本公开涉及扬声器阵列，且明确地说，涉及音箱。
背景技术：
可通过被称为较高阶环境立体声的技术使用声场描述来实现二维或三维音频。环境立体声是全球体环绕声技术，除了水平平面之外，其还可覆盖收听者上方和下方的声源。不同于其它多通道环绕格式，其发射通道不载送扬声器信号。代替地是，所述发射通道含有声场的扬声器无关表示，其接着解码到收听者的扬声器设置。这个额外步骤允许音乐制作人计划源方向而不是扬声器位置，并向收听者提供关于用于重放的扬声器的布局和数目的相当大的灵活度。可将环境立体声理解为中间/侧面(M/S)立体声的三维延伸，从而为高度和深度增加额外的差分通道。根据一阶环境立体声，所得的信号集合被称为B格式。一阶环境立体声的空间分辨率相当低。实际上，这转变为稍微模糊的源，且还转变为相比来说较小的可用收听区域或悦耳点。
通过将方向具有更多选择性的组件的群组添加到B格式，分辨率可增加，且悦耳点扩大。根据二阶环境立体声，这些不再对应于常规的麦克风极性图案，而是看起来像(例如)苜蓿叶。所得的信号集合于是被称为二阶、三阶或统称为较高阶环境立体声(HOA)。然而，取决于处理二维(2D)还是三维(3D)波场，HOA技术的常见应用需要特定的空间配置，不管所述波场是测得(经解码)的还是再现(经编码)的：2D波场的处理需要圆柱形配置，且3D波场的处理需要球形配置，其各自具有麦克风或扬声器的规则分布。二维或三维音频的适用扬声器阵列深受青睐。
技术实现要素：
一种声音再现系统包含水平线性阵列中的至少两个近置的相同或相似的扬声器组合件，每一扬声器组合件包含指向不同方向的至少两个相同或相似的扬声器，使得扬声器组合件具有可调整、可控制或可操纵的方向性特性。所述系统进一步包含控制模块，其配置成驱动且调整、控制或操纵所述扬声器组合件，使得至少在一个收听位置处产生至少一个声波场。
一种声音再现方法包含：用水平线性阵列中的相同或相似的扬声器组合件，至少在两个近置的扬声器位置处再现声音，每一扬声器组合件包括指向不同方向的至少两个相同或相似的扬声器，使得所述扬声器组合件具有可调整、可控制或可操纵的方向性特性。所述方法进一步包含：驱动、调整、控制和/或操纵所述扬声器组合件，使得至少在一个收听位置处产生至少一个声波场。
一种水平线性扬声器阵列包含在一条线上的至少两个近置的相同或相似的扬声器组合件，每一扬声器组合件包括指向不同方向的至少两个相同或相似的扬声器，使得所述扬声器组合件具有可调整、可控制或可操纵的方向性特性。
在检查下图以及具体实施方式后，其它系统、方法、特征和优点对于所属领域的技术人员来说将明显或将变得明显。希望所有的此类额外系统、方法、特征和优点包含在此描述内，在本发明的范围内，且受所附权利要求书保护。
附图说明
可参考下图和描述来更好地理解所述系统、组合件和方法。图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在图中，相同参考标号在不同的视图中表示对应的部分。
图1是说明用于在房间中的所要位置(悦耳(sweet)点)创建二维声波场的基于三个较高阶扬声器组合件的示范性音箱的示意性俯视图。
图2是说明图1中所示的音箱的示意性侧视图。
图3是说明具有一个悦耳区域的示范性收听环境的示意图。
图4是说明具有两个悦耳区域的示范性收听环境的示意图。
图5是说明使用加权矩阵用于矩阵变换的示范性模态波束形成器的信号流程图。
图6是说明使用多输入多输出模块用于矩阵变换的示范性模态波束形成器的信号流程图。
图7是在Z方向上至多达M＝4阶的球谐函数的实部的二维描述。
图8是说明9阶心型辐射图案的方向性特性的图。
图9是说明三阶球谐函数的实部的方向性特性的图。
图10是说明用于确定声波的到达方向的示范性光学检测器的示意图。
具体实施方式
图1和图2说明声音再现系统100，其包含三个(或，如果适当，仅两个)近置的可操纵(较高阶)扬声器组合件101、102、103，例如此处布置成水平线性阵列(其在本文中称为较高阶音箱)。具有全方向方向性特性、双极性方向性特性和/或任何较高阶极性响应的扬声器组合件在本文中也称为较高阶扬声器。每一较高阶扬声器101、102、103具有可调整、可控制或可操纵的方向性特性(极性响应)，如下文进一步概述。每一较高阶扬声器101、102、103可包含较低阶扬声器(例如，全向扬声器)的水平圆形阵列。举例来说，所述圆形阵列可各自包含例如四个较低阶扬声器111到114、121到124、131到134(例如常见扬声器，且因此也称为扬声器)，在此实例中，所述四个较低阶扬声器111到114、121到124、131到134各自在径向平面内定向在四个垂直方向中的一个方向上。较高阶扬声器101、102、103的阵列可安置在任选的底板104上，且可在顶部具有任选的顶板201(例如，为了载送平面屏幕电视机)。或者，代替于四个较低阶扬声器，可使用每较高阶扬声器组合件仅三个较低阶扬声器，以使用环境立体声技术来创建具有一阶的二维较高阶扬声器。多输入多输出技术代替于环境立体声技术的替代使用允许创建一阶甚至仅具有两个较低阶扬声器的情况下的二维较高阶扬声器。其它选择包含创建三维较高阶扬声器，其具有使用环境立体声技术有规律地分布在球体上的四个较低阶扬声器，且具有使用多输入多输出技术有规律地分布在球体上的四个较低阶扬声器。此外，较高阶扬声器组合件可不布置成直线，例如，布置在任意曲线上彼此相距对数变化的距离，或在房间中呈完全任意的三维布置。
所述四个较低阶扬声器111到114、121到124、131到134可大体上具有相同大小，且具有外围前表面，以及具有中空、圆柱形主体和端盖的外壳。所述圆柱形主体和端盖可由不透气的材料制成。所述圆柱形主体中可包含开口。所述开口的大小和形状可设计成与较低阶扬声器111到114、121到124、131到134的外围前表面对应，且具有中心轴。所述开口的所述中心轴可包含在一个径向平面中，且邻近轴之间的角度可相同。较低阶扬声器111到114、121到124、131到134可安置在开口中，且密封固定到所述圆柱形主体。然而，额外扬声器可安置在一个以上此类径向平面内，例如安置在上文所述的径向平面上方和/或下方的一个或多个额外平面内。任选地，较低阶扬声器111到114、121到124、131到134可各自以单独的、声学上闭合的体积115到118、125到128、135到138操作，以便减少或甚至防止特定较高阶扬声器组合件的较低阶扬声器之间的任何声互作用。此外，较低阶扬声器11到114、121到124、131到134可各自布置在凹痕、孔、凹部等中。另外或替代地，波导结构(例如但不限于喇叭、逆向喇叭、声透镜等)可布置在较低阶扬声器111到114、121到124、131到134前面。
控制模块140接收例如三个环境立体声信号144、145、146，以根据操纵信息147来处理环境立体声信号144、145、146，且基于环境立体声信号144、145、146来驱动和操纵较高阶扬声器101、102、103，使得至少在取决于操纵信息的一个位置处产生至少一个声波场。控制模块140包括波束形成器模块141、142、143，其驱动较低阶扬声器111到114、121到124、131到134。下文进一步描述波束形成器模块的实例。
图3描绘如何使用高阶扬声器的水平线性阵列(本文还称为水平高阶音箱或仅高阶音箱)来实现家用娱乐中的虚拟声源的各种可能性。举例来说，此线性阵列可安置在电视(TV)机下方，用于再现例如家庭影院中通常使用的布局的前部通道，5.1环绕声。5.1声音系统的前部通道包含左前(Lf)通道、右前(Rf)通道和中心(C)通道。将单个高阶扬声器布置在电视机下面而不是水平高阶音箱将意味着C通道可指向所述电视机的前面，且Lf和Rf通道指向其侧面，使得Lf和Rf通道不会直接传送给坐在电视机前面(在悦耳点或悦耳区域)的收听者，而是仅经由侧壁间接地传送，从而构成取决于许多未知参数的传送路径，且因此几乎无法控制。因此，在具有待再现的至少两个通道的多通道系统中，具有布置成水平线的(至少)两个高阶扬声器的高阶音箱允许直接将前部通道例如Lf和Rf通道直接传送到悦耳区域，即，收听者应该在的区域。
此外，可借助于两个高阶扬声器在悦耳区域处再现中心通道，例如，C通道。或者，安置在两个高阶扬声器之间的第三高阶扬声器可用来使Lf和Rf通道以及C通道分别指向悦耳区域。由于具有三个高阶扬声器，每一通道由单独的单元再现，所以可进一步改进悦耳区域处的收听者的空间声音印象。此外，对于每一额外高阶扬声器添加到高阶音箱，可实现更分散的声音印象，且另外的通道，例如效果通道，可从高阶音箱的后侧辐射，这在本实例中从电视机的后侧辐射到例如效果通道所提供的声音散播的后壁。
与较低阶扬声器布置成线的常见音箱形成对比，较高阶音箱提供较多选择来定位例如侧面和后面的方向性声音源，使得在例如客厅的常见收听环境中，可用较高阶音箱来实现几乎独立于空间方向的方向性特性。举例来说，具有在70cm的距离内等距直线分布的14个较低阶扬声器的常见侧音箱可仅在距前面方向最大±90°(度)的区域中产生虚拟声源，而较高阶音箱允许±180°的区域中的虚拟声源。
图3示出具有包含三个较高阶扬声器310、311、322的较高阶音箱的示范性设置。接收一个或多个音频信号302且包含控制模块(例如图1中所示的控制模块140)的声音系统301驱动目标房间313(例如，常见的客厅)中的三个较高阶扬声器310、311、322。在收听位置或悦耳区域(由麦克风阵列314表示)，接着可产生至少一个所要虚拟源的波场。在目标房间313中，布置进一步较高阶扬声器，例如用于左后(Ls)通道的较高阶扬声器324、用于低频效果(Sub)通道的较低阶低音炮323以及用于右后(Rs)通道的较高阶扬声器312。目标房间313在声学上非常不利，因为其以不平衡的配置包含左侧墙壁中的窗户317和玻璃门318，以及右侧墙壁中的门319。此外，沙发321安置在右侧墙壁，且大约延伸到目标房间313的中心，且桌子320布置在沙发321的前面。
电视机316布置在前面的墙壁(例如，在较高阶音箱上方)，且在沙发321的视线中。左前(Lf)通道较高阶扬声器310和右前(Rf)通道较高阶扬声器311布置在电视机316的左角和右角之下，且中心(C)较高阶扬声器322布置在电视机316的中部下方。低频效果(Sub)通道扬声器323安置在前面墙壁与右侧墙壁之间的拐角处。后面墙壁上的扬声器布置，包含左后(Ls)通道较高阶扬声器324和右后(Rs)通道下部扬声器312，并不共享与前面墙壁上的扬声器布置(包含左前(Lf)通道扬声器310、右前(Rs)通道扬声器311和低频效果(Sub)通道扬声器323)相同的中心线。示范性悦耳区域314可在沙发321上，桌子320和电视机316在所述沙发前面。如可看到，图3中所示的扬声器设置不是基于圆柱形或球形基础配置，且不使用规则分布。
在图3中所示的设置中，将主要方向描绘为实线箭头，且将子方向描绘为虚线箭头。如所描绘，不仅可实现精确的立体声印象，而且可实现自然的较宽的展现。如果使用进一步(较高阶)扬声器，例如针对悦耳区域后面且后面墙壁前面的环绕通道Ls和Rs，或音箱水平上方的某处(未图示)，可进一步增强环绕印象。此外，已发现，(较低阶)扬声器的数目可大大减少。举例来说，对于悦耳区域周围的4阶的五个虚拟源，波场可近似类似于用环绕悦耳区域的45个较低阶扬声器或在图3中所示的示范性环境中具有三个较高阶扬声器的较高阶音箱实现的波场，较高阶音箱总共从12个较低阶扬声器构建，且展现比用在所述两个音箱的相当尺寸处具有成一直线的14个较低阶扬声器的常见音箱的空间声音印象好的空间声音印象。
如果效果通道或环绕通道(例如，Ls和Rs通道)将安置在悦耳区域与后面墙壁之间，其中无充足的空间可用，那么可将较高阶扬声器实施为与灯泡在相同的插座中的“灯泡”。此类灯泡型较高阶扬声器可不仅提供声音，而且结合节省空间的发光二极管来提供光。灯泡型较高阶扬声器(包含信号处理和放大电路)所需的电力可经由干线来供应，就像常见的灯泡那样。将再现的信号(以及如果需要，其它信号)可经由有线(例如，电力线)或无线连接(例如蓝牙或WLAN)提供。
借助于与图3中所示的设置类似的设置，可在图4中所描绘的悦耳区域325之外建立其它悦耳区域。举例来说，悦耳区域325可接收来自音箱的直接声音束，以允许与悦耳区域314处的那些声学印象相同的声学印象，或者再现不同的声学内容。不同的声学内容可结合房间中的分屏幕电视机或单独的电视机(未图示)。
对于音箱的较高阶扬声器(以及其它较高阶扬声器)中的每一者，可使用如图5和图6中所描绘的波束形成器模块500或600(例如，适用为图1和图2中的波束形成器141、142、143)。图5中所示的波束形成模块500控制具有Q个扬声器501(或Q组扬声器，其各自具有许多扬声器，例如高音扬声器、中频范围扬声器和/或低音扬声器)的扬声器组合件，取决于N(环境立体声)输入信号502，也称为输入信号x(n)或环境立体声信号其中m表示阶，且n表示梯度，其中对于两个维度，N为N2D＝(2M+1)，且对于三个维度，N3D＝(M+1)2。波束形成模块500可进一步包含模态加权子模块503、动态波场操纵(例如，旋转)子模块505、规则化均衡矩阵变换子模块507。向模态加权子模块503供应输入信号502，其用模态加权系数(即，模态加权子模块503中的滤波系数C0(ω)、C1(ω)…CN(ω))来加权，以基于N个球谐函数提供所要的波束图案，即，辐射图案以递送N个经加权的环境立体声信号504，也称为通过动态波场操纵子模块505使用N×1个加权系数来变换经加权的环境立体声信号504，例如将所要的波束图案旋转到所要的位置因此，动态波场操纵子模块505输出N个经修改的(例如，经旋转、聚焦和/或变焦)且经加权的环境立体声信号506，也称为接着将N个经修改的且经加权的环境立体声信号506输入到规则化均衡矩阵变换子模块507，其包含径向均衡滤波器，用于考虑重放装置较高阶扬声器(HOL)的感受性，防止例如给定白噪声增益(WNG)阈值被削弱。在规则化均衡矩阵变换子模块507中，如果Q个较低阶扬声器以规则方式布置在较高阶扬声器的主体处，那么例如通过伪-逆Y+＝(YTY)-1YT(其简化为通过使用如图5中所示的N×Q加权矩阵的矩阵变换来将规则化的输出变换到模态域中，且随后变换成Q个扬声器信号508。或者，可通过多输入多输出子模块601使用如图6中所示的N×Q滤波器矩阵，从N个规则化的、经修改的且经加权的环境立体声信号510产生Q个扬声器信号508。图5和图6中所示的系统可用于使用声场描述(例如较高阶环境立体声)来实现二维或三维音频。
简单的环境立体声声相(panner)(或编码器)的实例获得输入信号(例如，源信号S)以及两个参数(水平角θ和仰角它通过在用于对应环境立体声信号和的具有不同增益的环境立体声组件上分布信号来以所需角度定位所述源：
且
因为是全向的，所以W个通道总是递送相同的信号，不管收听角度如何。为了使其具有或多或少与其它通道相同的平均能量，使W衰减w，即衰减约3dB(精确地说，除以二的平方根)。X、Y、Z的项可产生8字形的极性图案。在角度θ和取其所要的加权值(x,y,z)，并将结果与对应的环境立体声信号(X,Y,Z)相乘，输出总和以现在指向所要方向的8字形辐射图案结束，给定方位角θ和仰角给出，用于计算加权值x、y和z，具有可与加权了w的W分量竞争的能量内容。可组合B格式分量来得出可与任何三维方向中的任何一阶极性图案(全方向、心型、超心型、8字形或之间的任何形状)以及点竞争的虚拟辐射图案。可同时得出具有不同参数的若干此类波束图案，以创建一致的立体声对或环绕阵列。
现在参看图7，如上文结合图1到图4所述的那些的较高阶扬声器或扬声器组合件，包含例如图5和图6中所示那些的波束形成器模块，允许通过叠加基本函数(即，球谐函数)来近似任何所要的方向性特性。图7是上文所述的示范性较高阶扬声器的Z方向上的具有M＝0到4阶的实球谐函数的二维描述(量值与度数)。
举例来说，当使用模态加权系数Cm＝[0.100,0.144,0.123,0.086,0.040](其中m＝[0...4])来叠加图7中所描绘的五个基本函数时，如图8中所示，可产生9阶近似心型的方向性特性。然而，当使用模态加权系数Cm＝[0.000,0.000,0.000,1.000,0.040](其中再次m＝[0...4])来叠加图7中所描绘的五个基本函数时，如图8中所示，可产生Z方向上三阶球谐函数的实部的方向性特性。
矩阵变换模块601可实施为多输入多输出系统，其提供较高阶扬声器的输出信号的调整，使得辐射图案尽可能接近地近似所要的球谐函数，例如图7中所示。为了利用若干较高阶扬声器在房间中的某一位置或区域处产生所要的波场，适应过程中仅使所使用的个别较高阶扬声器的模态权重适应可为充分的，即直接在波域中运行所述适应。因为波场域中的此适应，所以此类过程被称为波域自适应滤波(WDAF)。WDAF是同样已知的频域自适应滤波(FDAF)的已知高效空间-时间概括。通过合并波场上的数学基础，WDAF甚至适合具有高度交叉相关宽带输入信号的大型多输入多输出系统。对于波域自适应滤波，自适应地确定较高阶扬声器的方向特性，使得个别声音束在悦耳区域中的叠加近似所要的声波场。
为了调整或(异常地或永久地)使音箱所再现的声音适应特定房间情况以及扬声器设置的悦耳区域的特定要求，所述扬声器设置包含高阶音箱以及可能其它(高阶)扬声器，需要测量和量化波场。这可借助于麦克风的阵列(麦克风阵列)和信号处理模块来实现，所述信号处理模块能够解码给定波场，所述麦克风阵列和信号处理模块例如形成较高阶环境立体声系统，以确定三个维度或(其在许多情况下可能是充分的)两个维度(其需要较少的麦克风)中的波场。为了测量二维波场，需要S个麦克风来测量至多达M阶的声场，其中S＝2M+1。相对来说，对于三维波场，需要S＝(2M+1)2个麦克风。此外，在许多情况下，将麦克风(等距)安置在圆形线上是充分的。麦克风可安置在刚性或开放球体或圆柱体上，且可在需要时结合环境立体声解码器来操作。在替代实例中，麦克风阵列314可集成在所述较高阶扬声器(未图示)的一者中。
此外，可使用主-从扬声器设置。主单元可包含较高阶音箱、麦克风阵列和信号处理和操纵模块。从单元可包含(a)进一步较高阶扬声器，其电连接(有线或无线)到所述主单元。所述麦克风阵列可为可拆分的，使得其可单独使用来进行测量，例如结合电池驱动的电力供应器以及到主单元的无线连接。当麦克风阵列再次附接到主单元时，其可用于其它任务，例如音频系统的语音控制(例如，音量控制、内容选择)，或电话接口(例如，电话会议系统)的免提操作，包含适应(操纵)扬声器。声音再现系统还可包含用于确定声波的到达方向(DOA)的DOA模块，其在此应用中，将足以完全由语音信号触发，即不需要光学DOA检测。
DOA模块可包含一个或多个光学检测器，例如一个或多个相机，以检测收听者的位置，并通过操纵较高阶扬声器的方向来重新定位悦耳区域。在此情况下，光学DOA检测器，任选地与之前提到的纯语音触发的DOA检测组合，是必要的，因为现在应相对于收听者的当前位置来调整声场，其决不暗示人必须说话。图10中示出示范性光学检测器。如图所示，具有镜头1002的相机1001可安置在镜面半球1003上方(或下方)的适当距离处(所述镜头1002指向半球1003的弯曲的镜面表面)，且可在水平平面中提供360°视图1004。举例来说，当此检测器安装在收听房间中时，收听者的位置可出现在房间中的任何地方。或者，可使用所谓的鱼眼镜头(作为镜头1002)，其在例如安装到房间的天花板时在水平平面内也提供360°视图，使得可省略镜面半球1003。
通过使用较高阶扬声器阵列(例如，呈较高阶音箱的形式)，其中的每一者具有通用方向性，可近似任意的波场，甚至在例如家用音频系统通常安装在的客厅等反射地点中也是如此。这是可能的，因为归因于较高阶扬声器的使用，可创建通用方向性，仅在其中不存在反射表面的方向上辐射声音，或故意地利用某些反射，如果那些反射的结果是积极地促进将近似的所要波场的创建。藉此，可通过使用例如由经多FXLMS滤波的输入最小均方(多FXLMS)算法的自适应方法(其也可步进在时域或频谱域中，而且在所谓的波域中操作)，例如自适应多输入多输出(MIMO)系统，来实现目标房间内的所要位置(例如，客厅中的躺椅处的某一区)处的所要波场的近似。
对利用波域自适应滤波器(WDAF)特别感兴趣，因为这保证了所要波场的近似中的非常好的结果。如果记录装置满足某些要求，那么可使用WDAF。举例来说，在表面配备有有规律地分布的麦克风的圆形(针对2D)或球形麦克风阵列(3D)可用来记录波场，其取决于必须记录波场的所要次序，具有必须相应选择的分别再现的若干麦克风。然而，如果使用例如MIMO系统来计算波束形成滤波器，那么也可使用具有不同形状和麦克风分布的任意麦克风阵列来测量波场，从而形成记录装置中的高灵活性。记录装置可集成在完整的新声学系统的主单元中。藉此，其不仅可用于已经提到的记录任务，而且用于其它所需目的，例如使声学系统的语音控制能够口头控制例如音量、切换标题等等。另外，麦克风阵列所附接到的主单元也可用作独立装置，例如作为电话会议集线器或作为便携式音乐装置，其具有根据收听者与装置的相对位置来调整声音的能力，这只有在摄像机也集成在所述主单元的情况下才是可能的。
在较高阶扬声器阵列的帮助下，有可能创建具有相同质量的波场，但与普通扬声器相比具有较少的装置。可使用较高阶扬声器阵列来在真实(例如反射性)环境中创建任意波场。如果使用特殊的波束形成理念，那么必要的记录装置(麦克风阵列)可具有任意形状和麦克风分布，所述波束形成理念可例如通过使用合适的自适应MIMO系统(例如多FXLMS算法)来实现。这种新的理念能够创建现实得多的声学印象，甚至在给定客厅的反射性环境中也是如此。
已出于说明和描述的目的呈现了实施方案的描述。可依据上文的描述来执行对所述实施方案的合适修改和改变。所描述的组合件、系统和方法本质上是示范性的，且可包含额外元件或步骤和/或省略元件或步骤。当在本申请案中使用时，以单数陈述且前面有词语“一”的元件或步骤应理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非声明此排除。此外，对本公开的“一个实施方案”或“一个实例”的提及无意解释为排除也并入有所陈述特征的额外实施方案的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，且无意对其对象强加数字要求或特定位置次序。信号流程图可描述依据实现类型(例如，硬件、软件或其组合)实施方法的系统、方法或软件。可将模块实施为硬件、软件或其组合。