声辐射控制方法和系统与流程

本文中的一个或多个实施方案总体上涉及声辐射控制方法和系统。

背景技术：

现今，广泛地使用条形音箱(soundbar)系统来呈现收听环绕体验。一些条形音箱设计采用基于心理声学理论的头部相关传递函数(headrelatedtransferfunction，hrtf)算法，以产生虚拟环绕声效果。一些条形音箱设计采用延迟叠加法以增强收听环绕体验。这些方法没有考虑扬声器的指向性，并且难以约束旁瓣电平。此外，一些现有的条形音箱系统需要大量的扬声器，并且具有相对窄的最佳听音位置。

技术实现要素：

在实施方案中，提供了一种声辐射控制方法，所述声辐射控制方法包括：配置扬声器阵列；基于所述扬声器阵列的配置和所述扬声器阵列中的扬声器的指向性来获得所述扬声器的传递函数；基于所述扬声器的所述传递函数来获得所述扬声器的源强度，所述源强度使得所述扬声器阵列在第一区中的声辐射能够大于所述扬声器阵列在第二区中的声辐射；以及将所述扬声器的所述源强度应用于所述扬声器阵列。

在一些实施方案中，所述扬声器阵列的所述配置可以包括所述扬声器阵列中的所述扬声器的数量、所述扬声器阵列中的所述扬声器的面向方向，以及所述扬声器阵列中的相邻扬声器之间的间距。

在一些实施方案中，基于所述扬声器阵列的配置和所述扬声器阵列中的扬声器的指向性来获得所述扬声器的传递函数可以包括：计算所述扬声器阵列中的每个扬声器的原始传递函数；测量所述扬声器阵列中的每个扬声器的指向性，其中所述扬声器的所述指向性表示所述扬声器在不同的优化位置的声辐射；以及获得所述原始传递函数和每个扬声器的所述指向性的乘积作为所述扬声器的所述传递函数。

在一些实施方案中，可以基于所述扬声器阵列的所述配置来确定所述扬声器的所述原始传递函数和所述扬声器的所述指向性。

在一些实施方案中，可以进一步基于向所述扬声器阵列提供的输入音频源的频率来确定所述扬声器的所述原始传递函数和所述扬声器的所述指向性。

在一些实施方案中，可以基于等式(1)来计算所述扬声器阵列中的每个扬声器的所述传递函数，

其中是所述扬声器阵列中的第n个扬声器的原始传递函数，d(θ，k)是波数k下的所述第n个扬声器的所述指向性，k＝2πf/c，f是输入音频源的频率，c是声速，r是表示优化的位置与所述第n个扬声器的中心之间的位置关系的向量，并且θ是从所述第n个扬声器的中心到所述优化的位置的方向与所述第n个扬声器的面向方向之间的角度。

在一些实施方案中，可以通过消声室测试来获得所述扬声器阵列中的扬声器的传递函数。

在一些实施方案中，基于所述扬声器的所述传递函数获得的所述扬声器的所述源强度可以使所述扬声器阵列在所述第一区中的声辐射与所述扬声器阵列在所述第二区中的声辐射的比率最大化。

在一些实施方案中，可以基于所述扬声器的所述传递函数使用声对比度控制法来获得所述扬声器的所述源强度。

在一些实施方案中，将所述扬声器的所述源强度应用于所述扬声器阵列可以包括：对所述扬声器的所述源强度执行傅里叶逆变换以获得有限冲激响应(finiteimpulseresponse，fir)滤波器的系数，其中将所述fir滤波器应用于向所述扬声器阵列提供的输入音频源。

在实施方案中，提供了一种声辐射控制系统，所述声辐射控制系统包括：扬声器阵列；以及处理装置，所述处理装置被配置为：基于所述扬声器阵列的配置和所述扬声器阵列中的扬声器的指向性来获得所述扬声器的传递函数；基于所述扬声器的所述传递函数来获得所述扬声器的源强度，所述源强度使得所述扬声器阵列在第一区中的声辐射能够大于所述扬声器阵列在第二区中的声辐射；以及将所述扬声器的所述源强度应用于所述扬声器阵列。

在一些实施方案中，所述扬声器阵列的所述配置可以包括所述扬声器阵列中的所述扬声器的数量、所述扬声器阵列中的所述扬声器的面向方向，以及所述扬声器阵列中的相邻扬声器之间的间距。

在一些实施方案中，所述处理装置可以被配置为：计算所述扬声器阵列中的每个扬声器的原始传递函数；测量所述扬声器阵列中的每个扬声器的指向性，其中所述扬声器的所述指向性表示所述扬声器在不同的优化位置的声辐射；以及获得所述原始传递函数和每个扬声器的所述指向性的乘积作为所述扬声器的所述传递函数。

在一些实施方案中，所述处理装置可以被配置为基于所述扬声器阵列的所述配置来确定所述扬声器的所述原始传递函数和所述扬声器的所述指向性。

在一些实施方案中，所述处理装置可以被配置为进一步基于向所述扬声器阵列提供的输入音频源的频率来确定所述扬声器的所述原始传递函数和所述扬声器的所述指向性。

在一些实施方案中，所述处理装置可以被配置为基于等式(1)来计算所述扬声器阵列中的每个扬声器的所述传递函数，

其中是所述扬声器阵列中的第n个扬声器的原始传递函数，d(θ，k)是波数k下的所述第n个扬声器的所述指向性，k＝2πf/c，f是输入音频源的频率，c是声速，r是表示优化的位置与所述第n个扬声器的中心之间的位置关系的向量，并且θ是从所述第n个扬声器的中心到所述优化的位置的方向与所述第n个扬声器的面向方向之间的角度。

在一些实施方案中，可以通过消声室测试来获得所述扬声器阵列中的扬声器的传递函数。

在一些实施方案中，由所述处理装置基于所述扬声器的所述传递函数获得的所述扬声器的所述源强度可以使所述扬声器阵列在所述第一区中的声辐射与所述扬声器阵列在所述第二区中的声辐射的比率最大化。

在一些实施方案中，所述处理装置可以被配置为基于所述扬声器的所述传递函数使用声对比度控制法来获得所述扬声器的所述源强度。

在一些实施方案中，所述处理装置可以被配置为对所述扬声器阵列的所述源强度执行傅里叶逆变换以获得fir滤波器的系数，其中将所述fir滤波器应用于向所述扬声器阵列提供的输入音频源。

附图说明

结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本公开的前述和其他特征将变得更加明显。应当理解，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方案并且因此不应当被视为限制本公开的范围，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述本公开。

图1是根据实施方案的声辐射控制方法的流程图；

图2是根据实施方案的扬声器阵列的图；

图3是根据另一个实施方案的扬声器阵列的图；

图4是示出在500hz到3khz的频率范围下扬声器阵列中的一个扬声器的平均指向性的测量结果的图；

图5是示出扬声器阵列的配置的图；

图6是示出根据实施方案的从音频源产生音频输出信号的过程的图；

图7是示出根据实施方案的示例性指向性图案的图；

图8是示出根据另一个实施方案的示例性指向性图案的图；

图9是示出通过使用现有技术中的延迟叠加法获得的指向性图案的图；

图10是示出根据实施方案的亮区和暗区的图；

图11是示出通过加强图5和图10中的亮区中的声辐射获得的指向性图案的图；

图12是示出根据实施方案的使用相同的扬声器的不同通道的不同波束成形器的图；以及

图13是根据实施方案的声辐射控制系统的框图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另有指示，否则类似的符号通常标识类似的部件。在详细说明、附图以及权利要求中所描述的这些说明性实施方案并不旨在进行限制。在不脱离在此呈现的主题的精神或范围的情况下，可以采用其他实施方案，并且可以做出其他改变。容易理解的是，如本文一般描述并且在附图中示出，本公开的各方面可能以各种不同的配置来布置、替换、组合和设计，所有这些都是明确预期的并且作为本公开的一部分。

为了增强收听环绕体验，使用波束成形技术来控制声辐射的主方向。当主方向指向侧面时，声场扩大。为了获得更好的环绕体验，应将主瓣电平最大化，并且应将旁瓣电平最小化。此外，扬声器阵列中的扬声器的取向会影响扬声器阵列的性能。因此，在实施方案中的声辐射控制中，考虑扬声器的指向性以提供扬声器阵列的更好性能。

图1是根据实施方案的声辐射控制方法100的流程图。

参考图1，在s101中，配置扬声器阵列。

在一些实施方案中，扬声器阵列可以包括至少两个扬声器。在一些实施方案中，扬声器可以布置成直线。

例如，参考图2，扬声器阵列1包括面向收听者2设置的五个扬声器。在一些实施方案中，扬声器阵列可以包括其他数量的扬声器，并且扬声器可以面向其他方向设置。例如，参考图3，扬声器阵列3包括面向右侧设置的四个扬声器。在一些实施方案中，扬声器阵列中的扬声器可以朝向不同的方向设置，例如，一些扬声器面向收听者并且一些扬声器面向侧面。

扬声器阵列的配置还包括扬声器阵列中的相邻扬声器之间的间距。具有扬声器阵列的条形音箱一般具有紧凑结构。在一些实施方案中，扬声器阵列中的相邻扬声器之间的间距可以在20mm至200mm的范围内，例如，30mm、40mm、50mm、60mm或70mm。

应当注意，扬声器阵列的配置不限于上述实施方案。

基于扬声器阵列的配置，可以确定扬声器阵列的一些特性。例如，使用传递函数来描述扬声器阵列的输入-输出特性。

参考图1，在s103中，基于扬声器阵列的配置和扬声器阵列中的扬声器的指向性来计算扬声器的传递函数。

如上所述，扬声器阵列中的扬声器的取向会影响扬声器阵列的性能。因此，在一些实施方案中，为了更准确地控制扬声器阵列的声辐射，在传递函数的计算中考虑扬声器的指向性。

图4是示出在500hz到3khz的频率范围下扬声器阵列中的一个扬声器的平均指向性的测量结果的图，其示出了扬声器在相对于扬声器的不同方向上的声辐射。0°表示扬声器的前面，90°和270°表示扬声器的两侧，并且180°表示扬声器的背面。可以从图4中看出，声辐射在0°处达到最大并且从0°的两侧逐渐地减小，并且不同的方向对应于不同的声辐射。因此，在实施方案中，在扬声器的传递函数的计算中考虑扬声器的指向性。

在一些实施方案中，扬声器的原始传递函数和扬声器的指向性的乘积可以充当扬声器的传递函数。原始传递函数是指没有考虑扬声器的指向性的通用自由场传递函数。

在一些实施方案中，可以基于等式(1)来计算扬声器阵列中的每个扬声器的传递函数，

其中是扬声器阵列中的第n个扬声器的原始传递函数，d(θ，k)是波数k下的第n个扬声器的指向性，k＝2πf/c，f是输入音频源的频率，c是声速，r是表示优化的位置与第n个扬声器的中心之间的位置关系的向量，并且θ是从第n个扬声器的中心到优化的位置的方向与第n个扬声器的面向方向之间的角度。

可以看出，扬声器的原始传递函数和扬声器的指向性两者都是基于扬声器阵列的配置(包括扬声器阵列中的扬声器的数量、扬声器的面向方向、相邻扬声器之间的间距等等)和优化的位置确定的。此外，扬声器的原始传递函数和扬声器的指向性进一步基于输入音频源的频率来确定。

参考图5，扬声器阵列中的五个扬声器面向前设置，其中相邻扬声器之间的间距为70mm。优化的位置位于相对于扬声器阵列的中心具有1m的半径的圆处。图5中的rn表示优化的位置与第二扬声器的中心之间的位置关系。

可选地，在一些实施方案中，可以通过消声室测试直接获得扬声器阵列中的扬声器的传递函数。

参考图1，在s105中，基于扬声器阵列中的扬声器的传递函数来获得扬声器阵列中的扬声器的源强度，该源强度使得扬声器阵列在第一区中的声辐射能够大于扬声器阵列在第二区中的声辐射。

在一些实施方案中，基于扬声器的传递函数获得的扬声器的源强度可以使扬声器阵列在第一区中的声辐射与扬声器阵列在第二区中的声辐射的比率最大化。

如上所述，为了获得更好的收听环绕体验，预期弱化朝向不希望方向(例如，面向收听者的方向)的声辐射，并且预期加强朝向期望方向(例如，朝向收听者的侧面的方向)的声辐射。也就是说，应将主瓣电平最大化，并且应将旁瓣电平最小化。在一些实施方案中，在s101中的配置下，使用声对比度控制(acousticcontrastcontrol，acc)法来使扬声器阵列朝向期望方向的声辐射相对较大，并且使扬声器阵列朝向不希望方向的声辐射相对较小。acc法可以形成亮区与暗区之间的最大声对比度，即，实现主瓣电平与旁瓣电平的最大比率。扬声器的声辐射可以由扬声器的源强度和扬声器的传递函数表示。因此，在配置了扬声器阵列并且确定了扬声器阵列中的扬声器的传递函数之后，扬声器的源强度可以决定扬声器阵列朝向不同方向的声辐射。

在一些实施方案中，扬声器的声辐射可以由扬声器的声压表示。

在一些实施方案中，扬声器阵列在优化的位置r处的声压由等式(2)表示，

其中hd(rn)是扬声器阵列中的第n个扬声器的传递函数，qn是第n个扬声器的扬声器强度，并且n是扬声器阵列中的扬声器的数量。

为了将主瓣电平最大化并且将旁瓣电平最小化，可以将期望方向上的声压与不希望方向上的声压的比率最大化。仍参考图5，在实施方案中，由‘o’表示的亮区(即，s105中的第一区)包括期望方向，并且由‘x’表示的暗区(即，s105中的第二区)包括不希望方向。

亮区中的声压由p(rb)表示，暗区中的声压由p(rd)表示，并且亮区中的第n个扬声器的传递函数由hb(rbn)表示，并且暗区中的第n个扬声器的传递函数由hd(rdn)表示。因此，亮区和暗区中的声压可以按矩阵形式重写为等式(3)，

pb＝hbdq,pd＝hddq(3)，

其中hbd、hdd和q分别是亮区中的扬声器的传递函数的矩阵形式、暗区中的扬声器的传递函数的矩阵形式和扬声器的源强度的矩阵形式。

基于acc法，为了将亮区中的声压与暗区中的声压的比率最大化，将优化目标表达为等式(4)，

其中是pb的共轭矩阵，是pd的共轭矩阵，是hb的共轭矩阵，并且是hd的共轭矩阵。

根据等式(4)，扬声器的源强度q与矩阵的对应于其最大特征值的特征向量成比例。在一些实施方案中，扬声器的源强度q等于矩阵的对应于其最大特征值的特征向量。

基于等式(2)、(3)和(4)，获得扬声器阵列中的扬声器的源强度，所述源强度使亮区(即，s105中的第一区)中的声压与暗区(即，s105中的第二区)中的声压的比率最大化。

在s107中，将扬声器阵列中的扬声器的源强度应用于扬声器阵列。

图6是示出根据实施方案的从音频源产生音频输出信号的过程的图。参考图6，音频源由a/d转换器或解码器处理以形成能够被数字信号处理器处理的数字信号。此后，将数字信号发送到数字信号处理器以进行处理。还在dsp上应用fir滤波器以对经处理的数字信号进行滤波。此后，将经滤波的信号相继地发送到d/a转换器和功率放大器，以形成输出模拟电压。通过这种方式，从音频源产生音频输出信号。

在一些实施方案中，可以通过对在s105中获得的扬声器的源强度执行傅里叶逆变换来获得fir滤波器的系数。也就是说，将在s105中获得的扬声器的源强度应用于扬声器阵列。通过使用具有与在s105中获得的源强度对应的系数的fir滤波器，可以将第一区中的声压与第二区中的声压的比率最大化。

图7是示出通过使用上述方法100获得的示例性指向性图案的图，其中扬声器阵列包括以特定间距面向前(即，面向收听者)设置的五个扬声器，并且音频源的频率是2khz。在图7中，270°表示扬声器的前面，0°和180°表示扬声器的两侧，并且90°表示扬声器的背面。可以从图7中看出，如图5所示的亮区中的声辐射相对较大，而如图5所示的暗区中的声辐射相对较小。

图8是示出通过使用上述方法100获得的另一个示例性指向性图案的图，其中扬声器阵列包括以与图7相同的间距面向侧面(即，面向收听者的一侧)设置的五个扬声器。类似于图7，在图8中，如图5所示的亮区中的声辐射相对较大，而如图5所示的暗区中的声辐射相对较小。图7与图8之间的区别在于，图8中的亮区中的声辐射与暗区中的声辐射的比率大于图7，这证明扬声器阵列中的扬声器的指向性确实影响扬声器阵列的声辐射。因此，在一些实施方案中，为了获得更好的收听环绕效果，扬声器阵列中的扬声器可以朝向期望方向(例如，收听者的两侧)布置。

图9是示出通过使用现有技术中的延迟叠加法获得的指向性图案的图。如图9所示，尽管主瓣电平(在从0°至60°和从300°至0°的期望范围内的声辐射)相对较大，但旁瓣电平(在从60°至300°的不希望范围内的声辐射)也相对较大。也就是说，旁瓣电平没有被很好地约束，并且因此主瓣电平与旁瓣电平的比率相对较小。因此，收听环绕效果可能不像通过在以上实施方案中提供的方法获得的效果那么好。

为了减少扬声器阵列中的扬声器的数量，可以通过使用不同的fir滤波器来将音频源的不同通道混合到相同的扬声器中。

参考图5和图7，在亮区(从约0°至60°和从约300°至0°的期望范围)中获得较大声辐射。类似地，也可以通过使用方法100在其他期望范围中获得较大声辐射。例如，参考图10，在实施方案中，从约120°至约240°的期望范围充当亮区，该亮区与图5中的亮区对称。通过使用方法100，可以获得在从约120°至约240°的期望范围内的较大声辐射，而不改变扬声器阵列的配置。

图11是示出通过使用上述方法加强图5和图7中的亮区中的声辐射获得的指向性图案的图。可以看出，在扬声器阵列的两侧(即，收听者的两侧)的声辐射被增强，并且在其他方向上的声辐射被约束。

通过这种方式，不同通道的不同波束成形器共享相同的扬声器，如图12所示。左通道的信号由将能量集中在左侧的第一波束成形器再现，而右通道的信号由将能量集中在右侧的第二波束成形器再现，并且两个波束成形器都利用相同的扬声器阵列。在左通道和右通道的信号很少相关的一些应用中，例如，在电影中，波束成形器将不同地工作并且可以获得如图11所示的指向性图案，这类似于两个独立波束成形器的性能。

因此，在实施方案中，提供声辐射控制系统。参考图13，声辐射控制系统200包括：扬声器阵列201；以及处理装置203，所述处理装置被配置为：基于扬声器阵列201的配置和扬声器阵列201中的扬声器的指向性来获得扬声器的传递函数；基于扬声器的传递函数来获得扬声器的源强度，所述源强度使得扬声器阵列201在第一区中的声辐射能够大于扬声器阵列201在第二区中的声辐射；以及将扬声器的源强度应用于扬声器阵列201。

在一些实施方案中，扬声器阵列201的配置可以包括扬声器阵列201中的扬声器的数量、扬声器阵列201中的扬声器的面向方向，以及扬声器阵列201中的相邻扬声器之间的间距。

在一些实施方案中，处理装置203可以被配置为：计算扬声器阵列201中的每个扬声器的原始传递函数；测量扬声器阵列201中的每个扬声器的指向性，其中扬声器的指向性表示扬声器在不同的优化位置的声辐射；以及获得原始传递函数和每个扬声器的指向性的乘积作为扬声器的传递函数。

在一些实施方案中，处理装置203可以被配置为基于扬声器阵列201的配置来确定扬声器的原始传递函数和扬声器的指向性。

在一些实施方案中，处理装置203可以被配置为进一步基于向扬声器阵列201提供的输入音频源的频率来确定扬声器的原始传递函数和扬声器的指向性。

在一些实施方案中，处理装置203可以被配置为基于等式(1)来计算扬声器阵列201中的每个扬声器的传递函数，

其中是扬声器阵列201中的第n个扬声器的原始传递函数，d(θ，k)是波数k下的第n个扬声器的指向性，k＝2πf/c，f是输入音频源的频率，c是声速，r是表示优化的位置与第n个扬声器的中心之间的位置关系的向量，并且θ是从第n个扬声器的中心到优化的位置的方向与第n个扬声器的面向方向之间的角度。

可选地，在一些实施方案中，处理装置203可以被配置为基于消声室测试来获得扬声器阵列201中的扬声器的传递函数。

在一些实施方案中，由处理装置203基于扬声器的传递函数获得的扬声器的源强度可以使扬声器阵列201在第一区中的声辐射与扬声器阵列201在第二区中的声辐射的比率最大化。

在一些实施方案中，处理装置203可以被配置为基于扬声器的传递函数使用声对比度控制法来获得扬声器的源强度。

在一些实施方案中，处理装置203可以被配置为对扬声器的源强度执行傅里叶逆变换来获得fir滤波器的系数。

在一些实施方案中，处理装置203可以是cpu、mcu或dsp等，或者它们的任何组合。

在一些实施方案中，如果输入音频源是模拟信号，那么声辐射控制系统200还可以包括：a/d转换器205，其被配置为将输入音频源转换为数字信号；数字信号处理器207，其被配置为处理从a/d转换器205输出的数字信号，其中在数字信号处理器207上应用fir滤波器以对经处理的数字信号进行滤波；d/a转换器209，其被配置为将经滤波的信号转换为模拟信号；以及功率放大器211，其被配置为将从d/a转换器209输出的模拟信号放大以形成模拟电压来施加到扬声器。

在一些实施方案中，如果输入音频源是数字信号(例如，通过光纤或高清晰度多媒体接口(highdefinitionmultimediainterface，hdmi)输入)，那么a/d转换器205可以由解码器替换。

声辐射控制系统的部件不限于所述实施方案。

在一些实施方案中，a/d转换器205、数字信号处理器207、d/a转换器209和功率放大器211可以被包括在处理装置203中。

虽然在此已公开了各种方面和实施方案，但其他方面和实施方案对本领域的技术人员将是显而易见的。在此公开的各种方面和实施方案是为了说明性目的，而且并不旨在进行限制，其中真实的范围和精神由所附权利要求指示。