專利名稱：參量虛擬揚聲器和環(huán)繞聲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音響系統(tǒng)，尤其是采用參量聲源以從反射表面產(chǎn)生虛擬揚聲器的音響系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
聲音重放技術(shù)的發(fā)展從一個簡單的聲源開始，例如喇叭揚聲器，該聲源在聲學(xué)上與一個表面有物理聲音劃痕的旋轉(zhuǎn)式圓筒耦合。發(fā)射的聲音只是局限于某一個區(qū)域，是從一個有方向特征的喇叭，沿喇叭口軸線方向傳播的。隨著揚聲器技術(shù)的日益成熟化，在聲音重放技術(shù)中加入了立體聲特點，并采用多個揚聲器系統(tǒng)，產(chǎn)生左右或一側(cè)到另一側(cè)聲音重放的電動式變化?，F(xiàn)代環(huán)繞聲系統(tǒng)利用不同的揚聲器來產(chǎn)生立體聲輸出，也使得到達分布在聽眾周圍的各揚聲器的孤立聲音同步移位。例如，通過協(xié)調(diào)屏幕上的特定事件和房間內(nèi)不同方向移位聲音的傳播，電影的聲音顯示就可以更加真實。
由于耳朵的生理特征，人的聽覺具有為聲音分配方向的驚人能力。這種能力為大腦提供連續(xù)信息流，以及提供類似于定義個人在三維空間內(nèi)的位置和環(huán)境的資料。通過把來自不同方向的聲音，包括前方、側(cè)面、后方、地板和天花板的傳播方向，調(diào)整指向聽眾，現(xiàn)代環(huán)繞聲系統(tǒng)就可模擬所需要的三維環(huán)境。這些聲音包括不同方位人的語音，周圍環(huán)境的自然聲音，例如水流聲、風(fēng)聲、雷聲、鳥鳴以及動物發(fā)出的聲音等。電影攝制包括為強調(diào)焦慮、恐懼、驚訝和高興等情緒波動而人工合成的聲音效果，以及碰撞、爆破和各式各樣的視覺目標(biāo)等的聲音效果，利用多重方向的聲音效果，使顯示在屏幕上的這些視覺目標(biāo)更加逼真。
為了實現(xiàn)上述有效的環(huán)繞聲感受，傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)包括分布在房間周圍(包括地板和天花板)的多個揚聲器。典型情況下，低頻揚聲器分布在房間前面或地板下。這些低頻揚聲器方向性特征比較少，因而放置在房間的特定位置不會導(dǎo)致什么問題。而且，當(dāng)房間尺寸比較小時，低頻聲音很難歸于任何方向。由于傳統(tǒng)的電動式揚聲器很大，放置在房間前面通常會更實際。
隨著頻率的增加，聲音傳播的方向性特征也加強了。例如，器很容易探測到高頻揚聲的來源或方向。環(huán)繞聲系統(tǒng)從分布在房間的兩側(cè)和后面的這些較小尺寸的揚聲器提供高頻這些，利用其輻射特征模擬類似于自然環(huán)境中多個方向的聲音。這種揚聲器組件的較小尺寸使其設(shè)置于墻壁和天花板上更加便利。
參量揚聲器也以其高方向性特征著稱。Tanaka等的美國利文4823908中公開了調(diào)制的超聲載波的音頻輸出甚至在較低頻率時也有更集中的方向性。Tanaka等專利的圖2給出了一個直接朝向收聽者9的傳統(tǒng)參量音響系統(tǒng)8，但是也指出，能夠產(chǎn)生理想音頻輸出的超聲波分貝水平可能危害人體健康。因此，在發(fā)射機和聽眾之間的音頻路徑上采用音頻濾波器10和20，來完全消除參量輸出的超聲波部分。盡管Tanaka等的專利中(圖16)公開了反射板19，但是這些反射板的目的是延長音頻路徑以及改變超聲波和/或音頻的傳播方向。除了可能的關(guān)于消除或增強分貝水平外，前述這些關(guān)于參量揚聲器的教導(dǎo)沒有指出直接投射到聽眾的參量輸出和通過反射而間接投射到聽眾的同樣音頻輸出之間的差異。
因此，現(xiàn)有技術(shù)的實現(xiàn)不同方向聲源感覺的音響系統(tǒng)必須要求把揚聲器沿特定方向放置在預(yù)定的位置。為了得到環(huán)繞聲系統(tǒng)中那樣的多個方向，需要放置在不同位置的多種揚聲器(電動式、靜電式、參量式等等)。因此，通常有必要采用更加復(fù)雜的技術(shù)來實現(xiàn)在聽眾所處環(huán)境中的不同位置放置揚聲器系統(tǒng)。揚聲器的電線必須要從聲源延伸到揚聲器。對于家庭影院，布線的花樣翻新對于室內(nèi)裝潢可能是昂貴的和/或有害的。為避免難看的布線所做的努力可能包括FM無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)非常昂貴，實際操作中也有很多問題。即使新建筑允許環(huán)繞聲系統(tǒng)預(yù)先布線，其適應(yīng)性也是有限的，因為揚聲器是固定在一定的位置，并不能隨著聲音的轉(zhuǎn)移而快速變換位置。如果需要根據(jù)聲源的移位而移動，則要許多揚聲器沿著聲源方向移動，并利用復(fù)雜電路來同步經(jīng)過所需揚聲器裝置的聲音。這增加了發(fā)展更廣泛的環(huán)繞聲系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，尤其是在需要多種揚聲器和相關(guān)布線以及附加電路的情況。
總之，聲源電動式移動的額外成本和復(fù)雜性抑制了傳統(tǒng)的除公共移動影院外其它環(huán)境的傳統(tǒng)環(huán)繞聲系統(tǒng)的普遍商業(yè)應(yīng)用。
發(fā)明概述簡言之，就一個方面而言，本發(fā)明是通過在聽眾周圍提供多個揚聲器位置的方法實現(xiàn)的。該方法包括下述步驟a)通過從位于聲源的音頻揚聲器發(fā)射音頻壓縮波以產(chǎn)生初級(primary)音頻輸出，該揚聲器沿初級音頻路徑直接朝向聽眾；b)通過從至少一個參量揚聲器發(fā)射超聲波聲音而從至少一個虛擬揚聲器產(chǎn)生二級(secondary)音頻輸出，該虛擬揚聲器遠離聲源并且非電連接于聲源，而且該參量揚聲器朝向房間內(nèi)的至少一個反射面，該反射面遠離聲源而且并不沿初級音頻路徑，由此而從反射面間接產(chǎn)生聲音，該聲音被認為是源于虛擬揚聲器；c)合成音頻揚聲器的初級音頻輸出和至少一個參量揚聲器的二級音頻輸出，因而聽眾聽到的就是來自多個方向的協(xié)調(diào)包絡(luò)在一起的聲音效果。
進一步詳細來說，本發(fā)明由一個在收聽者周圍提供多個揚聲器位置的實施例來表示。本發(fā)明的裝置包括耦合于聲源的前置(frontal)揚聲器，前置揚聲器沿初級音頻路徑直接朝向聽眾，還包括至少一個參量揚聲器，該參量揚聲器朝向房間內(nèi)的至少一個反射面，該反射面遠離聲源而且并不沿初級音頻路徑。該至少一個參量揚聲器要提供非前置的音頻輸出，以形成遠離且非電連接于聲源的至少一個虛擬揚聲器。而且，提供同步電路來協(xié)調(diào)音頻揚聲器的前置音頻輸出和至少一個參量揚聲器的非前置音頻輸出，從而使聽眾收聽到的是來自多個方向的協(xié)調(diào)包絡(luò)在一起的聲音效果。
本發(fā)明的另一個實施例是一參量揚聲器，該參量揚聲器向一反射面(形成第一個虛擬揚聲器)發(fā)射超聲波，該反射面在超聲波帶寬內(nèi)基本不吸收超聲波，從而沿二次反射提供了超聲波輸出的基本上的完全反射，該二次反射產(chǎn)生了另一個相應(yīng)于第二反射面的延時的第二虛擬揚聲器。
本發(fā)明更具體地方面還包括提供立體聲的至少兩個通道的初級音頻輸出以及至少兩個通道的二級音頻輸出。用于二級輸出的至少一個虛擬揚聲器可以是房間內(nèi)或者其它聽眾所處圍場的側(cè)壁。也可以利用天花板、地板和前后墻壁。虛擬揚聲器的橫向移動可以用來產(chǎn)生運動聲源，例如在房間內(nèi)。在一個更具體的方面，音頻輸出結(jié)合視覺顯示可以提供給聽眾一個高逼真的現(xiàn)實場景。更進一步，把柱狀超聲波發(fā)送向第一個反射面以產(chǎn)生反射的音頻聲音和反射的柱狀超聲波，反射的柱狀聲音傳播到第二個反射面，在此至少產(chǎn)生反射的音頻聲音，通過上述方法可以在兩個位置上提供虛擬揚聲器。而且，可以通過設(shè)置反射面的形狀和所用的材料以改變虛擬揚聲器的頻率響應(yīng)，這樣就可以根據(jù)需要對虛擬揚聲器進行調(diào)整。還可以對音頻源信號進行預(yù)處理以提供所需要的由反射面組成的虛擬揚聲器的音頻輸出。還可以利用一個反射的柱狀超聲波的投射和兩個反射面來得到一個時間延遲的反射聲音以模擬第一個聲源的回聲。還可以控制變量揚聲器的輸出指向不同位置，以產(chǎn)生不同離散位置的和/或移動的聲源。還可以利用本發(fā)明的系統(tǒng)把人的注意力分散到一個由反射面組成的虛擬揚聲器的特定位置。
根據(jù)下面再結(jié)合附圖的詳細描述，本發(fā)明的其它一些特征對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是很明顯的。


圖1是本發(fā)明在家庭影院應(yīng)用中的實施例示意透視圖；圖2是實施本發(fā)明的實施例系統(tǒng)的示意圖；圖3是結(jié)合限制超聲波反射的完全吸收面區(qū)域闡述參量發(fā)射的示意圖；
圖4是描述參量發(fā)射和采用在超聲波頻率范圍內(nèi)基本上完全反射的反射面，以及提供超聲發(fā)射波和音頻聲音的反射的示意圖；圖5是利用超聲波頻率內(nèi)的完全反射面，從單個參量揚聲器產(chǎn)生多個延時的虛擬揚聲器的環(huán)繞聲系統(tǒng)的示意透視圖。
具體實施例方式
眾所周知，參量揚聲器可以提供超聲波頻率的高方向性的發(fā)射波束，當(dāng)該超聲波頻率與音頻信號進行調(diào)制時，就產(chǎn)生多個超聲波頻率。根據(jù)參量揚聲器中聲音外差法的原理，兩個音頻范圍不同的超聲波頻率在非線性介質(zhì)的空氣中相互作用，產(chǎn)生一個音調(diào)差(audio difference tone)。這種現(xiàn)象就產(chǎn)生了一個聲柱(audio sound column)，其包括高方向性的調(diào)制音頻信號。當(dāng)這個參量聲柱從墻壁或其它表面反射回來時，就在反射點形成一個虛擬揚聲器或聲源。在上述每個專利中都談到了這個基本原理。
尤其是，參量揚聲器可以結(jié)合傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)，如圖1所示，以產(chǎn)生虛擬揚聲器，該虛擬揚聲器被認為是位于投射超聲波束的不同反射點的聲源。當(dāng)用作環(huán)繞聲系統(tǒng)的一部分時，參量揚聲器不需要把實際的揚聲器設(shè)置于兩側(cè)和后面的不同位置，也不需要相關(guān)的到聲音信號源的布線。
參見圖1，一個包括傳統(tǒng)組件和參量揚聲器的音響系統(tǒng)10被置于一個典型的房間11或其它有圍墻的場地的前方。在本發(fā)明的一個實施例中，該音響系統(tǒng)被結(jié)合為家庭影院系統(tǒng)的一部分，該家庭影院系統(tǒng)將視頻與多種音頻效果(包括聲源的方向移位)相結(jié)合。房間的尺寸顯然有所不同，但是用15×20英尺的長寬來表示典型的房間。兩個相對方向的墻壁12a和12b(12b用剖面顯示)被后墻13分開，房間11的地板14和天花板15(用剖面顯示)相距7～10英尺。這個典型布置僅僅是房間的一個例子，用來闡述本發(fā)明。
音響系統(tǒng)10包括參量揚聲器20、21和22。超聲波控制電路和其它的給傳統(tǒng)揚聲器30供能的音響系統(tǒng)組件一起設(shè)置在音頻放大系統(tǒng)23中。將音頻揚聲器和參量揚聲器結(jié)合在一起的其它配置對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，包括獨立供電系統(tǒng)和獨立定位的系統(tǒng)，這些適宜于另一實施例的特殊房間配置中。每個參量揚聲器20、21、22都有下述的方向校準(zhǔn)裝置，用于把每個參量輸出分別指向需要的虛擬揚聲器位置24、25和26，這些位置是由房間11內(nèi)的墻壁、地板或天花板上的反射區(qū)域組成。這些反射區(qū)域在圖1中用虛線內(nèi)的區(qū)域來表示。但是這些虛線邊界只是表示地板、后墻、天花板和側(cè)墻上的表面區(qū)域的具體例子，實際上可能會移動到任何反射區(qū)域(例如，包括家具或房間內(nèi)的固定設(shè)備)，這會給聽眾提供所需要的聲源方位。
按照前述兩個參考專利所述的步驟，實現(xiàn)虛擬揚聲器定位的過程是從發(fā)射一個外差聲柱開始。圖2基本描述了這個過程，參考圖2，該過程涉及到，混合(i)一個需要的音頻信號40，該音頻信號要被投射到反射面，以及(ii)一個超聲波載波41，典型頻率范圍是25KHz～60KHz，經(jīng)過幅度調(diào)制42或其它適當(dāng)處理就產(chǎn)生一個合成波形43，該波形由超聲載波和一個或多個邊帶45組成。這個信號含有兩個或多個超聲波頻率，其頻差相應(yīng)于音頻輸入，該信號通過超聲波發(fā)射器44投射到周圍空氣中，并被空氣這種非線性介質(zhì)去耦得到音頻輸出46。由于這種參量揚聲器的高方向性，除非從墻壁、地板或天花板12、13、14或15反射回來，超聲波投射主方向外的聽眾就無法聽到較強的發(fā)射音頻聲波。但是一旦發(fā)生反射，至少有一部分音頻聲音通常是以全向方式46a發(fā)散，顯然聲源就是這個遠離實際發(fā)射源的反射面。
參見圖1和2，顯然，定位虛擬揚聲器24、25或26的位置是參量揚聲器20、21或22的一個方向定位的函數(shù)。在系統(tǒng)用來為一個特定聽眾(圖上未顯示)提供預(yù)定的音/視頻資料，或者由耦合于各發(fā)射器的伺服系統(tǒng)27、28或29來控制的情況下，這一定位可以被固定。這些系統(tǒng)可以是平衡架(gimbals)或其它繞軸旋轉(zhuǎn)的機械裝置，或者是由電子波束控制電路組成，基于改變參量揚聲器20、21或22內(nèi)發(fā)射器組之間的相位關(guān)系，該控制電路可改變聲音能量最終傳播路徑的方向。與所需要的方位對準(zhǔn)就是通過與特定的音頻或視頻顯示協(xié)調(diào)的編程控制信號或其它響應(yīng)控制形式為伺服器提供位置信息的一個函數(shù)。發(fā)射器和墻壁(以及任何構(gòu)成反射面的固定設(shè)備或家具)的空間交互關(guān)系可以在控制軟件中考慮，該控制軟件可在所需方位的反射面上提供虛擬揚聲器。
在一個實施例中，通過兩個階段來實現(xiàn)本發(fā)明。第一個階段涉及生成和控制包含超聲載波信號和附屬邊帶信號的聲音能量的聚焦波束，以生成出現(xiàn)在超聲波能量的聚焦波束中的音頻柱。第二個階段是從反射面12、13、14或15反射得到的音頻柱，以生成虛擬揚聲器。載波信號的實際頻率可以是，通常是發(fā)射器到反射面所需距離的一個函數(shù)。因為低頻超聲波頻率有較大的頻率范圍，前述已經(jīng)指出40～60Khz的頻率范圍是優(yōu)先選擇。頻率低至30Khz或甚至25Khz還能延伸超聲波能量的傳播。較高頻率的超聲波可能對短距離傳播很理想；但是，當(dāng)頻率接近100Khz時，超聲波能量的損耗和/或吸收也急劇增加。
有必要區(qū)分當(dāng)應(yīng)用于與這里所公開的參量揚聲器相關(guān)場合以及應(yīng)用于從傳統(tǒng)的(電動式，靜電式，平板磁性)音頻揚聲器發(fā)射音頻壓縮波時“傳播(propagate)”這個單詞的不同含義。在參量揚聲器系統(tǒng)中，尤其是與形成虛擬揚聲器技術(shù)有關(guān)時，“傳播”這個詞還有特殊的字典含義“量的增加”，而不是僅僅指“傳送”的含義。例如，音頻壓縮波的聲壓級SPL隨著傳播距離的增加而降低。這是很顯然的，隨著距離增加，聽眾聽到的音量也越來越弱。實質(zhì)上，空氣中的分子衰減了壓縮波的能量，因為它們吸收了音頻能量，從而降低了音量。
相反，在參量傳播過程中，由于空氣分子與發(fā)射超聲波的非線性相互作用，就生成了音頻壓縮波。從而參量能量波束內(nèi)的空氣分子沿波束長度提供能量轉(zhuǎn)換，以提供和增加揚聲器的音頻輸出，而不是減小了信號的強度。如圖3所示，超聲波能量60在空氣中傳輸足夠的距離，以使音頻輸出61增加，直到它變得足夠強而能生成壓縮波，該壓縮波隨著參量波束或柱繼續(xù)傳輸。隨著超聲波和音頻波在柱內(nèi)沿同一方向的延伸，空氣和超聲波頻率的持續(xù)非線性相互作用補充和增強了音頻輸出。但是，超聲波的能量也隨著向外傳輸而逐漸損耗，因而，最終就是音頻波陣列隨著距離增加而減少。所以，從效率的觀點來看，協(xié)調(diào)頻率和到反射面的距離是很重要的，因而在由反射面構(gòu)成的虛擬揚聲器的幾乎同一位置，音頻波能量達到最大值。
因此，在參量音頻波束內(nèi)，音頻部分不象傳統(tǒng)揚聲器那樣只是被傳輸，而是在強度上還得到了增加和增強。因此，應(yīng)該理解，參量揚聲器和虛擬揚聲器場景下描述的“傳播”有增加音頻能量的傳輸?shù)奶囟ㄒ饬x，而不是指衰落聲音的傳輸。這種傳播是聲柱內(nèi)超聲波能量持續(xù)相互作用的副產(chǎn)品，隨著聲柱長度的延伸，增加列內(nèi)音頻部分的幅度。圖3的聲柱末端的較寬的壓縮波61a描述了這種傳播效果，但是很顯然，該圖示并不一定要與波束內(nèi)聲音能量的空間分布相一致。
根據(jù)上面所述，由于相對于低頻(例如音頻)，超聲波能量更易在空氣中損耗和/或被吸收，所以在形成虛擬揚聲器源時，頻率的選擇是一個很重要的因素。100Khz以上頻率的超聲波在空氣中損耗很快，只能提供很少的聲柱長度以形成參量系統(tǒng)的音頻輸出。在最低頻率范圍25Khz～40Khz內(nèi)能實現(xiàn)超聲波頻率的最大傳輸距離。所以需要的傳播距離越長，要用的超聲波頻率越低，通常低于50～60Khz。這就在處理過程的第二階段引入了一個重要因素，即發(fā)展和設(shè)計在反射面65的虛擬揚聲器。
圖3示出了采用相對較高頻率超聲波能量的情況，導(dǎo)致聲柱62的超聲波部分的更快速衰減。高頻超聲波的一個優(yōu)點就是有更高的能量轉(zhuǎn)化到音頻部分。因此，用聲波幅度的增大61a來表示音頻信號61的快速增長。在一個實施例中，當(dāng)衰減的超聲波部分61a到達反射面65時，超聲波能量的差額部分(balance)基本被吸收，只反射聲柱的音頻部分。用吸收超聲波輻射(或者不吸收，如下述)的反射面證明是本發(fā)明虛擬揚聲器設(shè)計的獨特之處。特別是，基本上獨立于超聲波能量的音頻反射趨于產(chǎn)生一個聲源，該聲源為聽者提供了一個音頻源66的感覺方向，但是沒有特定的感覺源點。通常隨著在空氣中傳輸距離的增加，聲波的傳輸逐漸消弱，同樣，該反射的音頻波能量67也隨著距離的增加而逐漸變?nèi)酢?br> 參見圖4，在另一實施例中，虛擬揚聲器提供了聲柱70的超聲波部分69的反射。增加的音頻部分71用虛線表示，聲柱(到達反射面72之前)的第一部分略去，以清楚解釋不吸收超聲波的表面72處的超聲波反射。應(yīng)該理解，音頻部分71沿聲柱70的第一方向73持續(xù)增加，直到反射面72的反射點。本實施例中使用一個較低的超聲波頻率(25～40KHz)，能夠增加參量輸出的傳播長度。因此，超聲波的SPL的衰減用每個超聲波69a、69b和69c來表示，這種衰減使得超聲波能量從反射面72反射，并沿新方向74傳播。
圖4所示實施例中的虛擬揚聲器的效果是不尋常的和驚人的。除了有圖3中線66所示聲源的一般感覺方向外，圖4的實施例中又為聲波提供了感知源76的一個點源。參考圖3，當(dāng)參量揚聲器的發(fā)射器44朝向完全吸收超聲波(大約6～15dB左右)的反射面65時，反射面的音頻反射沒有一個特定的實際存在的源點；但是，感知到的聲音是來自那個方向。而且，所感知的聲音比在超聲波反射情況下的聲音強度要弱。此外，“相干”方式下聲音的連續(xù)性也較差。聲音好像是從反射點以隨機方式損耗和擴散，而不是完全以柱的方式來繼續(xù)傳播。
參見圖4，當(dāng)采用超聲波反射面72時，超聲波能量69從反射面反射，結(jié)果是更大程度的柱化。如上所述，由于從參量揚聲器生成的音頻71是由超聲波形相互作用而產(chǎn)生的，隨著距離的增加，超聲波能量為音頻列增加了能量，使得音頻71有更大輸出，所以從完全不吸收面反射的列狀超聲波能量將繼續(xù)增加參量音頻輸出，并增強聲音的反射音柱。這不僅使得隨著反射后距離的增加，音頻部分保持強度，也使得傳輸方向上能量持續(xù)增加，即使在距離虛擬揚聲器的不同角度也能聽到部分反射能量聲音。
已經(jīng)知道，如果原始超聲波信號在虛擬揚聲器或反射面完全不吸收，反射后的信號其音頻聲壓級SPL能增加6dB或以上。此外，聲音增加6dB或以上就能在周圍環(huán)境中連續(xù)聽到，直到二次反射，實現(xiàn)如果在反射面或虛擬揚聲器位置采用超聲波吸收，某種程度上就不可能實現(xiàn)的多個虛擬揚聲器。例如，參見圖5，參量聲柱18a被墻壁反射面位置25a第一次反射，在這里沿第二個方向18b到達第二反射面26a，兩個反射面都是超聲波完全不吸收面。
因此，在一個實施例中，理想虛擬揚聲器的初始定義如下一個擾亂了參量聲柱的傳輸方向的無源面反射，該參量聲柱有一個很重要的能量增強的近場條件。理想情況下，參量聲柱被反射，超聲波能量的大部分在反射前和反射后其能量在空氣中都持續(xù)減弱。這種情況下，在反射前和反射后，音頻輸出都會沿聲柱增強。根據(jù)這個模型，虛擬揚聲器或反射面確實產(chǎn)生了增長的音頻輸出，正如當(dāng)有更多能量加入到揚聲器源周圍空氣中時，傳統(tǒng)揚聲器就產(chǎn)生了加強的聲音傳播。
應(yīng)用這個特殊的“點源”虛擬揚聲器概念能使在環(huán)繞聲系統(tǒng)中有一個更優(yōu)的聲音環(huán)境。點源更易引起注意，且給大腦更強的感覺響應(yīng)。點源的定義也增加了環(huán)繞聲系統(tǒng)的多功能性，因為可以從單個聲音波束建立多個點源，由此增加了感覺響應(yīng)。而且，如果受超聲波發(fā)射的影響存在安全性的擔(dān)憂，更好的辦法是采用較低能量和/或較低頻率的超聲波以及用超聲波不吸收表面來反射能量，可以降低收聽范圍內(nèi)超聲波輻射的強度，由此可用生成的較小的超聲波能量來提供更長的路徑和更多產(chǎn)生音頻的機會。因而可以降低超聲波影響的程度，同時產(chǎn)生所需的虛擬揚聲器效果。這提供了較高的效率，并且采用較小的超聲波放大器功率和較低的超聲波輻射能量，來得到基本相同的音頻水平。
因此，參見圖3、4和5，把聲音的聚焦波束轉(zhuǎn)化到發(fā)散、全向形式的過程的第二個階段可通過幾種方法來實現(xiàn)。在一種情況下，虛擬揚聲器可以源于反射面65，該反射面吸收一定的超聲波。在這個實施例中，會有消弱的聲音水平，該聲音水平隨著離反射面距離的增加而嚴重消弱。感知的聲源是來自于從反射面延伸出的大概方向。第二種方法就是采用一個反射超聲波的完全不吸收面72，以及提供一個頻率范圍，該頻率范圍使得所述反射面對參量聲柱的音頻部分和超聲波部分基本上完全反射。本發(fā)明的這個實施例創(chuàng)造了一個定位聲源，對于音頻部分，隨著聲音的傳播，SPL沿聲柱增加?？梢詫崿F(xiàn)多次反射，創(chuàng)建多個虛擬揚聲器，使得暴露在各虛擬揚聲器輸出的時間延遲。
在兩種情況下，虛擬揚聲器的獨有特征是在與實際聲源相隔一定距離的地方實現(xiàn)的。這包括定義表觀(apparent)聲源為虛擬聲源，因為人耳習(xí)慣于把各個方向的聲源聯(lián)想為自然聲音或發(fā)散聲音演變的中心。當(dāng)參量聲音輸出波束16、17或18遇到反射面墻壁12或13、地板14或天花板15時，已經(jīng)觀察到聚焦波束實際上轉(zhuǎn)化成所需要的全向形式(圖1中的50，51或52)或者是在反射面(圖5中的25a和26a)的全向點源形式。正常聽覺感知認為到達聽眾的各種全向反射聲波和虛擬揚聲器有關(guān)。從第一階段參量輸出發(fā)射的聲音并不干擾這種感覺過程，因為這種聲音仍然在朝向聽眾位置53外側(cè)的聚焦波束聲柱16、17和18中。
參見圖1和5中本發(fā)明的一個實施例，在房間內(nèi)聽眾周圍提供多個揚聲器位置，該房間在一個或多個位置有實際的聲源，這個特殊的過程通過下述方法來進行闡述。這個方法包括初始化步驟a)通過從位于第一位置的音頻揚聲器30發(fā)射音頻壓縮波來生成初級或前向音頻輸出，所述第一位置可以是聲源10的位置，該聲源的聲波沿初級音頻路徑56直接投影到聽眾位置53。這和傳統(tǒng)的音響系統(tǒng)相一致，典型地包括一個全套揚聲器組，有朝向聽眾的低音揚聲器、中音和高音揚聲器。這種聲音發(fā)射向聽眾，通常在整個房間內(nèi)進行反射。在上述配置下，所有的聲音都認為是從由聲源10構(gòu)成的第一位置發(fā)出的。
過程的另一個步驟(可以是一個同步的步驟)包括從至少一個虛擬揚聲器24、25和/或26生成二級或非前向音頻輸出50、51和/或52，該虛擬揚聲器遠離且非電連接于前置的傳統(tǒng)揚聲器30和聲源10?？梢酝ㄟ^從至少一個參量揚聲器20、21和/或22發(fā)射超聲波來實現(xiàn)上述步驟，所述參量揚聲器位于聲源位置或位于一個或多個其它的獨立位置，且朝向房間內(nèi)的一個音頻反射面，該反射面遠離聲源且不沿主音頻路徑，由此可以從音頻反射面間接生成全向聲波50、51和/或52，該聲波被認為是源于虛擬揚聲器。
可能必須或需要把音頻揚聲器的前向音頻輸出和源于至少一個參量揚聲器的非前向音頻輸出16、17和18進行同步以得到一協(xié)調(diào)包絡(luò)(enveloping)的聲音效果，這樣聽眾聽到的是來自不同方向的聲音。例如，初級音頻路徑56的長度需要和聲柱16、17和18傳輸?shù)妮^長和較短的距離以及到達聽眾位置的全向路徑50、51和52的長度協(xié)調(diào)一致?？梢栽诳刂破?放大器/處理器23的主要控制電路內(nèi)實現(xiàn)合適的時間延遲。同樣，對瞬間發(fā)射的、似乎源于任何一個或多個音頻反射面24、25、26的孤立聲音輸出，也需對信號進行同步；例如，模擬碰撞、閃電或其它有非前向音頻部分的聲音效果。這些定時技術(shù)在音響行業(yè)是眾所周知的，不需要進一步描述。
這個基本方法典型地是利用傳統(tǒng)揚聲器30的聲源的高保真立體聲效果實現(xiàn)的。這個立體聲音響格式包含至少一個第一通道的前向音頻輸出和至少一個第二通道的非前向音頻輸出。通常情況下，立體聲音響格式包括兩個或多個獨立立體聲通道，用于前向音頻輸出和非前向音頻輸出。這些多個通道用于提供分開的左右立體聲輸出、前后立體聲輸出以及孤立通過反射面擴散到整個房間的聲音效果。
作為該方法的一部分，通過控制電路23進行電控和觸發(fā)可以很容易實現(xiàn)傳統(tǒng)揚聲器30和虛擬揚聲器24、25、26的不同組合選擇。可以用一個位于與初級音頻路徑56有關(guān)的側(cè)墻12的單個虛擬揚聲器25、一個位于與初級音頻路徑有關(guān)的后墻的單個虛擬揚聲器26、一個位于天花板15的單個虛擬揚聲器(圖上未給出)或一個位于地表的虛擬揚聲器24來表示這種組合的一部分。位于與初級音頻路徑有關(guān)的相對的兩側(cè)墻12a、12b上的虛擬揚聲器，以及位于與初級音頻路徑有關(guān)的側(cè)后墻上的虛擬揚聲器的同步操作，也是環(huán)繞聲系統(tǒng)的一部分，可以很方便地利用本發(fā)明，再結(jié)合虛擬揚聲器和/或傳統(tǒng)揚聲器的其它組合來實現(xiàn)。
本發(fā)明的一個重要特征就是可以引入沿任一音頻反射面，包括墻壁、地板、天花板、面板、家具等等，慢速或快速移動的虛擬揚聲器。例如參量裝置20、21或22可形成虛擬揚聲器沿該裝置所指向的反射面的同步移位，這將給聽眾一種動感。當(dāng)結(jié)合視頻投影系統(tǒng)時，這些非前向音頻輸出特征可以和視頻播放所顯示的事件相協(xié)調(diào)。拖尾的噴氣式飛機、轟鳴的火車或激動人心的汽車追逐這些強調(diào)電動式活動全程的活動都可以通過來自許多方位的方向性聲音來加強效果。這不僅給聽眾一種振奮人心的感覺，而且還利用房間內(nèi)三維空間來放大這種體驗。
虛擬揚聲器24、25、26采用參量技術(shù)的現(xiàn)象顯示了其它特征以及與參量聲音輸出的反射相關(guān)的應(yīng)用，例如母發(fā)明(parent patent)中描述了這種應(yīng)用的幾種情況。盡管在本發(fā)明和源發(fā)明中已經(jīng)提到了幾種應(yīng)用，但是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然還可能有其它許多應(yīng)用。本發(fā)明人認為，這些應(yīng)用包括共同形成只與虛擬揚聲器相關(guān)的技術(shù)整體的特征。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)從定義虛擬揚聲器源的反射面反射時，聲音的頻率響應(yīng)通常會發(fā)生改變。尤其是通過反射面吸收超聲波和/或音頻部分而改變頻率。頻率也會被反射面的形狀改變。例如，在一個實施例中，通過采用凸反射面，擴散或支出所有音頻部分(包括高頻)，使得高頻部分的衰退速率增加，從而改變了感覺聲音的平衡。
超聲波高頻部分可能需要根據(jù)反射面情況進行特殊處理或恢復(fù)。為了實現(xiàn)這個過程，可以對參量揚聲器進行特殊調(diào)整以對參量輸出進行預(yù)處理。同樣，隨著從虛擬揚聲器反射后的傳播，低頻參量效率可能會受干擾。這是因為超聲波能量向音頻部分的轉(zhuǎn)化在整個音頻帶寬上可能會不一致。例如，與高音頻相比，帶方向性的低頻波的生成可能需要更長的參量聲柱。而且，聲柱中超聲波部分的散射也可能降低反射后的超聲波強度，并影響反射的音頻部分和轉(zhuǎn)化的音頻部分之間的平衡。因此，可以用均衡技術(shù)來重建需要的音頻平衡。此外，通過虛擬揚聲器進行反射可能會導(dǎo)致在所需音頻帶上有多個幅度誤差，需要多頻帶均衡技術(shù)來重建所需要的聲音頻譜平衡。尤其是反射點上存在選擇性頻率吸收時更是如此。
從積極的一面說，應(yīng)該注意到，以虛擬方式來應(yīng)用參量揚聲器發(fā)揚了反射和散射特征，這種特征可以平衡參量系統(tǒng)，在直接(相對于虛擬)參量傳播中每倍頻率程高通特性補償12dB。這種現(xiàn)象使音頻輸出更親切，更接近自然聲音。
應(yīng)該相信，根據(jù)目前音響行業(yè)中的應(yīng)用，這個新技術(shù)領(lǐng)域?qū)㈦S著參量技術(shù)應(yīng)用多樣性的發(fā)展而變得更加重要。例如，虛擬揚聲器的概念可以被軍事和執(zhí)法人員用來避免對聲音的響應(yīng)攻擊，否則將會根據(jù)聲音識別出人的位置?？赡芤缶賹σ粋€人給出口頭警告，這個人可能是罪犯，這通常會導(dǎo)致朝警告源方向開火。采用帶有從另一方向反射的虛擬揚聲器的參量系統(tǒng)可以使得兵器開火遠離警官。這種方式下，人(例如罪犯)就會被干擾朝向虛擬揚聲器方向，增加了警官的安全度，和/或在不引起注意的情況下靠近，并產(chǎn)生出人意料的效果。
可以理解，上述描述只是本發(fā)明的實施例，不是用來限制權(quán)利要求的。根據(jù)這里公開的原理，其它改變對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是很顯然的。
權(quán)利要求
1.一種與至少一個部分反射環(huán)境相關(guān)的、生成至少一個遠處的虛擬揚聲器位置的方法，該方法與一音頻揚聲器結(jié)合產(chǎn)生多種聲音效果，所述聲音效果包括源于反射環(huán)境的聽眾認為是原始聲源的虛擬聲源，所述方法包括下述步驟a)通過從音頻揚聲器發(fā)射音頻壓縮波來生成初級直接的音頻輸出，由此為聽眾提供初級音頻輸出；b)通過從至少一個參量揚聲器發(fā)射超聲波，來生成源于遠離音頻揚聲器的至少一個虛擬揚聲器的二級間接音頻輸出，所述參量揚聲器與音頻揚聲器相聯(lián)，且朝向至少一個反射環(huán)境，所述反射環(huán)境遠離音頻揚聲器，由此間接生成源于反射環(huán)境的基本全向的聲音，該反射環(huán)境被認為是一個虛擬揚聲器；c)使音頻揚聲器的初級音頻輸出和至少一個虛擬揚聲器的二級音頻輸出同步，由此聽眾聽到的是來自多個方向的多個聲音效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括下述步驟提供包括至少一個第一通道的初級音頻輸出的獨立格式，以及包括至少一個第二獨立通道的二級音頻輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括下述步驟提供包括兩個獨立立體聲通道的初級音頻輸出的立體聲格式，以及包括至少兩個獨立于初級音頻輸出通道的獨立聲音通道的二級音頻輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括下述步驟在作為反射環(huán)境的封閉房間內(nèi)的a)側(cè)墻、b)后墻、c)天花板面和d)地板面的其中一個上，定位至少一個虛擬揚聲器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括下述步驟為給聽眾以動感，使所述至少一個虛擬揚聲器沿反射面橫向移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括下述步驟同步操作結(jié)合至少一個虛擬揚聲器的視頻投影系統(tǒng)，以及協(xié)調(diào)二級音頻輸出和視頻播放事件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括下述步驟從離開初始發(fā)射聲波的聲源的獨立位置上的虛擬揚聲器提供增強的傳波聲音，所述方法又進一步包括從參量發(fā)射器沿初級傳播方向發(fā)射參量超聲波輸出，所述參量超聲波輸出包括調(diào)制超聲波和音頻波；使初級傳播方向朝向一個具有表面特征的反射環(huán)境，該表面特征能使超聲波輸出沿二級傳播方基本反射，所述二級傳播方向構(gòu)成到聽眾的間接路徑；從反射環(huán)境提供增強的傳波聲音，所述傳波聲音包括(i)反射的音頻部分和(ii)包含參量超聲波輸出的反射的超聲波部分，所述超聲波在空氣中沿二級傳播方向減弱，以增強反射的音頻部分，由此，相對于聽眾沿二級傳播方向形成了一個虛擬揚聲器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括通過至少一個下述步驟來修正反射的音頻部分的頻率響應(yīng)a)根據(jù)預(yù)定頻率響應(yīng)來配置反射面的形狀；b)根據(jù)預(yù)定頻率響應(yīng)來配置反射面的吸收特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括下述步驟通過預(yù)處理調(diào)制超聲波和音頻波來修正反射的音頻輸出，以補償由于反射面的反射而對音頻輸出的改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中執(zhí)行所述修正步驟以調(diào)整至少下述之一a)反射面的超聲波吸收；b)反射面的音頻吸收；c)由于反射面的表面配置所引起的變化；d)在反射面，由于在音頻帶寬上超聲波能量轉(zhuǎn)化到音頻輸出的不一致性所引起的變化；e)沿初級傳播方向，由于在音頻帶寬上超聲波能量轉(zhuǎn)化到音頻輸出的不一致性所引起的變化；f)在反射面，由于在音頻帶寬上超聲波能量轉(zhuǎn)化到音頻輸出的不一致性所引起的變化；g)由于反射面超聲波能量發(fā)散而降低了反射后超聲波部分的強度所引起的反射音頻輸出的變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括下述步驟從第一反射面到第二反射面?zhèn)鞑コ暡ê鸵纛l輸出的合成參量聲柱，由此生成第二個虛擬揚聲器，所述虛擬揚聲器提供的音頻輸出時間延遲于第一個虛擬揚聲器輸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括定位參量發(fā)射器使之接近至少下述之一a)音頻揚聲器；b)視頻投影裝置；c)音頻揚聲器和虛擬揚聲器之間。
13.相對于聲源位置在聽眾周圍提供多個揚聲器位置的一種參量音響系統(tǒng)，所述音響系統(tǒng)包括至少一個參量揚聲器，具有從超聲波頻率在空氣中生成的音頻輸出，且朝向至少一個遠離聲源的反射面，所述至少一個參量揚聲器沿反射的參量傳播路徑提供二級音頻輸出，以形成至少一個遠離且非電連接于聲源的虛擬揚聲器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的音響系統(tǒng)，還包括一個位于聲源處的視頻投影裝置，所述聲源包括協(xié)調(diào)源于至少一個參量揚聲器的二級音頻輸出和視頻播放的同步電路，因而聽眾看到和聽到的是協(xié)調(diào)包絡(luò)的音視頻體驗。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的音響系統(tǒng)，還包括與音頻揚聲器耦合的立體聲電路，以提供至少一個立體聲獨立通道，所述立體聲電路與至少一個所述參量揚聲器耦合，以提供至少一個獨立于音頻揚聲器的立體聲通道。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的音響系統(tǒng)，其中所述參量揚聲器包括一個方向控制驅(qū)動器，用于形成至少一個交互移動的虛擬揚聲器。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的音響系統(tǒng)，還包括一個第二反射面，用于接收從第一反射面反射的參量輸出，由此生成至少兩個有共同參量發(fā)射源的虛擬揚聲器。
18.一種通過在遠離人的虛擬揚聲器源間接生成基本全向的聲波，而把人的注意力轉(zhuǎn)移向遠處位置的方法，所述基本全向的聲波包括與作為參量揚聲器一部分的至少兩個互相作用的頻率之間的差異相應(yīng)的至少一個新的聲波或亞聲波頻率，所述方法包括下述步驟a)發(fā)射與至少兩個相互作用的超聲波頻率相應(yīng)的超聲波頻率，以生成沿聲柱朝構(gòu)成遠處虛擬揚聲器的反射面方向延伸的參量音頻輸出；b)從反射面反射參量音頻輸出，以生成聲柱的一個新傳播方向；c)把對方的注意力分散到指示人所處位置的虛擬揚聲器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述的人是敵人。
20.一種將聲音指向某一位置的方法，該位置遠離人所在的位置并隱藏于物理結(jié)構(gòu)的一個角落，該方法通過在遠離人但沿一普通反射面的一個虛擬揚聲器處間接產(chǎn)生一個全向聲音來實現(xiàn)，所述全向聲音包括至少一個與作為參量揚聲器一部分的至少兩個互相作用頻率之間的差異相應(yīng)的新聲波或亞聲波頻率，所述方法包括下述步驟a)發(fā)射與至少兩個互相作用頻率相應(yīng)的超聲波頻率，以生成沿聲柱朝構(gòu)成遠處虛擬揚聲器的反射面方向延伸的參量音頻輸出；b)從反射面反射所述參量音頻輸出，以生成一個在物理結(jié)構(gòu)的角落改向的聲柱的新的傳播方向。
全文摘要
一種生成至少一個遠處的虛擬揚聲器位置的方法，所述虛擬揚聲器位置與至少一個部分反射環(huán)境相關(guān)，并與音頻揚聲器一起產(chǎn)生多種聲音效果，所述聲音效果包括源于反射環(huán)境的聽眾認為是原始聲源的虛擬聲源，本發(fā)明方法包括下述步驟通過從音頻揚聲器發(fā)射音頻壓縮波來生成初級直接的音頻輸出，由此為聽眾提供初級音頻輸出；通過從至少一個參量揚聲器發(fā)射超聲波，來生成源于遠離音頻揚聲器的至少一個虛擬揚聲器的二級間接音頻輸出，所述參量揚聲器與音頻揚聲器相聯(lián)，且朝向至少一個反射環(huán)境，所述反射環(huán)境遠離音頻揚聲器。
文檔編號H04R23/00GK1507701SQ02809471
公開日2004年6月23日 申請日期2002年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月7日
發(fā)明者E·G·諾里斯, J·J·克羅夫特三世, E G 諾里斯, 克羅夫特三世 申請人:美國技術(shù)公司