专利名称：音频装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在例如交通工具内的单封闭空间的多个区中提供不同音频输出的音频装置。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种在单封闭空间的多个区中提供不同音频输出的装置，包括扬声器，与每个区相关联，并且位于每个区中，用于辐射音频输出；能够向每个区中的扬声器供应不同音频信号的部件；包括下述部件的信号处理部件，用于将每个音频信号的音频频谱分割为较高部分和较低部分的部件，用于对在对应区中辐射的较高频率进行定向的部件，以及用于改变较低频率的幅度、相位和延迟中的任一个以趋向消除在其对应区外部的辐射的部件。根据本发明的另一方面，提供了一种在单封闭空间的多个区中提供不同音频信号的方法，包括在每个区中或在每个区附近布置扬声器，用于在相关联区中辐射音频输出； 向每个区中的扬声器供应不同音频信号；处理音频信号，包括，将每个音频信号的音频频谱分割为较高部分和较低部分，对在对应区中辐射的较高频率进行定向，以及改变较低频率的相位和延迟，以趋向消除在其对应区外部的声音辐射。在两个补充的方面中，可以同时为单封闭空间中的不同收听者呈现不同的想要的收听感受。不同感受包括不同音频通道以及收听者之一选取无音频体验(即相对于同车乘客的安静)的可能性。换句话说，趋向于消除其对应区外部的声音辐射指的是，来自所述扬声器的声音辐射在至少一个其它区中相比于在其相关联区中的声音辐射被降低(或优选地最小化)。内厢中的任何其它地方可以体验音频信号的组合，但是这无关紧要。下面的特征适用于两个方面。封闭空间可以是交通工具例如汽车或飞机的内厢(cabin)。内厢可以内部装饰有至少一个弹性面板，以及可以耦接每个区中的扬声器中的至少一个以驱动该至少一个弹性面板的一部分作为声学振动膜。内厢可以内部装饰有顶棚内衬，例如弹性面板可以形成顶棚内衬的一部分或全部。可以耦接每个区中的扬声器中的至少一个以驱动该顶棚内衬的一部分作为声学振动膜。以此方式，扬声器装置将不会给内部装饰带来任何视觉干扰。每个区中的扬声器可以包括具有至少一个较低频率驱动器和较高频率驱动器阵列的集群。可以布置该音频频率分割部件，以便分割发生于1500Hz附近，即较高频率在 1500Hz之上，以及较低频率在1500Hz之下。信号处理部件可以包括用于处理对于较高频率驱动器阵列的较高频率信号以控制来自该阵列的辐射的定向性的部件。信号处理部件可以对于较低频率采用线性叠加，以趋向于消除其对应区外部的辐射。位于每个区中或与每个区相关联的至少一个较低频率驱动器可以是位于相对于该相同区中的收听者的近场中的弯曲波振动膜。可以通过测量和/或建模在一个或多个测试位置检测各个区处的声压级。可以处理检测的声压级以确定(即通过测量)输入信号的传输函数，即测量在测试位置施加于每个扬声器的力的传输的函数。处理还可以包括推导该传输函数的逆，即产生来自每个扬声器的测试位置处的纯脉冲必需的传输函数。推导步骤可以通过直接计算，从而在传输函数ipT的测量后继之以求逆以获得 (i/Γ1。或者，推导步骤可以是间接的，例如使用反馈自适应滤波器技术以隐式地求ipT的逆。或者，推导步骤可以是启发式的，例如，使用参数均衡处理，以及调整参数来估计逆传输函数。或者，推导步骤可以通过反转测量的时间响应，其在频域里等效于复共轭，从而生成匹配的滤波器响应来近似。在此情况下，应用滤波器的结果不是纯脉冲，而是自相关函数。可以存储结果得到的逆传输函数以供装置以后使用，例如，存储在传输函数矩阵中，其中该多个扬声器的每个的逆传输函数存储在矩阵中的相关联坐标中。通过在校准测试点之间内插可以增加传输函数矩阵的空间分辨率。可以通过添加固定延迟来生成时间反转响应，该固定延迟至少与检测的信号的持续时间一样长。固定延迟可以是至少5ms、至少7. 5ms、或至少10ms。可以在滤波之前例如通过除以所有测量的时间响应之和来规范化测量的时间响应，以使得该响应在光谱上呈现为更白。特定区(S卩，期望的收听感受)的音频信号可以是给定测试点处的最大响应。从而，每个扬声器的输出信号可以是彼此同相的，由此扬声器生成的所有位移 (displacement)合计为给定测试点处的最大位移。请注意，在其它测试点处，可能具有相位消除。或者，特定区(即，期望的收听感受)的音频信号可以是给定测试点处的最小响应。从而，可以选择每个扬声器的输出信号，从而测试位置处提供的位移(即从而适当的传输函数)之和为零。对于两个扬声器，这可以通过相对于一个输出信号反转另一个来实现。期望的收听感受可以是在第一测试点处的最大值，以及在第二测试点处的最小值 (例如，对于司机位置的最大值和对于乘客位置的最小值，反之亦然)。或者，例如在要考虑多个测试位置处的响应的情况下期望的收听感受可以是在给定测试位置处在最大或最小之间的响应。一个或多个扬声器可以包括用于向振动膜例如弹性面板施加弯曲波振动的振动激励器。振动激励器可以是机电式的。激励器可以是电磁式激励器。这样的激励器在本领域是公知的，例如从属于本申请人且通过引用并入本文的W097/09859、W098/34320和 W099/13684中可获知这样的激励器。或者，激励器可以是压电式换能器、磁致伸缩激励器或混合器或扭转换能器(例如，WO 00/13464中教导的类型)。激励器可以是如W001/54450 中描述的分布模式致动器，将W001/54450通过引用并入本文。可以选择多个激励器(可以是不同类型的)以协调方式操作。所述或每个激励器可以是惯性式的。一个或多个扬声器可以是作为弯曲波器件例如谐振弯曲波器件的板状构件。例如，一个或多个扬声器可以是如国际专利申请W097/09842中描述的谐振弯曲波模式扬声器，通过引用将W097/09842并入本文。这样，如下面更详细解释的，驱动弯曲波器件特别是低频器件的每个源中的激励器可以通过使用线性叠加理论在相位和幅度上处理的信号来驱动，以向相对近场中的收听者提供定向的和局部化的不同音频信号。
本发明还具体地在诸如盘、⑶-或DVD-ROM、诸如只读存储器的编程存储器(固件) 的数据载体上或在诸如光或电信号载体的数据载体上提供用于实施上述方法的处理器控制代码。用于实施本发明实施例的代码(和/或数据)可以包括诸如C或汇编代码的传统编程语言(解释型或编译型)的源、对象或可执行代码、用于设置或控制ASIC (特定用途集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)的代码，或者用于诸如Verilog(商标)或VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)的硬件描述语言的代码。本领域技术人员将理解，可以在彼此通信的多个耦接的组件之间分布这样的代码和/或数据。
在下列附图中作为示例图形地图示了本发明图Ia和图Ib是音频装置的两个变形的示意性图示；图Ic是图Ia或图Ib的细节的示意性图示；图Id是图Ia或图Ib的音频装置的组件的方块图；图Ie是线性叠加原则的示意性图示；图2是图Ia到图Ic的视频装置可位于其中的封闭空间的示意性模型；图3a到图3c分别示出了司机源、乘客源和后部源的压力响应对频率；图如和图4b分别示出对于图3a的司机源和图3c的后部源在图2的收听面上在 800Hz处的声压级；图fe示出对于图Ia的每个源的传输函数；图恥示出对于图的每个过滤的源的平均响应；图5c示出在图Ia的三个位置的每个处的压力响应对频率；图6a到图6d示出在图2的收听面上在^3Hz、400Hz、576Hz和800Hz处的声压级；图7a是并行求解器的方块图；图7b是递归求解器的方块图；图是图Id的变形的方块图，以及图8b是示出图8a的系统的训练模式的流程图。
具体实施例方式图Ia和图Ib示出音频装置的两个实施例，其在封闭空间(即交通工具内厢)中产生分开的收听体验，由此同时为不同的收听者提供不同的音频通道。在图Ia中，存在安装于形成交通工具内厢的顶棚内衬(headlining)的面板10的三个源12。有两个源12在车辆前部并且朝向交通工具内厢的侧面。一个一般位于司机上方，另一个一般位于乘客上方。这样这两个源12形成对称布置对儿。第三个源12在中央安装朝向内厢的后部，以为后排座位上的乘客提供声音。除了中央后部源12被两个对称布置的源12取代从而形成总共四个源外，图Ib总体上类似于图la。扬声器的间距和类型是用于确定期望收听体验的参数。图Ic示出了图Ia和图Ib的源中的每个的一种布置。可以存在单个低频驱动器 14。这可以是安装于封闭空间中的顶棚内衬或其它弹性面板的、用于激励弯曲波振动以提供低频声音辐射的激励器。如下面更详细解释的，每个源中的激励器由在相位和幅度上使用线性叠加理论处理的信号驱动，以向相对近场中的收听者提供定向的和局部化的不同音频信号。还存在由七个高频驱动器组成的集群16。这些也可以是交通工具顶棚内衬的直接驱动。激励器可以是相同或不同类型的激励器。高频和低频之间的分隔约1500Hz。图Id示出系统组件。处理器20向为每个扬声器提供独立音频信号的两个信号发生器22、23提供信号。第一信号发生器22向每个低频扬声器14提供独立音频信号。第二信号发生器23向每个由高频扬声器组成的集群16提供独立音频信号。示出了三个扬声器， 但是可以存在任意数目个扬声器。由于可听频谱中存在的宽范围声波波长，所以可以预料将需要用于生成期望收听体验的不止一种途径。因此，处理器20包括滤波器M，用于将每个音频信号的音频频谱分割为较高部分和较低部分。在高频处，采用定向性控制和阵列处理技术的组合将声束导向每个收听者。旁瓣(side-lobe)控制意味着其它收听者将收到少得多的声音。由高频控制器26提供该功能。众所周知高频阵列控制。主要限制在于，相比于试图操纵的声音波长，阵列应该足够大。示例阵列教导于http://gow. epsrc. ac. uk/ViewGrant. aspx ？ GrantRef = GR/S63915/01
http//en. wikipedia. org/wiki/Directional Sound#Speaker arrays如下面更详细解释的，在低频处，所有源将以适当幅度、相位和延迟变形被激发 (energise)以得到期望的收听体验，包括指定静音区处的消除。由低频控制器观例如使用允许生成多个音频区的线性叠加提供该功能。例如，如图Ie所示，来自第一源的第一信号1在收听区A生成最大值，以及在收听区B生成最小值。来自第二源的第二信号2在收听区B生成最大值，以及在收听区A生成最小值。通过线性叠加，每个收听点仅接收其想要的信号。封闭空间中任何其它地方将体验信号的组合，不过这无关紧要。因为在空间分开的位置提供两个同时音频体验，所以该特征可称作同时双区域(dual regions)音响效果， 这可扩展到多个信号和多个区域，以提供同时多区域音响效果。图2示出了用于基于简化汽车模型创建镜像模型“射线追踪(ray-trace)，，仿真以提供快速频率响应计算来测试该方法的有效性的内厢模型。在Harris，NJ的"A Comparison of modeling techniques for small acoustic spaces such as car cabins"，2007年5月5-8，奥地利的维也纳的第122届AES Convention上提出的AES Convention Paper 7146中描述了该仿真技术。顶部附近的内部水平面是收听面30，并用于绘制图如和图4b以及图6a到图6d的声压级(sound pressure level, SPL)等高线 (contour) 0该内部水平面显然在源的近场(即，大部分辐射由收听者直接从源接收，而没有自封闭空间中的其它表面的反射)。上面的四个非水平面主要是玻璃，具有0.9的反射系数。下面的四个非水平面，正面具有0. 8的反射系数，背面具有0. 5的反射系数，侧面具有 0.6的反射系数。源平面也具有0.6的反射系数。这些值是任意的，但是是实际的。在低频处使用图2的模型对图Ia中的布置建模。该方法中的第一步是对于图Ia 中所示三个源的每个，测量每个目标位置，即，司机、乘客和后座处的频率响应。图3a示出了当仅激活司机源时每个位置处的声压级。将所测量的每个目标位置处的声压级与从所有响应计算得到的每个激励器的平均范围(μω。)进行比较。还绘制了该平均范围的标准偏差
如预期的，对于司机的声压级最大，在乘客位置处下跌，以及在后座的声压级中进一步下跌。如图北所示，当仅乘客源是活动的时，获得镜像图像结果。如图3c所示，如果仅后部源是活动的，则司机和乘客都接收到弱输出。图如和图4b确认这些结果，以及示出了跨越整个收听面绘制的800Hz处的声压级。因为在司机和乘客之间存在简单的镜像对称性，所以仅示出了一个结果(图4a)。图4b示出了对于后部源的结果。在图如中，最大输出的静音区(quiet spot) 32在乘客侧的内厢边缘。在图4b中，存在一对朝向前部的对称定位的静音区32和在收听面后部居中定位的单个热区(hotSpot)32。下一步是计算对于每个源的传输函数，即对于司机源的￠/^，对于乘客源的 《/1>和对于后部源的《/2>。图fe示出了最大化司机SPL和最小化乘客SPL所必需的对于每个源的传输函数 ￠/^。为了反转司机和乘客的角色，仅需交换实线轨迹和虚线轨迹。图釙示出了从所有响应计算的对于每个源的平均响应(μω。)。还绘制了该平均范围的标准偏差(μω。-οω。和 μω。+σω。)。这些平均响应示出没有明显着色(coloration)。这是由下述事实造成的，即在作为群组的意义上这些传输函数是全通型的，它们产生了在所有频率上统一的新功率增
■、Λ
frff. ο如图5c所示，在司机位置(高声区)处的声音输出大约比在乘客位置(静音区) 处的大50-60dB。在后部座位处的声音输出比司机位置处的小，但是明显比静音区中大。图 6a到图6d示出了收听面中的输出。静音区32处于与图如和图4b的明显不同的位置。在每个频率083Hz、400Hz、576Hz和800Hz)处，静音区一般位于乘客上，不存在司机附近的对应静音区(交通工具为左侧驾驶)。在后部座位上存在一些静音区，这与图5c的结果相符。结构声学上的实验结果表明大约15_20db分隔更现实。还注意到，尽管区之间的分隔对于高频保持良好，但是分隔应用的面积与波长成比例地降低。存在一个有问题的频率，恰在IkHz以上，基于结构声学的结果，这是由于在该频率处在收听者位置处模式腹点 (anti-node)的存在产生的。传输函数形式上可以通过下面详述的各种方法计算。对于任何多区域系统，存在许多输入和许多测量点。最简单的情况是两个输入和一个目标位置，但是如上所述问题可能复杂得多，涉及更多输入以及扩展的目标面积。下面描述求解简单和更复杂问题的各种方法通过“tan theta”方法的简单最小化问题及解考虑具有两个输入和一个输出的系统。设从输入1(例如，图Ia中的第一低频源) 到输出的传输函数用Pl表示，以及从输入2 (例如，图Ia中的第一低频源)到输出的传输函数用P2表示。然后，对于输入信号a和_b，输出信号频谱T给出如下T = a. Pl-b. P2其中，a、b、Pl和P2均是频率的复函数。要求解的问题是对于所有频率最小化Τ。不存在该问题的唯一解，但是通过观察很明显，a和b应该相关；具体地b = a. P1/P2 或 a = b. P2/P1
使用这些比率一般并不是一个好主意，因为Pl或P2可能包含零。一个简单解是设a = P2和b = Pl。通常做法还有规范化该解为单位能量，即|a|2+|b|2 = l。因为Pl和 P2通常是复数量，所以绝对值很重要。这样，通过如下设置来最小化T
权利要求
1.一种在单封闭空间的多个区中提供不同音频信号的装置，包括 扬声器，与每个区相关联，并且位于每个区中，用于辐射音频输出； 能够向每个区中的扬声器供应不同音频信号的部件；信号处理部件，包括，用于将每个音频信号的音频频谱分割为较高部分和较低部分的部件， 用于对在对应区中辐射的较高频率进行定向的部件，以及用于改变较低频率的幅度、相位和延迟中的任一个，以趋向消除在其对应区外部的声音辐射的部件。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述封闭空间是交通工具的内厢。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述交通工具是汽车。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述内厢内部装饰有至少一个弹性面板，以及其中耦接每个区中的扬声器中的至少一个以驱动该至少一个弹性面板的一部分作为声学振动膜。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述内厢内部装饰有顶棚内衬，以及其中耦接每个区中的扬声器中的至少一个以驱动该顶棚内衬的一部分作为声学振动膜。
6.根据任一前述权利要求所述的装置，其中每个区中的扬声器包括具有至少一个较低频率驱动器和较高频率驱动器阵列的集群。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述信号处理部件包括用于处理对于较高频率驱动器阵列的较高频率信号以控制来自该阵列的辐射的定向性的部件。
8.根据任一前述权利要求所述的装置，其中布置该音频频率分割部件，以便该分割发生于1500Hz附近。
9.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述信号处理部件对于该不同音频信号的较低频率采用线性叠加，以趋向于消除其对应区外部的音频信号的声音辐射。
10.根据从属于权利要求6的权利要求9所述的装置，其中所述位于每个区中或与每个区相关联的至少一个较低频率驱动器是位于相对于该相同区中的收听者的近场中的弯曲波振动膜。
11.一种在单封闭空间的多个区中提供不同音频信号的方法，包括在每个区中或每个区附近布置扬声器，用于在相关联区中辐射音频输出； 向每个区中的扬声器供应不同音频信号； 处理音频信号，包括，将每个音频信号的音频频谱分割为较高部分和较低部分， 对在对应区中辐射的较高频率进行定向，以及改变较低频率的幅度、相位和延迟中的任一个，以趋向消除在其对应区外部的声音辐射。
12.根据权利要求11所述的方法，包括将所述封闭空间布置为交通工具的内厢。
13.根据权利要求12所述的方法，包括将所述交通工具布置为汽车。
14.根据权利要求12或13所述的方法，包括将所述内厢内部装饰有至少一个弹性面板，以及耦接每个区中的扬声器中的至少一个以驱动该至少一个弹性面板的一部分作为声学振动膜。
15.根据权利要求12或13所述的方法，包括将所述内厢内部装饰有顶棚内衬，以及耦接每个区中的扬声器中的至少一个以驱动该顶棚内衬的一部分作为声学振动膜。
16.根据权利要求11到15的任一项所述的方法，包括在每个区中提供扬声器集群，以及布置每个集群具有至少一个较低频率驱动器和较高频率驱动器阵列。
17.根据权利要求16所述的方法，包括处理对于较高频率驱动器阵列的较高频率信号以控制来自该阵列的辐射的定向性。
18.根据权利要求11到17的任一项所述的方法，包括布置该音频频率分割，以便该分割发生于1500Hz附近。
19.根据权利要求11到18的任一项所述的方法，包括布置信号处理以采用对于该不同音频信号的较低频率的线性叠加，以趋向于消除其对应区外部的音频信号的声音辐射。
20.根据从属于权利要求16的权利要求19所述的方法，包括布置位于每个区中或与每个区相关联的所述或每个较低频率驱动器是位于相对于该相同区中的收听者的近场中的弯曲波振动膜。
全文摘要
在单封闭空间的多个区中提供不同音频信号的装置，包括扬声器，与每个区相关联，并且位于每个区中，用于辐射音频输出，能够向每个区中的扬声器供应不同音频信号的部件，包括下述部件的信号处理部件用于将每个音频信号的音频频谱分割为较高部分和较低部分的部件，用于对在对应区中辐射的较高频率进行定向的部件，以及用于改变较低频率的相位和延迟以趋向消除在其对应区外部的声音辐射的部件。
文档编号H04R1/40GK102577432SQ201080042708
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月21日 优先权日2009年7月24日
发明者N.J.哈里斯 申请人:新型转换器有限公司