СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ В КОМНАТЕ
METHOD AND SYSTEM TO ALIGN LOUDSPEAKER IN ROOM

Область изобретения
Изобретение относится к области аппаратуры аудио- и звуковоспроизведения, в частности предлагаются способ и система для выравнивания громкоговорителя в комнате с целью адаптации громкоговорителя и, тем самым, улучшения воспроизведения звука. В частности, выравнивание предназначено для коррекции частотных характеристик, воспринимаемых в положении для прослушивания в комнате, чтобы получить звуковоспроизведение с воспринимаемым нейтральным тембром, в большей мере не зависимым от характеристик комнаты, положения громкоговорителя и положения для прослушивания в комнате.
Предпосылки изобретения
В области звуковоспроизведения, такого как стереосистемы высококачественного звуковоспроизведения или системы объемного звучания для домашнего использования, известно применение предварительного выравнивания для компенсации звуковоспроизведения на окрашивание звука, вносимое комнатой для прослушивания или, скорее, взаимодействием между громкоговорителем и комнатой для прослушивания. Применяются различные подходы для обеспечения улучшенного качества звуковоспроизведения с более нейтральным тембром для прослушивания громкоговорителя в данном положении в данной комнате.
Известные решения включают способы, основанные на измерении передаточных характеристик от громкоговорителя в положении для прослушивания и затем разработке фильтра, корректирующего эту передаточную характеристику. Эти решения имеют ряд известных недостатков, таких как неуправляемые высокие коэффициенты усиления при конкретных низких частотах из-за присутствия мод комнаты, если не выполнять ряд дополнительных изменений. Кроме того, эти типы способов выравнивания могут привести к звуковоспроизведению вне положения для прослушивания, имеющему более сильное окрашивание, чем без выравнивания. Даже очень небольшие перемещения из положения для прослушивания, скажем, на несколько сантиметров, могут в некоторых случаях быть достаточными для значительного ухудшения качества воспринимаемого звука. Пример подхода с одноточечным выравниванием можно увидеть в документе US 4458362.
Как альтернатива, в соответствии с рядом известных способов предлагается усреднение передаточных характеристик, измеренных в нескольких местах вблизи положения для прослушивания, чтобы обеспечить выравнивание, которое даст удовлетворительные результаты для более широкой зоны прослушивания. Однако эти способы часто требуют большого числа изменений и по-прежнему дают довольно плохие результаты при перемещении слушателя за пределы весьма узкой зоны прослушивания. Таким образом, для того чтобы эти способы могли вообще работать, необходимо большое количество ручных коррекций опытным оператором. Пример подхода с многоточечным выравниванием можно увидеть в документе US 6760451.
Есть и другие способы выравнивания, основанные на оценке общего акустического отклика из громкоговорителя в комнате, т.е. в стороне от положения для прослушивания. Это можно проделать путем усреднения изменений, выполненных в нескольких местах в комнате или, альтернативно, путем измерения выходной мощности громкоговорителя или эквивалентного акустического параметра, такого как сопротивление излучения, как описано в ЕР 0772374 В1.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа и системы выравнивания громкоговорителя для внесения коррекции на влияние комнаты, в которой он находится, с целью улучшить качество воспринимаемого звуковоспроизведения для человека, слушающего громкоговоритель в положении для прослушивания в комнате. Кроме того, предлагаемый способ должен обеспечить выравнивание громкоговорителя таким образом, чтобы качество звуковоспроизведения улучшилось и для слушателей вне положения для прослушивания. Способ должен быть приемлемым для автоматического расчета фильтра лишь с очень ограниченными задачами для неопытного оператора с высокой вероятностью успешного результата. При этом способ должен быть приемлемым для использования в системе высококачественного звуковоспроизведения, эксплуатируемой обычным неквалифицированным пользователем, для привязки громкоговорителя высококачественного звуковоспроизведения к конкретному положению в жилой комнате с учетом индивидуальных акустических свойств комнаты, ее взаимодействия с громкоговорителем.
В первом аспекте изобретения предлагается способ выравнивания первого громкоговорителя, расположенного в комнате, с тем чтобы внести коррекцию на влияние комнаты, причем способ включает следующие стадии:
1) стадию, на которой измеряют передаточную функцию в положении для прослушивания от электрического входа первого громкоговорителя до звукового давления в положении для прослушивания в комнате,
2) стадию, на которой определяют общую передаточную функцию, представляющую пространственное среднее уровня звукового давления в комнате, создаваемого первым громкоговорителем,
3) стадию, на которой определяют верхний предел усиления как функцию частоты, причем верхний предел усиления основывают на инверсии общей передаточной функции,
4) стадию, на которой определяют выравнивающий фильтр, исходя из инверсии передаточной функции в положении для прослушивания, причем усиление выравнивающего фильтра ограничивают максимальным усилением в соответствии с верхним пределом усиления, и
5) стадию, на которой первый громкоговоритель выравнивают в соответствии с выравнивающим фильтром.
Следует понимать, что на стадии 1) измерение передаточной функции в положении для прослушивания могут выполнять путем одного-единственного измерения в предпочтительном положении для прослушивания в комнате. Альтернативно передаточную функцию в положении для прослушивания могут измерять в нескольких местах с пространственным расположением вокруг положения для прослушивания, включая или не включая положение для прослушивания, но с покрытием зоны прослушивания, например пространственное усреднение, представляющее передаточную функцию для зоны прослушивания.
В последующем описании термины “усиление” и “передаточная функция” упоминаются как значения, представленные на шкале децибел или на эквивалентном представлении, и в целом они рассматриваются как являющиеся функцией частоты. Таким образом, положительное усиление следует понимать как абсолютное усиление более чем на единицу, а отрицательное усиление следует понимать как абсолютное усиление менее чем на единицу. Соответственно, инверсия передаточной функции соответствует изменению знака ее значений величины в дБ, например, если G(f1)=3 дБ, то 1/G(f1)=-3 дБ. Соответственно, прибавление или вычитание передаточных функций также следует понимать как манипуляции, которые необходимо выполнить со значениями величин в дБ.
По способу в соответствии с первым аспектом можно адаптировать громкоговоритель к положению для прослушивания, но при этом с учетом общих свойств комнаты. Даже если выравнивающий фильтр основан на измеренной передаточной функции в конкретное положение для прослушивания, введение зависящего от частоты верхнего предела усиления, основанного на инверсии передаточной функции, представляющей среднее звуковое давление в комнате, выравнивающий фильтр можно сформировать в соответствии с общими акустическими свойствами комнаты, поскольку эти свойства присущи общей передаточной функции.
По этому способу выравнивающий фильтр можно адаптировать к положению для прослушивания при одновременном изменении максимального усиления фильтра с учетом общего характера комнаты. Таким образом, можно избежать расчета выравнивающего фильтра с максимальными усилениями в узких интервалах частот, диктуемыми локальными свойствами в положениях для прослушивания. В соответствии с предложенным способом эти высокие максимальные усиления будут допускать только в случае, если они соответствуют общей тенденции в комнате. При этом верхний предел усиления служит для решения проблемы высокого усиления в конкретных диапазонах низких частот, например, из-за локальной точки в узком диапазоне частот в положении для прослушивания, вызванной модой комнаты. Отсутствие высоких максимальных усилений, особенно при низких частотах, помогает сохранять усилитель мощности и динамические габариты громкоговорителя. Кроме того, он обеспечивает лучшее приспособление к большей зоне прослушивания, поскольку ослабляется специфический локальный акустический характер положения для прослушивания. В целом, в соответствии с предложенным способом можно обеспечить фильтрование громкоговорителя для адаптации к комнате, что даст слушателю возможность прослушивания при значительном ослаблении сильного окрашивания из-за взаимодействия комната-громкоговоритель и при этом без внесения искажений окрашивания в местах вне положения для прослушивания.
Способ в соответствии с первым аспектом может осуществлять и неквалифицированный пользователь, поскольку предлагаемый способ можно практически осуществить в автоматическом варианте, и при этом пользователь получает команды на выполнение разных стадий, относящихся к измерению передаточной функции в положении для прослушивания и определения общей передаточной функции. Пользователь может получать команды в виде текстовых команд на дисплее или посредством команд синтезированной речью. Команды могут быть такими, как: “Вставьте штекер микрофона в гнездо для микрофона и расположите микрофон в предпочтительном для вас положении для прослушивания. Нажмите “ОК”, когда микрофон в положении для прослушивания”. Стадии 1) и 2) требуют некоторого участия пользователя системы, но стадии 3) и 4) могут выполняться автоматически в соответствии с компьютерными алгоритмами. Естественно, стадии 3) и 4) могут выполняться и с большим или меньшим участием квалифицированного оператора, который может пожелать изменить расчет фильтра в ответ, например, на графики, отображающие измеренные передаточные функции, или графики, отображающие целевые фильтр-функции, и т.п.
В зависимости от выбора того, как верхний предел усиления основывается на общей передаточной функции и как выравнивающий фильтр основывается на передаточной функции в положении для прослушивания, можно выполнить выравнивающий фильтр, который а) скорее сфокусирован на конкретное положение для прослушивания или b) скорее не сфокусирован и в целом больше адаптирован к свойствам комнаты.
Несмотря на нумерацию стадий 1)-5), понятно, что несколько можно выполнять в другом порядке, например, стадию 1) можно выполнять после стадий 2) и 3) и т.п. Стадию 5) следует рассматривать как факультативную, поскольку ее необязательно выполнять в тесной связи со стадиями 1)-4), относящимися к расчету выравнивающего фильтра.
Общую передаточную функцию стадии 2) можно определять по-разному, предпочтительно таким образом:
A) общую передаточную функцию рассчитывают исходя из результатов измерения выходной акустической мощности первого громкоговорителя и данных о звукопоглощающих свойствах комнаты, или
B) общую передаточную функцию основывают на среднем по меньшей мере двух передаточных функций в полевых точках, измеренных от электрического входа первого громкоговорителя до звуковых давлений в соответствующих положениях полевых точек, разбросанных по комнате.
В случае А) необходимо измерение акустической мощности на громкоговорителе, например, с использованием метода интенсивности звука. Кроме того, необходимы данные о звукопоглощающих свойствах комнаты, например, основанные на результатах измерений времени реверберации в комнате или основанные на размерах комнаты и информации о звукопоглощающих материалах в комнате.
В случае В) общую передаточную функцию измеряют непосредственно и, таким образом, в нее включают всю соответствующую информацию об акустических свойствах комнаты при условии, что полевые точки выбрали так, чтобы правильно отображать среднее звуковое давление в комнате, которое создают первым громкоговорителем. Поскольку необходимо измерять и передаточную функцию в положении для прослушивания, то для выполнения способа по месту необходимо иметь измерительную аппаратуру, такую как микрофон и средство обработки данных, а передаточные функции в полевых точках, которые используют для определения общей передаточной функции, можно измерять, используя ту же аппаратуру. Общую передаточную функцию предпочтительно основывают на среднем по меньшей мере трех передаточных функций в полевых точках, измеренных от электрического входа первого громкоговорителя до звуковых давлений в соответствующих положениях полевых точек в комнате. Для получения более точной общей передаточной функции ее можно основывать на среднем по меньшей мере шести передаточных функций в полевых точках, измеренных от электрического входа первого громкоговорителя до звуковых давлений в соответствующих положениях полевых точек в комнате. Вообще-то, чем больше полевых точек, тем лучше результат, но за счет более полных измерений. Установлено, однако, что измерения в двух полевых точках дают вполне удовлетворительные результаты.
В одном предпочтительном варианте осуществления, в котором общую передаточную функцию основывают на среднем по меньшей мере одной передаточной функции в полевой точке, измеренной от электрического входа первого громкоговорителя до звукового давления в положении полевой точки в комнате, и передаточной функции в положении для прослушивания. Таким образом, измерение, которое выполняют в положении для прослушивания, выполнять которое необходимо всегда, используют и для получения информации об общих акустических свойствах комнаты. В этом случае для получения удовлетворительного результата, который еще выиграет и от верхнего предела усиления, который основывают на общей передаточной функции, требуется лишь одно дополнительное измерение передаточной функции в полевой точке.
В другом предпочтительном варианте осуществления общую передаточную функцию основывают на среднем по меньшей мере двух передаточных функций в полевых точках, измеренных от электрического входа первого громкоговорителя до звуковых давлений в соответствующих положениях полевых точек, разбросанных по комнате, и передаточной функции в положении для прослушивания.
Предпочтительно, как усреднение передаточных функций, которое включают в расчет общей передаточной функции, используют усреднение мощности, такое как простой вид усреднения мощности, в котором все отдельные подлежащие усреднению передаточные функции равновзвешены. Может, однако, оказаться предпочтительным придавать разный вес в случае, если для получения общей передаточной функции в усреднение включают передаточную функцию в положении для прослушивания.
Вообще-то, по меньшей мере две передаточные функции в полевых точках предпочтительно выбирать в комнате случайно. Предпочтительно, это включает выбор каждого из по меньшей мере двух положений на полностью случайной основе в пределах комнаты. Случайный выбор полевых точек можно основывать, например, на входном сигнале из генератора случайных чисел, с помощью которого положения выбирают случайно в трех размерах на основании предварительно введенных размеров комнаты.
В дополнение к верхнему пределу усиления способ предпочтительно включает стадию, на которой определяют нижний предел усиления как функцию частоты, основываясь на инверсии общей передаточной функции, причем усиление выравнивающего фильтра ограничивают минимальным усилением в соответствии с нижним пределом усиления. Таким образом, верхним и нижним пределами усиления создают границы усиления, в которых ограничивают усиление выравнивающего фильтра. Поскольку как верхний, так и нижний пределы усиления основывают на общей передаточной функции, можно создать ограничения пределов усиления для выравнивающего фильтра, что послужит для адаптации результирующего выравнивающего фильтра к общим акустическим свойствам комнаты, а не для отображения конкретных локальных свойств в положении для прослушивания. Особенно нижний предел усиления служит для того, чтобы не допустить, чтобы пик в частотной области, который наблюдают в передаточной функции в положении для прослушивания, оказывал полный эффект как соответствующий провал в результирующем выравнивающем фильтре, если только пик, который наблюдают в положении для прослушивания, не отображает общую тенденцию в комнате.
Верхний предел усиления предпочтительно определяют как инверсию общей передаточной функции плюс первое положительное усиление, такое как положительное усиление 3 дБ или, альтернативно, первое положительное усиление, равное просто 0 дБ. Первое положительное усиление могут предусматривать зависящим от частоты или не зависящим от частоты. Соответственно, нижний предел усиления определяют как инверсию общей передаточной функции минус второе положительное усиление, такое как второе положительное усиление 3 дБ. Второе положительное усиление могут предусматривать зависящим от частоты или не зависящим от частоты. Эти пути создания разных верхнего и нижнего пределов усиления, которые основывают на общих передаточных функциях и прибавлении/вычитании усилений, можно использовать для создания более или менее жестких границ, в которых допускают усиление выравнивающего фильтра.
Верхний предел усиления могут ограничивать первым интервалом усиления, таким как интервал от 0 дБ до +10 дБ, причем первый интервал усиления предусматривают зависящим от частоты или не зависящим от частоты. Соответственно, нижний предел усиления могут ограничивать вторым интервалом усиления, таким как интервал от -15 дБ до +10 дБ, причем второй интервал усиления предусматривают зависящим от частоты или не зависящим от частоты.
Этими интервалами ограничения можно дополнительно уточнить границы, которыми ограничивают выравнивающий фильтр. Это позволяет, например, вместе с вышеупомянутыми первым и вторым усилениями реализовать автоматический алгоритм с получением удовлетворительного выравнивающего фильтра без необходимости в ручной помощи от оператора, также и в случаях необычных конфигураций громкоговорителя в комнате.
В зависимости от выбранного разрешения по частоте на измеренных передаточных функциях может оказаться предпочтительным включить выполнение операции сглаживания на одной или нескольких передаточных функциях на различных стадиях способа. Способ включает стадию, на которой выполняют операцию сглаживания на общей передаточной функции, например выполняют операцию сглаживания на общей передаточной функции до выполнения стадии 3). Способ может включать стадию, на которой выполняют операцию сглаживания на передаточной функции в положении для прослушивания, например выполняют операцию сглаживания на передаточной функции до выполнения стадии 4). Способ может включать стадию, на которой выполняют операцию сглаживания на передаточной функции, исходя из разницы между передаточной функцией в положении для прослушивания и общей передаточной функцией. Способ может включать стадию, на которой выполняют операцию сглаживания на целевой фильтр-функции до реализации выравнивающего фильтра на основании этого.
Предпочтительно способ включает стадию, на которой до выполнения стадии 4) выравнивают уровень общей передаточной функции с уровнем передаточной функции в положении для прослушивания. Тем самым можно автоматически внести поправку на нежелательную разницу настроек усиления измерительной аппаратуры и т.п., которые могли измениться между измерением в полевых точках и в положении для прослушивания, а также общую разницу уровней передаточной функции в положении для прослушивания и общей передаточной функции, вызванную тем фактом, что уровень звукового давления в положении для прослушивания чаще всего выше, чем уровень звукового давления комнаты, поскольку громкоговоритель часто размещают возле положения для прослушивания. Выравнивание уровней можно выполнять исходя из соответствующих средних уровней общей передаточной функции и передаточной функции в положении для прослушивания, соответствующих средних уровней, рассчитанных в заданном частотном интервале, таком как частотный интервал от 300 Гц до 800 Гц. Выравниванием уровней можно найти общий средний уровень общей передаточной функции и передаточной функции в положении для прослушивания, и этот общий уровень можно использовать в качестве уровней для определения инверсных версий общей передаточной функции и передаточной функции в положении для прослушивания для использования на стадиях 3) и 4).
До выполнения стадии 3) к общей передаточной функции можно применить фильтр. Фильтр предпочтительно используют для удаления общего «комнатного усиления» ближе к нижним частотам, например ниже 200 Гц. Альтернативно или дополнительно фильтр можно установить для удаления влияния направленности первого громкоговорителя, которое проявляется в снижении уровня ближе к повышенным частотам, и, таким образом, для коррекции факта, что во многих обстановках для прослушивания громкоговоритель будет ориентирован так, что его высокочастотный акустический излучатель будет направлен в сторону положения для прослушивания, таким образом создавая здесь более высокий уровень при высоких частотах, чем в комнате в целом.
До выполнения стадии 4) к передаточной функции в положении для прослушивания можно применить фильтр. Фильтр можно использовать в тех же целях, что указаны в предыдущем параграфе относительно факультативного фильтра, который применяют к общей передаточной функции, т.е. для удаления общего «комнатного усиления» ближе к нижним частотам и (или) внесения коррекции на неплоскую или неоднородную частотную характеристику ближе к повышенным частотам.
До выполнения стадии 3) по меньшей мере к передаточной функции в положении для прослушивания можно применить фильтр, чтобы устранить общий эффект пропускания верхних частот, такой как эффект пропускания верхних частот, вносимый первым громкоговорителем. Подобный фильтр можно применить и к общей передаточной функции. Улучшенного расчета выравнивающего фильтра добиваются, если перед тем, как выполнять расчет фильтра, убирают собственную отсечку, присущую громкоговорителю.
Выравнивающий фильтр предпочтительно выполняют как минимальную фазовую аппроксимацию или линейную фазовую аппроксимацию целевой фильтр-функции.
Предпочтительно по меньшей мере одну из функций - передаточную функцию в положении для прослушивания и передаточную функцию в полевой точке - измеряют, подавая в первый громкоговоритель электрический испытательный сигнал, такой как сигнал случайного шума или чистый тональный сигнал, и собирая соответствующий акустический отклик в комнате.
В вариантах осуществления способа, например для стереопары громкоговорителей, способ включает стадию, на которой определяют второй выравнивающий фильтр для второго громкоговорителя, расположенного в комнате, и стадию, на которой выравнивают второй громкоговоритель в соответствии со вторым выравнивающим фильтром. Измерение передаточной функции в положении для прослушивания и (или) полевых точках можно выполнять, одновременно подавая в первый и второй громкоговорители электрические испытательные сигналы, предпочтительно идентичные электрические испытательные сигналы, и собирая в комнате соответствующий акустический отклик. Аналогичным образом передаточные функции в полевых точках можно измерять с помощью одновременных испытательных сигналов, которые подают в оба громкоговорителя. При этом в одно измерение включают акустические «вклады» от обоих громкоговорителей.
Альтернативно измерение передаточной функции в положении для прослушивания для первого и второго громкоговорителей выполняют отдельно. Для этого случая передаточные функции, которые измерили отдельно для первого и второго громкоговорителей, могут суммировать для получения общей передаточной функции в положении для прослушивания для первого и второго громкоговорителей так, чтобы математически суммировать акустические вклады обоих громкоговорителей с использованием наложения. В соответствии с этой альтернативой подобную операцию можно выполнить для измерения передаточных функций в полевых точках.
Может оказаться предпочтительным выполнить первый и второй выравнивающие фильтры с идентичными передаточными характеристиками, тем самым облегчая операцию расчета фильтра.
В вариантах осуществления способа, например для обстановки для прослушивания нескольких громкоговорителей для объемного звучания, такого как громкоговоритель типа 5.1, способ может включать стадию, на которой определяют несколько выравнивающих фильтров для соответствующих нескольких громкоговорителей, расположенных в комнате, и стадию, на которой выравнивают несколько громкоговорителей в соответствии с соответствующими несколькими выравнивающими фильтрами. Измерение передаточной функции в положении для прослушивания могут выполнять, одновременно подавая в несколько громкоговорителей электрические испытательные сигналы, предпочтительно идентичные электрические испытательные сигналы, и собирая в комнате соответствующий акустический отклик. Альтернативно измерение передаточной функции в положении для прослушивания выполняют отдельно по меньшей мере для двух из нескольких громкоговорителей, например отдельно для всех из нескольких громкоговорителей. Понятно, что подобные способы измерения можно использовать и для измерений передаточных функций в полевых точках.
Передаточную функцию в положении для прослушивания можно альтернативно измерять путем сочетания одновременной подачи электрических испытательных сигналов в первую подгруппу из нескольких громкоговорителей, а на второй подгруппе из нескольких громкоговорителей выполняют отдельные измерения. Соответствующую альтернативу можно использовать и для измерений в полевых точках.
Как еще одна альтернатива, передаточную функцию в положении для прослушивания можно альтернативно измерять путем одновременной подачи электрических испытательных сигналов в первую подгруппу из нескольких громкоговорителей и отдельно подачи электрических испытательных сигналов во вторую подгруппу из нескольких громкоговорителей. Соответствующую альтернативу можно использовать и для измерений в полевых точках.
Для всех описанных вариантов осуществления все измеренные передаточные функции предпочтительно имеют разрешение по частоте, эквивалентное 1/12 октавы или лучше. Способ предпочтительно применяют во всем диапазоне звуковых частот, но могут применять и лишь в его ограниченной части, например в диапазоне 20-5000 Гц или 20-1000 Гц, и при этом выравнивающий фильтр выполняют с плоской характеристикой величина-частота в остальной части диапазона звуковых частот.
Во втором аспекте предлагается считываемый компьютером программный код, предназначенный для осуществления способа в соответствии с первым аспектом. Программный код может находиться на носителе данных, например на плате памяти, дискете, жестком диске, в постоянном запоминающем устройстве, оперативном запоминающем устройстве и т.п. Программный код может адаптироваться для выполнения в устройстве общего назначения, таком как персональный компьютер, или специальном устройстве, таком как измерительное устройство или аудиоустройство.
Теми же преимуществами, что и описаны для способа в соответствии с первым аспектом, обладает и программный код в соответствии со вторым аспектом.
В третьем аспекте предлагается система, предназначенная для осуществления способа в соответствии с первым аспектом, содержащая:
- измерительную систему, предназначенную для выполнения стадий 1)-4) способа в соответствии с первым аспектом, и
- фильтрующее средство, предназначенное для выполнения стадии 5) способа в соответствии с первым аспектом.
Теми же преимуществами, что и описаны для способа в соответствии с первым аспектом, обладает и система в соответствии с третьим аспектом.
В одном варианте осуществления измерительная система и фильтрующее средство реализованы как отдельные устройства, предназначенные для взаимосвязи через интерфейс. По меньшей мере одно из этих отдельных устройств может быть автономным.
В альтернативном варианте осуществления измерительная система и фильтрующее средство объединены в одно устройство. Это одно устройство может быть реализовано как схемная плата, предназначенная для вставки в звукоусилитель или другое аудиоустройство. Альтернативно это одно устройство может быть автономным, например устройством, предназначенным для подключения к обычной системе высококачественного звуковоспроизведения.
Измерительная система может быть реализована как компьютер, например персональный компьютер, с интерфейсом, предназначенным для загрузки коэффициентов фильтра в фильтрующее средство в соответствии с выравнивающим фильтром.
В четвертом аспекте предлагается аудиоустройство, содержащее по меньшей мере измерительную систему или фильтрующее средство в соответствии с третьим аспектом. Аудиоустройство может содержать как измерительную систему, так и фильтрующее средство. Аудиоустройством может быть, например, усилитель, приемник объемного звучания и т.п.
Теми же преимуществами, что и описаны для способа в соответствии с первым аспектом, обладает и система в соответствии с четвертым аспектом.
Краткое описание графического материала
Далее приводится подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг.1 представлены основные части предлагаемой системы выравнивания в комнате,
на фиг.2 представлены графики с примерами 9 измеренных передаточных функций, измеренных в комнате (тонкие линии). На верхнем графике жирной линией показана общая передаточная функция G, являющаяся средним мощности 9 измеренных передаточных функций, а на нижнем графике жирной линией показана для сравнения передаточная функция в положении для прослушивания L,
на фиг.3, верхняя часть, представлена общая передаточная функция G (жирная линия) с горизонтальной линией, показывающей средний уровень общей передаточной функции G в частотном интервале 300-800 Гц, и наклонной линией, показывающей общий снижающийся уровень ближе к повышенной частоте общей передаточной функции G, а в нижней части показана откорректированная версия G' (жирная линия),
на фиг.4 представлены инверсные версии откорректированной общей передаточной функции 1/G' и откорректированной передаточной функции в положении для прослушивания 1/L' соответственно, где L и G выровнены по уровню, чтобы подходить друг к другу,
на фиг.5, верхний график, приведены примеры верхнего и нижнего пределов усиления UGL, LGL соответственно, основанных на 1/G', а нижний график иллюстрирует целевую фильтр-функцию Т, которая является ограниченной усилением версией инверсной передаточной функции в положении для прослушивания 1/L',
на фиг.6 представлено то же, что на фиг.5, но для другого примера верхнего и нижнего пределов усиления UGL, LGL соответственно с другой результирующей целевой фильтр-функцией Т (нижний график),
фиг.7 иллюстрирует для примера на фиг.5 целевую фильтр-функцию Т и ее сглаженную версию, которая образует передаточную функцию для реализации в качестве выравнивающего фильтра F, и
фиг.8 иллюстрирует пример предпочтительного подъема частотной характеристики в области нижних звуковых частот из-за общего «комнатного усиления» ближе к нижним частотам.
Хотя возможны различные изменения и альтернативные виды, для примера показаны на чертежах и будут подробно описаны ниже конкретные варианты осуществления. Следует, однако, понимать, что изобретение не предназначено для того, чтобы ограничиваться конкретными раскрытыми видами. Напротив, изобретение охватывает все изменения, эквиваленты и альтернативы в пределах сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1 служит для иллюстрации основных элементов предлагаемого варианта осуществления изобретения. Громкоговоритель L1 расположен в комнате, например в жилой комнате, с положением для прослушивания LP. Громкоговоритель L1 может быть частью обычной стереосистемы высококачественного звуковоспроизведения, такой как показанная с усилителем мощности и CD-плеером, подключенными к громкоговорителю L1. Как показано, выравнивающий фильтр F, т.е. предварительный фильтр, в соответствии с изобретением введен в цепь воспроизведения между источником сигналов (CD-плеером) и усилителем мощности с основной целью по меньшей мере частичной коррекции звуковоспроизведения в положении для прослушивания LP на влияние комнаты или, скорее, влияние от взаимодействия между громкоговорителем L1 и комнатой.
Как показано, входными данными в систему для выравнивания в комнате являются: а) измеренная передаточная функция в положении для прослушивания L от электрического входа громкоговорителя L1 до звукового давления в положении для прослушивания и b) общая передаточная функция G, представляющая пространственное среднее уровня звукового давления в комнате, созданного громкоговорителем L1. В представленном варианте осуществления общая передаточная функция G основана на среднем, предпочтительно среднем по мощности, трех передаточных функций в полевых точках G1, G2, G3, измеренных от электрического входа громкоговорителя L1 до звуковых давлений до соответствующих положений трех полевых точек PF1, PF2, PF3, разбросанных по комнате - т.е. полевые точки должны быть разбросаны не только вокруг LP, а по всей комнате. Таким образом, общая передаточная функция G служит для отображения общей акустической тенденции или характера комнаты, в то время как передаточная функция в положении для прослушивания L включает точный акустический характер положения для прослушивания LP.
Для того чтобы обеспечить полную коррекцию в положении для прослушивания LP, выравнивающий фильтр F должен рассчитываться основанным на целевой фильтр-функции, равной 1/L. Однако на практике человек или несколько человек, слушающих громкоговоритель L1, не будут находиться в одной-единственной точке. Кроме того, выбор 1/L как целевой фильтр-функции приведет в целом к бесконечному усилению в узких полосах частот при низких частотах из-за мод комнаты. В настоящем изобретении эти проблемы решаются путем изменения целевой 1/L путем введения верхнего предела усиления UGL, зависящего от частоты, и, факультативно, еще и нижнего предела усиления LGL, зависящего от частоты, причем оба эти предела усиления основаны на 1/G. После этого выравнивающий фильтр F рассчитывается основанным на 1/L, но при этом усиление выравнивающего фильтра F ограничивается максимальным усилением в соответствии с UGL и, факультативно, с дополнительным ограничением, которым этот фильтр F ограничивается минимальным усилением в соответствии с LGL.
При этом получается выравнивающий фильтр F, который корректирует конкретные характеристики положения для прослушивания, но ограничивается коррекцией на характеристики, являющиеся общими для комнаты. Результирующий выравнивающий фильтр F обеспечит хороший воспринимаемый эффект и для прослушивания в местах вне положения для прослушивания LP, но рядом с ним, и, кроме того, фильтр F обеспечит преимущественные эффекты в местах далеко от положения для прослушивания LP.
Электроакустические передаточные функции L, G1, G2, G3 могут измеряться известным образом с использованием микрофона и методов измерения, известных в области акустических измерений, например методов, основанных на псевдослучайном шуме, таких как методы с последовательностями максимальной продолжительности или спектрометрия с задержкой по времени.
В предпочтительном методе измерения передаточной функции используют чистые тона с разнесенными на 1/12 октавы частотами в диапазоне частот 20-20,000 Гц. Предпочтительно используют фильтры на алгоритме Герцеля, а частоты чистого тона выбирают такими, чтобы они точно подходили меткам частот этих фильтров.
Передаточные функции в полевых точках G1, G2, G3 предпочтительно измеряют в случайно выбранных полевых точках PF1, PF2, PF3, разбросанных по комнате, т.е. в случайно выбранных местах по высоте, ширине и длине комнаты.
Лучших результатов можно добиться, если использовать больше полевых точек, но обычно для достижения приемлемых результатов необходимы лишь две полевые точки, особенно если и L включена в усреднение вместе с передаточными функциями в полевых точках для получения G. В этом случае приемлемые результаты можно получить, используя в целом три положения микрофона.
Как альтернатива измерению передаточных функций в полевых точках G1, G2, G3, G можно рассчитать по акустической выходной мощности громкоговорителя L1 в конкретном месте в комнате, например, используя методы измерения интенсивности звука, вместе с данными о звукопоглощающих свойствах комнаты. Звукопоглощающие свойства комнаты можно либо рассчитать по данным о звукопоглощении звукопоглощающих материалов в комнате, либо звукопоглощающие свойства могут основываться на измеренных данных, например на результатах измерения времени реверберации в комнате.
Практические реализации системы выравнивания в комнате могут принимать несколько форм, как уже указывалось. Один вариант осуществления, подходящий для существующей системы высококачественного звуковоспроизведения, может быть реализован в виде двух отдельных устройств: измерительного устройства и фильтрующего устройства с устройством сопряжения с измерительным устройством, предназначенного для получения коэффициентов фильтра из измерительного устройства.
После этого измерительное устройство предпочтительно разрабатывается для выполнения измерений передаточных функций и расчета фильтра и, таким образом, предпочтительно включает устройство для обработки сигналов для выполнения измерений передаточных функций в диалоговом режиме с пользователем для выдачи пользователю команд относительно мест правильного размещения микрофона и обеспечения правильности всех электрических подключений и т.п. Предпочтительно используют алгоритмы обработки ошибок, предназначенные для проверки, являются ли результаты измерений приемлемыми или их следует повторить, т.е. для обеспечения надежной автоматической операции. Кроме того, измерительное устройство предпочтительно включает также автоматический алгоритм, позволяющий ему выполнять расчет фильтра F без какого-либо ручного взаимодействия, требуемого от пользователя. Измерительное устройство может быть автономным или представлять собой обычный персональный компьютер с платой аудиопроцессора.
Для использования с обычной системой высококачественного звуковоспроизведения фильтр может быть автономным устройством, включаемым между источником сигнала (например, CD-плеером) и усилителем или между предусилителем и усилителем мощности. Фильтр может предназначаться для приема аналогового или цифрового входного звукового сигнала и может предназначаться для выдачи отфильтрованного выходного сигнала в цифровой или аналоговой форме. Предпочтительно выравнивающее фильтрование реализовано посредством фильтра с импульсной характеристикой конечной длительности или фильтра с импульсной характеристикой бесконечной длительности.
В случае усилителя со средством обработки цифровых сигналов усилитель может предназначаться для загрузки коэффициента фильтра из измерительной системы.
На фиг.2, верхний график, приведен пример графика зависимости величина-частота 9 измеренных передаточных функций в полевых точках и общей передаточной функции G (жирная линия), рассчитанной как их средняя по мощности. Как видно, 9 передаточных функций в полевых точках весьма отличаются и имеют очень индивидуальные пики и провалы. Рассчитанная G намного глаже и просто отображает общие характеристики для отдельных полевых точек. Обратите внимание, например, на то, что есть общий подъем на 10-15 дБ в диапазоне 30-100 Гц относительно уровня при частотах 500-1000 Гц.
На нижнем графике фиг.2 показаны те же передаточные функции в полевых точках, что и на верхнем графике, но в этом случае жирной линией показана передаточная функция в положении для прослушивания L. Сравнивая L с G, можно заметить, что в узкой полосе частот ниже 40 Гц L имеет резкий провал. Таким образом, использование 1/L в качестве целевой фильтр-функции приведет к большому усилению в полосе вокруг 40 Гц, что в свою очередь потребует значительных динамических габаритов усилителя мощности и громкоговорителя, и, кроме того, поскольку провал L вызван модой комнаты, добиться оптимального акустического отклика в положении для прослушивания LP не удастся.
Фиг.3 иллюстрирует предпочтительные методы коррекции на изменение G перед расчетом UGL и LGL на этом основании. На верхнем графике на фиг.3 показана горизонтальная линия, указывающая средний уровень общей передаточной функции G, рассчитанный в конкретном частотном интервале, предпочтительно в интервале 300-800 Гц, но в равной степени подходящими являются и другие диапазоны. Цель заключается в том, чтобы определить общий уровень общей передаточной функции G и внести коррекцию в него, чтобы получить откорректированную версию G', являющуюся уровнем, смещенным так, что имеет общее усиление нуль дБ. При этом можно обеспечить автоматический метод расчета выравнивающего фильтра F по результатам измерений, которые не нужно калибровать относительно абсолютного уровня, и по-прежнему иметь в результате F, имеющий общее усиление нуль дБ - т.е. без какого-либо не зависящего от частоты усиления или затухания, которое обычно не является интенцией с F.
На верхнем графике на фиг.3 показана также наклонная линия, указывающая общую тенденцию снижения уровня G ближе к высоким частотам. Этого обычно можно ожидать ввиду определенной направленности акустического выходного сигнала громкоговорителя, поскольку обычный громкоговоритель, например, для использования в системе высококачественного звуковоспроизведения часто разрабатывают с плоской осевой амплитудно-частотной характеристикой, в то время как средняя звуковая мощность, доставленная в комнату, при повышенных частотах будет падать из-за несферической диаграммы направленности ближе к повышенным частотам. Таким образом, G чаще всего будет иметь общий снижающийся уровень, который можно аппроксимировать прямой наклонной линией, если смотреть на графике амплитудно(дБ)-частотной (логарифмическая частота) характеристики. В соответствии с одним предпочтительным методом коррекции прямую наклонную линию рассчитывают по G, и G затем предпочтительно корректируют на этот эффект наклона выше частоты отсечки, которую определяют по точке пересечения горизонтальной линии, указывающей общий уровень G, и расчетной прямой наклонной линии.
На нижнем графике на фиг.3 показана G' - откорректированная версия G относительно общего уровня и снижения ближе к высоким частотам, как описано выше. Как видно, G' имеет в целом плоскую характеристику и общий уровень нуль дБ. Хотя по-прежнему в диапазоне 30-80 Гц G' имеет усиление более 10 дБ.
Фиг.4 иллюстрирует инверсную версию откорректированной общей передаточной функции 1/G'. Кроме того, показана соответственно откорректированная передаточная функция в положении для прослушивания 1/L', где L' - версия L со смещением уровня с общим усилением нуль дБ, полученная методом, соответствующим объясненному выше для случая G'. Таким образом, 1/G' и 1/L' обе предпочтительно имеют общее усиление нуль дБ. Теперь по 1/G' можно рассчитать верхний предел усиления UGL и нижний предел усиления LGL.
На фиг.5, верхняя часть, приведены примеры UGL и LGL на основе 1/G', как показано на фиг.4. UGL задан равным 1/G', но ограничен в не зависящем от частоты первом интервале предела усиления gi1, в данном случае выбранном как интервал [0 дБ …+10 дБ]. Хотя вообще-то можно было бы задать UGL=1/G'+g1, где g1 - положительное усиление (в дБ), например, которое можно выбрать как g1=3 дБ или g1=6 дБ. В одном предпочтительном варианте осуществления g1=0 дБ, как также показано в примере в верхней части фиг.5. Если UGL=1/G'+g1 находится вне интервала gi1, UGL задается равным краю интервала gi1, ближайшего к усилению (1/G'+g1). Таким образом, в примере на фиг.5, ниже 100 Гц, где 1/G' (+0 дБ) находится ниже gi1 (нижней крайней точки интервала gi1), здесь UGL задается равным нижнему краю gi1, т.е. 0 дБ.
Аналогичным образом LGL ограничен в не зависящем от частоты втором интервале предела усиления gi2, в данном случае выбранном как интервал [-15 дБ …+10 дБ]. В этом интервале LGL задается равным 1/G' - 3 дБ, или, в более общем выражении: LGL=1/G' - g2, где g2 - положительное усиление (в дБ), например, g2=0 дБ или g2=3 дБ. Таким образом, при показанной стратегии задания UGL=1/G' и задании LGL=1/G' - 3 дБ вводится довольно жесткий предел для возможного максимального усиления результирующего выравнивающего фильтра F, и при этом он может иметь минимальное усиление, меньшее, чем диктуется инверсной версией откорректированной общей передаточной функции 1/G'.
Правильной стратегией выбора g1, gi1, g2 и gi2 можно регулировать результирующий выравнивающий фильтр F между, с одной стороны, общим “характером комнаты” и, с другой стороны, более сфокусированным характером “положения для прослушивания”.
На фиг.5, нижняя часть, показана целевая фильтр-функция Т для выравнивающего фильтра F, полученная в результате применения для 1/L' пределов усиления UGL и LGL
для определения максимального и минимального допустимых усилений как функция частоты, как описано выше. 1/L' показана тонкой линией, а версия Т с ограниченным усилением показана жирной линией. Как видно, Т не страдает от узких пиков с высокими значениями усиления, особенно видно, что пик 1/L' чуть ниже 40 Гц подавлен, поскольку у 1/G' этого пика нет, и, следовательно, в соответствии с описанной процедурой в этом диапазоне частот высокое значение усиление не допущено, поскольку пик вызван локальным явлением в положении для прослушивания LP. И напротив, в узкой полосе частот в районе 110-120 Гц усиление 7 дБ допущено, поскольку и у 1/G' здесь есть пик, и, таким образом, этот пик отображает общие характеристики комнаты, а не локальное явление в положении для прослушивания LP.
На фиг.6 представлены верхний и нижний графики, подобные приведенным на фиг.5, но для альтернативной стратегии выбора UGL и LGL. На верхнем графике на фиг.6 представлен UGL=1/G'+3 дБ и LGL=1/G' - 3 дБ. Т.е. по сравнению с UGL и LGL на фиг.5 интервал ограничения не применен. В нижней части фиг.6 представлена результирующая целевая фильтр-функция Т (жирная линия) после применения к 1/L' пределов усиления UGL и LGL верхнего графика. Для сравнения 1/L' показана тонкой линией. Результирующая Т отличается от показанной на фиг.5, но они по-прежнему имеют несколько общих основных особенностей, таких как отсутствие пика усиления в диапазоне ниже 40 Гц, несмотря на то что 1/L' диктует наличие этого пика.
На фиг.7 тонкой линией показана целевая фильтр-функция Т с нижнего графика на фиг.5 вместе с окончательной функцией выравнивающего фильтра F, которая в предпочтительных вариантах осуществления представляет собой сглаженную версию Т. Одна из причин для сглаживания заключается в том, что выравнивающий фильтр F можно аппроксимировать фильтром низшего порядка и, таким образом, реализовать более эффективным и более экономичным способом и при этом без каких-либо слышимых недостатков.
Звуковоспроизведение в комнате всегда приводит к повышенному уровню звукового давления ближе к пониженным частотам, что обусловлено характером обычной комнаты, например обычной жилой комнаты, ввиду того факта, что в обычной комнате количество звукопоглощения ближе к пониженным частотам обычно ниже, чем при средних и высоких частотах. Повышенный уровень звукового давления ближе к пониженным частотам воспринимается человеческим ухом как естественный, поскольку он дает слушателю ощущение фактического нахождения в комнате. Следовательно, для того чтобы сохранить естественное звуковоспроизведение, предпочтительно, чтобы система для выравнивания в комнате не удаляла плавное повышение уровня при низких частотах, создавая при низких частотах плоский целевой отклик. Напротив, предпочтительно, чтобы система для выравнивания в комнате создавала целевой отклик, если это плавное повышение уровня при низких частотах сохранено, учитывая, таким образом, то, что можно назвать «комнатным усилением» при собственных низких частотах.
Это сохранение «комнатного усиления» при низких частотах в окончательно реализованной функции выравнивающего фильтра и, таким образом, в воспроизводимом звуке можно реализовать путем применения фильтра как функции частоты к общей передаточной функции, служащей для удаления «комнатного усиления» при низких частотах и получения измененной общей передаточной функции, а затем использовать эту общую передаточную функцию для создания верхнего предела усиления. Таким же путем передаточную функцию в положении для прослушивания можно изменить путем применения фильтра как функции частоты, служащей для удаления «комнатного усиления» при низких частотах и получения измененной передаточной функции в положении для прослушивания перед определением на ее основании функции выравнивающего фильтра. Альтернативно «комнатное усиление» при низких частотах можно, естественно, реализовать путем расчета «комнатного усиления» по измеренным передаточным функциям и прибавления этого расчетного «комнатного усиления» к выравнивающему фильтру, рассчитанному в соответствии с уже описанными общими правилами изобретения, например, путем изменения окончательной целевой функции этим «комнатным усилением» перед реализацией функции выравнивающего фильтра. Как еще одна альтернатива, в конечном итоге в процессе реализации функции выравнивающего фильтра можно применить фиксированный фильтр - фиксированный фильтр с заданной фильтр-функцией, служащий для сохранения заданного «комнатного усиления», не основанного на результатах измерения, полученных в реальной комнате.
На фиг.8 приведен пример предпочтительной целевой функции ST, основанной на общей передаточной функции G, измеренной в типичной комнате для прослушивания. Как видно, в разных диапазонах частот общая передаточная функция G имеет разные общие характеристики, что обусловлено характером комнаты. При средних частотах, т.е. 200-5000 Гц, общая передаточная функция G имеет в целом плоский характер, и, таким образом, в этом диапазоне частот предпочтительно иметь целевую функцию ST, которая является в целом плоской, например, имеет фиксированное усиление на средних частотах, например усиление нуль дБ. Однако на фиг.8 видно, что фактически кривая ST имеет небольшой наклон, так что усиление при 200 Гц на 1 дБ или 2 дБ выше, чем при 5 кГц. Выше 5 кГц общая передаточная функция G имеет общий спад 6 дБ на октаву, и это предпочтительно принято и в целевой функции ST.
Наконец, общая передаточная функция G на фиг.8 имеет вышеупомянутый общий подъем в области нижних звуковых частот, в данном случае ниже 200 Гц. В ответ на этот общий подъем ниже 200 Гц целевая функция ST выбрана таким образом, чтобы сохранить это общее «комнатное усиление» путем малого усиления до 6 дБ с максимальным усилением примерно при 30-50 Гц. Как видно, не сделан выбор, позволяющий целевой функции ST повторить скачок уровня при частоте примерно 150-200 Гц в G; напротив, целевая функция ST имеет очень плавный подъем в области нижних звуковых частот, начинающийся в диапазоне 150-200 Гц с повышением усиления ближе к нижним частотам и достижением максимального уровня усиления в диапазоне самых низких звуковых частот. В предпочтительных вариантах осуществления подъем целевой функции ST в области нижних звуковых частот основан на заданной функции фиксированного фильтра, служащей, таким образом, для обеспечения для слушателя фиксированного и четко определенного «комнатного усиления» независимо от фактической комнаты для прослушивания, тем самым устраняющей необходимость адаптации системы выравнивания к усилениям на крайне низких частотах в комнатах с очень высоким усилением на низких частотах. Это фиксированное «комнатное усиление» может, например, основываться на свойствах стандартной комнаты для прослушивания по стандартам Международной электротехнической комиссии. Предпочтительно плавно снижать усиление ниже нижнего предела громкоговорителя, чтобы избежать высоких усилений на частотах ниже низкочастотного спада для громкоговорителя, чтобы экономить мощность усилителя и избежать больших амплитуд диафрагмы низкочастотного динамика.
Выравнивание, представленное в предпочтительных вариантах осуществления, не направлено на коррекцию недостатков громкоговорителя. Однако в расчет выравнивающего фильтра F можно, естественно, включить и эту дополнительную коррекцию недостатков громкоговорителя. Это особенно может быть желательным для добавления умеренного подъема частотной характеристики в области нижних звуковых частот для коррекции на довольно высокую частоту отсечки небольших громкоговорителей. В связи с предлагаемым способом этот подъем частотной характеристики в области нижних звуковых частот легко рассчитать, поскольку результаты измерений передаточных функций L и G включают информацию о частоте отсечки фактического громкоговорителя в области нижних звуковых частот. Таким образом, на нее можно выполнить коррекцию. Однако, как уже отмечалось, до выполнения стадии 3) способа предпочтительно вначале удалить этот эффект пропускания верхних частот из измеренных передаточных функций. Коррекцию на эффект пропускания верхних частот можно затем применить после стадии 4), например, путем создания комбинированного фильтра F, который вносит коррекцию как на взаимодействие между комнатой и громкоговорителем, так и на общий эффект пропускания верхних частот громкоговорителя.
Следует понимать, что описанные манипуляции, выполняемые на L и G, т.е. выравнивание уровней, сглаживание и т.п., можно выполнять до или после расчета инверсии L и G соответственно. Таким образом, следует понимать, что, например, сглаживание можно применять либо к G, либо к 1/G, либо к 1/G плюс коэффициент усиления.
В пункты формулы изобретения условные обозначения на фигурах включены лишь для доходчивости. Эти ссылки на примерные варианты осуществления никоим образом не следует рассматривать как ограничивающие объем формулы изобретения.