TWI792205B - 基於超聲波的音訊播放方法及基於超聲波的電子裝置 - Google Patents

基於超聲波的音訊播放方法及基於超聲波的電子裝置 Download PDF

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Abstract

本發明揭露了基於超聲波的音訊播放方法及基於超聲波的電子裝置。音訊播放方法包含：透過一麥克風接收一超聲波訊號；處理該超聲波訊號，以得到該超聲波訊號之一特徵值；基於該特徵值產生一時間差資訊資訊；以及根據該時間差資訊控制音訊的延遲。

Description

基於超聲波的音訊播放方法及基於超聲波的電子裝置
本發明是關於音訊訊號，尤其是關於音訊訊號的播放延遲補償與揚聲器（有時亦稱為喇叭）的音量控制。
圖1是透過網路傳送音訊訊號的示意圖。假設遠端裝置（具有麥克風）與近端裝置（具有揚聲器160）透過網路連接，則遠端音訊110被近端裝置的揚聲器160播放之前可能會經過遠端裝置的麥克風/音效延遲120、網路延遲130、近端裝置的音效延遲140及近端裝置的系統延遲150。麥克風/音效延遲120是指麥克風從收音到產生音訊訊號或更包含音效處理（例如噪聲消除）所需的時間。音效延遲140是指近端裝置之音效軟體處理音訊訊號所需的時間。系統延遲150是指近端裝置之作業系統處理音訊訊號所需的時間。
當複數裝置在同一空間中接收並播放同一個遠端音訊時，因為該些裝置有不同的網路延遲130、音效延遲140及系統延遲150，所以該些裝置所播放出來的聲音可能不同步，造成使用體驗不佳。另外，如果該些裝置的播放聲音都太大，則會造成整體環境過於吵雜，甚至出現嘯聲（howling）的現象，反而令使用者聽不清楚播出聲音的內容。
本發明之一目的在於提供一種基於超聲波的音訊播放方法及基於超聲波的電子裝置，以改善先前技術的不足。
本發明揭露一種基於超聲波的音訊播放方法，包含：透過一麥克風接收一超聲波訊號；處理該超聲波訊號，以得到該超聲波訊號之一特徵值；基於該特徵值產生一時間差資訊；以及根據該時間差資訊延遲一音訊訊號的播放。
本發明另揭露一種基於超聲波的音訊播放方法，包含：透過一麥克風接收一裝置所播放的一超聲波訊號；處理該超聲波訊號，以得到該超聲波訊號之一能量及一相位差；根據該能量及該相位差，估算該裝置之一距離及一方向；以及基於該距離及該方向調整一揚聲器的音量或發送一音量調整訊號。
本發明另揭露一種基於超聲波的電子裝置，包含：一麥克風；一記憶體，用來儲存複數個程式碼或程式指令；以及一計算電路，耦接該麥克風及該記憶體，用來執行該些程式碼或程式指令以執行以下步驟：透過該麥克風接收一超聲波訊號；處理該超聲波訊號，以得到該超聲波訊號之一特徵值；基於該特徵值產生一時間差資訊；以及根據該時間差資訊延遲一音訊訊號的播放。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本發明之揭露內容包含基於超聲波的音訊播放方法及基於超聲波的電子裝置。由於本發明之電子裝置所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外，本發明之基於超聲波的音訊播放方法的部分或全部流程可以是軟體及/或韌體之形式，並且可藉由本發明之電子裝置或其等效裝置來執行，在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下方法發明之說明將著重於步驟內容而非硬體。
圖2是本發明電子裝置之一實施例的功能方塊圖。電子裝置200包含網路收發電路210、計算電路220、記憶體230、麥克風240及揚聲器250。計算電路220透過網路收發電路210從網路接收遠端音訊訊號S_aud_fr、透過揚聲器250播放本地超聲波訊號S_ult_lc及本地音訊訊號S_aud_lc，以及透過麥克風240接收近端超聲波訊號S_ult_nr及近端音訊訊號S_aud_nr。在本說明書中，「近端（near-end）」是指電子裝置200所在的空間（例如會議室、教室），電子裝置200之使用者可以直接聽到同一空間中的其他裝置（即，近端裝置）所播放的近端音訊訊號S_aud_nr；「遠端（far-end）」是指非電子裝置200所在的空間（例如另一地的會議室、教室），電子裝置200之使用者無法直接聽到該空間中的遠端音訊訊號S_aud_fr（例如由該空間中的使用者所產生，經由遠端的裝置及網路傳送至電子裝置200）；「本地（local）」是指電子裝置200本身。
本說明書所指的近端裝置及本地裝置可以是電腦（例如桌上型電腦或筆記型電腦）、可攜式電子裝置（例如平版電腦、手機），或其他具有連網功能且包含麥克風及揚聲器的電子產品。
請參閱圖3，圖3為本發明基於超聲波的音訊播放方法之一實施例的流程圖，包含下列步驟。
步驟S310：電子裝置200的計算電路220透過麥克風240接收近端裝置（即，與電子裝置200同一空間中的其他裝置）所播放的近端超聲波訊號S_ult_nr。
步驟S320：計算電路220處理近端超聲波訊號S_ult_nr，以得到近端超聲波訊號S_ult_nr的特徵值。舉例來說，特徵值是近端超聲波訊號S_ult_nr的能量或頻率。
步驟S330：計算電路220根據近端超聲波訊號S_ult_nr的特徵值產生時間差資訊。時間差資訊可以用來表示近端裝置與電子裝置200之間的音訊訊號延遲時間。
步驟S340：根據時間差資訊延遲本地音訊訊號S_aud_lc的播放，以盡可能縮小本地音訊訊號S_aud_lc與近端音訊訊號S_aud_nr之間的延遲，使電子裝置200的使用者有更佳的使用體驗。舉例來說，如果時間差資訊顯示時間差為1秒，則計算電路220將所收到的遠端音訊訊號S_aud_fr延遲1秒後再播出。
請參閱圖4，圖4是步驟S330之一實施例的流程圖，包含以下的子步驟。
步驟S410：計算電路220根據近端超聲波訊號S_ult_nr的能量計算距離。假設近端裝置以預設的能量（例如40 dB，電子裝置200預先知道該預設的能量）發送近端超聲波訊號S_ult_nr，則本地裝置（即，電子裝置200）可以藉由比較所收到之近端超聲波訊號S_ult_nr的能量與預設的能量的差距來得知近端裝置與本地裝置的距離。換言之，在本實施例中，步驟S330的特徵值為超聲波訊號的能量。在一些實施例中，超聲波訊號的能量可以用超聲波訊號的音壓位準（sound pressure level, SPL）來表示，超聲波訊號的能量越大，音壓位準越高。一般來說，若不考慮其他因素，音壓位準與距離的關係如下式所示：
Figure 02_image001
(1)
其中
Figure 02_image003
代表第一個點量測到的聲音，它與聲源的距離是
Figure 02_image005
，而
Figure 02_image007
是第二個點量測到的聲音，它與聲源的距離是
Figure 02_image009
。根據方程式(1)及近端超聲波訊號S_ult_nr的特徵值（即，音壓位準或能量），計算電路220可以得知近端裝置與電子裝置200之間的距離。本技術領域具有通常知識者可以根據以下的文獻來取得超聲波訊號的音壓位準：https://en.wikipedia.org/wiki/Sound_pressure及https://en.wikipedia.org/wiki/Inverse-square_law。
步驟S420：計算電路220基於距離及聲速計算時間差資訊，更明確地說，計算電路220將距離除以聲速（例如常溫下聲音在空氣中的傳播速率）即可得知近端超聲波訊號從近端裝置傳播到本地裝置所經歷的時間，此時間即步驟S330之時間差資訊。
請參閱圖5，圖5是步驟S330之另一實施例的流程圖。在此實施例中，近端裝置對近端超聲波訊號S_ult_nr進行頻率偏移調變（Frequency-Shift Keying），亦即以不同的頻率表示不同的數字，例如以21 kHz代表數字「0」、以22 kHz代表數字「1」，以此類推。如此一來，近端超聲波訊號S_ult_nr可以攜帶其系統播放時間（即，近端裝置播放該近端超聲波訊號S_ult_nr的時間）。步驟S330包含以下的子步驟。
步驟S510：計算電路220記錄近端超聲波訊號S_ult_nr的抵達時間資訊Ta_r，也就是電子裝置200收到該近端超聲波訊號S_ult_nr的時間點。
步驟S520：計算電路220解調變近端超聲波訊號S_ult_nr，以得到近端超聲波訊號S_ult_nr的播放時間資訊Ta_t（即，近端裝置播放近端超聲波訊號S_ult_nr的時間點），換言之，在本實施例中，步驟S330的特徵值為超聲波訊號的頻率。解調變為本技術領域具有通常知識者所熟知，故不再贅述。
步驟S530：計算電路220透過揚聲器250播放本地超聲波訊號S_ult_lc，並記錄本地超聲波訊號S_ult_lc的播放時間資訊Tb_t（即，電子裝置200播放本地超聲波訊號S_ult_lc的時間點）。
步驟S540：計算電路220透過麥克風240接收本地超聲波訊號S_ult_lc，並記錄本地超聲波訊號S_ult_lc的抵達時間資訊Tb_r，也就是電子裝置200收到本地超聲波訊號S_ult_lc的時間點。
步驟S550：根據近端超聲波訊號S_ult_nr的播放時間資訊Ta_t、近端超聲波訊號S_ult_nr的抵達時間資訊Ta_r、本地超聲波訊號S_ult_lc的播放時間資訊Tb_t及本地超聲波訊號S_ult_lc的抵達時間資訊Tb_r計算時間差資訊。更明確地說，時間差資訊=(Ta_r-Ta_t)-(Tb_r-Tb_t)。
相較於圖4的實施例，圖5的實施例可以得到更準確的時間差資訊。更明確地說，從近端裝置播放一聲波（例如超聲波訊號或人耳可聽到的音訊訊號）到本地裝置收到該聲波（即，模擬本地裝置的使用者聽到該音訊訊號）之間的時間差包含近端裝置的音效延遲、近端裝置的系統延遲、路徑延遲（即，聲波在空氣中從近端裝置傳播到本地裝置的傳播時間）及本地裝置的麥克風/音效延遲；從本地裝置播放一聲波（例如超聲波訊號或人耳可聽到的音訊訊號）到本地裝置收到該聲波（即，模擬本地裝置的使用者聽到該音訊訊號）之間的時間差包含本地裝置的音效延遲、本地裝置的系統延遲及本地裝置的麥克風/音效延遲。也就是說，圖5的實施例將上述的延遲都納入考慮，所以可以得到更準確的時間差資訊。
請參閱圖6，圖6為本發明基於超聲波的音訊播放方法之另一實施例的流程圖，包含下列步驟。
步驟S610：計算電路220透過麥克風240接收近端超聲波訊號S_ult_nr。
步驟S620：計算電路220處理近端超聲波訊號S_ult_nr，以得到近端超聲波訊號S_ult_nr的音壓位準及相位差（請參考：https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_(waves)）。
步驟S630：計算電路220根據近端超聲波訊號S_ult_nr的音壓位準及相位差，估算近端裝置的距離及方向（即估算關於近端超聲波訊號S_ult_nr的聲源訊息）。計算電路220可以基於方程式(1)利用音壓位準估算近端裝置的距離，以及基於波束成形（beam-forming）的技術利用相位差估算近端裝置的方向。關於波束成形的技術，請參考https://en.wikipedia.org/wiki/Beamforming及http://www.labbookpages.co.uk/audio/beamforming/delaySum.html，故不再贅述。在一些實施例中，如圖7所示，近端裝置的方向可以用近端裝置710的播音方向DB（即，近端裝置710之揚聲器（圖未示）的指向）與連線方向DL之間的夾角
Figure 02_image011
（
Figure 02_image013
）來表示，連線方向DL是指從近端裝置710到本地裝置720的直線方向，尤其是指近端裝置710的揚聲器與本地裝置720之間的直線方向。近端裝置710與本地裝置720之間的距離以距離DD表示。
步驟S640：計算電路220基於距離及方向調整自身的音量或發送音量調整訊號給近端裝置。舉例來說，當距離DD及/或夾角
Figure 02_image011
較小（較大）時，近端裝置710調降（調升）自身的揚聲器的音量，及/或以音量調整訊號SV_adj指示近端裝置710調降（調升）音量，如此一來，便可以降低或防止嘯聲的現象。音量調整訊號SV_adj可以是超聲波訊號（例如藉由頻率偏移調變來攜帶控制資訊（例如目標音量））或是網路訊號（例如透過有線/無線網路傳送控制資訊）。在一些實施例中，控制資訊可以根據經驗決定，例如電子裝置200的記憶體230儲存有查找表（look-up table），計算電路220以距離DD及/或夾角
Figure 02_image011
為索引從查找表中取得控制資訊。
當同一個空間（例如會議室、教室）的多台裝置（例如3台或以上的裝置，例如近端裝置710、本地裝置720及近端裝置730）皆實作圖6的實施例時，該些裝置的揚聲器可視為揚聲器陣列，而各裝置（例如本地裝置720）在收到其他裝置（例如近端裝置710及近端裝置730）的音量調整訊號（例如SV_adj1及SV_adj2）之後（即，步驟S650：本地裝置720接收近端裝置710及730所發送的音量調整訊號），可以根據所收到的音量調整訊號以調整音場（sound field）的方式調整各自的揚聲器的音量（即，步驟S660：本地裝置720的計算電路220根據所收到的音量調整訊號調整揚聲器的音量，例如參考查找表），使得加總後的音場（spatial sound field synthesis）對使用者而言是舒服的。
例如，在一些實施例中，根據近端的空間配置（例如，空間大小、空間形狀、室內物品、物品材質等）以及該些裝置（例如，多個電子裝置200）的揚聲器之間的距離，該些裝置（例如，電子裝置200的計算電路220）可判斷出使用其揚聲器（例如，多個揚聲器250）可於近端的空間中形成的聲學明區（acoustically bright zone，指多個揚聲器以特定音量及/或指向性播音於該空間中形成的聲音能量較高處）以及聲學暗區（acoustically dark zone，相對地指多個揚聲器以特定音量播音於該空間中形成的聲音能量較低處）。根據該些聲學明區、該些聲學暗區以及使用者位於近端的空間中的位置（例如，一般狀況下，會議室中的使用者皆大致位於其筆記型電腦的正面一定角度及距離內），該些裝置（包含多個及單一個）可控制其對應的揚聲器以特定音量及/或指向性播音，令使用者（包含多個近端裝置的使用者及單一近端裝置的使用者）可被涵蓋於聲學明區（包含多個近端裝置的揚聲器加總的聲學明區及單一近端裝置的揚聲器產生的聲學明區）而非聲學暗區當中。
在一些實施例中，計算電路220可一併執行圖3及圖6的步驟，以根據時間差資訊以及自身/其他近端裝置的音量調整訊號來延遲並控制揚聲器250的音量，使揚聲器250所播放的音訊具有延時校正以及加總音場的效果，但本發明不以此為限。
在一些實施例中，計算電路220可以是具有程式執行能力的電路或電子元件，例如中央處理器、微處理器、微控制器、微處理單元、數位訊號處理電路（digital signal processor, DSP）或其等效電路。計算電路220藉由執行儲存在記憶體230中的程式碼或程式指令來執行圖3~6的步驟。在其他的實施例中，本技術領域具有通常知識者可以根據以上的揭露內容來設計計算電路220，也就是說，計算電路220可以是特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）或是由可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device, PLD）等電路或硬體實作。
本發明之基於超聲波的音訊播放方法能夠調整聲音的延遲，以使同一空間中的聲音盡可能同步，及/或能夠調整聲音的音量，以使空間中加總後的音場更為舒適。相較於傳統技術，本發明可以防止空間中的嘯聲，因此可以提升使用者體驗。
由於本技術領域具有通常知識者可藉由本案之裝置發明的揭露內容來瞭解本案之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸及比例僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。此外，在一些實施例中，前揭的流程圖中所提及的步驟可依實際操作調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
160,250:揚聲器 110:遠端音訊 120:麥克風/音效延遲 130:網路延遲 140:音效延遲 150:系統延遲 200:電子裝置 210:網路收發電路 220:計算電路 230:記憶體 240:麥克風 S_aud_fr:遠端音訊訊號 S_ult_lc:本地超聲波訊號 S_aud_lc:本地音訊訊號 S_ult_nr:近端超聲波訊號 S_aud_nr:近端音訊訊號 Ta_r,Tb_r:抵達時間資訊 Ta_t,Tb_t:播放時間資訊 710,730:近端裝置 720:本地裝置 DB:播音方向 DL:連線方向 DD:距離 SV_adj,SV_adj1,SV_adj2:音量調整訊號 S310,S320,S330,S340,S410,S420,S510,S520,S530,S540,S550,S610,S620,S630,S640,S650,S660:步驟
圖1是透過網路傳送音訊訊號的示意圖； 圖2是本發明電子裝置之一實施例的功能方塊圖； 圖3是本發明基於超聲波的音訊播放方法之一實施例的流程圖； 圖4是步驟S330之一實施例的流程圖； 圖5是步驟S330之另一實施例的流程圖； 圖6是本發明基於超聲波的音訊播放方法之另一實施例的流程圖；以及 圖7是近端裝置與本地裝置之間的距離及方向的示意圖。
310,320,330,340:步驟

Claims (6)

  1. 一種基於超聲波的音訊播放方法，包含：透過一麥克風接收一超聲波訊號；處理該超聲波訊號，以得到該超聲波訊號之一特徵值；基於該特徵值產生一時間差資訊；以及根據該時間差資訊延遲一音訊訊號的播放。
  2. 如請求項1之方法，其中該基於該特徵值產生該時間差資訊之步驟包含：根據該超聲波訊號之能量計算一距離；以及將該距離除以聲速以得到該時間差資訊。
  3. 如請求項1之方法，其中該超聲波訊號係一近端超聲波訊號，且該基於該特徵值產生該時間差資訊之步驟包含：記錄該近端超聲波訊號之一第一抵達時間資訊；解調變該近端超聲波訊號以得到該近端超聲波訊號之一第一播放時間資訊；播放一本地超聲波訊號，並記錄該本地超聲波訊號之一第二播放時間資訊；透過該麥克風接收該本地超聲波訊號，並記錄該本地超聲波訊號之一第二抵達時間資訊；以及根據該第一播放時間資訊、該第一抵達時間資訊、該第二播放時間資訊及該第二抵達時間資訊計算該時間差資訊。
  4. 一種基於超聲波的電子裝置，包含：一麥克風；一記憶體，用來儲存複數個程式碼或程式指令；以及一計算電路，耦接該麥克風及該記憶體，用來執行該些程式碼或程式指令以執行以下步驟：透過該麥克風接收一超聲波訊號；處理該超聲波訊號，以得到該超聲波訊號之一特徵值；基於該特徵值產生一時間差資訊；以及根據該時間差資訊延遲一音訊訊號的播放。
  5. 如請求項4之電子裝置，其中該計算電路更執行以下步驟以完成該基於該特徵值產生該時間差資訊之步驟：根據該超聲波訊號之能量計算一距離；以及將該距離除以聲速以得到該時間差資訊。
  6. 如請求項4之電子裝置，其中該超聲波訊號係一近端超聲波訊號，且該計算電路更執行以下步驟以完成該基於該特徵值產生該時間差資訊之步驟：記錄該近端超聲波訊號之一第一抵達時間資訊；解調變該近端超聲波訊號以得到該近端超聲波訊號之一第一播放時間資訊；播放一本地超聲波訊號，並記錄該本地超聲波訊號之一第二播放時間資訊； 透過該麥克風接收該本地超聲波訊號，並記錄該本地超聲波訊號之一第二抵達時間資訊；以及根據該第一播放時間資訊、該第一抵達時間資訊、該第二播放時間資訊及該第二抵達時間資訊計算該時間差資訊。
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