CN116325798A - 用于恒定波束宽度换能器阵列的动态波束调向控制的***和方法 - Google Patents

Abstract

在至少一个实施方案中，提供了一种用于控制多波束恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的***。所述***包括扬声器组件和至少一个控制器。扬声器组件包括CBT换能器阵列，其被配置为以第一倾角将第一声束发射到聆听环境中。至少一个控制器被编程为接收指示聆听环境的尺寸、扬声器组件的位置和用户在聆听环境中的位置中的至少一者的输入。至少一个控制器还被编程为基于所述输入动态地控制CBT换能器阵列来以不同于第一倾角的第二倾角将第一声束发射到聆听环境中。

Description

用于恒定波束宽度换能器阵列的动态波束调向控制的***和 方法

相关申请的交叉引用

本申请可涉及于2020年10月9日提交的代理人案卷号为HARM0751PCT且称为“用于多波束恒定波束宽度换能器阵列的***和方法”的国际申请序列号__________。

技术领域

本文公开的方面通常提供但不限于一种用于恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的动态波束调向控制的***和方法。在一个方面，***和方法提供了一种控制机制，以将来自CBT阵列的声束朝向聆听位置动态地调向和引导。所公开的示例可以经由头顶声以及环绕声投射实现对各种位置(例如，甜蜜点)的沉浸式声音的实时动态调整。本文将更详细地讨论这些方面和其他方面。

背景技术

Keele,Jr的美国专利号8,170,223公开了一种扬声器，用于接收传入的电信号并发射声学信号，所述声学信号是定向的并且在宽频率范围内具有基本恒定的波束宽度。扬声器可以包括弯曲的安装板，所述安装板具有一定角度范围内的曲率。扬声器可以包括耦合到安装板的扬声器驱动器阵列。每个扬声器驱动器可以由具有相应振幅的电信号驱动，所述振幅是扬声器驱动器在安装板上的相应位置的函数。所述函数可以是勒让德函数。替代性地，扬声器可以包括平坦的安装板。在这种情况下，驱动每个扬声器驱动器的相应电信号可具有将扬声器虚拟定位到弯曲表面上的相位延迟。

发明内容

在至少一个实施方案中，提供了一种用于控制多波束恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的***。所述***包括扬声器组件和至少一个控制器。扬声器组件包括CBT换能器阵列，其被配置为以第一倾角将第一声束发射到聆听环境中。至少一个控制器被编程为接收指示聆听环境的尺寸、扬声器组件的位置和用户在聆听环境中的位置中的至少一者的输入。至少一个控制器还被编程为基于所述输入动态地控制CBT换能器阵列来以不同于第一倾角的第二倾角将第一声束发射到聆听环境中。

在至少一个实施方案中，提供了一种用于控制多波束恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的***。所述***包括扬声器组件和至少一个控制器。扬声器组件包括CBT换能器阵列，其被配置为以第一波束宽度将第一声束发射到聆听环境中。至少一个控制器被编程为接收指示聆听环境的尺寸、扬声器组件的位置和至少一个用户在聆听环境中的位置中的至少一者的输入。至少一个控制器还被编程为基于所述输入动态地控制CBT换能器阵列来以不同于第一波束宽度的第二波束宽度将第一声束发射到聆听环境中。

在至少一个实施方案中，提供了一种用于控制多波束恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的方法。方法包括接收指示聆听环境的尺寸、扬声器组件的位置和至少一个用户在聆听环境中的位置中的至少一者的输入。扬声器组件包括恒定波束宽度换能器(CBT)换能器阵列，其以第一倾角和第一波束宽度将第一声束发射到聆听环境中。方法还包括基于所述输入动态地控制CBT换能器阵列以不同于第一倾角的第二倾角和与第一波束宽度相同或不同的第二宽度将第一声束发射到聆听环境中。

附图说明

在所附权利要求中具体地指出了本公开的实施方案。然而，通过结合附图参考以下详细描述，各种实施方案的其他特征将变得更加明显并且将得到最好的理解，在附图中：

图1总体描绘了恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的各种示例；

图2总体描绘了从单波束CBT阵列发射的声束；

图3总体描绘了从经调向的多波束CBT阵列发射的多个声束；

图4总体描绘了用于形成沉浸式音频体验的垂直定向的多波束CBT阵列；

图5总体描绘了水平定向的条形音箱，用于为听音室中的每个聆听者发射单独的波束；

图6总体描绘了具有多个驱动器的CBT阵列的一个示例。

图7总体描绘了以预定波束宽度角从CBT阵列发射的声束；

图8总体描绘了以如图7所示的预定波束宽度角从CBT阵列发射的声束的极性响应；

图9总体描绘了形成为直线且没有振幅束控的扬声器阵列(例如，非CBT阵列)；

图10总体描绘了形成为曲线并包括振幅束控的CBT阵列；

图11总体描绘了来自非CBT扬声器阵列的声束和来自CBT扬声器阵列的声束；

图12A-12B分别总体描绘了针对非CBT扬声器阵列和CBT扬声器阵列的波束宽度与频率的关系图；

图13A-13F总体描绘了针对非CBT阵列与CBT阵列的声场/覆盖模式；

图14总体描绘了物理弧形CBT阵列；

图15总体描绘了延迟导出的CBT阵列；

图16总体描绘了物理或虚拟弯曲的CBT阵列的弧角以形成30度波束宽度声束；

图17总体描绘了垂直定向的CBT阵列；

图18总体描绘了水平定向的CBT阵列；

图19总体描绘了应用于CBT阵列的每个驱动器的对应量的振幅束控；

图20总体描绘了一半的CBT阵列，其图示了针对CBT阵列的每个驱动器的角位置；

图21总体描绘了CBT勒让德束控函数曲线；

图22总体描绘了经截断和扩展的CBT勒让德束控函数曲线；

图23总体描绘了如从弧的曲率中心测量的CBT阵列的波束宽度；

图24总体描绘了具有一次生成的单个同轴声束的单波束CBT阵列；

图25总体描绘了如从CBT阵列发射的经调向的多波束模式；

图26总体描绘了根据一个实施方案的用于从CBT阵列提供多波束模式的***；

图27总体描绘了根据一个实施方案的用于形成可调向多波束CBT阵列的方法；

图28总体描绘了根据一个实施方案的用于形成延迟导出弧的方法，

图29总体描绘了用于生成关于CBT阵列的前部的目标波束宽度的方法；

图30总体描绘了根据一个实施方案的经旋转的直线扬声器阵列；

图31总体描绘了根据一个实施方案的经旋转并往回移动最大旋转x位置的直线阵列；

图32A-32H总体描绘了根据一个实施方案的针对多个音频束的延迟导出弧、延迟导出倾斜度(如果适用的话)和得到的极性响应；

图33总体描绘了根据一个实施方案的以不同角调向的三个不同垂直波束的叠加；

图34总体描绘了用于对同轴和离轴波束调整波束宽度和倾角的***；

图35总体描绘了用于确定房间尺寸、扬声器位置和聆听者位置的***；

图36总体描绘了聆听环境中的反射的顶部发射波束；

图37总体描绘了成角度以发射音频束的扬声器驱动器和/或扬声器外壳；

图38总体描绘了扬声器的高度对反射音频束的甜蜜点的影响；

图39总体描绘了天花板高度对反射声束和产生的甜蜜点的影响；

图40总体描绘了头顶声束的一个示例；

图41总体描绘了头顶声束的另一个示例；

图42总体描绘了头顶声束的另一个示例；

图43总体描绘了根据一个实施方案的用于基于聆听者位置、天花板高度和扬声器高度提供波束宽度和波束角度变化的***的一个示例；

图44总体描绘了成角度末端驱动器的一个示例；

图45总体描绘了具有分离的左、右和中心通道的CBT阵列的一个示例；和

图46总体描绘了根据一个实施方案的用于自动调整来自扬声器组件的声束的波束宽度和/或倾角的方法，包括以第一倾角将声束发射到聆听环境中的CBT换能器阵列。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所公开的实施方案仅是可体现为各种和可选形式的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体的结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。

应认识到，如本文公开的控制器可包括彼此协作以执行本文公开的操作的各种微处理器、集成电路、存储器装置(例如，FLASH、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或其他合适的其变体)和软件。此外，如所公开的此类控制器利用一个或多个微处理器来执行体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序产品，所述计算机程序产品被编程以执行任何数量的如所公开的功能。此外，如本文提供的控制器包括壳体和定位在所述壳体内的各种数量的微处理器、集成电路和存储器装置(例如，FLASH、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))。如所公开的控制器还包括基于硬件的输入端和输出端，它们分别用于从如本文所讨论的其他基于硬件的装置接收数据和向其传输数据。

多波束恒定波束宽度换能器阵列

图1总体描绘了恒定波束宽度换能器(CBT)阵列100a、100b、100c(或“100”)的各种示例。一般而言，阵列100a、100b、100c中的每一个包括多个换能器102，其围绕扬声器外壳104内的圆弧放置。在一个示例中，CBT阵列100可以是物理或虚拟弯曲的扬声器阵列，其形成同轴指向的单个受控声束(例如，参见图2)。CBT阵列100可以是可调向的，并且可以从单个阵列生成多个受控声束，如图3所描绘，这些声束可以被定向为离轴。在一个示例中，换能器102的阵列100可以在任何给定时间生成离轴的单个可调向声束或同轴的单个声束。在另一个示例中，换能器102的阵列100可以同时生成朝向任意数量的位置或目标的形状一致的多个声束(例如，参见图3)。

图4总体描绘了用于对聆听者110形成沉浸式音频体验的垂直定向的多波束CBT阵列100。如图4所示，多波束CBT阵列100由垂直定向的直线阵列形成，所述阵列将受控波束从聆听环境中的天花板反射回来，以获得沉浸式音频体验。此类实施方案的一个示例是杜比全景声(Dolby

)。图5总体描绘了水平定向的条形音箱(或阵列100)，其对听音室120中的每个聆听者110a、110b、110c发射单独的波束。水平定向的条形音箱对每个聆听者110a、110b、110c形成个性化的波束，或者针对不同的音频通道(例如中间、左侧和右侧)发出单独的波束。

应认识到，基于CBT的阵列可以分为两种不同的应用。例如，CBT阵列可以是如上所述的恒定波束宽度换能器(CBT)阵列(或“CBT1”)或恒定波束宽度技术(CBT)阵列或(“CBT2”)。CBT1阵列和CBT2阵列之间的一个区别是，CBT1阵列结合时间延迟和振幅束控，而CBT2阵列利用时间延迟、振幅束控和频率束控。振幅束控通常涉及在每个频率下均等地降低驱动器的输出电平。频率束控通常涉及对驱动器进行低通滤波，使得振幅响应在不同频率下不同。时间延迟实质上改变来自驱动器的输出到达聆听位置的时间。

CBT1阵列是单波束CBT阵列(或扬声器阵列)150，其经振幅束控和弯曲(物理地或虚拟地(使用时间延迟))(例如参见图1)以产生具有恒定波束宽度与频率的固定位置声束(例如，参见图6)。波束宽度可以被定义为或称为例如声束的覆盖角，并且可以更正式地被定义为波束主瓣的-6dB SPL点之间的角(例如参见图7和图8)。图6描绘了具有12个驱动器(或换能器)102的CBT阵列150，所述阵列经物理弯曲和振幅束控。图7描绘了从CBT阵列150发出的具有例如30度波束宽度的声束。

期望生成在宽频率带宽上具有恒定波束宽度的声束，因为声束将保持其形状，例如针对音乐曲目中的不同乐器或声乐音符。通过保持恒定的波束宽度，CBT阵列150因此对被波束覆盖的每个聆听者110a、110b、110c提供一致的聆听体验。为了说明恒定波束宽度促进均匀且一致的聆听体验的方式，提供基于直线的阵列160(参见图9)和CBT阵列150(参见图10)的波束形状和覆盖模式以供参考和讨论。图9中的直线阵列160是非弯曲的并且没有表现出任何振幅束控。相比之下，图10中的CBT阵列150是弯曲并且经振幅束控的(例如，参见范围从0dB到-12dB的SPL点)。

图11总体描绘了来自非CBT扬声器阵列(例如，阵列160)的声束170和来自CBT扬声器阵列(例如，阵列150)的声束172。如图所示，声束172的频率保持恒定，而声束170表现出明显的形状变化。图12A-12B总体上分别描绘了针对非CBT扬声器阵列(例如，阵列160)和CBT扬声器阵列(例如，阵列150)的波束宽度与频率的关系图180和182。与针对阵列160的波束宽度与频率的关系图180的不稳定模式相比，针对阵列150的波束宽度与频率的关系图182几乎是平坦的。

图13A-13F总体描绘了针对非CBT阵列(例如，阵列160)(例如，参见图13A-13C)和CBT阵列(例如，阵列150)(例如，参见图13D-13F)的声场/覆盖模式190和192。声场190根据音频输出的频率表现出剧烈的模式偏移，而CBT阵列150的声场192表现出一致的覆盖模式。

提供固定位置的单个声束的CBT阵列150可以通过以下方法形成：

1)选择驱动器间距(例如，换能器102之间的间距)和阵列长度；

2)将阵列150物理或虚拟地弯曲；以及

3)根据勒让德束控函数对换能器102进行振幅束控。

选择驱动器间距和阵列长度

可以利用波束宽度控制的频率上限和下限来确定驱动器间距和阵列长度。特别地，对于波长小于阵列的长度但大于驱动器间距的频率，CBT阵列的波束宽度将保持恒定。例如，具有间隔17mm的50个驱动器的CBT阵列150可以提供介于417Hz与20,200Hz之间的恒定波束宽度，如以下计算所详述：

当驱动器间距等于一个波长时，针对波束宽度控制的频率上限出现，而当驱动器间距大于半波长时，旁瓣可以开始形成。因此，即使具有换能器102(或驱动器)的阵列150可以间隔开17mm，阵列150也可以提供高达20200Hz的恒定波束宽度，其中旁瓣在10100Hz处开始形成。

弯曲阵列

弯曲阵列150可以通过以下来实现：沿着弧物理地布置驱动器102(参见图14的物理弧形CBT阵列)或者使用时间延迟有效地向后移动驱动器102的直线以形成虚拟弧(参见图15的延迟导出CBT弧)。一般而言，物理或虚拟弧的角度决定从CBT阵列150发出的声束的波束宽度(即覆盖角)。例如，形成30度波束需要39度的物理或虚拟弧角(见图16)。波束宽度与弧角的比率由振幅束控函数确定，这将在下面进一步描述。

使用时间延迟从直线阵列形成延迟导出弧提供了比构建物理弧更灵活的设计，因为延迟导出弧实际上可以形成许多不同的弧角。能够产生许多不同的弧意味着延迟导出的CBT阵列可以产生许多而不是一个固定的波束宽度/覆盖模式。

波束起源于弧的曲率中心，并且波束形状根据阵列的取向垂直或水平地形成。例如，如果阵列是垂直定向的，则30度波束将向上跨越15度并向下跨越15度(见图17)。同样，如果阵列是水平定向的，则同一30度波束将覆盖右侧15度和左侧15度(见图18)。

对驱动器(换能器)进行振幅束控

对CBT阵列150进行振幅束控通常涉及根据勒让德束控函数从阵列160的中间向外逐渐降低每对换能器102的输出电平，如图19所示。图19描绘了应用于每个驱动器120的振幅束控量。束控函数决定波束宽度与弧角的比率。使用将最外面的驱动器衰减至多-12dB的勒让德束控函数形成例如0.7776的波束宽度与弧角的比率。替代性地，阵列150的波束宽度是物理或虚拟弧角的78％。因此，产生30度的波束宽度需要39度的物理或虚拟弧。

阵列150可具有为弧角的76％的波束宽度。然而，针对最外面的驱动器实现-12dB的最大振幅束控的勒让德束控函数可导致波束宽度为弧角的78％。

针对每个驱动器102的振幅束控量可以按以下方式计算：

1)将阵列分成两半(如果阵列具有奇数数量的驱动器，则包括中间的驱动器)。

2)对于每个驱动器，找到归一化角度

其中θ是每个驱动器在弧上的角位置，并且θ₀是弧角的一半(见图20)。例如，位于阵列的中点(θ＝0°)的驱动器102具有归一化角度x＝0。同样，最外面的驱动器(θ＝θ₀)具有归一化角度x＝1。

3)通过将归一化角度

作为以下四项幂级数逼近的变元传递到CBT勒让德束控函数来计算针对每个驱动器的振幅束控量，这在所有可用的勒让德阶上都是可接受的：

需注意，上面的函数在x＝0时恰好为1(位于阵列中间的驱动器)并且在x＝1时恰好为0(最外面的驱动器)。

4)将U转换为分贝。需注意，对于位于阵列中间的驱动器，

U_dB＝20 log₁₀(1)＝0dB (无振幅束控)

并且对于最外面的驱动器，

U_dB＝20 log₁₀(0)＝-∞dB (完全衰减)

5)针对外部驱动器在-12dB处截断勒让德函数并“扩展”曲线(参见图21和图22)。

6)将原始勒让德函数曲线上的归一化角度映射到经截断和扩展的勒让德函数曲线上的归一化角度，以获得针对每个驱动器102的振幅束控量(以分贝为单位)。

7)将束控对称地应用到阵列150的下半部分。

虽然CBT阵列150可以提供恒定波束宽度的声束，但是阵列150可能具有一些限制。例如，声束可能仅是同轴指向的。另一个缺点是阵列150可能一次仅提供和控制单个声束。又一个限制是声束的波束宽度和极化响应需要从物理或虚拟弧的曲率中心而不是阵列150的前部测量(参见图23)。

从曲率中心测量CBT阵列150可能很麻烦，因为阵列150的前部必须从扬声器的典型测量位置向前移动，以便围绕弧的曲率中心旋转所述阵列。曲率中心可能在阵列后面一米多的地方，这使得在典型的消声室中进行准确的自旋测量变得困难。

此外，将曲率中心定义为针对波束宽度的参考点使得在某些情况下形成由阵列150提供的覆盖模式是冗长的。不是选择相对于曲率中心(位于阵列150后面)的波束宽度，而是更希望形成相对于阵列的前部(这是针对聆听者的参考点)的目标波束宽度。

如上所指出，阵列150可以一次仅提供单个同轴音频束(参见图24)。本文公开的实施方案一次提供多个调向声束，其中每个声束同轴指向或离轴指向(参见图25)。

用于从CBT阵列提供可调向多波束模式的***

图26总体描绘了根据一个实施方案的用于从CBT阵列250提供可调向多波束模式的***200。***200包括音频控制器202和CBT阵列250。音频控制器202包括至少一个微处理器204(微处理器204)、多个放大器206、存储器208和收发器210。音频控制器202经由收发器210将音频输入信号无线发射到CBT阵列250。在另一个实施方案中，音频控制器202和CBT阵列250可以集成在一起作为单个部件。

CBT阵列250可以包括M×N个换能器(或驱动器)252的阵列。一般而言，多个放大器206可包括用于对应换能器252的单个放大器。多个放大器206中的每一个包括用于控制针对换能器252的时间延迟和振幅束控的数字声音处理器(DSP)。这个方面使得音频控制器202能够调整由换能器252生成的每个声束的波束宽度并且进一步调整由换能器252生成的每个声束的倾角。例如，音频控制器202可以生成多个声束，其中每个声束具有彼此不同或相似的波束宽度并且每个声束具有彼此不同或相似的倾角(或调向角)。

为了清楚起见，音频控制器202不单独对驱动器252中的每一个调整倾角。相反，音频控制器202共同调整由换能器252生成的每个声束的倾角。

用于形成可调向多波束CBT阵列的方法

图27总体描绘了根据一个实施方案的用于形成可调向多波束CBT阵列250的方法300。CBT阵列250可以通过执行下述操作来提供可调向多波束模式。

在操作302中，选择驱动器252的间距和阵列250的总长度。驱动器252的间距和阵列250的总长度决定由音频控制器202提供的波束宽度控制的频率上限和下限。

在操作304中，弯曲阵列250以实现目标波束宽度。可以通过以下来弯曲阵列250：使用时间延迟来有效地向后移动驱动器252的直线以在虚拟地形成(而不是物理地弯曲)CBT阵列250的情况下形成虚拟弧。下面直接指出并进一步参考图28的下列方程组来说明关于以下的方式：在给定弧角θ_T和直线阵列的高度的情况下，H_T计算每个驱动器252所需的延迟时间量。

CBT弧的半径由下式给出

其中R＝圆弧半径

H_T＝圆弧的总高度(假设等于直线阵列的高度)，并且

θ_T＝弧的夹角。

弧上特定源的角位置由下式给出

其中θ_s＝源的角度，并且

h＝源的高度

将源定位在弧上所需的偏移量D由下式给出

D＝R(1-cosθ₅)

其中D＝源的偏移量

最后，所需的延迟τ_x由下式给出

τ_x＝D/c

其中τ_x＝偏移延迟，并且

c＝声音速度

选择弧角θ_T以实现相对于曲率中心(在阵列250之后)的目标波束宽度。然而，可能更希望涉及相对于阵列250的前部的目标波束宽度，因为所述前部是用户从其聆听音频的参考点。图29总体提供了从目标波束宽度θbw_期望计算实际波束宽度θbw_实际所需的几何关系，所述目标波束宽度距离CBT阵列250的前部一段距离处测得r。

虚拟弧的曲率半径R可以通过求解以下非线性方程得到：

通过确定曲率半径，阵列250的实际波束宽度可以通过以下得到：

因此，虚拟弧的角度可以通过以下计算：

在一个示例中，上述方程式中使用的常数0.7776对应于波束宽度与弧角的比率，所述比率由勒让德束控函数确定。控制器202可以执行操作304的一个或多个方面并确定或计算供每个驱动器252虚拟地弯曲CBT阵列250的时间延迟(例如，第一时间延迟)，如上所述。

在操作306中，可以倾斜由阵列250生成的声束。类似于从驱动器252的直线阵列形成延迟导出弧，声束的调向可以经由时间操纵来实现。驱动器252的直线阵列可以通过以下来虚拟地倾斜：对阵列的驱动器252的一半进行渐进式时间提前并对另一半进行渐进式时间延迟。然后所有驱动器252可以被延迟最大时间提前量，以便用数字时间延迟电路实现倾斜。用于计算每个驱动器252所需的时间延迟量的方法描述如下(假设垂直导向阵列)：

1)如下将逆时针旋转矩阵

乘以每个驱动器252的(x，y)坐标(见图30，其中直线阵列250逆时针旋转45度)，以供参考：

其中θ是期望的倾斜角。

2)从每个驱动器252的旋转x位置减去最大旋转x位置，使得没有驱动器的旋转x位置超过直线阵列250中驱动器252的x位置(参见图31，其中直线阵列250逆时针旋转45度并向后移动最大旋转x位置)。

3)经由以下方程计算针对每个驱动器252的时间延迟：

其中D是每个驱动器252从其在直线阵列250中的原始x位置移回的距离，并且c是声音速度。控制器202可以确定供每个驱动器252虚拟旋转CBT阵列250的时间延迟(例如，第二时间延迟)，如上文结合操作306的步骤1)、(2)和(3)所述。

在操作308中，将曲线和倾斜时间延迟彼此相加。例如，将每个驱动器252定位在延迟导出弧上所需的时间延迟(参见操作304)和将每个驱动器沿着虚拟倾斜阵列放置所需的时间延迟(参见操作306)可以加在一起以确定每个驱动器252所需的总延迟。可以进一步调整针对每个驱动器252的时间延迟总量，使得需要最少延迟量的驱动器252没有延迟，并且因此减少针对所有其他驱动器252的总延迟。控制器202可以执行操作308的一个或多个方面。

在操作310中，将振幅束控应用到驱动器252(参见上面提供的U(x))。从阵列250的中间向外的每对驱动器252的输出电平可以根据勒让德束控函数来降低。以上述方式计算每个驱动器252的振幅束控量。控制器202可以执行操作308的一个或多个方面。

在操作312中，针对每个期望的声束重新执行操作304、306、308和310。可以重复这些操作以形成多个声束，这些声束各自具有波束宽度和对应的倾斜角。图32A、图32B、图32C、图32D、图32E、图32F、图32G和图32H提供了针对在0度、+45度和-45度下调向的三个不同30度垂直波束的设计过程和极化响应的总结。图32A-32H中所示的模拟结果是针对具有17mm驱动器间距的50个驱动器的阵列生成的。

在操作314中，可以通过叠加将单独的声束设计270、272、274组合成多波束响应。例如，如图32B、图32E和图32H所示的叠加波束270、272和274产生如图33所示的极性响应。图33总体描绘了可以从单个直线阵列250生成多个恒定波束宽度声束。

本文公开的实施方案总体提供了可以以离轴角调向的声束，一次可以发出多于一个受控声束，并且可以从阵列250的前部而不是阵列250的弧的曲率中心参考每个声束的波束宽度和极化响应。控制器202可以存储与波束270、272和274相对应的信息并控制阵列250(即，驱动器252)生成可以以离轴角调向的恒定声束270、272和274，同时在完全执行方法300之后，同时一次发射多于一个声束270、272和274。

用于针对环绕声和头顶声的CBT阵列的动态波束调向控制器的***和方法

本文公开的方面还提供一种控制机制，以将来自CBT阵列250的直接和反射的声束动态地调向聆听听位置。例如，所公开的示例可以经由头顶声(例如，针对

)以及环绕声投射实现对各种位置(例如，甜蜜点)的沉浸式声音的实时动态调整。如上所述，***200提供可调向多波束CBT阵列250，其被配置为生成可指向不同离轴方向的受控声束(参见图32B、图32E和图32H(例如，声束270、272、274))。此外，这些单独调向的波束270、272、274可以组合以从多个驱动器252的相同阵列同时生成多个波束(参见图33)。

如上进一步所指出，声束270、272、274可以基于阵列250所定向的方式垂直或水平地形成(见图4垂直形成的阵列250和图5水平形成的阵列250)。例如，落地式CBT阵列可以垂直地形成声束，而条形音箱配置(即配备有阵列250)可以水平地形成声束。

图34总体描绘了根据一个实施方案的用于调整由CBT阵列生成的同轴声束和离轴声束的波束宽度和倾角的***350。***350通常包括定位在聆听环境354内的多个扬声器组件352a、352b。移动装置356(例如，蜂窝电话、平板电脑、膝上型电脑)可以将音频输入信号发射到多个扬声器组件352a、352b。多个扬声器组件352a、352b可以响应于音频输入信号在聆听环境354中回放音频信号。

扬声器组件352a、352b中的每一个可以包括用于在聆听环境中发射和回放音频信号的CBT阵列250。特别地，移动装置356可以控制CBT阵列250的换能器(或驱动器)252提供同轴或离轴的经调向和受控的声束270、272、274。移动装置356与具有多个放大器206的音频控制器202介接，所述放大器具有控制针对换能器252的时间延迟和振幅束控的数字信号处理器。这个方面使音频控制器202能够调整由换能器252(例如，扬声器组件352a、352b)生成的每个声束的波束宽度，并进一步调整由换能器252生成的每个声束的倾角(即，将由换能器252生成的每个声束调向)。

移动装置356可以控制扬声器组件352a、352b发射围绕朝向聆听环境354中的天花板(或上表面)357的第一轴360(或顶部发射波束)行进的声束370。然后声束370可以从天花板357反射并且沿着第二轴362行进以被聆听环境354中的聆听者消耗。移动装置356可以控制扬声器组件352a、352b发射围绕朝向聆听环境354中的聆听者定向的第三轴379(或前向波束)行进的声束372，以用于音频消耗。

一般而言，音频控制器202作为控制机制操作，其中针对换能器252的增益和时间延迟值可以基于聆听环境354的尺寸、扬声器组件位置和聆听者位置(或聆听者在聆听环境354中的位置)中的至少一者而动态地计算和更新。通过动态地改变增益和时间延迟值，每个声束的波束宽度和倾角可以针对给定的扬声器设置、聆听环境和/或聆听者位置进行优化。

音频控制器202可以在弯曲实现和直线实现中与无源和有源CBT阵列250两者介接。对于无源CBT阵列250，可能无法动态地改变无源元件的值。然而，无源CBT阵列可包括可提供特定角度范围的声学波束的预建的传输线电路配置(例如，针对倾斜80度、70度、60度、40度等的波束的单独电路)。如果需要调整波束位置，则可以经由移动装置356选择针对最接近波束角度的电路以在最佳位置提供声音。

音频控制器202可以经由任何数量的方法来执行声束调整。音频控制器202可以通过以下来执行考虑房间尺寸(例如，聆听环境354的尺寸)以及扬声器组件352a、352b的位置指令：经由定位在移动装置356上的用户界面381接收此类信息和/或经由定位在移动装置356上的图像捕获装置接收所捕获的图像或接收经由非车载图像捕获装置在移动装置356处接收的所捕获的图像。音频控制器202可以与各种传感器384(例如，图像和/或接近传感器)介接以确定聆听环境354的尺寸以及扬声器组件352a、352b的位置和每个聆听者的位置。传感器384可以包括如结合图35所示的成像传感器(例如，红、蓝、绿(RBG)相机、红外(IR)相机等)、雷达和基于距离的传感器385的混合。例如，基于距离的传感器385可以安装在扬声器组件352a、352b中的任何一个或多个的外壳378上，并且传感器384可以自动地确定(或推断)房间尺寸、扬声器组件352a、352b的位置和聆听者位置，并将此类信息提供给移动装置356。继而，移动装置356可以自动地调整波束宽度和倾角来为聆听者优化头顶声或环绕声。移动装置356可以利用来自聆听者的手动输入和由传感器384提供的信息两者的任意组合来确定房间尺寸以及扬声器组件352a、352b和聆听者的位置。

移动装置356(例如，音频控制器202)可以针对各种用例动态地调整声束的波束宽度以及倾角。一个用例可涉及从天花板357反射受控声束，以形成支持高度的扬声器(参见图36)。支持高度的扬声器(例如，支持杜比全景声

的扬声器)可以通过将声能从天花板357反射并朝向聆听者向下返回而产生头顶声的感觉。天花板反射的声束通常具有高方向性，并且因此向前聆听方向上的声学泄漏最小。/>

一般而言，声束可以从天花板357反弹或反射的方式可以通过使定位在落地式扬声器402中的一个或多个驱动器400成角度来执行(参见图37)。驱动器400的固定角度可能导致聆听的甜蜜点基于扬声器402的高度和房间的尺寸发生巨大变化(参见图38)。扬声器402在地板上方越高并且天花板357越低，反射的声束将落得越靠近扬声器。相比之下，扬声器402越靠近地板并且天花板357越高，反射的波束将离扬声器402落下得越远。因此，如果扬声器402精确地放置在具有特定天花板高度的房间中，则可能会发生将反射声束聚焦在特定聆听位置上(参见图40-43)。图39总体描绘了天花板高度对反射声束和产生的甜蜜点的影响。图40描绘了由于天花板357较矮导致声束角度太宽从而声束从天花板357反射开而不能到达聆听者耳朵的情况。图41描绘了由于天花板357较高导致声束角度太尖锐从而从天花板357反射开的声束越过聆听者的情况。图42描绘了声束以理想角度从扬声器402发射致使从天花板357反射开的声束到达聆听者的耳朵的情况。返回参考图7，可以看出随着声束穿过空间传播，声束的宽度增加。因此，基于反射的声束在到达聆听者之前行进的距离，聆听位置处声束的覆盖角可以显著宽于预期声束。本文公开的实施方案可以解决这些指出的问题。在一个示例中，本文指出的方面可以通过以下来解决与固定角度驱动器相关联的反射声束变化问题：允许基于扬声器组件352的位置和聆听者位置来动态地调整声束的波束宽度和倾角。这样做时，受控的(或成角度的)声束可以以适当的距离和角度接触天花板，使得来自天花板357的反射波束以适当的覆盖角到达聆听者的耳朵高度。

图43总体描绘了根据一个实施方案的定位在聆听环境354中的以经调整的波束宽度和倾角发射音频的扬声器组件352。如图43所示，α对应于离开天花板357的反射角，90-α对应于扬声器组件352的倾角。参考图43，可以通过以下方程90-α计算扬声器组件352的倾角。虽然α对应于离开天花板357的反射角，但是图43总体描绘了相对于声束在其他几何等价角位置处的α，如本领域技术人员根据本公开所认识到的。另外，d对应于扬声器组件352的位置与聆听者的位置之间的距离。具体地，距离d可以通过以下方程得到：

d＝2*ht*tan(α)+h2*tan(α)

其中ht是天花板高度与声束原点相对于扬声器组件352的前部的高度之间的距离，并且h2是聆听者耳朵相对于地面或地板的高度与声束原点相对于扬声器组件352的前部的高度之间的距离。因此，就这一点而言，可以通过用上面直接给出的方程求解这个变量来确定倾角。应认识到，移动装置356(或音频控制器202)可以基于天花板的高度、扬声器组件352的高度以及聆听者耳朵相对于地面或地板的高度来确定扬声器组件352的倾角。这些值可以被手动输入到移动装置356中，经由定位在移动装置356之上或之外的图像捕获装置来确定，和/或经由传感器384、385来推断/确定。

一般而言，类似于支持高度的扬声器，虚拟环绕声扬声器可以通过将声能从侧壁和后壁朝向聆听者反射来产生环绕声感。这可以通过使落地式扬声器或条形音箱中的一个或多个驱动器成角度以向外指向侧壁来实现，如图44中大致所示。例如，如图44所示的扬声器组件是条形音箱，其包括成角度的末端驱动器以将声音从两个侧壁反射出去以产生虚拟环绕效果。

具有固定角度驱动器的虚拟环绕声扬声器基于扬声器的位置和房间尺寸表现出类似的波束宽度和倾角变化问题，如先前与其支持高度的对应物所讨论。然而，虚拟环绕声扬声器组件中针对反射波束的关键尺寸不是与支持高度的扬声器组件相关地讨论的天花板高度(其引起问题)，而是扬声器组件与侧壁之间的距离和角度。因此，扬声器组件352(例如，CBT阵列250和对应的驱动器252)可以用于虚拟环绕声扬声器用例。在这种情况下，移动装置356(或音频控制器202)可以计算和更新声束的波束宽度和倾角，使得反射的波束将从侧壁反射开并以适当的覆盖角到达聆听者的位置。由于CBT阵列250可以从单个阵列生成多个波束，因此可以分别针对左侧和右侧壁反射动态地形成自定义波束宽度和倾角。

不同于如通常在市售条形音箱中使用的，左驱动器用于左通道、右驱动器用于右通道并且中央驱动器用于中央通道，应认识到，条形音箱如图45所示，通过串联使用所有驱动器252，可以利用本文公开的CBT阵列250针对左、中、右通道形成独立的声束。例如，CBT阵列250的驱动器252可以同时或并发地将三个独立的波束(例如，左波束、中心波束和右波束)发射到聆听环境354中。

除了这些通道波束中的每一个在宽带宽上表现出恒定的波束宽度(通常的L(左)、C(中)、R(右)(或“LCR”)条形音箱配置不是这种情况)之外，每个通道波束的波束宽度和倾角可以基于扬声器的位置、聆听者的位置和房间尺寸而动态地改变。一般而言，音频控制器202可以控制CBT阵列250的驱动器252自动或手动地动态调整每个驱动器的时间延迟或增益。

可以针对房间(或聆听环境)中的各个聆听者形成个性化声束，并在每个聆听者改变位置时动态地调整声束。具有CBT阵列250连同音频控制器202的扬声器组件352有助于从单个CBT阵列对多个聆听者生成个性化声束的能力。

如上所述，音频控制器202和CBT阵列250可以通过动态地优化声束到聆听位置的波束角和波束宽度来解决取决于扬声器位置和房间尺寸的聆听甜蜜点变化的问题。该解决方案可以克服目前市场上支持高度的扬声器和虚拟环绕声扬声器的缺点，这些扬声器以固定角度从天花板和侧壁反射声束以分别产生头顶声和环绕声感觉。由于反射波束的角度和宽度都是固定的，因此不存在对聆听甜蜜点的控制。相反，扬声器组件的位置和房间尺寸决定反射声束的位置和覆盖角。如果扬声器组件的位置改变，聆听听甜蜜点也改变。例如，杜比全景声(Dolby

)是由杜比实验室开发的一种环绕声技术，其指定通过高度通道的头顶声的标准。所述标准要求前向扬声器将大量声能从前方(朝向天花板)引导70度至90度，以便反射波束落在聆听位置处。这种通用的方法通常适用于箱式扬声器，可能不适用于具有不同形状因素的扬声器组件，植入塔式或柱式扬声器(由于它们的高度较高)。还假定标准化的房间尺寸，并且因此，根据扬声器的位置和房间的大小，可能不会在聆听位置处提供最佳聆听体验。

此外，音频控制器202和CBT阵列250通过针对诸如左、中和右的不同音频通道形成单独的波束，比容纳在单个单元中的典型LCR扬声器提供更多的对立体声场的控制。例如，大多数LCR条形音箱将左、中、右通道分配给独立的驱动器(或驱动器组)。这样做时，左、中、右通道波束的波束宽度和角度受到对应驱动器(或驱动器组)的方向性和覆盖模式的限制。然而，音频控制器202和CBT阵列250实现分别动态重新配置每个通道波束的波束宽度和角度，从而提供对产生的立体声场的更多控制。此外，由于CBT阵列250在宽带宽上生成恒定波束，因此立体声场在更多可听频谱上将更加一致。相比之下，随着声音的波长变得与驱动器的大小相当，典型的LCR条形音箱在较高的频率下生成越来越窄的波束。

最后，音频控制器202和CBT阵列250可以克服非恒定波束宽度扬声器解决方案在以下方面的局限性：对房间中的各个聆听者形成个性化波束并在每个聆听者改变位置时调整波束。通过为每个波束的相应聆听者定制所述波束的波束宽度和角度，音频控制器202防止个性化波束彼此渗入和相互重叠。即使非恒定波束宽度扬声器具有将单个波束导向特定聆听者的机制，这些波束的覆盖角也会随频率变化并且可能相互干扰。

图46描绘了根据一个实施方案的用于自动调整来自扬声器组件352的声束的波束宽度和/或倾角的方法500，包括以第一倾角将声束发射到收听环境354中的CBT换能器252阵列。如下所述的操作可以由如上所述的***350执行。

在操作502中，音频控制器202接收指示聆听环境354的尺寸、如定位在聆听环境354中的一个或多个扬声器组件352的位置以及至少一个用户(或聆听者)在聆听环境354中的位置中的至少一者的输入。在一个示例中，用户可以经由用户界面381输入值以向音频控制器202发射聆听环境354的尺寸、如定位在收听环境354中的一个或多个扬声器组件352的位置以及至少一个用户(或聆听者)在聆听环境354中的位置(或地点)中的至少一者。

如上所指出，传感器384可包括各种距离传感器，其提供对应于聆听环境354的尺寸、如定位在聆听环境354中的一个或多个扬声器组件352的位置以及至少一个用户(或聆听者)在聆听环境354中的位置中的至少一者的输入。距离传感器(或接近传感器)通常输出激光、红外线(IR)、发光器件(LED)或超声波信号，在此类信号返回并在距离传感器处接收后读取这些信号以确定此类信号改变的方式。所述改变可涉及激光、LED或超声波信号的强度和/或在距离传感器在聆听环境354中发射原始信号后信号返回距离传感器所花费的时间量的变化。

音频控制器202还可以从图像捕获装置接收作为所捕获的图像的输入。在一个示例中，音频控制器202(或其他合适的控制器或处理器)可以执行各种学习算法或者可以经由聚类数据点组来训练，以确定收听环境354的尺寸、如定位在聆听环境354中的一个或多个扬声器组件352的位置以及用户(或聆听者)在聆听环境354中的位置中的至少一者。

在操作504中，音频控制器202基于输入动态地控制CBT阵列250将第一倾角改变为第二倾角以将声束发射到聆听环境354中。例如，音频控制器202响应于输入通过调整阵列250的一个或多个换能器(驱动器)252的时间延迟来动态地控制阵列250以第二倾角发射声束。

音频控制器202可以基于输入动态地控制换能器252的阵列250以与第一波束宽度相同或不同的第二波束宽度将声束发射到聆听环境354中。例如，音频控制器202响应于输入通过调整一个或多个换能器252的时间延迟和增益来动态地控制阵列250以第二波束宽度发射声束。

尽管上文描述了示例性实施方案，但是并不意图这些实施方案描述本发明的所有可能形式。实际上，在说明书中使用的措词是用于描述而非限制，并且应当理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，各种实施方案的特征可加以组合来形成本发明的其他实施方案。

Claims (20)

1.一种用于控制多波束恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的***，所述***包括：

扬声器组件，其包括恒定波束宽度换能器(CBT)换能器阵列，所述CBT换能器阵列被配置为以第一倾角将第一声束发射到聆听环境中；

至少一个控制器，其被编程为：

接收指示所述聆听环境的尺寸、所述扬声器组件的位置和至少一个用户在所述聆听环境中的位置中的至少一者的输入；以及

基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以不同于所述第一倾角的第二倾角将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

2.根据权利要求1所述的***，其中所述至少一个控制器还被编程为：通过在所述CBT换能器阵列发射所述第一声束时调整所述CBT换能器阵列中的一个或多个换能器的时间延迟来基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以所述第二倾角发射所述第一声束。

3.根据权利要求1所述的***，其中所述CBT换能器阵列还被配置为以所述第一倾角和第一波束宽度将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

4.根据权利要求3所述的***，其中所述至少一个控制器还被编程为：基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以与所述第一波束宽度相同的第二波束宽度或以不同于所述第一波束宽度的第二波束宽度将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

5.根据权利要求4所述的***，其中所述至少一个控制器还被编程为：通过调整所述CBT换能器阵列中的一个或多个所述换能器的时间延迟和增益来基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以所述第二波束宽度发射所述第一声束。

6.根据权利要求1所述的***，其中所述输入是经由用户界面提供的。

7.根据权利要求1所述的***，其中所述输入对应于所述聆听环境的尺寸、所述扬声器组件的所述位置和至少一个用户在所述聆听环境中的所述位置中的所述至少一者的捕获的图像。

8.根据权利要求1所述的***，其中所述CBT换能器阵列沿着第一平面轴延伸，并且其中所述CBT换能器阵列在发射所述第一声束时处于虚拟弯曲或虚拟旋转中的一种。

9.一种用于控制多波束恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的***，所述***包括：

扬声器组件，其包括恒定波束宽度换能器(CBT)换能器阵列，所述CBT换能器阵列被配置为以第一波束宽度将第一声束发射到聆听环境中；

至少一个控制器，其被编程为：

接收指示所述聆听环境的尺寸、所述扬声器组件的位置和至少一个用户在所述聆听环境中的位置中的至少一者的输入；以及

基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以不同于所述第一波束宽度的第二波束宽度将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

10.根据权利要求9所述的***，其中所述至少一个控制器还被编程为：

基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以不同于所述第一波束宽度的所述第二波束宽度将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

11.根据权利要求10所述的***，其中所述至少一个控制器还被编程为：通过调整所述CBT换能器阵列中的一个或多个所述换能器的时间延迟和增益来基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以所述第二波束宽度发射所述第一声束。

12.根据权利要求9所述的***，其中所述CBT换能器阵列还被配置为以第一倾角和所述第一波束宽度将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

13.根据权利要求9所述的***，其中所述至少一个控制器还被编程为：基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以不同于所述第一倾角的第二倾角将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

14.根据权利要求13所述的***，其中所述至少一个控制器还被编程为：通过调整所述CBT换能器阵列中的一个或多个换能器的时间延迟来动态地控制所述CBT换能器阵列以所述第二倾角发射所述第一声束。

15.根据权利要求9所述的***，其中所述输入是经由用户界面提供的。

16.根据权利要求9所述的***，其中所述输入对应于所述聆听环境的尺寸、所述扬声器组件的所述位置和所述至少一个用户在所述聆听环境中的所述位置中的所述至少一者的捕获的图像。

17.根据权利要求9所述的***，其中所述CBT换能器阵列沿着第一平面轴延伸，并且其中所述CBT换能器阵列在发射所述第一声束时处于虚拟弯曲或虚拟旋转中的一种。

18.一种用于控制多波束恒定波束宽度换能器(CBT)阵列的方法，所述方法包括：

接收指示聆听环境的尺寸、扬声器组件的位置和至少一个用户在所述聆听环境中的位置中的至少一者的输入，所述扬声器组件包括恒定波束宽度换能器(CBT)换能器阵列，其以第一倾角和第一波束宽度将第一声束发射到聆听环境中；以及

基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以不同于所述第一倾角的第二倾角和与所述第一波束宽度相同或不同的第二宽度将所述第一声束发射到所述聆听环境中。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括通过调整所述CBT换能器阵列中的一个或多个换能器的时间延迟和增益来基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以所述第二波束宽度发射所述第一声束。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括通过调整所述CBT换能器阵列中的一个或多个换能器的时间延迟来基于所述输入动态地控制所述CBT换能器阵列以所述第二倾角发射所述第一声束。

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