CN101116372A - 阵列扬声器装置 - Google Patents

Abstract

一种阵列扬声器装置，其使从多个扬声器单元输出的声音具有指向性，并由规定的壁面或反射板反射而形成假想扬声器，其中，利用数字信号处理器，以使与输入音频信号对应而生成的声束向空间内的规定焦点位置发射的方式，分别独立地控制多个扬声器单元。此外，利用CPU设定焦点位置，同时根据需要而使该焦点位置持续振动。由此，实现宽阔的听取范围和声源定位。

Description

阵列扬声器装置

技术领域

本发明涉及一种阵列扬声器装置，其使从多个扬声器单元发射的声音由壁面或反射板反射，而在三维空间内的规定位置生成假想音源。

本发明基于2005年6月2日提出的特愿2005-162482号日本专利申请，要求其优先权，在此引用其内容。

背景技术

目前，开发了阵列扬声器装置，其将多个扬声器单元以一维或二维的方式排列，使音频信号具有所希望的指向性，从而在三维空间定位假想音源。例如，专利文献1公开了使音频信号具有所希望的指向性的技术的一个例子。

专利文献1：国际公开编号WO01/23104

参照图5对阵列扬声器装置的动作原理进行说明。定义以一维方式排列的多个扬声器101-1～101-n、以及空间的任意焦点P。在这里，假想与焦点P的距离为L的圆弧Z，在分别延长连结该焦点P和多个扬声器101-1～101-n的线而与圆弧Z相交的交点处，定义假想扬声器102-1～102-n(以虚线圆表示)。由于所有假想扬声器102-1～102-n都配置在与焦点P相距L的位置，因此从假想扬声器102-1～102-n发射的声音同时到达焦点P。

为了使从实际排列的扬声器101-i(i＝1、2、…、n)发射的声音同时到达焦点P，需要使扬声器101-i发射的声音具有延迟时间(或时间差)，该延迟时间(或时间差)对应于扬声器101-i和与扬声器101-i对应的假想扬声器102-i之间的距离。即，以从焦点P观察，使假想扬声器102-1～102-n配置在圆弧Z上的方式，执行声音控制。由此，在焦点P处所有扬声器101-1～101-n的声音输出成为相同相位，声压分布形成峰值。其结果，可以得到如从具有多个扬声器的阵列扬声器装置向焦点P发射声束这样的具有规定的指向性的声压分布。

如果在阵列扬声器装置中使扬声器以二维方式排列，则可以输出具有三维指向性的声束。此外，阵列扬声器具有如下特征：通过使多个音频信号具有不同的指向性，并重叠地发射声束，可以同时输出多声道的声束。

因此，如图6所示，可以由单一的阵列扬声器装置，形成5声道的音频环绕***。在图6中，标号Zone表示进行音频环绕再生的试听室，标号U表示听取位置，标号SP-L表示形成在左侧壁面上的假想左声道主扬声器，标号SP-R表示形成在右侧壁面上的假想右声道主扬声器，标号SP-SL表示形成在后方壁面上的假想左声道后置扬声器，标号SP-SR表示形成在后方壁面上的假想右声道后置扬声器。

在图6中，从阵列扬声器装置的中央位置向听取位置U发射中置信号，使左声道主信号(L)和右声道主信号(R)具有指向性，而分别向左侧和右侧的壁面发射，此外，使左声道后置信号(SL)和右声道后置信号(SR)具有指向性，而向听取位置U的后方的壁面发射，由此实现音频环绕***。该音频环绕***可以使用一台阵列扬声器装置，使假想扬声器定位于规定位置，从而具有各种优点。第1优点是，仅通过配置单一的阵列扬声器装置，无需物理地配置多个扬声器，无需进行它们之间的配线。第2优点是，通过利用壁面的声音反射，使从扬声器至听取者的通路距离变长，从而使听取者体验到具有宽广度的声音。第3优点是，由于各个假想扬声器的定位不确定，可以使听取者体验到与由物理配置的真实扬声器形成的音场不同的音场，因此，可以体验到自然且具有整体感的音场。

但是，使用了阵列扬声器装置的音频环绕***具有以下问题。

第1，由于声束为直线状的轨迹，因此壁面的反射是以相同的入射角和出射角进行反射，易于进行控制以向目标方向发射声束。但是，向大范围空间内的规定位置发射声束极为困难。例如，如图7所示，由于声束的能量集中在由直线SB表示的指向性的中心，因此在听取位置U处听取者可以察觉假想扬声器的定位，但如果听取位置移动至UX，则由于声音的能量变小，所以听取者无法觉察假想扬声器的定位。

第2，使用了单一的阵列扬声器装置的音频环绕***中，在实际中难以在从低域至高域的广阔的频率范围内都实现所希望的指向性。在所述直线SB的中心实现均匀的频率特性的情况下，如果远离该中心则频率特性会大幅变化。

为了扩大听取范围，可以使声束***，即一定程度地减弱指向性，但如果声束***，会减弱声音能量的集中，反而使听取者难以觉察声源定位(sound localization)。即，听取范围和声源定位成为相互矛盾的关系。在图7中示出的音频后置环绕***中，由于使其具有沿直线SB的指向性的声束，由侧壁和后壁共计反射2次而到达听取位置U，因此在该期间声束的传播距离构成重要因素。如果至听取位置U的距离长，则声音的能量大幅衰减，为了实现所希望的声源定位，需要使声音以高能量进行集中，因此难以确保宽阔的听取范围。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种阵列扬声器，其可以实现在宽阔的听取范围下的所希望的声源定位。

本发明的第1特征在于，一种阵列扬声器装置，其使从多个扬声器单元输出的声音具有指向性，由规定的壁面或反射板反射而形成假想扬声器，其具有：指向性控制单元，其分别独立地驱动所述多个扬声器单元，以向空间内的规定焦点发射与输入音频信号对应而生成的声束；以及设定单元，其设定所述焦点的位置，所述设定单元使所述焦点的位置持续振动。

本发明的第2特征在于，在上述阵列扬声器装置中，设定单元对从所述多个扬声器单元发射的声束的形状和指向性的强度进行设定，从而实现使声束持续振动的效果。

上述设定单元可以以符合1/f波动的时间间隔，变更所述焦点的位置，或也可以以符合1/f波动的时间间隔，变更所述声束的形状和指向性的强度。

此外，在作为输入音频信号而输入多声道音频信号的情况下，指向性控制单元使多声道音频信号分别具有与焦点位置对应的延迟时间，并对多声道音频信号进行加法运算，由此，驱动多个扬声器单元，设定单元对多声道音频信号分别设定焦点位置，以使多声道音频信号内的特定的音频信号的焦点位置持续振动。或者，设定单元分别对多声道音频信号生成的声束的形状和指向性的强度进行设定，变更多声道音频信号内的特定的音频信号的声束的形状和指向性的强度，以使声束持续振动。

发明的效果

在本发明涉及的阵列扬声器装置中，通过使焦点位置持续振动，可以实现宽阔的听取范围和声源定位，此外，可以使固定听取位置处的听取者获得假想扬声器的尺寸被扩大这样的听觉效果，从而可以获得更加自然的音场。或者，通过使声束的形状和指向性的强度(或者，声束的粗细)持续振动，可以起到同样的效果。在该情况下，通过以符合1/f波动的时间间隔，变动焦点位置或声束的粗细，可以使音场的变动显得自然。在对多声道音频信号进行处理的情况下，可以通过单独使用阵列扬声器装置实现音频环绕***。此外，通过对多声道音频信号中的特定的音频信号，例如以声音的能量集中作为重要因素的后置环绕声道的音频信号，使其焦点位置和声束的粗细振动，可以实现该后置环绕声道的声源定位和宽阔的听取范围。

附图说明

图1是表示本发明的最佳实施例所涉及的阵列扬声器装置的结构的框图。

图2是用于说明由图1示出的阵列扬声器装置发射的声束的轨迹变化的图。

图3是示意地表示由以二维方式配置在面板上的多个扬声器单元构成的阵列扬声器装置的图。

图4是表示对多声道的音频信号进行的处理的框图。

图5是用于说明阵列扬声器装置的动作的图。

图6是表示由单一的阵列扬声器装置实现的音频环绕***的声音分布的图。

图7是用于说明由单一的阵列扬声器装置实现的音频环绕***的问题的图。

具体实施方式

参照附图对本发明的最佳实施例进行详细说明。

图1是表示本发明的实施例所涉及的阵列扬声器装置SParray的结构的框图。阵列扬声器装置SParray具有：数字信号处理器(DSP)1，其使输入音频信号具有与希望实现的指向性相当的延迟时间；放大器2(即2-1～2-n)，其对DSP 1的输出音频信号进行放大；扬声器单元3(即3-1～)3-n)，其由放大器2驱动；CPU 4，其设定DSP 1的延迟时间；存储器5，其存储由CPU 4执行的程序以及预先设定的焦点位置；以及定时器6，其向CPU 4输出时间信息。DSP 1构成指向性控制单元，CPU 4、存储器5、以及定时器6构成设定单元。

多个扬声器单元3-1～3-n以一维或二维方式配置在面板(未图示)上。

音频信号AIN输入至DSP 1的音频输入端子IN，成为具有延迟时间的扬声器单元2-1～2-n用的音频信号AO-1～AO-n。在这里，通过DSP 1使其具有规定的延迟时间后的音频信号AO-i被供给至各个放大器2-i(i＝1、2、…、n)，由此，从扬声器单元3-i发射声音，该延迟时间被调整为，使声音向设定于空间内的规定的焦点发射。

在图1中，DSP 1具有地址生成器10和音频存储器11。音频存储器11作为使输入音频信号AIN具有规定的延迟时间的移位寄存器而发挥功能，通过适当地选择向多个放大器2-1～2-n输出的抽头位置(tap position)，而使该放大器2-1～2-n的输出音频信号AO-1～AO-n具有规定的延迟时间。该抽头位置与从地址生成器10向地址端子Adrs供给的地址对应而进行选择。

CPU 4计算向多个放大器2-1～2-n输出的信号AO-1～AO-n附加的延迟时间。即，CPU 4计算DSP 1的抽头(即延迟时间)地址，由地址生成器10生成该地址，从而附加所希望的延迟，以使从多个扬声器单元3-1～3-n发射的声音同时到达空间内的规定焦点。对于DSP 1的抽头(tap)，根据扬声器单元3-1～3-n的空间坐标和焦点的空间坐标而唯一地决定。扬声器单元3-1～3-n的空间坐标已经物理地确定，另一方面，焦点的空间坐标基于存储在存储器5中的预置值、以及由用户输入的值而进行设定。

放大器2-1～2-n对从DSP 1输出的音频信号AO-1～AO-n进行放大，并驱动扬声器单元3-1～3-n。由此，向空间内的焦点发射声音。

在上述阵列扬声器装置中，CPU 4以使焦点位置在小范围内持续振动的方式设定焦点位置。CPU 4基于多个焦点位置而计算多套抽头，从该多套中依次选择1套向DSP 1设定。将其反复执行，但抽头的变更与由定时器6计数的时间同步，以固定的时间间隔进行。

如果使焦点位置振动，则从阵列扬声器装置SParray发射的声束SB随时间而通过不同的焦点，到达不同的听取位置。即，如图2所示，声束SB的轨迹随时间变化，由此，最佳听取位置也变化。在某个时间下最佳听取位置为以U1表示的位置，在另一个的时间下最佳听取位置成为以U2表示的位置。由此，本实施例可以起到如同输出多个声束的效果，可以在多个听取位置听到以最佳轨迹传播的声束，由此，可以实现宽阔的听取范围，而不会使声源定位变差。

在听取者固定在1个位置的情况下，会感到在试听室Zone的壁面形成的假想扬声器SP以短时间移动，其结果，可以起到使假想扬声器SP的形成范围扩大这样的听觉效果。换言之，假想扬声器SP的位置并不是不自然地定位于一个位置，而是可以形成整体上自然的音场。

这种焦点的移动，可以通过如下参数的变更而实现：声束的水平方向(即，图2的左右方向)上的发射角度、垂直方向(即，相对于图2垂直的方向)的发射角度、以及焦点距离。图2表示变更声束的水平方向的发射角度的情况。在以平面方式扩大听取范围的情况下，声束的水平方向的发射角度的变更是有效的。此外，声束的垂直方向的发射角度的变更，对听取范围的扩大不起作用，但在听觉心理上，可以起到使假想扬声器的定位位置不受限定的效果。

从阵列扬声器装置SParray至焦点的焦点距离，是决定声束的形状、即指向性的强度的参数。如果焦点距离短则指向性变弱，如果焦点距离长则指向性变强。由于指向性的强度，是与处于相互矛盾的关系的声源定位和听取范围相关的参数，因此通过使焦点持续移动而使焦点距离变动，则可以扩大听取范围。

作为决定声束形状、即指向性的强度的其它重要因素，存在图3中示出的阵列扬声器装置的宽度AL。如图3所示，多个扬声器单元3-1～3-n以二维方式配置在面板9上。在这里，阵列扬声器装置的宽度AL越大，则指向性越强。此外，无需变更实际的阵列扬声器装置的宽度AL，例如，可以通过窗口函数或数字滤波的导入，而变更阵列扬声器装置的视宽度AL，在该情况下，可以获得与上述焦点距离的变更相同的效果。此外，通过CPU 4的控制，使DSP 1变更向位于阵列扬声器装置的周边部上的扬声器单元供给的音频信号的增益，由此也可以变更阵列扬声器装置的视宽度AL。

对于焦点位置的移动，优选以不会使听取者产生不适感的方式选定的时间常数进行。即，为了不使听取者产生不适感，以普通的音频处理中的释放时间、即以秒为单位的时间间隔进行焦点位置的变更即可。此时，如果不以固定的时间间隔，而以符合1/f波动的时间间隔变更焦点位置，则可以更自然地变更焦点位置。

图1和图2为了记载的简单化，示出单声道的音频信号处理，但在实际的音频环绕***中，由DSP 1处理多声道的音频信号。图4是示意地表示DSP 1对多声道的音频信号的处理的框图。

相对于多声道的音频信号，设置多个移位寄存器(S/R)(与图1的音频存储器相同)，左声道用移位寄存器110-L生成n个左声道主信号(L)，使该n个左声道主信号具有延迟时间，以向规定的焦点发射声束，同样地，右声道用移位寄存器110-R生成n个右声道主信号(R)，中置声道用移位寄存器110-C生成n个中置声道主信号(C)，左声道后置用移位寄存器110-SL生成n个左声道后置信号(SL)，右声道后置用移位寄存器110-SR生成n个右声道后置信号(SR)。与上述信号L、R、C、SL、SR对应的焦点位置由CPU4分别地设定。

为了对各个信号进行加法运算，设置n个加法运算器111-1～111-n。即，加法运算器111-1对从移位寄存器110-L、110-R、110-C、110-SL以及110-SR输出的扬声器单元3-1用的信号L、R、C、SL、SR进行加法运算，而向放大器2-1供给。同样地，加法运算器111-2对扬声器单元3-2用的信号L、R、C、SL、SR进行加法运算，而向放大器2-2供给，加法运算器111-n对扬声器单元3-n用的信号L、R、C、SL、SR进行加法运算，而向放大器2-n供给。这样，可以实现图6所示的5声道的音频环绕***。

与图1和图2中示出的单声道的音频信号处理同样地，CPU 4使与上述信号L、R、C、SL、SR对应的焦点位置在狭小的范围内持续振动。由此，可以在听觉心理上，起到使多声道的假想扬声器的定位不受限定的效果。即，不会使听取者感觉到多个假想扬声器的间隔，而可以形成更自然的、连为一体的高品质音场。

由于上述效果，可以有效地作用于以声音的能量集中作为重要因素的后置·环绕声道(即，后置信号SL、SR)，因此也可以仅使后置信号持续振动。

工业实用性

本发明适用于使用了阵列扬声器装置的多声道的音频环绕***。

Claims (6)

1.一种阵列扬声器装置，其使从多个扬声器单元输出的声音具有指向性，由规定的壁面或反射板反射而形成假想扬声器，其具有：

指向性控制单元，其分别独立地驱动所述多个扬声器单元，以向空间内的规定焦点发射与输入音频信号对应而生成的声束；以及

设定单元，其设定所述焦点的位置，

所述设定单元使所述焦点的位置持续振动。

2.一种阵列扬声器装置，其使从多个扬声器单元输出的声音具有指向性，由规定的壁面或反射板反射而形成假想扬声器，其具有：

指向性控制单元，其分别独立地驱动所述多个扬声器单元，以向空间内的规定焦点发射与输入音频信号对应而生成的声束；以及

设定单元，其对从所述多个扬声器单元发射的声束的形状和指向性的强度进行设定，

所述设定单元实现使声束持续振动的效果。

3.根据权利要求1所述的阵列扬声器装置，

所述设定单元以符合1/f波动的时间间隔，变更所述焦点的位置。

4.根据权利要求2所述的阵列扬声器装置，

所述设定单元以符合1/f波动的时间间隔，变更所述声束的形状和指向性的强度。

5.根据权利要求1或3中任意一项所述的阵列扬声器装置，

作为所述输入音频信号，输入多声道音频信号，

所述指向性控制单元使所述多声道音频信号分别具有与焦点位置对应的延迟时间，并对所述多声道音频信号进行加法运算，由此，驱动所述多个扬声器单元，

所述设定单元对所述多声道音频信号分别设定所述焦点位置，以使所述多声道音频信号内的特定的音频信号的焦点位置持续振动。

6.根据权利要求2或4中任意一项所述的阵列扬声器装置，

作为所述输入音频信号，输入多声道音频信号，

所述指向性控制单元使所述多声道音频信号分别具有与焦点位置对应的延迟时间，并对所述多声道音频信号进行加法运算，由此，驱动所述多个扬声器单元，

所述设定单元分别对所述多声道音频信号生成的声束的形状和指向性的强度进行设定，变更所述多声道音频信号内的特定音频信号的所述声束形状和指向性强度，以使所述声束持续振动。

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