侧，其特征在于

—所述扬声器部件对中的各扬声器部件被这样放置，使得各部件的中心之间的距离小于各部件所发出的最短波长的四分之一，或者，若各部件所发出的最短波长小于68cm，则该距离小于17cm，

—左扬声器部件用来产生一路信号，它等效于衰减了一个因子α的中间输入信号(M)与边侧输入信号(S)之和，

—右扬声器部件用来产生一路信号，它等效于衰减了一个因子α的中间输入信号(M)与经过相移180°的边侧输入信号(S)之和。

17.根据权利要求16所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述扬声器部件对中的扬声器部件被互相靠近放置。

18.根据权利要求16或17所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述音频立体声信号重放系统包括一对以上的所述扬声器部件。

19.根据权利要求18所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述扬声器部件对共享一个公共的分隔平面。

20.根据权利要求19所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述扬声器部件对被安排在一个整体箱体之内。

21.根据权利要求16-20中任何一项所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，在至少一对所述扬声器部件之间居中放置一个板状部件(4)，它从所述扬声器部件对的前面向外延伸。

22.根据权利要求21所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述板状部件是固定的。

23.根据权利要求21所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述板状部件是可缩进的。

24.根据权利要求21-23中任何一项所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述板状部件至少在其延伸状态下，从所述扬声器部件对的前面向外延伸的距离等于在所述扬声器部件对中两个扬声器部件的中心间距的一半。

25.根据权利要求16-24中任何一项所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述衰减因子α处于-3dB到-10dB的范围内。

26.根据权利要求16-24中任何一项所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述衰减因子α处于-5dB到-10dB的范围内。

27.根据权利要求16-24中任何一项所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述衰减因子α处于-6dB到-9dB的范围内。

28.根据权利要求16-27中任何一项所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，它包括一个装置，用以处理输入的音频立体声信号，它

—产生一个左路输出信号，以便送到在所述扬声器部件对中的一个左方扬声器，该左路输出信号等效于衰减了一个因子α的中间输入信号(M)与边侧输入信号(S)之和，

—产生一个右路输出信号，以便送到在所述扬声器部件对中的一个右方扬声器，该右路输出信号等效于衰减了一个因子α的中间输入信号(M)与经过相移180°的边侧输入信号(S)之和。

29.根据权利要求28所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述衰减因子α处于-3dB到-10dB的范围内。

30.根据权利要求28所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述衰减因子α处于-5dB到-10dB的范围内。

31.根据权利要求28所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述衰减因子α处于-6dB到-9dB的范围内。

32.根据权利要求28-31中任何一项所述的音频立体声信号重放系统，其特征在于，所述衰减因子α是与频率有关的。

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