用于管理信号路径中的失真的设备和方法与流程
本发明涉及一种用于高保真地再现声音的系统，尤其涉及用于管理和/或减少与音频信号或例如声音再现系统等系统相关的信号路径中的谐波失真的设备和方法。
定义
音频信号
音频信号表示可以出现在任何固体、液体或气体介质中的声波或音波的表示。它可以包括可能出现在包括电学域、机械域和声学域在内的任何物理域中的波形。波形可以包括连续(模拟)的、采样的或数字化的时间函数，并且可以包括任何频率的分量，包括次声频、声频和超声频。
相位产生器
相位产生器表示产生音频信号的一个或多个变体的装置，其中每个变体的所有频率分量(在工作频带内)的相位与参考音频信号中的相应频率分量的相位的相差恒定的相位角。在数学中，信号波形的相位变换的变体——其中信号的所有分量的相位角偏移90度——被称为希尔伯特变换(hilberttransform)。实部等于原始信号波形且虚部等于原始信号波形的希尔伯特变换的复值时间函数称为解析信号。
本发明的相位产生器可以包括多相位产生器，其中音频信号的每个变体之间的恒定相位角度差可以是选择的角度，该角度不必等于90度。通过使用下述三角恒等式
sin(α+β)＝sinα·cosβ+cosα·sinβ
或其复杂变形
exp(j(α+β))＝exp(jα)·cosβ+jexp(jα)·sinβ
可以仅从信号波形的两个变体——即，原始信号波形及其希尔伯特变换(也称为正交信号波形))——的合适线性组合生成具有0度至360度(模数360度)之间的恒定相位角度差的信号波形的相位变换的变体。
参考音频信号/通道/相位
参考音频信号表示通过表现出约定或参考相位响应的信号路径的音频信号。它可以包括输入音频信号或输入音频信号的变体，其中其频率分量的相位角在工作频带上偏移到参考相位。音频信号的相位表示其每个频率分量相对于约定的时间原点的集体(collective)相位角。
信号路径和参考音频信号所通过的后续路径可以被称为参考通道，并且参考通道可以被标记为具有0度的参考相位。参考音频信号还可以包括频率分量在工作频带上没有相位偏移的音频信号。
相位响应
信号路径的相位响应表示当正弦信号通过信号路径时正弦信号经历的相位偏移。相位响应包括将输出与输入进行比较的传递函数并包括正弦波频率的函数。
工作频带
工作频带表示相位产生器可以工作和/或相位产生器可以生成参考音频信号的频带，并且工作频带可以包括子频带，例如低音和/或高音子频带。在音频环境中，工作频带可以包括至少20hz至20khz之间的频率。
背景技术：
音频系统中的失真可以以各种形式发生，包括放大器和信号处理器中的模拟和/或数字失真。模拟失真可包括放大器和扬声器中的谐波失真、放大器和扬声器中的互调失真，以及推挽放大器(push-pullamplifier)中的交叉失真。
难以消除的一种形式的模拟失真是谐波失真。谐振失真发生在放大器、信号处理器和扬声器中。许多科学研究试图找出谐波失真的原因，并且已经确定了一些原因，包括与系统的一个或多个部分相关的传递函数的非线性。例如，扬声器驱动器中的谐波失真可包括由于相关的膜片悬架的机械非线性而引起的失真、相关磁路中的滞后、与音圈相关的反电动势和/或在线性漂移范围之外工作的音圈。
然而，还假设基本上无失真的放大器驱动基本上无失真的扬声器驱动器应该导致很小的失真或没有失真。因此，大多数研究工作已经应用于定位和校正放大器和扬声器驱动器中的失真。尚未意识到该假设可能是不正确的和/或扬声器系统中的失真的进一步原因可能是由于扬声器系统的驱动器与其外壳之间的相互作用，包括扬声器外壳内部和其外壳外部包括辐射区域周围的空气的非线性压缩。空气的非线性压缩可能主要在扬声器系统的声输出中产生二阶谐波失真分量。二阶谐波失真分量也可以随声压级(spl)而增加。
此外，由空气的非线性压缩引起的谐波失真分量是由放大器、扬声器驱动器和/或扬声器系统的其他部件引起的谐波失真分量的补充。如上所述，具有基本无失真组件的扬声器系统仍可能产生失真。在现有技术中尝试解决该问题的方案包括使用运动反馈、预失真补偿和具有反馈的预失真补偿。然而，运动反馈不能校正在扬声器驱动器的锥体之外的音频信号路径中产生的失真，而模拟预失真补偿不能存储足够的数据来充分地预测失真来完全补偿或消除失真。数字预失真补偿可能受到数字失真的影响，并且还可能需要极快的处理。预失真还有一个缺点，即它必须与扬声器系统匹配。
本发明可以适于在不使用反馈并且不与扬声器系统匹配的情况下管理和/或至少减少谐波失真的二阶和/或三阶分量，包括由空气和/或其他原因的非线性压缩引起的失真分量。
本文对作为现有技术给出的专利文献或其他事项的引用不应被视为承认该文献或事项在本文的任何披露或权利要求的优先权日时是已知的或其所包含的信息是澳大利亚或其他地方的公知常识的一部分。本说明书中包括对现有技术的这种讨论是为了根据发明人的知识和经验解释本发明的背景。
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技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于管理和/或减少沿与音频信号或音频系统相关的信号路径产生的谐波失真分量的设备，所述设备包括：
相位产生器，用于产生至少一个相位差信号，该相位差信号是所述音频信号的变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或者由所述相位产生器产生的参考音频信号具有恒定的相位差，其中所述恒定的相位差或每个恒定的相位差适于消除沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量；
对应的放大器通道，用于接收和分别放大用作参考音频信号的所述音频信号，或由所述相位产生器产生的所述参考音频信号，以及所述音频信号的所述变体或每个变体，其中每个放大器通道具有基本相等的增益和/或性能参数；和
对应的扬声器通道，用于接收和分别产生与用作参考音频信号的放大的音频信号，或由相位产生器产生的参考音频信号，以及所述音频信号的变体或每个变体相对应的声音，其中每个扬声器通道具有基本相等的性能参数并且适于相对于其他扬声器通道辐射所述声音，以产生对应于所述音频信号的组合声音，其中谐波失真分量与沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量相比减小。
参考音频信号可以包括频率分量具有参考相位的音频信号的变体。相位产生器可以适于产生音频信号的一个变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由所述相位产生器产生的所述参考音频信号相位偏移90度，从而使用两个通道基本完全消除二阶谐波失真分量。
相位产生器可以适于产生所述音频信号的一个变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由所述相位产生器产生的所述参考音频信号相位偏移第一角度，从而使用两个通道至少部分地消除二阶和三阶谐波失真分量。
相位产生器可以适于产生所述音频信号的两个变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由所述相位产生器产生的所述参考音频信号相位分别偏移60度和120度，从而使用三个通道基本完全消除二阶谐波失真分量和至少部分地消除三阶谐波失真分量。
相位产生器可以适于产生所述音频信号的两个变体，其相对于用作参考音频信号的音频信号或由相位产生器产生的所述参考音频信号相位偏移第一角度和第二角度，从而使用三个通道部分地消除二阶和三阶谐波失真分量。
相位产生器可以适于产生所述音频信号的三个变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由所述相位产生器产生的所述参考音频信号相位分别偏移60度、90度和150度，从而使用四个通道基本完全消除二阶和三阶谐波失真分量。
相位产生器可以适于产生所述音频信号的三个变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由所述相位产生器产生的所述参考音频信号相位偏移第一角度、第二角度和第三角度，从而使用四个通道基本完全消除两阶谐波失真分量。
每个扬声器通道可以包括直接辐射器并且可以定向为朝向观众。在一些实施方案中，扬声器通道可以定向为朝向彼此，以帮助混合输出从而形成到收听环境的共同声波输出。在一些实施方案中，扬声器通道可辐射进全体室(plenarychamber)，来自通道的声波在辐射进收听环境中之前在该全体室混合。每个扬声器通道可以从端口辐射，并且各端口可以设置为彼此相邻。
在一些实施方案中，相位产生器可包括模拟电路。在一些实施方案中，相位产生器可包括数字信号处理器(dsp)。每个放大器通道可以驱动多组扬声器阵列中的多个扬声器驱动器。每个扬声器通道可以包括一个线性阵列，并且每个替代扬声器通道的输出与前一个替代扬声器通道相比可以具有不同角度的相位偏移。每个扬声器通道可包括封闭的盒结构。每个扬声器通道可以在包括上升的音频响应的频带上工作，该音频响应被主动均衡。
相位差可以适于从在相对较低功率水平下的90度切换到在相对较高功率水平下的60度；决定切换的功率水平可以对应于主要二阶谐波失真分量和主要三阶谐波失真分量之间的转变。随着功率水平的增加，相位差可以从90度逐渐转变到60度。
相位差可以从90度逐渐转变到60度，是音频信号中存在的频率的非常数函数。
每个扬声器通道可包括用以在任何气体、流体或固体介质中产生亚音速声音、可听声音或超声波声音的任何已知类型的技术，包括电磁、静磁、静电、压电、电致伸缩、磁致伸缩、无限挡板、封闭盒、通风盒、无源辐射器盒、偶极和双极。在此上下文中的扬声器可包括耳机、助听器、水下换能器，应用于其他气体、流体或固体介质的换能器，和/或旨在再现包括亚音速换能器和超声换能器的音频声音的其他换能器。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于管理和/或减少沿与音频信号或音频系统相关的信号路径产生的谐波失真分量的方法，所述方法包括：
产生至少一个相位差信号，该相位差信号是所述音频信号的一个变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由相位产生器产生的参考音频信号具有恒定的相位差，其中所述恒定的相位差或每个恒定的相位差适于消除沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量；
经由对应的放大器通道分别放大用作参考音频信号的所述音频信号，或由相位产生器产生的所述参考音频信号，以及所述音频信号的所述变体或每个变体，其中每个放大器通道具有基本相等的增益和/或性能参数；和
经由对应的扬声器通道分别产生与用作参考音频信号的放大的音频信号或由相位产生器产生的参考音频信号，以及所述音频信号的放大的变体或每个放大的变体相对应的声音，其中每个扬声器通道具有基本相等的性能参数并相对于其他扬声器通道辐射所述声音，以产生与所述音频信号对应的组合声音，其中谐波失真分量与沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量相比减小。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于处理受到沿着与例如音频系统等系统相关的信号路径产生的谐波失真分量的影响的例如音频信号等信号的设备，所述设备包括：
相位产生器，用于产生至少一个相位差信号，该相位差信号是所述音频信号的变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由相位产生器产生的参考音频信号具有恒定的相位差，其中所述或每个恒定的相位差适于消除沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量；和
其中所述参考音频信号和所述音频信号的每个变体适于产生对应于所述音频信号的组合声音，其中谐波失真分量与沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量相比减小。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于处理受到沿着与例如音频系统等系统相关的信号路径产生的谐波失真分量的影响的例如音频信号等信号的方法，所述方法包括：
产生至少一个相位差信号，该相位差信号是所述音频信号的变体，其相对于用作参考音频信号的所述音频信号或由所述相位产生器产生的参考音频信号具有恒定的相位差，其中所述或每个恒定的相位差适于消除沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量；和
提供至少包括用作参考音频信号的所述音频信号或由相位产生器产生的所述参考音频信号以及所述音频信号的所述或每个变体的输出，其中所述输出适于产生对应于所述音频信号的组合声音，其中谐波失真分量与沿所述信号路径产生的所述谐波失真分量相比减小。
根据本发明的另一方面，提供了用于管理和/或减少与受到沿信号路径产生的谐波失真分量的影响的例如音频信号等信号相关的谐波失真分量的扬声器设备，所述设备包括：
主外壳，包括多个基本相等的隔室；
至少两个驱动器，每个驱动器具有基本相等的性能参数，并且每个驱动器容纳在所述相等隔室中的一个单独隔室中；并且
其中每个驱动器适于通过由如上所述的设备或方法处理的信号来驱动。
扬声器装置可以包括两个驱动器，其中所述驱动器适于使用两个通道经由信号驱动，以基本完全取消二阶谐波失真分量，所述两个通道包括参考通道和相位响应与所述参考通道的相位响应相差90度的通道。
扬声器设备可包括三个驱动器，其中所述驱动器适于使用三个通道经由信号驱动，以基本完全消除二阶谐波失真分量和至少部分消除三阶谐波失真分量，所述三个通道包括一个参考通道和两个其他通道，所述其他通道具有与所述参考通道的相位响应分别相差60度和120度的相位响应。
扬声器设备可包括四个驱动器，其中所述驱动器适于使用四个通道经由信号驱动，以基本完全消除二阶和三阶谐波失真分量，所述四个通道包括一个参考通道和三个其他通道，所述其他通道具有与所述参考通道的相位响应分别相差60度、90度和150度的相位响应。
驱动器可以布置成矩形形式，使得参考通道与150度通道对角相对，并且60度通道与90度通道对角相对。
根据本发明的另一方面，提供了一种消除失真的音频系统，包括：
相位产生器，用于产生多个输入音频信号变体，所述变体包括参考音频信号和相对于所述参考音频信号相位发生偏移的其他信号变体；
一组放大器，用于接收所述参考音频信号和具有相位偏移信号的所述其他信号变体，并用于提供相应的放大器输出；和
一组扬声器，用于接收所述放大器输出并产生声输出，其中每个放大器对应于来自相位产生器的输出，并且每个扬声器对应于一个放大器，使得每个扬声器产生相对于每个其他扬声器的声输出具有恒定相位差的声输出，并且
其中所述扬声器组合成一个复合结构，使得所述扬声器的声输出彼此非常接近。
根据本发明的另一方面，提供了一种消除失真的音频系统，包括：
相位产生器，用于产生四个输入音频信号变体，所述四个输入音频信号变体包括一个参考音频信号和三个其他信号变体，所述其他信号变体相对于所述参考音频信号分别相位偏移60度、90度和150度，其中每个信号变体适于以多通道格式存储；
存储介质，用于以所述多通道格式存储所述四个信号变体，
解码器，用于从所存储的四个信号变体再生所述四个信号变体；
一组四个放大器，用于接收所述的四个再生的信号变体并产生四个放大器输出；和
一组四个扬声器，用于接收所述四个放大器输出，其中所述扬声器被布置成使得它们的声输出彼此非常接近。
扬声器可以布置成矩形形式，使得对应于所述参考音频信号的参考通道与150度通道对角相对，并且60度通道与90度通道对角相对。
根据本发明的另一方面，提供了一种消除失真的音频系统，包括：
相位产生器，用于产生两个输入音频信号变体，所述变体包括参考音频信号和相对于所述参考音频信号相位偏移90度的另一信号变体，其中每个信号变体适于以多通道格式存储；
存储介质，用于以所述多通道格式存储所述的两个信号变体；
解码器，用于从所存储的所述两个信号变体再生所述的两个信号变体；
一组两个放大器，用于接收再生的所述两个信号变体并产生两个放大器输出；和
一组两个扬声器，用于接收所述两个放大器输出，其中所述扬声器被布置成使得它们的声输出彼此非常接近。
根据本发明的另一方面，提供了一种消除失真的音频系统，包括：
相位产生器，用于产生两个输入音频信号变体，所述变体包括参考音频信号和相对于所述参考音频信号相位偏移90度的另一信号变体，其中每个信号变体适于以多通道格式存储；
存储介质，用于以所述多通道格式存储所述的两个信号变体；
解码器，用于从所存储的两个信号变体再生所述的两个信号变体，其中一个再生的信号是所述参考音频信号，另一个再生的信号具有90度相位差；
一个或多个其他相位产生器，用于从再生的所述两个信号变体产生两个其他相位差信号，所述两个其他相位差信号相对于再生的参考音频信号分别具有60度和150度的相位差，从而获得具有0、60、90和150度的相对相位的四个相位差信号；
一组四个放大器，用于接收四个再生的相位差信号并产生四个放大器输出；和
一组四个扬声器，用于接收所述四个放大器输出，其中所述扬声器被布置成使得它们的声输出彼此非常接近。
扬声器可以布置成矩形形式，使得对应于所述参考音频信号的参考通道与150度通道对角相对，并且60度通道与90度通道对角相对。
根据本发明的另一方面，提供了一种数据载体或存储装置，其中包括或已经存储有由如上所述的设备或方法处理的信号。
附图说明
现在将参考以下附图详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的用于消除信号路径中的失真的设备的示意图；
图2示出了根据本发明另一实施例的用于消除信号路径中的失真的设备的示意图；
图3示出了图1设备的修改；
图4示出了适于四通道失真消除的宽带全通相位差电路图；
图5示出了用于对来自两个相同扬声器的输出求和的相量图，所述扬声器馈送有具有零度和九十度的相对相位角的正弦波；
图6示出了用于对来自两个相同扬声器的输出求和的相量图，所述扬声器馈送有具有零度和六十度的相对相位角的正弦波；
图7示出了用于对来自四个相同扬声器的输出求和的相量图，所述扬声器馈送有具有零度、六十度、九十度和一百五十度的相对相位角的正弦波；
图8示出了适用于管理和/或减少谐波失真的扬声器的一个实施例；
图9示出了适用于管理和/或减少谐波失真的扬声器的另一实施例；和
图10示出了适用于管理和/或减少谐波失真的扬声器的再一实施例。
具体实施方式
扬声器通常会产生听得见的谐波失真。本发明可以提供一种减少失真的工具。实质上，根据本发明的设备可以处理输入音频信号，并从其再现新的音频信号，形成至少两个新的通道，其中新的音频信号在工作频带的所有频率上具有恒定的相位差。与新通道相关的新音频信号可以应用于相应的放大器和相应的扬声器，以形成阵列，其中扬声器的输出具有相对相位差。
与新通道相关的扬声器(和相关的放大器)可以形成基本相同的并行通道，这意味着它们可以具有彼此相同的性能参数，并且它们的输出可以尽可能地彼此靠近而定位。如果它们包括直接辐射器，则它们的驱动器可邻近面向观众，或者它们可彼此成角度。如果它们有四个，则它们的驱动器可以正方形图案或菱形图案排列。多组消除失真扬声器可呈阵列排列。
扬声器驱动器可以容纳在封闭的盒子中，并且它们可以具有主动均衡的上升频率响应。通常，这可能导致高失真，但是本发明的失真管理系统可以促进这种对准而没有失真损失。扬声器驱动器可以容纳在封闭的盒子中。扬声器驱动器可以容纳在具有彼此靠近的端口的通风盒中，使得声音听起来从公共点辐射。扬声器驱动器可以容纳在单独的盒子中，或者是共同盒子的单独隔室中。如果扬声器采用无限挡板拓扑，除非后波射入受限空间中，否则它们可不需要后波分离。如果扬声器的输出是通过端口，则端口可以彼此靠近。这些端口可以由无源辐射器或无人机代替。
在直接辐射器的情况下将端口彼此靠近或驱动器彼此靠近而放置的一个原因是使得来自该组扬声器的声辐射看起来来自于共同点，以促进声辐射的混合。特别地，驱动器的大小和布置可以依赖于频率。作为一般规则，工作频率越高，驱动器相对于彼此越靠近。因此，阵列可以被馈送到全体室中以使阵列的声输出统一起来，使得只一个共同的声波进入收听环境。
当重新组合时，基本相同的并行通道的输出可以导致在放大器和扬声器和/或并行通道的其他组件(包括信号处理器)中产生的谐波失真分量的消除，但是它们不能消除在并行通道的创建点之前存在的失真。在声波统一之前存在一个靠近各个驱动器的区域，其中由于空气压缩引起的失真也被消除。本发明的技术可以与其他失真最小化措施结合使用。
在一个实施例中，每个输入的基本相同的并行通道的数量可以是两个，并且相对相位差可以是90度，以理论上完全消除二阶谐波失真分量。然而，可以选择55至95度范围内的相对相位差，以提供对二阶和三阶谐波失真分量的消除程度的选择。多组双通道失真消除系统可以呈线阵列布置，其中每个替换用扬声器输出与前一个相比具有55到95度范围内的相位差。
在另一个实施例中，基本相同的并行通道的数量可以是三个，并且相对相位差可以是60度和120度，以理论上完全消除二阶谐波失真分量以及部分消除三阶谐波失真分量。可以调整相对相位差以部分消除二阶和三阶谐波失真分量。
在另一实施例中，基本相同的并行通道的数量可以是四个，并且相对相位差可以是60度、90度和150度，以理论上完全消除二阶和三阶谐波失真分量。
可以经由模拟电路和/或数字信号处理器提供相位产生器。
图1示出了根据本发明一个实施例的具有消除二阶谐波失真分量功能的失真管理系统10的概览。信号源11，例如cd播放器，包括多个输出通道12，13。输出通道可包括例如左和右立体声通道。所述失真管理系统可以应用于这些通道中的一个或多个。可以将单独的失真管理系统(未示出)应用于每个通道13。
图1示出了连接到相位产生器14的一个通道12，相位产生器14将通道12再生为两个单独的通道r0和r90。通道r0提供参考音频信号；通道r90提供音频信号的变体，其在工作频带上相对于通道r0相位偏移90度。
与通道r0和r90相关的信号可以通过分离的基本相同的放大器15，16放大，并且放大的信号可以施加到分离的基本相同的扬声器17，18，以产生相应的声波19a，19b。扬声器17，18可以布置成面向收听众(未示出)，使得声波19a，19b可以混合或组合以产生基本是声波19a，19b的组合的合成声波19c。如下所述，合成声波19c可以对应于通道12中的输入音频信号，其中谐波失真与在每个基本相同的放大器-扬声器通道的信号路径中出现的谐波失真相比减小。
如果与通道r0相关的信号路径引起来自通道12的原始基本信号的谐波失真，并且如果与通道r90相关的信号路径引起来自通道12的原始基本信号的基本相似的谐波失真，则相位偏移90度的基波分量相当于相位偏移180度的二阶谐波失真分量。由于相差180度的两个相等幅值的信号将相消地组合，因此由扬声器17，18产生的合成声波19c将包含有效消除的二阶谐波失真分量。同时，基波分量可以在由扬声器17，18产生的合成声波19c中建设性地组合，以完整地再现原始基本信号，尽管与同相中工作的两个类似扬声器相比，spl有3db的损失。
在消除二阶谐波失真分量的情况下，输入音频信号可以在两个通道中再现，所述两个通道之间具有90度的相位差。可以只需要两个通道。双通道实施例可特别适用于扬声器系统，其中由于其他失真控制措施，三阶和更高阶谐波失真分量已经听不见。
在消除二阶和一些更高阶谐波失真分量而不管它们在并行信号路径内的来源的情况下，具有60度、90度和150度相位差的四个通道可以提供最佳值方案。后一实施例可以以类似的方式操作以基本消除二阶、三阶和一些更高阶的谐波失真分量以及至少部分消除互调失真产物。
可以推荐双通道实施例和四通道实施例为具有最佳成本值。但是，可以采用大于1的任何数量的通道。
图2示出了根据本发明另一实施例的具有消除二阶谐波失真分量功能的失真管理系统20的概览。信号源21，例如cd播放器，包括多个输出通道22，23。输出通道可包括例如左和右立体声通道。失真管理系统可以应用于这些通道中的一个或多个。可以将单独的失真管理系统(未示出)应用于每个通道23。
图2示出了连接到相位产生器24的一个通道22，相位产生器24将通道22再生为两个单独的通道r0和r90。通道r0提供参考音频信号；通道r90提供音频信号的变体，其在工作频带上相对于通道r0相位偏移90度。
与通道r0和r90相关的信号可以通过分离的基本相同的放大器25，26放大，并且放大的信号可以施加到分离的基本相同的扬声器27，28以产生相应的声波。在该配置中，扬声器27，28可以布置成面向公共气室(plenum)29，其中来自扬声器27，28的声波可发生混合以产生合成声波30，其基本上是由扬声器27，28产生的声波的组合。如上所述，合成声波30可以对应于通道22中的输入音频信号，其中谐波失真与在每个基本相同的放大器-扬声器通道的信号路径中出现的谐波失真相比减小。
图2的布置可以改进相位偏移声输出的混合，因为在图1的布置中，偏离轴的声辐射的谐波消除程度可以在相对于辐射轴的不同角度而变化。
图3示出了图1所示设备的一种修改，其中扬声器17，18被隔开很远的扬声器32，33代替，并且相对于听众34位于房间31中。与通道r0和r90相关的信号通过放大器15，16放大，施加到扬声器32，33，扬声器32，33与听众34间隔开相等的距离“a”并且朝向听众34。这种布置比图1和图2所示的布置更不可接受，因为减小谐波失真的最佳点可以相对较小，扬声器32，33应该设置到朝向最佳点的波束。房间家具的放置和房间31的声学也可能干扰听众34所经历的谐波失真的最佳减小。
图4示出了用于再现基本消除二阶和三阶谐波失真分量所需的并且涉及整个声谱的四个单独通道r0，r60，r90和r150的模拟电路。四个通道可以数字方式实现。
图4中所示组件的一组可能的导出值包括uc1ne5514,rc1150228,rc1201332,rc1310000,rc1430531,cc11224,cc12224,uc2ne5514,rc2159350,rc2201849,rc2310000,rc2430623,cc21473,cc22473,uc3ne5514,rc3181866,rc3202469,rc3310000,rc3430603,cc31103,cc32103,ud1ne5514,rd1169227,rd1202408,rd1310000,rd1440107,cd11104,cd12683,ud2ne5514,rd2185814,rd2202631,rd2310000,rd2430613,cd21223,cd22223,ud3ne5514,rd31115631,rd3203242,rd3310000,rd3430561,cd31472,cd32472,uc4ne5514,rc41110941,rc421588,rc4310000,rc4430286,cc41222,cc42222,ud4ne5514,rd41194934,rd4201051,rd4310000,rd4439520,cd41102,cd42681,ua1ne5514,ra1179694,ra1201141,ra1310000,ra1430286,ca11474,ca12474,ua2ne5514,ra2152992,ra2201598,ra2310000,ra2430603,ca21104,ca22104,ua3ne5514,ra3168435,ra3202132,ra3310000,ra3430623,ca31223,ca32223,ub1ne5514,rb1173104,rb1201632,rb1310000,rb1430446,cb11224,cb12224,ub2ne5514,rb2172295,rb2202262,rb2310000,rb2430626,cb21473,cb22473,ub3ne5514,rb31100641,rb3203092,rb3310000,rb3430615,cb31103,cb32103,ua4ne5514,ra4194975,ra4202519,ra4310000,ra4430531,ca41472,ca42472,ub4ne5514,rb41135433,rb4202510,rb4310000,rb4430371,cb41222,cb42222。电阻值以欧姆计和前导零可忽略。电容器值以标准缩写符号表示，其中，例如，473表示47,000微微法拉或47纳法拉。
在四通道实施例中，使用四个单独电路来创建相位差通道的一种替代方案可以包括仅对具有90度相位差输出的两个通道使用单独的电路，然后从这些电路的输出的线性组合生成剩余两个通道中的每一个。例如，如果寻找的通道分别是a(0度)、b(60度)、c(90度)和d(150度)，并且来自通道a和c的线性组合的增益常数分别是g和h，可以使用三角法来确定g和h，使得exp(jθ)＝cos(θ)+j.sin(θ)＝g+j.h，其中θ是所需的与同相通道(参考通道a)的相位差，j是表示正交输出(通道c)的虚数单位(-1的平方根)。因此g＝cos(θ)且h＝sin(θ)。
对于通道b，θ＝pi/3弧度(60°)，因此g＝cos60°＝0.500，并且h＝sin60°＝sqrt(3)/2＝0.866。对于通道d，θ＝5.pi/6弧度(150°)，因此g＝cos150°＝-sqrt(3)/2＝-0.866，并且h＝sin150°＝0.500。缩放的输出(scaledoutputs)可以相加从而形成通道b和d的输出。
上文描述的谐波消除的概念涉及一组基本相同的扬声器，除了信号之间的相对相位差之外，该扬声器馈送有基本相同的信号。每个单独的扬声器可以以类似的方式使其辐射的声音失真，并且失真的输出可以合并在一起并在到达听众之前求和。例如，对于非常低的音频，各个扬声器可以彼此相邻放置以形成圆形簇。对于较高的音频，可以在全体室中执行求和，使得到听众的路径长度差异可以不撤消各个扬声器输出的预期的相干相加。
考虑单个正弦波作为信号源。每个单独的扬声器可以辐射基频以及基频的谐波失真分量，包括二阶和三阶谐波失真分量，例如由于扬声器中的非线性。当施加到各个扬声器的信号之间没有相位差时，对来自每个扬声器的基波输出可以相干地求和，并且对来自每个扬声器的谐波输出(失真)也可以相干地求和。如果一组中有两个扬声器，则总声压输出(包括失真)将是每个扬声器自身辐射的两倍(spl增加20log10(2)＝+6.021db)。对于三个扬声器，将增加+9.542db，对于四个扬声器，将增加+12.041db，依此类推。上述计算忽略了各个扬声器之间的相互声学耦合的影响。
现在考虑两个相同的扬声器a，b的情况，所述两个相同的扬声器馈送有角频率为ωrad/s的单个正弦波但具有φ度的相位差。从扬声器a输出的声压可以表达为
而从扬声器b输出的声压可以类似地表达为
其中φb-φa＝φ。
此处θ1是由驱动器及其外壳在基波角频率ω处引起的基波输出的相位偏移，θ2是由驱动器及其外壳在二次谐波角频率2ω处修改的二次谐波失真输出的相位角，θ3是由驱动器及其外壳在三次谐波角频率3ω处修改的三次谐波失真输出的相位角，依此类推。
通过使用三角恒等式
sin(α+β)＝sinα·cosβ+cosα·sinβ(3)
从所述两个扬声器输出的总声压将是
基波输出的峰值幅值从单个扬声器的a1增加到两个扬声器的
而二次谐波失真输出已从峰值幅值a2修改为两个扬声器的
三次谐波失真输出已从峰值幅值a3修改为两个扬声器的
依此类推。
来自所述两个扬声器的合成基波输出可以写为
其中
因此，合成基波输出的相位偏移相对于扬声器a的输出为
当相位差φ为零使得所述两个相同扬声器被馈送相同的正弦波时，|p1|、|p2|和|p3|变为2a1、2a2和2a3，如所预期。基波和每个谐波的峰值幅值加倍，因此谐波失真的百分比没有变化。
然而，当相位差φ不为零时出现两个重要情况。第一种情况涉及消除二次谐波分量。
如果选择相位差φ等于90°，则|p1|、|p2|和|p3|变为
可以扩展分析以表明一些较高阶谐波失真分量也被消除，但有时会增强，如下表所示。该表显示了馈送有相对相位角为0°和90°的正弦波的两个相同扬声器。fr＝基波的合成，2r＝二次谐波的合成，3r＝三次谐波的合成，等。
分析也可以在相量图中可视化，如图5所示。参考信号和90度相位分离信号的基波相量被指定为f。二阶谐波分量的相量被指定为s，三阶谐波分量的相量被指定为t。涉及参考信号的相量后缀为0，涉及90度相位分离信号的相量后缀为90。合成相量后缀为r。因此，f0表示参考信号的基波。f90表示90度相分离信号的基波。fr表示基波的合成。s0表示参考信号的二阶谐波分量。s90表示90度相分离信号的二阶谐波分量。由sr表示的二阶谐波分量的合成不可见，因为它是零(相量图上的一个点)。t0表示参考信号的三阶谐波分量。t90表示90度相分离信号的三阶谐波分量。tr表示三阶谐波分量的合成。
第二种情况涉及消除三次谐波分量。如果选择相位差φ等于60°则|p2|和|p3|变为
可以扩展分析以表明一些较高阶谐波失真分量也被消除，但有时会增强，如下表所示。该表显示了馈送有相对相位角为0°和60°的正弦波的两个相同扬声器。fr＝基波的合成，2r＝二次谐波的合成，3r＝三次谐波的合成，等。
分析也可以在相量图中可视化，如图6所示。参考信号和60度相位分离信号的基波相量被指定为f。二阶谐波分量的相量被指定为s，三阶谐波分量的相量被指定为t。涉及参考信号的相量后缀为0，涉及60度相位分离信号的相量后缀为60。合成相量后缀为r。因此，f0表示参考信号的基波。f60表示60度相分离信号的基波。fr表示基波的合成。s0表示参考信号的二阶谐波分量。s60表示60度相分离信号的二阶谐波分量。sr表示二阶谐波分量的合成。t0表示参考信号的三阶谐波分量。t60表示60度相分离信号的三阶谐波分量。由tr表示的三阶谐波分量的合成不可见，因为它是零(相量图上的一个点)。
现在的挑战是消除二阶和三阶谐波失真分量。可以表明的是，施加到两个相同扬声器的正弦波之间没有相位差φ，这将导致二阶和三阶谐波失真输出同时消除(不消除基波输出)。
然而，同时消除可以利用四个相同扬声器a，b，c，d实现。该想法可以从具有消除的三阶谐波失真分量的一对扬声器开始。如果该对扬声器中扬声器的相对相位角是0°和60°，则它们的合成基波输出可以具有30°的相对相位角。然后可以将具有消除的三次谐波失真的第二对扬声器添加到第一对。如果来自第二对的合成基波输出具有120°的相对相位角(即，从第一对偏移90°)，则可以消除来自四个扬声器的合成的二次谐波失真，同时合成的三次谐波失真可保持被取消。因此，第二对扬声器的相对相位角必须为90°和150°。则四个扬声器a，b，c，d将分别具有0°、60°、90°和150°的相对相位角。
对于这些相位差，来自四个相同扬声器的合成基波输出的峰值幅值是
当相位差为零使得四个相同扬声器被馈送相同的正弦波时，如所预期|p1|变为4a1，其为大于
可以扩展分析以表明一些校高阶谐波失真分量也被消除，如下表所示。该表显示了具有相对相位角为0°、60°、90°和150°的正弦波的四个相同扬声器。fr＝基波的合成，2r＝二次谐波的合成，3r＝三次谐波的合成，等。
分析也可以在相量图中可视化，如图7所示。参考信号、60度相位分离信号、90度相位分离信号和150度相位分离信号的基波相量被指定为f。二阶谐波分量的相量被指定为s，三阶谐波分量的相量被指定为t。涉及参考信号的相量后缀为0，涉及60度相位分离信号的相量后缀为60。涉及90度相位分离信号的相量后缀为90。涉及150度相位分离信号的相量后缀为150。合成相量后缀为r。因此，f0表示参考信号的基波。f60表示60度相分离信号的基波。f90表示90度相分离信号的基波。f150表示150度相分离信号的基波。fr表示基波的合成。s0表示参考信号的二阶谐波分量。s60表示60度相分离信号的二阶谐波分量。s90表示90度相分离信号的二阶谐波分量。s150表示150度相分离信号的二阶谐波分量。由sr表示的二阶谐波分量的合成不可见，因为它是零(相量图上的一个点)。t0表示参考信号的三次谐波分量。t60表示60度相分离信号的三次谐波分量。t90表示90度相分离信号的三次谐波分量。t150表示150度相分离信号的三次谐波分量。由tr表示的三阶谐波分量的结果不可见，因为它是零(相量图上的一个点)。
回到两个相同扬声器a，b的情况，考虑所述信号包括角频率为ωα和ωβrad/s的两个正弦波的总和。所述两个扬声器可以被馈送相同的信号但具有φ度的相位差(频率恒定)。从扬声器a输出的声压可以表达为
从扬声器b输出的声压可以被类似地表达，但是用φαb替换φαa，并用φβb替换φβa，其中φαb-φαa＝φβb-φβa＝φ。从两个扬声器输出的总声压可以包含基波角频率ωα和ωβrad/s，以及由于非线性引起的额外频率，即二次谐波频率2ωα和2ωβ，和三次谐波频率3ωα和3ωβ等，二阶互调频率|ωα-ωβ|和ωα+ωβ，三阶互调频率|2ωα-ωβ|,2ωα+ωβ,|ωα-2ωβ|和ωα+2ωβ，等。
分析表明，当二次谐波失真被消除时，二阶互调和频率ωα+ωβ也被消除，但是差频|ωα-ωβ|未被消除。分析还表明，当三次谐波失真被消除时，三阶互调和频率2ωα+ωβ和ωα+2ωβ也被消除，但是差频|2ωα-ωβ|和|ωα-2ωβ|未被消除。
下表标识了完全消除两个、三个和四个扬声器布置中的二阶和三阶谐波失真分量的相位差。该表还示出了用以实现两个和三个扬声器布置中二阶和三阶谐波失真分量的同等消除的相位差示例。该表可以为设计者提供指导来选择适合于特定设计的相位差。例如，如果一特定设计具有比三阶谐波失真分量平均高10％的二阶谐波失真分量，则设计者可以通过从表中推断来选择具有74度相位差的两个扬声器的布置。
图8示出了适合与本文所述的管理和/或减少谐波失真的设备一起使用的扬声器80的一个示例。扬声器80包含两个具有基本相同性能参数且容纳在单个外壳82中的扬声器驱动器81，其中驱动器81容纳在外壳82的单独的基本相同的隔室中，使得当由驱动器81再现的信号具有90度的相位差时，可以基本取消由驱动器81的非线性引起的二阶谐波失真分量。
图9示出了适于与本文所述的用于管理和/或减少谐波失真的设备一起使用的扬声器90的另一示例。扬声器90包括四个扬声器驱动器d0、d60、d90和d150，所述驱动器具有基本相同的性能参数且容纳在单个外壳91中。驱动器d60、d90和d150适于通过相对于驱动参考驱动器d0的参考音频信号，相位分别偏移60、90和150度的信号来驱动。驱动器d0、d60、d90和d150容纳在外壳91的单独的基本相同的隔室中。驱动器d0与驱动器d150径向相对地容纳。如果在立体声系统中使用，则驱动器d0可以朝向立体声对的中心线而放置，并且驱动器d150可以远离立体声对的中心线而放置。
具有如图9所示的驱动器布置的扬声器可以包含右立体声对扬声器，并且左扬声器可以包含驱动器的镜像布置。作为一般规则，当由驱动器d60、d90和d150再现的信号相对于由驱动器d0再现的参考音频信号具有60、90和150度的相位差时，驱动器彼此放置得越靠近，它们的输出辐射混合得将会越好，并且基本消除二次谐波和三次谐波的失真分量的最佳听音位置将会越宽。
图10示出了适于与本文所述的用于管理和/或减少谐波失真的设备一起使用的扬声器100的另一实施例。扬声器100包含四个扬声器驱动器104，所述驱动器具有基本相同的性能参数且容纳在外壳105的单独的基本相同的隔室101中。驱动器104穿越腔或气室(plenum)102彼此面对，腔或气室102可以被挡板103封闭在后面。在这种构造中，三个驱动器104适于通过相对于驱动第四个驱动器104的参考音频信号相位分别偏移60、90和150度的信号来驱动。所述参考音频信号和相位偏移150度的信号可以面向驱动器相对地驱动。
为获得最佳性能，腔102的宽度、高度和深度应尽可能小，以便舒适地容纳驱动器104，同时在前部留下孔106，所述前部的宽度或高度小于每个驱动器104直径的150％。该实施例的优点在于它可以潜在地消除所有辐射角度下的谐波失真分量。假设驱动器104在活塞范围下面运行，则扬声器100的辐射图案可以基本全向进入半空间(2π球面度)。
最后，应理解的是，在不偏离本发明精神或范围的情况下，可以在前文所述部件的结构和布置中引入各种改变、修改和/或添加。
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