专利名称：参量虚拟扬声器和环绕声系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及音响系统，尤其是采用参量声源以从反射表面产生虚拟扬声器的音响系统。
背景技术：
声音重放技术的发展从一个简单的声源开始，例如喇叭扬声器，该声源在声学上与一个表面有物理声音划痕的旋转式圆筒耦合。发射的声音只是局限于某一个区域，是从一个有方向特征的喇叭，沿喇叭口轴线方向传播的。随着扬声器技术的日益成熟化，在声音重放技术中加入了立体声特点，并采用多个扬声器系统，产生左右或一侧到另一侧声音重放的电动式变化。现代环绕声系统利用不同的扬声器来产生立体声输出，也使得到达分布在听众周围的各扬声器的孤立声音同步移位。例如，通过协调屏幕上的特定事件和房间内不同方向移位声音的传播，电影的声音显示就可以更加真实。
由于耳朵的生理特征，人的听觉具有为声音分配方向的惊人能力。这种能力为大脑提供连续信息流，以及提供类似于定义个人在三维空间内的位置和环境的资料。通过把来自不同方向的声音，包括前方、侧面、后方、地板和天花板的传播方向，调整指向听众，现代环绕声系统就可模拟所需要的三维环境。这些声音包括不同方位人的语音，周围环境的自然声音，例如水流声、风声、雷声、鸟鸣以及动物发出的声音等。电影摄制包括为强调焦虑、恐惧、惊讶和高兴等情绪波动而人工合成的声音效果，以及碰撞、爆破和各式各样的视觉目标等的声音效果，利用多重方向的声音效果，使显示在屏幕上的这些视觉目标更加逼真。
为了实现上述有效的环绕声感受，传统的音响系统包括分布在房间周围(包括地板和天花板)的多个扬声器。典型情况下，低频扬声器分布在房间前面或地板下。这些低频扬声器方向性特征比较少，因而放置在房间的特定位置不会导致什么问题。而且，当房间尺寸比较小时，低频声音很难归于任何方向。由于传统的电动式扬声器很大，放置在房间前面通常会更实际。
随着频率的增加，声音传播的方向性特征也加强了。例如，器很容易探测到高频扬声的来源或方向。环绕声系统从分布在房间的两侧和后面的这些较小尺寸的扬声器提供高频这些，利用其辐射特征模拟类似于自然环境中多个方向的声音。这种扬声器组件的较小尺寸使其设置于墙壁和天花板上更加便利。
参量扬声器也以其高方向性特征著称。Tanaka等的美国利文4823908中公开了调制的超声载波的音频输出甚至在较低频率时也有更集中的方向性。Tanaka等专利的图2给出了一个直接朝向收听者9的传统参量音响系统8，但是也指出，能够产生理想音频输出的超声波分贝水平可能危害人体健康。因此，在发射机和听众之间的音频路径上采用音频滤波器10和20，来完全消除参量输出的超声波部分。尽管Tanaka等的专利中(图16)公开了反射板19，但是这些反射板的目的是延长音频路径以及改变超声波和/或音频的传播方向。除了可能的关于消除或增强分贝水平外，前述这些关于参量扬声器的教导没有指出直接投射到听众的参量输出和通过反射而间接投射到听众的同样音频输出之间的差异。
因此，现有技术的实现不同方向声源感觉的音响系统必须要求把扬声器沿特定方向放置在预定的位置。为了得到环绕声系统中那样的多个方向，需要放置在不同位置的多种扬声器(电动式、静电式、参量式等等)。因此，通常有必要采用更加复杂的技术来实现在听众所处环境中的不同位置放置扬声器系统。扬声器的电线必须要从声源延伸到扬声器。对于家庭影院，布线的花样翻新对于室内装潢可能是昂贵的和/或有害的。为避免难看的布线所做的努力可能包括FM无线传输系统，该系统非常昂贵，实际操作中也有很多问题。即使新建筑允许环绕声系统预先布线，其适应性也是有限的，因为扬声器是固定在一定的位置，并不能随着声音的转移而快速变换位置。如果需要根据声源的移位而移动，则要许多扬声器沿着声源方向移动，并利用复杂电路来同步经过所需扬声器装置的声音。这增加了发展更广泛的环绕声系统的成本和复杂性，尤其是在需要多种扬声器和相关布线以及附加电路的情况。
总之，声源电动式移动的额外成本和复杂性抑制了传统的除公共移动影院外其它环境的传统环绕声系统的普遍商业应用。
发明概述简言之，就一个方面而言，本发明是通过在听众周围提供多个扬声器位置的方法实现的。该方法包括下述步骤a)通过从位于声源的音频扬声器发射音频压缩波以产生初级(primary)音频输出，该扬声器沿初级音频路径直接朝向听众；b)通过从至少一个参量扬声器发射超声波声音而从至少一个虚拟扬声器产生二级(secondary)音频输出，该虚拟扬声器远离声源并且非电连接于声源，而且该参量扬声器朝向房间内的至少一个反射面，该反射面远离声源而且并不沿初级音频路径，由此而从反射面间接产生声音，该声音被认为是源于虚拟扬声器；c)合成音频扬声器的初级音频输出和至少一个参量扬声器的二级音频输出，因而听众听到的就是来自多个方向的协调包络在一起的声音效果。
进一步详细来说，本发明由一个在收听者周围提供多个扬声器位置的实施例来表示。本发明的装置包括耦合于声源的前置(frontal)扬声器，前置扬声器沿初级音频路径直接朝向听众，还包括至少一个参量扬声器，该参量扬声器朝向房间内的至少一个反射面，该反射面远离声源而且并不沿初级音频路径。该至少一个参量扬声器要提供非前置的音频输出，以形成远离且非电连接于声源的至少一个虚拟扬声器。而且，提供同步电路来协调音频扬声器的前置音频输出和至少一个参量扬声器的非前置音频输出，从而使听众收听到的是来自多个方向的协调包络在一起的声音效果。
本发明的另一个实施例是一参量扬声器，该参量扬声器向一反射面(形成第一个虚拟扬声器)发射超声波，该反射面在超声波带宽内基本不吸收超声波，从而沿二次反射提供了超声波输出的基本上的完全反射，该二次反射产生了另一个相应于第二反射面的延时的第二虚拟扬声器。
本发明更具体地方面还包括提供立体声的至少两个通道的初级音频输出以及至少两个通道的二级音频输出。用于二级输出的至少一个虚拟扬声器可以是房间内或者其它听众所处围场的侧壁。也可以利用天花板、地板和前后墙壁。虚拟扬声器的横向移动可以用来产生运动声源，例如在房间内。在一个更具体的方面，音频输出结合视觉显示可以提供给听众一个高逼真的现实场景。更进一步，把柱状超声波发送向第一个反射面以产生反射的音频声音和反射的柱状超声波，反射的柱状声音传播到第二个反射面，在此至少产生反射的音频声音，通过上述方法可以在两个位置上提供虚拟扬声器。而且，可以通过设置反射面的形状和所用的材料以改变虚拟扬声器的频率响应，这样就可以根据需要对虚拟扬声器进行调整。还可以对音频源信号进行预处理以提供所需要的由反射面组成的虚拟扬声器的音频输出。还可以利用一个反射的柱状超声波的投射和两个反射面来得到一个时间延迟的反射声音以模拟第一个声源的回声。还可以控制变量扬声器的输出指向不同位置，以产生不同离散位置的和/或移动的声源。还可以利用本发明的系统把人的注意力分散到一个由反射面组成的虚拟扬声器的特定位置。
根据下面再结合附图的详细描述，本发明的其它一些特征对于本领域的技术人员来说是很明显的。
图1是本发明在家庭影院应用中的实施例示意透视图；图2是实施本发明的实施例系统的示意图；图3是结合限制超声波反射的完全吸收面区域阐述参量发射的示意图；
图4是描述参量发射和采用在超声波频率范围内基本上完全反射的反射面，以及提供超声发射波和音频声音的反射的示意图；图5是利用超声波频率内的完全反射面，从单个参量扬声器产生多个延时的虚拟扬声器的环绕声系统的示意透视图。
具体实施例方式
众所周知，参量扬声器可以提供超声波频率的高方向性的发射波束，当该超声波频率与音频信号进行调制时，就产生多个超声波频率。根据参量扬声器中声音外差法的原理，两个音频范围不同的超声波频率在非线性介质的空气中相互作用，产生一个音调差(audio difference tone)。这种现象就产生了一个声柱(audio sound column)，其包括高方向性的调制音频信号。当这个参量声柱从墙壁或其它表面反射回来时，就在反射点形成一个虚拟扬声器或声源。在上述每个专利中都谈到了这个基本原理。
尤其是，参量扬声器可以结合传统的音响系统，如图1所示，以产生虚拟扬声器，该虚拟扬声器被认为是位于投射超声波束的不同反射点的声源。当用作环绕声系统的一部分时，参量扬声器不需要把实际的扬声器设置于两侧和后面的不同位置，也不需要相关的到声音信号源的布线。
参见图1，一个包括传统组件和参量扬声器的音响系统10被置于一个典型的房间11或其它有围墙的场地的前方。在本发明的一个实施例中，该音响系统被结合为家庭影院系统的一部分，该家庭影院系统将视频与多种音频效果(包括声源的方向移位)相结合。房间的尺寸显然有所不同，但是用15×20英尺的长宽来表示典型的房间。两个相对方向的墙壁12a和12b(12b用剖面显示)被后墙13分开，房间11的地板14和天花板15(用剖面显示)相距7～10英尺。这个典型布置仅仅是房间的一个例子，用来阐述本发明。
音响系统10包括参量扬声器20、21和22。超声波控制电路和其它的给传统扬声器30供能的音响系统组件一起设置在音频放大系统23中。将音频扬声器和参量扬声器结合在一起的其它配置对于本领域的技术人员来说是显而易见的，包括独立供电系统和独立定位的系统，这些适宜于另一实施例的特殊房间配置中。每个参量扬声器20、21、22都有下述的方向校准装置，用于把每个参量输出分别指向需要的虚拟扬声器位置24、25和26，这些位置是由房间11内的墙壁、地板或天花板上的反射区域组成。这些反射区域在图1中用虚线内的区域来表示。但是这些虚线边界只是表示地板、后墙、天花板和侧墙上的表面区域的具体例子，实际上可能会移动到任何反射区域(例如，包括家具或房间内的固定设备)，这会给听众提供所需要的声源方位。
按照前述两个参考专利所述的步骤，实现虚拟扬声器定位的过程是从发射一个外差声柱开始。图2基本描述了这个过程，参考图2，该过程涉及到，混合(i)一个需要的音频信号40，该音频信号要被投射到反射面，以及(ii)一个超声波载波41，典型频率范围是25KHz～60KHz，经过幅度调制42或其它适当处理就产生一个合成波形43，该波形由超声载波和一个或多个边带45组成。这个信号含有两个或多个超声波频率，其频差相应于音频输入，该信号通过超声波发射器44投射到周围空气中，并被空气这种非线性介质去耦得到音频输出46。由于这种参量扬声器的高方向性，除非从墙壁、地板或天花板12、13、14或15反射回来，超声波投射主方向外的听众就无法听到较强的发射音频声波。但是一旦发生反射，至少有一部分音频声音通常是以全向方式46a发散，显然声源就是这个远离实际发射源的反射面。
参见图1和2，显然，定位虚拟扬声器24、25或26的位置是参量扬声器20、21或22的一个方向定位的函数。在系统用来为一个特定听众(图上未显示)提供预定的音/视频资料，或者由耦合于各发射器的伺服系统27、28或29来控制的情况下，这一定位可以被固定。这些系统可以是平衡架(gimbals)或其它绕轴旋转的机械装置，或者是由电子波束控制电路组成，基于改变参量扬声器20、21或22内发射器组之间的相位关系，该控制电路可改变声音能量最终传播路径的方向。与所需要的方位对准就是通过与特定的音频或视频显示协调的编程控制信号或其它响应控制形式为伺服器提供位置信息的一个函数。发射器和墙壁(以及任何构成反射面的固定设备或家具)的空间交互关系可以在控制软件中考虑，该控制软件可在所需方位的反射面上提供虚拟扬声器。
在一个实施例中，通过两个阶段来实现本发明。第一个阶段涉及生成和控制包含超声载波信号和附属边带信号的声音能量的聚焦波束，以生成出现在超声波能量的聚焦波束中的音频柱。第二个阶段是从反射面12、13、14或15反射得到的音频柱，以生成虚拟扬声器。载波信号的实际频率可以是，通常是发射器到反射面所需距离的一个函数。因为低频超声波频率有较大的频率范围，前述已经指出40～60Khz的频率范围是优先选择。频率低至30Khz或甚至25Khz还能延伸超声波能量的传播。较高频率的超声波可能对短距离传播很理想；但是，当频率接近100Khz时，超声波能量的损耗和/或吸收也急剧增加。
有必要区分当应用于与这里所公开的参量扬声器相关场合以及应用于从传统的(电动式，静电式，平板磁性)音频扬声器发射音频压缩波时“传播(propagate)”这个单词的不同含义。在参量扬声器系统中，尤其是与形成虚拟扬声器技术有关时，“传播”这个词还有特殊的字典含义“量的增加”，而不是仅仅指“传送”的含义。例如，音频压缩波的声压级SPL随着传播距离的增加而降低。这是很显然的，随着距离增加，听众听到的音量也越来越弱。实质上，空气中的分子衰减了压缩波的能量，因为它们吸收了音频能量，从而降低了音量。
相反，在参量传播过程中，由于空气分子与发射超声波的非线性相互作用，就生成了音频压缩波。从而参量能量波束内的空气分子沿波束长度提供能量转换，以提供和增加扬声器的音频输出，而不是减小了信号的强度。如图3所示，超声波能量60在空气中传输足够的距离，以使音频输出61增加，直到它变得足够强而能生成压缩波，该压缩波随着参量波束或柱继续传输。随着超声波和音频波在柱内沿同一方向的延伸，空气和超声波频率的持续非线性相互作用补充和增强了音频输出。但是，超声波的能量也随着向外传输而逐渐损耗，因而，最终就是音频波阵列随着距离增加而减少。所以，从效率的观点来看，协调频率和到反射面的距离是很重要的，因而在由反射面构成的虚拟扬声器的几乎同一位置，音频波能量达到最大值。
因此，在参量音频波束内，音频部分不象传统扬声器那样只是被传输，而是在强度上还得到了增加和增强。因此，应该理解，参量扬声器和虚拟扬声器场景下描述的“传播”有增加音频能量的传输的特定意义，而不是指衰落声音的传输。这种传播是声柱内超声波能量持续相互作用的副产品，随着声柱长度的延伸，增加列内音频部分的幅度。图3的声柱末端的较宽的压缩波61a描述了这种传播效果，但是很显然，该图示并不一定要与波束内声音能量的空间分布相一致。
根据上面所述，由于相对于低频(例如音频)，超声波能量更易在空气中损耗和/或被吸收，所以在形成虚拟扬声器源时，频率的选择是一个很重要的因素。100Khz以上频率的超声波在空气中损耗很快，只能提供很少的声柱长度以形成参量系统的音频输出。在最低频率范围25Khz～40Khz内能实现超声波频率的最大传输距离。所以需要的传播距离越长，要用的超声波频率越低，通常低于50～60Khz。这就在处理过程的第二阶段引入了一个重要因素，即发展和设计在反射面65的虚拟扬声器。
图3示出了采用相对较高频率超声波能量的情况，导致声柱62的超声波部分的更快速衰减。高频超声波的一个优点就是有更高的能量转化到音频部分。因此，用声波幅度的增大61a来表示音频信号61的快速增长。在一个实施例中，当衰减的超声波部分61a到达反射面65时，超声波能量的差额部分(balance)基本被吸收，只反射声柱的音频部分。用吸收超声波辐射(或者不吸收，如下述)的反射面证明是本发明虚拟扬声器设计的独特之处。特别是，基本上独立于超声波能量的音频反射趋于产生一个声源，该声源为听者提供了一个音频源66的感觉方向，但是没有特定的感觉源点。通常随着在空气中传输距离的增加，声波的传输逐渐消弱，同样，该反射的音频波能量67也随着距离的增加而逐渐变弱。
参见图4，在另一实施例中，虚拟扬声器提供了声柱70的超声波部分69的反射。增加的音频部分71用虚线表示，声柱(到达反射面72之前)的第一部分略去，以清楚解释不吸收超声波的表面72处的超声波反射。应该理解，音频部分71沿声柱70的第一方向73持续增加，直到反射面72的反射点。本实施例中使用一个较低的超声波频率(25～40KHz)，能够增加参量输出的传播长度。因此，超声波的SPL的衰减用每个超声波69a、69b和69c来表示，这种衰减使得超声波能量从反射面72反射，并沿新方向74传播。
图4所示实施例中的虚拟扬声器的效果是不寻常的和惊人的。除了有图3中线66所示声源的一般感觉方向外，图4的实施例中又为声波提供了感知源76的一个点源。参考图3，当参量扬声器的发射器44朝向完全吸收超声波(大约6～15dB左右)的反射面65时，反射面的音频反射没有一个特定的实际存在的源点；但是，感知到的声音是来自那个方向。而且，所感知的声音比在超声波反射情况下的声音强度要弱。此外，“相干”方式下声音的连续性也较差。声音好像是从反射点以随机方式损耗和扩散，而不是完全以柱的方式来继续传播。
参见图4，当采用超声波反射面72时，超声波能量69从反射面反射，结果是更大程度的柱化。如上所述，由于从参量扬声器生成的音频71是由超声波形相互作用而产生的，随着距离的增加，超声波能量为音频列增加了能量，使得音频71有更大输出，所以从完全不吸收面反射的列状超声波能量将继续增加参量音频输出，并增强声音的反射音柱。这不仅使得随着反射后距离的增加，音频部分保持强度，也使得传输方向上能量持续增加，即使在距离虚拟扬声器的不同角度也能听到部分反射能量声音。
已经知道，如果原始超声波信号在虚拟扬声器或反射面完全不吸收，反射后的信号其音频声压级SPL能增加6dB或以上。此外，声音增加6dB或以上就能在周围环境中连续听到，直到二次反射，实现如果在反射面或虚拟扬声器位置采用超声波吸收，某种程度上就不可能实现的多个虚拟扬声器。例如，参见图5，参量声柱18a被墙壁反射面位置25a第一次反射，在这里沿第二个方向18b到达第二反射面26a，两个反射面都是超声波完全不吸收面。
因此，在一个实施例中，理想虚拟扬声器的初始定义如下一个扰乱了参量声柱的传输方向的无源面反射，该参量声柱有一个很重要的能量增强的近场条件。理想情况下，参量声柱被反射，超声波能量的大部分在反射前和反射后其能量在空气中都持续减弱。这种情况下，在反射前和反射后，音频输出都会沿声柱增强。根据这个模型，虚拟扬声器或反射面确实产生了增长的音频输出，正如当有更多能量加入到扬声器源周围空气中时，传统扬声器就产生了加强的声音传播。
应用这个特殊的“点源”虚拟扬声器概念能使在环绕声系统中有一个更优的声音环境。点源更易引起注意，且给大脑更强的感觉响应。点源的定义也增加了环绕声系统的多功能性，因为可以从单个声音波束建立多个点源，由此增加了感觉响应。而且，如果受超声波发射的影响存在安全性的担忧，更好的办法是采用较低能量和/或较低频率的超声波以及用超声波不吸收表面来反射能量，可以降低收听范围内超声波辐射的强度，由此可用生成的较小的超声波能量来提供更长的路径和更多产生音频的机会。因而可以降低超声波影响的程度，同时产生所需的虚拟扬声器效果。这提供了较高的效率，并且采用较小的超声波放大器功率和较低的超声波辐射能量，来得到基本相同的音频水平。
因此，参见图3、4和5，把声音的聚焦波束转化到发散、全向形式的过程的第二个阶段可通过几种方法来实现。在一种情况下，虚拟扬声器可以源于反射面65，该反射面吸收一定的超声波。在这个实施例中，会有消弱的声音水平，该声音水平随着离反射面距离的增加而严重消弱。感知的声源是来自于从反射面延伸出的大概方向。第二种方法就是采用一个反射超声波的完全不吸收面72，以及提供一个频率范围，该频率范围使得所述反射面对参量声柱的音频部分和超声波部分基本上完全反射。本发明的这个实施例创造了一个定位声源，对于音频部分，随着声音的传播，SPL沿声柱增加。可以实现多次反射，创建多个虚拟扬声器，使得暴露在各虚拟扬声器输出的时间延迟。
在两种情况下，虚拟扬声器的独有特征是在与实际声源相隔一定距离的地方实现的。这包括定义表观(apparent)声源为虚拟声源，因为人耳习惯于把各个方向的声源联想为自然声音或发散声音演变的中心。当参量声音输出波束16、17或18遇到反射面墙壁12或13、地板14或天花板15时，已经观察到聚焦波束实际上转化成所需要的全向形式(图1中的50，51或52)或者是在反射面(图5中的25a和26a)的全向点源形式。正常听觉感知认为到达听众的各种全向反射声波和虚拟扬声器有关。从第一阶段参量输出发射的声音并不干扰这种感觉过程，因为这种声音仍然在朝向听众位置53外侧的聚焦波束声柱16、17和18中。
参见图1和5中本发明的一个实施例，在房间内听众周围提供多个扬声器位置，该房间在一个或多个位置有实际的声源，这个特殊的过程通过下述方法来进行阐述。这个方法包括初始化步骤a)通过从位于第一位置的音频扬声器30发射音频压缩波来生成初级或前向音频输出，所述第一位置可以是声源10的位置，该声源的声波沿初级音频路径56直接投影到听众位置53。这和传统的音响系统相一致，典型地包括一个全套扬声器组，有朝向听众的低音扬声器、中音和高音扬声器。这种声音发射向听众，通常在整个房间内进行反射。在上述配置下，所有的声音都认为是从由声源10构成的第一位置发出的。
过程的另一个步骤(可以是一个同步的步骤)包括从至少一个虚拟扬声器24、25和/或26生成二级或非前向音频输出50、51和/或52，该虚拟扬声器远离且非电连接于前置的传统扬声器30和声源10。可以通过从至少一个参量扬声器20、21和/或22发射超声波来实现上述步骤，所述参量扬声器位于声源位置或位于一个或多个其它的独立位置，且朝向房间内的一个音频反射面，该反射面远离声源且不沿主音频路径，由此可以从音频反射面间接生成全向声波50、51和/或52，该声波被认为是源于虚拟扬声器。
可能必须或需要把音频扬声器的前向音频输出和源于至少一个参量扬声器的非前向音频输出16、17和18进行同步以得到一协调包络(enveloping)的声音效果，这样听众听到的是来自不同方向的声音。例如，初级音频路径56的长度需要和声柱16、17和18传输的较长和较短的距离以及到达听众位置的全向路径50、51和52的长度协调一致。可以在控制器/放大器/处理器23的主要控制电路内实现合适的时间延迟。同样，对瞬间发射的、似乎源于任何一个或多个音频反射面24、25、26的孤立声音输出，也需对信号进行同步；例如，模拟碰撞、闪电或其它有非前向音频部分的声音效果。这些定时技术在音响行业是众所周知的，不需要进一步描述。
这个基本方法典型地是利用传统扬声器30的声源的高保真立体声效果实现的。这个立体声音响格式包含至少一个第一通道的前向音频输出和至少一个第二通道的非前向音频输出。通常情况下，立体声音响格式包括两个或多个独立立体声通道，用于前向音频输出和非前向音频输出。这些多个通道用于提供分开的左右立体声输出、前后立体声输出以及孤立通过反射面扩散到整个房间的声音效果。
作为该方法的一部分，通过控制电路23进行电控和触发可以很容易实现传统扬声器30和虚拟扬声器24、25、26的不同组合选择。可以用一个位于与初级音频路径56有关的侧墙12的单个虚拟扬声器25、一个位于与初级音频路径有关的后墙的单个虚拟扬声器26、一个位于天花板15的单个虚拟扬声器(图上未给出)或一个位于地表的虚拟扬声器24来表示这种组合的一部分。位于与初级音频路径有关的相对的两侧墙12a、12b上的虚拟扬声器，以及位于与初级音频路径有关的侧后墙上的虚拟扬声器的同步操作，也是环绕声系统的一部分，可以很方便地利用本发明，再结合虚拟扬声器和/或传统扬声器的其它组合来实现。
本发明的一个重要特征就是可以引入沿任一音频反射面，包括墙壁、地板、天花板、面板、家具等等，慢速或快速移动的虚拟扬声器。例如参量装置20、21或22可形成虚拟扬声器沿该装置所指向的反射面的同步移位，这将给听众一种动感。当结合视频投影系统时，这些非前向音频输出特征可以和视频播放所显示的事件相协调。拖尾的喷气式飞机、轰鸣的火车或激动人心的汽车追逐这些强调电动式活动全程的活动都可以通过来自许多方位的方向性声音来加强效果。这不仅给听众一种振奋人心的感觉，而且还利用房间内三维空间来放大这种体验。
虚拟扬声器24、25、26采用参量技术的现象显示了其它特征以及与参量声音输出的反射相关的应用，例如母发明(parent patent)中描述了这种应用的几种情况。尽管在本发明和源发明中已经提到了几种应用，但是对本领域的技术人员来说，显然还可能有其它许多应用。本发明人认为，这些应用包括共同形成只与虚拟扬声器相关的技术整体的特征。例如，已经发现，当从定义虚拟扬声器源的反射面反射时，声音的频率响应通常会发生改变。尤其是通过反射面吸收超声波和/或音频部分而改变频率。频率也会被反射面的形状改变。例如，在一个实施例中，通过采用凸反射面，扩散或支出所有音频部分(包括高频)，使得高频部分的衰退速率增加，从而改变了感觉声音的平衡。
超声波高频部分可能需要根据反射面情况进行特殊处理或恢复。为了实现这个过程，可以对参量扬声器进行特殊调整以对参量输出进行预处理。同样，随着从虚拟扬声器反射后的传播，低频参量效率可能会受干扰。这是因为超声波能量向音频部分的转化在整个音频带宽上可能会不一致。例如，与高音频相比，带方向性的低频波的生成可能需要更长的参量声柱。而且，声柱中超声波部分的散射也可能降低反射后的超声波强度，并影响反射的音频部分和转化的音频部分之间的平衡。因此，可以用均衡技术来重建需要的音频平衡。此外，通过虚拟扬声器进行反射可能会导致在所需音频带上有多个幅度误差，需要多频带均衡技术来重建所需要的声音频谱平衡。尤其是反射点上存在选择性频率吸收时更是如此。
从积极的一面说，应该注意到，以虚拟方式来应用参量扬声器发扬了反射和散射特征，这种特征可以平衡参量系统，在直接(相对于虚拟)参量传播中每倍频率程高通特性补偿12dB。这种现象使音频输出更亲切，更接近自然声音。
应该相信，根据目前音响行业中的应用，这个新技术领域将随着参量技术应用多样性的发展而变得更加重要。例如，虚拟扬声器的概念可以被军事和执法人员用来避免对声音的响应攻击，否则将会根据声音识别出人的位置。可能要求警官对一个人给出口头警告，这个人可能是罪犯，这通常会导致朝警告源方向开火。采用带有从另一方向反射的虚拟扬声器的参量系统可以使得兵器开火远离警官。这种方式下，人(例如罪犯)就会被干扰朝向虚拟扬声器方向，增加了警官的安全度，和/或在不引起注意的情况下靠近，并产生出人意料的效果。
可以理解，上述描述只是本发明的实施例，不是用来限制权利要求的。根据这里公开的原理，其它改变对于本领域的技术人员来说是很显然的。
权利要求
1.一种与至少一个部分反射环境相关的、生成至少一个远处的虚拟扬声器位置的方法，该方法与一音频扬声器结合产生多种声音效果，所述声音效果包括源于反射环境的听众认为是原始声源的虚拟声源，所述方法包括下述步骤a)通过从音频扬声器发射音频压缩波来生成初级直接的音频输出，由此为听众提供初级音频输出；b)通过从至少一个参量扬声器发射超声波，来生成源于远离音频扬声器的至少一个虚拟扬声器的二级间接音频输出，所述参量扬声器与音频扬声器相联，且朝向至少一个反射环境，所述反射环境远离音频扬声器，由此间接生成源于反射环境的基本全向的声音，该反射环境被认为是一个虚拟扬声器；c)使音频扬声器的初级音频输出和至少一个虚拟扬声器的二级音频输出同步，由此听众听到的是来自多个方向的多个声音效果。
2.根据权利要求1的方法，还包括下述步骤提供包括至少一个第一通道的初级音频输出的独立格式，以及包括至少一个第二独立通道的二级音频输出。
3.根据权利要求2的方法，还包括下述步骤提供包括两个独立立体声通道的初级音频输出的立体声格式，以及包括至少两个独立于初级音频输出通道的独立声音通道的二级音频输出。
4.根据权利要求1的方法，还包括下述步骤在作为反射环境的封闭房间内的a)侧墙、b)后墙、c)天花板面和d)地板面的其中一个上，定位至少一个虚拟扬声器。
5.根据权利要求1的方法，还包括下述步骤为给听众以动感，使所述至少一个虚拟扬声器沿反射面横向移动。
6.根据权利要求1的方法，还包括下述步骤同步操作结合至少一个虚拟扬声器的视频投影系统，以及协调二级音频输出和视频播放事件。
7.根据权利要求1的方法，还包括下述步骤从离开初始发射声波的声源的独立位置上的虚拟扬声器提供增强的传波声音，所述方法又进一步包括从参量发射器沿初级传播方向发射参量超声波输出，所述参量超声波输出包括调制超声波和音频波；使初级传播方向朝向一个具有表面特征的反射环境，该表面特征能使超声波输出沿二级传播方基本反射，所述二级传播方向构成到听众的间接路径；从反射环境提供增强的传波声音，所述传波声音包括(i)反射的音频部分和(ii)包含参量超声波输出的反射的超声波部分，所述超声波在空气中沿二级传播方向减弱，以增强反射的音频部分，由此，相对于听众沿二级传播方向形成了一个虚拟扬声器。
8.根据权利要求7的方法，还包括通过至少一个下述步骤来修正反射的音频部分的频率响应a)根据预定频率响应来配置反射面的形状；b)根据预定频率响应来配置反射面的吸收特性。
9.根据权利要求7的方法，还包括下述步骤通过预处理调制超声波和音频波来修正反射的音频输出，以补偿由于反射面的反射而对音频输出的改变。
10.根据权利要求9的方法，其中执行所述修正步骤以调整至少下述之一a)反射面的超声波吸收；b)反射面的音频吸收；c)由于反射面的表面配置所引起的变化；d)在反射面，由于在音频带宽上超声波能量转化到音频输出的不一致性所引起的变化；e)沿初级传播方向，由于在音频带宽上超声波能量转化到音频输出的不一致性所引起的变化；f)在反射面，由于在音频带宽上超声波能量转化到音频输出的不一致性所引起的变化；g)由于反射面超声波能量发散而降低了反射后超声波部分的强度所引起的反射音频输出的变化。
11.根据权利要求7的方法，还包括下述步骤从第一反射面到第二反射面传播超声波和音频输出的合成参量声柱，由此生成第二个虚拟扬声器，所述虚拟扬声器提供的音频输出时间延迟于第一个虚拟扬声器输出。
12.根据权利要求1的方法，还包括定位参量发射器使之接近至少下述之一a)音频扬声器；b)视频投影装置；c)音频扬声器和虚拟扬声器之间。
13.相对于声源位置在听众周围提供多个扬声器位置的一种参量音响系统，所述音响系统包括至少一个参量扬声器，具有从超声波频率在空气中生成的音频输出，且朝向至少一个远离声源的反射面，所述至少一个参量扬声器沿反射的参量传播路径提供二级音频输出，以形成至少一个远离且非电连接于声源的虚拟扬声器。
14.根据权利要求13的音响系统，还包括一个位于声源处的视频投影装置，所述声源包括协调源于至少一个参量扬声器的二级音频输出和视频播放的同步电路，因而听众看到和听到的是协调包络的音视频体验。
15.根据权利要求13的音响系统，还包括与音频扬声器耦合的立体声电路，以提供至少一个立体声独立通道，所述立体声电路与至少一个所述参量扬声器耦合，以提供至少一个独立于音频扬声器的立体声通道。
16.根据权利要求13的音响系统，其中所述参量扬声器包括一个方向控制驱动器，用于形成至少一个交互移动的虚拟扬声器。
17.根据权利要求13的音响系统，还包括一个第二反射面，用于接收从第一反射面反射的参量输出，由此生成至少两个有共同参量发射源的虚拟扬声器。
18.一种通过在远离人的虚拟扬声器源间接生成基本全向的声波，而把人的注意力转移向远处位置的方法，所述基本全向的声波包括与作为参量扬声器一部分的至少两个互相作用的频率之间的差异相应的至少一个新的声波或亚声波频率，所述方法包括下述步骤a)发射与至少两个相互作用的超声波频率相应的超声波频率，以生成沿声柱朝构成远处虚拟扬声器的反射面方向延伸的参量音频输出；b)从反射面反射参量音频输出，以生成声柱的一个新传播方向；c)把对方的注意力分散到指示人所处位置的虚拟扬声器。
19.根据权利要求18的方法，其中所述的人是敌人。
20.一种将声音指向某一位置的方法，该位置远离人所在的位置并隐藏于物理结构的一个角落，该方法通过在远离人但沿一普通反射面的一个虚拟扬声器处间接产生一个全向声音来实现，所述全向声音包括至少一个与作为参量扬声器一部分的至少两个互相作用频率之间的差异相应的新声波或亚声波频率，所述方法包括下述步骤a)发射与至少两个互相作用频率相应的超声波频率，以生成沿声柱朝构成远处虚拟扬声器的反射面方向延伸的参量音频输出；b)从反射面反射所述参量音频输出，以生成一个在物理结构的角落改向的声柱的新的传播方向。
全文摘要
一种生成至少一个远处的虚拟扬声器位置的方法，所述虚拟扬声器位置与至少一个部分反射环境相关，并与音频扬声器一起产生多种声音效果，所述声音效果包括源于反射环境的听众认为是原始声源的虚拟声源，本发明方法包括下述步骤通过从音频扬声器发射音频压缩波来生成初级直接的音频输出，由此为听众提供初级音频输出；通过从至少一个参量扬声器发射超声波，来生成源于远离音频扬声器的至少一个虚拟扬声器的二级间接音频输出，所述参量扬声器与音频扬声器相联，且朝向至少一个反射环境，所述反射环境远离音频扬声器。
文档编号H04R23/00GK1507701SQ02809471
公开日2004年6月23日 申请日期2002年5月7日 优先权日2001年5月7日
发明者E·G·诺里斯, J·J·克罗夫特三世, E G 诺里斯, 克罗夫特三世 申请人:美国技术公司