扬声器设备、用于处理其输入信号的方法以及音频系统与流程
本文的一个或多个实施方案总体上涉及声能辐射控制领域，并且更具体地，涉及扬声器设备、用于处理扬声器设备的输入信号的方法、以及音频系统。
背景技术：
在家庭影院系统中可以使用常规的条形音箱。常规的条形音箱可以提供比多通道环绕声扬声器系统(诸如5.1、7.1等)更简单的配置。但是，常规的条形音箱可能无法在宽带范围内提供环绕声体验。对于收听者而言，常规的条形音箱可能似乎产生窄声场，该声场限于收听空间中的小区。
因此，存在需要在比多通道环绕声扬声器系统更简单的配置中在宽带范围内提供环绕声体验。
技术实现要素：
根据实施方案，提供一种扬声器设备。扬声器设备包括：第一多个扬声器，其以一定间隔布置成行，其中在第一频率范围内，第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射大于在第二区中产生的声能辐射；和第二多个扬声器，其对称地设置在第一多个扬声器的行的两侧、具有在两侧处的面向外部的开口，其中在第二频率范围内，第二多个扬声器在第三区中产生的声能辐射大于在第四区中产生的声能辐射；并且，第一频率范围与第二频率范围重叠。
在一些实施方案中，第一区覆盖第一多个扬声器的行的侧面区域，第二区覆盖第一多个扬声器的行的前方或后方的区域，第三区覆盖第二多个扬声器的开口面向的区域，并且第四区覆盖第二多个扬声器的侧面区域。
在一些实施方案中，在150hz至3khz的频率范围内，由第一多个扬声器在第一区中产生的声压大于在第二区中产生的声压。
在一些实施方案中，在2khz至20khz的频率范围内，由第二多个扬声器在第三区域中产生的声压大于在第四区域中产生的声压。
在一些实施方案中，第二多个扬声器中的每个包括高音扬声器和与高音扬声器连接的喇叭，并且喇叭包括与高音扬声器连接的输入开口和面向外部的输出开口。
在一些实施方案中，喇叭的输出开口的大小与喇叭的输入开口的大小的比率大于2。
在一些实施方案中，喇叭的长度大于第一多个扬声器的行中相邻的扬声器之间的间隔的一半。
在一些实施方案中，第一多个扬声器的行中相邻的扬声器之间的间隔在2cm至16cm的范围内，并且喇叭的长度在2cm至16m的范围内。
在一些实施方案中，第一多个扬声器的输入信号通过基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法进行处理，以使第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射大于在第二区中产生的声能辐射。
根据实施方案，还提供一种用于处理扬声器设备的输入信号的方法，其中扬声器设备包括：第一多个扬声器，其以一定间隔布置成行；和第二多个扬声器，其对称地设置在第一多个扬声器的行的两侧、具有在两侧处的面向外部的开口，在第一频率范围内，第一多个扬声器在第一区中的声能辐射大于在第二区中的声能辐射，在第二频率范围内，第二多个扬声器在第三区中的声能辐射大于在第四区中的声能辐射，且第一频率范围与第二频率范围重叠。方法包括：基于输入信号获得数字信号；对数字信号进行滤波以获得第一频率范围内的第一数字信号和第二频率范围内的第二数字信号；和使用基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法处理第一数字信号，以使第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射大于在第二区中产生的声能辐射；其中处理后的第一数字信号适于被输入到第一多个扬声器，并且第二数字信号适于被输入到第二多个扬声器。
在一些实施方案中，数字信号被第一滤波器和第二滤波器滤波以分别获得第一数字信号和第二数字信号，并且第二多个扬声器中的每个包括高音扬声器和与高音扬声器连接的喇叭，确定第一滤波器和第二滤波器的交叉频率包括：确定第一多个扬声器的行中相邻的扬声器之间的间隔；基于等式(1)获得第一多个扬声器的频率上限：
其中c是声速，且δx是第一多个扬声器的行中相邻的扬声器之间的间隔；确定喇叭的长度；基于等式(2)获得第二多个扬声器的频率下限：
其中c是声速，且lh是喇叭的长度；基于频率上限和频率下限确定交叉频率；并且确定确定的交叉频率是否与第二多个扬声器的性能匹配，如果不匹配，则重复确定交叉频率的步骤，如果匹配，则将确定的交叉频率确定为第一滤波器和第二滤波器的交叉频率。
在一些实施方案中，交叉频率在800hz至5khz的范围内。
在一些实施方案中，方法还包括：基于处理后的第一数字信号和第二数字信号获得第一模拟信号和第二模拟信号；和放大第一模拟信号和第二模拟信号；其中放大后的第一模拟信号适于被输入到第一多个扬声器，并且放大后的第二模拟信号适于被输入到第二多个扬声器。
在一些实施方案中，第一区覆盖第一多个扬声器的行的侧面区域，第二区覆盖第一多个扬声器的行的前方或后方的区域，第三区覆盖第二多个扬声器的开口面向的区域，并且第四区覆盖第二多个扬声器的侧面区域。
根据实施方案，还提供一种音频系统。音频系统包括：扬声器设备，其包括以一定间隔布置成行的第一多个扬声器和对称地设置在第一多个扬声器的行的两侧、具有在两侧处的面向外部的开口的第二多个扬声器，其中在第一频率范围内，第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射大于在第二区中产生的声能辐射，在第二频率范围内，第二多个扬声器在第三区中产生的声能辐射大于在第四区中产生的声能辐射，且第一频率范围与第二频率范围重叠；和处理器，其被配置为处理扬声器设备的输入信号，其中处理器包括：第一获取电路，其被配置为基于输入信号获得数字信号；第一滤波器，其被配置为对数字信号进行滤波以获得第一频率范围内的第一数字信号；第二滤波器，其被配置为对数字信号进行滤波以获得第二频率范围内的第二数字信号；和数字信号处理电路，其被配置为使用基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法处理第一数字信号，以使第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射大于在第二区中产生的声能辐射；其中处理后的第一数字信号适于被输入到第一多个扬声器，并且第二数字信号适于被输入到第二多个扬声器。
在一些实施方案中，第一滤波器和第二滤波器的交叉频率在800hz至5khz的范围内。
在一些实施方案中，音频系统还包括：第二获取电路，其被配置为基于处理后的第一数字信号和第二数字信号获得第一模拟信号和第二模拟信号；和放大器，其被配置为放大第一模拟信号和第二模拟信号；其中放大后的第一模拟信号适于被输入到第一多个扬声器，并且放大后的第二模拟信号适于被输入到第二多个扬声器。
在一些实施方案中，第一区覆盖第一多个扬声器的行的侧面区域，第二区覆盖第一多个扬声器的行的前方或后方的区域，第三区覆盖第二多个扬声器的开口面向的区域，并且第四区覆盖第二多个扬声器的侧面区域。
通过将第一多个扬声器和第二多个扬声器组合在一起，根据某一实施方案的扬声器设备和音频系统可以实现全带环绕效果。
具体地，在第一频率范围内，第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射大于在第二区中产生的声能辐射，且在第二频率范围内，第二多个扬声器在第三区中产生的声能辐射大于在第四区中产生的声能辐射，其中第一频率范围与第二频率范围重叠，从而扬声器设备可以整体上在宽带范围内产生增强的方向性的声能辐射。
进一步地，第一区覆盖第一多个扬声器的行的侧面区域，第二区覆盖第一多个扬声器的行的前方或后方的区域，第三区覆盖第二多个扬声器的开口面向的区域，并且第四区覆盖第二多个扬声器的侧面区域，使得由扬声器设备产生的侧向声能辐射大于由扬声器设备产生的前向声能辐射。当收听者位于扬声器设备的前方时，收听者所感知的侧向声音大于收听者所感知的前向声音，这使得声场扩展并且向收听者呈现环绕体验。
进一步地，改进的侧面发射扬声器包括设置在第一多个扬声器的行的两侧、具有在两侧处的面向外部的开口的两个喇叭扬声器，两个喇叭扬声器中的每个包括高音扬声器和与高音扬声器连接的喇叭，且喇叭包括与高音扬声器连接的输入开口和面向外部的输出开口，从而可以增强两个喇叭扬声器的侧向声能辐射，同时可以约束两个喇叭扬声器的前向声能辐射。
进一步地，通过基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法(诸如，延迟和求和波束形成方法或声压匹配方法)对第一多个扬声器的输入信号进行处理，从而第一多个扬声器可以产生增强的方向性的声能辐射。
进一步地，提供一种用于处理扬声器设备的输入信号的方法，其中基于输入信号获得数字信号，然后分别通过第一滤波器和第二滤波器对数字信号进行滤波，以获得要输入到第一多个扬声器的第一数字信号和要输入到第二多个扬声器的第二数字信号，并使用基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法处理第一数字信号，以使第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射可以大于在第二区中产生的声能辐射。可以基于第一多个扬声器的频率上限和喇叭扬声器的频率下限来确定第一滤波器和第二滤波器的交叉频率，第一多个扬声器的频率上限和喇叭扬声器的频率下限分别与第一多个扬声器的参数和喇叭扬声器的参数有关。
进一步地，提供一种包括扬声器设备和处理器的音频系统，其中处理器被配置为处理扬声器设备的输入信号。具体地，处理器包括第一滤波器和第二滤波器，第一滤波器和第二滤波器可以对数字信号进行滤波以获得第一频率范围内的第一数字信号并获得第二频率范围内的第二数字信号，其中第一数字信号适于被输入到第一多个扬声器，并且第二数字信号适于被输入到第二多个扬声器；且处理器还包括数字信号处理电路，数字信号处理电路可以使用基于dsp的波束形成方法处理第一数字信号，以使第一多个扬声器在第一区中产生的声能辐射可以大于在第二区中产生的声能辐射。
附图说明
根据结合附图进行的以下描述和所附权利要求，本公开的前述和其它特征将变得更加完全明显。理解的是，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方案，并且因此，不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图通过附加特征和细节来描述本公开。
图1示意性地示出了根据实施方案的扬声器设备10的结构图；
图2示意性地示出了根据实施方案的喇叭扬声器12的立体图；
图3示意性地示出了根据实施方案通过仿真在1khz下获得的图1中所示的第一组扬声器11a的声能辐射的示例性方向性图案；
图4示意性地示出了根据另一实施方案通过仿真在1khz下获得的图1中所示的第二组扬声器11b的声能辐射的示例性方向性图案；
图5示意性地示出了根据实施方案通过仿真在6khz下获得的第一组扬声器11a的声能辐射的不期望的方向性图案的示例；
图6a示意性地示出了图1中所示的第一组扬声器11a的前方位置a和侧面位置b；
图6b示意性地示出了在图6a所示的前方位置c和侧面位置b处测量的第一组扬声器11a的频率响应；
图7a示意性地示出了高音扬声器20的前方位置c和侧面位置d；
图7b示意性地示出了在图7a所示的前方位置c和侧面位置d处测量的高音扬声器20的频率响应；
图8a示意性地示出了右喇叭扬声器12的前方位置e和侧面位置f；
图8b示意性地示出了在图8a所示的前方位置e和侧面位置f处测量的右喇叭扬声器12的频率响应；
图9示意性地示出了根据实施方案的用于处理图1中所示的扬声器设备10的输入信号的方法30的流程图；
图10示意性地示出了根据实施方案的用于确定在方法30中应用的第一滤波器和第二滤波器之间的交叉频率的方法40的流程图；和
图11示意性地示出了根据实施方案的音频系统50的框图。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，否则相似的符号通常标识相似的部件。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施方案并不意味着是限制性的。在不脱离这里呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施方案，并且可以进行其它改变。将容易理解的是，可以以各种不同配置来布置、替换、组合和设计本文总体描述以及在附图中示出的本公开的方面，所有这些配置都被明确地构想和形成本公开的一部分。
通过优化扬声器或扬声器阵列的方向性，可以改善收听者的环绕体验。宽带频率范围内的尖锐方向性图案可以产生宽敞效果和期望的环绕体验。为了实现此，本文的一个或多个实施方案包括利用波束形成方法以及改进的侧面发射方法的扬声器或扬声器阵列，该波束形成方法利用基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法。将波束形成方法和改进的侧面发射方法组合可以产生宽敞效果和期望的环绕体验。该组合可以在宽带频率范围内产生增强的方向性。
参照图1，图1示意性地示出了根据实施方案的扬声器设备10的结构图。
扬声器设备10包括第一多个扬声器11和第二多个扬声器12，其中第一多个扬声器11包括第一组扬声器11a和第二组扬声器11b，第一组扬声器11a可以用作左通道，且第二组扬声器11b可以用作右通道，并且第一组扬声器11a和第二组扬声器11b对称地设置。
在图1中，第一组扬声器11a和第二组扬声器11b可以分别包括五个第一扬声器111，即，总共有十个第一扬声器111。应当注意，在实践中可以改变第一扬声器111的数量。在一些实施方案中，第一多个扬声器11可以以相等的间隔布置成行。在一些实施方案中，第一多个扬声器11可以以曲线或其它方式布置。
第二多个扬声器12可以设置在第一多个扬声器11的两个侧面区域中、具有在两个侧面区域处的面向外部的开口。在本实施方案中，在图1中示出了两个第二扬声器12。应当注意，在实践中可以改变第二多个扬声器12中的扬声器的数量。类似地，第二多个扬声器12可以以不同的方式布置，诸如布置成直线或曲线等。
在一些实施方案中，第一多个扬声器中的相邻第一扬声器111之间的间隔在2cm至16cm的范围内，并且第一多个扬声器的行的长度在20cm至2m的范围内。
在一些实施方案中，使用基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法来处理扬声器设备10的输入信号，以使得在第一频率范围内由第一多个扬声器11在第一区i中产生的声能辐射大于在第二区ii中产生的声能辐射。
在一些实施方案中，基于dsp的波束形成方法可以包括延迟和求和波束形成方法或声压匹配方法。
在一些实施方案中，在第二频率范围内，第二多个扬声器在第三区iii中产生的声能辐射大于在第四区iv中产生的声能辐射。在一些实施方案中，第一频率范围与第二频率范围重叠，使得扬声器设备10可以整体上连续地在宽带范围内产生具有增强的方向性的声能辐射。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11中的每个第一扬声器111可以是低音扬声器，而第二多个扬声器12中的每个可以是高音扬声器。
在一些实施方案中，扬声器设备10的前方区域中的收听者13可能不必听到太多的声音，但是需要增强收听者13两侧的声音，以改善宽敞效果和为收听者13提供更真实的环绕体验。因此，如图1中所示，在一些实施方案中，第一区i可以覆盖第一多个扬声器11的行的两个侧面区域，第二区ii可以覆盖第一多个扬声器11的行的前方或后方的区域，第三区iii可以覆盖第二多个扬声器12的开口面对的区域，并且第四区iv可以覆盖第二多个扬声器12的侧面区域。
在一些实施方案中，声能辐射通常以声压进行表征。
在一些实施方案中，在150hz至3khz的频率范围内，由第一多个扬声器11在第一区i中产生的声压大于在第二区ii中产生的声压。即，第一频率范围在150hz至3khz的范围内。在一些实施方案中，在2khz至20khz的频率范围内，由第二多个扬声器12在第三区域iii中产生的声压大于在第四区域iv中产生的声压。即，第二频率范围在2khz至20khz的范围内。
参照图2，图2示意性地示出了根据实施方案的喇叭扬声器12的立体图。在一些实施方案中，第二多个扬声器12中的每个包括高音扬声器121和与高音扬声器121连接的喇叭122，其中喇叭122包括与高音扬声器121连接的输入开口和面向外的输出开口。具体地，如图1中所示，在收听者13的右侧的喇叭122的开口可以面向图1中所示的x方向，并且在收听者13的左侧的喇叭122的开口可以面向-x方向。
在一些实施方案中，喇叭122的输出开口的大小与喇叭122的输入开口的大小的比率(即如图2中所示的d1/d2)大于2。
在一些实施方案中，喇叭122的长度大于在第一多个扬声器11的行中相邻的第一扬声器111之间的间隔的一半。在一些实施方案中，喇叭122的长度可以在2cm至16m的范围内。
在一些实施方案中，每个喇叭122的开口与每个第一扬声器111的开口之间的角度可以是90°。在其它实施方案中，每个喇叭122的开口与每个第一扬声器111的开口之间的角度可以大于70°且小于90°，这也可以在物理上增强扬声器设备10的侧向声能辐射。
在其它实施方案中，扬声器设备可以包括两个以上的喇叭扬声器。例如，扬声器设备可以包括四个喇叭扬声器，并且两个喇叭扬声器设置在第一多个扬声器的每侧，以增强扬声器设备的侧向声能辐射。
应当注意，侧向声压和前向声压的第一比率还与喇叭122的输出端子处的开口的大小和喇叭122的输入端子处的开口的大小的第二比率(即d1/d2)有关。第二比率越大，第一比率越大。在一些实施方案中，第二比率大于2(例如5)。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11可以被设置成面向收听者13的前方。在其它实施方案中，第一多个扬声器可以被设置成面向其它方向，例如，面向收听者的一个侧面方向，其中一个侧面方向可以是收听者的右侧方向(图1中所示的x方向)或左侧方向(图1中所示的-x方向)。在其它实施方案中，第一多个扬声器可以被设置成面向不同的方向，例如，一些第一扬声器面向收听者的前方，而其它第一扬声器面向收听者的侧面方向。
在一些实施方案中，为了在宽带范围内实现增强的方向性的声能辐射，可以组合基于dsp的波束形成方法和改进的侧面发射方法，其在不同的主频率范围内起作用。具体地，可以应用基于dsp的波束形成方法以处理第一多个扬声器11的输入信号，以实现第一频率范围内增强的方向性的声能辐射；并且可以将改进的侧面发射方法应用于两个第二扬声器12，以实现在第二频率范围内增强的方向性的声能辐射。
首先，关于第一多个扬声器11，将理解的是，仅当基于dsp的波束形成方法可以在期望区域中增强第一多个扬声器11的声能辐射，并且在不期望区域中约束第一多个扬声器11的声能辐射时，基于dsp的不同波束形成方法(例如延迟和求和波束形成方法或声压匹配方法)可以被应用于处理第一多个扬声器11的输入信号。基于dsp的不同波束形成方法的具体算法在本文将不详细讨论。
参照图3和图4，图3示意性地示出了根据实施方案在1khz下获得的图1中所示的第一组扬声器11a的声能辐射的示例性方向性图案，图4示意性地示出了根据实施方案在1khz下获得的图1中所示的第二组扬声器11b的声能辐射的示例性方向性图案，并且使用基于dsp的波束形成方法来仿真图3和图4中的声能辐射的两个方向性图案。
清楚的是，主瓣(即从0°至60°以及从300°至360°(0°)的第五区中的声能辐射)水平比旁瓣(即从60°至300°的第六区中的声能辐射)水平大得多。即，可以通过第一组扬声器11a增强第一多个扬声器11的一个侧面区域(0°至60°和300°至360°(0°))中的声能辐射，而第一组扬声器11a的前方区域、后方区域和另一侧面区域中的声能辐射被很好地约束。在图4中，在相对于第二组扬声器11b的中心从120°至240°范围的第七区中的声能辐射大大增强，而在相对于第二组扬声器11b的中心从0°至120°和240°至360°(0°)范围的第八区域中的声能辐射被很好地约束。因此，可以通过第二组扬声器11b增强第一多个扬声器11的另一侧面区域中的声能辐射。
从图3和图4可以看出，可以增强扬声器阵列11的两个侧面区域上的声能辐射。在其它实施方案中，可以对基于dsp的波束形成方法执行而不是对第一组扬声器11a的位置执行镜像对称操作，这也可以增强第一多个扬声器11的两个侧面区域中的声能辐射。
与组合无关地，至少当与组合相比时，波束形成技术难以在宽带范围内实现良好的性能。在高频范围内尤其如此。造成这种情况的因素包括扬声器阵列的有限规模、扬声器的大小或扬声器系统的稳健性。类似地，与组合无关地，至少当与组合相比时，侧面发射技术难以在宽带范围内实现良好的性能。通常，侧面发射技术在高频范围内表现得更好，而在低频范围内几乎没有区别。造成这种情况的因素是扬声器的形状和大小。但是，通过将波束形成方法和侧面发射方法相组合，扬声器系统在宽带范围上实现良好的性能。作为示例，经由组合，在宽带范围上增强方向性。
理论上，如图3中或图4中所示，可以构建有效的波束形成器的第一多个扬声器11的频率上限和频率下限与第一多个扬声器11中相邻的第一扬声器111之间的间隔以及第一多个扬声器11的长度有关。具体地，第一组扬声器11a或第二组扬声器11b的频率上限可以从等式(1)中所述的抗混叠条件得出：
其中c是声速，且δx是第一组扬声器11a或第二组扬声器11b中相邻的第一扬声器111之间的间隔。在一些实施方案中，第一组扬声器11a中相邻的第一扬声器111之间的间隔等于第二组扬声器11b中相邻的第一扬声器111之间的间隔。从等式(1)可以得出结论，间隔δx越小，频率上限fua越高。然而，由于第一扬声器111有限的规模，频率上限
至于频率下限，其对应的四分之一波长应小于或等于第一多个扬声器的长度(即
其中la是第一多个扬声器11中第一组扬声器11a的行的长度或第二组扬声器11b的行的长度。在一些实施方案中，第一组扬声器11a和第二组扬声器11b被配置为具有相同的长度。因此，如果需要频率下限
从上面清楚的是，第一多个扬声器11不能在全频带范围内实现良好的性能，而是被限制到从fla到fua的较低频率范围内。参照图5，图5示意性地示出了使用基于dsp的波束形成方法来仿真的在6khz下第一组扬声器11a的声能辐射的不期望的方向性图案的示例。清楚的是，在高于频率上限jua的频率下，第一组扬声器11a呈现出不期望的方向性图案，该图案与如图2和图3中所示的目标方向性图案有很大不同，并具有某一空间着色问题。这就是常规技术中的条形音箱示出有限的宽敞效果的原因。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11中的第一组扬声器11a的长度和第二组扬声器11b的长度都可以为约400mm，并且第一组扬声器11a和第二组扬声器11b分别包括五个第一扬声器111。因此，第一组扬声器11a中相邻的第一扬声器111之间的间隔和第二组扬声器11b中相邻的第一扬声器111之间的间隔可以选择为70mm。根据等式(1)和(2)，第一多个扬声器11的频率上限为约2.5khz，并且第一多个扬声器11的频率下限为约210hz。
参照图6a和图6b，图6a示意性地示出了图1中所示的第一多个扬声器11中的第一组扬声器11a的前方位置a和侧面位置b。‘x’表示的前方位置a和‘o’表示的侧面位置b位于半径相对于第一组扬声器11a的中心为1m的圆上，其中前方位置a位于270°方向，即，在第一组扬声器11a的行的前方方向上，且侧面位置b位于0°方向，即在第一组扬声器11a的行的侧面方向上。图6b示意性地示出了第一组扬声器11a在图6a所示的前方位置a和侧面位置b处的频率响应，其中虚线表示第一组扬声器11a在侧面位置b处的频率响应，且实线表示第一组扬声器11a在前方位置a处的频率响应。
在一些实施方案中，第一组扬声器11a的声能辐射可以由第一组扬声器11a的声压表示，且第一组扬声器11a在侧面位置b和前方位置a处的声压水平被实际测量。
在一些实施方案中，用于确定第一多个扬声器11的声能辐射在频率范围内侧向定向的标准可以是，在频率范围内第一多个扬声器11在侧面位置处的声压大于第一多个扬声器11在前方位置处的声压。
从图6b可以看出，在约150hz至3khz的频率范围内，第一组扬声器11a在侧面位置b处的声压大于第一组扬声器11a在前方位置a处的声压，因此，第一组扬声器11a的波束形成器从约150hz至3khz是侧向定向的。具体地，在约150hz至3khz的频率范围的90％以上内，第一组扬声器11a在侧面位置b处的声压与第一组扬声器11a在前方位置a处的声压的比率大于10db。但是，第一组扬声器11a的波束形成器不能在该频率范围之外实现这种定向效果。
应当注意，在图6b中示出了第一组扬声器11a在0°方向的侧面位置b处和在270°方向的前方位置a处的频率响应，以展示第一组扬声器11a的侧向定向波束形成器，这是因为在0°方向的声压与在270°方向的声压之间的差相对较大(参见图3)。虽然在其它方向的侧面位置和在其它方向的前方位置中，也可以满足上述确定第一多个扬声器11的声能辐射侧向定向的标准，但是在其它方向的侧面位置处的声压和其它方向的前方位置处的声压之间的差可能会变更小。参照图3，声压在0°处达到最大值，并且当被测量的侧面位置沿顺时针方向或逆时针方向移动远离0°时，被测量的侧面位置处的声压可能减小，因此侧面位置和前方位置之间的声压差可能逐渐减小。
还应该注意，图6b示出了第一组扬声器11a的频率响应，而第二组扬声器11b的频率响应可以相应地得出，其在本文将不详细讨论。在一些实施方案中，在约150hz至3khz的频率范围的90％以上内，第二组扬声器11b在180°方向的侧面位置处的声压与第二组扬声器11b在270°方向的前方位置处的声压的比率大于10db，其中侧面位置和前方位置距第二组扬声器11b的中心的距离相同。
结果，在约150hz至3khz的频率范围内，在第一多个扬声器11的两个侧面区域(即，第一区i)中第一多个扬声器11的声压大于在第一多个扬声器11的前方区域(第二区ii)中第一多个扬声器11的声压。在一些实施方案中，侧面区域相对于第一多个扬声器11的中心可以在从0°至60°、300°至0°以及120°至240°的范围内，并且前方区域相对于第一多个扬声器11的中心可以在从240°至300°的范围内。特别是，在约150hz至3khz的频率范围的90％以上内，第一多个扬声器11在侧面位置(0°或180°)处的声压与第一多个扬声器11在前方位置(270°)处的声压的比率可能大于10db。
从上面清楚地是，左通道的第一组扬声器11a可以产生在扬声器设备10的一个侧面区域中增强的声能辐射，且右通道的第二组扬声器11b可以产生在扬声器设备10的另一侧面区域中增强的声能辐射，从而第一多个扬声器11的声能辐射可以在扬声器设备10的两个侧面区域中增强。
其次，在第二频率范围内(即高频范围内)，在一些实施方案中应用改进的侧面发射方法，以实现第二多个扬声器12的增强的方向性的声能辐射。
通常，在侧面发射方法中，设置侧面发射扬声器，即，扬声器设置为开口面向收听者的侧面方向，以增强侧向方向性，同时物理上限制前向方向性。在一些实施方案中，侧面发射扬声器可以是高音扬声器。为了研究高音扬声器在不同方向上的频率响应，可以测量高音扬声器在不同方向上的声压。
结合图7b参照图7a，图7a示意性地示出了高音扬声器20的前方位置c和侧面位置d，其中由‘o’表示的前方位置c相对于高音扬声器20的中心位于高音扬声器20的开口面向的0°方向，而由‘x’表示的侧面位置d相对于高音扬声器20的中心位于270°方向。图7b示意性地示出了高音扬声器20在图7a中所示的侧面位置d和前方位置c处的频率响应，其中虚线表示高音扬声器20在前方位置c处的频率响应，且实线表示高音扬声器20在侧面位置d处的频率响应。
在一些实施方案中，高音扬声器20的声能辐射可以由高音扬声器20的声压表征，且高音扬声器20在侧面位置d处的声压水平和高音扬声器20在前方位置c处的声压水平被实际测量。
从图7b中清楚的是，高音扬声器20的方向性图案仅在例如从8khz至20khz的非常高的频率范围内是尖锐的。为了提高声压并在中频率范围和高频率范围内均实现尖锐的方向性图案，发明人提出一种改进的侧面发射方法，其包括将扬声器设备10配置为具有两个改进的侧面发射扬声器。在一些实施方案中，两个改进的侧面发射扬声器可以是如图1和图2中所示的两个喇叭扬声器12。
类似于如上所述的第一多个扬声器11的频率下限，喇叭扬声器12的频率下限也与喇叭122的长度有关，并且喇叭扬声器12的频率可以从等式(3)得出：
其中lh是喇叭122的长度。因此，频率
为了确保扬声器设备10可以在高频率范围和低频率范围两者内产生尖锐的方向性图案，第一多个扬声器11和喇叭扬声器12之间的交叉频率应当大于flh但小于fua。因此，第一多个扬声器11的频率上限和喇叭扬声器12的频率下限应满足fua≥flh，则我们得到等式(4)：
2lh≥δx(4)。
为了在工程中确保这样的条件，我们将设置lh≈δx。因此，在一些实施方案中，喇叭122的长度lh被设计为大约等于第一多个扬声器11中相邻的第一扬声器111之间的间隔δx。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11中相邻的第一扬声器111之间的间隔δx可以是50mm，并且喇叭122的长度lh也可以是50mm，因此喇叭扬声器12的频率下限flh是1.7khz。
继续参照图8a和图8b，图8a示意性地示出了图1所示位于收听者13的右侧的右喇叭扬声器12的侧面位置e和前方位置f。由‘x’表示的侧面位置e和由‘o’表示的前方位置f位于半径相对于右喇叭扬声器12的高音扬声器121的中心为1m的圆处，其中侧面位置e位于270°方向，且前方位置f位于右喇叭扬声器12的开口面向的0°方向。图8b示意性地示出了右喇叭扬声器12在图8a所示的侧面位置e和前方位置f处的频率响应，其中虚线表示右喇叭扬声器12在前方位置f处的频率响应，且实线表示右喇叭扬声器12在侧面位置e处的频率响应。
在一些实施方案中，右喇叭扬声器12的声能辐射可以由右喇叭扬声器12的声压来表征，并且右喇叭扬声器12在前方位置f和侧面位置e处的声压水平被实际测量。
在一些实施方案中，用于确定右喇叭扬声器12的声能辐射在频率范围内侧向定向的标准可以是，在频率范围内喇叭扬声器12在侧面位置处的声压大于喇叭扬声器12在前方位置处的声压。
从图8b可以看出，在约2khz至20khz的频率范围内，右喇叭扬声器12在前方位置f处的声压大于右喇叭扬声器12在侧面位置e处的声压，因此，喇叭扬声器12的声能辐射从约2khz至20khz是侧向定向的。具体地，在约2khz至20khz的频率范围的90％以上内，右喇叭扬声器12在前方位置f处的声压与右喇叭扬声器12在侧面位置e处的声压的比率大于10db。
应当注意，在图8b中示出了右喇叭扬声器12在侧面位置e和前方位置f处的频率响应，以展示右喇叭扬声器12的声能辐射是侧向定向的，这是因为0°方向的声压和270°方向的声压之间的差相对较大。虽然在其它方向的侧面位置和其它方向的前方位置中，右喇叭扬声器12的声能辐射也满足确定右喇叭扬声器12的声能辐射为如上所述侧向定向的标准，但是其它方向的侧面位置处的声压和其它方向的前方位置处的声压之间的差可能小于0°和270°处的声压之间的差，这可以参照对第一多个扬声器11的对应描述，且因此本文将不详细描述。
参照图1，在一些实施方案中，在约2khz至20khz的频率范围内，右喇叭扬声器12在第三区iii中的声压大于喇叭扬声器12在第四区iv中的声压，其中第三区iii覆盖右第二扬声器12的开口面向的区域，并且第四区iv覆盖右第二扬声器12的侧面区域。具体地，第三区域iii相对于右喇叭扬声器12的中心可以在从0°至60°和300°至0°的范围内，并且第四区域iv相对于右喇叭扬声器12的中心可以在从240°至300°的范围内。
应当注意，图8b示出了右喇叭扬声器12的频率响应，而左喇叭扬声器12的频率响应可以相应地得出，其在本文将不详细讨论。在一些实施方案中，在约2khz至20khz的频率范围内，左喇叭扬声器12在第三区iii中的声压大于左喇叭扬声器12在第四区iv中的声压，其中第三区iii覆盖左第二扬声器12的开口面向的区域，并且第四区iv覆盖左第二扬声器12的侧面区域。在一些实施方案中，每个喇叭扬声器12的两个侧面区域上的声辐射是对称的，因此，可以约束喇叭扬声器12的两个侧面区域上的声辐射，同时可以增强喇叭扬声器12前方的声辐射。
通过使用改进的侧面发射方法，当喇叭122的长度和开口都大时，扩展了两个喇叭扬声器12能够实现增强的方向性的声能辐射的第二频率范围，即，第二频率范围实际上覆盖了中频率范围和高频率范围两者。
因此，我们可以将基于dsp的波束形成方法和改进的侧面发射方法组合在一起，并在喇叭扬声器12的频率下限(例如2khz)和第一多个扬声器11的高频限制(例如3khz)之间选择交叉频率。
在一些实施方案中，选择2.4khz的交叉频率。然后，在约150hz至20khz的频率范围内，扬声器设备10在扬声器设备10的两个侧面区域中的声压大于扬声器设备10在收听者13所位于的扬声器设备10的前方区域中的声压。在一些实施方案中，侧面区域相对于扬声器设备10的中心可以在0°至60°、300°至0°和120°至240°的范围内，并且前方区域相对于扬声器设备10的中心可以在240°至300°的范围内。特别地，在约150hz至20khz的频率范围的90％以上内，扬声器设备10相对于扬声器设备10的中心在0°或180°方向的侧面位置处的声压与扬声器设备10相对于扬声器设备10的中心在270°方向的前方位置处的声压的比率可以大于10db，其中侧面位置和前方位置距离扬声器设备10的中心的距离相同。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11中相邻的第一扬声器111之间的间隔和喇叭12的长度可以分别设置为10cm和12cm，第一多个扬声器11的频率上限fua为1.7khz，并且喇叭扬声器12的频率下限flh为700hz，则交叉频率可以选择为1.5khz。第一多个扬声器11中的第一扬声器111的数量应至少为三个，以扩展低频率范围。喇叭122的输出端子处的开口的大小与喇叭122的输入端子处的开口的大小的第二比率选择为约5。
为了实现扬声器设备10可以在宽带范围内产生增强的方向性的声能辐射，第一多个扬声器11和喇叭扬声器12存在各种参数设计。在一些实施方案中，第一多个扬声器11中相邻的第一扬声器111之间的间隔可以在2cm至16cm的范围内，喇叭122的长度可以在2cm至16cm的范围内，并且第一多个扬声器11的长度可以在20cm至2m的范围内。在一些实施方案中，扬声器设备10可以在40hz至20khz的宽频率范围内产生增强的方向性的声能辐射。在一些实施方案中，第一多个扬声器11可以在40hz至8khz的频率范围内产生增强的方向性的声能辐射，并且两个喇叭扬声器12可以在800hz至20khz的频率范围内产生增强的方向性的声能辐射。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11的增强的方向性的声能辐射可以通过软件(即，基于dsp的波束形成方法)实现，而两个第二扬声器12的增强的方向性的声能辐射可以通过硬件(即，包括高音扬声器和喇叭的改进的侧面发射扬声器)实现，第一多个扬声器11被配置为在第一频率范围(即，低频率范围)内操作，两个第二扬声器12被配置为在第二频率范围(中高频率范围)内操作，并且第一频率范围与第二频率范围重叠。因此，在一些实施方案中，扬声器设备10总体上可以在宽带频率范围内产生增强的方向性的声能辐射，从而向收听者13呈现近乎真实的环绕体验。
根据实施方案，还提供了如上所述的用于处理扬声器设备10的输入音频信号的方法。
参照图9，图9示意性地示出了根据实施方案的用于处理图1中所示的扬声器设备10的输入音频信号的方法30的流程图。扬声器设备10包括以一定间隔布置成行的第一多个扬声器11以及对称地设置在第一多个扬声器的行的两侧、具有在两侧处的面向外部的开口的第二多个扬声器12，其中在第一频率范围内，第一多个扬声器11在第一区i中的声能辐射大于在第二区ii中的声能辐射，在第二频率范围内，第二多个扬声器12在第三区iii中的声能辐射大于在第四区iv中的声能辐射，并且第一频率范围与第二频率范围重叠。方法30可以包括以下步骤。
在s31中，基于输入信号获得数字信号。在一些实施方案中，输入信号可以是立体声或多通道音频信号，并且可以对输入信号执行解码或模数(a/d)转换以获得数字信号。如果输入信号是数字信号，则对输入信号进行解码；如果输入信号是模拟信号，则对输入信号执行a/d转换。
在s32a和s32b中，对数字信号进行滤波以获得第一频率范围内的第一数字信号和第二频率范围内的第二数字信号。在一些实施方案中，在s32a中通过第一滤波器对数字信号进行滤波以获得第一数字信号，并且也在s32b中通过第二滤波器对数字信号进行滤波以获得第二数字信号，其中第一滤波器和第二滤波器具有交叉频率。具体地，第一滤波器可以是低通滤波器，且第二滤波器可以是高通滤波器。
在s33中，通过基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法对第一数字信号进行处理，以使第一多个扬声器11在第一区i中所产生的声能辐射大于在第二区ii中所产生的声能辐射，其中第一区i可以覆盖第一多个扬声器11的行的侧面区域，第二区ii可以覆盖第一多个扬声器11的行的前方或后方的区域。在一些实施方案中，基于dsp的波束形成方法可以包括延迟和求和波束形成方法或声压匹配方法。
参照图2，图2示意性地示出了使用基于dsp的波束形成方法来仿真的在1khz下图1中所示的第一多个扬声器11中的第一组扬声器11a的声能辐射的示例性方向性图案。这里，第一组扬声器11a的中心点定义为原点，第一组扬声器11a的行的一个侧面方向定义为0°，且第一组扬声器11a的行的前方方向(即，收听者13相对于第一多个扬声器11的中心所处的方向)定义为270°。清楚的是，主瓣(即从0°至60°以及从300°至360°(0°)的第五区中的声能辐射)水平比旁瓣(即从60°至300°的第六区中的声能辐射)水平大得多。即，通过使用基于dsp的波束形成方法处理第一组扬声器11a的输入信号，可以大大增强第一组扬声器11a的一个侧面区域(0°至60°和300°至360°(0°))中的声能辐射。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11包括第一组扬声器11a和第二组扬声器11b，第一组扬声器11a可以用作左通道，且第二组扬声器11b可以用作右通道，并且第一组扬声器11a和第二组扬声器11b对称地设置。
参照图3，图3示意性地示出了根据另一实施方案的使用基于dsp的波束形成方法来仿真的在1khz下图1中所示的第二组扬声器11b的声能辐射的示例性方向性图案。清楚的是，在相对于第二组扬声器11b的中心从120°至240°的范围内的第七区中的声能辐射被大大增强，而在相对于第二组扬声器11b的中心从0°至120°和240°至360°(0°)的范围内的第八区域中的声能辐射被很好地约束。因此，通过使用基于dsp的波束形成方法处理第二组扬声器11b的输入信号，可以增强第一多个扬声器11的另一侧面区域中的声能辐射。
从图2和图3可以看到，可以增强第一多个扬声器11的两个侧面区域上的声能辐射。在其它实施方案中，可以对基于dsp的波束形成方法执行而不对第一组扬声器11a的位置执行镜像对称操作，这也可以增强第一多个扬声器11的两个侧面区域中的声能辐射。
在s34a和s34b中，基于处理后的第一数字信号和第二数字信号获得第一模拟信号和第二模拟信号。具体地，可以分别对第一数字信号和第二数字信号执行数模(d/a)转换，以分别获得第一模拟信号和第二模拟信号。
在s35a和s35b中，分别放大第一模拟信号和第二模拟信号，其中放大后的第一模拟信号适于被输入到第一多个扬声器11，并且放大后的第二模拟信号适于被输入到第二多个扬声器12。
在一些实施方案中，方法30可以还包括s32a和s33之间的s36a以及s32b和s34b之间的s36b。在s36a和s36b中，分别对第一数字信号和第二数字信号执行声音调谐，以使扬声器设备10的音频听起来更悦耳并且更接近音频源本身。
在其它实施方案中，可以在s32a和s32b之前执行声音调谐步骤，即，可以在全频带对数字信号执行声音调谐。
在s32a中应用的第一滤波器和在s32b中应用的第二滤波器具有交叉频率，使得第一多个扬声器11操作的第一频率范围可以与两个第二扬声器12操作的第二频率范围重叠。此外，需要小心确定交叉频率，以使扬声器设备10可以在宽带范围内产生期望方向性的声辐射。参照图10，图10示意性地示出了根据实施方案的用于确定交叉频率的方法40的流程图。在一些实施方案中，第二多个扬声器中的每个包括高音扬声器和与高音扬声器连接的喇叭，方法40可以包括以下步骤。
在s41中，确定第一多个扬声器11中相邻的第一扬声器111之间的间隔δx。
在s42中，基于等式(5)计算第一多个扬声器11的频率上限fua：
其中c是声速，且δx是相邻的第一扬声器111之间的间隔。
在s43中，确定喇叭122的长度lh。在一些实施方案中，当获得第一多个扬声器11的频率上限jua时，可以获得喇叭扬声器12的理论频率下限f′th，然后可以基于理论频率下限f′lh来确定喇叭122的长度lh。具体地，喇叭扬声器12的理论频率下限f′lh可以小于第一多个扬声器11的频率上限fua。
在s44中，基于等式(6)计算两个喇叭扬声器12的频率下限flh：
其中c是声速并且lh是在s43中确定的喇叭122的长度。应当注意，实际测量的喇叭扬声器12的频率下限通常略微偏离本文计算的频率下限flh。
在s45中，基于频率上限fua和频率下限flh确定交叉频率。
在一些实施方案中，该方法可以还包括s46。在s46中，确定在s45中确定的交叉频率是否与第二多个扬声器12(即，两个喇叭扬声器12)的性能匹配。如果不匹配，诸如交叉频率太小并且高音扬声器121不能正常播放，则意味着方法40中上述确定的参数不合适，然后方法40被引导到s41，重新调整第一多个扬声器11中的多个第一扬声器111的间隔δx，并且将重复方法40的步骤s41至s46，直到在s46中确定合适的交叉频率；如果匹配，则方法40被引导到s47，即方法40结束。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11中相邻的第一扬声器111之间的间隔δx和喇叭122的长度lh可以分别设置为10cm和12cm，然后第一多个扬声器11的频率上限fua是1.7khz，并且喇叭扬声器12的频率下限flh是700hz，并且交叉频率可以选择为1.5khz。
在一些实施方案中，第一多个扬声器11的频率上限fua可以是8khz，并且喇叭扬声器12的频率下限flh可以是800hz至20khz，然后低通滤波器和高通滤波器的交叉频率可以选择为800hz至5khz之间。
根据一些实施方案，还提供了一种音频系统。参照图11，图11示意性地示出了根据实施方案的音频系统50。
在一些实施方案中，音频系统50可以包括上述图1中所示的扬声器设备10和处理器51。如图1中所示，扬声器设备10可以包括以一定间隔布置成行的第一多个扬声器11以及对称地设置在第一多个扬声器11的行的两侧、具有在两侧处的面向外部的开口的第二多个扬声器12，其中在第一频率范围内，第一多个扬声器11在第一区i中产生的声能辐射大于在第二区ii中产生的声能辐射，在第二频率范围内，第二多个扬声器12在第三区iii中产生的声能辐射大于在第四区iv中产生的声能辐射，并且第一频率范围与第二频率范围重叠
在一些实施方案中，第一区i可以覆盖第一多个扬声器11的行的侧面区域，第二区ii可以覆盖第一多个扬声器11的行的前方或后方的区域，第三区iii可以覆盖第二多个扬声器12的开口面向的区域，并且第四区iv可以覆盖第二多个扬声器12的侧面区域。扬声器设备10的结构和功能可以参照上面的描述，其在本文将不详细讨论。
在一些实施方案中，处理器51可以被配置为处理扬声器设备10的输入信号。处理器51可以包括第一获取电路511、第一滤波器512、第二滤波器513和数字信号处理电路514。
第一获取电路511被配置为基于输入信号来获取数字信号。在一些实施方案中，第一获取电路511可以是解码器或模数转换器(adc)。
第一滤波器512被配置为对数字信号进行滤波以获得第一频率范围内的第一数字信号，并且第二滤波器513被配置为对数字信号进行滤波以获得第二频率范围内的第二数字信号。在一些实施方案中，第一滤波器512可以是低通滤波器，且第二滤波器513可以是高通滤波器，其中低通滤波器和高通滤波器具有交叉频率。
数字信号处理电路514被配置为使用基于数字信号处理(dsp)的波束形成方法来处理第一数字信号，以使由第一多个扬声器11在第一区i(图1中所示)中产生的声能辐射大于在第二区ii(图1中所示)中产生的声能辐射，其中处理后的第一数字信号适于被输入到第一多个扬声器11，并且第二数字信号适于被输入到第二多个扬声器12。
在一些实施方案中，处理器51可以还包括第二获取电路515，并且音频系统50可以还包括放大器516。
第二获取电路515被配置为基于处理后的第一数字信号和第二数字信号来获取第一模拟信号和第二模拟信号。在一些实施方案中，第二获取电路515可以是数模转换器(dac)。
放大器516被配置为放大第一模拟信号和第二模拟信号，其中放大后的第一模拟信号适于被输入到第一多个扬声器11，并且放大后的第二模拟信号适于被输入到第二多个扬声器12。
在一些实施方案中，处理器51可以还包括声音调谐电路517，该声音调谐电路被配置为在由数字信号处理电路514处理第一数字信号之前对第一数字信号执行声音调谐，并且被配置为在由第二获取电路515获取第二模拟信号之前对第二数字信号执行声音调谐。
在一些实施方案中，第一滤波器512和第二滤波器513的交叉频率在800hz至5khz的范围内。用于确定第一滤波器512和第二滤波器513的交叉频率的方法可以参照上述图10中对方法40的描述，其在本文将不详细讨论。
实施方案可以优化第一多个扬声器11的长度、相邻的第一扬声器111之间的间隔以及可以改善侧面发射扬声器的喇叭122的长度和开口以及第一多个扬声器11和两个喇叭扬声器12的交叉频率，从而扬声器设备10可以在宽频率范围内产生增强的方向性的声能辐射，并且收听者13感知到的侧向声音大于收听者13感知到的前向声音。因此，扬声器设备、用于处理扬声器设备的输入信号的方法以及音频系统可以实现广泛的宽敞效果，并为收听者提供近乎真实的环绕体验。
尽管本文已经公开了各个方面和实施方案，但是其它方面和实施方案对于本领域技术人员将是明显的。本文所公开的各个方面和实施方案用于说明性目的，而不是旨在进行限制，并且真实的范围和精神由所附权利要求指示。
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