ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА
DIFFERENTIAL AUDIO REPRODUCTION

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к вычислительному блоку для системы воспроизведения звука, соответствующему способу и к системе, содержащей вычислительный блок и массив.
Некоторые системы воспроизведения звука основаны на так называемых дифференциальных методах воспроизведения звука. Благодаря дифференциальному воспроизведению звука может быть воспроизведена диаграмма направленности. Диаграммы направленности известны по направленным микрофонам. Направленные микрофоны обычно реализуются посредством измерения градиента звукового давления или его приближения, как описано, например, в публикациях авторов G. Bore и S. Peus под названием «Mikrophone: Arbeitsweise und Ausführungsbeispiele» и автора H. Olson под названием «Gradient microphones». Например, градиент первого порядка имеет диаграмму направленности в виде восьмерки. Путем задержки одного канала при измерении разности звукового давления можно получить диаграммы направленности в виде кардиоиды или кардиоиды с хвостом. Дифференциальные или градиентные микрофоны первого порядка являются стандартом в направленных микрофонах.
Используемая реже, та же концепция может быть применена и к громкоговорителям, о чем свидетельствует публикация H. Olson под названием «Gradient loudspeakers». Хотя соответствующие размеры примерно на порядок больше, что приводит к разным свойствам/ограничениям.
Такие концепции для массивов дифференциальных громкоговорителей по сравнению с обычными лучеформирователями с задержкой и суммированием имеют преимущества, связанные с необходимостью лишь в нескольких громкоговорителях, в отличие от массивов с задержкой и суммированием, обычно имеющих большое число громкоговорителей. Кроме того, с меньшей апертурой, чем у лучеформирователя с задержкой и суммированием, та же направленность может быть достигнута на низких частотах.
Патентная заявка WO 2011/161567 A1 раскрывает обработку, связанную с диполем, для устройства громкоговорителя, содержащего три или более преобразователей. В описанной установке трех драйверов (возбудителей) два крайних драйвера приводятся в конфигурацию диполя (неуправляемую). Драйвер, находящийся между этими двумя, используется для создания режекции, которая может быть повернута предпочтительно к позиции прослушивания. Это достигается путем (частотно-селективного) относительного смещения сигнала второго драйвера. Здесь предпочтительно используются равноудаленные друг от друга драйверы (т. е. расстояние от первого до второго драйвера равно расстоянию от второго до третьего драйвера). Сигнал, который генерируется для среднего драйвера, может иметь сдвиг фазы и (частотно-селективный) коэффициент усиления относительно конфигурации диполя.
Патент США 5,870,484 раскрывает систему воспроизведения звука, в которой используются градиентные громкоговорители. В этой публикации подробно описывается, как могут быть созданы дипольные системы, например, с использованием либо двух или трех громкоговорителей, либо одного громкоговорителя и пассивного отверстия для достижения дипольного эффекта. Здесь использование характеристики направленности градиента первого порядка является предпочтительным. Обоснование этого заключается в том, что согласно публикации градиентный громкоговоритель более высокого порядка имеет тенденцию быть менее эффективным, требует большого количества преобразователей, обработки большего числа сигналов и дополнительных каналов усиления по сравнению с градиентными системами первого порядка.
Было обнаружено, что массивы дифференциальных громкоговорителей не обладают уменьшением направленности с уменьшением частоты, как и лучеформирователи с задержкой и суммированием, их уровень уменьшается до нуля по мере того, как частота обращается в нуль. Кроме того, дифференциальные массивы первого порядка ограничены по направленности, например, до порядка 6 дБ. В связи с этим существует необходимость в улучшенном подходе.
Задача настоящего изобретения состоит в улучшении характеристик направленности воспроизведения звука на более широкой рабочей полосе пропускания.
Эта задача решается предметом независимых пунктов формулы изобретения.
Вариант осуществления обеспечивает вычислительный блок для системы воспроизведения звука, содержащей массив, имеющий по меньшей мере три преобразователя. Вычислительный блок содержит входное средство, процессор и по меньшей мере три выхода. Входное средство имеет целью прием аудиопотока для воспроизведения с использованием массива. Аудиопоток имеет заданный частотный диапазон, например, от 20 Гц до 20 кГц или от 50 Гц до 40 кГц. На основе этого аудиопотока по меньшей мере три отдельных аудиосигнала для по меньшей мере трех преобразователей массива выводятся с использованием по меньшей мере трех выходов после обработки аудиопотока, в результате чего по меньшей мере три преобразователя управляются посредством трех отдельных аудиосигналов. Процессор выполнен с возможностью вычисления (по меньшей мере) трех отдельных аудиосигналов, в результате чего генерируется первый акустический разностный сигнал, имеющий второй или более высокий порядок.
Процессор может дополнительно фильтровать три отдельных аудиосигнала, используя первую характеристику полосы пропускания, содержащую первую ограниченную часть всего частотного диапазона аудиопотока, например, выше 50 Гц или 100 Гц, или в диапазоне от 100 Гц до 200 Гц, или от 100 Гц до 2 кГц.
Идеи, раскрытые в данном документе, основываются на знании о том, что акустический разностный сигнал, имеющий второй или более высокий порядок, обеспечивает лучшее воспроизведение звука или в особенности лучшую характеристику направленности в определенном частотном диапазоне, при этом некоторые частоты вне этого определенного частотного диапазона могут быть воспроизведены неправильно. Варианты осуществления в соответствии с раскрытыми здесь идеями основываются на принципе, состоящем в том, что (предпочтительно определенный частотный диапазон, являющийся частью всего частотного диапазона, или в общем случае) полный частотный диапазон воспроизводится с использованием акустического разностного сигнала, имеющего второй или более высокий порядок. Предпочтительное воспроизведение определенного частотного диапазона обеспечивает хорошее воспроизведение звука в этом частотном диапазоне, избегая при этом недостатков, обычно возникающих при воспроизведении звука на основе акустических разностных сигналов, имеющих второй или более высокий порядок в других частотных диапазонах.
В соответствии с вариантом осуществления наборы громкоговорителей выбираются с учетом воспроизводимых частот, а именно так, чтобы расстояние между громкоговорителями было связано с частотной областью, в которой разностный сигнал работает хорошо. Обычно разные громкоговорители/наборы громкоговорителей используются для покрытия разных частотных диапазонов.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления по меньшей мере два дополнительных отдельных аудиосигнала, подлежащих выводу с использованием двух из по меньшей мере трех (разных) выходов, вычисляются таким образом, чтобы второй акустический разностный сигнал, имеющий первый порядок, генерировался с использованием двух преобразователей, управляемых посредством двух выходов. Процессор фильтрует два дополнительных отдельных аудиосигнала с использованием второй характеристики полосы пропускания, содержащей вторую ограниченную часть (например, до 100 Гц или 200 Гц) всего частотного диапазона аудиопотока. В общем случае вторая ограниченная часть отличается от первой ограниченной части; то есть звук воспроизводится в разных частотных диапазонах с использованием разных акустических разностных сигналов.
В соответствии с вариантом осуществления используется массив, содержащий несколько громкоговорителей, для каждого разностного сигнала - подмножество громкоговорителей. Эти подмножества выбираются так, чтобы расстояния между громкоговорителями были таковы, чтобы соответствующие разностные сигналы имели желаемый рабочий частотный диапазон.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления используется массив, содержащий по меньшей мере четыре преобразователя. Таким образом, вычислительный блок содержит по меньшей мере четыре выхода для по меньшей мере четырех преобразователей. Здесь первый акустический разностный сигнал генерируется с использованием по меньшей мере трех из четырех выходов, принадлежащих первой группе, при этом процессор выполнен с возможностью вычисления трех дополнительных отдельных аудиосигналов, подлежащих выводу с использованием трех из по меньшей мере четырех выходов второй группы, так что дополнительный акустический разностный сигнал второго или более высокого порядка генерируется с использованием массива. Процессор фильтрует три дополнительных отдельных аудиосигнала (принадлежащих второй группе), используя характеристику полосы пропускания, содержащую вторую ограниченную часть частотного диапазона аудиопотока. Здесь вторая ограниченная часть также отличается от первой ограниченной части. Кроме того, следует отметить, что по меньшей мере один выход из выходов второй группы отличается от выходов первой группы; то есть не одни и те же преобразователи используются для воспроизведения первого акустического разностного сигнала и второго акустического разностного сигнала.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления процесс выполнен с возможностью вычисления отдельных аудиосигналов таким образом, чтобы нулевой отклик первого акустического разностного сигнала и нулевой отклик второго акустического разностного сигнала находились по существу в пределах одной и той же области или в одной и той же точке. Это означает, что подавление звука, воспроизводимое с использованием первого акустического разностного сигнала, и подавление звука, воспроизводимое с использованием второго акустического разностного сигнала, выполняются так, чтобы оба акустических разностных сигнала генерировали одинаковый минимальный отклик в одной и той же позиции или области.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления процессор выполняет вычисление на основе формулы
1
2
3
1
2
3
где τ, τ и τ являются характеристиками задержки, соответствующими трем отдельным аудиосигналам s, s и s.
Вышеописанный принцип в отношении воспроизведения первого акустического разностного сигнала также может применяться для воспроизведения дополнительного акустического разностного сигнала, воспроизводящего другую полосу (часть) всей частотной полосы. Таким образом, три акустических разностных сигнала используются для воспроизведения трех разных частотных диапазонов. Например, разность частот между первым акустическим разностным сигналом и вторым акустическим разностным сигналом может составлять 300 Гц (в диапазоне от 100 Гц до 400 Гц), при этом разность между вторым акустическим разностным сигналом и третьим акустическим разностным сигналом может составлять 500 Гц (в диапазоне от 300 Гц до 1000 Гц).
Для воспроизведения дополнительного акустического разностного сигнала могут использоваться и другие преобразователи массива. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления массив содержит по меньшей мере пять преобразователей, которые управляются посредством пяти выходов вычислительного блока. С другой стороны, это означает, что воспроизведение разных частотных полос (принадлежащих разным акустическим разностным сигналам) выполняется так, что первый набор преобразователей массива воспроизводит первую частотную полосу, при этом второй набор преобразователей этого же массива воспроизводит вторую частотную полосу, а третий набор преобразователей массива воспроизводит третью частотную полосу. Следовательно, ввиду того, что наборы для трех частотных полос отличаются друг от друга, расстояние между преобразователями, воспроизводящими соответствующую частотную полосу, тоже отличается. Например, расстояние между преобразователями, используемыми для более низкочастотной полосы, может быть больше, чем расстояние между преобразователями, используемыми для воспроизведения более высокочастотной полосы. В соответствии с вариантами осуществления преобразователи массива расположены так, чтобы выполнялось условие, согласно которому все преобразователи из набора преобразователей являются эквидистантными, даже если некоторые преобразователи используются для разных наборов.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления вышеописанный принцип может быть применен к стереофоническим аудиопотокам.
Дополнительный вариант осуществления обеспечивает систему, содержащую вышеописанный вычислительный блок и соответствующий массив.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления обеспечивается соответствующий способ вычисления воспроизведения звука.
Варианты осуществления изобретения будут рассмотрены далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 показывает схематическую блок-схему вычислительного блока в соответствии с первым вариантом осуществления;
фиг.2A схематически показывает три громкоговорителя, генерирующих акустический разностный сигнал второго порядка, и предпочтительную позицию прослушивания;
фиг.2B схематически показывает определение диаграммы направленности, рассматриваемой для слушателя на расстоянии, идущего по окружности вокруг массива;
фиг.2C показывает схематическую диаграмму частотной характеристики акустического разностного сигнала второго порядка в направлении обзора;
фиг.2D показывает схему диаграммы направленности акустического разностного сигнала второго порядка;
фиг.3 схематически показывает массив громкоговорителей для вплоть до трехполосного акустического разностного сигнала второго порядка;
фиг.4A показывает схематическую диаграмму частотных характеристик трех диполей;
фиг.4B показывает схематическую диаграмму частотных характеристик диполей с дополнительной обработкой подполос; и
фиг.5A-5C показывают три иллюстративные установки громкоговорителей массива громкоговорителей.
Ниже будут рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи. Здесь одинаковые ссылочные позиции относятся к одним и тем же элементам или элементам, имеющим одинаковые или схожие функции. Следовательно, их описание взаимозаменяемо и взаимно применимо.
фиг.1 показывает вычислительный блок 10 для системы 100 воспроизведения звука, содержащей массив 20, имеющий по меньшей мере три преобразователя 20a, 20b и 20c, расположенных в линию.
Вычислительный блок 10 содержит входное средство 12, по меньшей мере три выхода 14a, 14b и 14c и процессор 16. Входное средство 12 предназначено для приема аудиопотока, подлежащего воспроизведению с использованием массива 20. Вычисление воспроизведения выполняется процессором, чтобы получить по меньшей мере три отдельных аудиосигнала для трех преобразователей 20а-20с. В частности, три преобразователя 20а-20с массива 20 управляются с использованием выходов 14а-14с.
В этой базовой реализации три отдельных аудиосигнала вычисляются так, чтобы генерировался первый акустический разностный сигнал, имеющий по меньшей мере второй порядок, причем частотная полоса этого первого акустического разностного сигнала ограничивается частью (от 100 Гц до 400 Гц) всего частотного диапазона (от 20 Гц до 20 кГц) аудиопотока. Эта часть выбирается таким образом, чтобы подавить «проблемные» частоты (например, низкие частоты ниже 100 Гц), которые не могут или могут только неэффективно воспроизводиться с использованием акустического разностного сигнала, имеющего второй порядок. И наоборот, это означает, что первый акустический разностный сигнал просто содержит частоты, которые могут быть воспроизведены правильно с использованием акустического разностного сигнала, имеющего второй порядок. Соответствующая частотная полоса, которая может быть воспроизведена с более высоким порядком и которая не может быть воспроизведена с этим порядком, зависит от массива 20, например, от размера преобразователей и особенно от расстояния между преобразователями 20а, 20b, 20с. Например, воспроизведение более высокочастотной полосы требует меньшего расстояния по сравнению с воспроизведением более низкочастотной полосы. Для ограничения части частотного диапазона, воспроизводимого с использованием первого акустического разностного сигнала, процессор может выполнять фильтрацию или может содержать (цифровой) фильтрационный объект, такой как БИХ-фильтр, для выполнения фильтрации. Таким образом, воспроизведение первого акустического разностного сигнала позволяет воспроизводить весь аудиопоток, но с ограниченной частотной полосой аудиопотока.
Части частотной полосы, которые не воспроизводятся с использованием первого акустического разностного сигнала, могут быть воспроизведены с использованием других акустических разностных сигналов. Здесь делается различие между двумя принципами:
В соответствии с первым принципом второй акустический разностный сигнал обеспечивается таким образом, чтобы он имел первый порядок (ограничивался порядком №1). Воспроизведение акустического разностного сигнала, имеющего первый порядок, обычно возможно с использованием лишь двух преобразователей (например, 20а и 20с, управляемых выходами 14а и 14с). Исходя из этого в соответствии с вариантом осуществления процессор 14 выполняет вычисление второго акустического разностного сигнала, имеющего только первый порядок, для другой частотной полосы (которая выше упоминалась как проблемная частотная полоса. Обратите внимание, что проблемные частоты зависят от комбинации с конкретной конфигурацией преобразователя/массива). Часто, но не обязательно, частотная полоса второго акустического разностного сигнала может содержать более низкие частоты по сравнению с частотной полосой первого акустического разностного сигнала. Возвращаясь к вышеприведенному утверждению о том, что более низкие частоты воспроизводятся лучше с использованием преобразователей, имеющих увеличенную дистанцию, второй акустический разностный сигнал может быть воспроизведен с использованием двух внешних преобразователей 20а и 20с, то есть с помощью преобразователей 20а и 20с, имеющих большее расстояние между собой.
В соответствии с другим принципом недостающие (проблемные) части частотного диапазона аудиопотока воспроизводятся с использованием второго акустического разностного сигнала, также имеющего второй или более высокий порядок. В этом случае концепция начинается с массива, имеющего по меньшей мере четыре преобразователя 20а-20d, как показано пунктирными линиями. Здесь воспроизведение второго акустического разностного сигнала выполняется таким образом, чтобы использовались другие преобразователи, например, преобразователи 20a, 20c и 20d (то есть не преобразователи 20a, 20b и 20c первого акустического разностного сигнала). Благодаря этому ограничения, возникающие при воспроизведении акустического разностного сигнала второго или более высокого порядка в проблемном частотном диапазоне, могут быть преодолены за счет использования другой конфигурации/набора преобразователей. В частности, конфигурация преобразователей, используемая для воспроизведения второго акустического разностного сигнала, отличается от конфигурации преобразователей, используемой для воспроизведения первого акустического разностного сигнала, в отношении ее расстояний между отдельными преобразователями или по меньшей мере расстояния между двумя преобразователями соответствующего набора. Варианты этого принципа будут рассмотрены более подробно со ссылкой на фиг.3.
Для полноты картины следует отметить, что для этого второго принципа процессор 16 выполняет вычисление второго акустического разностного сигнала и выполняет фильтрацию, так что второй акустический разностный сигнал содержит только те частоты, которые воспроизводятся с использованием соответствующего набора преобразователей. Кроме того, средство для вывода отдельных аудиосигналов, содержащее выходы 14a-14c, увеличивается по меньшей мере на дополнительный выход 14d.
Оба вышеописанных принципа воспроизведения второй части всего частотного диапазона имеют сходство в том, что второй акустический разностный сигнал (первого, второго или более высокого порядка) воспроизводится с использованием набора преобразователей, который отличается от набора преобразователей, используемого для воспроизведения первого акустического разностного сигнала.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления две основные концепции воспроизведения второй части всей частотной полосы могут быть объединены, так что три или более частотных полос могут воспроизводиться путем использования трех или более акустических разностных сигналов. Здесь акустические разностные сигналы (за исключением первого акустического разностного сигнала) могут иметь первый или более высокий порядок в зависимости от используемого принципа.
Обратите внимание, что два частотных диапазона (с ограниченной полосой) обычно отделены друг от друга, но могут иметь область перехода, вызываемую краем фильтра. В качестве альтернативы фильтры для фильтрации двух частотных частей могут быть спроектированы так, чтобы иметь перекрывающуюся часть.
Далее техническая сторона вышеописанных основных вариантов осуществления будет разъяснена в подробностях.
1
2
3
фиг.2A показывает три громкоговорителя 20а, 20b и 20с в положениях x, x и x и предпочтительную точку прослушивания, обозначенную ссылочной позицией 30. Здесь звук воспроизводится с помощью акустического разностного сигнала второго порядка с нулевым поворотом в направлении предпочтительной точки 30 прослушивания.
1
2
Акустический разностный сигнал второго порядка генерируется путем вычитания двух акустических разностных сигналов первого порядка, нуль которых указывает на общую точку. Иными словами, это означает, что акустический разностный сигнал второго порядка генерируется путем объединения двух акустических разностных сигналов первого порядка. Акустический разностный сигнал первого порядка с громкоговорителями 20а и 20b в положениях x и x генерируется посредством
(1)
1
2
1
2
1
2
3
Переменные s и s относятся к сигналам, посредством которых управляются преобразователи 20a и 20b. Центр разностного сигнала находится на оси x в точке  Задержки τ и τ таковы, что нуль поворачивается от m в направлении предпочтительной позиции 30 прослушивания. Акустический разностный сигнал первого порядка с громкоговорителями 20b и 20c в положениях x и x генерируется посредством
(2)
2
3
2
3
2
2
2
τ
τ
Здесь переменные s и s относятся к сигналам для преобразователей 20b и 20c. Центр разностного сигнала находится на оси x в точке  Задержки τ' и τ таковы, что нуль поворачивается от m в направлении предпочтительной позиции 30 прослушивания, то есть '=. Два разностного сигнала первого порядка вычитаются для генерации разностного сигнала второго порядка с нулевым поворотом в направлении предпочтительной позиции 30 прослушивания
(3)
Направления нулей разностных сигналов первого порядка:
(4)
Задержки поворота относятся к углам поворота следующим образом:
(5)
1
2
Отметим, что углы Φ и Φ обозначены на фиг.2A. Три задержки вычисляются с дополнительным условием равенства нулю наименьшей задержки.
Эта процедура может быть выражена другими словами - операции задержки (и/или инверсии) могут применяться так, чтобы разностные сигналы имели нулевой отклик в области определенного направления или точки (см. точку 30).
В следующем обсуждении считается, что диаграмма направленности возникает при измерении на окружности с радиусом r, как показано на фиг.2B.
1
2
3
Здесь три громкоговорителя 20a, 20b и 20c находятся в x=0,2 м, x=-0,6 м и x=-1,4 м. Путем генерации акустического разностного сигнала, как обсуждалось со ссылкой на фиг.2A, может быть сгенерирована диаграмма направленности, рассматриваемая для слушателя на расстоянии r, идущего по окружности вокруг массива или вокруг точки 32 массива.
Результирующая частотная характеристика в отрицательном направлении оси x (в направлении обзора кардиоиды второго порядка с хвостом) показана на фиг.2C. Рабочий диапазон составляет от 100 Гц до 200 Гц. Для более низких частот амплитуда слишком мала, что потребует наличия мощных громкоговорителей, если будет растянут низкочастотный спад. На более высоких частотах диаграмма направленности становится непоследовательной. Эти частотно-зависимые эффекты проиллюстрированы на фиг.2D, иллюстрирующей диаграмму направленности акустического разностного сигнала второго порядка. Как видно, в пределах рабочего диапазона (от 100 до 200 Гц) диаграммы направленности очень схожи. Для более низких частот, например, для 60 Гц, амплитуда меньше, а для более высоких частот, таких как выше 240 Гц, диаграмма направленности становится смешанной. В соответствии с этим анализом выбирается первая часть всего частотного диапазона (который воспроизводится с использованием акустического разностного сигнала, имеющего второй или более высокий порядок). Следовательно, и частотные диапазоны ниже и выше этой выбранной части. Эта выбранная часть (здесь ниже 100 Гц и выше 200 Гц) должна воспроизводиться путем использования второго (и третьего) акустического разностного сигнала, который вычисляется для другого набора преобразователей, как объяснялось выше.
Как объяснялось, акустический разностный сигнал второго порядка имеет ограниченный частотный диапазон, в пределах которого он обеспечивает согласованные частотные характеристики и диаграммы направленности. Как правило, при обработке сигналов дифференциальных микрофонов и громкоговорителей используются относительные малые расстояния между микрофонами/громкоговорителями, чтобы сдвинуть рабочий диапазон на более высокие частоты (чтобы предотвратить смешение). Затем низкочастотный спад компенсируется низкочастотным обрезным фильтром. Эта процедура имеет, в особенности для громкоговорителей, недостатки, а именно, низкие частоты усиливаются, увеличивая требования к громкоговорителям для низкочастотного воспроизведения, что часто нереалистично в слабых форм-факторах. Кроме того, для второго порядка низкочастотный спад составляет 12 дБ на октаву, что делает компенсацию низкочастотного спада совершенно нереалистичной.
Для достижения более широкой рабочей полосы пропускания следует использовать разные наборы громкоговорителей для разных частот. Ранее описанный пример (см. фиг.2) предпочтительно можно использовать только в диапазоне частот от 100 до 200 Гц. Другие наборы троек громкоговорителей будут использоваться для охвата диапазонов частот от 200 до 400 Гц и/или от 400 до 800 Гц и т. д.
Такая установка громкоговорителей или массив громкоговорителей проиллюстрирована на фиг.3. Массив 20' на фиг.3 содержит пять громкоговорителей 20a-20e, которые могут использоваться для вплоть до трехполосных акустических разностных сигналов второго порядка. По сравнению с примером на фиг.2A было добавлено два громкоговорителя (см. 20d и 20e) и изменено положение всех громкоговорителей 20a-20e вдоль оси x. Благодаря наличию пяти громкоговорителей доступно три разных комбинаций, каждая из которых использует три громкоговорителя. Эти комбинации называются тройками. Тройки громкоговорителей, используемые для трех полос, обозначены ссылочными позициями 26a, 26b и 26c. Первая тройка 26a содержит громкоговорители 20a, 20d и 20e, вторая тройка 26b содержит громкоговорители 20a, 20b и 20d, при этом третья тройка 26c содержит громкоговорители 20b, 20c и 20d.
Как можно видеть, громкоговорители 20a-20e могут быть расположены так, что громкоговорители 20a и 20d отстоят друг от друга на расстояние, равное расстоянию между громкоговорителями 20d и 20e. Громкоговоритель 20b расположен посредине между громкоговорителями 20а и 20d. Например, первый громкоговоритель 20а может быть расположен в положении 0,2 м, второй громкоговоритель 20b в положении -0,2 м, третий громкоговоритель 20с в положении -0,4 м, четвертый громкоговоритель 20d может быть расположен в положении -0,6 м, при этом пятый громкоговоритель 20е может быть расположен в положении - 1,2 м. Кроме того, громкоговоритель 20c расположен в центре между громкоговорителями 20b и 20d. В силу этого условия расположения верно, что все громкоговорители первой тройки 26a, второй тройки 26b и третьей тройки 26c являются эквидистантными, даже если некоторые преобразователи используются для разных наборов.
фиг.4A показывает частотную характеристику трех диполей перед их фильтрацией в отрицательном направлении оси х (в направлении обзора кардиоиды второго порядка с хвостом). Частотные характеристики 26a_fr1, 26b_fr1 и 26c_fr1 принадлежат тройкам 26a, 26b и 26c на фиг.3. Из этих данных следует, что целесообразные частоты перехода подполос могут составлять 200 Гц и 500 Гц или в общем находиться между 100 Гц и 300 Гц и между 350 Гц и 800 Гц. Например, три подполосы были реализованы с помощью полного набора БИХ-фильтров 3-го порядка.
1
2
3
Результирующая частотная характеристика диполей с дополнительной обработкой подполос показана на фиг.4B. Частотные характеристики 26a_fr2, 26b_fr2 и 26c_fr2 принадлежат тройкам 26a, 26b и 26c и являются результатом обработки частотных характеристик 26a_fr1, 26b_fr1 и 26c_fr1. Из-за разных положений громкоговорителей 20а-20е разных троек 26а-26с громкоговорителей, используемых для воспроизведения подполосных акустических разностных сигналов второго порядка, задержки могут вызывать нежелательные помехи в частотах перехода подполос. Для выравнивания задержек воспроизведения звука сигналов разных подполос смещение задержки может быть добавлено к задержкам τ, τ и τ формулы (5) для трех громкоговорителей на подполосу.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления предлагаемый способ также может быть реализован для акустических разностных сигналов более высокого порядка. В этом случае рассматриваются три пары громкоговорителей, для которых требуется не менее четырех громкоговорителей. С четырьмя громкоговорителями можно воспроизвести 3 разностных сигнала первого порядка:
(6)
(7)
(8)
Подача (6) и одновременно инвертированного (7) в громкоговорители с 1 по 3 воспроизводит разностный сигнал второго порядка (аналогично (3)). Подача (7) и одновременно инвертированного (8) в громкоговорители с 2 по 4 воспроизводит второй разностный сигнал второго порядка. Акустический разностный сигнал третьего порядка реализуется путем одновременного воспроизведения двух разностных сигналов второго порядка, один из которых инвертирован:
(9)
В общем случае сигналы громкоговорителей для акустического разностного сигнала k-го порядка вычисляются следующим образом:
(10) или
(11)
где k - это порядок разностного сигнала, а n - номер громкоговорителя, где n=(1, 2,..., k+1). То есть для акустического разностного сигнала k-го порядка необходимо k+1 (эквидистантных) громкоговорителей.
Задержки вычисляются с помощью аналогичной идеи, описанной выше для разностного сигнала второго порядка.
Например, простой алгоритм для получения задержек:
1
2
- Положите τ=0 и вычислите (отрицательную или положительную) задержку τ так, чтобы нулевое направление разностного сигнала первого порядка было таким, как желательно, например, указывало на предпочтительную точку прослушивания.
2
3
- Учитывая ранее вычисленное τ, вычислите τ для второго разностного сигнала так, чтобы его нуль указывал на желаемое направление.
3
4
- Учитывая ранее вычисленное τ, вычислите τ для третьего разностного сигнала так, чтобы его нуль указывал на желаемое направление.
- Добавьте смещение ко всем задержкам, чтобы привести их в желаемый диапазон, например,
(10)
- При использовании разных подполос смещение задержки, добавленное к сигналам громкоговорителей каждой подполосы, может отличаться от (10), то есть может определяться для уменьшения помех между подполосами.
Таким образом, вариант осуществления обеспечивает способ вычисления характеристики задержки для соответствующих акустических разностных сигналов.
В соответствии с другим вариантом осуществления процессор может быть выполнен с возможностью выполнения операций инверсии.
Например, пара громкоговорителей с расстоянием между ними в 1 м позволяет делать диполь первого порядка с аналогичным частотным диапазоном как у диполя второго порядка с массивом длиной в 2 м (1 м между первым и вторым громкоговорителями и 1 м между вторым и третьим громкоговорителями).
Таким образом, апертура массива ограничена определенным размером. Диполь (26а на фиг.5A) первого порядка может обслуживать более низкий частотный диапазон, чем диполи (26b, 26c и 26d) второго порядка. Это мотивирует использование диполя (26а) первого порядка для низких частот и диполей (26b, 26c и 26d) второго порядка для более высоких частот. Пример показан на фиг.5A с использованием обозначений фиг.3.
Напротив, на высоких частотах, только если не использовать очень маленькие громкоговорители, расстояние между громкоговорителями является слишком грубым для воспроизведения точного акустического разностного сигнала. Это мотивирует воспроизведение высоких частот путем подачи сигналов непосредственно на громкоговорители (без попытки делать акустические разностные сигналы). Кроме того, на высоких частотах громкоговорители обычно являются довольно направленными. Таким образом, даже один громкоговоритель излучает эффективный луч в направлении, на которое он указывает. Такая установка показана на фиг.5B с использованием обозначений фиг.3. Здесь используются диполи второго порядка (26a', 26b и 26c) и один одиночный громкоговоритель (26d).
Вообще говоря, для каждой частотной полосы можно использовать порядок акустического разностного сигнала, дающий наилучшие желательные характеристики в соответствующих частотных полосах. Это может приводить к использованию разных порядков в разных частотных полосах.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления низкочастотный диапазон может воспроизводиться или поддерживаться с использованием дополнительного выхода для сабвуфера. Поэтому вычислительный блок может содержать выход сабвуфера.
фиг.5C показывает многополосный двухканальный пример. Здесь пример настройки включает в себя 7 громкоговорителей (20a-20g) для стереовоспроизведения. Три разностных сигнала (26a', 26b, 26c) второго порядка используются для левого канала и три (26d, 26e, 26f) для правого канала. Тройки громкоговорителей левого канала на каждую подполосу выбираются с левой ориентацией, а тройки громкоговорителей правого канала - с правой. В этом примере заметьте, полоса 1 совместно использует громкоговорители между левым и правым.
Как описано, акустические разностные сигналы воспроизводятся с помощью пары (первый порядок), тройки (второй порядок) или большего количества (более высокий порядок) громкоговорителей. Когда положения громкоговорителей обладают лево-правой симметрией относительно позиции прослушивания, воспроизводится акустический диполь, т. е. характеристика направленности обладает лево-правой симметрией. Когда громкоговорители находятся слева относительно позиции прослушивания, акустический разностный сигнал имеет левоориентированную характеристику направленности. Аналогично для правой стороны. Для воспроизведения двух входных сигналов (стерео) можно выбрать группы громкоговорителей с левой стороны для воспроизведения акустических разностных сигналов, чтобы проецировать левый сигнал на левую сторону. Аналогично, для правого сигнала можно выбрать громкоговорители с правой стороны. Это позволяет воспроизводить стерео, поскольку левый и правый сигналы проецируются на левую и правую стороны, что приводит к широкому стереоизображению.
Вариант осуществления обеспечивает вычислительный блок 10, как определено выше, в котором процессор 16 выполнен с возможностью вычисления двух дополнительных отдельных аудиосигналов, подлежащих выводу с использованием двух из трех добавленных выходов 14a-14c, благодаря чему генерируется второй акустический разностный сигнал, имеющий первый порядок, с использованием двух преобразователей 20а-20е, управляемых посредством двух выходов 14а-14с, при этом процессор 16 выполнен с возможностью фильтровать два дополнительных отдельных аудиосигнала, используя вторую характеристику полосы пропускания, содержащую вторую ограниченную часть частотного диапазона аудиопотока, которая отличается от первой ограниченной части.
В отношении вышеприведенных вариантов осуществления следует отметить, что преобразователи 20а-20е массива 20/20' могут (предпочтительно) располагаться в общем корпусе. В качестве альтернативы массив 20/20' может быть сформирован множеством преобразователей 20а-20е, причем каждый преобразователь 20a-20е (или по меньшей мере два из преобразователей 20а-20е) имеет отдельный корпус.
Вычислительный блок 10 может в соответствии с вариантами осуществления дополнительно содержать по меньшей мере пять выходов (см. 14a-14d+дополнительный выход) для пяти преобразователей 20a-20e, причем первый акустический разностный сигнал генерируется с использованием по меньшей мере трех из пяти выходов 14a-14d, принадлежащих первой группе, второй акустический разностный сигнал генерируется с использованием по меньшей мере двух из пяти выходов 14a-14d, принадлежащих второй группе, а третий акустический разностный сигнал генерируется с использованием по меньшей мере двух из пяти выходов 14a-14d, принадлежащих третьей группе, при этом первая, вторая и третья группы отличаются друг от друга по меньшей мере одним выходом 14a-14d.
Воспроизведение звука в соответствии с вариантами осуществления может основываться на первом акустическом разностном сигнале, имеющем второй или более высокий порядок, и дополнительном разностном сигнале, ограниченном первым порядком.
В соответствии с дополнительными вариантами осуществления вычислительный блок может содержать дополнительный выход для сабвуфера, при этом процессор 16 выполнен с возможностью вычисления на основе аудиопотока и с возможностью фильтрации аудиосигнала сабвуфера с использованием характеристики полосы пропускания, содержащей частотный диапазон аудиопотока, находящийся ниже, чем частотный диапазон первой ограниченной части, второй ограниченной части и/или третьей ограниченной части.
Аудиопоток может быть стереофоническим потоком, то есть процессор 16 может быть выполнен с возможностью вычисления первого акустического разностного сигнала лепестка, указывающего на левую сторону, воспроизводящую левый канал стереофонического потока, и второго акустического разностного сигнала с лепестком, указывающим на правую сторону, воспроизводящую правый канал стереофонического потока.
При необходимости аудиопоток может быть многоканальным потоком (например, 5.1-потоком). В этом случае процессор 16 может быть выполнен с возможностью обеспечения многоканального потока таким образом, что он может быть воспроизведен с использованием вышеописанного массива.
Дополнительный вариант осуществления обеспечивает систему, содержащую вышеописанное устройство/вычислительный блок и массив, содержащий по меньшей мере три преобразователя.
Вариант осуществления обеспечивает систему, содержащую:
- вычислительный блок 10 для воспроизведения звука; и
- массив (см. массив 20), имеющий, по меньшей мере три или четыре преобразователя 20а-20е, причем преобразователи 20а-20е, используемые для генерации второго акустического разностного сигнала, имеющего первый порядок, расположены друг от друга на расстоянии, которое больше, чем расстояние между преобразователями 20а-20е, используемыми для генерации первого акустического разностного сигнала, или преобразователи 20а-20е, управляемые посредством выходов 14а-14d второй группы, расположены друг от друга на расстоянии, которое больше, чем расстояние между преобразователями 20а-20е, управляемыми посредством выходов 14а-14d, принадлежащих первой группе.
Кроме того, вышеописанные варианты осуществления обсуждались в отношении устройства для вычисления одиночных акустических разностных сигналов, еще один вариант осуществления относится к соответствующему способу.
Хотя некоторые аспекты были описаны в контексте устройства, очевидно, что эти аспекты также представляют собой описание соответствующего способа, в котором блок или устройство соответствуют этапу способа или признаку этапа способа. Аналогично, аспекты, описанные в контексте этапа способа, также представляют собой описание соответствующего блока или элемента или функции соответствующего устройства. Некоторые или все этапы способа могут выполняться (или с использованием) аппаратным устройством, таким как например, микропроцессор, программируемый компьютер или электронная цепь. В некоторых вариантах осуществления такое устройство может выполнять один или более наиболее важных этапов способа.
Оригинальный обработанный (кодированный) аудиосигнал может быть сохранен на цифровом носителе данных или может быть передан по среде передачи, такой как беспроводная среда передачи или проводная среда передачи, такая как Интернет.
В зависимости от определенных требований реализации варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на аппаратных средствах или на программных средствах. Реализация может быть выполнена с использованием цифрового носителя данных, например, гибкого диска, DVD, Blu-Ray, CD, ПЗУ, ППЗУ, ЭППЗУ, ЭСППЗУ или флэш-памяти, имеющего сохраненные в себе электронно-считываемые управляющие сигналы, которые взаимодействуют (или могут взаимодействовать) с программируемой компьютерной системой, так что выполняется соответствующий способ. Таким образом, цифровой носитель данных может считываться компьютером.
Некоторые варианты осуществления в соответствии с изобретением содержат носитель данных, имеющий электронно-считываемые управляющие сигналы, которые способны взаимодействовать с программируемой компьютерной системой, так что выполняется один из способов, описанных здесь.
Как правило, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в качестве компьютерного программного продукта с программным кодом, причем программный код работает для выполнения одного из способов при работе компьютерного программного продукта на компьютере. Например, программный код может храниться на машиночитаемом носителе.
Другие варианты осуществления содержат компьютерную программу для выполнения одного из описанных здесь способов, хранящихся на машиночитаемом носителе.
Другими словами, вариант осуществления способа изобретения представляет собой, таким образом, компьютерную программу, имеющую программный код для выполнения одного из описанных здесь способов при работе компьютерной программы на компьютере.
Следует отметить, что вышеупомянутый используемый аудиопоток может представлять собой многоканальный аудиопоток или стереофонический поток или поток окружения.
Еще одним вариантом осуществления способов изобретения является, таким образом, носитель данных (или цифровой носитель данных или машиночитаемый носитель), содержащий записанную на нем компьютерную программу для выполнения одного из способов, описанных здесь. Носитель данных, цифровой носитель данных или записанный носитель, как правило, материальны и/или непереходны.
Еще одним вариантом осуществления способа изобретения является, таким образом, поток данных или последовательность сигналов, представляющих компьютерную программу для выполнения одного из способов, описанных здесь. Например, поток данных или последовательность сигналов могут быть выполнены с возможностью передачи через соединение передачи данных, например, через Интернет.
Еще один вариант осуществления содержит средство обработки, например компьютер, или программируемое логическое устройство, сконфигурированное или выполненное с возможностью выполнения одного из способов, описанных здесь.
Еще один вариант осуществления содержит компьютер, на котором установлена компьютерная программа для выполнения одного из способов, описанных здесь.
Еще один вариант осуществления в соответствии с изобретением содержит устройство или систему, выполненную с возможностью передачи (например, в электронном или оптическом виде) компьютерной программы для выполнения одного из способов, описанных здесь, приемнику. Приемник может быть, например, компьютером, мобильным устройством, запоминающим устройством и т. п. Устройство или система могут содержать, например, файловый сервер для передачи компьютерной программы приемнику.
В некоторых вариантах осуществления программируемое логическое устройство (например, программируемая пользователем матрица вентилей) может использоваться для выполнения некоторых или всех функциональных возможностей способов, описанных здесь. В некоторых вариантах осуществления программируемая пользователем матрица вентилей может взаимодействовать с микропроцессором для выполнения одного из способов, описанных здесь. Как правило, способы предпочтительно выполняют любым аппаратным устройством.
Вышеописанные варианты осуществления являются лишь иллюстративными для принципов настоящего изобретения. Понятно, что модификации и варианты расположения и деталей, описанные здесь, будут очевидны для специалистов в данной области техники. Поэтому целью является ограничение только объема предстоящих патентных заявок, а не конкретных деталей, представленных путем описания и объяснения вариантов осуществления в данном документе.