专利名称：基于群时延的低音管理的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于自动均衡音频系统产生的低音频率(低音)范围中的群时延 的方法和系统，本发明还涉及“低音管理”方法或系统。
背景技术：
直到现在，例如在机动车辆中手动地听觉优化专用系统是常见的实践。尽管已经 付出很大的努力来使得该手动过程自动化，这些方法和系统在实践中显示出不足或者是极 其复杂和昂贵的。在诸如汽车内部这样的小的高反射区域，仅仅实现了听觉中的微小改进。 在一些情况中，结果甚至更糟。尤其在约100至150赫兹以下的频率范围中，小的高反射空间内部的驻波可能在 诸如机动车辆中的两个前排座和两个后排乘客座位这样的各个收听位置导致极不相同的 声压级(SPL)。这些不同的声压级使得个人的音频感觉与他/她的收听位置相关。然而，专 业声学家的工作已经证明这一事实即使使用简单的方式也能实现好的听觉结果。已知一种允许几乎在任意空间建模任意音响系统的方法。然而，这种所谓的波前 合成需要诸如计算功率、存储器、扬声器、放大器通道等大量资源。由于成本和可用性等原 因，该技术因而不适于很多应用，尤其不适于用在汽车产业中。而且，自动低音管理系统是已知的，这种自动低音管理系统的目标在于均衡且同 时最大化收听空间内听者位置处的低音频率范围中的声压级。然而，在听力测试中，结果 评估为不足，指示执行SPL均衡可能仅仅是改进低音频率级中的声音再现的质量的一个步
马聚ο需要一种自动低音管理系统，其能够适当地代替原先使用的通过有经验的声学家 实施的手工均衡的复杂过程，且可靠地改善低音频率范围中的声印象。
发明内容
本发明公开了一种用于改善收听空间中低音频率范围内音频再现的方法。收听 空间包括至少一个扬声器和至少一个收听位置。该方法包括为每个扬声器提供与收听空 间内的一个预定位置相关的需要均衡的群时延响应；为每个布置在一个相应扬声器上游的 (多个)全通滤波器计算滤波器系数，该(多个)全通滤波器具有使得(多个)相应群时延 响应匹配预定目标群时延响应的传递特性。
参考下面的附图和说明能够更好地理解本发明。在附图中，相似的参考标号表示 相应的部件。附图中图1是说明在汽车车厢中4个不同收听位置测量的频率上以分贝表示的声压级的 视图，该汽车具有供应到扬声器的未经修改的音频信号。图2是说明汽车车厢中的驻声波的示意性侧视图，该驻声波是造成收听位置之间的声压级(SPL)中大差异的原因。图3是说明机动车辆车厢中的座位布置以及收听位置以及扬声器布置的示意性 顶视图；图4说明限定目标全通滤波器的群时延的频率相关限制的频率上的群时延约束 函数的示例；以及图5是说明扬声器上游的音频通道中的群时延均衡滤波器的布置的示意性顶视 图。
具体实施例方式在借助汽车中的扬声器或一组扬声器再现音频信号时，即使扬声器贯穿汽车对称 布置，对于不同收听位置存在的声压级(SPL)，汽车车厢中的测量得出明显不同的结果。图 1的视图说明了这种结果。在视图中，示出了 4条曲线，每条曲线说明在向扬声器提供音频 信号的同时，车厢中的4个不同收听位置(S卩，两个前排和两个后排座位的头枕附近)测量 的频率上以分贝(dB)表示的声压级。可以看出，依赖于应用的频率，在空间前排的收听位 置测量的声压级和在后排的收听位置测量的声压级的差异高达15dB。然而，典型地可以在 作为低音频率范围的一部分的约40至90赫兹的频率范围内观察到SPL曲线之间的最大差 距。“低音频率范围”并不是很好定义的术语，但是广泛地用在例如从0至80赫兹、0 至100赫兹或甚至0至150赫兹的范围中的低频的音响系统中。尤其是，当使用具有布置 在后窗架中或后备箱中的低音炮的汽车音响系统时，可以观察到收听空间内的声压级的不 当分配。60至70赫兹(参考图1)之间的SPL最大值可能倾向于认为是嗡嗡声且令后排乘 客不悦。可以观察的汽车的前排和后排的收听位置中的不同位置中声压级的大差异的频 率范围与收听空间的尺寸相关。原因可以参考图2解释，图2是汽车的示意性侧视图。半 波长(表示为λ /2)与车厢的纵向一致。当假设c = 340m/s的声速时，λ /2 = 2. 5m的典 型长度产生f = c/X = 68Hz的频率。从图1可以看出，大约在该频率，在后排收听位置可 以观察到最大SPL。这指示在汽车(收听室)内部的纵向和横向中若干驻波的交叠可能是 造成收听空间中不均勻SPL分布的原因。例如从公报EP 2 051 543 Al和2 043 384 Al获知自动低音管理系统。这种系统 的目标是均衡和(可选地)同时最大化在收听空间的听者位置处低音频率范围的声压级。 然而，在听力测试中，所得的低音再现被评估为不足(即，淘汰或疲软)，这指示执行SPL均 衡可能只是改善低音频率级中声音再现质量的一个步骤。此处描述的新颖的低音管理系统 考虑低音频率范围中再现的音频信号的群时延。图3说明贯穿小且回响的收听空间(诸如机动车辆车厢)，收听位置FR、FL、RR、 RL和扬声器的简单布置。然而，本发明不应限制于汽车应用且可应用于任意收听空间。而 且，本领域技术人员将理解，本实例可以容易地调适为考虑多于或少于4个的收听位置。图3中示出的4个收听位置FL、FR、RL、RR代表机动车辆车厢中的左前、右前、左 后、右后收听位置。在本示例中，贯穿车厢布置5个扬声器LS1至LS5，诸如左前扬声器LSp 右前扬声器LS2、左后扬声器LS3、右后扬声器LS4以及中后扬声器LS5 (例如低音炮)。当向扬声器LS1至LS5应用不同频率的测试信号(或宽带测试信号)时，在每个收听位置可以观 察到所得的脉冲响应h[k]、频率响应Η(ω) ( g卩，幅度|Η(ω) |和相位cp((D)=arg{H((D)}的 传递函数)以及群时延(^(ω))响应。这种“系统识别”方法在声学领域是公知的。频率 响应是脉冲响Η(ω) = PFT{h[k]}，(1)应的傅立叶变换，且通过快速傅立叶变换(FFT)粗略估计而且，群时延限定为
权利要求
1.一种用于改善收听空间中低音频率范围内的音频再现的全通滤波器设计方法，该收 听空间包含至少一个扬声器和至少一个收听位置，所述方法包括针对每个扬声器，提供需要均衡且与收听空间中一个预定位置相关的群时延响应； 针对每一个被布置在一个相应扬声器上游的全通滤波器计算滤波器系数，全通滤波器 具有使得相应群时延响应匹配预定目标群时延响应的传递特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中计算滤波器系数的步骤包括针对与一个相应扬声 器相关的每个全通滤波器提供与频率有关的群时延约束，该与频率有关的关群时延约束限定约束全通滤波器的 群时延响应的有限范围；迭代地计算更新的滤波器系数，使得在与群时延约束相符时误差范数最小，该误差范 数代表各个全通滤波器的群时延响应从相应目标群时延响应的偏离。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述与频率有关的群时延约束限定随着频率的增 加而指数衰减的与频率有关的区间。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述区间关于对应于半个滤波器长度的全通体时 延对称布置。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述区间随着频率的增加渐进地接近恒定区间。
6.根据权利要求3至5其中任一项所述的方法，其中所述区间由上限 (ω)= a · exp (ω /p) +b 禾口下限 cL(co) = -a · exp (ω /p) +b 限定，其中ω是以rad/s表示的频率，b是代表全通体延时的常量参数，且a和ρ是描述区 间的指数缩窄的常量参数。
7.根据权利要求1至6其中任一项所述的方法，其中提供需要均衡的群时延响应的步 骤包括针对每一对收听位置和扬声器，提供代表从扬声器到相应收听位置的音频信号的相位 传递特性的相位响应，每个相位响应代表相应的群时延响应；基于群时延响应，针对每个扬声器提供需要均衡的群时延响应。
8.根据权利要求1至7其中任一项所述的方法，其中针对每个扬声器提供需要均衡的 群时延响应的步骤还包括针对每个扬声器，计算所有考虑的收听位置上与考虑的扬声器相关的相位响应的加权 平均，所得的平均相位响应代表需要均衡的群时延响应。
9.根据权利要求1至8其中任一项所述的方法，其中计算滤波器系数的步骤包括 提供代表目标群时延响应的目标相位响应；针对每个扬声器，计算代表需要均衡的群时延响应的相位响应与目标相位响应之间的 与频率有关的相位差；针对每个扬声器，使用计算的相位差作为所需的滤波器相位响应来计算全通滤波器系数。
10.根据权利要求1至9其中任一项所述的方法，还包括将全通滤波器系数的每个计算序列与预定全局均衡滤波器的滤波器系数的序列进行 卷积。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述预定全局均衡滤波器是具有预定幅度响应 的线性相位或恒定相位滤波器。
12.一种用于改善包含至少一个扬声器和至少一个收听位置的收听空间中的低音频率 范围内的音频再现的系统，关于收听空间内预定位置需要均衡的群时延响应与每个扬声器 关联，该系统包括群时延均衡滤波器，布置在每个扬声器上游，每个滤波器是其传递特性由其滤波器系 数限定的全通滤波器，其中每个滤波器的滤波器系数设置为使得所得的群时延响应匹配预定目标群时延响应。
13.根据权利要求12所述的系统，其中滤波器系数具有由与频率有关的群时延约束限 定的群时延响应，所述与频率有关的群时延约束限定随着频率的增加而指数衰减的与频率 有关的区间。
14.根据权利要求11或12所述的系统，其中，针对每个扬声器，需要均衡的群时延响应 对应于相应的相位响应，该相位响应是根据与每对收听位置和扬声器相关的相位特性计算 出来的。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，针对每个扬声器，需要均衡的群时延响应对应 于相应的相位响应，该相位响应是与每对收听位置和扬声器相关的相位响应的加权平均。
16.一种用于改善收听空间中的低音频率范围内的音频再现的系统，该收听空间包括 至少一个扬声器和连接在每个扬声器上游的至少一个全通FIR滤波器，该FIR滤波器是根 据权利要求1至10的方法之一设计的。
全文摘要
基于群时延的低音管理。本发明提供一种用于改善收听空间中低音频率范围内的音频再现的全通滤波器设计方法。该收听空间包含至少一个扬声器和至少一个收听位置。该方法包含针对每个扬声器，提供需要均衡且与收听空间中一个预定位置相关的群时延响应；针对每一个布置在一个相应扬声器上游的全通滤波器计算滤波器系数；该全通滤波器具有使得相应群时延响应匹配预定目标群时延响应的传递特性。
文档编号H04R3/00GK102104816SQ20101060123
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者利安德．肖尔茨, 马库斯.克里斯托夫 申请人:哈曼贝克自动系统股份有限公司