緊湊揚(yáng)聲器陣列的高效聲場(chǎng)控制的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及優(yōu)化包含處在封閉揚(yáng)聲器表面（4）上的多個(gè)揚(yáng)聲器（2）的緊湊揚(yáng)聲器陣列的設(shè)計(jì)和聲場(chǎng)控制，和在受限再現(xiàn)子空間（3）內(nèi)通過(guò)所述揚(yáng)聲器（2）控制發(fā)出聲場(chǎng)（1）的方法。該方法進(jìn)一步包含使用多個(gè)第一麥克風(fēng)（5）捕獲所述聲場(chǎng)（1），以及調(diào)整修改所述揚(yáng)聲器（2）的補(bǔ)給信號(hào)（9）的第一濾波系數(shù)（8），以便最小化所述第一麥克風(fēng)（5）捕獲的再現(xiàn)信號(hào)（6）與描述目標(biāo)聲場(chǎng)（11）的目標(biāo)信號(hào)（10）之間的差異的步驟。因此，將包圍再現(xiàn)子空間（3）的錐形再現(xiàn)表面（22）定義成使所述錐形再現(xiàn)表面（22）的頂點(diǎn)包含在封閉揚(yáng)聲器表面（4）內(nèi)。然后，定義包含錐形再現(xiàn)子空間（22）的頂點(diǎn)和封閉揚(yáng)聲器表面（4）的封閉麥克風(fēng)表面（7）。因此揚(yáng)聲器（2）基本上處在由錐形再現(xiàn)子空間（3）的內(nèi)部體積和封閉揚(yáng)聲器表面（4）的相交部分定義的受限揚(yáng)聲器表面（23）上。最后，使第一麥克風(fēng)（5）基本上處在由錐形再現(xiàn)子空間（3）的內(nèi)部體積和封閉麥克風(fēng)表面（22）的相交部分定義的受限麥克風(fēng)表面（24）上。
【專(zhuān)利說(shuō)明】緊湊揚(yáng)聲器陣列的高效聲場(chǎng)控制的方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及控制緊湊揚(yáng)聲器陣列發(fā)出的聲場(chǎng)的方法。聲場(chǎng)控制可以應(yīng)用于諸如噪聲降低、聲場(chǎng)再現(xiàn)或方向控制的幾個(gè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]聲場(chǎng)控制在于修改給定揚(yáng)聲器陣列的揚(yáng)聲器補(bǔ)給信號(hào)，以便最小化再現(xiàn)誤差(福射的聲場(chǎng)與目標(biāo)之間的差值)。
[0003]所有聲場(chǎng)控制方法都將空間劃分成兩個(gè)子空間:
[0004]-應(yīng)該合成目標(biāo)聲場(chǎng)的再現(xiàn)子空間Ωκ;以及
[0005]-在目標(biāo)聲場(chǎng)的源點(diǎn)上的所有揚(yáng)聲器和聲源所在的揚(yáng)聲器/聲源子空間Ωs。
[0006]通常對(duì)處在Qs的邊界上的有限個(gè)麥克風(fēng)加以控制，以便控制整個(gè)再現(xiàn)子空間內(nèi)的合成聲場(chǎng)。
[0007]存在兩類(lèi)聲場(chǎng)控制:
[0008]-內(nèi)部聲場(chǎng)控制(被“無(wú)限”揚(yáng)聲器/聲源子空間圍住的有限大小控制子空間)；以及
[0009]-外部聲場(chǎng)控制(被 “無(wú)限”控制子空間圍住的有限大小揚(yáng)聲器/聲源子空間)。
[0010]內(nèi)部聲場(chǎng)控制是使用圍繞收聽(tīng)區(qū)的揚(yáng)聲器的聲場(chǎng)再現(xiàn)的經(jīng)典情況。但是，借助于外部聲場(chǎng)再現(xiàn)更容易描述緊湊揚(yáng)聲器陣列聲場(chǎng)控制。
[0011]對(duì)緊湊揚(yáng)聲器陣列的聲場(chǎng)控制的現(xiàn)有方法一般考慮設(shè)置在球狀隔板中的揚(yáng)聲器，該球狀隔板往往呈現(xiàn)每個(gè)面包含一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器的正多面體的形狀。
[0012]這樣的系統(tǒng)如Warusfel, 0.、Corteel, Ε.、Misdariis, N.和 Caulkins, Τ.在((Reproduction of sound source directivity for future audio applications))(ICA-1nternational Congress on Acoustics,京都(2004))中所公開(kāi)，以合成諸如球諧函數(shù)的初級(jí)福射方向圖為目標(biāo)，或如Rafaely, B.在《Spherical loudspeaker array forlocal active control of sound)) (Journal of the Acoustical Society of America,125 (5):3006-3017, 2009年5月)中所公開(kāi)，以合成復(fù)雜聲場(chǎng)以便降低噪聲為目標(biāo)。
[0013]在圖1中展示了按照現(xiàn)有技術(shù)的方法。多個(gè)揚(yáng)聲器2被排列成球狀的緊湊揚(yáng)聲器陣列19。使用揚(yáng)聲器補(bǔ)給信號(hào)計(jì)算裝置15從第一音頻輸入信號(hào)21和第一濾波系數(shù)8中計(jì)算揚(yáng)聲器補(bǔ)給信號(hào)9。揚(yáng)聲器2發(fā)出被覆蓋包圍緊湊揚(yáng)聲器陣列19的球狀的麥克風(fēng)表面7的多個(gè)第一麥克風(fēng)5捕獲以便建立再現(xiàn)信號(hào)6的聲場(chǎng)I。使用誤差信號(hào)計(jì)算裝置17將這些再現(xiàn)信號(hào)6與目標(biāo)信號(hào)10相比較以形成誤差信號(hào)14。目標(biāo)信號(hào)10是使用目標(biāo)信號(hào)計(jì)算裝置16從第一音頻輸入信號(hào)21中計(jì)算的。將誤差信號(hào)14用于計(jì)算濾波系數(shù)8以便最小化再現(xiàn)誤差。另外，可以將濾波系數(shù)存儲(chǔ)在濾波數(shù)據(jù)庫(kù)20中，濾波數(shù)據(jù)庫(kù)20包含最適合合成多個(gè)目標(biāo)聲場(chǎng)11的濾波系數(shù)8。因此這些濾波量可以稍后用于使用緊湊揚(yáng)聲器陣列19從一個(gè)或幾個(gè)音頻輸入信號(hào)21中合成一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)聲場(chǎng)11。
[0014]存在兩種聲場(chǎng)控制方法:[0015]?基于模型的控制；以及
[0016]?基于測(cè)量的控制。
[0017]基于模型的技術(shù)在于在3維空間中將揚(yáng)聲器陣列福射特性和目標(biāo)聲場(chǎng)描述成波動(dòng)方程的本征解。可以使用這些解的正交性來(lái)計(jì)算濾波量，以便合成以后可以組合起來(lái)形成更復(fù)雜聲場(chǎng)的與波動(dòng)方程的本征解相對(duì)應(yīng)的初級(jí)聲場(chǎng)。對(duì)于球型揚(yáng)聲器陣列，適應(yīng)的坐標(biāo)系是球面坐標(biāo)系。因此本征解是球諧函數(shù)。如Zotter,F.和Hdldrich，R.在《Modellingradiation synthesis with spherical loudspeaker arrays)) (19th InternationalConference on Acoustics,馬德里,西班牙(2007))中所公開(kāi),可以容易地將設(shè)置在剛性球形隔板中的各個(gè)揚(yáng)聲器的輻射描述成球諧函數(shù)。該模型考慮了將揚(yáng)聲器當(dāng)作法向速度受到控制的剛性球冠的剛性球的散射性質(zhì)。如Zotter, F.和Noisternig, M.在《Near-andFar-Field beamforming using spherical loudspeaker arrays)) (3rd Congress of theAlps Adria Acoustics Association,格拉茨,奧地利(2007))中所公開(kāi),這種模型以后可以用于設(shè)計(jì)控制濾波量以便合成輻射束。
[0018]如Pasqual, A.M.> Arruda, J.R.和 Herzog, P.在《Application of AcousticRadiation Modes in the Directivity Control by a Spherical Loudspeaker Array))(Acta Acustica unit ed with Acustica,96, (2010))中所公開(kāi),另一類(lèi)本征解通過(guò)球體的
聲輻射模態(tài)給出。
[0019]這些模型是有吸引力的，因?yàn)樗鼈儫o(wú)需任何對(duì)揚(yáng)聲器陣列的復(fù)雜和費(fèi)時(shí)測(cè)量。但是，它們存在幾方面缺點(diǎn)。首先，只有簡(jiǎn)單的諸如球形的揚(yáng)聲器陣列形狀才能被高效地建模。其次，正如已經(jīng)提到的那樣，球形陣列的實(shí)際實(shí)現(xiàn)具有多面體而不是球體的形狀。其三，揚(yáng)聲器被建模成不與標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)力學(xué)錐形驅(qū)動(dòng)器的形狀相對(duì)應(yīng)的球冠。最后，揚(yáng)聲器膜一般不是完全剛性，并呈現(xiàn)復(fù)雜輻射模態(tài)，尤其在高頻上。在實(shí)際狀況下所有這些簡(jiǎn)化都限制了這些模型的精度和可用性。
[0020]基于測(cè)量的解決方案在于在包圍揚(yáng)聲器陣列的表面上測(cè)量緊湊陣列的每個(gè)單獨(dú)揚(yáng)聲器的自由場(chǎng)福射。這種解決方案由Warusfel, 0.、Corteel, E.、Misdariis, N.和Caulkins, T.公開(kāi)在((Reproduction of sound source directivity for future audioapplications〉〉，( ICA-1nternational Congress on Acoustics,京都(2004))中。這種角軍決方案的實(shí)際實(shí)現(xiàn)考慮了與具有立方體的形狀的偽球形揚(yáng)聲器陣列同心的球面。通過(guò)將誤差項(xiàng)投影在揚(yáng)聲器的各個(gè)輻射方向圖上最小化通過(guò)分布在球形網(wǎng)格上的全向麥克風(fēng)測(cè)量的合成聲場(chǎng)與在麥克風(fēng)位置上表達(dá)的目標(biāo)聲場(chǎng)之間的誤差獲取濾波量。
[0021]如F.Zotter在《Analysis and Synthesis of Sound-Radiation with SphericalArrays》，(博士論文，Institute of Electronic Music and Acoustics, University ofMusic and Performing Arts, 2009年)中所公開(kāi),類(lèi)似的技術(shù)在于將揚(yáng)聲器/麥克風(fēng)系統(tǒng)描述成MIMO (多輸入多輸出)系統(tǒng)以及使用偽逆(pseudo-1nversion)技術(shù)來(lái)計(jì)算濾波量。
[0022]如F.Zotter在《Analysis and Synthesis of Sound-Radiation with SphericalArrays》(博士論文，Institute of Electronic Music and Acoustics, University ofMusic and Performing Arts, 2009年)中所公開(kāi),可以高效地控制聲場(chǎng)直到取決于揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)間隔的拐角頻率。這種局限性通常被稱(chēng)為空間混疊，由揚(yáng)聲器(相應(yīng)麥克風(fēng))表面上的揚(yáng)聲器(相應(yīng)麥克風(fēng))離散分布的空間欠米樣所致。[0023]基于測(cè)量技術(shù)的主要缺點(diǎn)是測(cè)量系統(tǒng)的所需時(shí)間和復(fù)雜性。整個(gè)3D測(cè)量需要跨越包圍緊湊揚(yáng)聲器陣列的部分或整個(gè)球面的大量麥克風(fēng)。例如，F(xiàn).Zotter在《Analysisand Synthesis of Sound-Radiation with Spherical Arrays》(博士論文，Institute ofElectronic Music and Acoustics,University of Music and Performing Arts,2009年)中描述了包含跨越圍繞緊湊揚(yáng)聲器陣列旋轉(zhuǎn)的半圓的麥克風(fēng)陣列，以便使用有限個(gè)真實(shí)麥克風(fēng)模擬消聲室中的全球自由場(chǎng)輻射測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)。
[0024]這需要非常大量的測(cè)量麥克風(fēng)(高達(dá)幾百個(gè))或很長(zhǎng)的測(cè)量設(shè)置時(shí)間。這樣的要求使這些做法對(duì)于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用來(lái)說(shuō)很大程度上是不切實(shí)際的。
[0025]現(xiàn)有技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是依靠整個(gè)3D空間，即，提供可以在空間的任何方向或地點(diǎn)上進(jìn)行的控制。但是，往往把精力集中在對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)控制最重要的有限子空間上就足夠了。在聲音再現(xiàn)中，這樣的子空間可以是，例如，聽(tīng)眾所在的水平面。這個(gè)子空間也可以跨越必須實(shí)現(xiàn)降噪或聲級(jí)必須集中的空間的任意形狀縮小部分。
[0026]限制有效揚(yáng)聲器的數(shù)量以便合成目標(biāo)聲場(chǎng)的方法已經(jīng)公開(kāi)并將展示在下文中。但是，這些方法只可應(yīng)用于聲音再現(xiàn)的內(nèi)部問(wèn)題。
[0027]這樣的方法之一被稱(chēng)為波場(chǎng)合成(WFS)。WFS是提出來(lái)解決內(nèi)部聲場(chǎng)呈現(xiàn)問(wèn)題的聲場(chǎng)呈現(xiàn)方法。它基于基爾霍夫-亥姆霍茲(KirchhofT-Helmholtz)積分?；鶢柣舴?亥姆霍茲積分通過(guò)其在Ωκ的邊界表面3Ω上的壓力及其壓力梯度分布提供了有限大小再現(xiàn)子空間內(nèi)的聲場(chǎng)的精確描述。唯一假設(shè)是建立目標(biāo)聲場(chǎng)的聲源都處在定義成的互補(bǔ)子空間的子空間Qs中?；鶢柣舴?亥姆霍茲還使用通過(guò)目標(biāo)聲場(chǎng)的壓力梯度(相應(yīng)壓力)驅(qū)動(dòng)的單極子(相應(yīng)偶極子)的連續(xù)分布提供了內(nèi)部問(wèn)題的精確解。使用所謂次級(jí)源的這種雙層分布在Ωκ內(nèi)完美合成了目標(biāo)聲場(chǎng)并在03中合成了零聲場(chǎng)(null sound field)。
[0028]R.Nicol 在《Restitution sonore spatialisee sur unezoneetendue: applicationa la telepresence》(flfdri侖t，Universitedu Maine, lijir,
國(guó)，1999年)中將WFS公開(kāi)成基爾霍夫-亥姆霍茲積分的若干種近似，以便合成目標(biāo)虛擬聲源:
[0029].近似1:將次級(jí)源表面簡(jiǎn)化成水平面中的線(xiàn)性分布；
[0030].近似2:只選擇單極子次級(jí)源；
[0031].近似3:使用可見(jiàn)性準(zhǔn)則選擇相關(guān)揚(yáng)聲器；以及
[0032].近似4:將連續(xù)分布采樣成有限個(gè)對(duì)準(zhǔn)揚(yáng)聲器。
[0033]近似I由虛擬源和聽(tīng)眾兩者都處在給定水平面中的假設(shè)所致。近似2和3從次級(jí)源的貢獻(xiàn)的簡(jiǎn)單分析中得出，其中:
[0034]1.單極子和偶極子的貢獻(xiàn)是同相的(相關(guān)次級(jí)源)；以及
[0035]2.單極子和偶極子的貢獻(xiàn)是異相的(無(wú)關(guān)次級(jí)源)，趨向于相互補(bǔ)償。
[0036]單極子和偶極子發(fā)出的聲場(chǎng)具有大部分相似的空間-時(shí)間特性。但是，相關(guān)單極子和相關(guān)偶極子是同相的，趨向于只在Ωκ中產(chǎn)生雙聲壓級(jí)，而無(wú)關(guān)單極子和無(wú)關(guān)偶極子是異相的，只趨向于在Ωκ中相互補(bǔ)償。因此，只有相關(guān)單極子可用于在Ωκ中合成目標(biāo)聲場(chǎng)。與理想構(gòu)想的差異在于在Qs中聲場(chǎng)不再是零聲場(chǎng)。
[0037]大多數(shù)商用揚(yáng)聲器趨向于呈現(xiàn)全向方向特性，至少在低頻上，并通常被當(dāng)作單極子。將相關(guān)揚(yáng)聲器35與無(wú)關(guān)揚(yáng)聲器36區(qū)分開(kāi)以便使用WFS來(lái)合成目標(biāo)虛擬聲場(chǎng)源34可以使用簡(jiǎn)單幾何準(zhǔn)則作出，這例示在圖2中。相關(guān)揚(yáng)聲器35是背朝虛擬源34的那幾個(gè)。
[0038]在波場(chǎng)合成的背景下控制聲場(chǎng)的方法由Corteel, E.公開(kāi)在《Equalization inextended area using multichannel inversion and Wave Field Synthesis)) (Journalof the Audio Engineering Society, 54, (2006))中。這種方法使得只使用處在離揚(yáng)聲器陣列典型參考距離上的麥克風(fēng)的線(xiàn)性陣列就能夠控制水平面中的偽線(xiàn)性揚(yáng)聲器陣列的自由場(chǎng)輻射。該方法的特別方面是使用可見(jiàn)性準(zhǔn)則選擇揚(yáng)聲器和/或麥克風(fēng)。
[0039]Corteel, E.公開(kāi)在《Equalization in extended area using multichannelinversion and Wave Field Synthesis》(Journal of the Audio Engineering Society,54, (2006))中的方法將基于可見(jiàn)性準(zhǔn)則的揚(yáng)聲器選擇方法推廣成揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)選擇，以便用于沒(méi)有理想方向特性的揚(yáng)聲器的線(xiàn)性陣列的聲場(chǎng)控制。揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)選擇方法例示在圖3中。合成目標(biāo)虛擬聲源34所需的相關(guān)揚(yáng)聲器35和無(wú)關(guān)揚(yáng)聲器36使用考慮受限再現(xiàn)子空間3 (水平面用于WFS呈現(xiàn)的部分)的有限大小的簡(jiǎn)單可見(jiàn)性準(zhǔn)則來(lái)選擇。相關(guān)麥克風(fēng)37和無(wú)關(guān)麥克風(fēng)38通過(guò)相關(guān)揚(yáng)聲器35建立的窗口，使用麥克風(fēng)的可見(jiàn)性的類(lèi)似可見(jiàn)性準(zhǔn)則來(lái)選擇。
[0040]如Corteel, E.在《Equalization in extended area using multichannelinversion and Wave Field Synthesis》(Journal of the Audio Engineering Society,54，(2006))中所公開(kāi)，對(duì)于使用WFS的虛擬源呈現(xiàn)的特定情況，該方法便于高效控制整個(gè)再現(xiàn)子空間內(nèi)的聲場(chǎng)。但是，這種方法的缺點(diǎn)在于只對(duì)波場(chǎng)合成呈現(xiàn)(即，只對(duì)水平面中的內(nèi)部問(wèn)題)作了描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0041]考慮到控制往往只在空間的一部分中精確的事實(shí)，本發(fā)明的目的是提供簡(jiǎn)化對(duì)緊湊揚(yáng)聲器陣列聲場(chǎng)控制的過(guò)程的手段。本發(fā)明的另一個(gè)目的是減少所需揚(yáng)聲器的數(shù)量，因此降低揚(yáng)聲器陣列的成本。本發(fā)明的另一個(gè)目的是另外減少麥克風(fēng)的數(shù)量以便限制捕獲揚(yáng)聲器陣列發(fā)出的聲場(chǎng)所需的成本和時(shí)間。
[0042]本發(fā)明在于對(duì)受限再現(xiàn)子空間上的緊湊揚(yáng)聲器陣列加以高效聲場(chǎng)控制以便減少所需揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的數(shù)量的方法。這里展不的方法在于定義應(yīng)該放置揚(yáng)聲器(相應(yīng)麥克風(fēng))的任意形狀的封閉揚(yáng)聲器(相應(yīng)麥克風(fēng))表面，以便揚(yáng)聲器表面處在麥克風(fēng)表面的內(nèi)部子空間中(外部聲場(chǎng)控制)。該方法的第二步驟在于進(jìn)一步定義應(yīng)該控制揚(yáng)聲器陣列合成的聲場(chǎng)的控制子空間。該方法的第三步驟在于使用可見(jiàn)性準(zhǔn)則選擇足以實(shí)現(xiàn)受限再現(xiàn)子空間內(nèi)的合成聲場(chǎng)的高效控制的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)表面的一些部分。第四步驟在于建立多個(gè)揚(yáng)聲器處在揚(yáng)聲器表面的可見(jiàn)部分上的揚(yáng)聲器陣列，以及使用跨越麥克風(fēng)表面的可見(jiàn)部分的麥克風(fēng)陣列捕獲這些揚(yáng)聲器的自由場(chǎng)輻射，以便將聲場(chǎng)合成描述成MIMO系統(tǒng)。最后，計(jì)算濾波系數(shù)以便最小化目標(biāo)聲場(chǎng)與麥克風(fēng)捕獲的合成聲場(chǎng)之間的再現(xiàn)誤差。
[0043]該方法的第一步驟便于精確控制受限再現(xiàn)子空間中的緊湊揚(yáng)聲器陣列的自由場(chǎng)輻射。但是，在像聲場(chǎng)再現(xiàn)那樣的應(yīng)用中，緊湊揚(yáng)聲器陣列可能在封閉反射環(huán)境中輻射，以及對(duì)于人類(lèi)聽(tīng)眾來(lái)說(shuō)，整個(gè)聲功率輻射可能影響再現(xiàn)聲場(chǎng)的感知質(zhì)量。這些附加貢獻(xiàn)尤其可能影響音色的感知，應(yīng)該加以補(bǔ)償。
[0044]因此，該方法可以包含通過(guò)在反射環(huán)境中評(píng)估緊湊揚(yáng)聲器陣列輻射的聲音功率優(yōu)化濾波系數(shù)的步驟。這種聲功率可以使用模型來(lái)估計(jì)或在真正環(huán)境中使用附加麥克風(fēng)來(lái)測(cè)量。根據(jù)這種測(cè)量，將聲功率與目標(biāo)相比較，并計(jì)算補(bǔ)償濾波系數(shù)。然后將這些補(bǔ)償濾波系數(shù)用于修改第一濾波系數(shù)，建立考慮用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)的緊湊揚(yáng)聲器陣列輻射的聲功率的第二濾波系數(shù)。
[0045]換句話(huà)說(shuō)，這里展示了優(yōu)化包含處在封閉揚(yáng)聲器表面上的多個(gè)揚(yáng)聲器的緊湊揚(yáng)聲器陣列的設(shè)計(jì)，和在受限再現(xiàn)子空間內(nèi)通過(guò)所述揚(yáng)聲器發(fā)出聲場(chǎng)的控制的方法。該方法包含使用多個(gè)第一麥克風(fēng)捕獲所述聲場(chǎng)，以及調(diào)整修改所述揚(yáng)聲器的補(bǔ)給信號(hào)的第一濾波系數(shù)，以便最小化所述第一麥克風(fēng)捕獲的再現(xiàn)信號(hào)與描述目標(biāo)聲場(chǎng)的目標(biāo)信號(hào)之間的差異的步驟。
[0046]因此，將包圍再現(xiàn)子空間的錐形再現(xiàn)表面定義成使所述錐形再現(xiàn)表面的頂點(diǎn)包含在封閉揚(yáng)聲器表面內(nèi)。然后，將封閉麥克風(fēng)表面選擇成使它包含錐形再現(xiàn)子空間的頂點(diǎn)和封閉揚(yáng)聲器表面。因此揚(yáng)聲器基本上處在由錐形再現(xiàn)子空間的內(nèi)部體積和封閉揚(yáng)聲器表面的相交部分定義的受限揚(yáng)聲器表面上。最后，將多個(gè)第一麥克風(fēng)排列成使它們基本上處在由錐形再現(xiàn)子空間的內(nèi)部體積和封閉麥克風(fēng)表面的相交部分定義的受限麥克風(fēng)表面上。
[0047]更進(jìn)一步，該方法可以包含利用旨在捕獲揚(yáng)聲器的自由場(chǎng)輻射的物理測(cè)量獲取再現(xiàn)信號(hào)的步驟。并且，該方法還可以包含如下步驟:
[0048].使用旨在表征揚(yáng)聲器的自由場(chǎng)輻射的模型獲取再現(xiàn)信號(hào)。
[0049]?排列第一麥克風(fēng)以便直到拐角頻率在所述受限再現(xiàn)子空間中提供所述聲場(chǎng)的精確描述。
[0050]?排列揚(yáng)聲器以便直到拐角頻率在所述受限再現(xiàn)子空間中提供所述聲場(chǎng)的精確合成。
[0051]此外，本發(fā)明可以包含可以通過(guò)考慮用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)的緊湊揚(yáng)聲器陣列輻射的聲功率修改第一濾波系數(shù)，以便形成第二濾波系數(shù)的步驟。
[0052]更進(jìn)一步，該方法可以包含通過(guò)在反射環(huán)境中放置揚(yáng)聲器陣列以及利用多個(gè)第二麥克風(fēng)在反射環(huán)境中捕獲再現(xiàn)信號(hào)估計(jì)用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)的緊湊揚(yáng)聲器陣列輻射的輻射聲功率的步驟。并且，該方法還可以包含如下步驟:
[0053].使用緊湊揚(yáng)聲器陣列的輻射的模型估計(jì)用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)的緊湊揚(yáng)聲器陣列輻射的估計(jì)聲功率。
[0054].通過(guò)將聲功率校正濾波系數(shù)應(yīng)用于第一濾波系數(shù)獲取第二濾波系數(shù)。
[0055].通過(guò)將用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)的緊湊揚(yáng)聲器陣列福射的估計(jì)聲功率與目標(biāo)聲場(chǎng)的聲功率的估計(jì)值相比較獲取聲功率校正濾波系數(shù)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0056]下文將借助于示例以及參考附圖更詳細(xì)描述本發(fā)明，在附圖中:
[0057]圖1描述了按照現(xiàn)有技術(shù)的聲場(chǎng)控制方法；
[0058]圖2描述了按照現(xiàn)有技術(shù)的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)選擇方法；
[0059]圖3描述了波場(chǎng)合成聲音再現(xiàn)的揚(yáng)聲器選擇方法；
[0060]圖4描述了按照本發(fā)明的改進(jìn)聲場(chǎng)控制方法；
[0061]圖5描述了按照本發(fā)明的可選第二聲場(chǎng)控制方法；[0062]圖6描述了按照本發(fā)明的第一實(shí)施例；
[0063]圖7描述了按照本發(fā)明的第二實(shí)施例；
[0064]圖8描述了按照本發(fā)明的第三實(shí)施例；以及
[0065]圖9描述了按照本發(fā)明的第四實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0066]圖1-3在本說(shuō)明書(shū)中的引言部分中已經(jīng)討論過(guò)，代表現(xiàn)有技術(shù)。因此在這個(gè)階段不進(jìn)一步討論這些附圖。
[0067]圖4描述了按照本發(fā)明的改進(jìn)聲場(chǎng)控制方法。錐形再現(xiàn)表面22被定義成使它的頂點(diǎn)處在封閉揚(yáng)聲器表面4內(nèi)以及包圍受限再現(xiàn)子空間3。錐形再現(xiàn)子空間22的內(nèi)部體積和揚(yáng)聲器表面4的相交部分定義應(yīng)該排列揚(yáng)聲器2以便形成緊湊揚(yáng)聲器陣列19的受限揚(yáng)聲器表面23。類(lèi)似地，受限麥克風(fēng)表面24被定義成錐形再現(xiàn)子空間22的內(nèi)部體積和包含揚(yáng)聲器表面4的封閉麥克風(fēng)表面7的相交部分。
[0068]使用揚(yáng)聲器補(bǔ)給信號(hào)計(jì)算裝置15從第一音頻輸入信號(hào)21和第一濾波系數(shù)8中計(jì)算揚(yáng)聲器補(bǔ)給信號(hào)9。揚(yáng)聲器2發(fā)出被排列在受限麥克風(fēng)表面24上的多個(gè)第一麥克風(fēng)5捕獲以便建立再現(xiàn)信號(hào)6的聲場(chǎng)I。使用誤差信號(hào)計(jì)算裝置17將這些再現(xiàn)信號(hào)6與目標(biāo)信號(hào)10相比較以形成誤差信號(hào)14。目標(biāo)信號(hào)10是使用目標(biāo)信號(hào)計(jì)算裝置16從第一音頻輸入信號(hào)21中計(jì)算的。將誤差信號(hào)14用于計(jì)算濾波系數(shù)8以便最小化再現(xiàn)誤差。另外，可以將濾波系數(shù)存儲(chǔ)在濾波數(shù)據(jù)庫(kù)20中，濾波數(shù)據(jù)庫(kù)20包含最適合合成多個(gè)目標(biāo)聲場(chǎng)11的濾波系數(shù)8。因此這些濾波量可以稍后用于使用緊湊揚(yáng)聲器陣列19從一個(gè)或幾個(gè)音頻輸入信號(hào)21中合成一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)聲場(chǎng)11。
[0069]圖5描述了按照本發(fā)明的可選第二聲場(chǎng)控制方法。在這個(gè)第二步驟中，將緊湊揚(yáng)聲器陣列放置在反射環(huán)境25中。使用揚(yáng)聲器補(bǔ)給信號(hào)計(jì)算裝置15從第一音頻輸入信號(hào)21和從濾波數(shù)據(jù)庫(kù)20中提取的第一濾波系數(shù)8中計(jì)算揚(yáng)聲器補(bǔ)給信號(hào)9。揚(yáng)聲器2發(fā)出被多個(gè)第二麥克風(fēng)26捕獲以便在反射環(huán)境27中建立再現(xiàn)信號(hào)的聲場(chǎng)I。將反射環(huán)境27中的這些再現(xiàn)信號(hào)與反射環(huán)境29中的目標(biāo)聲功率信號(hào)一起使用，以便使用聲功率補(bǔ)償濾波系數(shù)計(jì)算裝置30計(jì)算聲功率補(bǔ)償濾波系數(shù)31。反射環(huán)境29中的目標(biāo)聲功率信號(hào)是使用反射環(huán)境中的目標(biāo)聲功率信號(hào)計(jì)算裝置29從第一音頻輸入信號(hào)21計(jì)算的。使用第二濾波系數(shù)計(jì)算裝置32將聲功率補(bǔ)償濾波系數(shù)31應(yīng)用于第一濾波系數(shù)8以便形成第二濾波系數(shù)33。最后，可以將第二濾波系數(shù)33存儲(chǔ)在濾波數(shù)據(jù)庫(kù)20中。
[0070]數(shù)字和聲學(xué)基礎(chǔ)
[0071]考慮到WFS與外部問(wèn)題之間的相似性，可以調(diào)整使用可見(jiàn)性準(zhǔn)則的簡(jiǎn)化揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)表面的定義?？梢詫⑦@兩個(gè)問(wèn)題與基爾霍夫亥姆霍茲積分相聯(lián)系。考慮到包含建立目標(biāo)聲場(chǎng)的所有聲源的有限大小聲源子空間Qs，基爾霍夫亥姆霍茲積分的確可以提供外部問(wèn)題的精確解。因此通過(guò)其在Qs的邊界表面δΩ上的壓力及其壓力梯度在再現(xiàn)子空間ωε中唯一地定義目標(biāo)聲場(chǎng)。
[0072]但是，取決于3Ω的形狀，可能只通過(guò)其壓力描述目標(biāo)聲場(chǎng)就足夠了。如E.G.Williams 在《Fourier Acoustics: Sound Radiation and Nearfield AcousticalHolography》(Academic Press Inc (1999))中所公開(kāi),如果3Ω除了在球體的共振頻率上之外都具有球狀，則就是這種情況。與針對(duì)波場(chǎng)合成所公開(kāi)的類(lèi)似，當(dāng)必須使用邊界條件描述子空間中的聲場(chǎng)時(shí)，壓力和壓力梯度分布似乎是冗余信息。更進(jìn)一步，如F.Zotter在((Analysis and Synthesis of Sound-Radiation with Spherical Arrays.))(博士論文，Institute of Electronic Music and Acoustics,University of Music and PerformingArts，2009年)中所公開(kāi)，當(dāng)考慮有限個(gè)測(cè)量點(diǎn)(應(yīng)用表面的空間釆樣)時(shí)，對(duì)于球體上的壓力描述來(lái)說(shuō)，目標(biāo)聲場(chǎng)的非唯一性不怎么成問(wèn)題。
[0073]本發(fā)明應(yīng)用與Corteel，E.在《Equalization in extended area usingmult1-channel inversion and Wave Field Synthesis》 (Journal of the AudioEngineering Society, 54, (2006))中所公開(kāi)的簡(jiǎn)化類(lèi)似的所需揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)表面的簡(jiǎn)化。如本發(fā)明所提出的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的選擇準(zhǔn)則被推廣到使用緊湊揚(yáng)聲器陣列的3維聲場(chǎng)再現(xiàn)的一般情況(即，外部問(wèn)題)。因此本發(fā)明通過(guò)在受限麥克風(fēng)表面上控制發(fā)出聲音的主要組件提供了受限再現(xiàn)子空間內(nèi)發(fā)出聲場(chǎng)的精確控制。
[0074]實(shí)施例描述
[0075]在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，多個(gè)揚(yáng)聲器2隨機(jī)地分散在垂直平坦表面上。這個(gè)實(shí)施例顯示在圖6中。受限再現(xiàn)子空間3在于具有與揚(yáng)聲器表面4相似的寬度和高度尺度的揚(yáng)聲器表面4前面的三維子空間。多個(gè)麥克風(fēng)5在合理收聽(tīng)距離上與揚(yáng)聲器表面4平行。再現(xiàn)信號(hào)將能量集中在受限再現(xiàn)子空間內(nèi)的精確區(qū)域中，使虛擬源34具有特定的方向圖。這個(gè)實(shí)施例可以用于博物館或主題公園中的聲音設(shè)施。
[0076]在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，多個(gè)揚(yáng)聲器2直線(xiàn)地分布，在該直線(xiàn)的每側(cè)有一個(gè)或幾個(gè)附加揚(yáng)聲器。這個(gè)實(shí)施例顯示在圖7中。受限再現(xiàn)子空間3在于揚(yáng)聲器表面4前面的半水平面。多個(gè)麥克風(fēng)5處在與受限再現(xiàn)子空間3相同的水平面上。目標(biāo)聲場(chǎng)11可以由位置不同的虛擬源34組成。這個(gè)實(shí)施例的可能應(yīng)用可以在高保真音響系統(tǒng)中找到。
[0077]在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，多個(gè)揚(yáng)聲器2分布在安裝在立柱頂部的上前四分之一偽球形陣列上。這個(gè)實(shí)施例顯示在圖8中。受限再現(xiàn)子空間3是從揚(yáng)聲器的高度開(kāi)始的上前四分之一場(chǎng)。第一麥克風(fēng)5分布在中心在所有揚(yáng)聲器2之間的中點(diǎn)上的上前四分之一球面上。目標(biāo)聲場(chǎng)在于指向相對(duì)側(cè)或向上以便在聽(tīng)音室的墻壁和天花板上反射之后到達(dá)聽(tīng)眾的定向虛擬源。該實(shí)施例在擴(kuò)展聲音再現(xiàn)設(shè)備的感知寬度的同時(shí)，同時(shí)再現(xiàn)來(lái)自多個(gè)音頻輸入信號(hào)(多通道聲音)的各種音束。
[0078]在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，多個(gè)揚(yáng)聲器2被整合在屏幕的下前部中。一個(gè)或幾個(gè)揚(yáng)聲器還被整合在屏幕的下側(cè)部中。這個(gè)實(shí)施例顯示在圖9中。受限再現(xiàn)子空間3是處在揚(yáng)聲器表面4前面的半水平面中。多個(gè)麥克風(fēng)5處在與受限再現(xiàn)子空間相同的前水平面中的四分之一圓上。應(yīng)該考慮觀看屏幕的用戶(hù)的常見(jiàn)位置。
[0079]這個(gè)實(shí)施例旨在對(duì)諸如像TV、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境、電影院或膝上型計(jì)算機(jī)的任何屏幕應(yīng)用的聲音強(qiáng)化。該實(shí)施例可以再現(xiàn)各種虛擬源，這使得可以提供像2.1或5.1那樣用于屏幕應(yīng)用的通常多通道聲音格式。
[0080]本發(fā)明的應(yīng)用包括但不限于如下領(lǐng)域:高保真聲音再現(xiàn)、家庭影院、電影院、音樂(lè)會(huì)、演出、飛行器的內(nèi)部噪聲仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)的聲音再現(xiàn)、在感知單模態(tài)/跨模態(tài)實(shí)驗(yàn)情景中的聲音再現(xiàn)。
[0081]盡管前面為了清楚理解起見(jiàn)相當(dāng)詳細(xì)地對(duì)本發(fā)明作了描述，但顯而易見(jiàn)，可以在所附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)加以某種改變和修改。于是，本實(shí)施例被認(rèn)為是例示性的而非限制性的，本發(fā)明不局限于本文給出的細(xì)節(jié)，而是可以在所附權(quán)利要求書(shū)的范圍和等效物內(nèi)加以修改。
【權(quán)利要求】
1.一種通過(guò)使用多個(gè)第一麥克風(fēng)(5)捕獲聲場(chǎng)(1)，以及調(diào)整修改揚(yáng)聲器(2)的補(bǔ)給信號(hào)(9)的第一濾波系數(shù)(8)以便最小化所述第一麥克風(fēng)(5)捕獲的再現(xiàn)信號(hào)(6)與描述目標(biāo)聲場(chǎng)(11)的目標(biāo)信號(hào)(IO )之間的差異,來(lái)優(yōu)化包含處在封閉揚(yáng)聲器表面(4 )上的多個(gè)揚(yáng)聲器(2)的緊湊揚(yáng)聲器陣列(19)的設(shè)計(jì)和聲場(chǎng)控制，和在受限再現(xiàn)子空間(3)內(nèi)通過(guò)所述揚(yáng)聲器(2)發(fā)出的聲場(chǎng)(I)的控制的方法,所述方法的特征在于: ?定義包圍再現(xiàn)子空間(3)的錐形再現(xiàn)表面(22)，以便成使所述錐形再現(xiàn)表面(22)的頂點(diǎn)包含在封閉揚(yáng)聲器表面(4)內(nèi)； ?定義包含錐形再現(xiàn)子空間(22)的頂點(diǎn)和封閉揚(yáng)聲器表面(4)的封閉麥克風(fēng)表面(7); ?定義基本上處在由錐形再現(xiàn)子空間(3)的內(nèi)部體積和封閉揚(yáng)聲器表面(4)的相交部分定義的受限揚(yáng)聲器表面(23)上的揚(yáng)聲器(2)的排列；以及 ?定義基本上處在由錐形再現(xiàn)子空間(3)的內(nèi)部體積和封閉麥克風(fēng)表面(22)的相交部分定義的受限麥克風(fēng)表面(24)上的第一麥克風(fēng)(5)的排列。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中利用旨在捕獲揚(yáng)聲器(2)的自由場(chǎng)輻射的物理測(cè)量獲取再現(xiàn)信號(hào)(6)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使用旨在表征揚(yáng)聲器(2)的自由場(chǎng)輻射的模型獲取再現(xiàn)信號(hào)(6)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中排列第一麥克風(fēng)(5)以便直到拐角頻率在所述受限再現(xiàn)子空間(3)中提供所述 聲場(chǎng)(I)的精確描述。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中排列揚(yáng)聲器(5)以便直到拐角頻率在所述受限再現(xiàn)子空間(3)中提供所述聲場(chǎng)(I)的精確合成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中可以通過(guò)考慮用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)(11)的緊湊揚(yáng)聲器陣列(19)輻射的聲功率修改第一濾波系數(shù)(8)，以便形成第二濾波系數(shù)(33)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過(guò)在反射環(huán)境(23)中放置揚(yáng)聲器陣列以及利用多個(gè)第二麥克風(fēng)(26 )在反射環(huán)境(27 )中捕獲再現(xiàn)信號(hào)估計(jì)用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)(11)的緊湊揚(yáng)聲器陣列(19)輻射的輻射聲功率。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中使用緊湊揚(yáng)聲器陣列的輻射的模型估計(jì)用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)(11)的緊湊揚(yáng)聲器陣列(19)福射的估計(jì)聲功率。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過(guò)將聲功率校正濾波系數(shù)(31)應(yīng)用于第一濾波系數(shù)(8)獲取第二濾波系數(shù)(33)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)將用于合成目標(biāo)聲場(chǎng)(11)的緊湊揚(yáng)聲器陣列(19)輻射的估計(jì)聲功率與目標(biāo)聲場(chǎng)(11)的聲功率的估計(jì)值相比較獲取聲功率校正濾波系數(shù)(31)。
【文檔編號(hào)】H04S7/00GK103650540SQ201280034740
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月11日
【發(fā)明者】E.科迪爾, M.羅森薩爾, K-V.古延 申請(qǐng)人:索尼克埃莫申股份公司