專利名稱：陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以陣列方式布置多個(gè)揚(yáng)聲器單元的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常地，利用陣列揚(yáng)聲器控制音頻信號(hào)束(即，將聲波轉(zhuǎn)換為具有指向性的波束)的技術(shù)已為公眾所知，其中規(guī)則地布置多個(gè)揚(yáng)聲器單元以產(chǎn)生聲音。例如，日本未審定專利申請(qǐng)公開號(hào)為H03-159600以及日本未審定專利申請(qǐng)公開號(hào)為S63-9300均描述了有關(guān)陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的技術(shù)。
以下將參照?qǐng)D7說明陣列揚(yáng)聲器中聲音指向性的控制方法。
圖7中，參考標(biāo)號(hào)sp-1至sp-n指彼此之間以指定間距線性排列的各揚(yáng)聲器單元。在產(chǎn)生朝向焦點(diǎn)X發(fā)射的音頻信號(hào)束的情況下，繪出半徑等于距焦點(diǎn)X的距離L的圓Y。連接焦點(diǎn)X與揚(yáng)聲器單元sp-1至sp-n的各連線分別與圓Y相交，對(duì)應(yīng)于揚(yáng)聲器單元sp-i(在此，i＝1，…，n)與各交點(diǎn)之間的距離Li計(jì)算延遲時(shí)間(＝Li/聲速(340m/s))，并將這些延遲時(shí)間施加到揚(yáng)聲器單元sp-i的輸入信號(hào)。這樣，能夠以這種方式控制陣列揚(yáng)聲器的聲音指向性即，使得由多個(gè)揚(yáng)聲器單元sp-1至sp-n分別發(fā)射的音頻信號(hào)束同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)X。
如上所述，將指定延遲時(shí)間施加到揚(yáng)聲器單元所輸出的音頻信號(hào)束，從而以這種方式控制陣列揚(yáng)聲器的聲音指向性即，使得多個(gè)音頻信號(hào)束能夠同時(shí)到達(dá)設(shè)定在三維空間中的所期望的指定點(diǎn)(或焦點(diǎn))，從而能夠獲得這樣的效果即，指定聲音好像均沿朝向焦點(diǎn)的方向發(fā)射。
根據(jù)前述聲音指向性控制技術(shù)的應(yīng)用，多個(gè)音頻信號(hào)束被房間內(nèi)期望的墻面反射從而在該處產(chǎn)生虛擬聲源，由此可實(shí)現(xiàn)多聲道環(huán)繞效果。
圖8所示為前述聲音指向性控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)例的示意圖，其中參考標(biāo)號(hào)81代表聽音室，參考標(biāo)號(hào)82代表諸如電視機(jī)等視頻設(shè)備，參考標(biāo)號(hào)83代表陣列揚(yáng)聲器，參考標(biāo)號(hào)84代表聽者。這進(jìn)行5.1聲道再現(xiàn)，其中對(duì)于中聲道(C)信號(hào)，音頻信號(hào)束在陣列揚(yáng)聲器83前方側(cè)發(fā)出；對(duì)于主左聲道(L)信號(hào)，則控制音頻信號(hào)束以撞擊聽音室81的左側(cè)墻壁表面，從而實(shí)現(xiàn)虛擬左聲道85；對(duì)于主右聲道(R)信號(hào)，則控制音頻信號(hào)束以撞擊聽音室81的右側(cè)墻壁表面，從而實(shí)現(xiàn)虛擬右聲道86。對(duì)于左環(huán)繞聲道(SL)信號(hào)，則這樣控制音頻信號(hào)束使得其首先被左側(cè)墻壁表面反射，然后撞擊后側(cè)墻壁表面，從而實(shí)現(xiàn)虛擬左環(huán)繞聲道87；對(duì)于右環(huán)繞聲道(SR)信號(hào)，則這樣控制音頻信號(hào)束使得其首先被右側(cè)墻壁表面反射，然后撞擊后側(cè)墻壁表面，從而實(shí)現(xiàn)虛擬右環(huán)繞聲道88。
如上所述，通過使用陣列揚(yáng)聲器83，對(duì)于L聲道信號(hào)、R聲道信號(hào)、SL聲道信號(hào)以及SR聲道信號(hào)，相應(yīng)的音頻信號(hào)束均可受控以撞擊聽音室81的指定墻壁表面，從而實(shí)現(xiàn)虛擬聲道85至88，由此能夠以這樣的方式實(shí)現(xiàn)三維聲音控制即，可以借助于虛擬聲道聽到相應(yīng)的聲音。
也存在下述應(yīng)用技術(shù)其中，對(duì)不同內(nèi)容分配不同聲音指向性，從而實(shí)現(xiàn)分別在聽音室左側(cè)和右側(cè)聽到不同內(nèi)容。例如，在日本未審定專利申請(qǐng)公開No.H11-27604中所披露的技術(shù)。
如上所述，通過在陣列揚(yáng)聲器中控制音頻信號(hào)束，可實(shí)現(xiàn)多聲道再現(xiàn)以及不同內(nèi)容的同步再現(xiàn)。
但是，在陣列揚(yáng)聲器中進(jìn)行音頻信號(hào)束控制時(shí)，由于音頻波長(zhǎng)差，存在一些問題。即，為控制低頻范圍的信號(hào)，必須充分地增大陣列揚(yáng)聲器的整體寬度；但為控制高頻范圍的信號(hào)，必須充分地減小陣列揚(yáng)聲器中相鄰揚(yáng)聲器單元之間的距離。例如，為了通過控制屬于基本音頻波帶的10kHz頻率的信號(hào)的旁瓣而對(duì)音頻信號(hào)束進(jìn)行控制，理想情況下將相鄰揚(yáng)聲器單元的間距設(shè)為3.4cm(＝聲速340m/sec÷10kHz)，這與其波長(zhǎng)相等或稍低于其波長(zhǎng)。在這種情況下，相鄰揚(yáng)聲器單元之間的延遲時(shí)間差降低至很小。
將參考圖9A與圖9B詳述前述現(xiàn)象。兩圖中顯示了陣列揚(yáng)聲器中相鄰揚(yáng)聲器單元(由參考標(biāo)號(hào)spa和spb表示)之間的延遲時(shí)間差，其中當(dāng)控制音頻信號(hào)束指向被設(shè)置得與陣列揚(yáng)聲器前表面相距2米的焦點(diǎn)X時(shí)，相鄰揚(yáng)聲器單元以彼此之間3.4厘米的距離被分別布置。在圖9A所示情況下，根據(jù)與揚(yáng)聲器單元spb相距1米的基準(zhǔn)位置設(shè)定焦點(diǎn)X。在圖9B所示情況下，根據(jù)對(duì)應(yīng)于揚(yáng)聲器單元spb所處位置的基準(zhǔn)位置設(shè)定焦點(diǎn)X。
特別地，在圖9A所示情況下，揚(yáng)聲器單元spb與焦點(diǎn)X相距2.2361米，而與揚(yáng)聲器單元spb相鄰的揚(yáng)聲器單元spa與焦點(diǎn)X相距2.2515米，其中揚(yáng)聲器單元spb與揚(yáng)聲器單元spa的延遲時(shí)間差計(jì)算如下(2.2515m-2.2316m)÷340m/sec＝45μs。當(dāng)對(duì)揚(yáng)聲器單元spa的輸入信號(hào)施加延遲時(shí)間ta時(shí)，對(duì)揚(yáng)聲器單元spb的輸入信號(hào)所施加的延遲時(shí)間可表示為(ta+45μs)。在圖9B所示情況下，揚(yáng)聲器單元spb與焦點(diǎn)X相距2米，而揚(yáng)聲器單元spa與焦點(diǎn)X相距2.0003米，其中揚(yáng)聲器單元spb與揚(yáng)聲器單元spa的延遲時(shí)間差計(jì)算如下0.0003m÷340m/sec＝0.9μs。在這種情況下，對(duì)揚(yáng)聲器單元spb的輸入信號(hào)施加延遲時(shí)間(ta+0.9μs)。
如上所述，相鄰揚(yáng)聲器單元之間的延遲時(shí)間差可能根據(jù)焦點(diǎn)X的位置而變化。然而，通常地，其延遲時(shí)間差范圍從數(shù)十微秒至一微秒或更短，即，這是非常小的時(shí)間差。
圖10所示為陣列揚(yáng)聲器的延遲控制電路(或音頻信號(hào)束控制電路)的基本構(gòu)成，其中分別對(duì)提供給各揚(yáng)聲器單元的信號(hào)施加延遲時(shí)間。此處所示為處理單聲道信號(hào)(即，僅為一個(gè)音頻信號(hào)束)的電路。通過在D/A轉(zhuǎn)換器之前將已延遲的各聲道信號(hào)加在一起的加法運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)處理多聲道(或多音頻信號(hào)束)的電路。因此，圖10所示電路可被容易地?cái)U(kuò)展。
在圖10中，參考標(biāo)號(hào)91表示A/D轉(zhuǎn)換器，參考標(biāo)號(hào)92表示具有多抽頭的延遲存儲(chǔ)器，參考標(biāo)號(hào)93表示與揚(yáng)聲器單元相連接設(shè)置的乘法器；參考標(biāo)號(hào)94表示與揚(yáng)聲器單元相連接設(shè)置的D/A轉(zhuǎn)換器；參考標(biāo)號(hào)95表示形成陣列揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器單元；參考標(biāo)號(hào)96表示用于設(shè)定延遲時(shí)間的控制裝置(即，微計(jì)算機(jī))，即，用于進(jìn)行這樣的設(shè)置使得延遲存儲(chǔ)器92的一個(gè)抽頭與乘法器93連接，該乘法器93被布置為與期望的揚(yáng)聲器單元95相連接。
在具有前述結(jié)構(gòu)的延遲控制電路中，模擬輸入信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器91轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將該信號(hào)提供給延遲存儲(chǔ)器92。與此相反，數(shù)字輸入信號(hào)直接提供給延遲存儲(chǔ)器92，而不必通過A/D轉(zhuǎn)換器91。延遲存儲(chǔ)器92是將多級(jí)串聯(lián)的延遲元件連接在一起而構(gòu)成的移位寄存器，其中，其輸入信號(hào)(即，數(shù)字信號(hào))被延遲了大于采樣周期的整數(shù)倍這樣的延遲時(shí)間，然后從各抽頭輸出。根據(jù)音頻信號(hào)束所指向的焦點(diǎn)X的位置，微計(jì)算機(jī)96計(jì)算將施加到期望的揚(yáng)聲器單元的延遲時(shí)間；然后，由計(jì)算的延遲時(shí)間所表示的延遲存儲(chǔ)器92的抽頭的輸出選擇性地與連接期望的揚(yáng)聲器單元的乘法器93連接。從延遲存儲(chǔ)器92的被選擇抽頭輸出的延遲信號(hào)提供給乘法器93，其中，執(zhí)行音頻信號(hào)束控制所需的窗口處理并施加音量增益；其后，通過D/A轉(zhuǎn)換器94將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后提供給相應(yīng)的揚(yáng)聲器單元95，這樣實(shí)現(xiàn)指定音頻信號(hào)束的發(fā)射。
如上所述，在延遲存儲(chǔ)器92中有選擇地設(shè)置將分別施加到各揚(yáng)聲器單元的延遲時(shí)間，其中，這樣定位抽頭使得對(duì)應(yīng)采樣周期的延遲值形成延遲時(shí)間的最小單元。
圖11所示為延遲存儲(chǔ)器92的詳細(xì)構(gòu)成，其中參考標(biāo)號(hào)92-1至92-5…表示串聯(lián)連接以構(gòu)成移位寄存器的延遲元件。
例如，當(dāng)與采樣周期T1同步地對(duì)每一揚(yáng)聲器單元的輸入信號(hào)施加延遲時(shí)間D1，用于實(shí)現(xiàn)給定延遲時(shí)間的抽頭數(shù)量可由D1/T1計(jì)算得到。
圖10所示的微計(jì)算機(jī)96計(jì)算關(guān)于各揚(yáng)聲器單元距焦點(diǎn)X的距離；然后，計(jì)算對(duì)揚(yáng)聲器單元的輸入信號(hào)所施加的延遲時(shí)間，其中，延遲時(shí)間可實(shí)現(xiàn)為對(duì)應(yīng)于揚(yáng)聲器單元的延遲抽頭數(shù)。延遲抽頭數(shù)通過對(duì)D1/T1的小數(shù)部分進(jìn)行四舍五入后而計(jì)算得到。假設(shè)D1/T1的計(jì)算結(jié)果表示為(a+b)，其中“a”表示整數(shù)部分，而“b”表示小數(shù)部分；移位寄存器的輸入為X(z)，輸出為Y(z)，其中以下關(guān)系成立當(dāng)b＞0.5時(shí)，Y(z)＝X(z)z-a。
當(dāng)b≥0.5時(shí)，Y(z)＝X(z)z-(a+1)。
當(dāng)采樣頻率Fs設(shè)為200kHz(即，采樣周期T1＝5μs)，施加的延遲時(shí)間D1設(shè)為17μs時(shí)，進(jìn)行如下計(jì)算17/5＝3.4，其中a＝3，b＝0.4。在這種情況下，b＜0.5，因此Y(z)＝X(z)z-3。
上式表示，通過形成延遲存儲(chǔ)器92的移位寄存器的多個(gè)延遲元件中的延遲元件92-3的抽頭提取施加了15μs延遲時(shí)間的信號(hào)，從而與所需延遲時(shí)間17μs相比出現(xiàn)2μs的誤差。
如上所述，當(dāng)采樣頻率Fs設(shè)為200kHz時(shí)，可被設(shè)置的延遲時(shí)間的最小單元就等于5μs。這使得難于實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器單元之間的期望的延遲時(shí)間差。
為了提高關(guān)于延遲時(shí)間的分辨率，有必要增大采樣頻率Fs；但是，為了利用小的最小單元實(shí)現(xiàn)延遲時(shí)間，需要相對(duì)大的存儲(chǔ)容量，并且有必要提供具有高速處理能力的D/A轉(zhuǎn)換器與A/D轉(zhuǎn)換器。此外，還有必要進(jìn)行高速數(shù)字處理。這給電路設(shè)計(jì)帶來了困難。并且出現(xiàn)由于電力消耗增加和高制造成本而引起的問題。而且，在諸如數(shù)字濾波等的數(shù)字信號(hào)處理的情況下，為了實(shí)現(xiàn)指定的特性，必須需要更大數(shù)量的抽頭(即，運(yùn)算電路數(shù)量)。為此，當(dāng)為了提高關(guān)于延遲時(shí)間的分辨率而增大采樣頻率時(shí)，可能出現(xiàn)許多缺點(diǎn)。
考慮到前述情況做出本發(fā)明。因此，本發(fā)明目的在于提供一種由陣列揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，該陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)能夠以高精度控制音頻信號(hào)束的指向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)以這種方式構(gòu)成即，對(duì)于以陣列形式布置的多個(gè)揚(yáng)聲器單元提供具有給定時(shí)間差的信號(hào)，從而控制音頻信號(hào)束的指向性。該陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括延遲控制電路(即，音頻信號(hào)束控制電路)，其包括具有多個(gè)延遲抽頭的延遲存儲(chǔ)器，用于以采樣周期為單位對(duì)輸入信號(hào)(即，音頻信號(hào))進(jìn)行延遲；以及插值處理裝置，用于對(duì)基于延遲時(shí)間從延遲存儲(chǔ)器的抽頭獲取的延遲信號(hào)進(jìn)行插值處理，該延遲時(shí)間由控制裝置(即，微計(jì)算機(jī))計(jì)算得到，其中插值處理裝置的輸出提供給各揚(yáng)聲器單元。
可對(duì)前述插值處理裝置進(jìn)行變型以執(zhí)行線性插值；可供選擇地，可以由包括前述延遲存儲(chǔ)器和前述插值處理裝置的FIR低通濾波器(LPF)這樣的形式構(gòu)成。
這樣，能夠以高精度對(duì)揚(yáng)聲器單元發(fā)射的音頻信號(hào)束進(jìn)行指向性控制。


圖1所示為延遲控制電路的基本構(gòu)成的框圖，該延遲控制電路適用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)；圖2所示為插值處理裝置的詳細(xì)構(gòu)成的框圖，該插值處理裝置對(duì)于施加到揚(yáng)聲器單元的輸入信號(hào)的延遲時(shí)間執(zhí)行線性插值；圖3所示為關(guān)于采用不同系數(shù)進(jìn)行線性插值的頻率特性圖；圖4所示為適用于根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)的延遲控制電路中，使用FIR型LPF的插值處理裝置的詳細(xì)構(gòu)成的框圖；圖5所示為關(guān)于采用不同系數(shù)進(jìn)行LPF插值的頻率特性圖；圖6A示出輸入信號(hào)X(t)的波形；圖6B示出輸出信號(hào)Y(t)的波形，其中Y(t)＝X(t+15μs)；圖6C示出經(jīng)過線性插值的輸出波形；圖6D示出經(jīng)過LPF插值的輸出波形；圖7為用于說明陣列揚(yáng)聲器中音頻信號(hào)束控制方法的示意圖；圖8為用于說明使用陣列揚(yáng)聲器的多聲道再現(xiàn)方法的示意圖；圖9A為示出相鄰揚(yáng)聲器單元之間延遲時(shí)間差的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖9B為示出相鄰揚(yáng)聲器單元之間延遲時(shí)間差的另一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖10所示為延遲控制電路的框圖，該延遲控制電路用于對(duì)施加到形成陣列揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器單元的延遲時(shí)間進(jìn)行控制；圖11所示為圖10所示延遲存儲(chǔ)器的詳細(xì)構(gòu)成的框圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖借助于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖1所示為延遲控制電路(或音頻信號(hào)束控制電路)的基本構(gòu)成的框圖，該延遲控制電路適用于根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)。圖中所示為僅處理單聲道音頻輸出(即，單音頻信號(hào)束)的電路構(gòu)成實(shí)例。對(duì)于多個(gè)聲道，能夠在A/D轉(zhuǎn)換之前通過將多個(gè)聲道信號(hào)加在一起的加法運(yùn)算控制多個(gè)音頻信號(hào)束，對(duì)于各揚(yáng)聲器單元分別將給定延遲時(shí)間施加給各聲道信號(hào)。通過擴(kuò)展圖1所示電路構(gòu)成，能夠容易地實(shí)現(xiàn)多音頻信號(hào)束的控制。
在圖1中，參考標(biāo)號(hào)1表示A/D轉(zhuǎn)換器，其將關(guān)于給定聲道的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；參考標(biāo)號(hào)2表示延遲存儲(chǔ)器，其以采樣周期為單位對(duì)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器1提供的或直接提供的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行延遲，從而從各抽頭輸出相應(yīng)信號(hào)；參考標(biāo)號(hào)3表示插值處理裝置，其對(duì)延遲信號(hào)進(jìn)行插值處理，該延遲信號(hào)利用延遲存儲(chǔ)器2的各抽頭的輸出而將被提供給揚(yáng)聲器單元；參考標(biāo)號(hào)4表示D/A轉(zhuǎn)換器，其被設(shè)置為與構(gòu)成陣列揚(yáng)聲器的多個(gè)揚(yáng)聲器單元相連接，并且其將經(jīng)插值處理裝置3進(jìn)行插值處理的數(shù)字延遲信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；參考標(biāo)號(hào)5表示揚(yáng)聲器單元，這些單元彼此之間以給定間距布置從而形成陣列揚(yáng)聲器。此外，參考標(biāo)號(hào)6表示控制裝置(即，微計(jì)算機(jī))，該控制裝置根據(jù)音頻信號(hào)束所指向的焦點(diǎn)位置，分別計(jì)算焦點(diǎn)與各揚(yáng)聲器單元之間的距離，從而根據(jù)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生提供給揚(yáng)聲器單元5的信號(hào)，并且該控制裝置根據(jù)揚(yáng)聲器單元設(shè)定插值處理裝置3中執(zhí)行插值處理所使用的系數(shù)。附帶地，為了實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)束控制所需要的窗口處理與音量增益，圖10與圖11所示前述延遲控制電路采用乘法器93；但是，為避免重復(fù)，本實(shí)施例省略對(duì)其說明及描述。
如上所述，本實(shí)施例的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)中，利用插值處理設(shè)定施加到揚(yáng)聲器單元的輸入信號(hào)的延遲值。因此，能夠以高精度實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)束的指向控制，而不必增大采樣頻率。
以下將詳述插值處理裝置3的構(gòu)成與操作。
圖2所示為插值處理裝置3中執(zhí)行線性插值的基本電路構(gòu)成。該圖中示出與單個(gè)揚(yáng)聲器單元5(即，多個(gè)揚(yáng)聲器單元中序號(hào)為“N”的揚(yáng)聲器單元)對(duì)應(yīng)的延遲控制電路的構(gòu)成。
在圖2中，參考標(biāo)號(hào)2-1至2-5…表示用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)施加延遲時(shí)間的延遲元件，各延遲時(shí)間根據(jù)給定的采樣周期確定，其中延遲元件連接在一起形成延遲存儲(chǔ)器2。插值處理裝置3由乘法器31、32和加法器33構(gòu)成，該乘法器31和32將與施加到各揚(yáng)聲器單元的延遲時(shí)間相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)抽頭的輸出(即，兩個(gè)延遲元件的輸出)分別乘以給定系數(shù)；該加法器33將乘法器31和32的輸出相加，以向D/A轉(zhuǎn)換器4輸出其加法運(yùn)算結(jié)果。即，本實(shí)施例對(duì)每一揚(yáng)聲器單元進(jìn)行插值處理，其中插值處理由兩次乘法運(yùn)算和一次加法運(yùn)算構(gòu)成。
例如，根據(jù)所施加的延遲時(shí)間D1與采樣周期T1，通過計(jì)算D1/T1能夠確定期望的延遲抽頭數(shù)。根據(jù)D1/T1計(jì)算結(jié)果，該計(jì)算結(jié)果包括整數(shù)部分“a”和小數(shù)部分“b”而被表示為(a+b)，本發(fā)明實(shí)施例通過線性插值確定系數(shù)b與(1-b)，從而建立如下關(guān)系Y(z)＝(1-b)X(z)z-a+bX(z)z-(a+1)與圖11所示情況相似，當(dāng)采樣周期T1＝5μs，施加的延遲時(shí)間D1＝17μs時(shí)，進(jìn)行如下計(jì)算17/5＝3.4，其中a＝3而b＝0.4。因此，如圖2所示，能夠建立如下關(guān)系。
Y(z)＝0.6X(z)z-3+0.4X(z)z-4如上所述，從兩個(gè)相鄰抽頭獲取延遲信號(hào)，選擇該抽頭以實(shí)現(xiàn)所施加的延遲值；然后，通過對(duì)其小數(shù)部分施加給定權(quán)值而產(chǎn)生插值信號(hào)。
除在微計(jì)算機(jī)6中計(jì)算各系數(shù)之外，前述插值處理可通過簡(jiǎn)單組合乘法運(yùn)算與加法運(yùn)算而實(shí)現(xiàn)。為此，如上所述，實(shí)際形式的陣列揚(yáng)聲器需要多聲道信號(hào)的加法運(yùn)算，以及窗口系數(shù)的乘法運(yùn)算。因此，無需增加新的構(gòu)成元件就可實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的硬件。作為處理方法(processing resource)，傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)每一聲道和每一揚(yáng)聲器輸出需要一次乘法運(yùn)算和一次加法運(yùn)算，而本實(shí)施例需兩次乘法運(yùn)算和一次加法運(yùn)算。
當(dāng)不考慮處理器系數(shù)的字長(zhǎng)時(shí)，前述線性插值的優(yōu)勢(shì)在于通過相對(duì)簡(jiǎn)單的處理，可以基本不受限制地設(shè)定任一時(shí)間精度(即，任一分辨率)。
但是，前述公式清楚表明線性插值起到低通濾波器(LPF)的作用。此外，其頻率特性隨系數(shù)b與(1-b)的變化而變化。
圖3所示為線性插值中頻率特性的實(shí)例圖。其中，采樣頻率設(shè)為192kHz。如該圖中所示，對(duì)應(yīng)系數(shù)b頻率特性出現(xiàn)頻散(dispersion)。然而，對(duì)于20kHz左右的頻差，出現(xiàn)的頻散約為0.5dB或更??；對(duì)于10kHz左右的頻差，出現(xiàn)的頻散約為0.1dB或更小。根據(jù)內(nèi)容的類型，這些數(shù)值確信屬于實(shí)用范圍。
當(dāng)前述線性插值由于頻率特性的變化而產(chǎn)生缺點(diǎn)時(shí)，利用低階FIR(有限脈沖響應(yīng))類型的LPF進(jìn)行插值處理可能是必要的。圖4示出了插值處理裝置的詳細(xì)構(gòu)成，該插值處理裝置使用延遲控制電路(參見圖1)中的低階FIR型的LPF構(gòu)成，該延遲控制電路適用于根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
在圖4所示第二實(shí)施例中，形成具有如下特性的FIR濾波器Y(z)＝a0X(z)z-(a-n)+…+anX(z)z-a+…+a2n+1X(z)z-(a+n+1)此外，微計(jì)算機(jī)6根據(jù)D1/T1計(jì)算值的小數(shù)部分b給出濾波器系數(shù)a0，…，an，…，a2n+1。
在圖4所示第二實(shí)施例中，其中a＝3，b＝0.4，經(jīng)三階拉格朗日插值(n＝1)計(jì)算得到各系數(shù)，并用各系數(shù)形成使用四個(gè)抽頭的LPF，即，具有如下特性的LPFY(z)＝-0.064X(z)z-2+0.672X(z)z-3+0.448X(z)z-4-0.056X(z)z-5在圖4中，參考標(biāo)號(hào)34、35、36與37分別表示將延遲存儲(chǔ)器2相應(yīng)抽頭的輸出與給定系數(shù)相乘的乘法器；參考標(biāo)號(hào)38表示將乘法器34至37的輸出相加的加法器。即，本實(shí)施例中的插值處理由四次乘法運(yùn)算與三次加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。由于本實(shí)施例可簡(jiǎn)單地使用乘法器與加法器來實(shí)現(xiàn)，因此，作為處理方法，每一個(gè)輸入聲道和每一個(gè)輸出聲道需要四次乘法運(yùn)算與加法運(yùn)算。
濾波系數(shù)在多相濾波器設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)先計(jì)算得到，其中它們以列表形式存儲(chǔ)在微計(jì)算機(jī)6中。在圖4中，每單個(gè)濾波器(即，每一系數(shù)系數(shù)b)需要四個(gè)系數(shù)，因此，為了實(shí)現(xiàn)關(guān)于時(shí)間的64倍分辨率，有必要提供由256(＝64×4)字組成的列表。
圖5所示為圖4所示第二實(shí)施例的頻率特性圖。其中，采樣頻率設(shè)為192kHz。如圖5所示，對(duì)于20kHz的頻差，出現(xiàn)的頻散為0.05dB或更??；對(duì)于10kHz的頻差，出現(xiàn)的頻散為0.01dB或更小。因此，使用低階FIR濾波器可使本實(shí)施例得到充分體現(xiàn)。
附帶地，本實(shí)施例插值處理不必局限于三階拉格朗日插值；因此，也可采用二階或四階拉格朗日插值。即，二階拉格朗日插值采用三個(gè)抽頭的輸出，而四階拉格朗日插值采用五個(gè)抽頭的輸出。
圖6A至圖6D示出用于說明前述插值處理的波形。
即，圖6A示出關(guān)于輸入信號(hào)X(t)的波形；圖6B示出關(guān)于圖11所示輸出信號(hào)Y(t)的波形，其中Y(t)＝X(t+15μs)；圖6C示出關(guān)于圖2所示線性插值輸出信號(hào)Y(t)的波形，其中Y(t)＝0.6X(t+15μs)+0.4X(t+20μs)；圖6D示出關(guān)于輸出信號(hào)Y(t)的波形，其中Y(t)＝-0.064X(t+10μs)+0.672X(t+15μs)+0.448X(t+20μs)-0.056X(t+25μs)。
經(jīng)前述插值處理，可產(chǎn)生理想的延遲信號(hào)(例如，用于將輸入信號(hào)傳送17μs的信號(hào))。
在如圖3和圖5所示的線性插值和低階LPF插值中，根據(jù)插值位置(即，由系數(shù)b確定的位置)在頻率特性中可能出現(xiàn)頻散。例如，在圖3所示情況下，對(duì)于10kHz的頻差，將出現(xiàn)0.1dB的頻散。
對(duì)于所使用的可控上限頻率，陣列揚(yáng)聲器也受到一定限制。即，當(dāng)揚(yáng)聲器單元之間的間距分別增加至輸出波長(zhǎng)的1/2或更大時(shí)，必須在指定焦點(diǎn)位置之外的某一位置處調(diào)整相位，這可能使得形成兩個(gè)或多個(gè)音頻信號(hào)束。在實(shí)際使用中，揚(yáng)聲器單元直徑一般設(shè)為2cm左右，由此多個(gè)揚(yáng)聲器單元以“Z”字形排列，從而形成二維蜂窩結(jié)構(gòu)，以減小間距的有效長(zhǎng)度。然而，但在這種情況下，很難將間距減小至小于2cm。為此，陣列揚(yáng)聲器的可控上限頻率必須為10kHz或更低。
如上所述，陣列揚(yáng)聲器的可控上限頻率必須限制為小于音頻的上限頻率。這種陣列揚(yáng)聲器不會(huì)受到根據(jù)插值位置的頻率特性的頻散的影響，因此具有與線性插值和LPF插值的一致性。
在前述實(shí)施例中，延遲存儲(chǔ)器2形成移位寄存器，其中多個(gè)延遲元件串聯(lián)連接，盡管這種方式并非是限定條件。即，要求延遲存儲(chǔ)器2提供的延遲輸出以采樣周期為單位。例如，能夠使用這樣的數(shù)字存儲(chǔ)器即，將經(jīng)過采樣的輸入信號(hào)寫入其中，以及經(jīng)過給定采樣頻率后從其中讀出延遲信號(hào)。
如前所述，本發(fā)明具有以下描述的各種效果以及技術(shù)特性(1)能夠以非常精確的分辨率設(shè)定形成陣列揚(yáng)聲器的揚(yáng)聲器單元之間的延遲時(shí)間差。另外，可利用數(shù)字處理裝置的現(xiàn)有資源對(duì)陣列揚(yáng)聲器中的音頻信號(hào)束進(jìn)行控制。因此，無需增加新的硬件就可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
(2)為了提高關(guān)于延遲時(shí)間的分辨率，本發(fā)明不必增大采樣頻率。為此，本發(fā)明無需大容量存儲(chǔ)器和實(shí)現(xiàn)高速處理的D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器。即，本發(fā)明不要求高速數(shù)字處理。因此，本發(fā)明能夠避免電力消耗的增加和成本的增加。
附帶地，本發(fā)明不必局限于前述實(shí)施例。因此，如所附權(quán)利要求書中規(guī)定的本發(fā)明的變型也可包含在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其中具有給定時(shí)間差的信號(hào)提供給以陣列形式布置的多個(gè)揚(yáng)聲器單元，以對(duì)揚(yáng)聲器單元發(fā)射的音頻信號(hào)束進(jìn)行指向性控制，所述陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括延遲存儲(chǔ)器，用于以采樣周期為單位對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行延遲；控制裝置，用于計(jì)算將要施加到各信號(hào)的延遲時(shí)間，所述各信號(hào)分別提供給各揚(yáng)聲器單元；以及插值處理裝置，用于根據(jù)所述控制裝置計(jì)算得到的延遲時(shí)間對(duì)所述延遲存儲(chǔ)器的輸出進(jìn)行插值處理；其中，所述插值處理裝置的輸出被提供給各揚(yáng)聲器單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其中，所述延遲存儲(chǔ)器具有多個(gè)延遲抽頭，所述延遲抽頭以采樣周期為單位對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行延遲，以將不同的延遲時(shí)間賦予輸入信號(hào)，從而提供延遲輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其中，所述插值處理裝置對(duì)所述延遲存儲(chǔ)器的輸出執(zhí)行線性插值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其中，利用所述延遲存儲(chǔ)器與所述插值處理裝置構(gòu)成FIR低通濾波器。
全文摘要
一種陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)，其中多個(gè)揚(yáng)聲器單元以陣列形式布置并提供有具有給定時(shí)間差的信號(hào)，從而對(duì)由它們發(fā)射的音頻信號(hào)束進(jìn)行指向性控制。所述陣列揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括延遲存儲(chǔ)器(如移位寄存器)，該延遲存儲(chǔ)器具有以不同延遲時(shí)間輸出其輸入信號(hào)的多個(gè)延遲抽頭，該延遲時(shí)間以采樣周期為單位而被設(shè)定；插值處理裝置，用于對(duì)延遲存儲(chǔ)器的輸出進(jìn)行插值處理。控制裝置計(jì)算音頻信號(hào)束焦點(diǎn)與各揚(yáng)聲器單元之間的距離從而得到延遲時(shí)間，并且其也對(duì)于各揚(yáng)聲器單元分別設(shè)定插值系數(shù)。插值處理裝置對(duì)延遲存儲(chǔ)器的輸出執(zhí)行線性插值。可供選擇地，利用延遲存儲(chǔ)器與插值處理裝置構(gòu)成FIR低通濾波器，這樣執(zhí)行延遲和插值處理。將經(jīng)延遲和插值后的信號(hào)提供給揚(yáng)聲器單元，從而以高精度對(duì)音頻信號(hào)束執(zhí)行指向性控制。
文檔編號(hào)H04R3/12GK1799283SQ20048001500
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
發(fā)明者小長(zhǎng)井裕介 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社