专利名称：扬声器系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有增强的恒定方向性的扬声器系统。
背景技术：
在传统的环绕声系统中，听者在围绕收听位置(有时也称为收听区域)的不同位置处放置5个或更多个扬声器，来为听者创造沉浸的声音体验。系统中的每个扬声器通常从音频源接收其自己的音频信号，因此听者通常必须将每个扬声器连线到音频源。因而，音频系统中的扬声器产生汇聚于收听位置的声音，以适当地为听者创造环绕声体验。虚拟环绕是如下环绕声技术其可以使得声音看起来是来自除实际扬声器的位置之外的位置，以便为听者创造环绕声体验。结果，虚拟环绕声系统通常使用比传统环绕声系统少的扬声器，并且虚拟环绕声系统中的扬声器一般位于听者的前面。因此，虚拟环绕声系统对于诸如具有个人计算系统或电视机的多种不同的装置来说更实际。虚拟环绕声加宽了用于产生声音的扬声器的物理位置之外的音响范围，并且基于人如何定位声音。人使用三种方法来定位声音1)耳间强度差别(IID)，2)耳间时间差别(ITD)，以及3)频谱上利用头部相关传递函数(HRTF)。当声音在一个耳朵处比在另一个耳朵处更大声时，出现耳间强度差别。当声源更靠近其中一个耳朵时，这可能发生。类似地，当由于声源更靠近其中一个耳朵，因此声音在其到达另一个耳朵之前到达一个耳朵时，出现耳间时间差别。这可能导致时间差别，并因此导致耳朵之间的相位差。头部相关传递函数指的是当声音从听者的耳廓(外耳)、头部以及肩部反射时的声音的唯一谱成形。谱成形可以取决于声源的位置而变化。另外，谱成形可以取决于特定的听者而变化。虚拟环绕声可采用一种或多种不同的技术，以基于三种以上方法中的一种或多种为听者创造如下印象声音来自从除扬声器的位置之外的位置。例如，偶极波束形成(dipole beamforming)是一种用于使用IID来创造虚拟环绕的方法。换能器的偶极对可以用于人工增大耳朵之间的声音水平的差别。偶极对中的换能器被驱动成彼此异相，以便为特定频率或声道产生零信号(null)，并且延迟用于操纵零信号的径向方向。结果是针对特定频率或声道的声音在听者的一个耳朵处与另一耳朵处相比更强烈，并且给听者留下了如下印象声音源于除产生声音的换能器的实际位置之外的位置。对于更恒定的方向性，阵列可以是频率带限的。用于形成偶极对的换能器的中心之间的距离被定义为等于四分之一波长。阵列的最优中心频率可以从该波长导出。阵列被优化为在大约4倍频程的范围中心频率以上2倍频程以及中心频率以下2倍频程。在该频率范围以上，换能器之间的距离相对于正产生的声音的波长可能变得较大，并且随着频率增加而产生径向波瓣(lobe)。这意味着声音在一个耳朵处不再会比在另一个耳朵处更大声，并且减小或消除了虚拟环绕效果。在最优的频率范围以下，声音产生的效率可能随着来自异相的换能器的声音消除而降低。偶极波束形成阵列中所使用的换能器一般是针对其在目标阵列频率范围中的分散特性而选择的。例如，低音扬声器在较低频率处具有较好的效率和近全向辐射。因此，低音扬声器对较低频阵列是较好的选择。在较高频率处，低音扬声器开始成束(beam)并且具有较不一致的定向性。该现象与换能器相对于其产生的声音的波长的尺寸有关。相反，高音扬声器物理上较小，并因此对于具有较小波长的较高频率具有较好的分散。因此，高音扬声器对于高频阵列是较好的选择。然而，由于较高的频率具有较小的波长，因此较高的频率可能难以适当地利用偶极波束形成阵列来实现，并且对于最优的偶极波束形成系统来说，不可能总是在物理上将高音扬声器(或其它换能器)放置得足够靠拢。对于更高效的系统设计来说，可能期望使得换能器的数量最小化。在该情况下，可使用水平移位的、不同类型的换能器，只要在其工作区域中有足够的重叠即可。例如，简单 的设计可具有组合用以覆盖较宽的频率带宽的低音扬声器和高音扬声器，其中，低音扬声器处理较低的频率，而高音扬声器处理较高的频率，这可通过某种信号处理来控制，以将适当的频率发送到适当的换能器。如果低音扬声器和高音扬声器能够在同一频率区域中产生声音，则重叠的区域可被处理为阵列，其中阵列中心频率由等于低音扬声器和高音扬声器的中心间间距的四分之一波长来确定。这可导致在其全向频率范围之外起作用的低音扬声器，但是与由使用可用频率区域之外的阵列导致的成瓣(Iobing)相比，低音扬声器的较高频率处的离轴跌落(roll-off)可以是较小的影响。将阵列处理扩展到较高的频率的好处在于潜在地减小尺寸和系统复杂性的同时，导致更好的环绕声体验。因此，将期望具有如下更好的虚拟环绕系统其在对多种不同的装置有用的小系统中，在较宽的频率范围中产生恒定的方向性。现有技术中已知许多不同的用于创造虚拟环绕声的技术。例如，题为 “Dipole andmonopole surround sound speaker system”的美国申请公布第2006/0072773号、题为“Array Speaker System”的美国申请公布第 2009/0060237 号、题为 “Method for spatially processing multichannel signals,processing module, and virtual surround-sound systems，，的美国申请公布第2008/0273721 号以及题为“System for transitioning from stereoto simulatedsurround sound”的美国申请公布第2003/0021423号都示出了不同的虚拟环绕系统。然而，这些系统中的每个均可以被改进成在更宽的频率范围中具有更恒定的方向性。
实用新型内容各个实施例提供了仅具有可以放置在听者前面的I个或2个外壳的虚拟环绕。这些实施例还在频率范围中具有基本上恒定的方向性。各个实施例通过结合可以在不同的频率范围有效的技术来实现基本上恒定的方向性。例如，一些实施例将偶极波束形成与使换能器指向侧面(即，远离收听区域)相结合。使换能器指向侧面提供了由于在较高频率处的换能器成束导致的定向性。当声音被扬声器箱的边缘遮蔽(shade)时，可以发生由于“遮蔽”导致的另外定向性。来自侧射式(side firing)换能器的、被附近的物体或墙壁反射的声音还可以增加宽敞感、听者包围(envelopment)以及明显的源宽度。本实用新型的实施例允许在较宽的频率范围中产生恒定的方向性。根据本实用新型的一个实施例，一种扬声器系统包括扬声器外壳；换能器的第一阵列，其安装在扬声器外壳中并且具有第一横向位移；以及换能器的至少第二阵列，其在扬声器外壳中并且具有第二横向位移，该第二横向位移大于第一横向位移。第二阵列是低频阵列，而第一阵列是高频阵列。包括在第一阵列中的换能器被配置成具有覆盖至少第一阵列和第二阵列的频率范围的工作频率区域，并且包括在第二阵列中的换能器被配置成具有覆盖至少第一阵列和第二阵列的频率范围的工作频率区域。该扬声器系统还包括扬声器输入端口和与扬声器输入端口操作地耦合的控制器，其中，控制器被配置成将电-音频信号提供到换能器，以使得第一阵列和第二阵列被调整到不同的中心频率并且作为两级偶极波束形成阵列。根据一个特定实施例，第二阵列是混合频率阵列。根据另一特定实施例，第一阵列和第二阵列共同包括至少第一换能器、第二换能器、第三换能器以及第四换能器。第一换能器和第二换能器形成低频阵列，而第一换能器和第三换能器形成高频阵列，并且第二换能器和第四换能器形成另一高频阵列。根据本实用新型的另一特定实施例，第一和第二换能器是被配置用于低频工作区域的低音扬声器。第三和第四换能器是被配置用于高频工作区域的高音扬声器。低音扬声器和高音扬声器具有重叠的工作频率区域，并且被配置用于高频阵列的偶极波束形成。根·据一个实施例，第一换能器、第二换能器、第三换能器以及第四换能器具有基本上相似的工作频率区域。根据另一特定实施例，控制器被配置成i)将电-音频信号的左声道路由到第一换能器和第三换能器，ii)将电-音频信号的右声道路由到第二换能器和第四换能器，以及iii)将电-音频信号的中心声道路由到第一换能器、第二换能器、第三换能器和/或第四换能器。控制器还可被配置成将电-音频信号的右环绕声道分成第一和第二频带，以使得右环绕声道的第一频带与左环绕声道组合并且被传送到第一和第二换能器，其中，右环绕声道和左环绕声道被处理为低频带限偶极波束形成阵列。根据一个实施例，组合声道被配置成具有被施加到形成组合声道的组成声道的任意增益。右环绕声道的第二频带是中频带滤波的，并且被处理成在第二和第四换能器之间产生偶极波束形成阵列，其中，左侧间隔的换能器相对于更右侧的换能器被反转并被延迟。控制器被配置成将电-音频信号的左环绕声道分成第一和第二频带。左环绕声道的第一频带与右环绕声道组合并且被传送到第一和第二换能器，其中，左环绕声道和右环绕声道被处理为低频带限偶极波束形成阵列。左环绕声道的第二频带是中频带滤波的，并且被处理成在第一和第三换能器之间产生偶极波束形成阵列，其中，更右侧的换能器相对于更左侧的换能器被反转并被延迟。根据另一特定实施例，电-音频信号的组合声道是频率带限的，以产生低频阵列。组合声道可被配置成将左声道、右声道、中心声道、左环绕声道以及右环绕声道与任意增益组合，以用于环绕效果处理。根据另一特定实施例，低频阵列的低频信号是由偶极波束形成阵列的四分之一波长间距来确定的，其中，阵列可用的频率区域在围绕阵列中心频率f_c的+/_2倍频程内，其中，f_c = (/(4(1)，“(3”是声速，并且“(1”是偶极阵列换能器之间的中心间距离。根据另一特定实施例，扬声器系统还可包括具有第一横向位移的换能器的第三阵列，其中，第三阵列是高频阵列，并且被配置成具有覆盖至少第一阵列、第二阵列以及第三阵列的频率范围的工作频率区域。[0024]根据另一特定实施例，第一阵列和第二阵列被配置用于与一组侧射式换能器组合工作，以产生虚拟环绕，其中，该组侧射式换能器用于外壳遮蔽和换能器定向。根据另一特定实施例，扬声器系统还包括至少一个附加的横向间隔的偶极波束形成阵列。在进一步查看了以下详细描述、权利要求以及附图之后，本实用新型的实施例的这些和其它优点将变得明显。
图IA示出了虚拟环绕声系统的示例性实施例。图1B-1F示出了针对图I中示出的实施例的示例性信号处理图。图2A-2D示出了虚拟环绕声系统的示例性实施例。图2E-2J示出了针对图2A-2D中示出的实施例的示例性信号处理图。图3A示出了虚拟环绕声系统的示例性实施例。图3B-3G示出了针对图3A中示出的实施例的示例性信号处理图。图4示出了根据本实用新型的实施例的示例性系统的框图。图5A示出了虚拟环绕声系统的示例性实施例。图5B-5G示出了针对图5A中示出的实施例的示例性信号处理图。
具体实施方式
各个实施例使用用于创造虚拟环绕的不同方法的组合。各个实施例中所使用的一些方法包括偶极波束形成、多级阵列、换能器定向以及外壳遮蔽。一般地，这些方法中的每个均可在各个实施例中在特定的频带中作用。与使用用于创造虚拟环绕的单个方法相t匕，使用用于创造虚拟声音的多种方法可以增强虚拟声音效果，并且可以更好地保持声音质量。用于创造虚拟环绕的每种方法可以基于如下因素、针对特定系统配置而进行优化诸如，换能器的物理位置、换能器的定向性、外壳的尺寸和形状、以及输入信号配置。各个实施例允许在较宽的频率范围中为听者产生强度差别，以便产生恒定的定向性。如这里所使用的，“换能器”可以指的是将来自电源的电信号转换成针对听者的声音的设备。如这里所使用的，术语“驱动器”可与换能器互换使用。如这里所使用的，“偶极波束形成”可以指的是用于基于耳间强度差别(IID)来创造虚拟环绕声的方法。更具体地，使用偶极波束形成的系统可具有换能器的一个或多个偶极对，其可以用于人工增大听者的耳朵之间的声音水平的差别。偶极对中的换能器可以被驱动成彼此异相，来为特定频率或声道产生零信号。延迟可以用于操纵换能器产生的零信号的径向方向。偶极波束形成也可被称为串扰消除。如这里所使用的，换能器的“工作区域”是如下频率区域其中，换能器在足够有助于整体声音的高水平工作。其是使用滤波发送到驱动器的音频频率和驱动器本身的分散特性的组合。如这里所使用的，“换能器定向”(也称为“驱动器成束”)可以指的是来自换能器的声音极性辐射图在其工作频率范围中的改变。在工作范围的较低频率端中，声音在所有方向上被更均匀地辐射。对于较高的频率，声音强度一般在轴上或者在换能器正前方比其是离轴的更强。另外，在工作频率范围的较高端，可以有“成瓣”，其中，声音强度取决于极性程度而从高到低变化。因为根据定义成瓣是不恒定方向性的，因此一般避免了成瓣。然而，当用于增大一个耳朵处相对于另一个耳朵处的声音水平时，换能器定向可以用于虚拟环绕的优点。当与外壳遮蔽一起使用时，增强了该效果。如这里所使用的，“外壳遮蔽”可以指的是使用扬声器外壳来“遮蔽”声音。遮蔽也可以通过使用挡板、波导管或者透镜来实现。如同换能器定向一样，该效果是与频率相关的。在较低频率处，遮蔽效果较差。波长较长并且声音回绕外壳。在较高频率处，遮蔽增强。该效果还取决于外壳的尺寸，其中，较小的外壳无法遮蔽如较大的外壳所遮蔽的那样低的频率。如下一段所描述的，该效果可以与换能器定向组合，用于更好的虚拟环绕效果。为了保持IID在较高的频率区域具有更恒定的方向性，使用外壳遮蔽和换能器成束来取代偶极波束形成。外壳遮蔽和换能器成束是使用对象的固有定向性来产生IID的方式。当换能器放置在扬声器侧时，低频声音将绕过外壳并到达听者。在较高频率处，外壳开始“遮蔽”声音，以使得较高频率被更多地导向扬声器侧。换能器成束将进一步聚焦声音。换能器成束发生在外壳遮蔽频率之上。这两个效果产生了声场的梯度，其中，声音在一个耳 朵处比在另一个耳朵处更大声。外壳遮蔽可发生在外壳过渡频率F_et之上。F_et = (0. 6 * c)/(2 * * R_e)，其中，“c”是以每秒米为单位的声速，并且“R_e”是以米给出的、遮蔽侧射式换能器的外壳部分的有效半径。外壳过渡频率以赫兹或循环数/秒来表示。类似地，换能器成束可发生在换能器过渡频率F_tt之上，F_tt = (0.6 * c)/(2 * Ji * R_t)，其中，“c”是以每秒米为单位的声速，并且“R_t”是以米给出的、换能器的有效半径。为了实现系统部件的优化，用于外壳遮蔽和换能器成束的过渡的频率区域应该以+/_ —倍频程为带，其转变为1/2的过渡频率、2倍的过渡频率。除了多级的偶极波束形成阵列、外壳遮蔽以及换能器成束之外，用于创造虚拟环绕和加宽收听音响范围的其它效果驱动环绕声道异相，并且与前射式换能器结合使用侧射式换能器以使得扬声器的宽度最大化，同时维持收听位置处的全音频带宽。针对偶极波束形成阵列的恒定方向性的工作频率范围由换能器之间的物理中心间距离来限制。在较高频率处，因为IID是不恒定的，因此偶极波束形成无法产生良好的虚拟环绕体验。来自换能器的辐射干扰方向性不恒定的、不规则的“成瓣”的产生。可以通过在较高频率处使用单个侧射式换能器以及对换能器定向和外壳遮蔽进行调整，来产生具有更恒定的方向性的更稳定的IID。因此，可以维持每个耳朵处的声音水平的差别，并且可以使得“成瓣”最小化。侧射式换能器还增加了声音的反射能量。反射的声音可以增强宽敞感、听者包围以及明显的源宽度。偶极阵列的中心频率由用于形成偶极对的换能器的中心之间的距离来确定。该距离对应于四分之一波长。中心频率f_c由公式f_c = c/(4d)给出，其中，“c”是声速，并且“d”是偶极阵列换能器之间的中心间距离。如这里所使用的，“多级阵列”可以指的是跨越不同频率的不同换能器和虚拟环绕IID生成的使用。多级偶极波束形成阵列具有针对不同频率范围优化的换能器对。多级阵列中的各个换能器可以被配置成产生不同频率的声音，以便为听者创造更好的环绕声效果。在一些实施例中，阵列可包括一个或多个偶极对，该偶极对使用偶极波束形成来产生虚拟环绕声。这样的偶极对通常是针对四倍频程的带宽而优化的。在两倍频程以下，由于消除了声音，因此可大大降低阵列的效率。在两倍频程以上，空间干扰可导致多个不想要的零信号。多个零信号降低了虚拟环绕效果并且导致不恒定的方向性，这可以附加地降低声音质量。在偶极波束形成装置中，针对偶极对的优化带的中心频率一般出现在与换能器分隔的四分之一波长对应的频率处。为了更恒定的方向性，多个换能器阵列可以被优化以覆盖不同的频带。一些频带可使用偶极波束形成来创造虚拟环绕，而其它频带可依赖于换能器定向或外壳遮蔽来创造虚拟环绕效果。如这里所使用的，“控制器”指的是对来自音频源的声音内容进行处理的数字信号处理器或模拟电路。控制器可操作地稱合在扬声器输入端口和一个或多个换能器之间。替选地或者另外，声音内容的处理可以通过计算机(例如，个人 计算机、膝上计算机、便携式音乐播放器、个人数字助理(PDA)、电话等)的计算机可读介质上的软件或固件来执行，并且然后，多声道内容可以用作扬声器的输入。如这里所使用的，用于容纳计算机代码或指令、或者计算机代码或指令的部分的“计算机可读介质”可以包括本领域已知的或所使用的任何适当的介质，包括存储介质和通信介质，诸如但不限于在用于信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据)的存储和/或传输的任何方法或技术中实现的易失性和非易失性介质、可拆卸和不可拆卸介质，包括RAM(随机存取存储器)、R0M(只读存储器)、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、闪存或其它存储器技术、⑶-ROM(光盘-只读存储器)、数字多功能盘(DVD)或其它光学存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备、数据信号、数据传输或可以用于存储或传输所期望的信息并且可以由计算机存取的任何其它介质。基于这里所提供的公开内容和教导，本领域的普通技术人员将意识到用以实现各个实施例的其它方式和/或方法。如这里所使用的，“收听区域”或“收听位置”指的是在环绕声系统或虚拟环绕声系统中听者的期望位置或听者周围的区域。在环绕声系统的设计中，该区域或位置用于为听者创造良好的环绕声体验。图4示出了根据本实用新型的一些实施例的示例性虚拟环绕声系统。图4示出了具有换能器401、402、403以及404的扬声器400。用于虚拟环绕声处理的可选控制器405可操作地稱合在扬声器输入端口 406和一个或多个换能器401-404之间。换能器402和403可构成第一阵列，而换能器401和404可构成第二阵列。图4还示出了主机450，其具有音频源451 (例如，盘、MP3、流、5. I或7. I声道内容、立体声内容等)、处理器452以及计算机可读介质(CRM)453。作为在可选控制器405处的处理的替选或者除此之外，虚拟环绕处理可以在主机处(例如，通过CRM 453上的软件或固件)进行。扬声器400可经由有线或无线连接407而操作地耦合到主机450。信号可在处理后并且在其被发送到换能器401-404之前被放大。扬声器400可包括上述部件的任何组合。例如，扬声器400可包括音频源451、控制器405、信号的放大以及换能器401-404。在替选中，可以是仅处理器405、放大以及换能器401-404在扬声器中。在另一替选中，可以是仅放大和换能器在扬声器中。在又一替选中，可以是仅换能器401-404在扬声器中。条形咅箱(SoundBar)根据一个实施例，多个换能器放置在单个外壳内。一些换能器直接向前指向收听位置，而一些换能器指向远离收听位置的侧面。图IA示出了条形音箱形式的这种实施例的示例。根据一些实施例，条形音箱可以被配置成使得其附连到位于收听位置前面的计算机监视器。[0057]在图IA示出的实施例中，两个换能器103和104直接向前指向收听区域，而两个换能器101和102指向侧面。图IA示出了根据自顶向下透视图的该换能器布置。侧面的换能器101和102可以用于利用定向性和遮蔽。在图IA示出的实施例中可以使用声音的五个声道左110、右120、中心130、左环绕140以及右环绕150。根据一些实施例，在系统中也可使用单独的亚低音扬声器来帮助改进低频声音的生成。在图IA示出的实施例中，两级偶极波束形成阵列与换能器定向和外壳遮蔽一起使用，用于具有更恒定的方向性的增强的虚拟环绕。两级阵列可以被分成低频阵列和中频阵列。这些阵列用于在其各个频率处有效地产生虚拟环绕声。根据一个实施例，低频被认为是直到Ikhz的频率，中频被认为是Ikhz和4khz之间的频率，而高频被认为是大于4khz的频率。低频和中频可使用偶极波束形成来产生虚拟环绕声，而高频可依赖于定向和外壳遮蔽来创造虚拟环绕。低频阵列可以使用侧面换能器101和102来产生，中频阵列可以使用前面换能器103和104来产生，并且侧面换能器101和102可以使用高频定向和外壳遮蔽。以下给出如何产生这些声音阵列的更多细节。参照图1A，外壳100中示出了四个分开的换能器左射式101、右射式102、左前103以及右前104。每个换能器可以是能够产生从200hz到20khz的频率的全范围换能器。可以用于低频偶极波束形成的左射式换能器101和右射式换能器102可隔开大致阵列所输出的频率范围的中心的四分之一波长。根据一个实施例，当从换能器的中心测量时，左射式101和右射式102之间的间距是20cm。因此，根据该实施例，该偶极对的中心频率的波长是80cm。80cm大致对应于400hz的频率。类似地，左前换能器103和右前换能器104可放置成隔开大约3至4cm。该间距导致大约16至20cm的波长，或者大约2khz的中心频率。图1B-1F示出了根据一个实施例的用于实现三级阵列的信号处理。如同图IA中不出的实施例一样，可以处理来自音频源的声音的五个声道左110、右120、中心130、左环绕140以及右环绕150。这些声道可以使用已知手段从音频源被发送到各个实施例。图IB示出了针对左声道110的信号处理。来自左声道110的音频信号被发送到左射式换能器101和左前换能器103。图IC示出了针对右声道120的信号处理。来自右声道120的音频信号被发送到右射式换能器102和右前换能器104。图ID示出了针对中心声道130的信号处理。来自中心声道130的音频信号被发送到左前换能器103和右前换能器104。图IE示出了针对左环绕声道140的信号处理。如图IE所示，左环绕声道140将其信号通过低通(LP)滤波器141分成低频范围(< Ikhz)、通过低通滤波器144和高通(HP)滤波器142的组合分成中频范围(Ikhz和4khz之间)、以及通过高通滤波器143分成高频范围(> 4khz)。来自左环绕声道140的高频在通过高通滤波器143之后，然后被发送到左射式换能器101。来自左环绕声道140的中频在通过高通滤波器142和低通滤波器144之后，然后被进一步分离。来自左环绕声道140的中频信号被发送到左前换能器103。来自左环绕声道140的中频信号还被反转器147反转，并且在0. 023毫秒(ms)的延迟148之后被发送到右前换能器104。时间延迟可以针对收听位置而进行调整。[0067]来自左环绕声道140的低频在通过低通滤波器141之后，也被进一步分离。来自左环绕声道140的低频信号被发送到左射式换能器101。来自左环绕声道140的低频信号还被反转器145反转，并且在0. 113ms的延迟146之后被发送到右射式换能器102。时间延迟可以针对期望的收听位置而进行调整。图IF示出了针对右环绕声道150的信号处理。与左环绕声道140类似，右环绕声道150将其信号通过低通滤波器151分成低频范围(< Ikhz)、通过低通滤波器154和高通滤波器152的组合分成中频范围(Ikhz和4khz之间)、以及通过高通滤波器153分成高频范围(> 4khz)。然而，左环绕声道140和右环绕声道150之间的一个区别在于，右环绕声道在根据频率划分信号之前，使其信号被反转器159反 转。替选地，左环绕声道可以被反转，而不是右环绕声道被反转。条件是左环绕声道和右环绕声道彼此异相。来自右环绕声道150的反转后的高频在通过高通滤波器153之后，然后被发送到右射式换能器102。来自右环绕声道150的反转后的中频在通过高通滤波器152和低通滤波器154之后，然后被进一步分离。来自右环绕声道150的反转后的中频信号被发送到右前换能器104。来自右环绕声道150的反转后的中频信号又再次被反转器157反转，并且在0.023ms的延迟158之后被发送到左前换能器103。时间延迟可以针对收听位置而进行调整。来自右环绕声道150的反转后的低频在通过低通滤波器151之后，也被进一步分离。来自右环绕声道150的反转后的低频信号被发送到右射式换能器102。来自右环绕声道150的反转后的低频信号又再次被反转器155反转，并且在0. 113ms的采样延迟156之后被发送到左射式换能器101。时间延迟可以针对收听位置而进行调整。如从以上信号处理图可以看出的那样，低频阵列是使用两个侧射式换能器来产生的。来自左环绕声道140的低频被发送到左射式换能器101和右射式换能器102，其中发送到右射式换能器102的信号被反转和延迟，以便使用偶极波束形成来创造虚拟环绕声效果。这可以为收听区域中的听者创造如下印象左环绕声道140是从扬声器到听者的远处左端产生的。来自右环绕声道的低频首先被反转，并且然后被发送到左射式换能器101和右射式换能器102。发送到左射式换能器101的信号被反转和延迟，以便使用偶极波束形成创造虚拟环绕。结果，给听者以如下印象右环绕声道150是从扬声器到听者的远处右端产生的。中频阵列是使用外壳前面的两个换能器103和104、根据左环绕声道140和右环绕声道150产生的。通过如上所述的那样反转和延迟信号，中频阵列使用偶极波束形成来为这些频率产生虚拟环绕声。高频IID是使用两个侧射式换能器101和102产生的。高频不能以与低频和中频可采用的相同的方式，通过使用偶极波束形成来创造其虚拟环绕。相反，高频依赖于来自左射式101和右射式102的声音的定向性，以使用换能器定向和外壳的遮蔽来创造虚拟环绕。这用于环绕声道内容。侧射式换能器还增加了反射的能量，这增强了宽敞感和明显的源宽度。脚架(Stand)根据一个实施例，多个换能器放置在单个外壳内。一些换能器直接向前指向收听区域，而一些换能器指向侧面。图2A示出了脚架扬声器形式的这种实施例的示例。在图2A示出的实施例中可以使用声音的五个声道左320、右340、中心330、左环绕360以及右环绕370。各个实施例还可包括与脚架分离的亚低音扬声器310。各个实施例可包括用于亚低音扬声器310的单独的亚低音扬声器声道350。在图2A-2D示出的实施例中，示出了五个全范围换能器。根据一些实施例，每个换能器可以是2”驱动器。注意，图2A-2D中示出的图不是按比例示出的。在图2A-2D示出的实施例中，三个换能器直接指向收听区域，而两个换能器指向侧面以利用定向和遮蔽。如以下将更详细说明的那样，侧面的换能器可以用于产生环绕声道。另外，与图2A中示出的脚架扬声器分离的亚低音扬声器可以用于产生最低的频率。图2A示出了脚架300的实施例的正视图。在该视图中，左换能器301、中心换能器302以及右换能器303是清楚可见的。根据一个实施例，前面的高度300A是12. 5cm。根据一个实施例，从脚架300的边缘到左换能器301的中心的距离是4. 25cm(在图2A中被表示为300B)。根据一个实施例，脚架的宽度300C是36. 5cm。根据一个实施例，后部边缘的宽 度3000是11挪。脚架的两个后部边缘相对于脚架的前面以一定角度上升，并且包含侧射式换能器。以下的图更详细地示出了该形状。图2B示出了脚架300的实施例的右视图。在图2B示出的视图中，清楚地示出了右射式换能器305。如果示出了左视图，则该视图对于左射式换能器304将看起来与图2B类似。根据一个实施例，脚架300的深度300F是15cm。根据一个实施例，后部边缘的高度300E是16cm。根据一个实施例，侧射式换能器之上的脚架的边缘300G是11. 5cm。根据一个实施例，边缘300F是2cm。图2C示出了可以用于一些实施例的亚低音扬声器310。亚低音扬声器对于音频信号可具有其自己的声道。图2D示出了脚架的实施例的左视图和右视图。在图2D中，可以看出左射式304和右射式305与右换能器303和左换能器301有关。图2E-2J示出了根据一个实施例的、用于实现虚拟环绕效果的信号处理。如同图2A中不出的实施例一样,声音的五个声道可以供各个实施例使用左320、右340、中心330、左环绕360以及右环绕370。各个实施例可包括用于亚低音扬声器310的单独的亚低音扬声器声道350。这些声道可以使用已知手段从音频源被发送到各个实施例。图2E示出了针对左声道320的信号处理。来自左声道320的信号被发送到左换能器301。图2F示出了针对中心声道330的信号处理。来自中心声道330的信号被发送到中心换能器302。图2G示出了针对右声道340的信号处理。来自右声道340的信号被发送到右换能器303。图2H示出了根据一些实施例的、针对亚低音扬声器声道350的信号处理。来自亚低音扬声器声道350的信号被发送到亚低音扬声器310。图21示出了针对左环绕声道360的信号处理。来自左环绕声道360的信号在左射式换能器304和右射式换能器305之间被分离。左环绕声道360被直接发送到左射式换能器304而没有任何滤波、反转或其它操作。对于右射式换能器305，在信号被发送到右射式换能器305之前，左环绕声道360被发送通过低通滤波器361和延迟模块362。[0088]图2J示出了针对右环绕声道370的信号处理。来自右环绕声道370的信号在左射式换能器304和右射式换能器305之间被分离。右环绕声道370被直接发送到右射式换能器305而没有任何滤波、反转或其它操作。对于左射式换能器304，在信号被发送到左射式换能器304之前，右环绕声道370被发送通过低通滤波器371和延迟模块372。在图2A-2J示出的实施例中，可以从侧射式换能器创造虚拟环绕。外壳的遮蔽和换能器的自然成束有助于为收听区域中的听者创造虚拟环绕效果。两扬声器条形音箱根据另一实施例，两个扬声器用于产生虚拟环绕声。图3A示出了两扬声器实施例的示例。根据一些实施例，在如图3B-3E所示的扬声器系统中使用左声道530、左环绕声道540、右声道550以及右环绕声道560。如图3F所示，中心声道570可以在虚拟环绕处理之前被混合到左声道571和右声道572。左侧和右侧是彼此的镜像，因此将仅详细地说明左侦U。例如，如果左信号530示出为被路由到左扬声器520上的换能器525，则相应的右信号550将从右扬声器510上的换能器515传出。 在许多偶极波束形成装置中，使换能器靠拢以优化消除效果是问题。如之前所述，四分之一波长规则规定了偶极对的换能器的中心之间的、用于消除特定频率的最优距离。对于高频偶极对，这使得其自身适合于间隔小的小驱动器。另外，低频处的偶极波束形成可导致消除某些声音。因此，低频在该区域中可能需要更高效，并且可能需要被提高以创造更好的环绕声体验。在各个两扬声器实施例中，这些问题是如下解决的通过使得不同尺寸的驱动器的偶极阵列针对较低频率和较高频率进行优化，并且通过具有另外的驱动器组用以提闻低频。在图3A不出的实施例中，不出了两个分开的扬声器510和520。每个扬声器包括两个偶极波束形成阵列。左扬声器520中的阵列对是换能器521和522、以及换能器525和526。类似地，右扬声器510中的阵列对是换能器511和512、以及换能器515和516。左外壳的换能器阵列521和522以及右外壳的换能器阵列511和512提供了低频偶极波束形成，而换能器对525/526和516/515分别为左扬声器和右扬声器提供了高频偶极波束形成。一些实施例可在单独的外壳中使用亚低音扬声器580,以进一步加强低频声音。根据一个实施例，换能器511和512是低频低音扬声器阵列。类似地，521和522也是低频低音扬声器阵列。换能器515和516以及换能器525和526是高频高音扬声器阵列。根据一个实施例，高频高音扬声器阵列集中在2. 5KHz。根据一个实施例,低频低音扬声器阵列集中在800Hz。如果换能器集中在以上列出的频率，则四分之一波长间距规则可规定换能器的期望分隔。根据一个实施例，换能器对521和522在其中心之间隔开11cm。类似地，511和512在其中心之间隔开11cm。根据一个实施例，换能器525和526在其中心之间隔开3. 4cm。类似地，根据一个实施例，换能器516和515在其中心之间隔开3. 4cm。图3B和3C示出了根据一个实施例的信号处理。如之前所述，图3B和3C示出了左侧的声道，而图3D和3E中示出的右侧的声道仅会是图3B和3C中所呈现内容的镜像。然而，左环绕声道540和右环绕声道560之间的一个区别在于，左环绕声道在根据频率划分信号之前，使其信号被反转器543反转。替选地，右环绕声道可以被反转，而不是左环绕声道被反转。条件是左环绕声道和右环绕声道彼此异相。[0097]如同图3A中不出的实施例一样,声音的四个声道可以供各个实施例使用左530、左环绕540、右以及右环绕。各个实施例可诸如通过包括中心声道570或亚低音扬声器声道580来使用更多个声道，并且各个实施例可使用更少的声道，诸如仅使用左声道和右声道。中心声道570的输入可以在环绕处理之前被混合到左声道和右声道中。另外，左声道和右声道可被处理为环绕声道，以加宽立体声像。这些声道可以使用已知手段从音频源被发送到各个实施例。图3B示出了针对左声道530的信号处理。来自左声道530的信号被分离成高频分量和低频分量。高频信号可以被发送到高音扬声器偶极对525和526。低频信号可以被发送到左低音扬声器521、522。图3C示出了针对左环绕声道540的信号处理。左环绕声道被反转器543反转，并且然后被分离成其高频分量和低频分量。对于使左环绕声道被反转的该实现，右环绕声道将不被反转。另外，这可以是相反的，以使得右环绕声道被反转而左环绕声道不被反转。 环绕声道的高频分量在通过高通滤波器之后被发送到换能器525。高频分量在被发送到换能器526之前，还被发送通过延迟模块544并被再次反转545。根据一些实施例，延迟模块544可为信号引入0.045ms的延迟，其中，被该延迟被调整以对应于期望的收听位置。低频分量在通过低通滤波器之后被发送到换能器521。低频分量在被发送到换能器522之前，还被发送通过延迟模块546并被再次反转547。根据一些实施例，延迟模块546可为信号引入0. 181ms的延迟，其中，该延迟被调整以对应于期望的收听位置。除了左环绕信号和右环绕信号之外，替选实施例可以将偶极波束形成应用于左信号和右信号。各个实施例可使用来自计算机或电视机的左输出和右输出，而不使用任何中心声道或环绕声道。左输出和右输出可与环绕声道类似地被处理，以实现更宽的立体声像。根据各个实施例，环绕的一个声道被反转。四条形音箱图5A是根据本实用新型的一个实施例的条形音箱700的简化示意图。条形音箱700包括换能器组，其中，该换能器组中的换能器以附图标记701、702、703以及704来标记。根据替选实施例，条形音箱700可具有更多或更少的换能器。换能器组可放置在外壳705中。可假定条形音箱700有多种音频声道。根据一些实施例，条形音箱被配置成接收左声道710、左环绕声道740、右声道720、右环绕声道750以及中心声道730。图5B-5G示出了以上描述的音频声道到条形音箱700中的换能器组的路由。根据各种替选实施例，传送到条形音箱700中的换能器的可能声道的上述列表可包括各种其它音频声道。例如，为了提取特定内容，组合声道760可被传送到换能器701-704中的一个或多个。根据一个实施例，组合声道760可包括左声道710减去右声道720、和/或左环绕声道740减去右环绕声道750。用于虚拟环绕声效果的音频处理可应用于左环绕声道740、右环绕声道750以及组合声道760。根据一些实施例，通过经由左环绕声道740和右环绕声道750的处理，用于虚拟环绕声效果的音频处理可应用于左声道710和右声道720。针对左声道和右声道的音频处理流程可基本上分别类似于图5E和5F中示出的音频处理流程。其它声道也可被处理用于虚拟环绕声效果。根据一些实施例，单独的亚低音扬声器也可与条形音箱700结合操作，以提供改进的低频声音生成。[0105]根据一个实施例，条形音箱700被配置为两级偶极波束形成阵列，以提供具有相对高的恒定方向性的增强虚拟环绕声。两级偶极波束形成阵列可被划分成低频阵列和两个高频阵列。低频阵列和高频阵列被配置成在其各自的频率处产生虚拟环绕声。根据一个实施例，低频被认为是直到Ikhz的频率，而高频被认为是I. 5khz和6khz之间的频率。换能器可以是不同的尺寸。例如，换能器701和703可小于换能器702和704。换能器701和703可具有相同尺寸，并且换能器702和704可具有相同尺寸。根据一个或多个替选实施例，换能器701、702、703以及704可具有与以上描述的和图5A示出的尺寸不同的尺寸。例如，换能器701、702、703以及704可具有相同尺寸，或者换能器701和703可大于换能器702和704。以下描述如何产生声音阵列的进一步细节。根据一个实施例，靠外的换能器701和703是高音扬声器,而靠内的换能器702和704是低音扬声器。靠内的换能器702和704可被配置为低频阵列，其中，低频阵列的中心频率可由等于靠内的换能器的中心之间的中心间距离的四分之一波长来确定。换能器701和702可被配置为形成高频阵列。类似地，换能器703和704可被配置为形成高频阵列。高频阵列的中心频率由换能器701和702之间的中心间距离、以及换能器703和704 之间的中心间距离来确定。图5B-5G示出了根据一个实施例的、用于实现两级偶极波束形成阵列的信号处理。图5B示出了针对左声道710的信号处理。来自左声道710的音频信号被发送到换能器701和702。图5C示出了针对右声道720的信号处理。来自右声道720的音频信号被发送到换能器703和704。图示出了针对中心声道730的信号处理。来自中心声道730的音频信号被发送到换能器701-704中的每个。图5E示出了针对左环绕声道740的信号处理。左环绕声道740被分离成频带组(例如，三个频带低、中以及高)。换能器701和702均可接收左环绕声道740而没有虚拟环绕处理。换能器701可在由高通滤波器741和低通滤波器742定义的最优频率区域中，与换能器702形成高频偶极对。并且反转器743和延迟744可被配置成产生偶极阵列。在一些实施例中，高通滤波器可以是I. 5kHz的高通滤波器，并且低通滤波器可以是6kHz的低通滤波器。换能器702还与换能器704形成低频阵列。换能器702和704的低频阵列提供了左环绕声道740和组合声道760均被传输通过由高通滤波器745和761、以及低通滤波器746和762定义的最优频率区域。图5F示出了针对右环绕声道750的信号处理。右环绕声道750被分离成频带组(例如，三个频带低、中以及高)。换能器703可接收右环绕声道750而没有虚拟环绕处理，并且换能器704可接收右环绕声道750而没有虚拟环绕处理。换能器704可与换能器703形成高频偶极对，其中，高频对被配置成在由高通滤波器751和低通滤波器752定义的最优频率跨度中工作。反转器753和延迟754可被配置成产生偶极阵列。在一些实施例中，高通滤波器可以是I. 5kHz的滤波器，并且低通滤波器可以是6kHz的滤波器。换能器704还与换能器702形成低频阵列，其中，右环绕声道750和组合声道760均在由高通滤波器755和761、以及低通滤波器756和762定义的最优频率区域中工作。描述并说明了本实用新型的各个实施例的原理，对本领域的技术人员来说明显的是，在不背离所述实施例的范围和界限的情况下，可以在布置和细节方面对实施例进行修改。这里所述的许多示例旨在为说明性的而非限制权利要求。例如，在该申请中描述的软件部件或功能中的任何可被实现为软件代码，该软件代码要由控制器或处理器使用任何适当的计算机语言来执行，该计算机语言诸如，使用例如传统技术或面向对象技术的汇编代码、C或者C++。软件代码可被存储作为计算机可读介质上的系列指令或者命令，该计算机可读介质诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、诸如硬盘驱动器或软盘的磁介质、闪存驱动器、或者诸如CD-ROM的光学介质。任何这样的计算机可读介质可驻留在单个计算设备上或其之内，并且可存在于系统或网络内的不同计算设备上或其之内。注意，这里所述的“一(a)”、 “一个(an)”或者“所述(the) ”旨在表示“一个或多个”，除非特别指出为不是“一个或多个”。这里所提及的“组”包括一个或多个元件。此外，上述的所有专利、专利申请、公布以及描述都通过引用将其内容合并于此，以用于所有目的。以上均不被承认是现有技术。
权利要求1.一种扬声器系统,包括 扬声器外壳; 换能器的第一阵列，其安装在所述扬声器外壳中并且具有第一横向位移； 换能器的至少第二阵列，其在所述扬声器外壳中并且具有第二横向位移，所述第二横向位移大于所述第一横向位移，其中，所述第二阵列是低频阵列，而所述第一阵列是高频阵列;其中: 包括在所述第一阵列中的换能器被配置成具有覆盖至少所述第一阵列和所述第二阵列的频率范围的工作频率区域，并且 包括在所述第二阵列中的换能器被配置成具有覆盖至少所述第一阵列和所述第二阵列的频率范围的工作频率区域； 扬声器输入端口 ；以及 与所述扬声器输入端口操作地耦合的控制器，其中，所述控制器被配置成将电-音频信号提供到所述换能器，以使得所述第一阵列和所述第二阵列被调整到不同的中心频率并且作为两级偶极波束形成阵列。
2.如权利要求I所述的扬声器系统，其中，所述第二阵列是混合输入声道阵列。
3.如权利要求I所述的扬声器系统，其中，所述第一阵列和所述第二阵列共同包括至少第一换能器、第二换能器、第三换能器以及第四换能器。
4.如权利要求3所述的扬声器系统，其中，所述第一换能器和所述第二换能器形成所述低频阵列，而所述第一换能器和所述第三换能器形成所述高频阵列，并且所述第二换能器和所述第四换能器形成另一高频阵列。
5.如权利要求3所述的扬声器系统,其中 所述第一和第二换能器是被配置用于低频工作区域的低音扬声器， 所述第三和第四换能器是被配置用于高频工作区域的高音扬声器，并且所述低音扬声器和高音扬声器具有重叠的工作频率区域，并且被配置用于所述高频阵列的偶极波束形成。
6.如权利要求3所述的扬声器系统，其中，所述第一换能器、第二换能器、第三换能器以及第四换能器具有基本上相似的工作频率区域。
7.如权利要求3所述的扬声器系统，其中，所述控制器被配置成 将所述电-音频信号的左声道路由到所述第一换能器和所述第三换能器， 将所述电-音频信号的右声道路由到所述第二换能器和所述第四换能器，以及将所述电-音频信号的中心声道路由到所述第一换能器、所述第二换能器、所述第三换能器和/或所述第四换能器。
8.如权利要求7所述的扬声器系统，其中，所述控制器被配置成将所述电-音频信号的右环绕声道分成第一和第二频带，并且其中 所述右环绕声道的所述第一频带与左环绕声道组合并且被传送到所述第一和第二换能器，其中，所述右环绕声道和所述左环绕声道被处理为低频带限偶极波束形成阵列。
9.如权利要求8所述的扬声器系统，组合声道被配置成具有被施加到形成所述组合声道的组成声道的任意增益。
10.如权利要求8所述的扬声器系统，所述右环绕声道的所述第二频带是中频带滤波的，并且被处理成在所述第二和第四换能器之间产生偶极波束形成阵列，其中，左侧间隔的换能器相对于更右侧的换能器被反转并被延迟。
11.如权利要求10所述的扬声器系统，其中，所述控制器被配置成将所述电-音频信号的左环绕声道分成第一和第二频带，并且其中 所述左环绕声道的所述第一频带与所述右环绕声道组合并且被传送到所述第一和第二换能器，其中，所述左环绕声道和所述右环绕声道被处理为低频带限偶极波束形成阵列。
12.如权利要求11所述的扬声器系统，其中，所述左环绕声道的所述第二频带是中频带滤波的，并且被处理成在所述第一和第三换能器之间产生偶极波束形成阵列，其中，更右 侧的换能器相对于更左侧的换能器被反转并被延迟。
13.如权利要求3所述的扬声器系统，其中，所述电-音频信号的组合声道是频率带限的，以产生所述低频阵列。
14.如权利要求13所述的扬声器系统，其中，所述组合声道被配置成将所述左声道、所述右声道、所述中心声道、所述左环绕声道以及所述右环绕声道与任意增益组合，以用于环绕效果处理。
15.如权利要求I所述的扬声器系统，其中，所述低频阵列的低频信号是由偶极波束形成阵列的四分之一波长间距来确定的，其中，阵列能够使用的频率区域在围绕阵列中心频率f_c的+/-2倍频程内，其中，f_c = c/ (4d)，“c”是声速，并且“d”是偶极阵列换能器之间的中心间距离。
16.如权利要求I所述的扬声器系统，还包括具有所述第一横向位移的换能器的第三阵列，其中，所述第三阵列是高频阵列，并且被配置成具有覆盖至少所述第一阵列、所述第二阵列以及所述第三阵列的频率范围的工作频率区域。
17.如权利要求I所述的扬声器系统，其中，所述第一阵列和所述第二阵列被配置用于与一组侧射式换能器组合工作，以产生虚拟环绕，其中，该组侧射式换能器用于外壳遮蔽和换能器定向。
18.如权利要求I所述的扬声器系统，还包括至少一个附加的横向间隔的偶极波束形成阵列。
专利摘要本实用新型公开了一种扬声器系统，其中，该扬声器系统包括扬声器外壳中的换能器的第一阵列、以及扬声器外壳中的换能器的至少第二阵列。第二阵列是低频阵列，而第一阵列是高频阵列。第一阵列中的换能器被配置成具有覆盖至少第一阵列和第二阵列的频率范围的工作频率区域，并且第二阵列中的换能器被配置成具有覆盖至少第一阵列和第二阵列的频率范围的工作频率区域。该扬声器系统还包括输入端口以及与输入端口操作地耦合的控制器。控制器被配置成将电-音频信号提供到换能器，以使得第一阵列和第二阵列被调整到不同的中心频率并且作为两级偶极波束形成阵列。
文档编号H04R5/00GK202565456SQ20112006156
公开日2012年11月28日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年3月4日
发明者贾森·里格斯, 贾森·N·林瑟, 胡荣, 乔伊·E·莱昂斯 申请人:罗技欧洲公司