CN101014209A - 全频带自然音效声频定向扬声器 - Google Patents

Abstract

一种全频带自然音效声频定向扬声器，由低通道滤波器、AD转换器、信号处理***、信号后处理***与功率放大器、DA转换器组、重建滤波器组、换能器组所组成，上述信号处理***又由三个以上的分频带数字滤波器和三个以上的具有－12dB/倍频程频率响应倾斜的滤波器以及超声调制器组成；本发明可以对音频信号在全频带范围内进行补偿，并进行自然音效处理，从而实现全频带音频输出，且输出的声音包含有直达声、早期反射声与混响声，具有自然音效效果。

Description

全频带自然音效声频定向扬声器

技术领域

本发明涉及一种声频定向扬声器，特别是可对音频全频带进行频率补偿、并进行自然音效处理的高指向性的扬声器。

背景技术

声频定向扬声器是一种利用超声波在空气中的非线性传播效应产生高指向性可听声的一种新型扬声器。音频信号经过信号处理后形成含有该音频信号信息的超声波，由声频定向扬声器的发声设备——换能器将该超声波发射到空气中，然后该超声波在空气中会自解调出其含有的音频信号，形成一个具有很强指向性的可听声信号。

1965年，H.O.Berktay提出了一种比Brown University的物理学教授PeterWestervelt于1963年提出的参量阵理论更为精确的参量阵理论模型，揭示了声频定向扬声器利用超声波非线性传播效应产生高指向性可听声的自解调理论模型：含有音频信号信息的超声波自解调出的可听声信号声压P(t)的幅值正比于换能器发出的超声波信号包络E(t)平方的二次时间导数，即

$P\left(t\right)\∝\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}{E}^2\left(t\right)$

根据该理论，可以预测现有的声频定向扬声器信号处理方法都会带来12dB/倍频程的频率响应倾斜。信号频率越高，其频域幅值响应越大，即相同幅值的1kHz、2kHz信号同时输入声频定向扬声器，最后在空气中自解调出来的1kHz可听声信号将比2kHz可听声信号小12dB，这在客观上造成了信号的失真。为此，各种信号处理方法都要对这个频率响应倾斜进行补偿，但由此带来了一个显著问题：如果对整个音频信号涉及的约20kHz带宽都进行补偿的话，在整个频段内的动态补偿范围将超过120dB，这在信号算法实现、换能器设计上都会带来难以实现的困难。

此外，传统扬声器发出的声波将向各个传播方向传播且从各个方向在不同的时间到达听众，该时间依赖于从声源到听众的声波传播距离。其中向听众直接传播的声波称为直达声，它最早到达并控制了听众对声音位置、大小和声源性质的感觉。接下来是一些在空间上比较近的回音，称为早期反射，它是通过房间或其它障碍物在各方向上对声波的反射而产生的，到达听众的时间是不定的。早期反射为听众提供了一个关于房间大小、障碍物远近的信息。在这些早期反射后，由于多次反射，越来越多的密集反射将到达听众，这些反射群被认为是混响。因此，传统扬声器提供给听众的声音将是直达声、早期反射声与混响声合成的声音。与传统扬声器相比，声频定向扬声器产生的声音由于具有很高的指向性，只沿一个方向传播，因此，到达听众的声音只有直达声，早期反射声、混响声很微弱或基本没有，从而使得其声音听起来并不自然。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在全频带范围进行补偿、并进行自然音效处理的全频带自然音效声频定向扬声器，以解决由于12dB/倍频程频率响应倾斜很难实现全带宽补偿而造成的声频定向扬声器输出的低频带或高频带信号频域响应弱化、失真问题。

本发明的另一个目的是提供一种产生高指向性直达声、早期反射声和混响声合成自然声音的设备，解决声频定向扬声器产生高指向性声音由于只有直达声，没有或只有很微的早期反射声、混响声而造成的声音听起来不自然的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案加以实现的：一种全频带自然音效声频定向扬声器，包括：

低通滤波器，对输入的音频信号进行滤波处理，用以滤除0～20KHz音频信号的带外成分；

AD转换器，与低通滤波器输出端连接，用以将模拟音频信号转换为数字信号；

信号处理***，包括：

三个以上(含三个、下同)的分频带数字滤波器，对AD转换器来的音频信号，将音频范围划分成三个以上分频带，再分别对其进行滤波；

三个以上的具有-12dB/倍频程频率响应的滤波器，对上述分频带数字滤波器来的信号分别进行频率补偿；

一个或多个超声调制器，对频率补偿后的信号进行超声调制处理；

信号后处理***与功率放大器，对上述经超声调制处理后的信号根据其是否输出到各个信号通道进行不同的处理：如采取进入到多个输出通道，则直达声、早期反射声、混响声分开处理；如果不输出到多个通道，则直连声、早期反射声、混响声要做合成处理；以上信号处理过程周而复始地进行，直至程序结束；上述信号再经过功率放大后按多通道或者单通道输出；

DA转换器组，用以将上述功率放大后按照单通道或者多通道输出的数字信号转换为模拟信号；

重建滤波器组，用以滤除从DA转换器来的模拟信号中导致信号不平滑的高频信号成分，使模拟信号变得平滑；

换能器组，用于将重建滤波器输出的电信号转换为声信号，并输出含有调制音频信号的高指向性超声波信号。

上述信号后处理***中还具有：延时器，对频率补偿后的信号进行延时处理，以输出早期反射声信号；混响器，对频率补偿对延时处理后的信号再进行混响处理，以输出混响声信号。

本发明是利用超声波高指向性特点以及它在空气中非线性转播自解调出高指向性可听声的原理，而制作的一种声频定向扬声器。与传统扬声器相比，这是第一种可以同时实现声频传播空间分布与声源位置控制的扬声器。

目前由于12dB/倍频程频率响应倾斜很难在全频带内进行补偿，因此一般都采用对低频带或高频带不进行补偿的方法与设备进行产品设计。本发明提出了一种对全频带进行频率补偿的方法与设备。

目前的声频定向扬声器研究中基本只有直达声(因为这种扬声器具有高指向性特点，遇到墙壁等障碍物产生的反射声也具有很强的指向性，因此早期反射声、混响声基本没有或很微弱)，这就造成目前声频定向扬声器的声音听起来不太自然(我们的实验证实了这一点)。本发明提出的自然音效处理设备(可以用硬件实现，也可用软件实现)与实现途径解决了现有声频定向扬声器的声音听起来不自然的问题。

本发明的优点在于可以利用软件程序、硬件实现或软件与硬件配合的方式灵活实现全频带音频输出，其输出的声音包含有直达声、早期反射声与混响声，具有自然音效效果。

附图说明

图1示出了全频带声频定向扬声器总体结构。

图2示出了换能器部分结构。

图3示出了自然音效实现方法。

图4示出了多通道、单换能器自然音效声频定向扬声器结构。

图5是一个典型的信号处理实现流程。

具体实施方式

图1示出了全频带声频定向扬声器的硬件示意性结构。全频带声频定向扬声器由低通滤波器1、AD转换器2、信号处理***3、信号后处理***及功率放大器4、DA转换器组5、信号重建滤波器组6和换能器组7构成。声频定向扬声器与外界接触的第一个主要器件是低通滤波器1。音频信号通过低通滤波器1滤除音频信号的带外成分，并输入到声频定向扬声器***中。滤除音频带外成分的音频信号处于20Hz~20kHz或0~20kHz范围内，由AD转换器2将其转换为数字信号。位于AD转换器2后的信号处理***可由单片机、信号处理芯片(DSP)或现场可编程逻辑门器件(FPGA)构成，它将对AD转换器2输入的数字信号进行处理，并将处理后的信号送入信号后处理***及功率放大器4。信号后处理***及功率放大器4可由信号处理芯片(DSP)或现场可编程逻辑门阵列(FPGA)+D类、E类或T类功率放大器构成。信号处理***将信号分成有限的几个频带，并根据不同频带的特性进行相应的频率补偿，信号后处理***提供延时、混响处理与功率放大。并将延时、混响处理后的直达声、早期反射声、混响声信号或者合成到一起输出到一个换能器上，或者分别输出到三个换能器上，或者进行任意组合输出到任意组合的换能器上。

在此之后，按照高频带信号输入高频带输出通道、中频带信号输入中频带输出通道、低频带信号输入低频带输出通道的原则分路输出。这种频带的划分可视换能器组频率响应的具体情况灵活进行。如换能器1对0~500Hz的信号具有较好的频率响应，则可分出一路0~500Hz的低频带信号处理频带与输出通路，余此类推。在信号后处理***及功率放大器4之后由n个DA转换器组成DA转换器组5，由n个信号重建滤波器组成滤波器组6，由n个换能器组成换能器组7。当n＝1时为第1输出通道，该通道由DA转换器1、信号重建滤波器1、换能器1组成。余此类推，当n＝2时为第2输出通道，当n＝n时为第n输出通道。在这些通道中，DA转换器用于将数字信号转换为模拟信号，而重建滤波器用于滤除信号不需要的带外高频成分，换能器则用于将电信号转换为声信号。由于每一个通道都是为不同的频带设计的，具有对该频带信号最好的频率响应特性，而全部通道所占的频带合起来将覆盖声频定向扬声器所需的全部频带范围，因此，一个具有全频带良好频率响应特性的声频定向扬声器***可由这种方法与设备得到实现。

图2示出了换能器组7的具体排布结构。换能器组可排布于一个平面上，也可以采用立体排布方式。换能器组可基本分为低频换能器8、中频换能器9和高频换能器10三类，每类又可以根据具体的频带要求采用多个频带的换能器进行组合。对于同一频带的换能器可以有1个或1个以上的换能器进行信号输出。

图3示出了自然音效信号处理的方法。早期反射信号由延时***11直接产生，而混响信号则是由延时***11将信号进行延时处理后，再送到混响***12中进行混响处理后产生。***产生的直达声信号、早期反射声信号、混响声信号合在一起就形成了经过自然音效处理的自然音效声信号。图3所示自然音效信号处理方法可由信号处理***3软件完成，也可由信号后处理***及功率放大器4硬件完成。直达声、早期反射声、混响声可合成到一起输出到一个换能器，也可以将它们分别输出到三个不同的换能器上，或对它们进行任意组合输出到任意组合的换能器上。通过图3所示的自然音效信号处理方法处理后的信号经声频定向扬声器发射到空气中后，将产生高指向性的，包含有直达声、伪早期反射声、伪混响声的可听声信号，使听众听到的声音自然起来。

图4示出了换能器组7只有一个换能器时的声频定向扬声器结构图。此时将不能充分保证声频定向扬声器的全频带信号频域的良好响应，但可以实现自然音效高指向性声频信号的产生。

图5示出了一典型的信号处理实现流程。音频信号经AD转换器2采样输入到程序中。该输入音频信号被数字滤波器分为几个有限的频带信号。频带划分时并不是等间隔划分，而是在低频时划分较密、高频时划分较疏。如一典型的划分为0~500Hz，500Hz~4kHz，4kHz~20kHz，前者采用低通数字滤波器滤出，后二者采用带通数字滤波器滤出。划分好频带后将对这些划分好的频带信号分别进行频率补偿。其实现方法是采用Parks-McClellan优化等波纹FIR滤波器设计方法针对各频带分别设计一个具有-12dB/倍频程频率响应的FIR滤波器，然后分别让这些频带信号通过这些滤波器，从而实现各频带信号的频域补偿。经补偿后的信号将不再有12dB/倍频程的频率倾斜响应。经频率响应补偿后的信号经对应超声调制器分别进行超声调制处理从音频范围变频到超声范围内。然后进入自然音效处理程序。自然音效处理程序将对信号进行延时处理、混响处理。经自然音效处理后的信号根据其是否输出到多个信号通道进行不同的处理：如果要进出到多个输出通道，则直达声、早期反射声、混响声不混合，分开处理；如果不输出到多个通道，则直达声、早期反射声、混响声要做合成处理。经过上述处理后的信号，将根据其所处频带分别输出到相应的输出通道中，即实现信号多通道或单通道输出。以上信号处理过程将周而复始地进行，直到程序结束。

Claims (7)

1、一种全频带自然音效声频定向扬声器，包括：

低通滤波器，对输入的音频信号进行滤波处理，用以滤除20Hz～20KHz或0～20KHz音频信号的带外成分；

AD转换器，与低通滤波器输出端连接，用以将模拟音频信号转换为数字信号；

信号处理***，包括：

三个以上的分频带数字滤波器，对AD转换器来的音频信号，将音频范围划分成三个以上分频带，再分别对其进行滤波；

三个以上的具有-12dB/倍频程频率响应倾斜的滤波器，对上述分频带数字滤波器来的信号分别进行频率补偿；

一个或多个超声调制器，对频率补偿后的信号进行超声调制处理；

信号后处理***与功率放大器，对上述经超声调制处理后的信号根据其是否输出到各个信号通道进行不同的处理：如采取进入到多个输出通道，则直达声、早期反射声、混响声分开处理；如果不输出到多个通道，则直连声、早期反射声、混响声要做合成处理；以上信号处理过程周而复始地进行，直至程序结束；上述信号再经过功率放大后按多通道或者单通道输出；

DA转换器组，用以将上述功率放大后按照单通道或者多通道输出的数字信号转换为模拟信号；

重建滤波器组，用以滤除从DA转换器来的模拟信号中导致信号不平滑的高频信号成分，使模拟信号变得平滑；

换能器组，用于将重建滤波器输出的电信号转换为声信号，并输出含有调制音频信号的高指向性超声波信号。

2、根据权利要求1所述全频带自然音效声频定向扬声器，其特征是：所述换能器组可分为低频换能器、中频换能器和高频换能器三类，每类又可根据具体的频带要求采用多个频带的换能器进行组合，且对于同一频带的换能器可以有1个或1个以上的换能器进行信号输出。

3、根据权利要求2所述全频带自然音效声频定向扬声器，其特征是：所述多个换能器可排布于一个平面上，也可以采用立体排布方式。

4、根据权利要求1所述全频带自然音效声频定向扬声器，其特征是：所述信号处理***将音频信号典型划分为0~500Hz、500Hz~4kHz、4kHz~20kHz三个分频带，前者采用低通数字滤波器滤出，后二者采用带通数字滤波器滤出。

5、根据权利要求1所述全频带自然音效声频定向扬声器，其特征是：所述信号处理***采用的具有-12dB/倍频程频率响应的滤波器为Parks-McClellan优化等波纹FIR滤波器。

6、根据权利要求1所述全频带自然音效声频定向扬声器，其特征是：所述信号处理***由单片机，信号处理芯片DSP和可编程逻辑门阵列FPGA构成；信号后处理***与功率放大器由信号处理芯片DSP和可编程逻辑门阵列FPGA的+D类、E类或T类功率放大器组成。

7、根据权利要求1-6任一权利要求所述全频带自然音效声频定向扬声器，其特征是：所述信号后处理***中还具有：

延时器，对超声调制处理后的信号进行延时处理，以输出早期反射声信号；

混响器，对延时处理后的信号再进行混响处理，以输出混响声信号。

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