音频系统相位均衡的制作方法

专利名称：音频系统相位均衡的制作方法
技术领域：
本发明涉及音频系统中相位均衡的方法，尤其涉及在汽车的载客车厢内任意收听 位置处最小化立体声信号的耳间时间差的方法。
背景技术：
高级的汽车音响系统，特别是在豪华级的大型高级轿车内的音响系统，通常具有 非常复杂的设备配置，包括设于汽车乘客车厢内不同位置的多个单独扬声器和它们的阵 列，这些单独的扬声器和它们的阵列通常被专门用于不同的频率波段(例如超低音、低音、 中音和高音的扬声器等)。这样的现有技术的音响系统由声学工程师们针对在各情形中涉及的那种类型的 汽车来手工调谐，即优化的，以实现所希望的声音质量，这主要以这些声学工程师们的经验 为基础并主观地依靠他们经过训练的听觉。为了这样的目的，他们通常利用已知的信号处 理装置，例如双二次滤波器(例如高通、带通、低通、全通滤波器)、双线性滤波器、数字延迟 线、交叉滤波器和用于改变信号动态响应的装置(音量压缩器、限幅器、扩展器、噪声门限 等)来限定交叉滤波器的相关截频(cutoff)参数、延迟线和幅度频率响应，使得在机动车 内的音响系统的声印象(sound impression)最终在频谱平衡(即卓越的音调、色调)和环 绕声(即声音的空间平衡、空间性)方面达到优化。这样调谐的目的是在所有收听位置处，换句话说在汽车载客车厢内的所有就座位 置(即收听位置)处获得最优化的声音，因此进一步显著地增加了调谐机动车音响系统时 的复杂性。尤其是在机动车中不同收听位置或就座位置处的耳间时间差(interaural time difference)大大影响了音频信号在环绕声中是如何被感觉的以及音频信号是如何呈立体 效应定位的。普遍需要一种可以用于在汽车载客车厢中的任意收听位置处，尤其是布置在汽车 对称轴之外的收听位置处最小化耳间时间差的方法。

发明内容
本发明揭露了用于优化收听室内的至少一个收听位置处的声学定位的方法。由 分配给至少一个收听位置的一组扬声器生成声场，其中该组扬声器包括第一和至少一个第 二扬声器，每个扬声器被供给音频信号，该音频信号是经由音频声道供给的。该方法包括 计算相位均衡滤波器的滤波系数，该相位均衡滤波器至少用于为第二扬声器供给的音频声 道，由此相位均衡滤波器的相位响应被设计成使得至少一个收听位置上的双耳相差或在多 于一个收听位置上取平均值的平均双耳相差在预限定的频率范围内被最小化，并且将相位 均衡滤波器应用于相应的音频声道中。


参考后续的附图和描述可更好地理解本发明。图中的组件没有必要依比例绘制，重点放在说明本发明的原理上。此外，在图中相似的参考标号代表相应的部分。在这些图 中图1是说明在汽车中线(对称轴)上使用仿真头(dummy head)测量的双耳相差 的图解；图2是说明在位于汽车中心线之外的驾驶员座位的收听位置处，使用仿真头测量 的双耳相差的图解；图3是汽车乘客车厢内被测试的所有测量位置的俯视图，其以举例的方式示出音 频系统的扬声器布置；图4是在汽车乘客车厢内被测试的所有测量位置的侧视图；图5是在对前置左声道应用从0度到180度且步长为1度的连续相移的汽车内， 作为两个不同就座位置处的频率函数的双耳传递函数的交叉谱相位的三维表示；图6是图5所示交叉谱的相位的三维表示的俯视图，指示出用于最小化双耳交叉 谱相位的前置左声道的相对于频率的相移；图7是说明对于前置左声道的最佳相移的图解，该前置左声道能够使交叉谱相位 最小化达到最大，因此根据平均函数是汽车内的两个前座位置处的最佳水平定位；图8是说明对于前置左声道用于接近图7中所示最佳相移的相位均衡器的群延迟 的图解；图9是说明如图8所示的前置左声道相位均衡器的脉冲响应的图解(下部图幅 度的线性表示，上部图幅度的对数表示)；图10是如图8所示的前置左声道相位均衡器的波德图(下部图幅度频率响应， 上部图相位频率响应)；以及图Ila-图Ild是说明应用相位均衡器前后汽车内所有四个就座位置处双耳交叉 谱的相位差的图解。
具体实施例方式使用声学器件来手动调谐音频系统可以追溯到很久以前，除其他目的之外，其目 的是采用例如主要用于对单独的放大器声道的延迟进行均衡的延迟线来调节(tweak)相 位。为了直接改变相位响应，通常采用全通滤波器。但是，主要用来限制单独的扬声器的转 换波段的交叉滤波器(cross-overfilter)调节了重复音频信号的相位响应。部分地，斜率 不同的多种类型(巴特沃斯(Butterworth)、贝塞尔(Bessel)、Linkwitz-Riley等)的滤 波器被有意地用于通过改变相位转换来正向地调节声音。功能强大的数字信号处理器的可用性导致滤波器适应性更强，同时成本更低，使 得例如幅度和相位频率响应可以相互独立地被设置。但是优选的是使用HR滤波器，这是 因为即使由于UR滤波器较低的滤波阶数使得UR滤波器实现起来比较便宜，但是目前实 现适宜的等效HR滤波器仍然极其困难。HR滤波器的特征在于具有有限的脉冲响应，并工作在通常由模拟信号的抽样频 率决定的离散时间步长(step)下。N阶FIR滤波器可通过下面的微分方程描述
其中y(n)是在时间点η处的初始值(η是抽样号码，并由此用作时间指数)，是从 实际的N个最后抽样的输入值x(n-N-l)到x(n)用滤波系数bi加权后相加的和获得的，由 此期望的转换函数通过规定滤波系数bi来实现。使用不同信号处理算法，例如，分块快速卷积或使用滤波器组(filterbank)使得 可以实现足够长的HR滤波器，如在实践中用任意市场上能买到的数字信号处理器可获得 的一样。这使关于实现的问题退居次席，并允许较好地指导对音频信号相位频率响应的调 整，以便持续地改善声学，尤其是持续地改善在汽车乘客车厢内不同收听位置处的音频信 号的定位。定位被理解为根据两个耳朵收听(双耳听觉)的结果识别声源的水平方向和距 离。为确定声音来自哪一侧，人的听觉感觉估计两耳之间的延迟和声级(level)的差异，来 区分例如左、直前方、右的方向。人耳主要通过估计在两个耳朵之间的延迟的差异(被称为“耳间时间差”缩写为 ITD)来确定所感知的声音来自哪个方向。来自右方的声音到达右耳比左耳更早，在低频率 处对相位延迟的估计、在高频率处对群延迟的估计、和作为两耳之间频率的函数的声级差 异(被称为“耳间声级差”缩写为ILD)的估计之间做出区分。来自右方的声音在右耳处具有比在左耳处更高的声级，因为在左耳处人的头遮挡 了信号。这些声级差异是频率的函数，并随频率的升高而增长。在大概800Hz以下的低频 处估计延迟上的差异(相位延迟或延迟差异)，反之在大约1500Hz以上的高频处估计声级 上的差异。在它们之间有一个两种机制都起作用(“妥协(trading)”)的重叠区域。在低频率处，人的头的尺寸从左耳到右耳之间的距离d = 21. 5cm小于声音波长的 一半，对应0. 63ms的延迟差异。人耳可以十分准确地估计两个耳朵之间的延迟差异，但是 声级差异太小以至于声级差异不能被精确地估算。低于80Hz的频率不再能在其方向上被 定位。在该低频率处，人的头的尺寸小于声音的波长。这里，人耳不再能够从延迟差异来准 确地确定方向，但是耳间声级差异变大，并因此可被人耳估计。为获得真实的结果，在测量这些变量时，利用所谓的仿真头来测量，这种仿真头模 拟人的头的形状以及反射/衍射性质。为代替耳朵，这样的仿真头具有两个相应地放置的 麦克风，用于测量各种条件下信号的到达。举例来说，在收听室内这样的仿真头的位置可以 改变。除耳间声级差异外(同样是在更高频率)，双耳的群延迟也被估计，这意味着，当 新的声音发生时，它的方向可由双耳之间声音出现时的延迟来确定。这种机理在混响环绕 声中尤其重要。声音刚一出现时，有这样一段短暂的时间，在这段时间内直接的声音已经到 达收听者，但经过反射的声音还未到达。人耳使用在初始时间中的这段时间间隙来确定方 向，并且只要由于反射而不可能再准确地确定方向，就一直保留测量出的方向。这种现象被 称为“哈斯效应(Haas effect)”，“优先效应(precedence effect) ”或者“第一波前法则”。声音定位在所谓的频群(frequency group)中完成。人类的听觉范围被分为大概M个频群，每个为1巴克(Bark)或100美(Mel)宽。为了确定方向，人耳估计信号共有成 份中哪些落入了频群。在这样做的过程中，人耳将发生在被称作临界频群或也称作临界带宽(CB)的有 限频带内的声音提示(sound cue)结合起来，该临界带宽的宽度是建立在人耳能够将发生 在特定频带内的声音结合到关于由这些声音散发出的心理声学听觉的共有听觉中的基础 上的。发生在单一频群中的声音事件具有与发生在多个频群中的声音不同的效果。例如， 具有相同声级的两个音调发生在一个频群时听起来比发生在多个频群时的更柔和。因为当能量相同并且遮蔽物(masker)落入具有以测试音的频率作为中心频率 的频率波段中时，在遮蔽物中的测试音是听得见的，所以想要的频群带宽可被确定。在 低频，频群具有IOOHz的带宽。在超过500Hz的频率，频群的带宽达到频群的中心频率 的大概 20% (Zwicker, E. ；Fasti, H. Psychoacoustics-Facts and Models，2nd edition， 将所有临界频群在全部听觉范围中排列起来，获得了听觉定向非线性频标 (frequency scale)，称为音高，单位是“巴克(Bark) ”。它表示频率轴的畸变标度，因此频 群的特征是在每个点处具有正好为1巴克的相同宽度。频率与音高的非线性关系的成因 在于基底膜(basilar membrane)上频率/位置的转变。音高的函数是由Zwicker在关于 听阈和响度测试的基础上通过表格和等式的形式阐述的(Zwicker，E. ；Fasti, H.心理声学家-Facts and Models,第二版，Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1999)?？梢月壑ぶ挥蠱个频群可被排列在0到16kHz的声频范围内，因此对应音高范围达到0到 M巴克，以巴克为单位的音高ζ等于在封闭的室内，作用于人耳的不仅有来自音响系统方向的声音，还有从墙壁反射 的声音。但是在判定方向时，人耳只估计到达的第一直接声音，而不估计稍后到达的任何反 射声音(第一波前法则)，使得仍可以正确判定声源的方向。为了这个目的，人耳估计在不 同频群中响度随时间发生的强烈变化。当在一个或多个频群中响度大大增加时，这很可能 因为声源最近产生了直接声音或者因为改变性质的信号。就是这个短暂的时间段被人耳用 来判定方向。稍后到达的反射声音不再会将频群中的响度增加到将会促使对方向做出新判定 的程度，即方向一旦被识别，就将一直被保持为声源方向，直到由更强烈的响度增长使方向 的重新判定变成可能。正好在两个扬声器之间的中间或在扬声器阵列中心定位的收听位置 处，高定位集中起来，并因此对称环绕的感觉自动实现。这种考虑假设信号每次均以相同声 级和相同延迟被映射在左侧和右侧立体声声道之间。但是当如同一般情况下在汽车乘客车厢内的通常收听位置那样，收听位置在这个 对称轴之外，不再能够仅仅通过声级的均衡来获得期望的定位质量。甚至调整扬声器的左Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York，1999)。 g/Bark - 13* cL C·JT"! 相对应的频群宽度Δ fe为侧和右侧立体声声道的信号的振幅以补偿它们映射的角度差异，也不能获得与在立体声扬 声器之间对称轴上的收听位置相应的效果。分别调相信号延迟差异是如何由不对称的座位位置改变的，可通过简单的测量来 论证。通过将模拟乘客车厢内收听者的生理的包含代表人耳的两个麦克风的仿真头准确地 放置在车内布置的扬声器之间的纵向中心线上，和测量双耳相差，显示两个立体信号相一 致的程度非常高。从图1中可以明显看到心理声学相关领域中上至约1500kHz的相应测量结果。现在参考图1，说明了通过仿真头的麦克风所测量的信号的相位差曲线，示出了左 侧和右侧测量信号之间以度为单位的相位差，该相位差是对数频率的函数。从真实的汽车 乘客车厢内部测量的例子中可明显看出，对于低于IOOHz的频率两个被测信号相位差是相 对轻微的，无论是在正向还是在反向的方向上都不超过45度。现在参考图2，说明了通过放置在司机位置的仿真头的麦克风测量的信号的相位 差曲线，再次示出了左侧和右侧测量信号之间的以度为单位的相位差，该相位差是对数频 率的函数。从图2很明显地看出，在这种情况下对于IOOHz以上的频率两个被测信号相位 差在正的和负的方向上已经超过了 45度。在300Hz以上的频率，相位差高达180度。对比 图1和图2中测量的结果，可以很明显看出，在扬声器之间的对称轴以外的收听位置，如在 当前示例中的司机位置，导致到达左耳和右耳的相位差非常大，对于所涉及的音频信号的 定位非常不利。在手工调谐机动车音频系统的过程中，前文所述的所有用于调节(即调谐)相位 的装置被用于定位和配置所谓的“舞台”，以获得良好的声学场。相比之下，均衡幅度频率响 应专门用于优化所谓的音调。这些目标也被在此描述的方法所包含，即获得任意预定义的 关于均衡幅度频率响应的目标函数。将本方法的注意力集中在相位均衡上以便获得进一步 的改善，使舞台对称，并且使汽车内所有可能的收听位置处的距离改善，还改进了定位的准 确性同时保持了现实的舞台宽度。其他研究小组利用相位来减少由在测量的被研究点处对不同扬声器的全异调相 而导致的梳形滤波器(comb filter)效应，因此在室内该位置处生成了更封闭(closed)的 频谱并因此被改善的幅度频率响应。除此之外，定位也可通过这样的方法被改善，尽管这可 能不是最初预期的目标，因为最佳幅度频率响应在原则上允许尚无关于定位品质的结论。从迄今为止所熟知的用于相位均衡的方法中可明显看出，为此目设计的HR全通 滤波器简单地复制了预期的相位频率响应，不仅影响相位，还对幅度频率响应有一定影响， 主要涉及不同幅度的窄带故障(glitch)。除此之外，以上述为目的而产生的相位均衡器的 长脉冲响应特征可能会破坏对声音的感知。测试相位均衡中的脉冲响应论证了，在音调干 扰和如何设计相位均衡器的群延迟之间具有直接的联系。例如，相位均衡器的群延迟的窄的谱波段中的巨大骤变，导致了脉冲响应内的振 荡，该振荡类似于正好在这些频率处的高Q因子/增益滤波器。这种效应也被称作“暂时扩 散(temporal diffusion) ”，换句话说音调干扰持续越长由此产生的损害越大，在窄的谱波 段中偏移越为不断变化的。当相位均衡器的群延迟中的骤变在非常低的频率波段时，这将 被体验为少得多的噪扰，甚至在大多数情况下可以被忽略。但是无论如何，在例如通过听觉 定向的平滑来设计相位均衡器时，这种上下文均需要被考虑，使得该骤变不会毁坏音频系9统的脉冲(impulsiveness)?；痪浠八?，为获得良好的脉冲，相位均衡器的群延迟需要对更 高的频率具有降低的动态响应。除用于相位均衡的滤波器之外，用于幅度均衡的滤波器也影响了音频系统的脉 冲。这里在设计用于相位均衡的滤波器，即相位均衡器时，利用了听觉定向的非线性的、复 杂的平滑。此外，脉冲如何被影响还取决于用于幅度均衡的滤波器的设计?；痪浠八?，取决 于幅度频率响应的预定义期望曲线是否被线性改变或被最小化定相的干扰变大还是变小。这就是为什么为实现幅度均衡对最小化相位滤波器的良好脉冲专用是被推荐的， 即使在实施相位均衡时需要考虑它们的某种最小化相位响应的特征。这对于影响相位的其 他组件同样适用，例如延迟线、交叉滤波器等。除此之外，为均衡幅度频率响应使用最小化 相位滤波器具有以下优势与线性相位设计相比，为实现相同的预期幅度频率响应它们只 要求一半的滤波系数，因此实现起来效率更高。下面描述了作为频率的函数，均衡相位响应是如何设计来显著改善定位的。为了 这个目的，现在将详述相应的前期考虑和所进行的试验。水平定位基本上取决于三个因素，即上文提到的哈斯效应(Haas effect)或优先 效应，也称作第一波前法则、耳间时间差(ITD)以及耳间声级差(ILD)。优先效应的影响在 混响环绕声中起主要作用，而依照Blauert的观点耳间时间差在最高到大概1500Hz的较低 频谱波段起主要作用，耳间声级差在大概4000Hz之上起主要作用。然而，对于本系统考虑的定位，感兴趣的频谱范围为至多约1500Hz的声频范围， 在该范围中当分析或修正由收听者感知的定位时仅需要考虑耳间时间差(ITD)。因此，在汽车内部的所有座位位置处每个扬声器的双耳室内脉冲响应(BRIR)被 记录。为此目的，人造的头(“包括在人头部耳朵所在的位置处的麦克风的仿真头”)被固定 在人体模型上，并且除此之外，在该汽车乘客车厢内的所有剩余座位可被乘客和/或人体 模型占据或被空置，这取决于期望的调谐类型(即司机位优化调谐、前座优化、后座优化、 或所有位置优化)。现在参考图3，说明了在作为例子的汽车内部1中，在仿真头辅助下被测试的所有 位置的俯视图，该汽车内部1由图形示出，并一同示出了声频系统的扬声器布置。该汽车内 部展示了包括以下扬声器的声频系统特征前置左扬声器2、前置中心扬声器3、前置右扬 声器4，侧置左扬声器5、侧置右扬声器6、后置左扬声器7、后置中心超低音扬声器8以及后 置右扬声器9。从图3可以明显看到在仿真头辅助下测量BMR的位置，即IOa和Ila(司 机和前排乘客的靠前座位位置)。IOb和lib (司机和前排乘客的居中座位位置)以及IOc 和Ilc (司机和前排乘客的靠后座位位置)?；箍梢悦飨钥吹讲饬课恢?2 (后部左侧座位位 置)和13 (后部右侧座位位置)。现在参考图4说明了在汽车乘客车厢14内在仿真头的辅助下被测的所有测量位 置侧视图。在汽车的两个前座位置上，通过调节座位位置，导致在乘客车厢内布置在前排左 侧的司机座位和前排右侧的前排乘客座位位置产生测量位置IOa和lla(司机和前排乘客 的靠前座位位置)、IOb和lib (司机和前排乘客的中间座位位置)、以及IOc和lie (司机和 前排乘客的靠后座位位置)，使每个仿真头信号都在三个位置上(前、中、后)被测量。在这 个上下文中，除了前后移动座位位置，同时在高度上做出上下移动，以考虑矮小、标准个头 和高个头的人。
从图4中所示出的侧视图还可以明显看出如何在两个后排座位位置(左侧和右 侧，见图幻处从高度上调整仿真头，在左后和右后座位位置处各设有三个位置来测量信 号，即左后和右后座位较高的位置1 和13a，左后和右后座位中间位置12b和13b以及 左后和右后座位较低位置12c和13c。在每种情况下再次在最高和最矮位置之间对仿真头 布置的高度做出改变，以考虑尺寸不同的人。这样布置的意图是要复制身材尺寸上的差异， 从而复制汽车乘客车厢内有生命的乘客的耳朵的听觉位置的差异。对于在前座位置上的水平定位，只有前置扬声器2、4，和可选择的扬声器3是相关 的。类似地，对于在后座位置上的水平定位，除前置扬声器2、3，和如果可用的3以外，后置 扬声器7、9以及侧置扬声器5和6是相关的。然而，对于在哪个座位位置中的定位哪个扬 声器是相关的，取决于环境(即乘客车厢)以及其中的扬声器布置?；痪浠八?，对于每个座 位位置(和由此的收听位置)只考虑限定的扬声器组，其中每个扬声器组包括至少两个单 独的扬声器。在为每对收听位置和扬声器(从相关的组中选出的)测量了双耳室内脉冲响应 (BRIR)后，可离线执行进一步的分析和滤波器合成。将与所考虑的收听位置相关的组的 相应扬声器叠加起来考虑，用于调谐相位的所有器件产生了所希望的交叉频谱相位频率响应。对于两个前座的收听位置上耳间时间差(ITD)的优化，是通过在特定频率处对供 应给相关扬声器组中的一个扬声器的音频信号以1度为步长施加从0到180度的相移来执 行的。也就是某个频率fm的音频信号被供给分配到前排收听位置的组的扬声器，例如扬声 器2和4(如果不存在中间的扬声器幻。随后从0到180度的相移队被强加到供给扬声器 2的音频信号(或者另一个扬声器4)，其中供给其他扬声器的音频信号的相位保持不变。 为例如IOOHz和1500Hz之间的给定频率范围内的不同频率执行这个操作。如前文所述，对 于在例如汽车乘客车厢的混响环境中的水平定位，1500Hz以下的频率范围是主要的决定因素。通过利用各个被考虑的收听位置的所测双耳室内脉冲响应(BRIR)，可为每一对频 率乙和相移队计算出合成相差ΔΡ 。相差Δ^ 是出现在仿真头的两个麦克风(即“双耳”) 处的声学信号的相位差或者，换句话说，从置于所考虑的收听位置上的仿真头“双耳”处出 现的合成声学信号计算出的交叉频谱的相位。在本实例中，左前置扬声器2的信号在相位上被改变，当然替代地也可以改变右 扬声器4的信号。随后获得了所感兴趣的整个频谱波段中的交叉频谱的合成相位，然 后将结果加入矩阵中。如果在被测的特定机动车的音响系统中存在多个扬声器，也可选出 多于两个扬声器的信号，来改变这些信号以便获得对于所考虑收听位置的优化结果。在这 种情况下相位差的三维“矩阵”将作为结果。然而，为了避免事情变复杂，进一步的讨论被 限制于只包括两个扬声器(比如前置扬声器3和4)的扬声器组，使得只有一个扬声器的音 频信号需要被相移。插入相移和计算合成相差的过程可为每个分配到相同的相关扬声器组的收 听位置执行。在当前例子中，考虑了包括前置扬声器2和3的组。这组扬声器被分配给六个 位于汽车前部的收听位置(司机位置前向、中间、后向，前排乘客位置前向、中间、后向)。 因此，通过使用上述过程可计算出六个矩阵Δρ ，每个矩阵属于一个特定收听位置。
为了以下的优化，可对为各收听位置计算出的相差求平均值，以获得平均相 差矩阵。因此可实现对平均相差《八^ 的优化，以在所有被考虑的收听位置处实现良 好的定位。现在参考图5，示出了以两个前排测量位置10和11 (例如中间位置10b、lib)上的 交叉频谱的相位形式获得的结果的三维表示，其中在每种情况下设定的相移队被放 入从0到180度的y轴，同时ζ轴描绘交叉频谱的平均相差《Δρ·，且χ轴表示相应的频率 fm。在这种三维表示中，最小高度的线对应于在相应的就座位置处，或分别在不同位置处感 觉到最小的耳间时间差时的最佳相移。假设相差WA^1的NXN矩阵(此处频率指数m取值 从0到M-1，相位指数η取值从0到Ν-1)，在频率fm处服从的最佳偏移(/ )的指数X可 由下列关系导出KiAcprnx = min {ιηΔφ^}其中 η = ο，ι，......, ν-ι,在上面所讨论的例子中，N = 180，即队=η°,其中η = 0，1，......，179。为举例说明，频率值的个数M可被选择成M = 1500，即fm = mHz其中m= 1,2,......，1500?；蛘?，对于频率值fm可选择对数空间。最佳相移导致了最小相差。现在参考图6，说明了图5中的三维表示的俯视图，其中横坐标描绘了以Hz为单位 的测量频率fm，同时纵坐标描绘了施加给扬声器，这里指左扬声器2 (见图幻，的音频信号 的相移Δ队。在这个俯视图上，最小高度的“线”(例如，为fm的函数的最佳相移)被叠加，该 最小高度的线是针对相差的，并且因此是针对耳间时间差(ITD)的，是作为图5所示的三维 表示mAp·的最小值被获得的。现在参考图7，图中为了更清楚，与测量结果的三维表示相孤立地在俯视图中示出 最小“高度”的线(即最小相差，也见图6)。这里再次，横坐标描绘了以Hz为单位的频率 fm，同时纵坐标描绘了对于左扬声器2 (见图3)相应的相移Δ队。根据图7的曲线，显而易见 的是作为前置左声道最优值的最佳相移(与频率有关)的曲线，导致对交叉频谱相位的 最小化最大，并因此通过在两个前座位置进行平均获得了最佳水平定位，可选择地为了计 算合成的交叉频谱还可以对两个位置中的每一个进行加权。如图6和图7示出的结果是对 被测的两个左侧和右侧前座位置进行相等的加权后获得的。但是，可以在计算中对司机位 置进行更大的加权运算，以便为优化最有可能被占用的座位位置的耳间时间差给予更大的 权重。直接应用矩阵最小值来形成相位均衡，将导致，如上解释的，具有非优化的脉冲但 提供可能是最佳定位的滤波器。这因此涉及了在最佳定位和脉冲噪音可容度之间的折衷。为此目的，在计算相位均衡滤波器前，矩阵最小的曲线在滑动的、非线 性的、复杂平滑滤波器的辅助下被平滑(复杂滤波器细节参考Mourjopoulos，John N.； Hatziantoniou, Panagiotis D. “Real-Time Room Equalization Based on Complex Smoothing !Robustness Results”，AES paper 6070,AES Convention 116,May 2004)。一 方面，这确保了定位的准确性仍然一如既往的良好，如同由汽车中后续收听测试所证实的 那样，同时另一方面，使相位均衡器的脉冲增强到不再被感受为噪扰的程度，这再次如同由 汽车中的后续收听测试中所证实的那样。经平滑的最佳相位函数被用作相位均衡器的设计的参考(作为设计目标)，该相位均衡器用于均衡供给所考虑的扬声器(上面讨论的例子中的前置左扬声器2) 的音频信号的相位。均衡滤波器可通过例如HR滤波器或UR滤波器的任意数字滤波器技 术实现。现在参考图8，图中说明了在应用了非线性、复杂平滑滤波器之后的相位均衡器的 结果群延迟，横坐标用对数描述了以Hz为单位的频率fm，纵坐标描绘作为频率的函数的相 应的相位均衡器群延迟^^ .^/」。如从图8中可以看出的，在这种情况下，频率越高，群延 迟的动态响应越小。如在上面已经解释过的，这就是优点，因为通过这种方式，暂时的扩散 基本上被阻止。现在参考图9，图中以举例方式说明了前置左声道(如图3所示的扬声器2)的实 得HR相位均衡器的脉冲响应。图9下部的图说明了作为时间函数的脉冲响应幅度的线性 表示，图9上部的图说明了作为时间函数的脉冲响应幅度的对数表示。现在参考图10，图中说明了在图9中示出的以HR滤波器实现的相位均衡器 ^^(人)的Bode图，两个图中的横坐标描绘了对数换算的频率，图10下部图中的纵坐标 描绘了以dB为单位的声级，图10的上部图的纵坐标描绘了相位。这样实现的相位均衡器被应用于左前置扬声器2 (见图幻的信号。为相关组的其 他扬声器，即在本实例中的扬声器3和4(见图幻，来执行完整的过程。对于这些扬声器或 它们相应的激励信号(供给扬声器的音频信号)，相应的相位均衡器是从测出的BRIR以及 随后的信号处理结果中导出的。在获得并应用了前置扬声器和座位位置的相位均衡器的最 优曲线后，还要为后排座位位置执行优化。为达到此目的，通过使用分别被布置在左侧和 右侧的扬声器5和6，以如同针对前排座位位置所描述的相同的方式，来优化音频信号的定 位(见图3)。如何相应地放置仿真头在图3和4中示出(位置12a、13a、12b、13b、12c、和 13c)。现在，在机动车乘客车厢内的所有四个座位位置处，音频信号的定位都可以通过 所描述的方式被改善得相当多，而不会产生暂时扩散噪扰，或者不必忍受相位均衡器对幅 度频率响应的不希望的改变。参考图Ila到图lld，图中描述了在优化(为所有相位均衡声道，插入相位均衡器、 此外还插入相位函数之后，在汽车内所有四个座位位置10、11、12、和13处测 量的双耳交叉频谱的相位频率响应与在应用相位均衡器之前测量的双耳交叉频谱相位频 率响应相比较是怎样的。图Ila到图Ild的横坐标以对数表示形式描绘了以Hz为单位的 频率，且纵坐标描绘了以度为单位的双耳相差曲线。图Ila中，对汽车内左前座位置的优化 前和优化后的双耳相差频率响应被相应地进行比较。图lib中，对汽车内右前座位置的优 化前和优化后的双耳相差频率响应被相应地进行比较。在图Ilc中，对汽车内左后座位置 的优化前和优化后的双耳相差频率响应被比较，图Ild中对汽车内右后座位置的优化前和 优化后的双耳相差频率响应被比较。在优化前获得的与频率相关的双耳相差在图中分别用 “A”标识，在优化后获得的那些用“B”标识。从图Ila到图Ild明显看出，对于汽车内全部 四个座位位置，尤其在较低的频率上，相位频率响应与理想零位线(zero line)偏离得较小 是可以实现的，结果是对于所有座位位置车用音频系统内的定位得到显著改善。本方法可被有效地应用于在收听室1内的至少一个收听位置(例如司机的中间位13置IOb)处优化声学定位。分配给至少一个收听位置的一组扬声器(例如前置扬声器2和4) 生成了声场，其中该组扬声器包括第一扬声器(例如前置左扬声器幻和至少一个第二扬声 器(例如前置右扬声器4，以及可选地，中央扬声器幻。音频信号通过音频声道供给每个扬 声器。直接的方法包括计算相位均衡滤波器的滤波系数，该相位均衡滤波器至少用于向第 二扬声器4供给的音频声道。该相位均衡滤波器的相位响应被设计成，使得在至少一个收 听位置10的双耳相差Δρ·，或者在多于一个收听位置被取平均值的双耳相差的均值WA^in (如果考虑多于一个的收听位置)，在预定的频率范围内被最小化。本方法还包括将相位均 衡滤波器应用到相应的音频声道的步骤。如上所述，可通过本方法最小化被一个或更多的收听者在各自的收听位置(例如 前排左位置10和前排右位置11，见图幻处感知的耳间时间差。为了执行计算相位均衡滤 波器的步骤，首先在每个被考虑的收听位置10、11处，可为分配给被考虑的收听位置10、11 的组的每个扬声器2、4确定双耳传递特性。这可以通过例如用如上所述的仿真头进行的测 量来达到。优化可在预限定的频率范围内执行，因此从预限定的频率范围内选出的一组频率 fm，以及从预限定相位范围内选出的一组相移队(例如队=·[1°，2°,···，180°})也被定义?？稍诿扛霰豢悸堑氖仗恢?0、11处计算双耳相差A^mn，由此，为一组频率的每 个频率fm并为一组相移的每个相移队进行了计算。因此，为计算的目的(也可以称为仿 真)，假设音频信号被供给每个扬声器2、4，由此被供给至少一个第二扬声器4的音频信号 相对于被供给第一扬声器2的音频信号，相位被移动了相移代。因此生成了对于每个被考虑 的收听位置10、11的双耳相差的阵列。如果相关扬声器组包括两个扬声器，在有M个 不同的频率值fm和N个不同相移％情况下，产生的矩阵是MXN矩阵。如果同一组相移队被 施加到供给第二和第三扬声器3、4的音频信号，具有三个扬声器(例如附加了中间的扬声 器3，见图3)产生的矩阵是包括MXNXN个成员的三维阵列。为在所有被考虑的收听位置上获得改善的定位，可计算双耳相差均值的阵 列，双耳相差均值 是在被考虑的收听位置10、11处的双耳相差八仏 加权后的平均值。 加权因子可以是0或者1，或者在区间W，1]内。然而，如果只考虑一个收听位置(例如司 机位置10)，在驾驶位置10处的双耳相差相应的阵列可被作为阵列WApffJ吏用。真实的优化可通过为每个频率&在双耳相差均值的阵列中搜索被应用于馈 给至少一个第二扬声器4的音频信号的最佳相移来执行。最佳相移被定义为能够产生 双耳相差均值《Δ 的最小值。因此，可为至少一个第二扬声器获得相位函数(/ )，其 代表了作为频率&的函数的最佳相移《^。如果考虑其他扬声器(例如第三中间扬声器3，见 图3)，最佳相移<^是包含供给第二和每个其他扬声器3、4音频信号的最佳相移的向量。双耳相差△识_是存在于每个收听位置处的声学信号的交叉频谱的相位。通过考 虑供给相关扬声器组的扬声器的音频信号和预先测量出的相应BMR，可容易地计算(即仿 真)出交叉频谱。如同在计算中假设的，如果声频信号被供给所有相关扬声器并且相移被插入至少 一个第二扬声器的供给声道，本方法使用经测量的双耳室内脉冲响应(BRIR)来仿真将呈 现的声学信号。从在每个收听位置处仿真的(双耳)信号，可推导出相应的耳间相差。然 而，这样的仿真可通过真实的测量代替。也就是，在仿真中提到的音频信号可被实际地供给扬声器，并且在收听位置上产生的声学信号可被双耳测量。从与获得仿真信号相同的方法 获得的测量信号可以推导出期望的耳间相差，因此获得了与上面描述的基于仿真的“离线” 方法相同的耳间相差矩阵。这个耳间相差矩阵在两种情况下都做了相同的处理。然而，在 后种情况下通过扬声器散发出的音频信号的频率和相位实际上是不同的，反之在第一种情 况下，这在仿真过程中完全在计算机内完成。 即使实现本发明的各种例子已经被揭示，对于那些本领域技术人员显而易见的 是，还可以做出将获得本发明的某些优势的各种变化和改变而不背离本发明的精神和范 围。对于那些普通的本领域技术人员显而易见的是执行同样功能的其他组件可适当地被替 代。这样的对于本发明概念的改变旨在被覆盖在附带的权利要求范围内。此外本发明的范 围不限于汽车的应用，也适用于其他的比如在用户的家庭影院或类似的，以及在电影院和 音乐厅或类似应用的任意环境中。
权利要求
1.一种用于优化收听室内至少一个收听位置(10)处的声学定位的方法，由分配给至 少一个收听位置(10，11)的一组扬声器(2，4)生成声场，其中该组扬声器包括第一和至少 一个第二扬声器0，4)，每个扬声器被提供以通过音频声道的音频信号；该方法包括至少为供应所述第二扬声器(4)的音频声道计算相位均衡滤波器的滤波系数，由此所 述相位均衡滤波器的相位响应被设计成使得在所述至少一个收听位置(10)处的双耳相差 (^mn )或者在多于一个收听位置(10，11)处取平均值的平均双耳相差(m一mn )在预限定 的频率范围内被最小化；并且将所述相位均衡滤波器应用于相应的音频声道。
2.如权利要求1所述的方法，其中计算所述相位均衡滤波器的系数的步骤包括在与可应用于至少一个音频声道的频率和相移有关的相差的阵列内执行最小值搜索， 该最小值搜索产生了最佳相位函数(φ攀人fj )，其代表作为频率(fm)的函数的最佳相移(Ψχ )。
3.如权利要求1所述的方法，其中计算所述相位均衡滤波器的系数的步骤包括为每个收听位置(10，11)，确定分配给相应收听位置(10，11)的所述组扬声器的每个 扬声器0，4)的双耳传递特性；从预限定的频率范围选择一组频率(fm)，并从预限定的相位范围内选择一组相移 (^)；针对每个收听位置(10，11)，针对所述一组频率的每个频率(fm)并针对所述一组相移 的每个相移(φ ),计算双耳相差(^mn ),因此为所述计算假设音频信号被供应给每个扬声 器0，4)，其中供给所述至少一个第二扬声器的音频信号相对于供给所述第一扬声器 (2)的音频信号相位被移动了相应的相移(φη ),这样为相应的收听位置(10，11)提供双耳 相差(Ncpmn )的阵列；通过计算在至少一个收听位置(10，11)处的双耳相差()的加权平均值，提供平 均双耳相差(Tfi^mn )的阵列；并且在所述平均双耳相差(mAVmn )的阵列中搜索对于每个频率(fm)的最佳相移(φ )，该 最佳相移(φχ )产生所述平均双耳相差(m—職)的最小值，因此获得了代表作为频率(fm) 的函数的最佳相移(φχ )的最佳相位函数(φχ渾(Jm))。
4.如权利要求3所述的方法，其中在每个被考虑的收听位置(10，11)处计算双耳间相 差(^mn )的步骤包括针对所述频率组的每个频率(fm)并针对所述相移组的每个相移(φη ),在所述每个收 听位置(10，11)处计算交叉频谱值；为每个计算出的交叉频谱值计算所述交叉频谱的相位，所述交叉频谱的相位代表在相 应收听位置(10，11)处的双耳相差(^mn )。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，还包括提供数字相位均衡滤波器的步骤，该 数字相位均衡滤波器被设计成提供近似所述最佳相位函数< V，,,, . (Zm)的相位响应。
6.如权利要求3至5中任一项所述的方法，确定双耳传递特性的步骤包括顺序地向每个扬声器(2，4，；3)供应宽带测试信号，双耳测量到达每个收听位置(10，11)的结果声学信号；并且为每对扬声器(2，4，；3)和收听位置(10，11)计算相应的双耳传递特性。
7.如权利要求2至6中任一项所述的方法，还包括在计算所述相位均衡滤波器的相位 响应之前，平滑所述最佳相位函数px， 7.(/m)的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述平滑步骤是用非线性、复杂的平滑滤波器执行的。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中所述平滑步骤是用动态响应随频率的升高而降 低的平滑滤波器执行的。
10.如权利要求1所述的方法，其中计算所述相位均衡滤波器的滤波系数的所述步骤 包括从预限定的频率范围中选出一组频率(fm)，并从预限定的相位范围内选出一组相移 (队)；针对每个被选出的频率(fm)，将具有相应频率(fm)的音频信号供给用于生成声场的每 个扬声器0，4)，其中供给所述至少一个第二扬声器的音频信号相对于供给所述第一 扬声器O)的音频信号，相位被移动了相应的相移(φ )；为每个相移(φη )和频率(fm)的组合，双耳测量到达每个收听位置的结果声学信号； 为每个收听位置(10，11)从相应的双耳测量的声学信号中计算双耳相差(^mn ),这样 为每个收听位置(10，11)提供双耳相差(^mn )的阵列，该阵列包括对于每个相移(φη )和 频率(fm)的组合的双耳相差值；通过计算在所述至少一个收听位置(10，11)处的双耳相差(Αφηη )的加权平均值，提 供平均双耳相差(m一聰)的阵列；在所述平均双耳相差(m一腿)的阵列中搜索对于每个频率(fm)的最佳相移(φη ),所 述最佳相移(φχ )产生所述平均双耳相差(m^mn )的最小值，这样产生代表作为频率(fm) 的函数的最佳相移(φχ )的最佳相位函数气 .(/」;并且为所述相位均衡滤波器计算近似所述最佳相位函数^Vn(Zm)的相位响应。
11.一种用于优化收听室内至少一个收听位置(10)处的声学定位的系统，该系统包括分配给至少一个收听位置(10，11)用于生成声场的一组扬声器0，4)，该组扬声器包 括第一和至少一个第二扬声器0，4)；经过相应的音频声道将音频信号提供给每个扬声器的信号源； 被配置用来计算相位均衡滤波器的滤波系数的信号处理单元，该相位均衡滤波器至少 应用于为所述第二扬声器(4)供给的音频声道，由此所述相位均衡滤波器的相位响应被设 计成使得在至少一个收听位置(10)上的双耳相差(Αφηη )或者在多于一个收听位置(10， 11)取平均值的平均双耳相差(mA9mn )在预限定的频率范围内被最小化。
12.如权利要求11所述的系统，其中为了计算所述相位均衡滤波器，所述信号处理单 元被配置成在与可应用于至少一个音频声道的频率和相移有关的相差的阵列中进行最小值搜索，所述最小值搜索产生代表作为频率(fm)的函数的最佳相移(φχ )的最佳相位函数Ψ X,FlLT (/J。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中，为计算相位均衡滤波器的系数，所述信号处 理单元被配置成用于为每个收听位置(10，11)，确定分配给相应的收听位置(10，11)的所述组扬声器的每 个扬声器0，4)的双耳传递特性；从预限定频率范围中选择一组频率(fm)，并从预限定相位范围中选择一组相移(φη )； 针对每个收听位置(10，11)，针对所述组频率的每个频率(fm)，并针对所述组相移的 每个相移(φ )，计算双耳相差(Νφ-),因此为该计算假设音频信号被供给每个扬声器(2， 4)，其中供给所述至少一个第二扬声器的音频信号相对于供给所述第一扬声器O)的 音频信号，相位被移动了相应相移(φη ),因此为所述相应的收听位置(10，11)提供了双耳 相差(^ynw )的阵列；通过计算在至少一个收听位置(10，11)处的双耳相差()的加权平均值，来提供 平均双耳相差(m一腿)的阵列；在所述平均双耳相差(m一腿)的阵列中搜索对于每个频率(fm)的最佳相移(φη ),所 述最佳相移(φχ )产生所述平均双耳相差(m^mn )的最小值，因此产生代表作为频率(fm) 的函数的最佳相移(φχ )的最佳相位函数Py (/m);并且为所述相位均衡滤波器计算近似所述最佳相位函数(Zm)的相位响应。
14.如权利要求12或13所述的系统，还包括被配置成在计算所述相位均衡滤波器的相 位响应之前平滑所述最佳相位函数的平滑滤波器。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述平滑滤波器是非线性、复杂平滑滤波器，其动 态响应随频率增加而降低。
全文摘要
本发明揭露了用于优化收听室内的至少一个收听位置处的声学定位的方法。由分配给至少一个收听位置的一组扬声器生成声场，其中该组扬声器包括第一和至少一个第二扬声器，每个扬声器被供给音频信号，该音频信号是经由音频声道供给的。该方法包括计算至少用于为第二扬声器供给的音频声道的相位均衡滤波器的滤波系数，由此相位均衡滤波器的相位响应被设计成使得至少一个收听位置上的双耳相差或在多于一个收听位置上取平均值的平均双耳相差在预限定的频率范围内被最小化，并且将相位均衡滤波器应用于相应的音频声道中。
文档编号H03G5/00GK102055425SQ20101053216
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月2日 优先权日2009年11月2日
发明者利安德·肖尔茨, 马库斯·克里斯托弗 申请人:哈曼贝克自动系统股份有限公司