CN101527875A - 声音信号输出装置和方法以及计算机可读记录介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声音信号输出装置、声音信号输出方法以及计算机可读介质。该声音信号输出装置包括：接收部分，其接收多个通道上的信号；频带分割部分，其分别对所述多个通道上的信号进行分割，以产生低频信号，该低频信号的频率低于预定频率；分离部分，其从所述多个通道上的低频信号中分离出预定通道之间的相关分量和不相关分量；不相关分量输出部分，其对各个通道上的信号的不相关分量施加第一指向性，以输出施加后的分量；以及相关分量输出部分，其对各个通道上的信号的相关分量施加第二指向性，以输出施加后的分量。

Description

声音信号输出装置和方法以及计算机可读记录介质

技术领域

本发明涉及声音信号输出装置、声音信号输出方法以及计算机可读记录介质。

背景技术

已经提出了能够通过分别将不同特性赋予从多个扬声器单元输出的声音来产生环绕声感觉的各种扬声器单元。例如，在JP-A-2006-238155所提出的扬声器阵列中，提供了用于输出高频声音的阵列扬声器以及用于输出低频声音的低音扩音器。输入至阵列扬声器的各个通道上的信号被分成高频声音和低频声音。从低音扩音器输出低频声音。而阵列扬声器则提供高频声音。同时，将不同延迟赋给构建了阵列扬声器的各个扬声器单元。从各个扬声器单元输出的高频声音在空间中相互干扰，从而产生朝向一个预定方向的声束。在各个通道上产生这种声束。各声束在从房间的墙面等反射之后到达听者。于是，在听者处产生了环绕声感觉，使之感觉扬声器仿佛被布置在房间中的多个位置。

在JP-A-2006-238155所提出的技术中，通过控制从各个扬声器单元输出的声音的延迟时间来实施声束的方向控制(下文将其称为“指向性控制”)。但是，在该指向性控制上施加了基于该原理的约束。即，为了控制低频声音(长波长)，需要宽度很宽的阵列，并且不可避免地，阵列扬声器单元的外壳在长度上被延长。同样，为了控制高频声音(短波长)，必须以狭窄的间距排列直径小的扬声器单元。但是，出于扬声器单元的设计的原因而无法无限制地确保外壳的宽度，所以直径小的扬声器单元不能具有足够的低频再现性能。

由于以上限制，在JP-A-2006-238155所提出的技术中，“环绕声感觉”和“低频再现”都是通过将频率分量分成低频带和高频带以便仅仅对高频带实施指向性控制并通过低音扩音器输出低频声音来实现的。但是，根据该技术，并未对从低音扩音器输出的低频声音实施指向性控制，所以低频分量处于听者前方。于是，听者不能感觉到来自低频分量的环绕声。

同时，作为低频带和中低频带中的典型声音，列举了诸如低音鼓、贝司等低音调乐器和人语音的基波。通常排列各个声源以便在产生内容时使得这些声音处于中央。这时，即使提供了具有中央通道的内容，还是存在这样的趋势：由于双通道产生和再现是现有技术中的主流，所以同样的信号仍被分配给左前通道和右前通道(所谓的主通道)。显然，低频带中的这些声音将处在中央。

因此，即使提供了低频再现性能较好的阵列扬声器单元或者采用了仅用于低频带的阵列扬声器，在低频带产生环绕声感觉仍然存在问题。换句话说，在对分配给左前通道和右前通道的同样的信号分别进行控制时，要么会极大地使得定位或清晰度恶化，要么会由于相位不同的左前通道和右前通道的叠加而使得声压衰减以及丧失低音调声音感觉。

发明内容

由于上述情况而设计了本发明，并提供产生高质量的环绕声场的技术。

根据本发明的一种声音信号输出装置，其包括：

接收部分，其接收多个通道上的信号；

频带分割部分，其对所述多个通道上的信号分别进行分割，以产生低频信号，该低频信号的频率低于预定频率；

分离部分，其从所述多个通道上的低频信号中分离出预定通道之间的相关分量和不相关分量；

不相关分量输出部分，其对各个通道上的信号的不相关分量施加第一指向性，以便输出施加后的分量；以及

相关分量输出部分，其对各个通道上的信号的相关分量施加第二指向性，以便输出施加后的分量。

优选地，第一指向性被设置为相对于作为指向性中心的前方的右方或左方，并且不相关分量通过声场空间中的回响来产生环绕声场。

优选地，声音信号输出装置还包括瞬时信号电平测量部分，其测量预定通道上的低频信号的瞬时声压。所述分离部分根据所述瞬时声压来从所述多个通道上的低频信号中分离出相关分量和不相关分量。

优选地，上述声音信号输出装置还包括滤波部分，其通过使用自适应滤波器来对所述多个通道上的低频信号中所包含的预定信号进行处理，所述自适应滤波器分别将其它多个通道上的低频信号用作目标信号，从而产生仿真信号。所述分离部分根据该仿真信号来对相关分量和不相关分量进行分离。

优选地，所述频带分割部分分别对所述接收部分所接收到的所述多个通道上的信号进行分割，以便产生高频信号，所述高频信号的频率高于预定频率。所述声音信号输出装置还包括高频环绕输出部分，其将所述多个通道上的高频信号输出为环绕声再现。

此处，优选地，所述不相关分量输出部分和相关分量输出部分是多个低频再现低音扩音器。所述高频环绕输出部分是具有多个扬声器单元的阵列扬声器。

根据本发明，提供了一种声音信号输出方法，其包括：

接收多个通道上的信号；

对所述多个通道上的信号进行分割，以便产生低频信号，该低频信号的频率低于预定频率；

从所述多个通道上的低频信号中分离出预定通道之间的相关分量和不相关分量；

向各个通道上的信号的不相关分量施加第一指向性，以便输出施加后的分量；以及

对各个通道上的信号的相关分量施加第二指向性，以便输出施加后的分量。

根据本发明，还提供了一种计算机可读记录介质，其记录了一种程序，该程序用于使计算机执行声音信号输出方法。

通过根据本发明的声音信号输出装置、声音信号输出方法以及计算机可读记录介质，可以产生高质量的环绕声场。具体地说，可以改进所输出的低音调声音的环绕声感觉以及扩展感觉。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的以及优势将变得明显，附图中：

图1是阵列扬声器装置的外观视图；

图2是示出了与高频分量的处理有关的阵列扬声器装置的结构的框图；

图3是示出了阵列扬声器装置所产生的高频信号的声束路径的视图；

图4是示出了与低频分量的处理有关的阵列扬声器装置的结构的框图；

图5是示出了信号分离电路33的结构的示例的框图；

图6是示出了作为信号分离电路33的另一结构的示例的信号分离电路50的框图；以及

图7是示出了从阵列扬声器装置输出的低频信号的指向性的视图。

具体实施方式

(A：指向性控制的原理)

首先，以下将简要地解释通过赋予延迟来进行指向性控制的原理。从一个扬声器单元输出的声音信号以球面形式向空间中传播开。在从多个扬声器输出相同的声音信号时，在空间的各个点上发生了叠加，因此，在各个输出的波前相互一致的方向上，在各个输出的相位相干的点上，声压增大。在此，可以通过分别将预定延迟赋予扬声器所输出的声音信号来设置点和方向，其中在这些点上和方向上各个输出的相位相互一致。所以，可以在特定方向上提供方向特性。

在阵列扬声器中，随着扬声器的数量增大，能增大在各个输出相位相互一致的点上和方向上的同步增加效应，从而可以实现非常尖锐的指向性。具有尖锐指向性的声音被称为“声束”。并且，当从扬声器输出多个通道上的信号以便相互叠加并且同时分别给信号赋予延迟时，可分别给多个通道上的输出赋予预定指向性。

(B：结构)

下面将说明根据本发明实施例的阵列扬声器装置1(声音信号输出装置)的结构。

(B-1：阵列扬声器设备1的外观)

图1是示出了阵列扬声器装置1的外观的(前)视图。如图1所示，在阵列扬声器装置1的外壳20的中央部分布置了阵列扬声器22。阵列扬声器22由扬声器单元23-1、23-2、...、23-n组成。当从前方观看时，在左边设有低音扩音器21-1，而在右边设有低音扩音器21-2(下文中当无需对它们相互区别时将它们一般称为低音扩音器21)。

阵列扬声器装置1分别处理高频带中的声音(高频分量)和低频带中的声音(低频分量)，并且将它们分别从阵列扬声器22和低音扩音器中输出。因此，以下将分别解释与高频分量和低频分量的处理和与低频分量的处理有关的结构。

(B-2：与高频分量的处理有关的结构)

图2是示意性地示出了与高频分量的处理有关的阵列扬声器装置1的结构的框图。

如图2所示，在阵列扬声器装置1中，对五个通道(左前通道(FL)/右前通道(FR)、左后通道(RL)/右后通道(RR)、和中央通道(C))上的被转换成数字数据的信号进行处理。各个通道RL、FL、C、FR、RR上的信号被输入到与各个通道相对应布置的高通滤波器(HPF)11-1至11-5。随后，高于预定分频频率的高频分量被提取出来，并随后被输入至指向性控制部分(DirC)17-1至17-5。

将延迟电路分别提供给指向性控制部分17-1至17-5，并且延迟电路分别对应于组成阵列扬声器22的扬声器单元23-1至23-n。在各个延迟电路中设置延迟时间，从而使得有关通道上的输出声音信号形成为预定方向上的声束。

并且，叠加部分18-1至18-n分别接收来自指向性控制部分17-1至17-5的信号，并且对它们进行相加。相加信号被分别输出至D/A转换器12-1至12-n。

D/A转换器12-1至12-n将接收到的数字数据转换成模拟信号(声音信号)。在D/A转换器12-1至12-n中转换的模拟信号被分别输出至功率放大器19-1至19-n。

功率放大器19-1至19-n分别对所接收到的信号进行放大，并且将放大后的信号输出至对应布置的扬声器单元23-1至23-n。

扬声器单元23-1至23-n分别根据接收到的信号来发声。

(B-3：与低频分量的处理有关的结构)

图4是示意性地示出了与低频分量的处理有关的阵列扬声器装置1的结构的框图。

如图4所示，对五个通道(RL、FL、C、FR、RR)上的上述信号进行如下处理。各个通道RL、FL、C、FR、RR上的信号被分别输入至与通道对应布置的低通滤波器(LPF)31-1至31-5。随后，提取出低于预定分频频率的低频分量。

随后，正在从LPF 31-1和31-2输出的信号(RL和FL上的低频分量)在叠加部分32-1中相加。因此，产生了新的信号(下文中称为左信号L)，并且该信号被输入至信号分离电路33。

同样，正在从LPF 31-4和31-5输出的信号(FR和RR上的低频分量)在叠加部分32-2中相加。因此，产生了新的信号(下文中称为右信号R)，并且该信号被输入至信号分离电路33。

同样，正在从LPF 31-3输出的信号(C上的低频分量)被直接输入至信号分离电路33。下文中将该信号称为中心信号C。

信号分离电路33接收左信号L、右信号R以及中心信号C。信号分离电路33从左信号L、右信号R以及中心信号C中分离出“相关信号Cm”以及“不相关信号Lm和Rm”。下面将解释信号分离电路33中的信号处理方法。

图5是示出了信号分离电路33的结构的示例的框图。输入至信号分离电路33的各个信号被图5所示的电路处理。

首先，声压测量部分331-1和331-2测量左信号L和右信号R的瞬时声压。即，声压测量部分将变化常数赋予各个信号的绝对值。

比较部分332比较声压测量部分331-1和331-2所测量到的左信号L和右信号R的瞬时声压，并且计算矩阵系数α，该系数α取一个介于0到1之间的值。作为计算矩阵系数α的方法，例如可以采用下面的公式1。在公式1中，L1和R1分别表示左信号L和右信号R的瞬时声压。

(公式1)

$\mathrm{\α}=1-\frac{\left|\mathrm{Ll}\right|-\left|\mathrm{Rl}\right|}{\left|\mathrm{Ll}\right|+\left|\mathrm{Rl}\right|}$

随后，增益控制部分333-1和333-2以及加法器334-1至334-3基于左信号L、右信号R、中心信号C以及比较部分332所计算出来的矩阵系数α，根据公式2计算出相关信号Cm和不相关信号Lm和Rm，并输出这些信号。

(公式2)

Cm＝C+α×(L+R)

Lm＝L-α×R

Rm＝R-α×L

再次参见图4，在信号分离电路33中产生的不相关信号Lm被输出至延迟电路34-1和34-2。而且，相关信号Cm被输出至延迟电路34-3。同样，不相关信号Rm被输出至延迟电路34-4和34-5。

延迟电路34-1和34-2分别以预定时间对不相关信号Lm进行延迟。这时，设置延迟时间，从而使得被延迟的且将从扬声器21-1和21-2输出的不相关信号Lm分别具有预定指向性。同样，延迟电路34-4和34-5分别以预定时间对不相关信号Rm进行延迟。

延迟电路34-3以预定时间对相关信号Cm进行延迟。给出该延迟，以使听者处的相关信号Cm的时序与不相关信号Lm和Rm的时序相一致。

叠加部分35-1从延迟电路34-1接收不相关信号Lm，从延迟电路34-3接收相关信号Cm，以及从延迟电路34-4接收不相关信号Rm，并将所接收到的信号进行相互叠加。叠加部分35-2从延迟电路34-2接收不相关信号Lm，从延迟电路34-3接收相关信号Cm，从延迟电路34-5接收不相关信号Rm，并将所接收到的信号进行相互叠加。叠加部分35-1和35-2分别将所产生的信号输出至D/A转换器13-1和13-2。

D/A转换器13-1和13-2将接收到的数字数据转换成模拟信号(声音信号)，并且分别将该模拟信号输出至功率放大器36-1和36-2。功率放大器36-1和36-2分别将接收到的信号进行放大，并且将放大后的信号输出到低音扩音器21-1和21-2。

低音扩音器21-1和21-2分别根据所接收到的信号发出声音。

(C：操作)

接下来，将解释在根据本发明的阵列扬声器装置1中对高频分量和低频分量的处理。

(C-1：高频分量的处理)

首先，下文将简要解释高频分量的环绕再现的模式。

如图2所示，通过HPF 11-1至11-5从五个通道(RL、FL、C、FR、RR)上的信号中提取出高频分量，随后通过指向性控制部分17-1至17-5对这些高频分量进行延迟，随后将它们分别馈入所有的阵列扬声器单元23-1至23-n。这时，指向性控制部分17-1至17-5分别赋予预定延迟时间，从而使得来自各个扬声器单元的输出彼此同相位地到达空间中的预定位置。于是，各个通道上的从阵列扬声器22输出的声音被分别形成为预定方向上的声束。

图3示意性地示出了安装了阵列扬声器装置1的空间中的声音的声束路径。前通道(FL和FR)和后通道RL和RR)上的高频分量被墙面反射，随后达到听者。因此，听者可以感受到反射声束的墙面方向(方向38、39、40和41)上的声源，从而产生环绕声场。

(C-2：低频分量的处理)

接下来，将解释低频分量的环绕声再现的模式。

如图4所示，五个通道(RL、FL、C、FR和RR)上的信号被LPF31-1至31-5和叠加部分32-1和32-2再现成低频左信号L、低频右信号R、以及中心信号C。随后，这些信号被信号分离电路33再现成不相关信号Lm和Rm和相关信号Cm。

分别通过延迟电路34-1和34-2将预定延迟赋予给不相关信号Lm，随后两个延迟信号被馈入低音扩音器21-1和21-2。这时，赋予预定延迟时间，以便使得来自低音扩音器的输出在预定方向上彼此同相位。

类似地，延迟电路34-4和34-5分别将预定延迟赋予给不相关信号Rm，并且两个延迟信号被馈入低音扩音器21-1和21-2。

延迟电路34-3将预定延迟赋予给相关信号Cm，并且延迟信号被同相地馈入低音扩音器21-1和21-2。

图7示出了布置了阵列扬声器装置1的空间中的低频分量的主指向中心(即波前的传播方向)的图像。由于两个低音扩音器输出的叠加，从低音扩音器21-1和21-2发出的不相关信号Lm在听者的左边方向上具有主指向中心。因此，从左边反射过来的声音与来自前方的声音之比相对增大。于是，听者感觉到左边方向上的声场的扩展。

类似地，不相关信号Rm在听者的右边方向上具有主指向中心。于是，听者感觉到右边方向上的声场的扩展。

相反，从低音扩音器21-1和21-2同相位地输出声像(soundimage)处于前方中心的相关信号Cm。于是，声像可处于前方中心。

这样，左低频信号和右低频信号被再现成环绕声，没有丢失相关分量的中心位置。

(C-3：相关/不相关分量的分离处理)

在低频信号中，通常将相同的声音分配至左通道和右通道。在这种情况下，在采用了指向性控制时，产生了严重的破坏效应，从而使得低音调声音的感觉被破坏，声像的位置变得模糊，等等。因此，相关分量和不相关分量必须分开。下文通过采用图5、公式1和公式2来解释针对这一目的的实施例。

在图5中，声压测量部分331-1和331-2测量左信号L和右信号R的声压，随后比较部分332对这两个信号进行比较。随后，比较部分产生矩阵系数α，当声压之差较大时矩阵系数α趋近于0，当声压之差较小时矩阵系数α趋近于1，因此，相关分量被分别表示为α×L和α×R。即，根据声压之间的比较结果来确定相关。

该方法是很简单的方法，因此，该方法可由很小的处理资源来实现。相反，由于作为处理目标的信号频带很窄，所以该方法作为相对较好的相关/不相关分离电路来运行，并且被实际地投入使用。

图6示出了可以用来替代信号分离电路33的信号分离电路50的实施例，并且采用了更普遍的相关计算***。

自适应滤波器52-1和52-2分别是本领域所公知的FIR滤波器。自适应滤波器52-1根据一个设定的系数来对所输入的右信号R进行转换，并且输出仿真左信号L’。差计算部分53-1计算误差信号来作为左信号L(目标信号)和仿真左信号L’之差。误差信号被反馈回自适应滤波器52-1的系数，并且该系数被重设以减小误差信号。根据这一处理，作为自适应滤波器的输出的仿真左信号L’被提取出来作为左信号L和右信号R之间的相关分量。同时，该误差信号变成不相关分量，并且作为不相关信号Lm被输出。在将右信号R作为目标信号的同时输入左信号L时，自适应滤波器52-2和差计算部分53-2根据类似的处理来输出作为相关分量的仿真右信号R’和不相关信号Rm。

作为相关分量的仿真左信号L’和仿真右信号R’被加法器54叠加至中心信号C，并且叠加后的信号作为相关信号Cm而被输出。此处，延迟电路51-1至51-3是被提供用来使得承担了群延迟的自适应滤波器中的延迟与其它电路中的延迟相同步的电路。

在这种情况下，可以根据标准LMS算法、RMS算法等来执行计算自适应滤波器的系数的方法。

(D：总结)

如上所述，在阵列扬声器装置1中，向通道上的信号的高频分量和低频分量实施不同的再现。在高频分量中，通过将各个通道上的声音形成为声束并随后输出声束来实施本领域已知的环绕声再现。相反，对低频信号进行如下处理。即，低频信号被分成相关信号Cm和不相关信号Lm和Rm。从两个低音扩音器中同相位地输出相关信号Cm，并且在前方中央产生清晰的声像。相反，不相关号Lm和Rm的指向性被控制在左右方向上，并且来自左右侧的反响声音相对增多。所以，听者感觉到声场的扩展。

(E：变型)

以上说明了本发明的实施例。但是本发明并不限于上述实施例，而是可以实施各种其它模式。

在上述实施例中，低频信号从两个低音扩音器输出。但是也可以采用三个或更多个低音扩音器。在这种情况下，可分别设置将分别赋予不相关信号的延迟信号，并且可以赋予预定指向性。

在上述实施例中，通过示例说明了将再现的信号馈至五个通道上的情况。但是，本发明也适用于两个通道的情况。在这种情况下，可省略图4中的叠加部分，并且可以省略中央通道C的路径。

并且，本发明适用于其它多通道***，例如7.1通道。在这种情况下，可通过图4中的叠加部分来准确地产生右信号R、左信号L以及中心信号C。

可在这样的状态下提供上述实施例中的阵列扬声器装置1的各个部分所执行的控制程序：该程序被记录在磁记录介质(磁带、磁盘(HDD，FD)等)、光学记录介质(光盘(CD，DVD)等)、磁光记录介质之类的计算机可读记录介质、半导体存储器等中。并且，可以经由如互联网之类的网络下载所述程序。

虽然已经针对特定的优选实施例说明和描述了本发明，对所属领域技术人员而言显而易见的是，可以在本发明的指教的基础上做出各种变化和修改。显然，这些变化和修改处于所附权利要求所限定的本发明的精神、范围和概念之内。

本申请基于2009年3月5日提交的日本专利申请第2008-054491号，其内容通过引用方式并入此文。

Claims (8)

1.一种声音信号输出装置，其包括：

接收部分，其接收多个通道上的信号；

频带分割部分，其分别对所述多个通道上的信号进行分割，以产生低频信号，该低频信号的频率低于预定频率；

分离部分，其从所述多个通道上的低频信号中分离出预定通道之间的相关分量和不相关分量；

不相关分量输出部分，其对各个通道上的信号的不相关分量施加第一指向性，以输出施加后的分量；以及

相关分量输出部分，其对各个通道上的信号的相关分量施加第二指向性，以输出施加后的分量。

2.如权利要求1所述的声音信号输出装置，其中所述第一指向性被设置为相对于作为指向性中心的前方的右方或左方，并且不相关分量通过声场空间中的回响来产生环绕声场。

3.如权利要求1所述的声音信号输出装置，其还包括：

瞬时信号电平测量部分，其测量预定通道上的低频信号的瞬时声压，

其中所述分离部分根据所述瞬时声压来从所述多个通道上的低频信号中分离出相关分量和不相关分量。

4.如权利要求1所述的声音信号输出装置，其还包括：

滤波部分，其通过使用自适应滤波器来对所述多个通道上的低频信号中所包含的预定信号进行处理，所述自适应滤波器分别将其它多个通道上的低频信号用作目标信号，从而产生仿真信号，

其中所述分离部分根据该仿真信号来对相关分量和不相关分量进行分离。

5.如权利要求1所述的声音信号输出装置，其中

所述频带分割部分对所述接收部分所接收到的所述多个通道上的信号进行分割，以产生高频信号，该高频信号的频率高于预定频率；以及

所述声音信号输出装置还包括：

高频环绕输出部分，其将所述多个通道上的高频信号输出为环绕声再现。

6.如权利要求5所述的声音信号输出装置，其中所述不相关分量输出部分和相关分量输出部分是多个低频再现低音扩音器；以及

其中所述高频环绕输出部分是具有多个扬声器单元的阵列扬声器。

7.一种声音信号输出方法，其包括：

接收多个通道上的信号；

分别对所述多个通道上的信号进行分割，以产生低频信号，该低频信号的频率低于预定频率；

从所述多个通道上的低频信号中分离出预定通道之间的相关分量和不相关分量；

对各个通道上的信号的不相关分量施加第一指向性，以输出施加后的分量；以及

对各个通道上的信号的相关分量施加第二指向性，以输出施加后的分量。

8.一种计算机可读记录介质，其记录了一种程序，该程序用于使计算机执行权利要求7所述的声音信号输出方法。

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