CN107873135B - 声音*** - Google Patents

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Abstract

用于声音***的计算单元包括输入装置、处理器和输出装置。输入装置的目的是接收待使用声音***再现的音频流。输出装置的目的是基于第一多个单独的音频信号和第二多个单独的音频信号来控制声音***。处理器被配置为计算第一多个音频信号，使得波束成形由阵列执行，并且计算第二多个单独的音频信号，以使用声音***执行直接声音抑制，使得声音朝着收听方向被取消。此外，处理器使用包括整个频率范围的第二部分的第二通带特点对至少第二多个单独的音频信号进行滤波。

Description

声音***
技术领域
本发明的实施例涉及用于声音***的计算单元、涉及用于计算声音再现的对应方法并且涉及声音***。
背景技术
对于声音再现，尤其是电影声音再现，存在关于复杂性和再现质量方面有所不同的不同类型的***。对于电影声音的参考是电影院。电影院提供多声道环绕声，扬声器不仅安装在屏幕前方，而且还安装在侧面和后面。侧面和后面的扬声器可以实现包围环绕声。
对于家庭来说，所谓的家庭影院***通常以五个扬声器和一个低音炮为特征。其中三个扬声器在前面，两个在侧面/后面。侧面/后面扬声器常常造成问题：人们往往宁愿没有它们，以不仅避免视觉上分散注意力到后面的扬声器而且也避免对应的布线。
家庭影院***的替代方案就是音箱(soundbar)。市场上存在音箱的许多变体。最复杂的音箱不仅在空间上增强声音，而且形成波束，以在反射墙的帮助下将声音信号投射到侧面/后面。在这种情况下，无需环绕扬声器即可再现具有从侧面/背面可感知的声音的真实环绕。
将声道投射到侧面/后面的音箱包括扬声器阵列，其通过波束成形(例如，延时叠加波束成形器)将至少一个声道投射到侧面/后面。延时叠加波束成形器的限制是阵列的孔径必须至少是要发射的声频的波长的数量级的尺寸。如果阵列与波长相比较小，那么不能形成指向的波束。
例如，当一个1.2米长的音箱以200Hz(波长为1.7m)发射声音时，不能形成具有高方向性的波束。因此，音箱只能以中到高频有效地将声音投射到侧面/后面。低频将从前面再现，因为在墙壁上的投射要求非常高的方向性(使得只有非常低水平的声音直接到达听众，而大多数声音经由墙壁反射波束到达听众)。
美国专利US 8,477,951公开了一种通过使用心理声学模型来改进中频和低频信号的立体效果的扬声器阵列再现***。输入信号被拆分，并且对于其不执行波束成形的一个部分使用基于HRTF处理的虚拟化技术来再现，另一部分使用波束成形技术进行处理。由美国专利申请US 2005/0089182和美国专利US 5,953,432公开了包括以扬声器阵列为特征的多个声道的其它音频***。
专利US 8,189,795公开了以供扬声器阵列使用的处理，其中高频和低频带以不同的方式再现。在高频部分使用波束成形技术来重放的同时，低频部分被进一步划分成相关和不相关部分，然后这些部分由具有不同方向性的另外的非阵列式扬声器重放。
美国专利US 8,150,068公开了一种用于环绕声输入的阵列重放***，其利用将频率划分成高频和低频部分。较高的频率使用用于波束成形的扬声器阵列并利用墙壁反射来再现。不同输入声道的较低频率部分被叠加成经一个或多个低音扬声器输出的信号。
所有上述教导都具有高复杂性和/或有限的环绕再现质量的缺点。因此，需要改进的方法。
发明内容
本发明的目的是提供用于通过使用声音***来改进环绕声再现的概念。
这个目的是通过独立权利要求的主题来实现的。
本发明的实施例提供了用于声音***的计算单元，其至少包括具有多个换能器(transducer)的阵列。计算单元包括用于接收要使用阵列再现的音频流的输入装置、处理器以及用于控制声音***/阵列的输出装置。音频流具有一定的频率范围，例如从20Hz到20kHz。处理器被配置为针对阵列的换能器计算第一多个单独的音频信号，使得波束成形由阵列执行。此外，处理器被配置为针对声音***的换能器计算第二多个单独的音频信号，以使用换能器执行所谓的直接声音抑制，使得声音朝着收听方向被取消。这可以通过由声音***执行的称为偶极化(dipoling)的技术(例如，将相移信号应用于彼此隔开布置的换能器)和/或称为声音取消的技术(例如包括波束成形的操纵或校正)来实现。在这里，第一多个单独的音频信号包括与音频流的整个频率范围的第一部分对应的频率范围(例如，音频流的从400Hz到2000Hz或从500Hz到5000Hz的频率范围或者整个频率范围)。处理器使用第二通带特点(例如从100Hz到500Hz或从200Hz到400Hz)对第二多个单独的音频信号进行滤波，即，第二通带特点包括音频流的整个频率范围的第二部分。一般而言，第二部分与第一部分不同。
本文公开的教导基于以下知识：使用波束成形生成的环绕效应的质量在整个频率范围内变化。具体而言，波束成形被限制在某些频率内；例如在低频下，波束不能经由墙壁投射到听众，它们将总是直接以实质水平到达听众。因此，根据本文公开的教导，这某些(有问题的)频率通过另一种技术(称为包括偶极化的直接声音抑制)或者通过在这些(有问题的)频率内使用声音取消来再现，这两者都使得能够生成在收听众或收听区域的方向上具有声音最小值(至少在一些频率内)的重放设备的辐射模式。
偶极化是一种技术，根据这种技术，通过使用由具有不同相位的信号驱动的至少两个换能器，声音在某些区域或方向上被取消。声音取消是一种技术，该技术可以包括以校正在有问题的频率内的(第一)波束成形的那种方式执行的进一步的波束成形再现。进一步的波束成形再现尤其包括对于其由第一波束成形执行的再现是不足够的(有问题的)频率。声音取消和/或偶极化使得能够改进再现，尤其是在有问题的频率内，因此改进整个再现而不增加复杂性，因为这两种技术通过使用相同的音箱是可适用的。
根据本发明的一方面，声音取消被用来执行频率的声音取消，并且用在声音信号通过第一波束成形再现被误导地发射到的区域中。例如，由于第二波束，通常由执行波束成形的音箱以直接方式发射的低频可以在这个区域中被取消。
根据另一方面，这些频率(例如，低频)可以使用偶极化来再现，例如，经由彼此最远布置的音箱的换能器，使得声音在两个方向上被发射。在这里，根据实施例，限制在其中执行波束成形(通过滤波)的频率范围可能是有益的。因此，音箱的换能器在不包括有问题的频率的第一频率范围内执行波束成形，并且使用至少两个换能器用于以偶极方式输出有问题的(例如较低的)频率。
根据实施例，通过以相移方式(例如，相移180°)为两个不同换能器或两组不同换能器提供第二多个单独的音频信号中的至少两个单独的音频信号来执行偶极化。
根据另一个实施例，第三带宽(例如，具有比频率范围的第一部分更高频率的带宽)可以使用上述偶极化技术来再现。
应当注意的是，第一多个单独的音频信号和第二多个单独的音频信号可以用于控制不同的换能器。根据优选实施例，第一多个单独的音频信号可以被用来控制整个阵列，其中第二多个单独的音频信号被用来仅控制阵列的(真正)子集(例如，两个换能器)。在这里，尤其是关于以偶极方式再现低频，使用或控制彼此最远布置的换能器是有益的。
根据实施例，第一多个单独的音频信号xi的计算可以基于公式
xi(t)＝HPF{s(t+τi)}}，或公式
xi(t)＝HPF{s(t+i*τ-N*τ)}，
其中HPF符合(comply with)第一通带特点，τ/τi符合延时，并且N符合阵列的换能器的数量，并且其中第二多个单独的音频信号xi和xN的计算基于公式
xi(t)＝LPF{s(t)}
xN(t)＝-LPF{s(t)}，
其中LPF符合第二通带特点。
另一个实施例提供包括上面讨论的计算器和对应阵列的声音***。根据另外的实施例，阵列可以具有分开的换能器，其可以被用于偶极化(即，使用第二多个单独的音频信号来控制)。
另一个实施例提供用于为声音***计算声音再现的对应方法。
附图说明
本发明的实施例将参考附图来讨论，其中
图1示出了根据第一实施例的具有计算单元的声音***的示意性框图；
图2a、2b示出了用于图示波束成形和偶极化的原理的示意性阵列；
图3a示出了在图示波束成形和偶极化的结合的频率视图中的示意图；
图3b示出了与图3a的实施例结合使用的示例性音箱；
图4a、4b利用对应的频率范围图示图示了其中形成三个偶极子和一个波束的阵列的实施例；
图4c、4d利用对应的频率范围图示图示了其中形成三个偶极子和一个波束的阵列的实施例，其中，两个侧向定向的偶极子在相同频率范围中操作；
图5a、5b图示了包括扩展用于波束成形的频率范围的分开的封闭扬声器的阵列的实施例；
图5c、5d图示了包括使用侧向定向的偶极子的分开的封闭扬声器的阵列的实施例；
图6a示出了包括不同尺寸的换能器的阵列的实施例；
图6b示出了包括不同尺寸的换能器的阵列的实施例；
图7示出了围绕屏幕的扬声器的示意性布置；
图8示出了用于启用具有声音取消的波束成形的声音***的计算单元的示意性框图；以及
图9a至9c示出了图示波束成形器的方向性的示意图，其中使用不同的音箱控制方法来执行波束成形。
具体实施方式
将在下面参考附图详细讨论本发明的实施例。标号被提供给具有相同或完全相同功能的对象。因此，其描述是可互换的或相互适用的。
图1示出了用于声音***100(在这里是音箱***)的计算单元10。在这个实施例中，声音***100至少包括具有多个换能器20a至20d的阵列20(音箱)。计算单元10包括输入装置12、处理器16和输出装置14，用于控制声音***100。
音频流(例如，单声道/立体声信号或多声道音频流，如常见的环绕声数据或波场合成数据)经由输入装置12被接收、由处理器16进行处理并且，取决于处理，经由输出装置14(例如，放大级)输出至少第一多个单独的音频信号和第二多个单独的音频信号，以便控制声音***20的换能器20a至20d。
处理器16执行第一波束成形再现的计算(参见第一多个单独的音频信号)。这第一波束成形再现在整个频率范围的有限部分(例如，包括从100/200Hz至400/600Hz的中频)中实现良好的环绕效果。特别是在将被称为第二部分或“有问题的”部分的一些部分中，再现性差。因此，处理器至少在收听位置处计算第二多个单独的音频信号，其能够在这个第二部分内实现正确的(波束成形)再现。要注意的是，第一多个单独的音频信号和第二多个单独的音频信号可以被用来控制相同的换能器，其中它们关于所包括的频率范围是不同的。
例如：通常低频范围是有问题的频率范围。因此，整个频率范围的第二部分通常包括这些频率，例如。低于200Hz或100Hz。取决于第二部分的再现技术；第一部分可以包括第二部分之上的频率，或者可以包括第二部分的频率和第二部分之上的频率。为了实现这种频率拆分，处理器16可以被配置为对至少第二多个单独的音频信号进行滤波，或者可以包括用于对频带进行滤波的装置(例如，数字滤波器组)。
处理器16使用实现取消或减小朝着收听方向的声音的直接声音抑制来校正有问题的频率范围内的波束成形。直接声音抑制可以通过称为波束成形的技术或通过称为偶极化的技术来实现。以下将分别讨论能够改进第二(有问题的)频带内的再现质量的两种技术。这两种技术的共同之处在于，频率范围的第二部分内的声音朝向收听方向被取消(或至少降低了水平)。收听方向被定义为指向收听点或收听位置，其中收听点是指由一个或多个听众定义的区域。要注意的是，朝着收听方向的直接声音抑制意味着生成在收听位置的方向上具有局部声音减小或局部最小值(例如，零)的辐射模式。
根据第一种技术，有问题的频率范围不是使用第一波束成形再现来再现，而是基于第二多个单独的音频信号(经由其来控制阵列20)基于所谓的偶极化技术来再现。偶极化意味着使用彼此分开的至少两个换能器来生成要再现的声音信号，其中换能器由相移信号(例如，相移180°)驱动。换句话说，这意味着有可能使用这种“差分”概念在阵列上再现低频，而对于这种阵列(具有音箱的典型尺寸)再现处于低频的高指向性的延时叠加波束是不可能的。差分概念的使用使得能够通过向阵列20的不同扬声器20a和20d给予具有不同极性和可选延时的信号将声音再现为八字形或心形。
要注意的是，与常规再现的声音信号相比，以差分方式再现的声音信号(例如，具有八字形方向性模式(偶极子))通常更具空间感。因此，很少的声音到达音箱前面的听众，因为大多数声音朝着左和右发射。因此，听众将主要感知到仅房间反射的声音，并且他将感知到声音非常具有空间感，而不是直接来自音箱。而且，这种方法在有效性方面有好处。相比于较低频率被常规地再现时，当较低频率被再现为具有空间感(例如，作为偶极子)时，延时叠加投射波束在较高频率下更有效。这是因为低频不会将环绕声道的声像向前拉。
关于阵列20的所使用的换能器的选择，这意味着(根据实施例)优选地由最远离彼此布置的换能器(即，外侧换能器20a和20d)执行偶极化。
根据第二种技术，第二多个单独的音频信号被用来执行所谓的声音取消。声音取消意味着生成另一个波束成形再现，从而使得能够刚好在有问题的频率内操纵第一波束成形。因此，使用第二波束成形再现执行的频带与有问题的频率范围内的第一频带具有重叠。
例如，如上面所讨论的，低频的常见问题是不能形成具有高方向性的波束。这导致这样一种情况：这些低频内的大部分声音从前面无意中到达听众，并且只有一部分以指向的方式(例如，被墙壁反射)到达听众。为了补偿这种不匹配，可以选择将这些低频内的另一个波束指向听众或收听区域，使得发生声音取消效果。由于声音取消，声级或，更具体而言，错误再现的声级(例如，在音箱前面)被减小或一般而言被校正。
下面将讨论与两种应用的技术相关的详细背景。讨论从问题分析开始。
图2a示出了音箱20的低频行为。对于低频(对于处于扬声器阵列20的物理维度的尺寸或大于其的波长)，辐射模式近似圆，声能在所有方向上均匀散布。听众无法提取空间环绕声音信息，因为相当数量的信号能量直接达到听众的位置。
使用波束成形用于音箱20的目的是将信号能量从听众的位置移开，使得信号能量的主要部分不再直接影响(因为这将被感知为是来自前面)。利用指向的波束(参见波束21)，信号能量的主要部分间接地到达听众的位置(例如，经过墙壁)，并且因此被感知为来自光束被转向到的方向或来自不与阵列的位置一致的方向。
为了实现这一点，技术包括存在于收听室中的反射表面。这由图2b图示。
图2b还图示了都由音箱20发射的低频偶极子23a和23b以及高频波束21的组合。高频内容经由反射表面25被波束化(beamed)并指引朝向听众27，因此创造空间感知。低频偶极子23a/23b的八字形模式示出了偶极子的空(null)如何被指引朝向听众27，从而将信号能量的主要部分指向侧面，因此也创造空间感知。
关于音箱20，应当注意的是，波束成形或者，一般而言，声音再现可以基于差分声音再现的理论。这种差分声音再现概念使用第一(优选地)或更高阶的再现概念。要注意的是，对于具有第一阶的声音再现，具有两个换能器的阵列就足够了，其中对于具有第二或更高阶的声音再现，通常需要具有多于两个换能器的阵列。对于根据其执行单独的音频信号的滤波的实施例，预期使用更高阶的声音再现。
图3a示出了在图2b所示的设置中如何关于各自的频带将音频内容分发到偶极子23a/23b和波束的示意图。如可以看到的，由偶极子23a/23b再现的频率部分包括低频，其中波束21包括高频。两个各自的频率范围可以有重叠。为了分开这两个频带，用于再现偶极子的音频信号被低通滤波，其中用于再现波束的音频信号被高通滤波。
图3b图示了扬声器阵列20的示例实现，其可以被用作用于上面讨论的包括两个频带的再现的音箱。在这里，阵列包括排成行的十个扬声器20a至20j，其中单个扬声器20a至20j之间的间隔可以为相等的距离。应当注意的是，换能器20a至20j可以是相同类型或不同类型。
实现上面讨论的声音再现的声音信号计算如下：
LF(低频)偶极子(参见换能器20a和20j)
X1(t)＝LPF{s(t)}
X10(t)＝-LPF{s(t)} (1)
HF(高频)波束(i＝1...10，阵列20的所有换能器)
Xi(t)＝HPF{s(t+i*γ-10T*/)} (2)
等式(1)是指阵列20中最外面的换能器20a和20j，并且其目的是创建如图2b所示的低频偶极子(参见标号23a/23b)。从使用全部十个驱动器20a至20j的同一扬声器阵列20，等式2示出了如何创建高频波束(参见图2b，标号21)。
取决于某些因素(例如，物理阵列20中的驱动器间隔)，可能发生波束成形的使用不适于整个高频区域。在这种情况下，也可以在某些高频下使用偶极子，如图4a和4b所示。
图4a示出了阵列20，其中各个换能器20a至20j被分组成四个组71、72、73和74。属于四个不同的组71、72、73和74的换能器被用于不同频带的再现。组71至74与各个频带之间的映射由图4b示出，图4b示出了其中不同部分被指派给各个组71至74的图。由组71和72形成两个偶极子，其中组71包括扬声器20a和20j，组72包括扬声器20c和20h。这两个偶极子71和72被用于低频带的再现。在高频带内创建另一个偶极子74。换能器的这个组74包括最里面的换能器对(即，20e和20f)。在通过使用偶极子71和72再现的低频带与高频带(参见偶极子74)之间，为中至高频率布置第四频带(参见组73)。使用波束成形来再现这个频带。因此，组73包括阵列的全部十个换能器20a至20j。
图4c和4d图示了图4a和4b的实施例的细化。使用相同的阵列20。最外面的换能器20a和20j被用来创建偶极子81，其中包括整个阵列20的组82用于形成波束82。类似于图4a和4b的实施例，波束82包括中和高频，其中偶极子81包括低频，如图4d的频率图所示。最外面的四个换能器(即，20a、20b、20e和20j)被用来创建两个偶极子对(在这里指定为83l和83r)。两个偶极子83l和83r(包括换能器20a、20b、20e和20j)。这两个偶极子83l和83r在包括高频的相同频带中操作。偶极子83l朝向左侧，其中偶极子83r朝向右侧。这使得例如能够再现立体声音频。
另一个优选实施例由图5a和5b示出，其中图5a示出了包括音箱20以及两个附加的分开的封闭扬声器29a和29b的声音***102。
图5b图示了对应的频率图，示出了指派给声音***102的换能器组的整个频率范围的信号部分。图5a的这种***102可以优选地与电视机结合使用。而可被用于波束成形的中间阵列20总是关于屏幕(未示出)居中。分离的侧封闭件29a和29b可以定位在屏幕的角落。这样，最大有意义程度(TV)被全面地使用。所描述的概念足够灵活，以便最佳可能地利用实际间距。这样，声音***102的驱动器布置关于不同的屏幕尺寸是灵活的，而底层处理基本上总是相同。关于这个绝对位置的信息可以例如从例如经由HDMI.EDID发送自TV的设置信息、从用户输入获得，或者如果扬声器集成到电视机中的话，那么关于这个绝对位置的信息是已知的。
如图5b所示，整个频率范围可以被划分成由标号89a、87a、89b和87b标记的四个部分。包括低频和中频的两个部分89a和89b利用由组89a/89b标记的分开的换能器29a和29b使用偶极化来再现。第二部分87a和87b包括布置在两个频率范围89a和89b之间的频率范围87a以及仅包括高频的频率范围87b。使用波束成形再现这两个频带87a和87b，其中阵列20的所有换能器以及换能器29a和29b都工作。
图5c和5d图示了上面提到的实施例的另一种细化。图5c图示了音箱设置104，其中图5d图示了对应的频率图。
声音设置104包括两个分开的封闭件29a'和29b'以及阵列20。分开的封闭件29a和29b以如下方式不同于封闭件29a和29b：它们包括两个换能器，以便实现具有第一阶的偶极化。可替代地，两个分开的扬声器元件29a'和29b'可以被配置为执行具有第二或更高阶的偶极化，其中具有第二或更高阶的声音再现/偶极化通常使用三个或更多个换能器。即，根据另外的实施例，音箱设置104可以包括两个分开的封闭件29a'和29b'，每个封闭件包括至少三个换能器。
声音***104的示例性分组将在下面讨论。例如，两个分开的封闭件29a'和29b'可以被分组至在低频带中执行偶极化的组91，其中每个封闭件29a'和29b'形成它们自己的偶极子(参见93l和93r)。阵列20被分组到通过在布置在频率部分91和93l/93r之间的频率部分92内执行波束成形而再现的组92。优点在于可以使用偶极子处理来增强重放性能。为了实现这一点(独立于屏幕尺寸)，至少一对紧密隔开的扬声器(即，两个紧密隔开的驱动器29a'和29b')总是定位在每个角落中。因此，对于太高而不能被波束成形的频率，侧面偶极子可以再现高频率并且将空导向听众，以便生成局部声音最小值。即使可能仍然存在混叠伪声，高频内容的总体方向也与对应波束92的方向对应(即，朝着左的波束、左偶极子用于较高频率；右侧相同)。
所描述的方法不仅可以用于水平重放，而且可以再现垂直空间扩展的声音。为此，扬声器阵列必须如图7中所示那样垂直布置。
图7图示了另外的方面，根据这些方面，作为角落封闭件的边缘扬声器29a”至29d”与垂直和水平放置的阵列20a'至20d'结合。除了所描述的处理之外，在电视机40的边缘处的扬声器29a”至29d”可以有利地用作用于声像定位***(panning system)的角落扬声器。如可以看到的，角落扬声器29a”至29d”被形成为单个阵列29a”至29d”，每个阵列包括至少三个布置在(例如具有角度90°的)弯曲线上的换能器。这种角落扬声器29a”至29d”形成使得能够执行垂直和水平波束成形或偶极化的二维阵列(其中仅需要三个换能器)。此外，弯曲布置使得能够在显示器40的角落处最佳地定位角落扬声器29a”至29d”。换句话说，角落扬声器29a”至29d”可以被描述为具有至少三个换能器的扬声器，其中这三个换能器被布置为角落元件，使得三个换能器中的两个换能器垂直定位，并且三个换能器的两个换能器水平定位。一般而言，在显示器40的角落中包括至少四个扬声器的图7的***用于在与附图相同的位置处在屏幕上渲染声音。
应当注意的是，根据实施例，上面提到的角落扬声器29a”至29d”(独立)中的一个或多个形成可以与上述计算单元结合使用的声音***，以执行垂直和水平波束成形或偶极化。
在上述实施例中，虽然在具有类似换能器的阵列的上下文中讨论了阵列，但是应当注意的是，也可以使用具有不同类型(例如，具有不同尺寸)的换能器的阵列，如由图6a和6b所示。
图6a示出了包括九个换能器的阵列20'，其中，与中间的换能器相比，第一侧的两个最外面的换能器和第二侧的两个最外面的换能器较小。这种阵列20'可以用作***104的变体，其中使用较大尺寸的多个换能器来经由波束成形再现音频，其中阵列以两对较小尺寸的换能器扩展，这些换能器对于较高频率内容创建侧偶极子。如图6a所示，这种设置可以被实现为一个单个的元件。
图6b示出了阵列20'的变体(即，阵列20”)，其使用侧面为一对较大尺寸的换能器的较小尺寸的换能器的阵列。
两个阵列20'和20”或其变体可以被用作用于上述实施例的阵列。在上述实施例中，优选地已经解释了在某个频率范围内的波束成形可以与偶极化结合以便更方便地再现“有问题的”频带。
如果在有问题的频率范围中的波束成形通过使用另一个波束成形再现***纵或校正，使得声音再现的整个结果关于其再现质量与波束成形和偶极化的结合相当，那么“有问题的”频率范围的再现，如在图1的上下文中讨论的，可以使用波束成形来再现。下面将详细讨论包括波束成形与声音取消相结合的第二种技术。
对于这种技术，可以使用计算单元60，如图8所示。图8示出了用于处理声音取消的计算单元60的示例性框图。计算单元60包括两条处理路径62和63以及在输入端处的可选的均衡器(EQ)65。在处理路径62和63中分开处理不同的频带。在这里，用于计算第一多个信号N62(用于第一波束成形再现)的处理路径62使用波束成形器62b处理输入流的整个频带。相反，用于声音取消的路径63仅处理整个频带的有限部分。因此，路径63包括布置在可选EQ65和路径63的第二波束成形器63b之间的滤波器63a。此外，路径63包括布置在波束成形器63b的输入端处的逆滤波器63c(-H1(Z)/H2(Z))，用于执行输入信号的逆，使得由波束成形器63b输出的多个音频信号N63能够实现在整个频带的有限部分内的直接声音抑制。波束成形器63b输出第二多个信号N63。使用混合器64将第一多个音频信号N62和第二多个音频信号N63相加，并将其输出到阵列。通常，混合器64被集成到计算单元60的输出装置中。
将关于图9a至9c讨论声音取消的概念。图9a示出了(第一)波束成形器的方向性(以dB为单位)。这第一波束成形可以使用距离为5cm的20个等距的远程驱动器再现。45°的转向角应当被再现。如可以看到的，这种波束成形器独自在低频下(例如低于300Hz或400Hz的声音)具有不足的方向性。因此，以0°坐在音箱前面的听众将局部化在0°(音箱的方向)低于300Hz或400Hz的声音。可以通过使用声音取消来校正在整个频率范围中低于300或400Hz的部分处的不足的方向性，由此，可以执行在这个频率部分中和在有缺陷的角度范围中的声音取消。因此，如图9b所示，通过声音取消来减少这个部分中从该扬声器阵列直接到达听众的声音。
图9b示出了波束成形器的方向性(以dB为单位)，其中已经应用了有问题的频率范围内的第二波束，以便取消第一波束的不想要的指向的声音。声音取消的应用可以导致在30至-30°范围内的低频处具有最小值的方向性模式。如图9b所示，可以通过均衡器进一步改进这个结果，以补偿低频处的损耗。因此，关于图1讨论的处理器还可以包括被配置为在第二部分内执行均衡的均衡器。均衡的结果如图9c所示。如可以看到的，低频内的方向性模式在0°处具有尖锐的缺口。应该注意的是，声音取消和偶极化的原理可以结合。
根据另外的实施例，低通声道可以通过使用低音炮来支持。对于这种使用情况，处理器可以被配置为在对信号进行或不进行滤波的情况下直接将经由输入装置接收的信号转发到输出装置。要注意的是，这种直接转发不限于单个的声道或某些频带。
虽然在上述实施例中声音***已被描述为包括至少一个音箱的***，但是应当注意的是，该***也可以由另一种类型的阵列形成，例如，包括两个或三个分开的换能器的阵列。
虽然在上述实施例中已经在装置的上下文中讨论了本发明，但是应当注意的是，另一个实施例涉及用于计算声音***的声音再现的方法。该方法包括以下步骤：接收待使用阵列再现并具有频率范围的音频流；计算用于换能器的第一多个单独的音频信号，使得波束成形被执行；计算用于声音***的换能器的第二多个单独的音频信号，使得声音取消和/或偶极化被执行，并使用包括音频流的频率范围的第一部分的第一带通特点来对第一多个单独的音频信号进行滤波；使用包括音频流的频率范围的第二部分的第二通带特点来对第二多个单独的音频信号进行滤波，其中第二部分与第一部分不同；以及输出第一和第二多个单独的音频信号，以便控制声音***。
虽然已经在装置的上下文中描述了一些方面，但要清楚的是，这些方面也表示对应方法的描述，其中块或设备与方法步骤或方法步骤的特征对应。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以由(或使用)硬件装置(比如像微处理器、可编程计算机或电子电路)来执行。在一些实施例中，可以由这种装置执行最重要的方法步骤中的一些或多个方法步骤。
本发明的编码的音频信号可以存储在数字存储介质上，或者可以在诸如无线传输介质或有线传输介质(诸如互联网)的传输介质上发送。
取决于某些实现要求，本发明的实施例可以用硬件或者用软件来实现。实现可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质(例如软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或FLASH存储器)来执行，其中电子可读控制信号与可编程计算机***协作(或能够协作)，使得执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机***协作，使得执行本文所述的方法之一。
一般而言，本发明的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码可操作用于执行方法之一。程序代码可以例如存储在机器可读载体上。
其它实施例包括存储在机器可读载体上、用于执行本文所述的方法之一的计算机程序。
换句话说，本发明方法的实施例因此是计算机程序，该计算机程序具有当该计算机程序在计算机上运行时用于执行本文所述的方法之一的程序代码。
因此，本发明方法的另一个实施例是包括其上记录的用于执行本文所述的方法之一的计算机程序的数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非暂态的。
因此，本发明方法的另一个实施例是表示用于执行本文所述的方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如经由互联网)传送。
另一个实施例包括被配置为或适于执行本文所述的方法之一的处理装置，例如计算机或可编程逻辑设备。
另一个实施例包括具有安装在其上用于执行本文所述的方法之一的计算机程序的计算机。
根据本发明的另一个实施例包括被配置为将用于执行本文所述的方法之一的计算机程序(例如，电子地或光学地)传送到接收器的装置或***。接收器可以例如是计算机、移动设备、存储器设备等。该装置或***可以例如包括用于将计算机程序传送到接收器的文件服务器。
在一些实施例中，可以使用可编程逻辑设备(例如现场可编程门阵列)来执行本文所述的方法的功能中的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行本文所述的方法之一。一般而言，这些方法优选地由任何硬件装置执行。
上述实施例仅仅是对本发明的原理的说明。应当理解的是，本文描述的布置和细节的修改和变形对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的意图是仅由待决专利权利要求的范围限制，而不是由通过对本文实施例的描述和解释给出的具体细节限制。

Claims (24)

1.一种用于包括具有多个换能器(20a至20j)的阵列(20，20'，20”)的声音***(100，102，104)的计算单元(10)，所述计算单元(10)包括：
输入装置(12)，用于接收待使用声音***(100，102，104)再现并具有频率范围的音频流；
处理器(16)；以及
输出装置(14)，用于控制声音***(100，102，104)，
其中处理器(16)被配置为针对阵列(20，20'，20”)的换能器(20a至20j)计算第一多个单独的音频信号，使得波束成形由阵列(20，20'，20”)执行，其中第一多个单独的音频信号包括与音频流的频率范围的第一部分对应的频率范围，
其中处理器(16)被配置为针对声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)计算第二多个单独的音频信号，以使用声音***(100，102，104)执行直接声音抑制，使得声音朝着收听方向被取消，
其中处理器(16)被配置为使用包括音频流的频率范围的第二部分的第二通带特点对第二多个单独的音频信号进行滤波，其中第二部分不同于第一部分；
其中通过使用至少三个音频信号来执行经由所述第一多个单独的音频信号执行的波束成形，使得至少三个换能器(20a至20j)被控制，
其中使用混合器将所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号相加，并输出至包括由所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号控制的所述声音***的换能器的一个阵列。
2.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中使用声音取消和/或偶极化来执行直接声音抑制。
3.如权利要求2所述的计算单元(10)，其中声音取消包括对音频流的频率范围的第二部分内的波束成形的操纵。
4.如权利要求2所述的计算单元(10)，其中声音取消校正在频率范围的第二部分内经由所述第一多个单独的音频信号执行的波束成形。
5.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中第二部分是第一部分的子集。
6.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中处理器(16)被配置为使用包括音频流的频率范围的第一部分的第一通带特点对第一多个单独的音频信号进行滤波。
7.如权利要求2所述的计算单元(10)，其中通过以相移方式为两个不同的换能器(20a至20j)提供第二多个单独的音频信号中的至少两个单独的音频信号或者通过以相移方式为两组不同的换能器(20a至20j)提供第二多个单独的音频信号中的至少两组单独的音频信号来执行偶极化。
8.如权利要求7所述的计算单元(10)，其中所述两个单独的音频信号或所述两组单独的音频信号相移180°。
9.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中频率范围的第二部分低于频率范围的第一部分。
10.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中经由第二多个单独的音频信号执行的波束成形是通过使用至少三个音频信号来执行的，以使得至少三个换能器(20a至20j)被控制。
11.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中经由所述第一多个单独的音频信号并经由第二多个单独的音频信号来控制不同的换能器(20a至20j)。
12.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中阵列(20，20'，20”)的所有换能器(20a至20j)都经由第一多个单独的音频信号被控制，并且其中声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)的子集经由第二多个单独的音频信号被控制。
13.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中处理器(16)被配置为针对声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)计算第三多个单独的音频信号，使得偶极化由声音***(100，102，104)执行，并且其中处理器(16)被配置为使用包括音频流的频率范围的第三部分的第三通带特点来对第三多个单独的音频信号进行滤波，其中第三部分不同于第一部分和第二部分。
14.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中处理器(16)被配置为针对包括立体声再现的声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)计算第三多个单独的音频信号，
其中处理器(16)被配置为使用包括音频流的频率范围的第三部分的第三通带特点来对第三多个单独的音频信号进行滤波，其中频率范围的第三部分不同于频率范围的第一部分和第二部分。
15.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中被布置成彼此最远的声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)经由第二多个单独的音频信号和/或经由第三多个单独的音频信号被控制。
16.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中处理器(16)基于以下公式来计算第一多个单独的音频信号xi
xi(t)＝HPF{s(t+τi)}，
其中HPF符合第一通带特点，并且τi符合阵列(20，20’，20”)的换能器(20a至20j)的转向延迟，以及
其中处理器(16)基于以下公式计算第二多个单独的音频信号x1和xn
x1(t)＝LPF{s(t)}
xN(t)＝-LPF{s(t)}，
其中LPF符合第二通带特点。
17.如权利要求1所述的计算单元(10)，其中处理器(16)被配置为直接将经由输入装置接收的信号转发到输出装置。
18.一种声音***，包括：
如权利要求1所述的处理器(16)和具有多个换能器(20a至20j)的阵列(20，20’，20”)。
19.如权利要求18所述的***，还包括至少两个附加的分开的扬声器元件。
20.如权利要求19所述的***，其中所述两个分开的扬声器元件中的每个包括具有布置在弯曲线上的至少三个换能器的阵列。
21.一种用于计算包括具有多个换能器(20a至20j)的阵列(20，20'，20”)的声音***(100，102，104)的声音再现的方法，所述方法包括以下步骤：
接收待使用阵列(20，20'，20”)再现并具有频率范围的音频流；
针对阵列(20，20'，20”)的换能器(20a至20j)计算第一多个单独的音频信号，使得经由阵列(20，20'，20”)执行波束成形，其中第一多个单独的音频信号包括与音频流的频率范围的第一部分对应的频率范围；
针对声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)计算第二多个单独的音频信号，以使用声音***(100，102，104)执行直接声音抑制，使得声音朝着收听方向被取消；
使用包括音频流的频率范围的第二部分的第二通带特点对第二多个单独的音频信号进行滤波，其中第二部分不同于第一部分；
输出第一多个单独的音频信号和第二多个单独的音频信号，以便控制声音***(100，102，104)；以及
使用混合器将所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号相加，并输出至包括由所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号控制的所述声音***的换能器的一个阵列。
22.一种计算机可读数字存储介质，其上存储有具有程序代码的计算机程序，其中当计算机程序在计算机上运行时程序代码用于执行如权利要求21所述的方法。
23.一种用于包括具有多个换能器(20a至20j)的阵列(20，20'，20”)的声音***(100，102，104)的计算单元(10)，计算单元(10)包括：
输入装置(12)，用于接收待使用声音***(100，102，104)再现并具有频率范围的音频流；
处理器(16)；以及
输出装置(14)，用于控制声音***(100，102，104)，
其中处理器(16)被配置为针对阵列(20，20'，20”)的换能器(20a至20j)计算第一多个单独的音频信号，使得波束成形由阵列(20，20'，20”)执行，其中第一多个单独的音频信号包括与音频流的频率范围的第一部分对应的频率范围，
其中处理器(16)被配置为针对声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)计算第二多个单独的音频信号，以使用声音***(100，102，104)执行直接声音抑制，使得声音朝着收听方向被取消，
其中处理器(16)被配置为使用包括音频流的频率范围的第二部分的第二通带特点对第二多个单独的音频信号进行滤波，其中第二部分不同于第一部分；
其中使用声音取消来执行直接声音抑制，其中声音取消校正使用经由第一多个单独的音频信号执行的波束成形的频率范围的第二部分内的第二多个单独的音频信号，
其中使用混合器将所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号相加，并输出至包括由所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号控制的所述声音***的换能器的一个阵列。
24.一种用于包括具有多个换能器(20a至20j)的阵列(20，20'，20”)的声音***(100，102，104)的计算单元(10)，计算单元(10)包括：
输入装置(12)，用于接收待使用声音***(100，102，104)再现并具有频率范围的音频流；
处理器(16)；以及
输出装置(14)，用于控制声音***(100，102，104)，
其中处理器(16)被配置为针对阵列(20，20'，20”)的换能器(20a至20j)计算第一多个单独的音频信号，使得波束成形由阵列(20，20'，20”)执行，其中第一多个单独的音频信号包括与音频流的频率范围的第一部分对应的频率范围，
其中处理器(16)被配置为针对声音***(100，102，104)的换能器(20a至20j)计算第二多个单独的音频信号，以使用声音***(100，102，104)执行直接声音抑制，使得声音朝着收听方向被取消，
其中处理器(16)被配置为使用包括音频流的频率范围的第二部分的第二通带特点对第二多个单独的音频信号进行滤波，其中第二部分不同于第一部分；
其中通过使用至少三个音频信号来执行经由所述第一多个单独的音频信号执行的波束成形，使得至少三个换能器(20a至20j)被控制；
其中第二部分是第一部分的子集，
其中使用混合器将所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号相加，并输出至包括由所述第一多个单独的音频信号和所述第二多个单独的音频信号控制的所述声音***的换能器的一个阵列。
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