扬声器阵列系统的制作方法

专利名称：扬声器阵列系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有扬声器阵列的扬声器阵列系统，该扬声器 阵列由用于发射声束的扬声器单元组成。
背景技术：
作为此种类型的扬声器阵列系统，存在一种延迟阵列类型的扬
声器阵列系统(例如参见日本已公开专利申请NO. 2006-109343的第 0004段和图9)。在这种延迟阵列类型的扬声器阵列系统中，为了控 制从扬声器阵列发射出来的声波的声场及指向性特性，对提供给扬声 器阵列的扬声器单元的音频信号延迟量进行调节。例如，根据从虚拟 声学中心延伸至扬声器单元的路径之间的差距来确定的延迟被提供 至用于扬声器单元的音频信号，从而使得声音被再现得如同它是从虚 拟声学中心处的声源各向同性地发射出来的并且以球面波的形式传 播出去的。
图15示出了从延迟阵列类型的扬声器阵列系统的扬声器单元输 出的声波(下文中称为子波)是如何相互叠加的。在图15中，rmin 表示从声学中心到最上面的扬声器的路径长度，ri表示从声学中心到 最下面的扬声器的路径长度，路径差n-r^对应于延迟。对于延迟阵 列类型的扬声器阵列系统，子波叠加的密集度随着声波传播的方向而 改变，如图15所示。在子波更加密集地彼此叠加的地方，声压变得 更高。因此，对于延迟阵列类型的扬声器阵列系统，听众所聆听到的 声音强度随着听众与扬声器阵列的位置关系而改变。所以，延迟阵列 类型的扬声器阵列系统存在这样的缺点，即，它不能实现为具有任意 形状和大小的任意区域提供几乎统一的音量(即，具有能在区域中的 任意位置以几乎统一的音量产生可听声音的声束发射)的这样一种声 学服务。

发明内容
本发明提供了一种扬声器阵列，它能够利用简化的结构发射出 可在具有任意形状和大小的区域中的任意位置以几乎统一的音量产
生可听声音的声束。
根据本发明，提供了一种扬声器阵列系统，包括扬声器阵列，
其中布置了多个扬声器单元；延迟单元，适用于将分别与所述扬声器
单元相对应的延迟添加至输入音频信号，从而产生数目与所述扬声器 单元相对应的经延迟的音频信号，并且所述延迟单元适用于将所述经
延迟的音频信号提供给所述扬声器单元；输入单元，适于用来输入代 表了目标区域的区域信息，利用从所述扬声器阵列的扬声器单元输出 的声波所产生的声束来对该目标区域提供声音服务，所述目标区域具 有在与所述扬声器阵列的扬声器表面的法线方向不同的方向上延伸 的法线；以及控制单元，适用于根据所述扬声器阵列中扬声器单元的 布置位置以及所述区域信息来将延迟提供给所述延迟单元，该延迟使 得从所述扬声器单元输出的声波的波阵面的包络为非球面，从所述扬 声器阵列中的相邻扬声器单元朝向所述目标区域输出的声波变得彼 此相位一致，并且随着所述包络传播至靠近所述目标区域，所述包络 变得更加扭曲得不像球面以面对所述目标区域。
根据本发明的扬声器阵列系统，向目标区域发射声束，从而使 得从扬声器阵列中的相邻扬声器单元向目标区域输出的声波(即子 波)彼此相位一致，并且随着包络传播至更靠近所述目标区域，所述 包络变得更加扭曲得不像球面以面对目标区域。由于本发明的扬声器 阵列系统朝向目标区域发射的声束的波阵面会随着其传播至更接近 目标区域而变得更加扭曲以面对该目标区域，所以与用于发射具有球 面波阵面的声束的延迟类型的传统扬声器阵列相比，声压分布变得更 均匀。
扬声器阵列的扬声器单元可被布置在一条线上，控制单元可执 行第一处理到第四处理；第一处理用于设置作为声束的目标到达区域 的覆盖区域，从而根据区域信息来覆盖目标区域，并且所述第一处理用于根据所述扬声器阵列中扬声器单元的布置位置来设置从扬声器 单元到覆盖区域的声波的目标到达点；第二处理用于确定第一直线和 第二直线之间的交点，每一个第一直线均通过针对相应的一个扬声器 单元的布置位置和目标到达点，每一个第二直线均通过针对相应的另 一个扬声器单元的布置位置和目标到达点，所述相应的另一个扬声器 单元是继所述相应的一个扬声器单元之后下一个距覆盖区域最远的 那个扬声器；第三处理用于确定从声束的声学中心延伸至各个扬声器 单元的路径，该声学中心等同于由所述第二处理针对距覆盖区域最远 的扬声器单元所确定的交点，确定针对相关的一个扬声器单元的每个
路径以使得其按照与覆盖区域的距离从长到短的顺序依次通过所有 交点，这些交点由所述第二处理针对那些距覆盖区域比所述相关的一 个扬声器单元远的扬声器单元来确定；以及第四处理，用于根据第三
处理所确定的路径中的最短路径与第三处理针对所述每个扬声器单 元所确定的路径之间的路径差来计算每个扬声器单元的延迟。
利用上述布置，可以确定路径以使得从声学中心到沿着这些路 径传播的声波的波阵面的距离彼此相等。扬声器单元与从该扬声器单 元输出的声波的目标到达位置之间的距离越短，那么声波的辐射角度 将越大。另一方面，该距离越长，辐射角度越小。于是，声波在同一 时间点上的波阵面包络由于传播至更接近目标区域而变得更扭曲以
便面对目标区域。相邻扬声器单元之间的延迟对应于从声学中心向各 个扬声器单元延伸的路径之间的路径差，因此从扬声器单元输出的声
波变得彼此相位一致。
所述扬声器阵列的扬声器单元可布置在一个平面上，所述控制 单元可根据所述扬声器阵列中每个扬声器单元的垂直布置位置和水 平布置位置来分别为所述每个扬声器单元分开计算第一延迟和第二 延迟，可将所述第一延迟和第二延迟之和作为针对所述每个扬声器单 元的延迟来提供给所述延迟单元，并且可执行第一处理至第四处理； 第一处理用于设置作为声束的目标到达区域的覆盖区域，从而根据区
域信息来覆盖目标区域，并且所述第一处理用于根据所述扬声器阵列 中扬声器单元的布置位置来设置从扬声器单元到覆盖区域的声波的
7目标到达点，第二处理用于根据所述扬声器阵列中扬声器单元的垂直
布置位置来将扬声器单元分成多个虚拟扬声器行，并且用于确定虚拟 扬声器单元以及针对这些虚拟扬声器单元的目标到达点，每个虚拟扬
声器单元代表了属于每个虚拟扬声器行的扬声器单元，第二处理用于
确定第一直线和第二直线之间的交点，每个第一直线均通过相应的一 个虚拟扬声器单元和针对该相应的一个虚拟扬声器单元的目标到达 点，每个第二直线均通过相应的另一个虚拟扬声器单元和针对所述相 应的另一个虚拟扬声器单元的目标到达点，所述相应的另一个虚拟扬 声器单元是继所述相应的一个扬声器单元之后下一个距覆盖区域最 远的那个扬声器；第三处理用于确定从声束的声学中心延伸至各个虚 拟扬声器单元的路径，该声学中心等同于由所述第二处理针对距覆盖
区域最远的虚拟扬声器单元而确定的交点，确定针对相关的一个虚拟 扬声器单元的每个路径以使得其按照与覆盖区域的距离从长到短的
顺序依次通过所有交点，这些交点由第二处理针对那些距覆盖区域比 所述相关的一个虚拟扬声器单元远的虚拟扬声器单元来确定；第四处 理用于根据由第三处理所确定的路径中的最短路径与第三处理针对 与所述每个虚拟扬声器行相对应的虚拟扬声器单元所确定的路径之 间的路径差来计算针对属于每个虚拟扬声器行的扬声器单元的第一 延迟；并且所述控制单元根据所述每个虚拟扬声器行中扬声器单元的 布置位置来确定针对每个虚拟扬声器行的第二延迟。
扬声器阵列系统可包括调节单元，该调节单元使得用户能够调 节覆盖区域的形状或大小或者覆盖区域中目标到达点的位置，其中所 述控制单元可根据经由所述调节单元调节的覆盖区域来计算与多个 扬声器单元中的各个扬声器单元相对应的延迟。
利用上述布置，可借助根据直觉进行的调节覆盖区域的形状或 大小或者覆盖区域中的目标位置这样的操作来调节从扬声器阵列发 射出来的声束的指向性特性。
通过以下参考附图进行的对示例性实施例的描述，本发明的其 它特征将变得明显。


图1是示出了根据本发明一个实施例的扬声器阵列系统的结构 的视图2A至图2C是示出了扬声器阵列系统的扬声器阵列中的扬声 器单元是如何布置的示例的正视图3是示出了扬声器阵列所发出的声束的波阵面是如何传播的 示例的视图4是扬声器阵列系统的UI提供单元所设置的目标区域的示例 的视图5是扬声器阵列系统的控制单元的CPU所执行的延迟计算处
理的流程的视图6是示出了目标区域和覆盖区域之间的关系的视图7是示出了垂直计算处理S02所设置的虚拟扬声器行的示例
的视图8A和图8B是用于说明垂直计算处理S02的处理内容的视图； 图9A和图9B是用于说明垂直计算处理S02的处理内容的视图； 图10A至图10C是用于说明水平计算处理S03的处理内容的视
图；
图11是示出了从扬声器阵列发出的声波是如何传播的视图； 图12A至图12C是示出了根据第一变型的覆盖区域的设置形式
的视图13A和图13B是用于说明根据第二变型的调节单元的视图； 图14是用于说明根据第三变型的虚拟扬声器行的视图；以及 图15是用于说明延迟阵列类型的传统扬声器阵列的问题的视图。
具体实施例方式
现在将在下文中通过参考示出了其中的优选实施例的附图来详 细描述本发明。
图1是示出了根据本发明一个实施例的扬声器阵列系统1的结构的示例的视图。
如图1所示，扬声器阵列系统包括扬声器阵列10、延迟单元20、
放大单元30、用户接口提供单元(下文中称为UI提供单元)40以及 控制单元50。
扬声器阵列lO包括扬声器单元SP-i (i-l至N，其中N表示不 小于3的自然数)。扬声器单元SP-i被布置成使得扬声器轴彼此平 行并且形成平坦的扬声器表面(挡板表面)。如上所述，从扬声器阵 列lO发出的声束的波阵面由扬声器单元SP-i所输出的声波的波阵面 (同一时间点观测到的波阵面)的包络形成。锥形扬声器(cone speaker)或其它具有较宽指向性的扬声器被用作扬声器单元SP-i。 可以采用声学特性相同的扬声器单元SP-i或者声学特性(例如输出 频率范围)不同的不同类型的扬声器单元的组合来构建扬声器阵列 10。在前一种情况中，如图2A所示，可以通过以等间距的方式布置 在矩阵中的扬声器单元SP-i来形成扬声器阵列10。在后一种情况中， 例如，可以通过布置在矩阵中的用于高频范围的小型扬声器单元 SP-i以及布置成围绕小型扬声器单元的用于低频范围的大型扬声器 单元SP-i来形成扬声器阵列10，如图2B所示。可选地，如图2C所 示，可以通过放置在相对端以及折线(polyline)(图2C中的虚线) 顶点的扬声器单元SP-i来形成扬声器阵列10。在以平面方式布置扬 声器单元SP-i而形成扬声器阵列IO的情况中，扬声器单元SP-i中 的三个或更多个必须被布置成沿着至少一个方向(在本实施例中为垂 直方向)，后面将描述这么做的原因。
例如，延迟单元20是一个DSP (数字信号处理器)。延迟单元 20对声源2所提供的输入音频信号IN执行延迟处理，从而产生经延 迟的音频信号X-i (i=l至N)，这些信号随后被提供给放大单元30。 在声源2输出模拟信号作为输入音频信号IN的情况下，模拟信号在 提供给延迟单元20之前可被A/D转换器转换成数字信号。在本实施 例中，所谓的单抽头(one-tap)延迟处理被采用来作为延迟处理。 单抽头延迟处理可通过使用移位寄存器或RAM (随机访问存储器)来 实现。在使用RAM的情况下，延迟单元20可能执行这样的处理，其中，输入音频信号IN被写入RAM,并且在经过与针对扬声器单元SP-i (i二l至N)的延迟相对应的时间段之后，从RAM中读出输入频率信 号IN,从而获取将被提供给放大单元30的经延迟的音频信号X-i。 利用这个通过单抽头延迟处理来产生经延迟的音频信号X-i的实施 例，可以利用比其中通过执行FIR (有限脉冲响应)类型的处理来产 生经延迟的音频信号的情况更小规模的DSP来形成延迟单元20。
如图1所示，放大单元30包括分别对应于扬声器单元SP-i的 乘法器31-i (i=l至N)。来自延迟单元20的经延迟的音频信号X-i 被提供给乘法器31-i。乘法器31-i通过将这些经延迟的音频信号X-i 乘以控制单元50提供的预定系数来使之放大。从放大单元30输出的 经延迟的音频信号X-i被D/A转换器(图1中未示出)转换成模拟音 频信号，并且被分别提供给扬声器单元SP-i。
扬声器阵列系统1执行延迟阵列类型的指向性控制，并且根据 延迟单元20所提供的用于经延迟的音频信号X-i的延迟来确定指向 性特性。如果要被提供声音服务的区域(下文中称为目标区域)的法 线方向与扬声器阵列的扬声器表面的法线方向一致(即，在扬声器阵 列的扬声器表面面对目标区域的情况下)，那么利用用于产生具有球 面波阵面的声束的传统的延迟类型扬声器阵列系统，就可以提供声压 分布变化较小的声音服务。然而，如果目标区域的法线方向并不与扬 声器表面一致，那么目标区域中的声压分布将发生变化。另一方面， 利用本实施例的扬声器阵列系统1，具有非球面波阵面的声束被发射 至其法线方向与扬声器阵列10的扬声器表面的法线方向不相一致的 目标区域，从而提供声压分布实质上均匀的声音服务。如图3所示， 非球面波阵面表示当波阵面与目标区域之间的距离变短时会变得更 加扭曲以面对目标区域的波阵面。
为了使得从扬声器阵列IO发射出来的声束的波阵面变为如图3 所示的非球面波阵面，必须适当确定与扬声器单元SP-i相对应的各 个延迟。与产生具有球面波阵面的声束相比，这种延迟的确定要求更 加复杂的计算，它要求费力的工作，尤其是在通过人工计算来进行的 情况下。为了避免这样的情况，本发明的扬声器阵列系统被设计成能够很容易地产生具有图3所示的非球面波阵面的声束。具体地说，在 本实施例的扬声器阵列系统1中，其由图1中的UI提供单元40和控
制单元50实现。
图1中的UI提供单元40具有输入单元的功能，它使得用户可 以输入代表了扬声器阵列IO和目标区域之间的位置关系、目标区域 的形状和大小(下文中称为区域信息AI)、以及目标区域中的音量 (下文中称为目标音量)的各种信息。基于区域信息AI,控制单元 50用于计算将被提供至延迟单元20的延迟，即在产生具有非球面波 阵面的声束时使用的、与区域信息AI所代表的目标区域有关的延迟 D-i (i二l至N)，并且控制单元50用于将计算出来的延迟提供到延 迟单元20。控制单元50还用于设置完全根据目标音量而变化的放大 比例(即放大器31-i中的放大器系数)。
下文中将详细描述本发明特征所在的UI提供单元40和控制单 元50的结构和功能。
在一个具体示例中，UI提供单元40可包括用于显示各种输入 屏幕的显示部分(例如，液晶显示器)、用于控制对显示部分的驱动 的驱动电路、以及扬声器阵列系统的用户用来输入各种信息的操作部 分(例如，键盘和鼠标)。可以以各种形式输入区域信息AI。例如， 在一种形式中，通过键盘输入坐标值，其代表了针对诸如其中布置了 扬声器阵列10和目标区域的音乐厅之类的空间而设置的三维坐标系 中扬声器阵列IO和目标区域的布置位置。存在另一种形式，其中在 显示部分上呈现图4所示的虚拟三维坐标空间图像的同时通过利用 点击装置进行的拖曳操作来输入区域信息AI。如上所述通过UI提供 单元40输入的区域信息AI和目标音量从UI提供单元40提供至控制 单元50。
如图l所示，控制单元50包括CPU (中央处理单元)501、非易 失性存储器502(例如闪存ROM)、以及易失性存储器503(例如RAM)。 预先将用于使CPU501执行本发明的扬声器阵列系统之特征所在的延 迟计算处理的控制程序502a与阵列信息502b—起存储在非易失性存 储器502中。阵列信息502b是表示扬声器阵列10中扬声器阵列10的扬声器单元SP-i (i^至N)的布置位置的信息。例如，该信息表 示二维坐标系(该坐标系的原点位于扬声器阵列IO的扬声器表面的
左上角)中扬声器单元SP-i的坐标位置。当CPU 501执行控制程序 502a时，易失性存储器503被用作用户的工作区域。如图5所示， CPU 501根据控制程序502a实施的延迟计算处理被分成四个处理， 即区域设置处理SOl、垂直计算处理S02、水平计算处理S03、以及 延迟设置处理S04。
下面将详细描述这四个处理。
在区域设置处理SOl中，作为从扬声器阵列IO发射出来的声束 的目标到达区域，覆盖区域被设置成覆盖了区域信息AI所表示的目 标区域、以及根据扬声器阵列IO中扬声器单元SP-i的布置位置而从 扬声器单元SP-i输出至覆盖区域的声波的目标到达点。例如，UI提 供单元40给出表示目标区域的区域信息AI，该目标区域的中心处于 水平平面和经过扬声器阵列10的垂直中线(图2A至图2C的线C-C') 且其法线沿着与扬声器阵列10的法线方向相垂直的方向延伸的垂直 平面之间的正交线(如点划线所示)上，如图6所示。在这种情况下， 设置了形状为矩形的覆盖区域，该矩形具有与扬声器阵列10的两个 平行边(图6中的SA-SD和SB-SC)相平行地进行延伸的两边，并且 该矩形的面积足够大到可以覆盖目标区域。
根据覆盖区域和扬声器阵列IO之间的位置关系、覆盖区域的水 平边和扬声器阵列10的水平边之间的长度比(即边TA-TD和SA-SD 之间的长度比)、它们的其它边之间的长度比、以及扬声器信息502b 所表示的扬声器单元SP-i的布置位置来在几何上确定覆盖区域中目 标到达点的位置。由于是按照这样的方式来确定覆盖区域中目标到达 点的位置的，所以覆盖区域中目标到达点的布置中的几何关系与扬声 器阵列10的扬声器单元SP-i的布置中的几何关系(例如扬声器单元 以网格形式布置)相一致。例如，在一条线上水平布置在扬声器表面 上的扬声器单元平行于与扬声器单元相对应的目标到达点。为了方便 随后的垂直计算处理S02和水平计算处理S03中的计算，使覆盖区域 为矩形并且在覆盖区域中将目标到达点布置成使得目标到达点之间也维持了在扬声器阵列10中的扬声器单元SP-i的布置中的几何关 系。
在垂直计算处理S02至延迟设置处理S04中，计算与扬声器单 元SP-i相对应的延迟来使得具有非球面波阵面的声束(见图3)被 发射至区域设置处理SOl所设置的覆盖区域。在被发射了非球面声束 的覆盖区域中，可以实现具有实质上均匀的声压分布的声音服务。由 于区域信息AI所指示的目标区域被覆盖区域所覆盖(参见图6)， 所以在目标区域同样可以获得具有实质上均匀的声压分布的声音服 务。
在垂直计算处理S02中，根据扬声器单元SP-i在扬声器阵列10 的扬声器表面上的垂直布置位置来计算针对扬声器单元SP-i (i二l 至N)的延迟(下文中称为第一延迟)D1-i。在该垂直计算处理S02 中，执行处理来根据阵列信息502b所指示的扬声器单元SP-i的垂直 布置位置将扬声器阵列10的扬声器单元SP-i划分成组，以便减少计 算量。具体地说，垂直布置位置相同的扬声器单元SP-i被分组成为 一组。属于一组的扬声器单元SP-i具有相同的垂直布置位置。因此， 可以通过借助组的编号计算第一延迟来计算针对所有扬声器单元 SP-i的第一延迟Dl-i。
属于一组的扬声器单元SP-i在扬声器阵列10中的垂直布置位 置相同，因此它们被布置在水平线上(成一直线)。在下文中，扬声 器单元的各个组被称为虚拟扬声器行VSL-j。后缀j表示从扬声器阵 列10的扬声器表面上的最上面的扬声器行开始数起的各个虚拟扬声 器行的行数。例如，在以图2A所示的矩阵形式布置扬声器单元SP-i 的情况下，从垂直方向上看，虚拟扬声器行VSL-j与扬声器阵列10 的各个实际扬声器行相一致。如果将扬声器单元SP-i布置成图2B 所示的形式，那么它们将被分成9个虚拟扬声器行VSL-j( j=l至9)， 如图7所示。如果布置成如2C所示的形式，它们将被分成3个虚拟 扬声器行VSL-j (j二l至3)。
接下来，在垂直计算处理S02中，确定代表属于每个虚拟扬声 器行VSL-j的扬声器单元SP-i的扬声器单元。在本实施例中，为了
14简化随后处理中的计算，处于属于每个虚拟扬声器行VSL-j的扬声器 单元的中间位置的扬声器单元(即位于图7中的线OC'上的扬声器 单元)被选为属于虚拟扬声器行VSL-j的扬声器单元SP-i的代表扬 声器单元。对于如图7所示的虚拟扬声器行VSL-1、 VSL-3、 VSL-7 和VSL-9那样其中间位置没有扬声器单元的虚拟扬声器行的情况，假 设在该虚拟扬声器行的中间存在扬声器单元，因此这个假设出来的扬 声器单元被确定为属于该虚拟扬声器行的扬声器单元SP-i的代表扬 声器单元。在下文中，属于虚拟扬声器行VSL-j的扬声器单元SP i
的代表扬声器单元被称为"虚拟扬声器单元VSP-j"，而不考虑该代 表扬声器单元是实际存在的一个扬声器单元还是想象出来的一个扬
声器单元。接下来，根据虚拟扬声器单元VSP-j和针对虚拟扬声器单 元VSP-j的目标到达点TP-j， CPU 501根据下面的程序来计算针对虚 拟扬声器单元VSP-j的第一延迟Dl-i。
具体地说，CPU501确定交点坐标。在每个交点Kjm处，经过虚 拟扬声器单元VSP-j和相应的目标到达点TP-j的直线L-j与经过虚 拟扬声器单元VSP-m和目标到达点TP-m的直线L-m相交，虚拟扬声 器单元VSP-m是继虚拟扬声器单元VSP-j之后下一个距覆盖区域最远 的那个扬声器。例如，在扬声器阵列IO被构建成图2B所示的那样的 情况下，扬声器阵列10的扬声器单元SP-i被分成9组虚拟扬声器行 VSL-j。在这种情况下，经过9个虚拟扬声器单元VSP-j中的各个单 元以及覆盖区域中的相应的目标到达点TP-j的9条直线L-j被绘制 成如图8A和图8B所示，并且如图9A和图9B所示的那样确定8个交 点K12至K89的坐标。
接下来，CPU 501利用针对距离覆盖区域最远的虚拟扬声器单元 (即虚拟扬声器单元VSP-1)而确定的交点(即交点K12)作为发射 至目标区域的声束的声学中心FV1，来确定延伸至虚拟扬声器单元 VSP-j的路径，如图9A所示。具体地说，CPU501执行处理以确定从 声学中心到每个虚拟扬声器单元VSP-j的路径，以使得该路径按照与 覆盖区域的距离从长到短的顺序依次通过经由上述处理针对这些与 覆盖区域的距离大于虚拟扬声器单元VSP-j的虚拟扬声器单元而确定的所有交点。
例如，如图9A所示，确定沿着直线L-1从声学中心FV1延伸至 虚拟扬声器单元VSP-1的针对虚拟扬声器单元VSP-1的路径rl,并 且确定沿着直线L-2从声学中心FV1延伸至虚拟扬声器单元VSP-2 的针对虚拟扬声器单元VSP-2的路径r2。确定从声学中心FV1延伸 经过交点K23到达虚拟扬声器单元VSP-3的针对虚拟扬声器单元 VSP-3的路径。类似地，确定分别延伸至虚拟扬声器单元VSP-4到 VSP-8的路径。如图犯所示，确定从声学中心FV1延伸经过交点K23、 K34、…、K89到达虚拟扬声器单元VSP-9的针对虚拟扬声器单元VSP-9 的路径r9 (=rl2+r23+r34+r45+r56+r67+r78+r89)。符号r12代表 交点K12和K23之间的距离，符号r23代表交点K23和K34之间的距 离。符号r34至r78中的每个符号类似地代表相应交点之间的距离。 符号r89代表交点K89和虚拟扬声器单元VSP-9之间的距离。因此， 从声学中心FV1延伸至各个虚拟扬声器单元VSP-j的路径被确定，它 们是声束在交点处折射时传播经过的折线路径。应该注意的是，在扬 声器阵列10仅仅具有并列排布在垂直方向上的两个扬声器单元SP-i 的情况下，上述程序所确定的路径(即，从声学中心延伸至这两个扬 声器单元SP-i的路径)与用于产生具有球面波阵面的声束的传统延 迟阵列系统所计算出来的路径相同。为此，本实施例的扬声器阵列系 统1的扬声器阵列10必须具有布置在垂直方向上的三个或者更多的 扬声器单元SP-i。
接下来，CPU501根据如上确定的那些路径中的最短路径(本实 施例中为rl)与针对虚拟扬声器单元VSP-j而确定的路径之间的路 径差来计算针对每个虚拟扬声器单元VSP-j的延迟。例如，通过用路 径差除以声速来计算延迟。针对每个虚拟扬声器单元VSP-j计算出来 的延迟被用作针对与虚拟扬声器单元VSP-j具有相同垂直布置位置 的扬声器单元SP-i的第一延迟Dl-i。
所确定的第一延迟D1-i被加至输入音频信号IN以产生经延迟 的音频信号X-i，它随后被提供至扬声器单元SP-i。于是，声学中心 FV1与从各个扬声器单元SP-i输出并随后沿着路径传播的声波的波阵面之间的距离变得彼此相等，而与路径无关。此外，输出声波的扬 声器单元SP-i距离覆盖区域越近，则声波波阵面的孔径角(即辐射 角度)越大。因此，从扬声器单元SP-i输出的声波的波阵面的包络 会随着该包络传播至更靠近覆盖区域而变得更加扭曲得不像球面以 便面对覆盖区域。并且，针对扬声器阵列10的在垂直方向上彼此相
邻的两个扬声器单元SP-i的第一延迟D1-i具有与从声学中心FV1 到这两个扬声器单元的路径之间的路径差相对应的延迟差。因此，分 别从两组扬声器单元SP-i输出的声波在相同的时间点上变得彼此相 位一致。
接下来，将给出对水平计算处理S03的描述。水平计算处理S03 用于根据扬声器单元在扬声器阵列10的扬声器表面上的水平布置位 置来计算针对扬声器单元SP-i (i二l至N)的延迟(下文中称为第二 延迟)D2-i。在该水平计算处理S03中，对每个虚拟扬声器行VSL-j 执行以下处理，从而计算针对属于虚拟扬声器行VSL-j的扬声器单元 SP-i的第二延迟D2-i。具体地说，确定经过属于每个虚拟扬声器行 VSL-j的扬声器单元SP-i的直线以及相应的目标到达点，并且这些 直线的交点被确定为针对垂直扬声器行VSL-j的水平焦点。随后，根 据从所确定的焦点延伸至这些扬声器单元SP-i的路径之间的路径差 来计算针对属于虚拟扬声器行VSL-j的扬声器单元SP-i的第二延迟 D2-i。
图IOA示出了针对属于图7所示的虚拟扬声器行VSL-1 (即，扬 声器表面的最上面部分处的虚拟扬声器行)的扬声器单元SP-i的焦 点以及路径，图IOB示出了针对属于图7所示的虚拟扬声器行VSL-9 (即，扬声器表面的最下面部分处的虚拟扬声器行)的扬声器单元 SP-i的焦点以及路径。通过将与所确定的路径差相对应的第二延迟 D2-i加入输入频率信号IN，产生了经延迟的音频信号X-i。如图10A 和图IOB所示，虚拟扬声器行距离覆盖区域的距离越远，则从虚拟扬 声器行发出的声波的包络的孔径角(即水平辐射角度)将越小。虚拟 扬声器行距离覆盖区域的距离越近，则从虚拟扬声器行输出的声波的 包络的孔径角将越大。应该注意的是，可以在水平计算处理S03中执行与垂直计算处理S02中执行的处理相类似的处理。在这种情况下，
如图IOC所示，从一个声学中心向各个扬声器单元SP-i延伸的折线 路径被确定，并且根据这些路径之间的差来确定第二延迟D2-i。
在延迟设置处理S04中，如上计算出来的针对扬声器单元SP-i (i二l至N)的第一延迟D1-i和第二延迟D2-i之和被提供至延迟单 元20作为用于扬声器单元SP-i的延迟。应该注意的是，由于每个虚 拟扬声器行VSL-j均平行于针对属于虚拟扬声器行VSL-j的扬声器单 元SP-i的目标到达点的线，所以如上所述针对虚拟扬声器行VSL-j 而确定的水平焦点处于经过线C-C'的垂直平面上。换句话说，针对 虚拟扬声器行的焦点以及上述交点处于同一平面上。因此，在同一时 间观测到的从扬声器阵列lO的扬声器单元SP-i输出的声波的波阵面 包络是二维表示的，并且声波所形成的声束如图11中的箭头所示的 那样进行传播。
如上所述，根据本实施例的扬声器阵列系统1，从扬声器阵列 10向用户所指定的目标区域发射具有如图3所示的非球面波阵面的 声束，因此，可以实现在目标区域中具有实质上统一的音量的声音服 务。本实施例的特征还在于，根据扬声器阵列IO和目标区域之间的 位置关系以及目标区域的形状大小来计算用于获得声束的延迟，因此 用户无须执行复杂的计算操作等等。由于本实施例的扬声器阵列系统 1的延迟单元20所执行的延迟处理为单抽头延迟处理，所以延迟单 元20可由小型DSP形成，并且扬声器阵列系统1的结构可以简化。
前面已经描述了本发明的一个实施例，可以如下所述的那样在 各方面对该实施例进行修改。
第一变型
在上述实施例中，通过在其法线沿着与扬声器阵列10的扬声器 表面的法线方向相垂直的方向延伸的平面上指定一个目标区域，通过 设置矩形覆盖区域以便覆盖所述目标区域，以及通过确定针对扬声器 单元SP-i的目标到达点以使得扬声器单元SP-i的布置中的几何关系 同样保持在目标到达点之间，确定了针对扬声器单元SP-i的延迟。 但是，覆盖区域的形状并不限于矩形，而是可以是图12A所示的非对称形状。目标区域可被指定在如图12B和图12C所示的相对于水平平 面沿着一个或两个轴向方向倾斜的平面上，并且覆盖区域可被设置成 覆盖目标区域。简言之，只要在保持扬声器单元的布置中的几何关系
的同时在覆盖区域中设置针对扬声器单元SP-i的目标到达点，就可 以利用与用于垂直计算处理S02和水平计算处理S03的算法相同的算 法来确定针对扬声器单元SP-i的延迟。 第二变型
在本实施例中，设置了矩形覆盖区域以便覆盖用户所指定的目 标区域，并且根据扬声器阵列IO和覆盖区域之间的位置关系以及覆 盖区域的大小来确定针对扬声器单元SP-i的延迟。但是，在设置用 于扬声器单元的延迟时，可以适当地调节目标区域的大小。并且可将 目标区域的形状变形为不等边四边形，该不等边四边形的宽度越往扬 声器阵列10靠近越窄而越远离扬声器阵列10越宽，例如如图13A 所示。可替换地，如图13B所示，可以提供用于改变与这些虚拟扬声 器行分别对应的目标到达点组之间的距离的调节单元，并且对调节后 的覆盖区域进行上述延迟计算处理以便确定与扬声器单元SP-i相对 应的延迟。UI提供单元40可被用作调节单元。利用调节单元，可以 借助覆盖区域的形状来凭直觉进行使得高频范围内的声压分布的中 心相对于低频范围内声压分布的中心与目标区域中心更加一致(以便 改进极其影响听觉的频带附近的声压分布)这一精密调节或其它精密 调节。
第三变型
在本实施例中，根据扬声器阵列10的扬声器单元SP-i的垂直 布置位置来形成虚拟扬声器行。根据目标区域与扬声器阵列10的扬 声器表面之间的位置关系，利用这种分组，声压分布的中心在某些情 况下不能与目标区域的中心相一致。因此，根据目标区域与扬声器阵 列10的扬声器表面之间的位置关系，可以例如如图14所示的那样确 定虚拟行方向和虚拟列方向，并且可以通过布置在虚拟行方向上的扬 声器单元SP-i来形成虚拟扬声器行。随后，可以通过垂直计算处理 S02来确定虚拟列方向上的延迟，可以通过水平计算处理S03来确定
19虚拟行方向上的延迟。 第四变型
在本实施例中，本发明被应用至二维扬声器阵列中，该扬声器 阵列中布置了多个扬声器单元来形成平坦的扬声器表面。但是，本发 明还可以应用至其中布置了多个扬声器单元来形成弧形扬声器表面 的扬声器阵列。本发明还可以应用至其中将扬声器单元布置在一条线
上的一维扬声器阵列，即将扬声器单元布置在平坦或弯曲表面的一条 直线上。在将本发明应用至这种一维扬声器阵列时，可以通过实施垂
直计算处理S02或水平计算处理S03来计算分别对应于这些扬声器单 元的延迟。
第五变型
在本实施例中，将要提供给延迟单元20的延迟是由CPU 501根 据目标区域的大小和布置位置计算出来的。但是，例如，可以事先计 算出针对具有不同大小和不同布置位置的目标区域的延迟，并且可以 将计算出来的延迟存储在非易失性存储器502中，以对应于表示目标 区域的大小和布置位置的信息。当用户指定目标区域的大小和布置位 置时，CPU 501可执行处理以从非易失性存储器502中读取相应的延 迟并且将延迟提供给延迟单元20。
第六变型
在本实施例中，用户仅仅指定了一个覆盖了目标区域的覆盖区 域。但是，可以为各个频率范围设置具有不同大小和形状的覆盖区域， 并且可以计算出针对这些频率范围的延迟。在控制高频范围和低频范 围采用了相同的延迟量时，低频范围的声压分布(很难执行它的指向 性控制)比高频范围的声压分布易于扩展(spread out)，从而在整 个频率范围内的声压分布中产生偏移(deviation)。为了防止这样 的情况，例如，针对高频范围的覆盖区域可被设置成大于针对低频范 围的覆盖区域，从而使得针对整个频率范围的声压分布在目标区域中 几近均匀。
第七变型
在本实施例中，事先将控制程序502a存储在控制单元50的非易失性存储器中，该控制程序502a用于使控制单元50的CPU 501 实施本发明的扬声器阵列系统特征所在的延迟计算处理。但是，可将 控制程序502a存储在CD-ROM (紧致盘-只读存储器)或其它计算机 可读记录介质中以便发布，或者可以通过因特网或其它电子通信线路 来下载控制程序502a以便销售。由此销售的控制程序502a可被存储 在普通计算机中，并且该计算机可被操作来用作控制单元50。
例如，可将发布的控制程序502a存储至诸如个人计算机(下文 中称为PC)的硬盘之类的非易失性存储器中。可将控制单元502的 功能分配给PC的CPU、易失性存储器、以及非易失性存储器，并且 可将UI提供单元40的功能分配给PC的显示部分和操作部分，从而 使得PC可以控制延迟阵列类型的普通扬声器阵列设备(具有扬声器 阵列10、延迟单元20以及放大单元30的设备)的延迟单元20中的 延迟。利用该布置，可通过延迟阵列类型的普通扬声器阵列设备和普 通PC的组合来构建本发明的扬声器阵列系统。
权利要求
1. 一种扬声器阵列系统，包括扬声器阵列，其中布置了多个扬声器单元；延迟单元，适用于将分别与所述扬声器单元相对应的延迟添加至输入音频信号，从而产生数目与所述扬声器单元相对应的经延迟的音频信号，并且所述延迟单元适用于将所述经延迟的音频信号提供给所述扬声器单元；输入单元，适于用来输入代表了目标区域的区域信息，利用从所述扬声器阵列的扬声器单元输出的声波所产生的声束来对该目标区域提供声音服务，所述目标区域具有在与所述扬声器阵列的扬声器表面的法线方向不同的方向上延伸的法线；以及控制单元，适用于根据所述扬声器阵列中扬声器单元的布置位置以及所述区域信息来将延迟提供给所述延迟单元，该延迟使得从所述扬声器单元输出的声波的波阵面的包络为非球面，从所述扬声器阵列中的相邻扬声器单元朝向所述目标区域输出的声波变得彼此相位一致，并且随着所述包络传播至靠近所述目标区域，所述包络变得更加扭曲得不像球面以面对所述目标区域。
2. 如权利要求l所述的扬声器阵列系统，其中所述扬声器阵列的扬声器单元被布置在一条线上，所述控制单元执行第一处理到第四处理，第一处理用于设置作为声束的目标到达区域的覆盖区域，从而 根据区域信息来覆盖目标区域，并且所述第一处理用于根据所述扬声 器阵列中扬声器单元的布置位置来设置从扬声器单元到覆盖区域的 声波的目标到达点，第二处理用于确定第一直线和第二直线之间的交点，每一个第 一直线均通过针对相应的一个扬声器单元的布置位置和目标到达点， 每一个第二直线均通过针对相应的另一个扬声器单元的布置位置和目标到达点，所述相应的另一个扬声器单元是继所述相应的一个扬声器单元之后下一个距覆盖区域最远的那个扬声器，第三处理用于确定从声束的声学中心延伸至各个扬声器单元的 路径，该声学中心等同于由所述第二处理针对距覆盖区域最远的扬声 器单元所确定的交点，确定针对相关的一个扬声器单元的每个路径以使得其按照与覆盖区域的距离从长到短的顺序依次通过所有交点，这 些交点由所述第二处理针对那些距覆盖区域比所述相关的一个扬声 器单元远的扬声器单元来确定，以及第四处理用于根据第三处理所确定的路径中的最短路径与第三 处理针对所述每个扬声器单元所确定的路径之间的路径差来计算每 个扬声器单元的延迟。
3.如权利要求l所述的扬声器阵列系统，其中所述扬声器阵列 的扬声器单元布置在一个平面上，所述控制单元根据所述扬声器阵列中每个扬声器单元的垂直布 置位置和水平布置位置来分别为所述每个扬声器单元分开计算第一 延迟和第二延迟，将所述第一延迟和第二延迟之和作为针对所述每个 扬声器单元的延迟来提供给所述延迟单元，并且执行第一处理至第四处理，第一处理用于设置作为声束的目标到达区域的覆盖区域，从而 根据区域信息来覆盖目标区域，并且所述第一处理用于根据所述扬声 器阵列中扬声器单元的布置位置来设置从扬声器单元到覆盖区域的 声波的目标到达点，第二处理用于根据所述扬声器阵列中扬声器单元的垂直布置位置来将扬声器单元分成多个虚拟扬声器行，并且用于确定虚拟扬声器单元以及针对这些虚拟扬声器单元的目标到达点，每个虚拟扬声器单元代表了属于每个虚拟扬声器行的扬声器单元，第二处理用于确定第一直线和第二直线之间的交点，每个第一直线均通过相应的一个虚拟 扬声器单元和针对该相应的一个虚拟扬声器单元的目标到达点，每个第二直线均通过相应的另一个虚拟扬声器单元和针对所述相应的另 一个虚拟扬声器单元的目标到达点，所述相应的另一个虚拟扬声器单元是继所述相应的一个扬声器单元之后下一个距覆盖区域最远的那 个扬声器，第三处理用于确定从声束的声学中心延伸至各个虚拟扬声器单 元的路径，该声学中心等同于由所述第二处理针对距覆盖区域最远的 虚拟扬声器单元而确定的交点，确定针对相关的一个虚拟扬声器单元 的每个路径以使得其按照与覆盖区域的距离从长到短的顺序依次通 过所有交点，这些交点由第二处理针对那些距覆盖区域比所述相关的 一个虚拟扬声器单元远的虚拟扬声器单元来确定，第四处理用于根据由第三处理所确定的路径中的最短路径与第 三处理针对与所述每个虚拟扬声器行相对应的虚拟扬声器单元所确 定的路径之间的路径差来计算针对属于每个虚拟扬声器行的扬声器 单元的第一延迟，并且所述控制单元根据所述每个虚拟扬声器行中扬声器单元的布置 位置来确定针对每个虚拟扬声器行的第二延迟。
4. 如权利要求2所述的扬声器阵列系统，包括 调节单元，其使得用户能够调节覆盖区域的形状或大小或者覆盖区域中目标到达点的位置，其中所述控制单元根据经由所述调节单元调节的覆盖区域来计 算与多个扬声器单元中的各个扬声器单元相对应的延迟。
5. 如权利要求3所述的扬声器阵列系统，包括 调节单元，其使得用户能够调节覆盖区域的形状或大小或者覆盖区域中目标到达点的位置，其中所述控制单元根据经由所述调节单元调节的覆盖区域来计 算与多个扬声器单元中的各个扬声器单元相对应的延迟。
全文摘要
一种扬声器阵列系统，用于利用简化的结构在任意设置区域内输出具有几近统一的音量的可听声音。该扬声器阵列系统包括具有扬声器单元的扬声器阵列；用于将通过向输入音频信号添加延迟而产生的经延迟的音频信号提供给扬声器单元的延迟单元；输入单元，适于用来输入代表了目标区域的区域信息，利用从所述扬声器阵列输出的声束来对该目标区域提供声音服务，目标区域具有在与所述扬声器阵列的扬声器表面的法线方向不同的方向上延伸的法线；以及计算将被提供给延迟单元的延迟的控制单元。根据该延迟，从相邻扬声器单元输出到目标区域的声波变得相互一致，并且其波阵面随着传播至更靠近目标区域而变得更加扭曲得不像球面以便面对目标区域。
文档编号H04R1/20GK101426156SQ20081017353
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月31日 优先权日2007年10月31日
发明者山川高史, 栉田孝司 申请人:雅马哈株式会社