具有大的感知声学尺度和声像的小型音频再现系统的制作方法

专利名称：具有大的感知声学尺度和声像的小型音频再现系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及小型音频再现系统，尤其是涉及提高小型音频再现系
统中声源的感知尺度。
背景技术：
常规小型音频再现系统，例如电视、柜式系统(shelfsystem)、计算 机、便携式娱乐中心("内置立体声系统")以及台式收音机，存在的普遍 问题是感知上它们发出"很小"的声音，至少部分地因为这个原因，这些系 统难以提供满意的听觉感受。当然，声源的感知尺度与声源的物理范围有 关。另外，声源的感知尺度取决于多个心理声学因素，它们中大部分很少 为人了解。表面上的源尺度也显示出4'声学包围的"宽敞度"或感觉有关， 例如当感知上很大的发射声源在扩散声场中包围收听者时。例如，在房间 四周广泛分布的多个物理上很小的声源可以通过组合来自多个方向的声 音产生大的声源的印象，或者它们可以通过在房间四周形成多个声像并在 房间内形成更扩散的声场来产生大的声像台的印象。当然，这种在扩散声 场内包围收听者，产生大的声源的印象的特定方式，不可能用于所有声源 都相互紧密靠近定位的小型音频再现系统中。该问题的另一方面是小型音 频再现系统可以以几乎任何可想象到的方向使用并且收听者可以处于相 对于系统位置的几乎任何位置，而且可以在收听的同时移动。
许多不同的技术被用于增大声源的感知尺度，取得了不同程度的成 功。 一种常用技术是采用两个扬声器，有意的使提供给一个扬声器的频率 范围的一部分异相。众所周知的是，异相信号分量不能定位并且趋向于通 过使来自声源的直接声范围扩大而形成较大的声源的印象。然而，这一技 术常常导致显著的声学振幅(频率响应)误差。许多收听者还不愉快地感 知异相信号"到处但无处"的特征。
异相技术的变形是采用通过从右通道中减去左通道形成的通常所称 的差分信号，L-R，或反之形成的R-L的不同组合。通常认为差分信号包
含按比例更大量的不相干的环境信息。采用差分信号形成更强的环境感可 以成功地形成更大、更充满房间的声音的感知，但常常以降低清晰度和声 音"较不纯质"的一般感知为代价。差分信号技术的几种变形一直得到采 用并在已知收听者相对于声源的位置的情形下发挥很好的作用。例如在授
予Klayman的美国专利No.4，748，669、授予Polk的美国专利No.4，489，432 以及授予Cohen的美国专利No.4,308,423中公开了这样的系统。然而，这 些技术通常不适用于系统的声音发射元件(声源)非常靠近在一起的场合 以及系统的声学环境和收听者的位置为任意的情形。
还采用多种其它技术，包括设法通过在多个方向发射声音来提高感知 声源尺度的多向声源。这些技术的实例包括授予Olson的美国专利 No.3,104,729和授予Nichols的美国专利No.3,627,948。其它技术采用反射 和直达声的组合(例如授予Bose的美国专利No.3，727，004)，以及扩大单 耳系统的感知声像的早期的尝试，例如在1946年提交的授予Camras的美 国专利No.2，710,662。这些技术通常用于再现单个音频信号(通道)的单 个扬声器的设计，意图多个地使用这些单个扬声器，间隔很开的每个信号 通道采用一个，如同在立体声再现系统或环绕声系统中。然而，在小型音 频再现系统中，再现每个信号通道的各个扬声器通常相互非常靠近，经常 间隔小于一英尺。在这种情况下，常规的多向声音技术可以通过形成更扩 散的声场而有助于产生更大声源的印象，但由于声源彼此非常靠近，因此 它们不能保留任何立体声像的感觉。另外，当以那么小的比例实施时，所 得到的在很多这种设计中固有的梳状滤波会导致主观上无法接受的声染 色的等级。授予Bose的美国专利No.3，5S2，553公开了一种采用多向声音 的单扬声器立体声结构，参加图7和图9，其中大部分声音通过分别接收 修正的左和右信号的左和右后扬声器发出。更少量的声音通过接收中心通 道信号或修正的总和信号的前扬声器发出。该系统避免了与差分信号、异 相信号有关的问题，并在某种程度上通过保持非直达声与直达声的高比率 而降低梳状滤波。其依靠反射声的复模式增大感知的声源尺度并保持立体 声像的印象。该系统可以在允许系统准确定位以将所需的反射声传递到预 定收听区域的特定情形下很好地工作。
在授予Shimada的美国专利No. 3,892,624中示出了差分信号和反射声 解决方案的组合，其中将反相的修正差分信号施加于一对紧密间隔的驱动 单元。在另一实施方式中，参见图I7和图18，接收与它们的对应前驱动
单元相同的修正差分信号的第二组紧密间隔的辅助后驱动单元用于产生 反射声以增强立体声效果。在另一实施方式中，将延迟施加到通过辅助后 扬声器再现的信号以形成回声效应。然而，可以很容易地认识到，采用异 相差分信号会导致声音"更不纯质(less solid)"的感知，并且采用产生相 同信号的未经补偿的辅助后驱动单元除了再现声中的声染色的感知之外 还导致梳状滤波。对这些后信号引入延迟简单地将声异常移动到较低频 率。授予Brown的美国专利No.3,153,120还示出采用修正差分信号从单个 机柜提供立休声再现。在一种实施方式中，将差分信号反相地施加于以相 反方向面对的一对紧密间隔的驱动单元，该对驱动单元由接收两个输入信 号的修正总和的面朝前的驱动单元补充。该方法存在在前所述的同时采用 差信号和异相技术的缺陷。
还采用通常所称的"虚拟环绕"技术扩大表面声源尺度。采用复杂音频 信号处理的这些技术试图从单独一对扬声器产生环绕声式的感受。例如在 授予Mouri的美国专利No.5,799，094、授予Norris的美国专利No.6,173,061 、 以及授予Klaymen的美国专利No.5，912，976中公开了这样的系统的实例。 这些方案依靠扬声器与收听者位置之间的特殊关系，需要收听者保持在特 定位置并且通常需要单个扬声器之间的距离大于小型系统，例如台式收音 机的适用距离。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于至少两个输入信号的小型音频再 现系统，其被感知为比其实际物理尺寸大很多的声源。
本发明的另一目的是提供一种用于至少两个输入信号的小型音频再 现系统，其保留明显的立体声或多通道声像。
本发明的另一目的是提供一种用于至少两个输入信号的小型音频再 现系统，其放置在多种声学环境中实现上述目的的性能可以接受。
本发明的另一目的是提供一种用于至少两个输入信号的小型音频再 现系统，其由相对于系统处于任意位置的收听者感知为比其实际物理尺寸 大很多的声源，并且其保留明显的立体声或多通道声像。
根据本发明的实施方式，在一种用于两个输入信号的小型音频再现系 统中，至少四个扬声器布置在任意边不大于2英尺而且高宽比不大于4: 1的矩形的顶点。两个输入信号与交替的扬声器相连，使得没有任何在矩形
的相邻顶点的两个扬声器产生相同信号，从而在任意位置的收听者感知比 矩形更大的声源以及明显的立体声像。
根据本发明的另一实施方式，在一种用于两个输入信号的小型音频再 现系统中，至少四个扬声器布置在任意边不大于2英尺的任意形状的四边 形顶点上，使得没有任何两个扬声器彼此之间的距离小于任何两个扬声器 之间的最大距离的四分之一。两个输入信号与交替的扬声器相连，使得没 有任何在四边形的相邻顶点的两个扬声器产生相同信号，从而在任意位置 的收听者感知比四边形更大的声源以及明显的立体声像。
根据本发明的另实施方式，在一种用于两个输入信号的小型音频再 现系统中，第一或第二实施方式中位于相邻顶点的两个扬声器接收与由其 它扬声器接收的信号分开地均衡化的信号，从而降低梳状滤波并提高装置 放置在墙壁和其它障碍附近的容许度。
根据本发明的另一实施方式，在一种用于两个输入信号的小型音频再 现系统中，第一或第二实施方式中的两个扬声器延迟与声距对应的时间， 所述声距至少等于两个扬声器之间的最短距离并且不大于两个扬声器之 间的最大距离，从而降低了梳状滤波并提高对于任意位置的收听者的大声 源尺度和立体声像的感知。


在此结合并构成说明书一部分的附图示例说明了本发明，并且与文字 描述一起进一歩起到了说明本发明的原理以及使相应领域的技术人员能 够制造和利用本发明的作用。
图1示出具有矩形布置的四个扬声器的本发明实施方式的平面图。 图2示出具有位于任意四边形顶点的四个扬声器的本发明实施方式的 平面图。
图3示出具有后扬声器的单独均衡化的本发明实施方式的平面图。 图4示出前扬声器具有单独延迟的信号的本发明实施方式的平面图。 图5示出本发明特定实例的视图。
具体实施例方式
现在参照附图对本发明的实施方式进行描述，图中相同的附图标记/ 编号表示同一或功能相似的构件。尽管讨论的是特定构造和结构，但应该
认识到这仅仅是为示例的目的进行的。相关领域的技术人员将会认识到在 不脱离本发明精神和范围的前提下可以采用其它构造和结构。
图1示出本发明第一实施方式。扬声器Ll、 L2、 L3和L4大致位于 矩形R1的顶点，并且一般地定向成从矩形的中心发出声音。第一输入信 号L连接到相互对角线布置的扬声器Ll和L3。第二输入信号R连接到相 互对角线布置的扬声器L2和L4。扬声器Ll与L4之间的边Sl的长度大 致等于扬声器L2与L3之间的边的长度。同样，扬声器L3与L4之间的 边S2的长度大致等于扬声器Ll与L2之间的边的长度。本领域技术人员 众所周知的是，收听者两耳处相关的两耳差异对于声像定位起作用，而且 认为不相关的两耳差异对于对声源尺度的感知起作用。已经实验发现对于 位于图l所示系统附近随机位置的收听者，这种结构在收听者两耳处提供 了足够的相关和不相关的两耳差异，以提供声源大于系统的物理范围的感 矢口，并提供立体声分离和声像形成的明显感知。
再次参照图1，也已经通过实验确定决定扬声器L1、 L2、 L3和L4的 位置的矩形Rl的最大尺寸S2不应该大于大约2英尺或小于大约4英寸， 并且通过用最长边长度与最短边长度的比率计算得到的矩形Rl的高宽比 不应该大于4: 1。实验已经表明这一尺寸范围降低了频率范围内的梳状滤 波，所述梳状滤波趋向于被感知为对系统声学性能不利。实验还表明这一 尺寸范围有助于更大的声像尺寸的感知以及一定的立体声像的保留。相信 这是这些尺寸与大致6.75英寸的两耳距离的关系的结果。在本发明的特定 实施方式中，矩形Rl的最长和最短边的尺寸分别是9英寸和6英寸。
图2示出本发明的第二实施方式。除了扬声器位于随机形状的四边形 Q的顶点，该实施方式与第一实施方式相同地工作。在该特定实施方式中， 示出的是梯形，然而应该认识到只要任意两个扬声器之间的最大距离不大 于任意两个扬声器之间最短距离的四倍，可以采用许多不同形状的四边形 来提供可以接受的扬声器L1、 L2、 L3和L4的位置。
图3示出本发明的第三实施方式。该实施方式的功能与第一和第二实 施方式类似。在该第三实施方式中，将扬声器L1和L2设计成前扬声器， 而将扬声器L3和L4设计成后扬声器。后扬声器L3和L4接收单独修正 的第一和第二输入信号L和R。修正装置EQL和EQR可以包括(通过举 例但不局限于)输入信号频率响应的均衡化以降低梳状滤波并在装置位于 例如墙壁的障碍附近时提高感知的音频性能。接收修正的输入信号L和R的扬声器L3和L4通常或多或少地面向障碍同时扬声器Ll和L2或多或 少地面向远离障碍。
在该第三实施方式的一种实施中，修正装置EQL和EQR包括带阻滤 波器。在特定实施中，该带阻滤波器中心大致在400Hz与2000Hz之间， 带宽大致处于1到3倍频程之间，增益大致在-4db至U-10db之间。在该第 王实施方式的另一实施中，信号修正装置EQL和EQR包括高频衰减。在 特定实施中，高频衰减在大致位于2kHz到10kHz之间的频率处提供大致 -6db的增益。修正装置EQL和EQR的其它实例包括在模拟或数字电路中 实施的高通和低通滤波器、带加强或带阻滤波器、以及高或低倾斜度滤波 器(shelving filter)的组合。
图4示出本发明的第四实施方式。该实施方式功能与第一和第二实施 方式类似，并且与第三实施方式相同，将扬声器Ll和L2设计成前扬声器， 而将扬声器L3和L4设计成后扬声器。在该第四实施方式中，前扬声器 Ll和L2接收单独修正的第一和第二输入信号L和R，其中修正装置dTL 和ldTR包括延迟。尽管可以采用模拟电路实现短时延迟，但很麻烦。延迟 通常以多种形式的数字信号处理实现，并且还可以与多种形式的频率响应 修正组合。通常接收经过延迟的输入信号的扬声器Ll和L2或多或少地面 向远离任何障碍并朝向最有可能的收听区域。已经通过实验确定大致对应 于大于前扬声器和后扬声器之间的最短距离并小于前扬声器和后扬声器 之间的最大距离的声距的延迟，起到了降低由装置附近随机位置的收听者 感知的梳状滤波的作用，并且还起到增强立体声分离和声像成像的感知的 作用。
在该第四实施方式的一种实施中，左和右前延迟dTL和dTR大致等 于前扬声器Ll与最近的后扬声器L4之间的声距Sl。在该第四实施方式 的特定实施中，前扬声器Ll和L2与后扬声器L4和L3之间分别的声距 Sl为大致6英寸并且左和右前延迟dTL和dTR大致等于0.75毫秒。
图5示出本发明的第五实施方式。左和右前扬声器Ll和L2分别位于 距左和右后扬声器L4和L3第一距离Sl处。左和右前扬声器Ll和L2相 互隔开第二距离S2。左和右后扬声器L4和L3相互隔开第三距离S3。如 图5所示，所有四个扬声器都安装在同一整体物理结构上。左和右输入信 号L和R分别连接到左和右前扬声器Ll和L2，以由左和右前扬声器再现。 左和右输入信号还分别连接到左和右后扬声器L3和L4，以由左和右后扬声器再现。在该第五实施方式的特定实施中，第一、第二和第三距离S1、 S2和S3大致具有以下值
Sl—6英寸
52 — 8.5英寸
53 — 9.5英寸
在该第五实施方式的另一实施中，包括信号修正装置EQR和EQL， 以便对连接到左和右后扬声器L4和L3的信号单独进行均衡化，以由左和
右后扬声器再现。
在该第五实施方式的另一实施中，包括装置以便对连接到左和右前扬 声器的信^进行延迟，以由左和右前扬声器L1和L2再现。在该第五实施 方式这方面的特定实施中，延迟大致等于0.75毫秒。
本领域技术人员已经清楚地了解到在此公开的方法的其它应用。通过 非限制性实例，在以上第三和第四实施方式中描述的后扬声器均衡化和前 扬声器延迟的多种组合可以被用于对其它实施方式中描述的前和后扬声 器的任何几何布置。这些实施还被认为是处于本发明的范围内。另外的实 施方式包含在权利要求中。
权利要求
1.一种音频再现系统，包括第一音频输入信号和第二音频输入信号；第一、第二、第三和第四扬声器，其中所述第一、第二、第三和第四扬声器分别位于四边形的第一、第二、第三和第四顶点，所述第一、第二、第三和第四扬声器中的任意两个之间的最大距离不大于所述第 、第二、第三和第四扬声器中的任意两个之间的最小距离的四倍；用于将所述第一输入信号传送到所述第一和所述第三扬声器的装置，其中所述第一和第三扬声器再现与由所述第一和第三扬声器接收的信号相关的声音；以及用于将所述第二输入信号传送到所述第二和第四扬声器的装置，其中所述第二和第四扬声器再现与由所述第二和第四扬声器接收的信号相关的声音，其中没有任何两个相邻的扬声器再现相同的输入信号；以及由所述第一、第二、第三和第四扬声器再现的声音被收听者感知为是大于四边形物理尺寸的声源。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述四边形是没有任何边 大于2英尺的矩形。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述矩形大致9英寸宽， 6英寸深。
4. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述四边形是没有任何边 大于2英尺的梯形。
5. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于修正所述第一和第二输入信号的信号修正装置；以及 用于将所述修正的第一和第二输入信号传送到所述第三和第四扬声 器的装置。
6. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号修正装置包括带 有带阻滤波器的频率响应均衡，所述带阻滤波器中心位于400Hz到2000Hz 之间，带宽大于l倍频程，衰减大于-4db。
7. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于将所述第一和第二输入信号延迟与声距相应的时间的信号装置；以及用于将所述延迟的第一和第二输入信号传送到所述第一和第二扬声 器的装置，其中第一和第二扬声器通常比第三和第四扬声器更靠近优选的收听区域。
8. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述声距大于或等于所述 第一、第二、第三和第四扬声器中的任意两个之间的最短距离并小于或等 于所述第一、第二、第二和第四扬声器中的任意两个之间的最大距离。
9. 如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述声距大致等于0.75毫秒。
全文摘要
一种用于两个输入信号的小型音频再现系统包括布置在四边形顶点的至少四个扬声器，没有任何两个扬声器彼此所成的距离小于任意两个扬声器之间最大距离的四分之一。两个输入信号连接到交替的扬声器，使得没有任何两个扬声器产生相同的信号，因而收听者感知到大于四边形的声源以及明显的立体声像。由位于相邻顶点的两个扬声器接收的信号与由其它扬声器接收的信号分开地进行均衡。两个扬声器可以延迟与声距相应的时间，所述声距与扬声器之间的距离有关，以便降低梳状滤波并提高任意位置的收听者对大声源尺度和立体声像的感知。
文档编号H04R5/00GK101208988SQ200680019436
公开日2008年6月25日 申请日期2006年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者小马修·S·波尔克, 布拉德利·M·斯塔罗宾 申请人:大不列颠投资有限公司