用于近距离声源的谱补偿滤波器的制作方法

1.本发明涉及用于改善多个相干声源的谱响应的方法，其中从声源到达接收点的声音之间的延迟导致频率和空间上的谱变化。


背景技术：

2.对于扬声器制造商来说，定制安装(ci)市场的规模正在增长，制造商看到他们的产品越来越多地被指定到新家和翻新中。许多这些项目由越来越大的空间组成；例如，大型家庭影院的规模是普通居室规模的3到4倍。随着这些越来越大的空间，人们仍然希望在整个收听区域保持高声压级(spl)目标。此外，尽管有这些对高spl目标的需求，但也还有对高保真回放的需求。
3.在专业音频和实况声音中，有公知的用于生成高spl级的解决方案。例如，公知的线源阵列的概念；其中，近距离的源(驱动单元)用于近似线源，距离每加倍其衰减-3db，而不是像传统点源扬声器那样每加倍衰减-6db。然而，这样的阵列需要大量的驱动单元、或者需要复杂的机械设计、或者需要计算上的高代价处理，使得驱动单元对齐以近似线源声学特性。另外，实际上，线阵列只能在低频和中频接近线源。因此，必须用诸如喇叭负载压缩驱动器的替代声源来在高频提供高spl，但是其在提供高spl时，不能提供ci应用中所需的高保真。
4.另一种选择是使用馈送相同音频信号的多个高保真扬声器作为单个声道。图1示出了作为家庭影院系统100的示例性ci装置，该家庭影院系统100具有用在投影屏幕102的后面和两侧的三组3个入墙式扬声器，用于左、中和右声道中的每一个。第一组3个入墙式扬声器104在投影屏幕102后面，第二组106位于投影屏幕102的左侧，第三组108(由扬声器108a、108b和108c组成)在投影屏幕102的右侧。每组3个扬声器被馈送相同的信号。根据所需的spl(扬声器数量每加倍导致spl增加 6db)，可以对每个声道使用更少或更多的扬声器。然而，由于多个相干声源之间的相消干涉，有时称为梳状滤波，使用多个馈送相同信号的扬声器会产生问题。
5.该问题在2.5路扬声器中是已知的，2.5路扬声器由三个驱动单元组成，其中一个驱动单元工作在最高频率范围，而另外两个驱动单元通常是相同的，但是工作在稍微不同的频率范围。两个相同的驱动单元中的一个覆盖频率范围直到与最高频率驱动单元交叉，而另一个为低通滤波，以提供额外的低频能量来克服“挡板阶跃”现象，而不会在驱动单元之间的距离可能带来梳状滤波的中间范围内引入干扰。然而，2.5路扬声器在性能上仍然存在问题。
6.基于时间延迟、相位变化和波束控制的方法可以减少或消除干扰，但是仅对于空间中的一个给定点，而且它们实际上可能增加其它位置中的干扰。
7.因此，需要改进的方法来减少多个相干源之间的干扰，同时保持总的谱平衡。


技术实现要素：

8.根据本发明的第一方面，提供了一种生成用于驱动声源的第一线阵列的信号的方法，其中声源的第一线阵列包括主声源和一个或多个副声源。该方法包括以下步骤：接收用于音频系统的第一声道的音频信号，从该音频信号中导出第一信号和第二信号，将低通滤波器应用于第二信号以生成用于驱动一个或多个副声源的第二驱动信号，以及将相应的高频搁架滤波器应用于第一信号以生成用于驱动主声源的第一驱动信号。这样可以减少多个相干源之间的干扰，同时保持总的谱平衡。
9.根据本发明的第二方面，计算机程序产品包括计算机可执行代码，当在音频系统的一个或多个处理器上执行该计算机可执行代码时，使系统执行第一方面的方法。这样本发明第一方面的方法可以由音频系统的一个或多个处理器实现，以减少多个相干源之间的干扰，同时保持总的谱平衡。通过用一个或多个处理器实现该方法，该方法可以由音频系统的单个处理器执行，或者可以跨多个处理器执行。
10.根据本发明的第三方面，音频系统包括适于执行上述方法的一个或多个数字信号处理器。这样，音频系统可以仅用一个或多个数字信号处理器实现上述方法。
11.根据本发明的第四方面，一种用于生成平整声场的音频系统包括声源的第一线阵列，所述声源包括主声源和一个或多个副声源。主声源由第一驱动信号驱动，副声源由第二驱动信号驱动。从接收的用于音频系统的第一声道的音频信号导出第一信号和第二信号。将低通滤波器应用于第二信号以生成第二驱动信号，并且将相应的高频搁架滤波器应用于第一信号以生成第一驱动信号。这样可以减少多个相干源之间的干扰，同时保持总的谱平衡。
12.优选地，该方法还包括将全通滤波器应用于第一信号。这样，对由低通和高搁架滤波器的相对相位响应引入的、导致滤波器的特征频率附近能量损失的附加干扰进行补偿。
13.可选地，该方法还包括将附加的、不同的全通滤波器应用于第一信号和第二信号。这样，改善了第一和第二驱动信号之间的时间对准。
14.在一些实施例中，低通滤波器和高频搁架滤波器中的每一个的特征频率近似为从主声源和一个或多个副声源到达收听位置的声音之间的时间延迟的两倍的倒数。这样，每个滤波器的特征频率处于至少两个声源之间发生的相消干涉的第一陷波的频率。这确保了滤波器具有减少多个相干源之间的干扰的最大效果，同时保持总的谱平衡。
15.在一些实施例中，高频搁架滤波器的增益为g＝20log
10
(n 1)，其中n是副声源的数量。这确保以适当的方式应用高频搁架滤波器，来确保减少多个相干源之间的干扰的最大效果，同时保持总的谱平衡。
16.可选地，声源的第一线阵列可以是包括主扬声器和一个或多个副扬声器的扬声器的第一线阵列。
17.本发明第二方面的计算机程序产品可以实现为对现有数字信号处理器声源系统的更新或增强，或者实现为对现有多声道或立体音频处理器的更新或增强。这样可以通过提供对现有音频系统的更新来更新现有系统。
18.优选地，在音频系统中，高频搁架滤波器由与主声源相关联的数字信号处理器实现，低通滤波器由与一个或多个副声源相关联的至少一个数字信号处理器实现。这样可以在不同的等级执行滤波，以将第一驱动信号和第二驱动信号提供给主声源和一个或多个副
声源。或者，滤波可以在音频系统内的本地数字信号处理器或在声源本身的驱动单元内的数字信号处理器执行。然而，在驱动单元内的本地数字信号处理器和数字信号处理器的情况下，数字信号处理器与主声源或一个或多个副声源相关联，因此实现合适的滤波器用于生成相应的第一和第二驱动信号。
19.优选地，音频系统可以是入墙式音频系统。这样可以保证来自墙壁的最小声音反射，该声音反射可能导致以不可预测的方式在声源的后面和周围发生相消干涉，取决于扬声器的位置以及与墙壁和其它反射声音的表面的接近程度。
20.可选地，音频系统可以具有垂直或水平布置的声源的第一线阵列的声源。以这种方式，声源可位于音频系统安装的最佳位置。
21.在一些实施例中，音频系统还可以包括由第三驱动信号和第四驱动信号驱动的声源的第二线阵列，所述第三驱动信号和所述第四驱动信号以与第一驱动信号和第二驱动信号相同的方式从用于音频系统的第二声道导出、并且以与第一声道中的相应信号相同的方式滤波。这样，本发明的概念可以扩展到两个音频系统。
22.在一些实施例中，音频系统还可以包括声源的至少一个另外的线阵列，其由用于音频系统的至少一个另外的声道以与第一驱动信号和第二驱动信号相同的方式导出、并且以与第一声道中的相应信号相同的方式滤波的驱动信号驱动。这样，本发明的概念可以扩展到音频系统的三个或更多个声道。
23.在一些实现中，声源的第一线阵列是包括主扬声器和一个或多个副扬声器的扬声器的第一线阵列。优选地，所述音频系统可以具有扬声器的第一线阵列，所述扬声器的第一线阵列被布置为使得所述扬声器的第一线阵列的每个后续扬声器的声学中心之间的距离在15cm和30cm之间。这样，可以计算从主扬声器和副扬声器到达收听位置的声音之间的时间延迟，并且随后计算第一陷波将发生的频率，因此可以准确计算出应该设置的低通滤波器和高频搁架滤波器将发生的特征频率。
24.如本领域技术人员所理解的，根据本技术本发明能够实现各种实施方式。
附图说明
25.下面将参考附图详细描述本发明的实施例，其中：
26.图1示出了多个入墙式扬声器的示例安装。
27.图2示出了两个声源以说明时间延迟如何发生的示例。
28.图3示出了图2所示系统的频率响应中的梳状滤波的示例。
29.图4示出了典型的著名音乐的功率谱的示例。
30.图5示出了对不同数量的副声源可能的滤波器响应。
31.图6示出了本发明中低通和高搁架滤波器的特征频率与梳状滤波器的第一陷波频率之间的典型关系。
32.图7示出了用于三个声源的实施本发明的实施例的示意图。
33.图8示出了用于三个声源的实施本发明的第二实施例的示意图。
34.图9示出了用于三个声源的实施本发明的第三优选实施例的示意图。
35.图10示出了三个不同实施例中的处理如何改变相对于单个声源的声压级的示例。
36.图11a是示出了在没有所提出的滤波器的情况下空间上的谱变化的等高线图。
37.图11b是示出了在利用所提出的滤波器的情况下空间上的谱变化的等高线图。
具体实施方式
38.可以根据所使用的音频系统以多种不同的方式实现本发明。下面参考附图描述一些示例实现。
39.本发明旨在减轻两个或更多个非常接近的声源之间的空间混叠的影响。当每个非常接近的声源的源信号相干时，例如如图1所示当在家庭影院系统100内使用多个扬声器作为单个声道时，本发明是必要的。
40.尽管在图1中的示例系统中，扬声器是垂直安装的；它们也可以水平安装。而且，中心扬声器组104不是必需的，该系统可以是仅由左106组和右108组扬声器组成的立体声系统，或者实际上该系统可以是单声道的并且仅由一组扬声器组成。右组的扬声器108由扬声器108a、108b和108c组成。其中一个将为主扬声器，两个将为副扬声器。另外，虽然在这个示例中的声源是双向入墙式扬声器，但是本发明可以应用于任何非常接近的相干声源。
41.为了说明本发明试图克服的问题，考虑图2中给出的系统200。图2示出了它们的声学中心之间的距离为d1米的两个声源202和204的简单示例。由
‘
x’标记的收听位置206距离声源之一(即主声源202)d2米，并且相对于该声源水平地和垂直地位于同一轴线上。根据毕达哥拉斯定理，到另一个声源(即，副声源204)的距离大于d2。因此，这导致从主声源202和副声源204到达听音位置206的声音之间的时间延迟秒，其中c＝343m/s是20摄氏度的空气中的声速。由于主声源202和副声源204之间的相消干涉，这导致在听音位置206处观察到的频率响应中的一系列陷波。这被称为“梳状滤波”。陷波将在频率处发生，其中n为所有奇数整数。
42.图3中示出了这种梳状滤波效应，该图绘制了频率与相对于单个声源的声压级的关系。图3所示的“梳状”陷波为在两个声源202和204之间发生的相消干涉。第一陷波302位于f1处，第二陷波304位于f3处，第三陷波306位于f5处等。
43.例如，主声源202和副声源204之间的距离为50厘米，听音位置206在主声源202前面2米处，导致路径长度差为6.15厘米。这对应于到达听音位置的声音之间的179微秒的时间延迟。因此，如图3所示，在听音位置的频谱将显示出在f1＝2.8khz的奇数倍处的陷波。
44.虽然这个示例仅由两个声源202和204组成，但是对于大于两个的任何数量的声源来说，该原理都是相同的。频率响应中的陷波图案变得更加复杂，陷波出现在与每个副声源的时间延迟对应的频率、以及这些频率的奇次谐波上。
45.当主声源和副声源是扬声器时，声源的声学中心之间的距离d1通常可能在15cm和30cm之间。当主声源和副声源是扬声器内的驱动单元时，在它们声学中心之间的距离d1小于5cm。声源的声学中心离得越远，梳状滤波延伸的频率就越低，因此会损失高频搁架滤波器的输入信号中的净空。但是，声源的声学中心之间的距离d1的上限取决于听音距离d2；随着听音距离的增加，声源可以进一步分开。
46.为了减小梳状滤波的影响，本发明将低通滤波器应用于副声源204，使得只有主声源202工作在将发生相消干涉的频率。然而，由于有效地使一个声源高于低通，而两个声源
低于低通，这将导致spl在频率高于和低于低通(高于和低于f1)处spl中的失配。
47.幸运地，如图4所示，在高于1khz处，音乐内容中的能量随着频率有一般性的减少，图4示出了来自21届aes英国会议论文集：家用音频中stuart,j.r.(2006)的“active loudspeakers(有源扬声器)”的不同数据集。数据集iec268-1是用于功率测试音频产品的iec标准噪声谱，数据集sivian和adams涉及先前的研究，数据集jrs是本文作者进行的数据分析。因此很明显，高于1khz处的能量减少是音乐内容中常见的现象，因为在所有四个不同的数据集中，在能量高于1khz和能量低于100hz处会有一般性的减少。这种在较高频率上的能量的减少提供了潜在的处理净空，用于补偿上述低通滤波器截止频率以上只有一个源参与的事实。为了实现该补偿，将相应的高频搁架滤波器应用于主声源202。
48.根据规则g＝20log
10
(n 1)，高频搁架滤波器的增益将取决于副源的数量，其中g是以分贝为单位的搁架滤波器的增益，n是副源的数量。图5示出了对于n＝1和n＝2的副源，低通滤波器和高频搁架滤波器的可能响应。图5中的实线表示对于n＝1的高频搁架滤波器的可能响应，虚线表示对于n＝2的高频搁架滤波器的可能响应，点虚线表示低通滤波器的可能响应。
49.图6示出了典型的低通滤波器604和高频搁架滤波器602将具有这样的特征转变频率，该特征转变频率可能与第一陷波频率f1类似但不一定相同，并且将处于f1或处于f1的小范围频率延展中。低通滤波器和高频搁架滤波器的特征频率可由先前计算的f
1 608预测。如图6所示，典型地，高频搁架滤波器606的特征频率f
c1
将略低于f
1 608，并且低通滤波器610的特征频率f
c2
将略高于f
1 608。然而，精确的频率将需要本领域技术人员基于特定的系统和实现来调谐。
50.如图4所示，在1khz以上音乐中频率的峰值电平迅速下降，其为应用高频搁架滤波器提供了净空，因为大多数现实系统不可能在1khz以下表现出相消干涉。然而，必须小心注意的是，该系统具有适当的保护，以防止在非典型信号的情况下对声源的损坏。
51.因此，本发明涉及利用该净空以减少多个相干源之间的干扰，同时保持总体谱平衡的方法。
52.图7示出了三个声源的这种实施例：一个主声源710和两个副声源712和714。图7示出了用于音频系统的声道的音频信号702在704处被分成用于主声源710的驱动信号和用于两个副声源712和714的驱动信号。将高频搁架滤波器706应用于主声源710的驱动信号，将低通滤波器708应用于副声源712和714的驱动信号。
53.如图8所示，另一个实施例将全通滤波器816引入主声源810。图8示出了用于音频系统的声道的音频信号802在80处4被分成用于主声源810的驱动信号和用于两个副声源812和814的驱动信号。将高频搁架滤波器806和全通滤波器816应用于主声源810的驱动信号，将低通滤波器808应用于副声源812和814的驱动信号。新引入主声源810的全通滤波器816是为了补偿副声源812和814上的低通滤波器808的相移。例如，二阶低通滤波器808导致在滤波器中心频率附近的180度相移。因此，可以将一阶全通滤波器816应用于主声源810，以应用互补的180度相移。因此，全通滤波器816的中心频率应当类似于用于低通滤波器808的中心频率。
54.第三个优选实施例，如图9所示，将附加的全通滤波器918和920引入主声源910和副声源912和914。图9示出了用于音频系统的声道的音频信号902在904处被分成用于主声
源910的驱动信号和用于两个副声源912和914的驱动信号。将高频搁架滤波器906、全通滤波器916和附加全通滤波器918应用于主声源910的驱动信号，将低通滤波器908和全通滤波器920应用于副声源912和914的驱动信号。新引入的全通滤波器918和920可用于改善第一和第二驱动信号之间的时间对准、降低梳状滤波器频率抵消效应。例如，副声源上的全通滤波器可以在低于第一陷波频率(f1)处应用，而主声源上的全通滤波器可以在高于第一陷波频率(f1)处应用，以便通过反相该相位关系来减小第一陷波频率处的抵消。
55.图10示出了在没有本发明提出的滤波器的情况下，以及具有上述提出的滤波器的不同组合的情况下，听音位置处的模拟频率响应。点虚线1002示出了不应用滤波器时的频率响应。点划线1004示出了仅应用低通滤波器和高频搁架滤波器时的频率响应(如图7所示)。虚线1006示出了除低通滤波器和高频搁架滤波器之外，还应用主源上的全通滤波器时的频率响应(如图8所示)。实线1008示出了除应用的所有其它滤波器之外，将附加的全通滤波器添加到主声源和副声源时的频率响应(如图9所示)。可以看出，所有提出的滤波器组合显著地减少了频谱变化。然而，当应用另外的全通滤波器时，可以看出与滤波器的其它组合相比，频谱变化甚至进一步减小。
56.另外，如图11a和11b所示，所提出的本发明不仅改善了听音位置处的频率响应，而且减小了空间上的谱变化。图11a示出了当没有应用滤波器时，空间上的声压级的变化。图11b示出了当应用如图9所示的所有滤波器时，空间上的声压级的变化。图11a和图11b两者的横轴1102表示在声源阵列的平面中听音位置的离轴距离。纵轴1104表示听音位置到该阵列的距离。图中的等高线以分贝表示该位置处的spl，每条线表示spl衰减3分贝(db)。一些代表6db衰减的倍数的等高线被这样标注。
57.从图11a可以看出，如在等高线的调整中所示，当没有应用滤波器时，存在显著的相消干涉，高spl的区域被标记为1110。相反，在图11b中，当应用如图9所示的滤波时，在等高线中没有调整并且spl均匀地下降。
58.在优选实施例中，低通、高频搁架和全通滤波器是双极点、双零点数字二阶滤波器，其设计对于本领域技术人员是公知的。由于这些滤波器的实现简单、计算有效率、以及支持在许多现有的信号处理系统，所以这样的滤波器是优选的。然而，可以使用用于滤波器的更复杂的设计，并且可以在软件或硬件中以及在模拟或数字域中实现滤波器。
59.在一些实施例中，滤波器可以实现为对现有系统的更新或增强，或者实现为新系统设计的一部分。另外，在一些实施例中，滤波器将在系统内部实现，例如在图1所示的每个扬声器内，而在其它实施例中，滤波器将在预处理器设备的外部应用。
60.为了在辐射声场中保持对称性，优选奇数个声源。此外，为了使滤波器的效率最大化并限制搁架滤波器所需的增益，源的优选数量为三个。然而，本发明可应用于大于一个的任何数量的非常接近的声源。