專利名稱：立體聲再現(xiàn)的頭戴收發(fā)話器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種裝置，具體地說，涉及一種使聲音立體化的音響頭戴收發(fā)話器。本發(fā)明還涉及一種錄音裝置，該裝置兼容這樣一種使聲音立體化的裝置。
聲音立體化表示的是要對一個發(fā)出給定頻率和強度的聲源的三維特征方位、高度和距離，予以還原。
已經(jīng)知道有許多系統(tǒng)和裝置，其目的都是為了解決這樣一個技術問題。但是，他們大多常常提出的只是沉浸在聲音氣氛中的簡單辦法，故而不能真實地還原聲音的三維特征。實現(xiàn)這些系統(tǒng)或者可以在室內(nèi)進行，室內(nèi)設有幾個配備了揚聲器的反射板；或者可以利用一種音響頭戴收發(fā)話器，收發(fā)話器的每個聽筒都包括一個揚聲器。
第一個方法，利用的是所謂雙耳聲立體聲來模擬聲源的位移，采用了兩個揚聲器，每個揚聲器一個聲道，聲音強度由兩個相應的聲道分擔，被傳輸?shù)墓β试趦蓚€揚聲器當中分配。因而有可能按照權重系數(shù)來移動聲源。
但是，這種技術的缺點是要使聲源置于收聽者頭部的前側。聲源不能在整個空間而只能在一維之內(nèi)移動。
為了改進這種浸入聲音氣氛的痕跡，一直有人建議在室內(nèi)采用4個或5個揚聲器。著名的有“杜比環(huán)繞聲”裝置。這種系統(tǒng)包括3個前置聲道和1個后置聲道。一個中心揚聲器和兩個左右揚聲器播送所說的前置聲道。不論收聽者在什么位置，該中心揚聲器都能夠把這些聲源聚焦在一起。第4聲道由兩個后置的反射板播送，與環(huán)境氣氛和回響效應相應。
然而，這樣一種系統(tǒng)不能精確確定聲源的位置，因為它不管收聽者在什么位置，該中心揚聲器都把這些聲源聚焦到了一起。此外，在這種室內(nèi)不可能給兩個耳朵傳輸截然不同的聲音。
模擬立體聲效應的另一個方法是讓一系列揚聲器規(guī)則地分布在一個圓周上，并且都指向收聽點，每個揚聲器播送一個確定的聲道。所以這是雙耳聲立體聲方法的一種延伸。但是，只有在室內(nèi)一個特定點上，即在所謂聚焦點上，才能獲得有效的立體聲效果。位處這個聚焦點之外的收聽者也能聽到該聲音，但是他們會遭遇一種類似光學錯覺的聲學錯覺。
還有，感覺到的聲音可以被減弱到兩個耳膜認為聲壓一樣。就耳朵的分辨水平而言，唯一有意義的變量就是耳膜上的聲壓，它取決于在耳道入口處的聲壓，并取決于收聽者的語音形態(tài)。一種音響頭戴收發(fā)話器的目的就是再現(xiàn)這種壓力以便使聲音得到重建。
然而，對于兩個不同的收聽者，同一聲源在耳膜上的聲壓，甚至在耳道入口處的聲壓都會不同。但這并不防礙他們找到聲源的正確位置，除非他們有聽覺障礙。
每個人之間的這些差異，以及同一個人兩個耳朵的差異都是由于語音形態(tài)的差異造成的。事實上，收聽者耳朵之間的距離以及在聲波途徑上出現(xiàn)的障礙物，即頭部，會對同一個聲源發(fā)出的聲波造成相移和強度差別。這樣，同一聲源在收聽者右耳和左耳耳膜上產(chǎn)生的聲壓不同，與聲源和收聽者之間的相對位置有關。
考慮到兩個耳朵之間感覺上的這些差異，各種不同的裝置都在盡力使聲音立體化。目的就是在播送同一聲音時，同時要考慮到導致相移和強度在兩個耳朵內(nèi)有所差別的物理現(xiàn)象。這就是雙耳聲立體聲原理。
但是，雙耳聲立體聲技術依賴于符合《avorago》語音形態(tài)的實驗測量匯集的數(shù)據(jù)庫。顯然，要模仿人類的耳道是不可能的，人類外耳的形狀是太復雜了，計算處理中不可能考慮到所有必要的物理效應。所以，采用的技術針對的是一般的耳朵，并利用人體假人進行測量。因此，這些技術表現(xiàn)出的缺點是不適合具體的每個人。
專利US-6,038,330也宣布一種使聲音立體化的音響頭戴收發(fā)話器。該頭戴收發(fā)話器的每個聽筒都有一些揚聲器，規(guī)則排列在一種帽-形表面上。
每個這樣的揚聲器都與一種波導結合在一起，來引導和集中向收聽者外耳傳輸?shù)穆曇簟?br> 但是，所說的波導會使得由每個這樣的揚聲器所傳輸聲音的聲譜發(fā)生改變。因而，根據(jù)Huygens-Fresnel原理，這種頭戴收發(fā)話器不能立體化地對聲音進行重建。
本發(fā)明的目的就是提供一種音響頭戴收發(fā)話器，能夠矯正上面提到的缺點，立體化地重建聲音。
具體地說，這種頭戴收發(fā)話器能夠不依賴耳道的個體特征，來為兩個耳朵傳輸截然不同的聲音。換句話說，該頭戴收發(fā)話器應該能為大多數(shù)收聽者使聲音立體化。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種動態(tài)系統(tǒng)，使得采用這樣的頭戴收發(fā)話器立體地對聲場進行重建時，能夠考慮到頭部的運動。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種音響頭戴收發(fā)話器，對空間幾乎沒有什么要求，使用方便，頭部能夠靈活運動，所以特別適合于一種動態(tài)系統(tǒng)。
本發(fā)明還有一個目的是所提供的頭戴收發(fā)話器能夠準確再現(xiàn)聲音，在聲源移動時給人一種連續(xù)聲場的印象，而避免那種結結巴巴的感覺。
再有，本發(fā)明的另一個目的是提供的頭戴收發(fā)話器對無論什么樣的頭都適合。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種不太貴的頭戴收發(fā)話器。
再有，本發(fā)明的另一個目的是提供一種錄音裝置，它兼容這樣的音響頭戴收發(fā)話器。
本發(fā)明其他的目的和優(yōu)點將在下面的描述中顯現(xiàn)，下面的描述僅以范例的方式給出，但是并不局限于此。
本發(fā)明涉及一種能立體地還原聲音的頭戴收發(fā)話器，它配備有兩個聽筒，每個聽筒包括一個托架，該托架至少能部分地給定帽-形表面的范圍，該表面能把收聽者的耳朵全部遮住，每個聽筒至少包括5個能重建聲場的揚聲器，安排在所說的托架上。
本發(fā)明還涉及一種錄音裝置，用于隨后立體地還原聲音，由上面所定義的頭戴收發(fā)話器構成，其中揚聲器用多方向的或心形線的麥克風代替，與所說的錄音裝置相對應的錄音帽-形表面和所說的頭戴收發(fā)話器的帽-形表面(用于聲音傳輸)相混同。
參見下面的描述以及所附隨的圖可以更好地理解本發(fā)明，其中-

圖1用圖解表示一個戴了根據(jù)本發(fā)明的音響頭戴收發(fā)話器的人的頭部，-圖2a，2b，2c是根據(jù)本發(fā)明頭戴收發(fā)話器的左邊聽筒的透視圖，分別相應是其前面、側面和后面的透視圖，
-圖3a和3b分別是根據(jù)本發(fā)明頭戴收發(fā)話器的聽筒沿其垂直面和水平面的剖面圖，-圖4和圖5用俯視圖和剖面圖給出8個揚聲器或麥克風在一個聽筒中的兩種分布方案，-圖6用俯視圖和剖面圖給出6個揚聲器或麥克風在一個聽筒中的分布方案。
本發(fā)明是觀察到下述情況的結果，即還沒有任何一種方便簡單的裝置，能使聲音立體化，需要的計算功率小，還適合每個人。事實上，基于雙耳聲立體聲原理的裝置對于收聽者(或人體假人)都是特定的，是針對他們進行過測量的裝置，而且立體音響廳只能使廳內(nèi)聚焦點上的聲音立體化。除此之外，基于這種廳室的裝置經(jīng)常取決于廳室的幾何以及揚聲器的相對位置。
本發(fā)明者開發(fā)的本發(fā)明對于慣常處理聲音立體化問題的觀點進行了改進。不象到目前為止的做法，他們并不試圖去再現(xiàn)在耳膜上或者在耳道入口處的聲壓，而是在聲波被外耳和耳道轉換之前，在距離耳朵的一個給定距離上對它進行測量時，就試圖對聲波進行重建。
所以，本發(fā)明者決定構建一種圍繞在耳朵外耳的聲音-傳輸表面。用這種表面包圍外耳的做法是很吸引人的。因為所傳輸?shù)穆暡ㄏ髣e的任何聲音一樣，都是由外耳轉換的，所以這種做法能夠消除外耳語音形態(tài)的個體特征。
采用頭戴收發(fā)話器還能夠免除廳室的幾何問題。還能夠開發(fā)，比如可考慮頭部在空間運動的動態(tài)系統(tǒng)，以便能相對頭部運動虛擬移動重建的音響環(huán)境。
根據(jù)Huygens-Fresnel原理，聲波在空間所達到的任何一點都將成為第二個聲源，并又發(fā)出一個球面波。所以，耳膜感覺到的聲音-傳輸表面的貢獻等同于該聲音-傳輸表面無窮多點發(fā)出的所有球面波的和。
但是，實際上不可能產(chǎn)生無窮多個聲源。因此有必要確定聲源的有限數(shù)目，這些聲源同時播送聲音，等效于所說的聲音-傳輸表面。
為了做到這些，需利用信息論，具體地說，要利用Shanon定理。根據(jù)這個定理，如果想要避免一個連續(xù)正弦波信號和樣品之間的關聯(lián)丟失，該正弦波信號的取樣脈沖頻率至少應該是該正弦波信號的兩倍。換句話說，取樣周期應該比正弦波信號周期小兩倍。
一個聲音信號可以被分解為正弦波信號的集合。根據(jù)空間-時間類比，該聲音信號的兩個揚聲器之間的取樣距離應該小于該信號的半波長。如果把該信號的最短波長作為極限波長，即，把頻率限制為該信號的最高頻率，則可得到如下表示Δ1＜1/2λ，這里1是兩個揚聲器(或麥克風)之間的距離，λ是該信號最短的波長。
這樣，當樣品信號頻率等于或小于二分之一取樣頻率時，該取樣(傳輸或錄音)可以保持樣品信號信息的全部細節(jié)。
聽得見的頻率范圍是20Hz-20kHz，但是感覺到的聲頻常常小于5kHz。故此選擇10kHz為取樣頻率。
正如各圖所闡明的，頭戴收發(fā)話器1包括兩個聽筒2，每個聽筒至少包括5個揚聲器，分置于托架3，4上。所說的托架3，4至少部分地給出帽-形表面的范圍，能夠全部遮住收聽者的耳朵6。
《帽-形》這一辭語意味著聽筒能把外耳全部包圍住，并且《帽-形》表面和外耳之間沒有任何接觸。為便利，這樣的表面采用半球形或者半球的一部分。還可以是可能呈多面體形式的卵狀。主要的是帽-形表面要包圍住收聽者的耳朵，并為揚聲器構成托架骨梁。
在各個圖上，所說的聽筒都展示出半球形狀的帽-形表面。
所說的聽筒2可以是敞開的或是封閉的。如果是敞開的，所說的一部分半球表面就不能由托架3，4賦予形體。如果是封閉的，所說的半球表面全部由托架3，4賦予形體。所說的至少5個揚聲器成十字形分布，以利于獲得滿意的聲音傳輸表面。
所說的托架由環(huán)3構成，具體地說，該環(huán)附有兩個弧狀帶4，一個是水平帶42，一個是垂直帶43。該弧狀帶4形成十字形。此外，還給它們鉆一些孔41，以便能容納揚聲器44。
孔41規(guī)則分布，使得對于樣品信號的最高頻率5kHz來說，兩個相鄰揚聲器之間的距離小于或等于3cm。在本范例中，環(huán)3的直徑D為8cm。
如圖所示，每個弧狀帶42，43在它們的交叉點都有一個孔41。比如，水平帶42包括4個孔41，相互間隔36°角；垂直帶43包括3個孔41，相互間隔45°角。這樣，聽筒2可以安置6個揚聲器，其中之一在兩個支撐帶42，43的交叉點上。
比如，半球表面的半徑為4cm。
顯然，可以提供很多揚聲器，并把它們一個接一個較緊密地安置在，例如，一個明星的手臂上，以便得到被傳輸?shù)臉悠沸盘柕淖罡哳l率大于5kHz。
例如，如圖4和圖5所闡明的，聽筒可以包括8個揚聲器44。圖4和圖5左上方代表的是這兩個方案的俯視圖，在俯視圖的周圍是沿從，BB，CC，A’A’，B’B’，C’C’各線的剖視圖。在這些范例中，聽筒都是半球狀的。
這樣，如俯視圖所示，揚聲器44規(guī)則地分布在兩個同心圓上，半徑大的外圓31，以及半徑比外圓31小的內(nèi)圓32。
圖4所示的另一種方案是，揚聲器44位于一個與外圓31內(nèi)接的正五邊形的各個頂角以及一個與內(nèi)圓32內(nèi)接的等邊三角形的各個頂角上。
圖5所示的方案是，揚聲器A位于兩個分別與內(nèi)圓32和外圓31內(nèi)接的正方形的頂角上，兩個正方形中一個的對角線與另一個正方形的邊基本平行。
為有利，外圓31和內(nèi)圓32與環(huán)3所確定的平面基本平行，并位于相對半球中心33的30°角(π/6弧度)和60°角(π/3弧度)的下方。
根據(jù)另一個如圖6表示的方案，聽筒包括6個揚聲器44，其中4個規(guī)則地分布在一個與外圓31內(nèi)接的正方形的各個頂角上，另2個分布在該正方形的一個對角線上，也在內(nèi)圓32的圓周上。這樣，所說的至少5個揚聲器能夠重建聲場，對聲頻小于給定的最高頻率，顯然是5kHz，人耳的感覺好象是連續(xù)的一樣。
詞句《感覺好象是連續(xù)的一樣》表示的是，傳輸?shù)男盘栴l率等于或小于5kHz聲源的位移，已經(jīng)由音響頭戴收發(fā)話器重建，聽起來沒有任何結結巴巴或突然爆發(fā)的感覺，感覺上是連續(xù)的。當這種位移應該被逐漸感覺到的時候，而收聽者卻沒有對聲源從空間某一點變遷到另一點的印象。
為有利，根據(jù)本發(fā)明的頭戴收發(fā)話器包括的每個聽筒至少有6個揚聲器。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方案，如各圖所示，頭戴收發(fā)話器1配備的聽筒是敞開的。這種情況下，托架3，4由敞開的銜鐵形成，能夠容納揚聲器。從聲學觀點看，這表示收聽者可以聽到被這些揚聲器傳輸?shù)穆曇?，既沒有畸變，也沒有衰減。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方案，聽筒2是封閉的。這種情況下，托架由半球表面確定的外殼形成，能夠容納所說的揚聲器。
雖然沒有給以說明，但是在揚聲器44之間要提供電的連接裝置，比如，放大器，隨身聽，聲卡或任何其他類似的電的裝置。還可能是無線傳輸裝置，以避免由于要安排電線而對空間有所要求。
所說的頭戴收發(fā)話器可方便地用來作為一個麥克風的托架，該麥克風位于收聽者手臂的末端，在他口部的前面，以便收聽者說話，特別是，方便他和別的也配備有，比如相同頭戴收發(fā)話器的人進行交流。
所說的聽筒2可呈現(xiàn)各種附加的特色。例如，環(huán)3，即和收聽者頭部有接觸的區(qū)域，可以配上泡沫塑料環(huán)，以增強收聽者6戴上頭戴收發(fā)話器后的舒適度。
托架3，4的材料包括，比如，鋁或其他輕質金屬或者塑料。
如所闡明的，頭戴收發(fā)話器1的兩個聽筒2是通過收聽者頭部6上方的頭帶8來連接的。頭帶是可調(diào)節(jié)的，可采用該技術領域人員已知的各種材料做成。
此外，根據(jù)這樣的音響頭戴收發(fā)話器的一個有利特點，它可配備一種跟蹤頭部移動的裝置，或者《頭部-跟蹤》裝置。這樣，收聽者頭部6的運動可被探測，并按照這種運動對每個聽筒2揚聲器所播放的信號進行修改，以便，特別是在虛擬空間里，為收聽者6提供聽覺器官移動的真實印象。這種類型的裝置在與三-維頭戴圖像器耦合后更加有用。
本發(fā)明還涉及一種錄音裝置，用于隨后對聲音進行重建，它由上述頭戴收發(fā)話器形成。但在這種錄音裝置中，揚聲器由指向聽筒外面的多向的或心形線的麥克風替代，即，面對一個可能的收聽者6的耳朵5。
根據(jù)本發(fā)明，為使這種錄音裝置和音響頭戴收發(fā)話器1之間的兼容性好，與該錄音裝置對應的錄音帽-形表面和這種音響頭戴收發(fā)話器的音響傳輸?shù)拿?形表面相混同。
采用這樣的音響頭戴收發(fā)話器和這樣的錄音裝置，由于有了這樣的音響頭戴收發(fā)話器，就不必去擔心聲波所經(jīng)歷的變換，因為聲音在被轉換之前就已被錄音和傳輸了。
在眾多領域中都可以發(fā)現(xiàn)對這種頭戴收發(fā)話器的應用，特別是-所謂的《虛擬現(xiàn)實》娛樂和游戲，它們再建了一個虛擬的視聽空間，-遠程電話會議，用于模擬集會或會議室，可以不借助簡單的監(jiān)視器，而能虛擬地設定參會者相互之間的位置，-其他任何一種應用，例如，聲音空間和視覺空間的耦合，且兩者都被重建。
當然，顯然對本技術領域的人員來說，只要不偏離本發(fā)明的范圍以及下述權利要求的主題，別的實施方案一直是被關注的。
權利要求
1.一種用于對聲音進行立體聲還原的頭戴收發(fā)話器，該頭戴收發(fā)話器配備有兩個聽筒，每個聽筒包括一個至少能部分給出一種帽-形表面范圍的托架，該表面可以把收聽者的耳朵全部包括在內(nèi)，每個聽筒至少包括5個揚聲器，安排在所說的半球表面上，其特征在于，兩個相鄰揚聲器之間隔開的距離小于給定最高聲頻所對應的最短波長的兩倍，以便對于小于該給出最高聲頻的聲頻重建一種給人耳感覺是連續(xù)的聲場，所說的最高聲頻是指一般人耳聽得見的聲頻。
2.根據(jù)權利要求1的頭戴收發(fā)話器，其中每個聽筒至少包括6個揚聲器。
3.根據(jù)權利要求1的頭戴收發(fā)話器，其中所說的最高頻率為5kHz，而且兩個相鄰揚聲器之間隔開的距離等于或小于3cm。
4.根據(jù)前面任何一項權利要求的頭戴收發(fā)話器，其中所說的聽筒是敞開的，所說的由銜鐵形成的托架能夠容納所說的揚聲器。
5.根據(jù)權利要求1-3中任何一項權利要求的頭戴收發(fā)話器，其中聽筒是封閉的，所說的托架包括一個可以給定一種帽-形表面范圍的外殼，能夠容納所說的揚聲器。
6.一種聲音錄音裝置，用于隨后立體化地還原聲音，該裝置由一種根據(jù)前面任何一項權利要求的頭戴收發(fā)話器構成，其中揚聲器用多方向的或心形線的麥克風代替，與所說的錄音裝置相應的錄音帽-形表面和所說的頭戴收發(fā)話器的帽-形表面(用于聲音傳輸)相混同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聽筒和一種用于立體聲再現(xiàn)并兼容錄音的裝置，該裝置配有兩個耳機，每個耳機至少包括一個能部分給定類似帽子表面范圍的托架，該表面可以把收聽者的耳朵全都遮住。每個耳機至少包括5個揚聲器，安排在所說的托架上。所說的揚聲器要能使聲場再現(xiàn)，使得人耳對于聲頻比給定最高頻率低的聲場的感覺好象是連續(xù)的。
文檔編號H04R5/027GK1781336SQ200480011574
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權日2003年4月29日
發(fā)明者洪·崇·圖延·費姆, 安布羅伊斯·雷克 申請人:洪·崇·圖延·費姆, 安布羅伊斯·雷克