CN1761368A - 再现音频信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

将音频信号提供给扬声器阵列以执行波阵面合成。用波阵面合成在无穷远处产生虚拟声源。

Description

再现音频信号的方法和装置

(1)技术领域

本发明涉及再现音频信号的方法和装置。

(2)背景技术

在双声道立体声系统中，例如图14所示，虚拟声源VSS在左声道扬声器SPL和右声道扬声器SPR之间的一条线上产生，且感觉到的声音就象是从虚拟声源VSS发出的。当收听者位于其底边是扬声器SPL和SPR之间的线的等腰三角形的顶点时，实现了具有平衡的左右输出的立体声声场。特别是给予了位于等边三角形的顶点P0处的收听者最佳的立体声效果(见PCT日文译文专利公开号：2002-505058)。

(3)发明内容

然而，实际上，收听者不总是位于最佳收听点P0。例如，在存在多个收听者的环境中，一些收听者可以靠近任一扬声器。这样的收听者会听到将其任一声道中再现的声音加重的不平衡的声音。

即使在存在单个收听者的环境中，给出最佳效果的收听点限于点P0。

根据本发明的一个实施例的用于再现音频信号的方法包括以下步骤：将第一音频信号提供给第一扬声器阵列以执行波阵面合成，用波阵面合成在无穷远处产生第一虚拟声源，将第二音频信号提供给第二扬声器阵列以执行波阵面合成，并用波阵面合成在无穷远处产生第二虚拟声源，其中从第一虚拟声源获取的第一声波的传播方向和从第二虚拟声源获取的第二声波的传播方向相互交叉。

根据本发明的一个实施例，左右声道声波作为平行平面波从扬声器输出。因此，可以在各声波声道的整个收听区域以相同的音量级再现声音，且收听者可以在整个收听区域收听具有平衡音量的左右声道声音。

(4)附图说明

图1为示出本发明的一个实施例的声音空间的图；

图2A和2B为示出本发明的一个实施例的声音空间的图；

图3为示出根据本发明的一个实施例的示例声音空间的图；

图4A和4B为根据本发明的一个实施例的波阵面合成的模拟图；

图5A和5B为示出根据本发明的一个实施例的波阵面的图；

图6为示出根据本发明的一个实施例的声音空间的图；

图7为示出根据本发明的一个实施例的电路的示意图；

图8为根据本发明的一个实施例的再现装置的方框图；

图9A和9B为示出根据本发明的实施例的再现装置的操作的图；

图10为根据本发明的一个实施例的再现装置的方框图；

图11A和11B为示出根据本发明的实施例的再现装置的操作的图；

图12A和12B为示出根据本发明的一个实施例的再现操作的图；

图13为示出根据本发明的一个实施例的再现装置的操作的图；

图14为示出一般的立体声声场的图。

(5)具体实施方式

根据本发明的一个实施例，用波阵面合成产生虚拟声源，并控制该虚拟声源的位置以将左右声道声波作为平行平面波传播。

[1]声场再现

参见图1，闭合的表面S包围着一个具有任意形状的空间，且在该闭合的表面S中不包括声源。以下符号用于表示该闭合表面S的内部和外部空间：

p(ri)：内部空间中任意点ri处的声压

p(rj)：闭合的表面S上任意点rj处的声压

ds：包括点rj的小区域

n：在点rj处到小区域ds的矢量法线

un(rj)：在点rj处法线n的方向上的声点速度

ω：音频信号的角频率

ρ：空气密度

v：音速(＝340m/s)

k：ω/v

用以下基尔霍夫积分公式确定声压p(ri)：

$p\left(\mathrm{ri}\right)=\∫(p\left(\mathrm{rj}\right)\frac{\∂\mathrm{Gij}}{\∂n}+\mathrm{j\ω\ρun}\left(\mathrm{rj}\right)\mathrm{Gij})\mathrm{ds}$        …公式(1)

其中      $\mathrm{Gij}=\frac{\exp (-\mathrm{jk}|\mathrm{ri}-\mathrm{rj}\left|\right)}{4\mathrm{\π}|\mathrm{ri}-\mathrm{rj}|}$

公式(1)指闭合表面S上点rj处声压p(rj)和在法向矢量方向上点rj处的声点速度un(rj)的合适的控制允许在闭合表面S的内部空间中再现声场。

例如，声源SS在图2A的左边部分中示出，而围绕具有半径R的球面空间的闭合表面SR(由虚线表示)在图2A的右边部分示出。如上所述，通过控制闭合表面SR上的声压和声点速度un(rj)，可以不用声源SS而再现由声源SS在闭合表面SR的内部空间内产生的声场。在声源SS的位置处产生虚拟声源VSS。因此，合适地控制了闭合表面SR上的声压和声点速度，从而允许收听者在闭合表面SR内感觉到声音，就好象虚拟声源VSS处于声源SS的位置。

当闭合表面SR的半径无穷大时，定义了一个平面表面SSR而不是闭合表面SR，如图2A中的实线所示。又，通过控制平面表面SSR上的声压和声点速度，可以不用声源SS而再现由声源SS在闭合表面SR的内部空间中所产生的声场、或在平面表面SSR右边区域内所产生的声场。在此情况下，也在声源SS的位置处产生虚拟声源VSS。

因此，对平面表面SSR上所有点处的声压和声点速度的合适的控制允许将虚拟声源VSS放置在平面表面SSR的左边，并允许将声场放置在右边。该声场可以是收听区域。

实际上，如图2B中所示，平面表面SSR的宽度是有限的，并控制了平面表面SSR上有限的点CP1-CPx处的声压和声点速度。在以下说明中，将平面表面SSR上声压和声点速度受控制的点CP1-CPx称为“控制点”。

[2]控制点CP1-CPx处的声压和声点速度的控制

为了控制控制点CP1-CPx处的声压和声点速度，如图3中所示，执行以下过程：

(A)相对于平面表面SSR将多个m扬声器SP1-SPm放置在靠近声源，例如，平行于平面表面SSR。扬声器阵列是扬声器SP1-SPm的集合。

(B)控制提供给扬声器SP1-SPm的音频信号以控制在控制点CP1-CPx处的声压和声点速度。

这样，用波阵面合成再现从扬声器SP1-SPm输出的声波，好象该声波是从虚拟声源VSS输出，以产生所希望的声场。用波阵面合成再现从扬声器SP1-SPm输出的声波的位置处于平面表面SSR上。因此，在以下说明中，平面表面SSR被称为“波阵面合成表面”。

[3]波阵面合成的模拟

图4A和4B示出示例的基于计算机的波阵面合成的模拟。虽然以下讨论提供给扬声器SP1-SPm的音频信号的处理，用下列值进行模拟：

扬声器的数量m：16

扬声器之间的距离：10cm

各扬声器的直径：8cmΦ

控制点的位置：向收听者离开各扬声器10cm

控制点的数量：116(在线上以1.3cm的间隔相隔)

图4A中所示的虚拟声源的位置：收听区域前面1m

图4B中所示的虚拟声源的位置：收听区域前面3m

收听区域的大小：2.9(深)×4m(宽)

当用w表示以米(m)为单位的扬声器之间的距离，用v表示音速(＝340m/s)，并用fhi表示以赫兹(Hz)为单位的再现的上限频率时，定义下列等式：

fhi＝v/(2w)

因此，最好减小扬声器SP1-SPm(m＝16)之间的距离w。因此，扬声器SP1-SPm的直径越小越好。

当提供给扬声器SP1-SPm的音频信号是数字处理的信号时，控制点CP1-CPx之间的距离最好不超过与采样频率相应的波长的1/4-1/5，以抑制采样干扰。如上所述，在这些模拟中，提供了8kHz的采样频率，且控制点CP1-CPx之间的距离为1.3cm。

在图4A和4B中，用波阵面再现从扬声器SP1-SPm输出的声波，就好象它们是从虚拟声源VSS输出的，并在收听区域中显示清楚的波形。即，合适地进行波阵面合成以产生目标虚拟声源VSS和声场。

在图4A中所示的模拟中，虚拟声源VSS的位置是收听区域前1m，且虚拟声源VSS离波阵面合成表面SSR较近。因此波形的曲率小。另一方面，在图4B中所示的模拟中，虚拟声源VSS的位置是收听区域前3m，且虚拟声源VSS比图4A所示的离波阵面合成表面SSR更远。因此波形的曲率比图4A中所示的大。因此，因为虚拟声源VSS离波阵面合成表面SSR更远，声波变得更靠近平行平面波。

[4]平行平面波声场

如图5A中所示，根据从扬声器SP1-SPm的输出用波阵面合成产生虚拟声源VSS。虚拟声源VSS设置在离扬声器SP1-SPm无限距离处(波阵面合成表面)，并设置在扬声器SP1-SPm的中心的声轴上。如从前面部分(部分[3])中的波阵面合成的模拟中可以明显地看出的，通过波阵面合成所获得的声波(波形)SW也具有无限曲率，且声波SW作为平行平面波沿扬声器SP1-SPm的的声轴传播。

如图5B中所示，另一方面，当将虚拟声源VSS放置在离扬声器SP1-SPm无穷远处时，如果虚拟声源VSS的位置从扬声器SP1-SPm的中心声轴偏移，通过波阵面合成所获得的声波SW作为平行平面波传播，并将声波SW的传播方向与扬声器SP1-SPm的声轴之间所限定的角θ设置成θ≠0。

在以下说明中，角θ称为“偏转角”。在立体声系统中，当声波SW的传播方向沿扬声器SP1-SPm的中心声轴时设定θ＝0，为左声道中的逆时针方向设置θ＞0，为右声道中的顺时针方向设置θ＜0。

因为图5A和5B中所示的声波SW包括平行平面波，在由声波SW产生的整个声场中声波SW具有相同的声压，故声压级没有不同。因此，在整个声波SW的声场中音量级相同。

[5]波阵面合成算法

在图6中，使用下列符号：

u(ω)：虚拟声源VSS的输出信号，即，原始音频信号

H(ω)：与信号u(ω)卷积以实现合适的波阵面合成的传递函数

C(ω)：从扬声器SP1-SPm至控制点CP1-CPm的传递函数

q(ω)：用波阵面合成在控制点CP1-CPm处实际再现的信号

通过将传递函数C(ω)和H(ω)与原始音频信号u(ω)卷积来确定再现的音频信号q(ω)，并由下列等式给出：

q(ω)＝C(ω)·H(ω)·u(ω)

通过确定从扬声器SP1-SPm至控制点CP1-CPx的传递函数来定义传递函数C(ω)。

通过传递函数H(ω)的控制，根据再现的音频信号q(ω)执行合适的波阵面合成，并产生图5A和5B中所示的平行平面波形。

[6]发生电路

用于产生根据前面部分(部分[5])中所述的波阵面合成算法从原始音频信号u(ω)再现的音频信号q(ω)的发生电路可具有图7中所示的示例结构。为扬声器SP1-SPm中的每一个提供了此发生电路，并提供了发生电路WF1-WFm。

在各发生电路WF1-WFm中，通过输入端11将原始数字音频信号u(ω)依次提供给数字滤波器12和13以产生再现的音频信号q(ω)，并通过输出端14将该信号q(ω)提供给扬声器SP1-SPm中的相应扬声器。发生电路WF1-WFm可以是数字信号处理器(DSP)。

因此，根据扬声器SP1-SPm的输出产生虚拟声源VSS。可以通过滤波器12和13的传递函数C(ω)和H(ω)将虚拟声源VSS的位置设置成预定值，例如将虚拟声源VSS放置在离扬声器SP1-SPm无穷远处。如图5A或5B所示，可以通过改变滤波器12和13的传递函数C(ω)和H(ω)来改变偏转角θ。

[7]第一实施例

图8示出根据本发明的第一实施例的再现装置。该再现装置根据在前面部分(部分[1]-[6])中所述的过程产生虚拟声源VSS，并将虚拟声源VSS设置在离波阵面合成表面SSR无穷远处。在图8中，m个扬声器SP1-SPm的数量为24(m＝24)。例如，如图3所示，扬声器SP1-SPm平行地放置在收听者前面以产生一个扬声器阵列。

在图8中，从诸如光盘(CD)播放器、数字通用光盘(DVD)播放器或数字广播调谐器之类的信号源SC获取左声道数字音频信号uL(ω)和右声道数字音频信号uR(ω)。将信号uL(ω)提供给发生电路WF1-WF12以产生与再现的音频信号q(ω)相应的再现的音频信号q1(ω)-q12(ω)。将信号uR(ω)提供给发生电路WF13-WF24以产生与再现的音频信号q(ω)相应的再现的音频信号q13(ω)-q24(ω)。

信号q1(ω)-q12(ω)和q13(ω)-q24(ω)被提供给数字/模拟(D/A)转换器电路DA1-DA2和DA13-DA24，并被转换成模拟音频信号L1-L12和R13-R24。通过功率放大器PA1-PA12和PA13-PA24将信号L1-L12和R13-R24提供给扬声器SP1-SP12和SP13-SP24。

再现装置还包括用作用于将虚拟声源VSS的位置设置在无穷远处的位置设置电路的微型计算机21。微型计算机21具有用于设置偏转角θ的数字Dθ。可以将该偏转角θ以5°的幅度例如从0°变成45°。因此，微型计算机21包括与信号q1(ω)-q24(ω)的个数即24和能设置的偏转角θ的个数即10相应的24×10数据集Dθ，并通过操作操作开关22来选择这些数据集Dθ中的一个。

将选择的数据集Dθ提供给各发生电路WF1-WF24中的数字滤波器12和13，并控制数字滤波器12和13的传递函数H(ω)和C(ω)。

通过此结构，发生电路WF1-WF24将从信号源SC输出的左声道数字音频信号uL(ω)转换成信号q1(ω)-q24(ω)，并将信号q1(ω)-q24(ω)经数模转换后的音频信号L1-L12提供给扬声器SP1-SP24。因此，如图9A和9B，从扬声器SP1-SP12将左声道声波SWL作为平行平面波输出。同样地，根据右声道数字音频信号uR(ω)，从扬声器SP13-SP24将右声道声波SWR作为平行平面波输出。

因此，收听者可以收听从立体声系统中的信号源SC输出的音频信号uL(ω)和uR(ω)。左声道中的音量级在左声道声波SWL的整个收听区域中相同，而右声道中的音量级在右声道声波SWR的整个收听区域中相同。

因此，在两个声波SWL和SWR的收听区域中，即在图9A和9B中声波SWL和SWR相互重叠的区域中，在该收听区域中左声道中的音量级与右声道中的音量级相同。因此，收听者可以在整个该收听区域收听具有平衡的音量级的左右声道声音。

例如，即使在存在多个收听者的环境中，所有收听者都可以收听具有左右声道中最佳平衡的音量级的音乐等。即使在存在单个收听者的环境中，收听点也不限于特定点，且收听者可以在任何地方听声音。也可以空间定位声音。

当操作操作开关22来改变数据Dθ时，根据数据Dθ控制在各发生电路WF1-WF24中的滤波器12和13的特性。例如，如图9A或9B所示，根据数据Dθ将该偏转角θ以5°的幅度从0°变成45°。图9A和9B分别示出偏转角θ为大和小。

根据一个收听者或几个收听者，改变偏转角θ以改变声波SWL和SWR的收听区域，从而提供理想的声场。

[8]第二实施例

图10示出本发明的第二实施例的再现装置。在第二实施例中，如图11A和11B所示，从虚拟声源VSS输出的声波SWL和SWR作为平行平面波传播的区域比在前面部分(部分[7])中所描述的第一实施例中区域要宽。

如前面部分(部分[7])中所描述的第一实施例中，m个扬声器SP1-SPm的个数为24(m＝24)且例如扬声器SP1-SP24以图3中所示的方式平行地放置在收听者前面以产生一个扬声器阵列。

从信号源SC获取左右声道数字音频信号uL(ω)和uR(ω)。将信号uL(ω)提供给发生电路WF1-WF24以产生与再现的音频信号q(ω)相应的再现的音频信号q1(ω)-q24(ω)。将信号q1(ω)-q24(ω)提供给加法电路AC1-AC24。

将信号uR(ω)提供给发生电路WF25-WF48以产生与再现的音频信号q(ω)相应的再现的音频信号q25(ω)-q48(ω)，并将信号q25(ω)-q48(ω)提供给加法电路AC1-AC24。加法电路AC1-AC24输出信号q1(ω)-q24(ω)与q25(ω)-q48(ω)相加的信号S1-S24。相加的信号S1-S24由下列等式给出：

S1＝q1(ω)+q25(ω)

S2＝q2(ω)+q26(ω)

…

S24＝q24(ω)+q48(ω)

将相加的信号S1-S24提供给D/A转换器电路DA1-DA24，并转换成模拟音频信号。将模拟信号通过功率放大器PA1-PA24提供给扬声器SP1-SP24。

该再现装置还包括用作用于将虚拟声源VSS的位置设置在无穷远处的位置设置电路的微型计算机21。微型计算机21具有用于设置偏转角θ的数据Dθ。如果可以将偏转角θ按5°的幅度例如从0°变成45°，则微型计算机21包括与信号q1(ω)-q48(ω)的个数即48和能设置的偏转角θ的个数即10相应的48×10数据集Dθ，并通过操作操作开关22来选择这些数据集Dθ中的一个。将所选择的数据集Dθ提供给各发生电路WF1-WF24中的数字滤波器12和13，并控制数字滤波器12和13的传递函数H(ω)和C(ω)。

采用此结构，因为相加的信号S1-S24是左声道中的再现的音频信号q1(ω)-q24(ω)与右声道中的再现的音频信号q48(ω)-q25(ω)相加的信号，如图11A或11B所示，左声道声波SWL和右声道声波SWR被线性相加并从扬声器SP1-SP24输出。

当操作操作开关22来选择数据Dθ时，偏转角θ以图11A或11B所示的方式改变。图11A和11B分别示出偏转角θ是大和小。

因此，根据第二实施例的再现装置也可以输出左右声道声波SWL和SWR作为平行平面波，因此，允许收听者收听从立体声系统中的信号源SC输出的音频信号uL(ω)和uR(ω)。收听者也可以在图11A和11B中声波SWL和SWR相互重叠的整个区域内收听具有平衡级的左右声道声音。

如图11A和11B所示，虚拟声源VSS输出的声波SWL和SWR作为平行平面波传播的区域比图9A和9B中所示的区域要宽，从而允许收听者收听在更宽的区域中具有平衡的级的左右声道声音。另外，在θ＝0时实现非立体声再现，因此可以根据偏转角θ调节对声音的立体声感觉。

[9]第三实施例

图12示出将平行平面波立体声再现应用于右、左和中声道中的三声道立体声再现的示例应用。可以通过将环绕右和环绕左(或右后或左后)声道组合成五声道立体声再现中的右前和左前声道来实施该三声道立体声再现。

在三声道立体声再现中，将左声道中的再现的音频信号q1(ω)-q8(ω)的模拟信号提供给扬声器SP1-SP24中的8个左声道扬声器SP1-SP8，将中声道中再现的音频信号q9(ω)-q16(ω)的模拟信号提供给8个中声道扬声器SP9-SP16，并将右声道中再现的音频信号q17(ω)-q24(ω)的模拟信号提供给8个右声道扬声器SP17-SP24。以上述方式产生再现的音频信号q1(ω)-q8(ω)、q9(ω)-q16(ω)和q17(ω)-q24(ω)。

如图12A和12B所示，因此，获取右和左声道声波SWL和SWR作为平行平面波，获取中声道声波SWC作为平行平面波。例如可以用图12A或12B中所示的方式改变声波SWL和SWR的偏转角θ。图12A或12B示出该偏转角θ分别为大和小。

[10]第四实施例

图13示出从扬声器SP1-SP24输出的平行平面波在墙面上被反射而将反射波对着收听者。具体来说，将右声道中再现的音频信号q13(ω)-q24(ω)的模拟信号提供给扬声器SP1-SP24中的左声道扬声器SP1-SP12，并将右声道声波SWR输出作为平行平面波。声波SWR在右墙面WR上被反射。

将左声道中的再现的音频信号q1(ω)-q12(ω)的模拟信号提供给扬声器SP1-SP24中的右声道扬声器SP13-SP24，并将左声道声波SWL输出作为平行平面波。声波SWL在左墙面WL上被反射。通过在墙面WL和WR上反射的声波SWL和SWR产生声场。

[11]其它实施例

虽然将该多个m个扬声器SP1-SPm水平地设置成一条线以产生扬声器阵列，扬声器阵列也可以是在垂直平面上设置成具有多行×多列的矩阵的扬声器的集合。虽然扬声器SP1-SPm与波阵面合成表面SSR相互平行，它们不一定要相互平行。扬声器SP1-SPm可以不放置在同一条线中或同一平面中。

由于听觉灵敏度或识别性能在水平方向上高而在垂直方向上低的听觉特性，可以将扬声器SP1-SPm设置成十字形或倒转的T形结构。当扬声器SP1-SPm与音响和视听(AV)系统集成时，可以将扬声器SP1-SPm以框架形结构放置在显示器的左、右、顶和底，或以U形或倒U形结构放置在显示器的左、右、顶和底。本发明的一个实施例也可以应用于后扬声器或侧扬声器，或应用于适用在垂直方向上输出声波的扬声器系统。可以将本发明的一个实施例与通用的双声道立体声系统或5.1声道的音响系统相组合。

本领域的技术人员应理解根据设计要求和其它因素可以有各种修改、组合、子组合和变型，就象它们在所附权利要求或其等效物的范围内一样。

Claims (8)

1.一种用于再现音频信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将第一音频信号提供给第一扬声器阵列以执行波阵面合成；并用波阵面合成在无穷远处产生第一虚拟声源。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将第二音频信号提供给第二扬声器阵列以执行波阵面合成；

并用波阵面合成在无穷远处产生第二虚拟声源，

其中从所述第一虚拟声源获取的第一声波的传播方向和从所述第二虚拟声源获取的第二声波的传播方向相互交叉。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

通常将所述第一音频信号和所述第二音频信号提供给构成所述第一扬声器阵列和所述第二扬声器阵列的所有或部分扬声器。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，由相互交叉的所述第一声波的传播方向和所述第二声波的传播方向所限定的角是可变的。

5.一种用于再现音频信号的装置，其特征在于，包括：

第一处理电路，适用于处理提供给第一扬声器阵列的第一音频信号以根据从所述第一扬声器阵列输出的声波用波阵面合成产生第一虚拟声源；和

第一设置电路，适用于设置所述第一虚拟声源的位置，

其中所述第一设置电路将所述第一虚拟声源的位置设置在无穷远处，从而从所述第一扬声器阵列输出平行平面波。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

第二处理电路，适用于处理提供给第二扬声器阵列的第二音频信号以根据从所述第二扬声器阵列输出的声波用波阵面合成产生第二虚拟声源；和

第二设置电路，适用于将所述第二虚拟声源的位置设置在无穷远处，

其中从所述第一虚拟声源获取的第一声波的传播方向与从所述第二虚拟声源获取的第二声波的传播方向相互交叉。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，通常将所述第一音频信号和所述第二音频信号提供给构成所述第一扬声器阵列和所述第二扬声器阵列的所有或部分扬声器。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一设置电路和所述第二设置电路改变由相互交叉的所述第一声波和传播方向和所述第二声波的传播方向所限定的角。

Images