TWI475894B - 揚聲器陣列控制方法及揚聲器陣列控制系統 - Google Patents

Description

揚聲器陣列控制方法及揚聲器陣列控制系統

本發明有關於一種揚聲器陣列控制方法及揚聲器陣列控制系統，尤指一種可根據觀眾之位置調整揚聲器之輸出訊號之指向性並且抑制其他干擾訊號之揚聲器陣列控制方法及揚聲器陣列控制系統。

隨著窄邊框電視的蓬勃發展，利用多個小尺寸的窄邊框電視拼接成一個大型電視牆以滿足消費者對於視覺享受的要求將是可預期的。請參閱第1圖，第1圖為先前技術利用多個小尺寸的電視100拼接成大型電視牆10的示意圖。如第1圖所示，現有的電視100會內建一對左右聲道的揚聲器(speaker)120，以播放聲音訊號。因此，當多個小尺寸的電視100拼接成大型電視牆10時，所有的電視100的揚聲器120即會形成一個揚聲器陣列(speaker array)12。然而，如第1圖所示，現有的揚聲器陣列12之輸出訊號的主波束122係朝向電視牆10的正前方，當觀眾20係位於電視牆10的左右兩側時，揚聲器陣列12發出的聲音訊號便無法有效地傳送到觀眾20所在的位置。

本發明提供一種揚聲器陣列控制方法及揚聲器陣列控制系統，其可根據觀眾之位置調整揚聲器之輸出訊號之指向性並且抑制其他干擾訊號，進而解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍揭露一種揚聲器陣列控制方法，其包含偵測位於一揚聲器陣列前之一觀眾之位置，其中該揚聲器陣列包含N個揚聲器，N為一大於1之正整數；根據該觀眾之位置定義對應該N個揚聲器中的第i個揚聲器之一目標處以及一非目標處，i為一小於或等於N之正整數；根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一權重向量；以該權重向量調整該第i個揚聲器之輸出訊號之指向性，並且抑制該第i個揚聲器之輸出訊號之複數個側波瓣能量；以及當該等側波瓣能量皆低於一門檻值時，控制該第i個揚聲器輸出調整後之輸出訊號。

本發明之申請專利範圍另揭露根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一權重向量之步驟包含根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一延遲時間；根據該延遲時間計算對應該第i個揚聲器之一指向向量；以及根據該目標處與該非目標處之能量比值以及該指向向量計算該權重向量。

本發明之申請專利範圍另揭露抑制該第i個揚聲器之輸出訊號之側波瓣能量之步驟包含朝該非目標處發出干擾訊號；判斷該等側波瓣能量是否皆低於該門檻值；以及若該等側波瓣能量中的第一部分側波瓣能量低於該門檻值且第二部分側波瓣能量高於該門檻值，針對該第一部分側波瓣能量減少干擾訊號能量且針對該第二部分側波瓣能量增加干擾訊號能量。

本發明之申請專利範圍另揭露該揚聲器陣列控制方法另包含根據於該非目標處增加的干擾訊號能量，利用疊代法重新計算該指向向量，以最佳化該權重向量。

本發明之申請專利範圍另揭露一種揚聲器陣列控制系統，其包含一揚聲器陣列，包含N個揚聲器，N為一大於1之正整數；一偵測器，用以偵測位於該揚聲器陣列前之一觀眾之位置；以及一處理器，電性連接於該揚聲器陣列與該偵測器，該處理器根據該觀眾之位置定義對應該N個揚聲器中的第i個揚聲器之一目標處以及一非目標處，根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一權重向量，以該權重向量調整該第i個揚聲器之輸出訊號之指向性，並且抑制該第i個揚聲器之輸出訊號之複數個側波瓣能量，當該等側波瓣能量皆低於一門檻值時，該處理器控制該第i個揚聲器輸出調整後之輸出訊號，i為一小於或等於N之正整數。

本發明之申請專利範圍另揭露該處理器根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一延遲時間，根據該延遲時間計算對應該第i個揚聲器之一指向向量，並且根據該目標處與該非目標處之能量比值以及該指向向量計算該權重向量。

本發明之申請專利範圍另揭露該處理器朝該非目標處發出干擾訊號，並且判斷該等側波瓣能量是否皆低於該門檻值，若該等側波瓣能量中的第一部分側波瓣能量低於該門檻值且第二部分側波瓣能量高於該門檻值，該處理器針對該第一部分側波瓣能量減少干擾訊號能量且針對該第二部分側波瓣能量增加干擾訊號能量。

本發明之申請專利範圍另揭露該處理器根據於該非目標處增加的干擾訊號能量，利用疊代法重新計算該指向向量，以最佳化該權重向量。

綜上所述，本發明係根據觀眾之位置計算對應每一個揚聲器之權重向量，接著，再以權重向量調整揚聲器之輸出訊號之指向性，並且抑制揚聲器之輸出訊號之側波瓣能量。進一步來說，在偵測出觀眾之位置後，本發明係利用波束形成(beamforming)技術計算揚聲器陣列中每一個揚聲器往特定方向發出聲波所需之權重向量，並且利用適應性演算法來最佳化權重向量。藉此，本發明即可將揚聲器陣列之輸出訊號的主波束對準位於揚聲器陣列前任意位置的觀眾，並且同時抑制其他干擾訊號，進而強化觀眾所聽到的聲音品質。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱第2圖至第5圖，第2圖為本發明一實施例利用多個小尺寸的電視300拼接成大型電視牆30的示意圖，第3圖為本發明一實施例之揚聲器陣列控制系統3的功能方塊圖，第4圖為第2圖中的揚聲器陣列32的其中一列的示意圖，第5圖為聲波經最佳化前後的波瓣圖。如第2圖所示，電視300內建一對左右聲道的揚聲器320，以播放聲音訊號。因此，當多個小尺寸的電視300拼接成大型電視牆30時，所有的電視300的揚聲器320即會形成一個揚聲器陣列32。需說明的是，電視300係泛指各種內建有揚聲器320之顯示裝置或其他電子裝置。此外，揚聲器陣列32亦可不需搭配多個電視300拼接成之電視牆30，而僅由多個揚聲器320組成。

如第3圖所示，本發明之揚聲器陣列控制系統3包含一揚聲器陣列32、一偵測器34以及一處理器36，其中處理器36電性連接於揚聲器陣列32與偵測器34。揚聲器陣列32包含N個揚聲器320，其中N為一大於1之正整數。如第2圖所示，N係等於18，但不以此為限。偵測器34可為用以偵測位於揚聲器陣列32前之一觀眾40之位置的紅外線偵測器或其他偵測器。

請參閱第6圖以及第7圖，第6圖為本發明一實施例之揚聲器陣列控制方法的流程圖，第7圖為第6圖中的步驟S104的詳細流程圖。第6圖中的揚聲器陣列控制方法係利用第2、3圖中的揚聲器陣列控制系統3來實現。首先，執行步驟S100，偵測器34偵測位於揚聲器陣列32前之觀眾40之位置。接著，執行步驟S102，處理器36根據觀眾40之位置定義對應N個揚聲器320中的第i個揚聲器320之目標處以及非目標處，其中i為一小於或等於N之正整數。接著，執行步驟S104，處理器36根據目標處與非目標處計算對應第i個揚聲器之權重向量，其中權重向量可經由第7圖中的步驟S1040至步驟S1044計算出。於步驟S1040中，處理器36根據目標處與非目標處計算對應第i個揚聲器320之延遲時間。接著，於步驟S1042中，處理器36根據延遲時間計算對應第i個揚聲器320之指向向量。最後，於步驟S1044中，處理器36根據目標處與非目標處之能量比值以及指向向量計算權重向量。

在計算出權重向量後，執行步驟S106，處理器36以權重向量調整第i個揚聲器320之輸出訊號之指向性，並且抑制第i個揚聲器320之輸出訊號之複數個側波瓣能量。接著，執行步驟S108，處理器36朝非目標處發出干擾訊號，並且執行步驟S110，處理器36判斷所有側波瓣能量是否皆低於門檻值。若側波瓣能量中的第一部分側波瓣能量低於門檻值且第二部分側波瓣能量高於門檻值，則執行步驟S112，處理器36針對第一部分側波瓣能量減少干擾訊號能量且針對第二部分側波瓣能量增加干擾訊號能量。接著，執行步驟S114，處理器36根據於非目標處增加的干擾訊號能量，利用疊代法重新計算指向向量，以最佳化權重向量，並且回到步驟S106。當所有側波瓣能量皆低於門檻值時，執行步驟S116，處理器36控制第i個揚聲器320輸出調整後之輸出訊號。

以下利用第4圖與第5圖來說明本發明之作用原理。

首先，本發明可根據第4圖中的一維週期性揚聲器陣列32利用延遲相位推算出指向性(θ)聲波，表示為如下之公式一：

公式一可改寫成如下之公式二：

公式二：x(t)=A_s v(t-τ)+A_i p(t-τ)+n(t)。

於公式二中，A_s 為音源訊號之振幅，且其隨音量大小而變；A_i 為干擾訊號之振幅，且其一開始設為0；n(t)為雜訊；t為時間；τ為上述之延遲時間。

上述之延遲時間τ可以如下之公式三計算出：

於公式三中，τ_j 為第N-1個揚聲器320之延遲時間；L_max 為最大週期性間距(如第4圖所示)；L_min 為最小週期性間距(如第4圖所示)。

公式三可經傅立葉轉換成頻率域，表示為如下之公式四：

公式四：X(ω)=V(ω)b+N(ω)。

於公式四中，b為上述之指向向量，表示為如下之公式五：

公式五：b=[exp(-j2πfτ₀ )，...，exp(-j2πfτ_N-1 )]^T 。

在計算出特定方向的權重向量W後，輸出訊號Y可表示為如下之公式六：

接著，將聲音的目標處(target)與非目標處(non-target)之能量比值J表示為如下之公式七：

於公式七中，B為能量波瓣曲線函數，U_target 為目標處的指向向量之共變異數矩陣，且U_non-target 為非目標處的指向向量之共變異數矩陣。

接著，將能量比值最大化即可得到權重向量之初始值，表示為如下之公式八：

接著，根據能量波瓣曲線函數B將指向性聲波繪出波瓣圖曲線，並且針對非目標處的干擾能量設定一門檻值Q，如第5圖所示。若側波瓣能量中的第一部分側波瓣能量低於門檻值Q且第二部分側波瓣能量高於門檻值Q，處理器36即會針對第一部分側波瓣能量減少干擾訊號能量且針對第二部分側波瓣能量增加干擾訊號能量(上述之步驟S112)。接著，再針對波瓣圖中的側波瓣尖峰處的能量值B_peak (如第5圖所示)設定一函數d(θ)_k ，其中k為疊代計數(iteration count)。接著，利用疊代法經由如下之公式九將虛擬干擾訊號加載到非目標處。

之後，再將增加的干擾訊號振幅A_i 代回公式二重新計算，以得到新的非目標處的指向向量(b_non-target )。再將新的非目標處的指向向量(b_non-target )代入U _{non- t arg et} =E {b _{non-t arg et} }重新計算，以得到如下之公式十：

公式十：U _{non-t arg et} = A _{i , k} ‧b _{non-t arg et , m} ，其中M為波瓣圖中的側波瓣尖峰處的數量。如第5圖所示，M係等於8，但不以此為限。接著，再將以公式十重新計算而得到的U_non-target 代回公式八，即可得到最佳化的權重向量。當所有側波瓣能量皆低於門檻值Q時，處理器36即會控制揚聲器320輸出調整後之輸出訊號(上述之步驟S116)。

藉此，處理器36即可根據上述之計算方式計算對應每一個揚聲器320之最佳化的權重向量。如第9圖所示，處理器36即可以最佳化的權重向量調整每一個揚聲器320之輸出訊號之指向性，並且抑制每一個揚聲器320之輸出訊號之側波瓣能量(上述之步驟S106)。此時，如第2圖所示，揚聲器陣列控制系統3即可將揚聲器陣列32之輸出訊號的主波束322對準位於揚聲器陣列32前任意位置的觀眾40。

此外，第6圖所示之揚聲器陣列控制方法以及第7圖之權重向量計算方法之控制邏輯可搭配上述公式一至公式十以軟體設計來實現。當然，這些控制邏輯中的各個部分或功能皆可透過軟體、硬體或軟硬體的組合來實現。此外，這些控制邏輯可以儲存於電腦可讀取儲存媒體中的資料而具體化，其中電腦可讀取儲存媒體所儲存之代表指令的資料係可被電子裝置執行以產生控制命令，進而控制電子裝置執行對應的功能。

綜上所述，本發明係根據觀眾之位置計算對應每一個揚聲器之權重向量，接著，再以權重向量調整揚聲器之輸出訊號之指向性，並且抑制揚聲器之輸出訊號之側波瓣能量。進一步來說，在偵測出觀眾之位置後，本發明係利用波束形成(beamforming)技術計算揚聲器陣列中每一個揚聲器往特定方向發出聲波所需之權重向量，並且利用適應性演算法來最佳化權重向量。藉此，本發明即可將揚聲器陣列之輸出訊號的主波束對準位於揚聲器陣列前任意位置的觀眾，並且同時抑制其他干擾訊號，進而強化觀眾所聽到的聲音品質。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

3．．．揚聲器陣列控制系統

10、30．．．電視牆

12、32．．．揚聲器陣列

34．．．偵測器

36．．．處理器

20、40．．．觀眾

100、300．．．電視

120、320．．．揚聲器

122、322．．．主波束

S100-S116、S1040-S1044．．．步驟

第1圖為先前技術利用多個小尺寸的電視拼接成大型電視牆的示意圖。

第2圖為本發明一實施例利用多個小尺寸的電視拼接成大型電視牆的示意圖。

第3圖為本發明一實施例之揚聲器陣列控制系統的功能方塊圖。

第4圖為第2圖中的揚聲器陣列的其中一列的示意圖。

第5圖為聲波經最佳化前後的波瓣圖。

第6圖為本發明一實施例之揚聲器陣列控制方法的流程圖。

第7圖為第6圖中的步驟S104的詳細流程圖。

S100-S116．．．步驟

Claims (8)

1. 一種揚聲器陣列控制方法，包含：偵測位於一揚聲器陣列前之一觀眾之位置，其中該揚聲器陣列包含N個揚聲器，N為一大於1之正整數；根據該觀眾之位置定義對應該N個揚聲器中的第i個揚聲器之一目標處以及一非目標處，i為一小於或等於N之正整數；根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一權重向量；以該權重向量調整該第i個揚聲器之輸出訊號之指向性，並且抑制該第i個揚聲器之輸出訊號之複數個側波瓣能量；以及當該等側波瓣能量皆低於一門檻值時，控制該第i個揚聲器輸出調整後之輸出訊號。
2. 如請求項1所述之揚聲器陣列控制方法，其中根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一權重向量之步驟包含：根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一延遲時間；根據該延遲時間計算對應該第i個揚聲器之一指向向量；以及根據該目標處與該非目標處之能量比值以及該指向向量計算該權重向量。
3. 如請求項2所述之揚聲器陣列控制方法，其中抑制該第i個揚聲器之輸出訊號之側波瓣能量之步驟包含：朝該非目標處發出干擾訊號；判斷該等側波瓣能量是否皆低於該門檻值；以及若該等側波瓣能量中的第一部分側波瓣能量低於該門檻值且第二部分側波瓣能量高於該門檻值，針對該第一部分側波瓣能量減少干擾訊號能量且針對該第二部分側波瓣能量增加干擾訊號能量。
4. 如請求項3所述之揚聲器陣列控制方法，另包含：根據於該非目標處增加的干擾訊號能量，利用疊代法重新計算該指向向量，以最佳化該權重向量。
5. 一種揚聲器陣列控制系統，包含：一揚聲器陣列，包含N個揚聲器，N為一大於1之正整數；一偵測器，用以偵測位於該揚聲器陣列前之一觀眾之位置；以及一處理器，電性連接於該揚聲器陣列與該偵測器，該處理器根據該觀眾之位置定義對應該N個揚聲器中的第i個揚聲器之一目標處以及一非目標處，根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一權重向量，以該權重向量調整該第i個揚聲器之輸出訊號之指向性，並且抑制該第i個揚聲器之輸出訊號之複數個側波瓣能量，當該等側波瓣能量皆低於一門檻值時，該處理器控制該第i個揚聲器輸出調整後之輸出訊號，i為一小於或等於N之正整數。
6. 如請求項5所述之揚聲器陣列控制系統，其中該處理器根據該目標處與該非目標處計算對應該第i個揚聲器之一延遲時間，根據該延遲時間計算對應該第i個揚聲器之一指向向量，並且根據該目標處與該非目標處之能量比值以及該指向向量計算該權重向量。
7. 如請求項6所述之揚聲器陣列控制系統，其中該處理器朝該非目標處發出干擾訊號，並且判斷該等側波瓣能量是否皆低於該門檻值，若該等側波瓣能量中的第一部分側波瓣能量低於該門檻值且第二部分側波瓣能量高於該門檻值，該處理器針對該第一部分側波瓣能量減少干擾訊號能量且針對該第二部分側波瓣能量增加干擾訊號能量。
8. 如請求項7所述之揚聲器陣列控制系統，其中該處理器根據於該非目標處增加的干擾訊號能量，利用疊代法重新計算該指向向量，以最佳化該權重向量。