专利名称：包括窄指向性和宽指向性扬声器的音频重现系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括排列好的扬声器的音频重现系统。这样的传统系统包括多个空间放置的扬声器，并且例如被用作环绕音频重现系 统。一般这样的系统具有前置扬声器和后置扬声器，其中两个或多个扬声器可被用来创建 位于扬声器位置之间某处(例如在前置扬声器之间的某处)的幻像(phantom)音频源。在传统的音频重现系统中，幻像源到听众位置的距离总是小于扬声器到该听众位 置的距离。如果这样的系统被用于语音通信系统(例如分布式家庭电话系统或集成于音频 娱乐系统的电话装置等)中，感知的人与人之间的距离变成一个重要的因素。通常，希望创 建一个幻觉声源被放置在比最近扬声器的位置离听众更近的位置上。已确定了在谈话中 人们之间的自然距离典型地小于1. 5米。传统的环绕音频重现系统不能在离处于最佳收听 位置的听众的自然距离处创建虚拟扬声器。
背景技术：
本发明的一个目的是提供一种能够在离收听位置期望距离处创建虚拟声源的音 频重现系统。
发明内容
通过根据本发明的音频重现系统该目的得以实现，该系统包括结合至少一个具有 第二指向性程度的第二音频类型扬声器排列好的具有第一指向性程度的第一音频类型扬 声器，其中第二指向性程度实质上(substantially)大于第一指向性程度。在声学中，指向性是从源的辐射方向图的测量，指示了在特定方向上辐射了多少 来自源的总能量。在室内环境中声源的感知距离基本上取决于直达声(direct sound)(即 直接来自源的声音)、早期反射声和混响声的相对幅度。接近于观察点即听众位置的声源的 一个特性是与反射声能量的等级相比，直达声的幅度较大。在统计的室内声学中，在观察点处的声音幅度通常由下列方程式表征Lp = Lw+101og10 (Q/ (4 n r2) +4/A)其中项Lw是源的功率级，项r是听众离源的距离，而项A是房间的吸收面积。项 Q表示源的指向性指数，使得Q = 1表示具有球形方向图的全向源，Q = 2表示半球，通常较 高的Q值表示较大的方向性。在上述方程式中对数运算内的两项表示在房间中的直达声和 反射的声学能量等级。根据对数运算内的第一项，可推导出对于距离r的平方有方向性指 数Q的交换(exchange)。即，与更接近于观察点的较小指向性声源(directionalsource) 相比，具有较大Q的较高指向性声源从远距对的整个声压级起类似的作用。这同样适用于 声源的感知距离，由此面对接听者的较高指向性声源似乎比它实际地更近。在方程式中对 数运算内这两项之间的比得出在室内环境中这样的典型声源的短距离。用于创建高指向性声源的多种技术本身是已知的，例如，使用扬声器阵列的波场 合成(wave field synthesis)、指向性平板扬声器或喇叭形扬声器(horn speaker)。在使用平板扬声器的实际实验中，发现这种高指向性音频扬声器的使用产生了强烈的在接近范 围内具有声源的感知错觉。然而，该错觉通常感知得不自然。这主要是由以下情况引起的 与在上述方程式的统计声学描述中的两项相关的能量的确与声源接近度的感知相匹配，但 是由指向性声场的空间和时间特性产生的房间响应是不自然的。换句话说，与环境中自然 声源相关的感知房间效应和与使用指向性扬声器产生的声源相关联的房间效应之间是不 匹配的。在根据本发明的音频重现系统中，结合低指向性音频扬声器利用一个或多个指向 性、优选是高指向性的音频扬声器。这两种类型的扬声器都可以是就其本身而言已知的扬 声器。在一个实施例中，宽或者相对宽指向性的音频扬声器是环绕音频扬声器。这些扬声 器优选被用于通过增加早期反射声和扩散混响声(diffuse reverberation)来改变混响声 场，以提高感知空间音频体验的自然性。注意在本文献中术语“指向性”指示了音频扬声器或者一般而言的声源在使用期 间具有辐射具有窄角度声束的特性。因此，这样的扬声器具有窄或者尖锐(sharp)指向性。 在本上下文中注意术语“高指向性”涉及具有非常窄角度的波束。因此，产生这种类型的波 束的扬声器或者一般而言的声源具有高指向性特性。有多种换能器技术可获得用于产生高 指向性声场。具有这样的特性的音频扬声器例如是喇叭形扬声器、平板扬声器和通过生成 具有窄角度波束的期望形式(pattern)的方式驱动的扬声器阵列单元。术语“低指向性”指 示了音频扬声器或者一般而言的声源在使用期间具有辐射具有宽角度即不是窄角度的声 束的特性。因此，这样的扬声器具有宽指向性。具有这样的特性的音频扬声器例如是具有 锥形或类似锥形膜片的扬声器。进一步地注意到在本文献中术语“音频”、“音频波”等涉及 人类可听到的声音。因此，音频波是可听到的声音(即频率在大概20和20，000Hz之间的 声音)的波。根据本发明的音频重现系统的优选实施例在权利要求1至5中得以定义。本发明还涉及根据本发明的音频重新系统的使用。优选地，该系统位于墙壁附近， 用于生成该系统幻像声源的镜像源(image source) 0本发明进一步涉及一种电话系统，例如配备了根据本发明的音频重现系统的分布 式家庭电话系统或者集成在音频和/或视频娱乐系统中的电话系统，并且涉及一种配备了 根据本发明的音频重现系统的音频和/或视频和/或数据系统。并且本发明还涉及一种用于重现声音的方法。根据本发明的方法包括步骤从排 列好的第一指向性程度的扬声器发射音频波，并且同时从第二指向性程度的至少一个扬声 器发射音频波，第二指向性程度实质上大于第一指向性程度，以在距离听众位置期望距离 处产生虚拟扬声器位置。该方法基于如在前段落中讨论的相同理解，并且具有类似的优点。在根据本发明的方法的一个优选变形中，具有相对宽指向性的音频扬声器被用作 第一类型的扬声器，具有非常窄指向性的音频扬声器被用作第二类型的至少一个扬声器。优选地，利用由反射在墙上产生的镜像源，并且处理音频信号以构成出自由排列 好的第一指向性程度的扬声器发射的音频波和由第二指向性程度的至少一个扬声器发射 的音频波的音频声音。商业上可获得的控制硬件和软件可被用来控制音频信号。在例如环 绕音频系统中信号可被延迟和/或减弱。可通过基于在听众耳朵中声音传播的速度和到源 的距离的基本几何分析来选取延迟。可选取与镜像源相关的幅度，使得它反映在自由场情
4况下传播中的被减弱声音。根据本发明的音频重现方法的优选变形在权利要求9至12中得以定义。注意US2007/0036366A1公开了一种音频特性校正系统，适用于音频环绕系统，其中从指向性扬声器，特别是阵列扬声器发射出的声音在墙表面上被反射以产生虚拟扬声 器，校正系统意欲用于校正音频信号输入，使得在墙表面反射的声音在听众位置处具有期 望的音频特性。还注意到W002/093773A1公开了一种非传统参数声音系统，用于创建包括被听众 感知为原始声源的虚拟声源的多个音响效果。该系统包括与参数扬声器相结合的音频扬声 器。在使用期间，音频扬声器发射音频压缩波，参数扬声器发射方向朝向环境中的一个或多 个反射表面的超声波输出以产生到没有放置音频扬声器的听众方向的虚拟声源。根据本发明的系统和方法非常适用于分布式家庭电话系统或集成到音频娱乐系 统中的电话设备中。根据本发明的概念也可以成功地被用于在环绕音频重放中或在控制台 或PC游戏应用中生成附加音响效果。参考权利要求书，应当注意，在权利要求书中提到的特征的所有可能组合是本发 明的一部分。参考以下描述的例子，本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并且将得以说 明。附图概要
图1是已知音频重现系统的例子。图2是根据本发明的音频重现系统的第一实施例。图3是根据本发明的音频重现系统的第二实施例。
具体实施例方式注意实施例被示例性地描述了。还应当注意在示例实施例的描述中相应组件具有 相同的附图标记。在图1中描述的已知音频重现系统包括三个前置扬声器101、102和103与两个后 置扬声器104和105的集合。该系统是环绕音频重放系统，其中扬声器101至105是普通 音频扬声器。听众的位置Ip正如合乎习惯的那样位于由扬声器定界(border)的区域中。 在语音通信中，位于听众位置Ip处的用户在给定例子中在前置扬声器102和103之间感知 到幻像源ps，或者换句话说，在给定例子中说话者的声音以这个人似乎在前置扬声器之间 的某处的方式得以呈现。在很多情况下，从听众位置Ip到幻像源ps的距离大于对话者之 间的自然距离。在图2中描述的根据本发明音频重现系统的优选实施例包括排列好的具有相对 宽指向性的传统环绕音频扬声器1至5和一个具有非常窄指向性的音频扬声器7。音频扬 声器1、2和3是前置扬声器，而音频扬声器4和5是后置扬声器。音频扬声器7位于音频 扬声器1至5的集合中的某处，在该例中在音频扬声器2和3之间的某处。音频扬声器7 可以是能够产生高指向性声场的任何音频扬声器，例如平板扬声器或喇叭式扬声器。和平 常一样，听众的位置LP位于由音频扬声器1至5定界和定义的区域中。在语音通信中，位 于听众位置LP处的听众在音频扬声器1至5和该听众位置LP之间的区域中感知到幻像源PS，在该给定例子中从前置扬声器2和3感知到幻像源，结果缩短了听众位置LP和幻像源 PS之间的距离。这意味着在该给定例子中说话者的声音以该人似乎在听众附近的方式得以 呈现。以这种相对简单的方式，从听众位置LP到幻像源PS的距离能够被调整成将是对话 者之间通常的自然距离的期望距离。环绕音频扬声器1至5可用于通过增加早期反射声和 扩散混响声来改变混响声场，以提高感知空间音频体验的自然性。还可以使用扬声器阵列来实现指向性扬声器7，使得经控制的阵列效应产生到期 望方向的定向声束。在这种情况下，由于音频重现和声学系统的线性，将相同物理阵列的元 件用作第一指向性程度的扬声器是可能的。以相同的方式，当扬声器阵列被用来产生室内 环境的虚拟环绕音频重现时，例如类似于US2007/0036366A1，同时将相同的阵列用作具有 第二指向性程度的高定向性扬声器是可能的。这可通过在驱动该阵列产生虚拟环绕音频重 现的扬声器信号上增加产生表示第二指向性程度扬声器的指向性波束的驱动信号来实现。在图3中描述的优选实施例中，应用了与在图2的实施例中类似的排列。并且，在 环绕音频设置中高指向性音频扬声器7和传统(在此即不是高指向性的)音频扬声器1至 5的联合播放基于已知的镜像源模型概念。(Berkeley&Allen)。来自墙壁20的反射由位于 该墙壁后面的合成镜像源22表示。表示该镜像源的声音可使用环绕音频系统的音频扬声 器1至5通过延迟和减弱信号而得以呈现。延迟由基于在听众耳朵中声音传播速度和到声 源的距离的基本几何分析来选取。可选取与镜像源22相关的幅度使得它们反映在自由场 条件下传播中声音的衰减。虽然本发明在附图和上述描述中得以详细地解释和说明，但解释和说明应当被认 为是解释性的或示例性的，而非限制性的。本发明并不限于所示实施例，例如，应用比所描 述的音频扬声器数目更多或更少的扬声器是可能的。特别要强调的是，可以使用多于一个 的高指向性音频扬声器。可在环境中应用多个高指向性音频扬声器以在不同方向产生声 源。讨论的实施例可向上扩展到多声道解决方案。对公开的例子的其他变形可由本领域技术人员根据附图、说明书和权力要求的学 习在实践要求保护的发明时理解和实现。在权利要求书和说明书中词“包括”不排除其他元件，不定冠词“一”或“一个”不 排除多个。在权利要求书中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
权利要求
一种音频重现系统，包括结合具有第二指向性程度的第二音频类型的至少一个扬声器排列好的具有第一指向性程度的第一音频类型扬声器，其中第二指向性程度实质上大于第一指向性程度。
2.如权利要求1所述的音频重现系统，其中，第一类型的扬声器是具有相对宽指向性 的音频扬声器。
3.如权利要求1或2所述的音频重现系统，其中，至少一个第二类型的扬声器是具有非 常窄指向性的音频扬声器。
4.如权利要求1、2或3所述的音频重现系统，其中，提供多于一个的第二类型的扬声器。
5.如上述权利要求的任意一个所述的音频重现系统，其中，该系统是环绕音频扬声器 系统。
6.如上述权利要求的任意一个所述的音频重现系统的使用，其中，该系统位于墙壁附 近，用于产生该系统幻像声源的镜像源。
7.—种配备有如上述权利要求1至5的任意一个所述的音频重现系统的电话系统，例 如分布式家庭电话系统或集成在音频和/或视频娱乐系统中的电话系统 。
8.—种配备有如上述权利要求1至5的任意一个所述的音频重现系统的音频和/或视 频和/或数据系统。
9.一种用于重现声音的方法，包括步骤从排列好的第一指向性程度的扬声器发射音 频波，同时从实质上大于第一指向性程度的第二指向性程度的至少一个扬声器发射音频 波，以在到听众位置的期望距离处生成虚拟扬声器位置。
10.如权利要求9所述的方法，其中，具有相对宽指向性的音频扬声器被用作第一类型 的扬声器，具有非常窄指向性的音频扬声器被用作至少一个第二类型的扬声器。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，利用由在墙壁上的反射产生的镜像源，处理 音频信号以构成出自由排列好的第一指向性程度的扬声器发射的音频波和由第二指向性 程度的至少一个扬声器发射的音频波的音频声音。
12.如权利要求9或10所述的方法，其中，扬声器阵列被以这种方式驱动，以使得它同 时产生模仿具有第一指向性程度的扬声器集合和第二指向性程度的至少一个扬声器的效 应的辐射方向图。
全文摘要
一种音频重现系统，包括结合具有第二指向性程度的第二类型的至少一个音频扬声器(7)排列好的具有第一指向性程度的第一类型的音频扬声器(1-5)。为了在到听众位置(LP)期望距离处产生虚拟声源，第二指向性程度实质上大于第一指向性程度。
文档编号H04R1/32GK101878660SQ200880103761
公开日2010年11月3日 申请日期2008年8月11日 优先权日2007年8月14日
发明者A·S·哈马 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司