CN100539737C

CN100539737C - 产生声场的方法和装置

Info

Publication number: CN100539737C
Application number: CNB028105192A
Authority: CN
Inventors: P·T·特劳顿; A·霍利; A·G·古迪; M·G·伊斯顿; I·A·比内克; J·达维斯; D·T·赖安; P·R·温德尔
Original assignee: 1 Ltd
Current assignee: Cambridge Electromechanical Integration Co ltd; Yamaha Corp
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP4445705B2; US20040151325A1; GB2376595A; AU2002244845A1; KR20040004566A; GB2376595B; CN101674512A; JP2007236005A; WO2002078388A3; US7515719B2; KR100922910B1; US20090161880A1; GB0207219D0; EP1402755A2; CN1605225A; WO2002078388A2; JP2004531125A

Abstract

本发明一般涉及一种方法和装置，用于接收输入信号，将该信号多次复制并在将其传递到相应输出换能器之前修改各复制信号，以产生期望声场。该声场可包括定向声束、聚焦声束或模拟原点。第一方面，延迟加到声道以消除不同传输距离的影响。第二方面，延迟加到视频信号以解决加到声道上的延迟。第三方面，不同窗口函数应用到各信道以提高使用灵活性。第四方面，与输出低频的换能器相比，较小的换能器范围被用于输出高频。还在中心附近提供更大换能器密度的阵列。第五方面，提供一排长条形换能器以在平面中提供良好方向性。第六方面，声束被聚焦在表面之前或之后以提供不同的声束宽度和模拟原点。第七方面，利用摄像机指示声音被定向到何处。

Description

产生声场的方法和装置

本发明涉及可控声天线，并具体涉及数字电控声天线。

相控阵天线在电磁和超声声学领域是众所周知的。在有声(可听见的)声学领域，他们不为人所熟知却以简单的形式存在。后者相对原始，而本发明寻求提供涉及能够被控制的高级音频声阵列的改进以便随意或多或少地控制其输出。

WO 96/31086描述了一种系统，它使用一元编码信号来驱动输出换能器阵列，各换能器能够产生声压脉冲但不能复制全部将被输出的信号。

本发明的第一方面解决这样的问题：该问题在多个声道由单个输出换能器阵列输出而各声道被定向在不同方向时出现。由于事实上各声道采用不同路径到达收听者，因此当它们到达收听者的位置时，声道会失去同步，并且是可听见的。

根据第一方面，提供了使用输出换能器阵列产生包括多个声道的声场的方法，所述方法包括：

为各声道选择各输出换能器的第一延迟值，其中根据各换能器在阵列中的位置选出所述第一延迟值；

为各声道选择第二延迟值，其中根据声道的声波从所述阵列到收听者的期望传输距离选出所述第二延迟值；

对于各输出换能器，获得表示各声道的信号的延迟复制信号，各延迟复制信号被具有包括所述第一延迟值的第一分量和包括所述第二延迟值的第二分量的值延迟。

同样根据本发明的第一方面，提供了用于产生声场的装置，所述装置包括：

多个输入端，用于输入分别表示不同声道的多个信号；

输出换能器阵列；

复制部件，用于获得各输出换能器的各相应输入信号的复制信号；

第一延迟部件，用于用相应的第一延迟值延迟各信号的各复制信号，第一延迟值根据各输出换能器在阵列中的位置被选出；

第二延迟部件，用于用第二延迟值延迟各信号的各复制信号，为各声道选择第二延迟值，其中根据该声道的声波从阵列到收听者的期望传输距离选择第二延迟值。

因此，提供了一种方法和装置，用于向各声道施加两类延迟以便为各声道减少不同传输距离的影响。

本发明的第二方面解决输出换能器阵列在视听应用中产生的问题。由于经常需要在声道上施加不同的延迟以便产生期望的效果，声道会明显地滞后于视频图像。

根据本发明的第二方面，提供了采用输出换能器阵列再现包括多个声道的声音内容，在视听演示中提供图像和声音之间的时间一致性的方法，所述方法包括：

对于各输出换能器，用相应的音频延迟值延迟表示声道的各信号的复制信号；

用视频延迟值延迟视频信号，算得的所述视频延迟值使显示相应视频图像的时间基本为时间上对应的声道到达收听者的时间。

此外，根据本发明的第二方面，提供了在视听演示中在图像和多个声道之间提供时间一致性的装置，所述装置包括：

输出换能器阵列；

复制和延迟部件，用于为各输出换能器获得表示声道的各信号的延迟复制信号；

视频延迟部件，用于用视频延迟值延迟相应的视频信号，算得的所述视频延迟值使显示相应视频图像的时间基本为时间上对应的声道到达收听者的时间。

因此，本发明的这个方面使视频和声道能够在正确时间(例如与另一个时间一致)到达收看者/收听者。

本发明的第三方面解决的问题是不同声道可能有不同内容，因此在表示声道的任何特定声束要获得的方向性方面有不同需要。

因此，本发明的第三方面提供采用输出换能器阵列产生包括多个声道的声场的方法，所述方法包括：

对于各声道，获得各输出换能器表示所述声道的信号的复制信号，以便获得各声道的一组复制信号；

对从第一声道信号产生的第一组复制信号应用第一窗口函数；

对从第二声道信号产生的第二组复制信号应用不同的第二窗口函数。

此外，根据本发明的第三方面，提供产生包括多个声道的声场的装置，所述装置包括：

输出换能器阵列；

复制部件，用于对各输出换能器提供表示所述多个声道中的各个声道的信号的复制信号；

开窗部件，用于对从第一声道信号产生的第一组复制信号应用第一窗口函数并对从第二声道信号产生的第二组复制信号应用不同的第二窗口函数。

因此，这个方面使不同窗口函数能够被应用到不同声道，给予了更令人满意的声场并且使独立调节各声道的音量更为容易。

本发明的第四方面解决需要大阵列来控制低频然而较小阵列就能控制高频获得相同准确度的问题。此外，低频比高频需要更高的功率。

根据本发明的第四方面，提供采用输出换能器阵列产生声场的方法，所述方法包括：

将输入信号分为至少低频分量和高频分量；

采用阵列第一部分上的输出换能器输出所述低频分量；以及

采用所述阵列第二部分上的输出换能器输出所述高频分量，其中所述阵列第二部分小于所述第一部分。

根据本发明的第四方面，提供了用于产生声场的装置，所述装置包括：

输出换能器阵列，其中在阵列的第一区域中，输出换能器的排列比在所述阵列的剩余区域中更为紧密。

因此，这个方面允许使用有效数量的输出换能器，使所有频率以期望的方向性被输出。

本发明的第五方面涉及阵列的有效配置，这种配置能够将声音基本定向在期望平面中。

根据本发明的第五方面，提供了一种输出换能器阵列，其中的每个输出换能器在一条线上相互邻近；所述输出换能器中的各个换能器在与所述线垂直的方向上的尺寸比在与所述线平行的方向上的尺寸大。

因为声音主要集中于在阵列前方水平扩展的平面中，所以上述配置特别有用。由于各换能器的长条形特性，所以能实现在平面上的集中，并且因为阵列中有多个换能器，所以获得了方向性。

本发明的第六个方面解决根据用户需要，采用反射面或共鸣面将窄或宽的声束定向到限定位置的需求。

根据本发明的第六方面，提供了使表示各声道的多个输入信号似乎从空间中相应的不同位置发出的方法，所述方法包括：

在空间中各所述位置提供声反射或共鸣面；

在空间中远离所述位置指出提供输出换能器阵列；以及

使用所述输出换能器阵列，将各声道的声波定向到空间中各相应位置以便使所述声波被所述反射或共鸣面发送，所述声波被聚焦在空间中所述反射或共鸣面的前方或后方的位置；

所述定向步骤包括：

对于各换能器，获得用各延迟值延迟的各输入信号的延迟复制信号，各延迟值根据各输出换能器在阵列中的位置以及所述各聚焦位置来选择，以便声道的声波被定向到相应声道的聚焦位置；

对于各换能器，总和各输入信号的相应延迟复制信号以产生输出信号；以及

将输出信号传递到相应的换能器。

此外，根据本发明的第六方面，提供了用于使表示相应声道的多个输入信号似乎从空间中各不同位置发出的装置，所述装置包括：

空间中各所述位置处的声反射或共鸣面；

空间中远离所述位置之处的输出换能器阵列；以及

控制器，用于利用所述输出换能器阵列，将各声道的声波定向到空间中所述声道的相应位置以便所述声波被所述反射或共鸣面再次发送，所述声波被聚焦在空间中所述反射或共鸣面的前方或后方的位置；

所述控制器包括：

复制和延迟部件，用于为各换能器获得被相应延迟值延迟的输入信号的延迟复制信号，各延迟值根据相应输出换能器在阵列中的位置以及相应聚焦位置选出，以便声道的声波被定向到那个输入信号的聚焦位置；

加法部件，用于为各换能器总和各输入信号的相应延迟复制信号以产生输出信号；以及

将输出信号传递到相应换能器的部件，以便声道声波被定向到那个输入信号的聚焦位置。

本发明的第六方面使窄或宽的声束能够根据选在反射器/共鸣器后方或前方的聚焦位置被再次发送。

本发明的第七方面解决难以准确地确定声音被定向到或聚焦到哪里的问题而且需要直观的方法使操作员能够控制(根据反馈)声音被定向到或聚焦到哪里。

根据本发明的第七方面，提供了选择声音聚焦方向的方法，所述方法包括：

摄像机对准期望的方向，采用取景器或其它筛选部件确定该方向是否是期望的方向；

计算要施加到输入信号的一组复制信号上的多个信号延迟以便将声音定向在所选方向上。

此外，根据本发明的第七方面，提供了确定声音被定向到何处的方法，所述方法包括：

根据声音被定向的方向自动调节摄像机所对准的方向；

从取景器或其它筛选部件辨别摄像机对准的方向。

此外，根据本发明的第七方面，提供了用于建立或监视声场的装置，所述装置包括：

输出换能器阵列；

可定向摄像机；

控制所述输出换能器阵列和所述摄像机的部件，以便所述摄像机对准的方向与来自所述阵列的声束被引导的方向相同。

因此，本发明的第七方面使用户能够以直观简单的方式确定声音被定向的方向。

通常，本发明适用于更优的全数控声学相控阵天线(数字相控阵天线，或DPAA)系统，该系统包括多个空间分布的音速电声换能器(SET)，这些换能器排列在二维阵列中并且各换能器通过输入信号分配器连接到相同的数字信号输入端，输入信号分配器在把输入信号输送到各SET之前对其进行修改以便获得期望的方向效果。

通过以下描述将了解本发明内在的各种可能性和实际上是首选的型式：

SET被最优地排列在平面或曲面(Surface)而不是随机地排列在空间中。然而，它们也可以是两个或多个邻近子阵列的2维栈的形式—两个或多个紧密的一个接着一个的平行平面或曲面。

在曲面中，构成阵列的SET最好是紧密排列的，而且理想的是完全填满整个天线孔隙。这对于实际的圆截面SET是不实际的，但对于三角形、正方形或六边形截面SET或通常的覆盖平面的任何截面却是可以实现的。在SET截面没有覆盖整个平面的情况下，通过使阵列以栈或多阵列的形式—例如三维阵列，其中至少一个SET的附加曲面被安装在至少一个其它这种曲面的后面，而且在那个或每个在后面的阵列中的SET在前面阵列中的缝隙之间辐射，则可以实现相当准确的近似于填满孔隙。

SET最好是相似的，理想的情况是相同的。它们当然是音速的—即音频装置，并且它们能最好够均匀地覆盖可能低至(或低于)20Hz，到高至20KHz或更高(声频带宽)的全部声频带(Audio Band)。或者，可以使用不同音速能力的SET但是一起覆盖期望的全部范围。因此，可将多个不同的SET物理地组合起来，形成合成SET(CSET)，其中即使单独的SET不能覆盖所述声频带，但不同SET的组合在一起可覆盖该声频带。作为另一个变化，每个能够覆盖仅部分声频带的SET可以不被组合而是分散在阵列中，在SET之中有足够的变化使阵列作为一个整体完全或几乎完全覆盖所述声频带。

CSET的替代形式包括几个(通常是两个)相同的换能器，分别由相同信号驱动。这样减少了所需信号处理和驱动电子电路的复杂性而保留了大型DPAA的很多优点。下文中将提及CSET的位置，应理解该位置是CSET作为一个整体的质心，例如，构成CSET的所有单独SET的重心。

在曲面中，SET或CSET(下文中这两个形式都用SET表示)的间距—也就是阵列的整体布局和结构以及其中各换能器被放置的方式最好是规则的，并且它们在曲面上的分布最好是对称的。因此SET最好被放置为三角形、正方形或六边形的点阵。可选择点阵的样式和方向以控制旁瓣的间距和方向。

虽然不是基本的，但各SET最好在它能够有效发射(或接收)的全部声波波长的至少半球中具有各向相同的输入/输出特性。

各个输出SET可以采用任何方便或期望的声音辐射装置形式(例如，传统的扬声器)，虽然它们最好是相同的，但它们可以不同。扬声器的类型可以是活塞式声辐射器(其中换能器膜片被活塞推动)并且在这种情况下，各SET的活塞式辐射器的最大辐射范围(例如，对圆形SET是有效活塞直径)最好尽可能地小，而理想的是和声频带宽中最高频率的声音波长一样小或比它更小(例如在空气中，20KHz的声波具有大约17mm的波长，那么对于圆形活塞式换能器，大约17mm的最大直径是最好的，最好有更小的尺寸以确保全方向性)。

最好将阵列平面中的SET或各SET阵列的全部尺寸选为等于或大于空气中最低频率的声音波长，最低频率会极大地影响阵列的极辐射图。因此，如果期望能够发送或控制低至300Hz的频率，那么在与需要控制和发送的各平面成直角的方向上的阵列尺寸应该至少为c_s/300≈1.1米(这里c_s是声速)。

本发明适用于全数控声速/可听声学相控阵天线系统，而当实际的换能器可被模拟信号驱动时它们最好由数字功率放大器驱动。典型的这种数字功率放大器包括：PCM信号输入；时钟输入(或者从输入PCM信号获得时钟的部件)；输出时钟，它由内部产生，或从输入时钟或从另外的输出时钟输入获得；以及可选的输出电平输入，它可以是数字(PCM)信号或模拟信号(如果是后者，该模拟信号还可为放大器输出提供功率)。数字功率放大器的特征是：在任何可选的模拟输出滤波前，其输出是离散值并按步连续，并且只能在与输出时钟周期匹配的时间间隔中改变电平。离散输出值由提供的可选输出电平输入控制。对于基于PWM的数字放大器，在任意整数倍数的输入采样周期上的输出信号平均值代表输入信号。对于其它数字放大器，在大于输入采样周期的周期上，输出信号的平均值趋向输入信号平均值。数字功率放大器的最优形式包括双极性脉宽调制器，以及一位二进制调节器。

采用数字功率放大器避免了在大多数所谓“数字”系统中存在的更普通的需求—提供数模转换器(DAC)以及用于各换能器驱动声道的线性功率放大器，因此功率驱动效率可以很高。此外，由于大多数动圈式声换能器本身是感应的，并且机械上很有效地充任低通滤波器，因此可以不需要在数字驱动电路和SET之间增加复杂的电子低通滤波。换而言之，可以用数字信号直接驱动SET。

DPAA具有一个或多个数字输入端(输入端)。当存在一个以上的输入端时，需要提供用于将各输入信号传送到各个SET的部件。

这可以通过用一个或多个输入信号分配器将各输入连接到各SET完成。首先，输入信号被发送到单个分配器，并且那个分配器对各SET具有单独的输出(并且其输出信号被适当地修改，如下文所述，以便到达期望的终端)。或者，可以有多个相似的分配器，每个分配器接收输入信号或部分输入信号，或单独的输入信号，然后分别为各SET提供单独的输出(并且在每种情况下，其输出信号被分配器适当地修改，如下所述，以便达到期望的终端)。在后一种情况下—多个分配器，每个分配器向所有SET输出的情况下—从各分配器到任一SET的输出必需被组合，并且这在对最终输入进行进一步修改之前通过加法器电路便利地完成。

输入端最好接收一个或多个表示一个或多个将由DPAA处理的声音的数字信号(输入信号)。当然，最初定义将被发射的声音的电信号可以是模拟形式的，因此本发明的系统可包括一个或多个模数转换器(ADC)，ADC连接在辅助模拟输入端(模拟输入端)和一个输入端之间，因此能够将这些外部模拟电信号转换为内部数字电信号，它们分别具有特定的(而且合适的)的采样率Fs_i。因此，在DPAA中，除了输入端，所处理的信号是时间采样的量化数字信号，表示将被DPAA再现的声音波形。

本发明的DPAA包括分配器，分配器在将输入信号发送到各SET之前对其进行修改以便获得期望的方向效果。分配器是数字装置或软件，它有一个输入和多个输出。其中一个DPAA的输入信号被发送到其输入端。它最好对一个SET有一个输出；替代地，一个输出可在多个SET或CSET的若干单元中共享。分配器将输入信号的一般不同修改型式发送到其各输出。修改可以是固定的，或可使用控制系统调节的。由分配器进行的修改可包括应用信号延迟，应用振幅控制和/或可调节的数字滤波。这些修改可由分别位于分配器中的信号延迟部件(SDM)、振幅控制部件(ACM)和可调节数字滤波器(ADF)进行。应注意，ADF可用于通过正确选择滤波器系数对信号施加延迟。此外，可使该延迟依赖于频率，这样，输入信号的不同频率被不同量延迟而且滤波器可产生信号的任意数量的延迟型式的总和的效果。这里所用术语“延迟”应解释为包括由ADF和SDM施加的延迟类型。延迟可以是包括零的任何有用的时段，但通常，至少一个复制输入信号用非零值延迟。

信号延迟部件(SDM)是可变数字信号时延元件。这里，由于这些不是单频，或窄频带，相移元件实际是时间延迟，因此DPAA将在宽频带(例如声频带)上操作。可以有在给定输入端和各SET之间调节延迟的部件，而且有利的是，有用于各输入/SET组合的单独可调的延迟部件。

对于给定数字信号，可能的最小延迟最好与T_s一样小或更小，T_s是那个信号的采样周期；对给定数字信号，可能的最大延迟最好应选为和T_c一样大或更大，T_c是声音越过换能器阵列最大横向范围D_max所用的时间，其中T_c＝D_max/c_s，c_s是声音在空气中的速度。最好的是，对于给定数字信号，延迟中可能的最小增量变化应不大于T_s，T_s是那个信号的采样周期。否则，需要对信号进行内插处理。

为了总的声束形状修改，振幅控制部件(ACM)被便利地实现为数字振幅控制部件。它可包括放大器或交流发电机(alternator)以便增加或减少输出信号的幅值。就像SDM，这里最好有可调的ACM用于各输入/SET组合。振幅控制部件最好用于向来自分配器的各信号输出施加不同振幅控制以便通过使用窗口函数抵消DPAA尺寸有限的问题。这可通过根据预定的曲线例如高斯曲线或升余弦曲线将各输出信号的幅值归一化来方便地实现。因此，通常去往阵列中心附近的SET的输出信号不会受到严重影响，但是那些到阵列边界附近SET的输出信号将根据那些SET距离阵列边缘的远近被衰减。

另一修改信号的方法采用数字滤波器(ADF)，其群延迟和幅度响应作为频率的函数按特定方式变化(而不仅仅是简单的时延或电平变化)—简单的延迟元件可用于实现这些滤波器以减少所需的计算。该方法允许将DPAA辐射图作为频率的函数控制，这使DPAA辐射图的控制能够在不同频段中被分别调节(这是有用的，因为DPAA辐射区的波长尺寸及其方向性是频率的强函数)。例如，对于比如说宽度2米的DPAA，其低频截止频率(方向性)大约是150Hz区域，而由于人耳难以确定如此低频的声音的方向性，因此不在此低频施加“声束控制”延迟和振幅加权而是采用优化输出电平将更为有用。此外，采用滤波器还能够对各SET辐射图中的不均衡作一些补偿。

SDM延迟、ACM增益以及ADF系数可以是固定的，或者根据用户输入改变，或者可被自动控制的。最优地，当声道在使用中时，以很多小的增量作出所需的任何改变以便听不到中断。可选出这些增量以定义预定的“下降”和“发生”率，它们用来描述参数能够改变的速度。

在提供一个以上的输入端—例如编号为1到I的I个输入端以及有编号为1到N的N个SET时，最好为各组合提供单独的和单独可调的延迟、振幅控制和/或滤波部件D_in(其中i＝1至I，n＝1至N，介于各I个输入和各N个SET之间)。因此，对于各SET，将有I个经延迟或滤波的数字信号，分别通过单独的分配器来自各输入端，在用于SET之前将被合并。通常在各分配器中有N个单独的SDM，ACM和/或ADF，一个SET一个。如上所述，数字信号的这种合并可以通过数字代数相加这I个单独的延迟信号方便地完成—即到各SET的信号是来自I个输入端中的各个输出端的单独修改的信号的线性组合。对源自多于一个输入端的信号执行数字相加的需求意味着可能需要使用数字采样率转换器(DSRC)，以同步这些外部信号，因为通常对具有不同时钟速度和/或相位的两个或更多数字信号执行数字相加是没有意义的。

DPAA系统可与遥控手持机(Handset)共同使用，手持机与DPAA电子电路在一定距离(理想的是从DPAA收听区中的任何地方)进行通信(通过有线，或无线电或红外或其它无线技术)，并提供手动控制DPAA的所有主要功能。这种控制系统在提供以下功能时最为有用：

1)选择将哪个(哪些)输入端连接到哪个分配器，还可称之为“声道”；

2)控制各声道的聚焦位置和/或声束形状；

3)为各声道控制各声量设置；以及

4)使用具有内置麦克风的手持机进行初始参数设置(见下文)。

还可以有：

使两个或多个这种DPAA互连的部件以便调整其辐射图、其聚焦以及其优化过程；.

存储和取回延迟集合(针对DDG)以及滤波系数(针对ADF)的部件。

本发明将仅以非限定例示的方式作进一步描述，参照所附示意图，其中：

图1示出了简单的单输入装置的图示；

图2是多输入装置的方框图；

图3是通用分配器的方框图；

图4是用于本发明的最优实施例的线性放大器和数字放大器的方框图；

图5示出了带有集中控制和输入级的几个阵列的互连；

图6示出了根据本发明第一方面的分配器；

图7A至7D示出了四种类型的声场，它们可使用本发明第一方面的装置实现。

图8示出了当房间中三个声道被定向在不同方向时，三条不同的声束路径。

图9示出了向各声道施加延迟的装置以便用于不同的传输距离；

图10示出了用于根据施加到音频声道的延迟来延迟视频信号的装置；

图11A至11D示出了用于解释本发明第三方面的各种窗口函数；

图12示出了用于向不同声道应用不同窗口函数的装置；

图13是示出了能够用不同方式修整不同频率的装置的方框图；

图14示出了用于将不同频段发送到单独的输出换能器的装置；

图15示出了用于将不同频段发送到重叠的输出换能器组的装置；

图16示出了阵列的的正面图，其中的符号表示各换能器输出的频段。

图17示出了根据本发明第四方面的输出换能器阵列，中心附近具有更密集的换能器区。

图18示出了具有长条形结构的单个换能器；

图19示出了图18所示的换能器阵列；

图20示出了为获得环绕声效，输出换能器阵列的平面图以及反射/共鸣屏；

图21示出了换能器阵列的平面图和反射/共鸣面，其中从表面反射声束图；

图22示出了根据本发明第七方面附有摄像机的阵列的侧视图；

图23是根据本发明第一方面扬声器系统的典型设置图；

图24是根据本发明第一方面的优选实施例数字扬声器系统的第一部分的方框图；

图25是根据本发明第一方面的优选实施例数字扬声器系统的第二部分的方框图；以及

图26是根据本发明第一方面的优选实施例数字扬声器系统的第三部分的方框图。

下文中的说明和附图采用框图必要地描述了本发明，用各框表示硬件组件或信号处理步骤。本发明原则上可以通过建立单独的物理组件以执行各步骤，并如所示将它们互连来实现。可使用专用的或可编程的集成电路实现多个步骤，有可能将多个步骤合并在一个电路中。应该理解，在实践中，采用数字信号处理器(DSP)或通用微处理器以软件执行多个信号处理步骤最为方便。可以用单独的处理器或共享一个微处理器的单独软件程序执行步骤序列，或者将步骤序列合并到一个程序中以提高效率。

附图通常只示出音频信号路径；除非需要表达概念，为了清晰起见，省略了时钟和控制连接。此外，仅示出了少数SET、声道及其关联电路，因为如果包括了实际大量的单元，图会变得混乱并难以解释。

在说明本发明的各方面之前，描述根据各个方面中的任一方面适用的装置实施例是有用的。

图1的方框图描述了简单的DPAA。输入信号(101)被发送到分配器(102)，分配器(102)的多个(图中为6个)输出分别通过可选的放大器(103)连接到输出SET(104)，输出SET(104)物理上构成二维阵列(105)。分配器修改发送到各SET的信号以产生期望的辐射图。在分配器之前和之后可以有另外的处理步骤，稍后说明。

图2示出了有两个输入信号(501，502)和三个分配器(503-505)的DPAA。分配器503处理信号501，而504和505都处理输入信号502。来自各SET的各分配器的输出被加法器(506)总和，并通过放大器103到达SET 104。

图3示出了分配器的组件。它具有一个来自输入电路的输入信号(101)和多个输出(802)，一个输出用于一个SET或SET组。从输入到各输出的路径包括SDM(803)和/或ADF(804)和/或ACM(805)。如果在各信号路径中所作的修改是相似的，可通过包括全部SDM、ADF和/或ACM级(806-808)在分割信号之前更有效地实现分配器。各分配器的各部分的参数可通过用户或自动控制改变。其所需的控制连接未示出。

图4示出了可能的功率放大器配置。在一种选择中，输入数字信号(1001)，可能来自分配器或加法器，通过DAC(1002)和线性功率放大器(1003)(带有可选的增益/音量控制输入(1004))。输出进入一个SET或一组SET(1005)。在最优配置中，这时示出了两个SET输入端，输入(1006)直接输入到数字放大器(1007)，数字放大器带有可选的全局音量控制输入(1008)。全局音量控制输入还可方便地作为输出驱动电路的电源。离散值的数字放大器输出在到达SET(1005)之前可选地通过模拟低通滤波器(1009)。

图5示出了三个DPAA(1401)的互连。这时，输入(1402)、输入电路(1403)和控制系统(1404)被三个DPAA共享。输入电路和控制系统可以是分开放置或结合在一个DPAA中，而其它DPAA作为辅件。替代地，三个DPAA可以是相同的，只不过辅助DPAA中的冗余电路是不活动的。这种设置使功率提高，而且如果阵列被并排放置，则在低频时有更好的方向性。

图6和7A至7D的装置具有图1所示的一般结构。图6更详细地示出了更优的分配器(102)。

如图6所示，输入信号(101)由输入端(1514)发送到复制器(1504)。复制器(1504)具有将输入信号复制预定次数并在所述预定数量的输出端(1518)提供相同信号的功能。然后输入信号的各复制信号被提供给部件(1506)用于修改复制信号。通常，用于修改复制信号的部件(1506)包括信号延迟部件(1508)、振幅控制部件(1510)和可调数字滤波部件(1512)。然而，应注意振幅控制部件(1510)是完全可选的。此外，也可以省去这个或那个信号延迟部件(1508)和可调数字滤波器(1512)。部件(1506)最基本的功能-修改复制信号是为了使不同复制信号在某种意义上被通常不同的量延迟。当输出换能器(104)输出不同延迟型式的输入信号(101)时，对于延迟的选择决定了获得的声场。经延迟以及最好是修改后的复制信号被由输出端(1516)从分配器(102)输出。

如所述，由各信号延迟部件(1508)和/或各可调数字滤波器(1512)所进行的对各延迟的选择严重地影响了所获得声场的类型。通常，有四个特别有利的声场，它们可以被线性地组合。

第一声场

第一声场如图7A所示。

包含各输出换能器(104)的阵列(105)在平面图中示出。其它行的输出换能器可以位于所示行之上或之下。

由各信号延迟部件(508)施加到各复制信号的延迟被设为相同值，例如0(在所示的平面阵列的情况下)，或所设值为曲面形状的函数(在曲面情况下)。这样产生了表示输入信号(101)的基本平行的声“束”，它具有与阵列(105)平行的波前F。在声束方向的辐射(与波前垂直)比在其它方向的强烈很多，虽然通常也会有“旁瓣”。假设阵列(105)具有的物理扩展是在所关心的声音频率的一个或几个波长。这意味着如果需要，旁瓣通常能通过调节ACM或ADF被削弱或去除。

操作模式通常被认为是阵列(105)模拟很大的传统扬声器。阵列(105)的所有单独的换能器(104)在同相操作以产生对称的声束，其基本方向与阵列平面垂直。所获得的声场将与使用一个直径为D的大扬声器所获得的声场相似。

第二声场

第一声场可被认为是更普通的第二声场的特例。

这里，使由信号延迟部件(1508)或可调数字滤波器(1512)施加到各复制信号的延迟不同，以便在阵列表面上的某个选定方向，延迟在换能器中系统地增加。如图7B所示。在信号被传递到其各自的输出换能器(104)之前施加到各信号的延迟在图7B中可由在换能器后延伸的虚线表示。虚线越长表示延迟时间越长。通常，虚线和实际延迟时间之间的关系将是d_n＝t_n*c，其中d表示虚线的长度，t表示施加到各信号的延迟量，c表示声音在空气中的速度。

如图7B所示，当你在图7B中从左到右移动时，施加到输出换能器的延迟线性增加。因此，传递到换能器(104a)的信号基本上没有延迟，因此是第一个离开阵列的信号。被传递到换能器(104b)的信号被施加了少许延迟因此该信号是第二个离开阵列的。施加到换能器(104c，、104d、104e等)的延迟接连增加以便在邻近的换能器的输出之间有固定的延迟。

这一系列延迟产生了与第一声场所产生的声束相似的基本平行的声“束”，只是现在声束转动一定角度，该角度由所用的系统延迟增量决定。对于很小的延迟(t_n<<T_c，n)，声束方向将几乎垂直于阵列(105)；对于较大的延迟(最大t_n)～T_c声束可被控制为几乎与表面正切。

如所述，通过选择延迟，声波不用进行聚焦就可以被定向，这样来自各换能器的声波的相同时间部分(那些表示相同信息的声波部分)一起形成在特定方向传播的波前F。

通过减少由分配器向位于靠近阵列边缘的SET提供的信号的振幅(相对于向更靠近阵列中间的SET提供的振幅)，辐射图中的旁瓣的电平(由于有限阵列尺寸)会减少。例如，高斯或升余弦曲线可用于确定来自各SET的信号的振幅。在调节有限阵列尺寸的影响和由于外部SET中振幅减少而导致的功率减少之间取得折衷。

第三声场

如果选择由信号延迟部件(1508)和/或自适应数字滤波器(1512)施加的信号延迟，使延迟加上从那个SET(104)到DPAA前的空间中的选择点的声音传播时间的总量对于所有SET是同一值—即使得声波作为同相声音从各输出换能器到达选择点——那么可使DPAA将声音聚焦到那个点P。如图7C所示。

如图7C所示，施加到各输出换能器(104a到104h)的延迟再次增加，虽然这时不是线性的。这导致了弯曲的波前F，它聚集在焦点上，这样在焦点及其附近(在尺寸大约等于各声音光谱分量的波长的区域内)的声音强度大大高于附近其它点的声音强度。

获得声波聚焦所需的计算可归纳如下：

焦点位置矢量，

f = [\begin{matrix} f_{x} \\ f_{y} \\ f_{z} \end{matrix}]

第n个换能器位置，

P_{n} = [\begin{matrix} P_{nx} \\ P_{ny} \\ P_{nz} \end{matrix}]

第n个换能器的传输时间，

t_{n} = \frac{1}{c} \sqrt{{(f - P_{n})}^{T} (f - P_{n})}

各换能器所需的延迟，d_n＝k-t_n

其中k是恒定偏移量以确保所有延迟是正数因此是可实现的。

通过如上所述适当选择延迟集合，焦点的位置可在DPAA前的几乎任何地方被大范围地改变。

第四声场

图7D示出了第四声场，其中还采用了另一个基本原理来确定施加到传递到各输出换能器的信号的延迟。在此实施例中，调用了惠更斯子波理论来模拟声场，该声场具有视在原点O。这点的实现是通过将由信号延迟部件(1508)或自适应数字滤波器(1512)产生的信号延迟设置为与从阵列后的空间中某一点到各输出换能器的声音传播时间相等来实现的。这些延迟在图7D中由虚线表示。

如图7D所示，那些距离模拟原点位置最近的输出换能器在那些距离原点位置较远的换能器之前输出信号。从各换能器发射的声波所建立的干涉图产生声场，对于阵列前近场的收听者，该声场似乎起源于模拟原点。

图7D示出了半球波前。这些波前的总和产生了波前F，它的曲率与移动方向与假设起源于模拟原点的波前所具有的曲率与移动方向相同。因此，获得了真正的声场。用于计算延迟的等式现在是：

d_n＝t_n-j

其中t_n如在第三实施例中定义而j是任意的偏移量。

因此可以看出，通常采用的方法包括使用复制器(1504)获得N个复制信号，分别用于各输出换能器(N个)。然后各复制信号被各延迟进行延迟(也许通过滤波)，延迟根据各输出换能器在阵列中的位置以及要获得的效果被选出。然后延迟的信号被传递到各输出换能器以产生适当的声场。

分配器(102)最好包括单独的复制和延迟部件以便信号可被复制而且延迟可被施加到各复制信号。然而，本发明包括其它配置，例如，可采用有N个抽头的输入缓冲器，抽头的位置决定延迟量。

所述系统是线性系统因此仅仅通过将所需延迟的信号加起来用于特定的输出换能器就可能组合上述四个效果中的任意之一。同样，系统的线性本质意味着几个输入可按上述方式分别被单独地和不同地聚焦或定向，得到了可控的和潜在广泛的独立区域，其中不同声场(代表在不同输入端的信号)可以被正确地建立在远离DPAA处。例如，可使第一信号似乎源于DPAA后的一定距离而第二信号可被聚焦到DPAA前一定距离的位置。

本发明的第一方面

本发明的第一方面涉及多声道系统中DPAA的使用。如所述，采用相同阵列可将不同声道定向在不同方向以提供特殊效果。图8在平面图中示意性地示出了这点，阵列(3801)用于将第一声束(B1)基本笔直地定向到收听者(X)。如图7A或7B所示，可以聚焦或不聚焦。第二声束(B2)以一个小角度被引导，以便声束经过收听者(X)并在墙(3802)上经过多次反射，最后再次到达收听者。第三声束(B3)以一个大角度被引导以便它在侧壁上反射一次并到达收听者。这种系统的典型应用是家庭影院系统，其中声束(B1)表示中央声道，声束B2表示右环绕(传统系统中的右后扬声器)声道，声束B3表示左声道。右声道和左环绕声道还可有更多的声束，但在图8中为了清晰起见被省略了。显然，声束在到达用户之前传播了不同距离。例如，中央声束可传播4.8米，左右声道可传播7.8米，而环绕声道传播12.4米。为了实现这点，可向传播距离最短的声道施加额外的延迟以便各声道基本同时到达用户。

图9示出了用于实现这点的装置。三个声道(3901，3902，3903)被输入各延迟部件(3904)。延迟部件(3904)及时用延迟控制器(3909)所确定的量延迟各声道。然后，被延迟的声道经过分配器(3905)、加法器(3906)、放大器(3907)和输出换能器(3908)。分配器(3905)复制并延迟复制信号以便如图8所示将声道定向到不同方向。延迟控制器(3909)根据那个声道的声波在到达用户之前期望传播的距离选择延迟。采用上述例示，环绕声道传播得最远因此根本不被延迟。左声道被延迟13.5ms这样它与环绕声道同时到达，而中央声道被延迟22.4ms这样它与环绕声道和左声道同时到达。这样确保了所有声道同时到达收听者。如果声道的方向被改变，延迟控制器(3909)可考虑这点从而相应地调节延迟。图9中，延迟部件(3904)在分配器之前示出。然而，它们可以被有利地合并到分配器中以便延迟控制器(3909)向各分配器输入信号而该延迟被施加到由分配器输出的所有复制信号上。此外，在另一个替代的实际应用中，可使用单个延迟控制器(3909)为各声道复制信号选择所得到的延迟从而向各分配器发送延迟数据，而不需要单独的延迟元件(3904)。

本发明的第二方面

在上述第一方面中，到达用户的声音中的延迟可能很大，而且当声音幅度增加时更加明显。对于视听应用，这可导致图像先于声音而产生不好的效果。可采用图10所示装置解决该问题。从诸如DVD播放器的源(4001)提供相应的音频和视频信号。这些信号被同时读出并且是时间一致的。采用声道分割器(4004)从音频信号获得各音频声道并且各声道被用于图9所示的装置。音频延迟控制器(3909)被连接到视频延迟部件(4005)以便视频信号被适当的量延迟使声音和图像同时到达用户。然后视频延迟部件的输出被输出到筛选部件(4006)。所施加的视频延迟通常参照声束传播的最大距离计算，即图8中的环绕声道。这时视频延迟将被设置为与声束B2的传播时间相等，声束B2不被音频延迟部件(3904)延迟。通常期望用整数帧延迟视频信号，意味着视频延迟值只是大致与所计算的值相等。即使是环绕声道因为经过任何处理(例如滤波)也会遭受一些延迟。因此，可将另外的成分添加到视频延迟值以便解决该处理延迟。此外，将视频信号延迟直到沿直接路径(例如图8中的B1)到达收听者的声音离开扬声器通常更为简单。最终的误差通常较小，而且由于当前的AV系统，收听者习惯于它。权利要求11和16通过短语“基本在...的时间”，旨在覆盖由于整数视频帧的采用的准确值或近似值的系统。

作为一种改进，也可将视频延迟部件连接到(见图10中的虚线)各分配器(3905)以便也可对由于声束方向的原因所施加的任何延迟作适当的考虑。作为另一种改进，可采用视频处理电路提供声音系统的用户界面的在屏显示。在更为普遍的软件实施例中，音频延迟的各组件将由微处理器作为程序的一部分计算而且将为各复制信号计算完整的延迟值。然后这些值将用于计算适当的视频延迟。

本发明的第三方面

当使用多声道时，向各声道应用不同窗口函数是有益的。窗口函数以损耗功率的代价减少了“旁瓣”的影响。所采用窗口函数类型的选择依赖于所需的结果声束的品质。因此，如果声束方向性很重要，应采用图11A所示的窗口函数。如果对方向性需求较低，可采用图11D所示的更平缓的函数。

图12示出了实现这点的装置。该装置基本与图9所示装置相同，除了省略了额外的延迟部件(3904)。然而这种额外的延迟部件可与本发明的这个方面结合。图12中额外的组件(4101)被置于分配器之后。该组件应用窗口函数。该组件可有利地与分配器组合，但是为了清晰起见单独示出。开窗部件(4101)为声道向复制信号组应用窗口函数。因此，可配置系统以便为各声道选择不同窗口函数。

该系统还有一个优点。具有高的低音内容的声道通常需要具有高电平而方向性不是那么重要。因此，可为这种声道改变窗口函数以满足这些需要。图11A-D示出了例示。图11A示出了典型的窗口函数。靠近阵列(4102)外部的换能器具有比中心的换能器更低的输出电平以减少旁瓣并改善方向性。如果音量被调高，所有输出电平增加而且阵列中心的一些换能器会饱和(见图11B)，已经达到满刻度偏转(FSD)。为了避免这点，可改变窗口函数的形状而不是仅仅放大各换能器的输出。这在图11C和11D中示出。当音量提高时，外部换能器在产生全部声音中起更重要的作用。虽然这样增加了旁瓣，但是也增加了功率输出，提供了更大的声音，而不用任何剪辑(饱和)。

上述技术对于更高频率分量最为重要。因此，本方面可与第四方面(见下文)有利地结合。对于较低的频率，其中方向性不易获得而且不太重要，可采用平坦(“货车车厢”)窗口函数实现最大功率输出。而且，图11D中所示改变窗口函数来增加声量不是基本的，图11B所示的饱和在实际中不会可察觉到地使品质变差因为窗口函数仍然下降到零点避免了边缘的不连续，而电平的不连续比坡度的不连续造成的损害更大，如图11B所示。

本发明的第四方面

阵列可获得的方向性是将被定向的信号的频率以及阵列尺寸的函数。为了定向低频信号，需要比以相同的分辨率引导高频信号更大的阵列。此外，低频通常比高频需要更大功率。因此，将输入信号分割为两个或更多频段并根据采用DPAA装置获得的方向性分别处理这些频段是有利的。

图13示出了用于有选择地发送不同频段声束的普通装置。

输入信号101被连接至信号分割器/组合器(2903)从而在并联声道中到达低通滤波器(2901)和高通滤波器(2902)。低通滤波器(2901)连接至分配器(2904)，分配器(2904)连接所有加法器(2905)，加法器(2905)依次连接DPAA(105)的N个换能器(104)。

高通滤波器(2902)连接装置(102)，装置(102)与图1中的装置(102)相同(而且通常其中包括N个可变振幅和时变延迟元件)，装置(102)依次连接加法器(2905)的其它端口。

该系统可用于克服低频的远场消除效果，因为阵列尺寸与那些在更低频率的波长相比是小的。因此系统使不同频率能够根据声场的定形被区别对待。较低的频率全部以相同的时延(额定为零)和振幅在源/检波器和换能器(2904)之间经过，而到N个换能器中的每个换能器的较高频率分别被适当地延时和控制振幅。这允许了较高频率的逆成束(anti-beaming)或趋于零而无需使低频的整体远场趋于零。

应注意根据本发明的第四方面的方法可采用可调数字滤波器(512)实现。这种滤波器通过为滤波器系数简单地选择合适的值使不同延迟能够与不同频率一致。这种情况下，无需分别分割频段并将不同延迟施加到取自各频段的复制信号。仅仅通过将单个输入信号的各种复制信号滤波就能得到适当的效果。

图14示出了本方面的另一个实施例，其中采用阵列的不同输出换能器组来发送输入信号(101)的不同频段。如图13，输入信号(101)被高通滤波器(3402)和低通滤波器(3405)分别分割为高频段和低频段。低频信号被传递到第一组换能器(3404)而高频段被传递到第二组换能器(3405)。第一组换能器(3404)比高频换能器(3405)跨越更大的阵列物理范围。通常，换能器组跨越的范围(即，性能尺寸的大小)基本与将被发送的最短波长成比例。这样使两个(或者所有，如多于两个)频段的方向性基本相同。

图15示出了本方面的另一个实施例，其中一些输出换能器在频段之间共享。信号又被低通滤波器(3501)和高通滤波器(3502)分割为低频和高频分量。低频分配器(3503)将输入信号的低频分量的适当延迟复制信号传递到第一组输出换能器(3505)。在此例示中，这第一组包括阵列中的所有换能器。高频分配器将输入信号的高频分量传递到第二组输出换能器(3506)。这些换能器是整个阵列的子集并且，如图所示，可以为与用于输出低频分量的换能器相同的换能器。在这种情况下，要求加法器(3504)在输出之前将低频与高频信号相加。因此，在此实施例中，使用更多的换能器输出低频分量因而可获得在低频中所需的更大功率。为了进一步提高在低频的功率输出，外侧的换能器(其单独输出低频)可以更大以及更强大。

此方法的优点在于所获得的方向性在所有频率相同并将最少的换能器用于高频，结果降低了复杂性和成本。当采用图14所示设置时，这点尤为适用，其中有在阵列外部附近的低频专用换能器和中心附近的高频换能器。另一个优点是可使用更便宜的有限范围换能器而不是全范围换能器。

图16示意性地示出了换能器阵列的正面图，各符号表示一个换能器(注意符号与所用换能器的形状无任何关系)。当采用图14的方法时，正方形符号表示用于输出低频分量的换能器。圆形符号表示输出中间范围成分的换能器而三角形符号表示输出高频分量的换能器。

当采用图15的方法，三角形符号表示输出全部三种频率范围成分的换能器。圆形符号表示只输出中间范围和低频信号的换能器而正方形符号表示只输出低频的换能器。

本发明的此方面与上述第三方面是完全兼容的，因为可使用窗口函数，以及在分配器(3403，3503，3507)之后进行计算。当采用专用换能器时(如图14)，高频换能器的中心阵列的出现所导致的低频窗口函数中的“洞”通常不会损害性能，特别是如果该洞与低频声道复制的最短波长相比足够小。

图16中明显示出用于高频的换能器比用于低频的换能器少而且相邻换能器之间的间距是不变的。然而，可接收的最大换能器间距随波长而变以避免在高频的旁瓣需要更紧密排列(例如，每λ/2)的换能器。这使在换能器和驱动电子电路方面的费用更高，一方面来覆盖足够大的区域以引导低频，而另一方面用紧密排列的换能器引导高频。为了解决这个问题，提供了如图17所示的阵列。该阵列中位于中心部分附近的输出换能器具有比平均密度更高的输出换能器密度。因此，可使用更多紧密排列的换能器来输出高频而无需增加阵列的范围以及声束的方向性。大的低频区域被排列不太紧密的换能器覆盖而中心高频区域是更紧密排列的区域，在所有频率优化了成本和性能。在图17中，正方形仅仅示出了换能器的存在而不是如图16示出信号输出的形状或类型。

本发明的第五方面

图18示出了长度L比宽度W长的换能器。该换能器可有利地用于类似如图19中所示的换能器的阵列中。这里，换能器3701一个接一个排列在一条线上这样这条线在与各换能器最长边垂直的方向延伸。这种配置提供的声场能够在水平面被很好地引导，而且由于各换能器的长条形状，该声场大多数的能量在水平面上。只有很少的声能被定向到其它平面，从而使工作效率高。因此，第五方面提供了由长形换能器组成的1维阵列，它在一个方向具有紧密的方向性(由于长条形状)而在另一个方向具有可控的方向性(由于阵列的性质)。各换能器的纵横比最好至少为2:1，更好的是3:1，而更好的仍是5:1。各换能器的长条形性质使声效集中在平面中而一条线上的换能器阵列提供了平面中良好的方向性。该阵列可被用作本发明任何其它方面中的阵列。

本发明的第六方面

本发明的第六方面涉及DPAA系统的使用，从而仅仅使用与上述装置相似的单个声音发出装置来产生环绕声或立体声效果。更具体地说，本发明的第六方面涉及将不同声道定向到不同方向以便声波撞击在反射面或共鸣面上从而被发送。

本发明的第六方面解决的问题是当DPAA在室外工作(或具有基本是无回声状况的其它地方)观察者需要向这些声音被聚焦的区域移近以便容易感知各声场。否则观察者难以定位所产生的各声场。

如果声反射表面，或替代地，再发射所吸收入射声能的声共鸣体，被置于声束路径中，它再发射声音，因此有效地成为新的声源，该声源远离DPAA，并位于由所用聚焦(如果有)确定的区域。如使用平面反射体，那么反射声被主要定向到特定方向；如采用漫反射体，那么当声音从DPAA入射时，声音在反射体的相同的一侧或多或少在反射体的各个方向被再发射。因而，如果多个表示不同输入信号的不同声音信号被DPAA以所述方式定向到不同区域，并且在各区域中放置了这种反射体或共鸣器以便从各区域使声音改变方向，那么可采用这里所述的单个DPAA的设计构造实际多个独立源声音发射器系统。

图20示出了采用单个DPAA和多个反射或共鸣面(2102)来向收听者(2103)提供多个源。因为不依赖心理暗示，环绕声效果在整个收听区域是可以听见的。

声束可以是不聚焦的，如上参照图7A或7B所述，或聚焦的，如上参照图7C所述。可将聚焦位置选在各反射体/共鸣器前面，在其上面或其后面以获得期望的效果。图21示意性地示出了当声束分别聚焦在发射体前面或后面时所获得的效果。可操作DPAA(3301)以将声音定向到房间(3304)中设立的反射体(3302和3303)。

当声束被聚焦在反射体(3302)前面的点F1时(见图21)，声束在焦点变窄并向其后蔓延。声束在从反射体反射后继续蔓延而在位置P1的收听者将听到声音。由于反射，用户将感到声音是从幻象焦点F1发出。因此在P1的收听者将感到声音是从房间(3304)外发出。此外，所获得的声束很宽这样在房间(3304)下半部分的大部分收听者将听到声音。

如果声音被聚焦在反射体(3303)之后的点F2(见图21)，声束在完全变窄到达焦点之前被反射。在反射后，声束蔓延而在位置P2的收听者将能够听见声音。由于反射，用户将感到声音是从反射体前面的反射焦点F2’发出的。因此，在P1的收听者将感到声音是从近旁发出的。此外，获得的声束很窄这样能将声音定向到房间中的更小部分的收听者。因此，由于上述原因，将声束聚焦在反射体/共鸣器之外的其它位置是有利的。

当按上述方式用多个分离的声束操作DPAA时——即，用表示不同输入信号的声音信号，这些不同输入信号被定向到不同和分离的区域——在非消声环境中(例如在正常的房间环境中)其中有多个硬的和/或主要的声音反射边界面，以及特别是那些区域在一个或多个反射边界面被引导的地方，那么观测者仅利用其正常的方向声音知觉就能够轻易地感知到各声场，同时利用从那些区域到达观察者的反射声音(从边界)，在其各自的焦点区域(如果有的话)找到空间中的各声场。

着重强调的是，在这种情况下，观察者察觉到真实的各声场，该声场决不会依赖DPAA将人工心理声学元素引入声音信号。因此，对于真正的声音位置，观察者的位置相对不重要，只要他距离DPAA的近场辐射足够远。在这种方式下，仅用一个物理扬声器(DPAA)，利用在多数真实环境中建立的自然边界，就能获得多声道“环绕声”。

当要在缺少适当的自然反射边界的环境中产生相似的效果时，通过在期望的似乎是声源起源的地方适当的放置人工反射或共鸣面可获得相似的分离的多源声场，然后在那些表面引导声束。例如，在大音乐厅或外界环境中，可放置光学透明塑料或玻璃板并且用作视觉影响很小的声音反射体。在期望有来自那些区域的广泛声散射时，替代地，可引入声散射反射体或宽带共鸣器(这会更难但是要构成光学透明不是不可能)。

可采用球形反射体在大角度上获得漫反射。为了进一步增强漫反射效果，表面具有的粗糙程度应该与其期望漫射的声音频率的波长相当。

本发明此方面的主要优点是可用单个DPAA装置实现所有上述内容，从输入信号的延迟复制信号的总和建立各换能器的输出信号。因此，避免了传统上与环绕系统关联的很多配线和装置。

本发明的第七方面

本发明的第七方面解决的问题是DPAA系统的用户不能在任何特定时间总能轻易发现特定声道的声音被引导或聚焦到何处。相反，用户可能想在空间中的特定位置引导或聚焦声音，这需要进行复杂计算以施加正确延迟等。通过提供摄像机部件，使该部件指向特定方向可缓解该问题。然后与摄像机连接的部件可用于计算摄像机的指向从而调节延迟。有利的是，摄像机是在操作者的直接控制下(例如在三角架上或使用操纵杆)而且采用DPAA控制器使得无论操作者使摄像机指向何处，都会发生声道定向。这使建立系统非常容易，不用依赖于建立房间的数学模型或其它复杂计算。

有利地，可提供检测照相机聚焦在房间中何处的部件。那么，声束可被聚焦在相同点。这使建立系统非常简单，因为可在房间中期望聚焦声音的地方放置标志从而操作员通过看着电视监控器就可使照相机镜头聚焦在这些标志上。于是系统可自动建立软件以便为在那一点聚焦声音计算正确的延迟。替代地，可在房间中确定参照点以选择声音聚焦。例如，可预编程房间的简单模型以便操作者能够在照相机的视野中选择目标以确定聚焦距离。在两种情况下，当采用照相机聚焦距离而且当采用房间模型时，利用从照相机(摇摄，俯仰，距离)或房间(x，y，z)到扬声器(旋转，上升，距离)的座标转换是有利的，这里两个座标系的原点不同。

在操作的逆模式中，可由DPAA电子电路自动控制照相机以便照相机指向声束当前被操纵的方向，其中在发生声音聚焦的点上自动聚焦，如果有的话。这样为操作者提供了大量有用的建立反馈信息。

还应该提供用于选择哪些声道设置被照相机位置控制的部件而且这些可全部由手持机控制。

图22示出了使用摄像机(3602)的侧面图，摄像机(3602)放置在DPAA(3601)上以指向与声音聚焦相同的点。可使用伺服电动机(3603)操纵照相机。替代地，照相机可被安装在单独的三角架上或手持或是现存CCTV系统的一部分。

对于CCTV应用，当使用多个照相机来覆盖一个区域时，可采用单个阵列将声音定向到其中一个照相机正在指向的区域中的任何位置。因此，通过选择指向特定点的照相机和向麦克风讲话，操作者可将声音(诸如语音命令或指令)定向到区域/房间中的特定点。

其它优选特性

可提供部件调节涉及各输入端的信号的辐射图和焦点，以响应在那些输入端的程序数字信号的值——通过当有高声将仅从那个输入端被复制时，即刻向外移动那些信号的焦点，这种方法可用于扩大立体声信号和环绕声效果。因此，根据实际输入信号本身可完成操纵。

通常，当焦点被移动时，需要改变施加到各复制信号的延迟，其中包括适当的复制或略过样本。最好逐渐完成这点以避免任何可听见的滴答声，例如如果一次大量样本被略过时可能会发生这种情况。

本发明的技术的实际应用包括以下方面：

对于家庭娱乐，向试听室中不同位置发射多个真实声源的能力允许了多声道环绕声的复制而没有多个独立接线扬声器的混乱、复杂和配线的问题。

对于扩音机和音乐会声响系统，在三维中裁剪DPAA辐射图的能力，以及有多个同时发生的声束允许：

更加快速地建立，因为DPAA的物理方位不是很重要并且不需要反复调节；

作为一种类型的扬声器(DPAA)，较小的扬声器设备可获得很多种辐射图，通常分别需要带有合适喇叭的专用扬声器；

更好的可理解性，因为可减少到达反射面的声能，因此仅仅通过调节滤波器和延迟系数就能减少主要回声；以及

对于不需要的声反馈有更好的控制，因为DPAA辐射图可被设计为减少到达与DPAA输入连接的实时麦克风的能量。

对于人群控制和军事行动，有在远距离区域产生很强的声场的能力，通过聚焦和控制DPAA声束(不必物理地移动庞大的扬声器和/或喇叭)，该声场可以简易快速地重新定位，并且通过追踪灯源该声场可轻易地被定向到目标上，并提供强大的无需进入形式的声武器；如果采用大阵列，或一组可能间隔很宽的坐标上分离的DPAA组，那么可使声场在聚焦区域中比DPAA SET附近强得多(如果整个阵列尺寸足够大，即使在音频带的较低端也是如此)。

上述任何方面可在实际装置中组合起来以提供所述的优点。

本发明第一方面的优选实施例

下面说明本发明第一方面的优选实施例，显然，此实施例也采用了上述其它方面的技术。

参照图23，数字扬声器10包括换能器或扬声器阵列11，控制该阵列以便音频输入信号作为声束12-1、12-2被发射，声束12-1、12-2可被定向到阵列前的半空间中的任何方向(在一定范围内)。利用谨慎选择的反射路径，收听者13将感觉从阵列发射的声束好像源自其最后反射的地方。

在图23中，示出了两个声束12-1和12-2。第一声束12-1被定向到可以是房间的一部分的侧壁161上，并直接反射到收听者13。收听者感到该声束源自反射点17，也就是来自右边。第二声束12-2，由虚线表示，在到达收听者13前经过两次反射。然而，当最后一次反射在后方拐角发生时，收听者将感到声音象是从他或她后面的源发出。

尽管数字扬声器可用于很多方面，采用几个放置在收听者位置周围不同位置的几个分离的扬声器来代替传统环绕声系统是特别有利的。数字扬声器，通过为环绕声音频信号的各声道产生声束，并将声束引导到适当的方向，在收听者位置产生了真正的环绕声而不需要另外的扬声器或额外的配线。

在图24至26中，以方框图的形式示出了数字扬声器系统的组件。在输入处，通用格式音频原始资料以脉码调制(PCM)的形式从诸如光盘(CD)、数字化视频光盘(DVD)等装置被数字扬声器作为光学或同轴数字数据流以S/PDIF的形式接收。不过也可使用其它输入数字数据格式。该输入数据可包括简单的双声道立体对，或压缩和编码的多声道声道例如Dolby Digital^tm5.1或DTS^tm，或音频信息的多个离散的数字声道。

编码的和/或压缩的多声道输入首先利用可用于标准音频和视频格式的装置和获得许可的固件在解码器中被解码和/或解压缩。还组合了模数转换器(未示出)以允许连接(AUX)至模拟输入源，模拟输入源被迅速地转换为适当的采样数字格式。所得到的输出通常包括三、四或更多对的声道。在环绕声场中，这些声道通常指左、右、中央、环绕(后)左和环绕(后)右声道。其它声道可出现在诸如低频效果声道(LFE)的信号中。

这些声道或声道对被分别输入双声道采样率转化器[SRC](替代地，各声道可通过单个声道SRC传递)用于重新同步和重新采样到内部(或可选地，外部)标准采样率时钟[SSC](通常大约为48.8KHz或97.6KHz)和位长(通常为24位)，使内部系统时钟能够独立于源数据时钟。采样率转化解决了由于时钟速度不准确、时钟偏移和时钟不兼容而产生的问题。具体地说，如果数字扬声器的最后的功率输出阶段要成为数字脉宽调节[PWM]转换类型以获得高效率，最好在PWM时钟和输入PWM调节器的数字数据时钟之间完全同步。SRC提供了这种同步，并且避免了任何外部数据时钟的变化。

最后，当两个或更多数字输入声道具有不同数字时钟时(可能因为它们来自例如分离的数字麦克风系统)，那么同样，SRC确保所有不同信号在内部是同步的。

SRC的输出以内部产生的采样率48.8KHz被转化为8声道的24位字。

采用一个或多个(一般是两个或三个)数字信号处理器[DSP]单元处理数据。例如可以是运行在133MHz的Texas Instruments生产的TMS320C6701 DSP，以及为了易于编码以浮点格式执行多数计算的DSP，或者为了获得最高处理速度采用定点格式的DSP。替代地，特别是执行定点计算时，可在一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)单元中执行数字信号处理。另一个替代是DSP和FPGA的组合。一些或所有信号处理可替代地用定制硅以专用集成电路的形式实现。

DSP级执行数字音频数据输入信号的滤波用于增强频率响应均衡以补偿用于数字扬声器最后阶段的声输出换能器的频率响应(例如，转移函数)中的不规则。

可以可选地在该级(最好)或可能在之前或之后的处理级通过另外组合(一个或多个)低频效应[LFE]声道与一个或多个其它声道(例如中央声道)，从而减少单独处理的声道数量，以便使该级之外的处理最少。然而，如果系统采用了单独的子低音扬声器或如果处理功率不是问题，那么可在整个处理链中维持更多离散的声道。

DSP级还在全部8个声道上执行抗混淆和音调控制滤波，以及8次过采样和向全部8次过采样数据率的内插，在390KHz产生8声道的24位字输出样本。信号限制和数字音量控制也在该DSP中执行。

ARM微处理器经红外遥控从用户向数字扬声器发送的实时声束控制设置，为每个换能器产生时延数据。假设数字扬声器能够独立操作各输出声道(一个被操纵的输出声道用于一个输入声道，通常4至6个)，将执行大量的单独延迟计算；该数量等于输出声道的数量乘以换能器数量。由于数字扬声器也能实时动态操纵各声束，那么也需要快速执行计算。一旦算出，延迟需求在与数字数据采样本身相同的并行总线上被分发至FPGA(这里延迟实际上被施加到各数字数据样本流)。

ARM核心也处理所有系统初始化和外部通信。

信号流进入Xilinx现场可编程门阵列逻辑，该逻辑控制高速静态缓冲器RAM器件以产生施加到8个声道中的各声道的数字音频数据样本所需的延迟，其中为输出换能器(在此实现是256个)中的每个换能器产生各声道的离散延迟型式。

切趾法(Apodisation)，或阵列孔径开窗法(例如，为各换能器向信号施加分级权重因数，作为各换能器到阵列中心的距离的函数，以控制声束形状)在FPGA中分别被应用到各声道的延迟信号型式。这里应用切趾法使不同输出声束能够具有修整不同的声束形状。这些独立的延迟和独立的窗口数字样本流，一个用于8个声道之一而且用于256个换能器之一总共产生8 x 256＝2048个延迟型式，然后在FPGA中为各换能器总和以便为256个换能器单元中的每一个产生单独的390kHz 24位信号。为了简单起见，切趾法或阵列孔径开窗法，在求和级后可立刻为所有声道可选地被执行(而不是分别为各声道，在求和级之前)，但是在这种情况下，来自数字扬声器的各声束输出将具有相同的窗口函数，尽管该函数也许不是最佳的。

然后24位，390kHz的256个信号各自通过也在FPGA中的量化/噪声整形电路来将数据采样字长减少到390kHz的8位，同时维持音频带(例如从～20Hz到～20KHz的信号频段)中的高信噪比[SNR]。

一个有用的实现是使SSC成为DSP主处理时钟速度的精确的有理数分数，例如100MHz/256＝390,625Hz，它将系统中的采样数据速率锁定在处理时钟。使数字PWM计时时钟频率也是DSP主处理时钟速度的精确的有理数分数是有利的。使PWM时钟频率是内部数字音频采样数据速率的精确的整数倍是特别有利的，例如对9位PWM是512倍的采样率(因为2⁹＝512)。数字数据字长减少到8，而同时增加采样率是有用的，原因如下：

i)采样率增加使数据字延迟的分辨率更高；例如48KHz的数据率时，可用的最小延迟增量是1个采样周期，或～21微秒，而对195KHz的数据率，可用的最小延迟增量是(1采样周期)～5.1微秒。重要的是使声音路径长度补偿分辨率(＝时延分辨率乘以声速)与声输出换能器直径相比更精细。空气中21微秒的声音在NTP大约传播7mm，当使用直径为10mm的换能器时，该分辨率太粗糙。

ii)当字长小时，将PCM数据直接转化为实际时钟速度的数字PWM更为容易；例如，48KHz数据率的16位字要求PWM时钟速度为65536x48KHz～3.15GHz(非常不切实际)，而195KHz数据率的8位字要求PWM时钟速度为256 x 390KHz～100MHz(很实用)；以及

iii)因为采样率增加，增加的可用信号带宽为采样率的一半，例如对于～195KHz的采样率可用信号带宽～96KHz；量化处理(位的减少)有效地将量化噪声加到数字数据上；通过光谱整形由量化处理产生的噪声，大部分可被移到基带信号之上的频率(例如，我们这种情况下在～20KHz以上)，在基带顶部之间的区域中(～>20KHz且<可用信号带宽～96KHz)；效果是现在几乎所有原始信号信息被数字数据流携带而SNR的损失很少。

带有减少的采样字宽的数据流分别以31.25Mb/s的速率并带有附加音量数据在26个串行数据流中分布。各数据流被分配给26个驱动板之一。

驱动电路板，如图25所示，最好物理上在其驱动的换能器所在处，为其控制的各换能器提供脉宽调制BD类输出驱动电路。在本例中，各驱动板与十个换能器连接，由此换能器直接与BD类输出驱动电路的输出连接，无需任何插入的低通滤波器[LPF]。

各PWM发生器驱动D类功率开关或输出级，该输出级直接驱动一个换能器，或者串联或并联的一对相邻换能器。可数字调节D类功率开关的电源电压以控制到换能器的输出功率电平。通过在大范围上控制该电源电压，例如10:1，换能器的功率可被控制在宽得多的范围上，对10:1的电压范围是100:1，或通常对N:1的电压范围是N²:1。因此可实现大范围电平控制(或“音量”控制)而不减少数字字长，所以不会由于进一步量化(或损失分辨率)而发生信号衰退。电源电压的变化由与安装在与D类功率开关相同的印刷电路板(PCB)上的低损耗开关调节器执行。对应各D类开关有一个开关调节器以便使电源线间调制最小化。为了降低成本，可采用各开关调节器提供成对的，三个一组的，四重的或其它整数倍数的D类功率开关。

D类功率开关或输出级，直接驱动声输出换能器。在普通的D类功率放大器驱动中，例如通常采用的所谓“AD类”放大器，需要在D类功率级和换能器之间放置电子低通滤波器[LPF](总是模拟电子LPF)。这是因为磁换能器(甚至是压电式换能器)的普通形式对AD类放大器输出的高能量中所呈现的高频PWM载频呈现低负载阻抗。例如，带有零基带输入信号的AD类放大器继续在其输出产生PWM开关频率(在本例中将是在～50或100MHz)的全振幅(通常是双极性的)传号空号比[MSR]为1:1的的输出信号，如果它连接在额定的8欧姆负载上，将在那个负载中消耗全部可用功率，同时不产生有用的声输出信号。通常采用的电子LPF具有的截止频率在最高所需信号输出频率之上(例如>20KHz)但是正好在PWM开关频率之下(例如～50MHz)，因此有效地阻碍了PWM载波并将浪费的功率最小化。这种LPF必需以尽量低的功率损耗向电子负载(例如声换能器)发送全部信号功率；通常这些LPF采用最少两个功率电感以及两个，或通常更多，三个电容器；LPF体积庞大而且建立起来比较昂贵。在单声道(或很少声道)放大器中，这种LPF出于成本的原因可以容许，而且更重要的是，在PWM放大器与其负载(例如，传统扬声器)分别放置，它需要与其负载用可能是很长的导线连接，在任何情况下，由于很不同的原因，需要这种LPF，即，为了防止高频PWM载波进入连接导线，这样很可能将导致较高幅度的不想要的杂散电磁辐射[EMI]。

在数字扬声器中，声换能器通过短导线被直接连接至物理上邻近的PWM功率开关，并且全部放在同一外壳中，避免了EMI的问题。在数字扬声器中，PWM发生器是BD类的，它们产生BD类PWM信号，该信号驱动输出功率开关并依次驱动声输出换能器。BD类PWM输出信号的特性是它们在全振幅双极性脉冲输出之间回零，因而是三态的，不象AD类信号是两态的。因此，当BD类PWM系统的数字输入信号为零时，那么BD类功率输出状态为零，而不是如AD类PWM所产生的全功率双极性1:1MSR信号。因此BD类PWM功率开关将零功率传递至该状态下的负载(声换能器)：因为没有全功率PWM载波信号要屏蔽，所以不需要LPF。因此在数字声换能器中，通过采用BD类PWM放大器阵列来直接驱动换能器的整体阵列，由于不需要功率LPF阵列，极大地节约了成本并损耗了功率。BD类很少用于传统音频放大器中，首先因为与相似的线性AD类放大器相比，它更难于构成线性程度很高的BD类放大器；其次由于上述原因，考虑到EMI，通常无论如何都需要LPF，因此失去了BD类的主要益处。

声输出换能器本身是非常有效的电声LPF，因此来自BD类PWM级的PWM载波的绝对极小值被作为声能发出。因此在数字扬声器数字阵列扬声器中，BD类PWM与同箱中的声换能器连接，没有电子LPF，对于高效、高功率、多换能器驱动是非常有效的并且节约成本的解决方案。此外，由于对应输入声道之一的任何一个(或多个)输出声道到数字扬声器的声音(收听者听到的)，是来自各个声输出换能器声音的总和，因而与来自驱动这些换能器的各功率放大器级的输出总和相关，功率开关和换能器输出中的非系统错误将趋于平均为零并且只能被最低程度地听见。因此与传统非阵列音频系统相比，如所述所构建的阵列扬声器的优点是对单独组件的质量要求放宽了。

在数字扬声器的具体实现中，有254个声输出换能器配置在大约成矩形扩展的三角形阵列中，一个阵列纵轴(范围为7个垂直列，每列20个换能器，每一个由6列、每列19个换能器分开)并且各垂直列的换能器中的每两个输出换能器以电的方式与正好在其下的换能器串联或并联，这样导致了各声道的一百三十二(132)个不同型式，在本例中声道数为5，即总共六百六十个声道。如果数字扬声器能够以与换能器阵列平面所成的小角度上控制声束，则换能器直径足够小是重要的以便确保一直到高音频(例如>12KHz至15KHz)换能器的近似全向辐射。因此直径在5mm和30mm之间的换能器对于整个音频带的覆盖是最优的。理想的是，换能器到换能器的距离与从数字扬声器发送的最短声音波长相比要小，以便使声辐射的“伪”旁瓣的生成最少化(例如非有意产生的声能束并且不是在期望的方向发射)。鉴于对可能的换能器尺寸的实际考虑，换能器间距在5mm至45mm范围中是最好的。三角形阵列布局对于阵列中换能器的高面存储密度也是最好的。

如图26所示，数字扬声器用户界面在任何适当连接的视频显示器、例如等离子屏幕上产生在屏显示的建立、状态和控制信息覆盖图。为此，来自任何连接可视听源(例如DVD播放器)的视频信号可以通过数字扬声器在到达显示屏的路径中成为环路，这里数字扬声器状态和命令信息也覆盖在程序视频上。如果从数字扬声器的端到端信号处理操作的处理延迟足够长(例如当在前两个DSP上运行的补偿滤波器的长度长的情况下，其中该长度依赖于换能器的线性度和所需的均涂性)，那么为了避免同步的问题，可将可选的视频帧结合到环通视频路径中，以将所显示的视频与输出声音再同步。

Claims

1.一种利用输出换能器阵列产生声场的方法，所述声场包括多个声道，所述方法包括：

为各声道选择各输出换能器的第一延迟值，其中根据所述各换能器在所述阵列中的位置选择所述第一延迟值；

为各声道选择第二延迟值，其中根据相应的声道的声波从所述阵列到收听者的期望传输距离选择所述第二延迟值；

为各输出换能器，获得表示各声道的信号的延迟复制信号，各延迟复制信号被具有包括所述第一延迟值的第一分量和包括所述第二延迟值的第二分量的值延迟。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二延迟值在所述信号被复制之前被施加到表示所述声道的各信号；然后各复制信号被相应的第一延迟值延迟。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于还根据给定方向选择所述第一延迟值以便各声道被定向在相应的方向。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于各声道被定向在相应的不同方向。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于选择所述第二延迟值以便所有声道的相应部分同时到达所述收听者。

6.一种产生声场的方法，其中利用输出换能器阵列将至少一个环绕声道定向在预定方向，并且所述声场包括中央声道以及所述至少一个环绕声道，所述方法包括：

对于所述至少一个环绕声道，为各输出换能器选择第一延迟值，其中根据所述各换能器在所述阵列中的位置选择所述第一延迟值以便将所述声道定向在所述预定方向；

为所述中央声道选择第二延迟值，其中根据所述声道的声波从所述阵列到所述收听者的期望传播距离选择所述第二延迟值；

为各输出换能器获得表示所述至少一个环绕声道的信号的延迟复制信号，其中用为相应的输出换能器和相应的声道计算的所述第一延迟值延迟各延迟复制信号；

为各输出换能器获得表示所述中央声道的信号的延迟复制信号，其中各延迟复制信号被所述第二延迟值延迟；

利用所述输出换能器阵列输出所述延迟复制信号。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

为所述中央声道选择各输出换能器的第一延迟值，其中根据所述各换能器在所述阵列中的位置选择所述第一延迟值以便将所述中央声道定向在预定方向；

以及其中，所述为各输出换能器获得表示所述中央声道的信号的延迟复制信号的步骤还包括：

用为相应的输出换能器和所述中央声道计算的第一延迟值延迟表示所述中央声道的信号的各复制信号。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于表示所述中央声道的信号的复制信号不被所述第二延迟值之外的值延迟，所述第二延迟值对所述信号的各复制信号是相同的。

9.如权利要求6至8中任何一项所述的方法，其特征在于还包括：

为所述至少一个环绕声道，选择各输出换能器的第二延迟值，根据所述声道的声波从所述阵列到所述收听者的期望传输距离选择所述第二延迟值；

以及其中，所述为各输出换能器获得表示所述至少一个环绕声道的信号的延迟复制信号的步骤还包括：

用为所述各输出换能器和所述至少一个环绕声道计算的所述第二延迟值延迟表示所述至少一个环绕声道的信号的各复制信号。

10.如权利要求6至8中任何一项所述的方法，其特征在于在所述信号被复制之前，所述第二延迟被施加到表示所述中央声道的各信号上。

11.如权利要求6至8中任何一项所述的方法，其特征在于所述声场包括两个环绕声道，每个环绕声道被定向在不同方向。

12.如权利要求6至8中任何一项所述的方法，其特征在于选择所述第二延迟值以便所有声道的相应部分同时到达所述收听者。

13.如权利要求6至8中任何一项所述的方法，其特征在于表示所述至少一个环绕声道的所述信号的所述延迟复制信号在被相应的输出换能器输出之前被加到表示所述中央声道的信号的相应延迟复制信号上。

14.如权利要求6至8中任何一项所述的方法，其特征在于所述至少一个环绕声道的所述声波在到达所述收听者之前被表面反射。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述表面是墙。

16.如权利要求6至8中任何一项所述的方法，其特征在于所述输出换能器被BD类脉冲宽度调制放大器直接驱动。

17.一种在视听演示中在图像和声音之间提供时间一致性的方法，其中利用输出换能器阵列再现包括多个声道的声音内容，所述方法包括：

为各输出换能器，用相应的音频延迟值延迟表示声道的各信号的复制信号，相应的音频延迟值是根据相应的换能器在所述阵列中的位置并还根据相应的声道的声波从所述阵列到收听者的期望传输距离来计算的；

用算出的视频延迟值延迟视频信号，以便相应的视频图像在时间上一致的声道到达收听者时被显示。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于计算各音频延迟值以便各声道中在时间上一致的部分同时到达所述收听者。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于计算所述视频延迟值使其具有这样的分量：该分量等于在所述阵列和所述收听者之间具有最大传输距离的声道在所述阵列和所述收听者之间传输所用的时间。

20.如权利要求1-8或17-19中任何一项的方法，还包括：

向源自第一声道信号的第一组复制信号应用第一窗口函数；

向源自第二声道信号的第二组复制信号应用不同的第二窗口函数。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于应用窗口函数包括：

衰减或放大各复制信号，以便与去往所述阵列边缘附近的输出换能器的复制信号相比，去往所述阵列中心附近的输出换能器的复制信号被衰减得较少或被放大得较多，其中衰减量或放大量由所述窗口函数决定。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于根据相应的声道如何被所述阵列输出来选择所用的窗口函数。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于根据相应的声道需要的声束类型选择所用的窗口函数。

24.如权利要求20所述的方法，其特征在于所用的窗口函数具有可随音量控制而改变的形状。

25.如权利要求1-8、17-19或21-24中任何一项的方法，还包括：

将输入信号分为至少低频分量和高频分量；

利用分布在所述阵列的第一部分上的输出换能器输出所述低频分量；以及

利用分布在所述阵列的第二部分上的输出换能器输出所述高频分量，其中第二部分比所述第一部分小。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于所述第二部分包括位于所述阵列中心附近的所述输出换能器的子集。

27.如权利要求25所述的方法，其特征在于存在三个或三个以上被分开的信号频率分量，以及确定所述阵列中用于信号分量的部分，以便所述信号分量中的最短波长与用于输出所述信号分量的所述阵列部分之比对所有信号分量不变。

28.如权利要求25所述的方法，其特征在于用于所述高频分量的所述阵列第二部分不用于所述低频分量。

29.如权利要求25所述的方法，其特征在于与所述阵列的整体平均输出换能器密度相比，用于所述高频分量的所述阵列第二部分包括更大的输出换能器密度。

30.如权利要求1-8、17-19、21-24或26-29中任何一项所述的方法，其中使表示相应声道的多个输入信号似乎从空间中相应的不同位置发出，所述方法包括：

在空间中各所述位置提供声反射或共鸣面；

在空间中远离所述位置之处提供输出换能器阵列；以及

利用所述输出换能器阵列，将各声道的声波定向到空间中的相应位置以便使所述声波被所述反射或共鸣面再发送，所述声波聚焦在空间中所述反射或共鸣面之前或之后的某个位置；

所述定向步骤还包括：

为各换能器总和各输入信号的所述相应延迟复制信号，以产生输出信号；以及

将所述输出信号传递到所述相应的换能器。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述为各输出换能器获得所述输入信号的延迟复制信号的步骤包括：

将所述输入信号复制所述预定次数以获得各输出换能器的复制信号；

用根据所述相应输出换能器在所述阵列中的位置和期望的聚焦位置选择的所述相应延迟对所述输入信号的各复制信号进行延迟。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于还包括：

在所述延迟步骤之前，计算各输入信号复制信号的相应延迟，其方法为：

确定各输出换能器和那个输入信号的聚焦位置之间的距离；

导出相应的延迟值，使得对于单个声道，来自各换能器的声波同时到达空间中的所述聚焦位置。

33.如权利要求30所述的方法，其特征在于至少一个所述表面由房间的墙或其它永久结构提供。

34.如权利要求1-8、17-19、21-24、26-29或31-33中任何一项所述的方法，还包括选择声音聚焦的方向，所述方法包括：

使摄像机指向所述期望方向，采用取景器或其它筛选部件确定所述方向是否是那个期望方向；

计算要施加到输入信号的一组复制信号上的多个信号延迟，以便将声音定向在所选方向上。

35.如权利要求1-8、17-19、21-24、26-29或31-33中任何一项所述的方法，还包括确定声音被定向到何处，所述方法包括：

根据所述声音被定向的方向自动调节摄像机指向的方向；

从所述取景器或其它筛选部件辨别所述摄像机指向什么方向。

36.如权利要求34所述的方法，其特征在于所述声音被聚焦而且所述摄像机被用于聚焦在与所述声音相同的位置。

37.如权利要求34所述的方法，其特征在于利用所述房间中的参照点聚焦所述声音。

38.用于产生声场的装置，包括：

用于表示不同声道的多个相应信号的多个输入端；

输出换能器阵列；

复制部件，用于为各输出换能器获得各相应输入信号的复制信号；

第一延迟部件，用于用根据所述各输出换能器在所述阵列中的位置选择的相应第一延迟值，延迟各信号的各复制信号；

第二延迟部件，用于用根据该声道的声波从所述阵列到收听者的期望传输距离为各声道选择的第二延迟值，延迟各信号的各复制信号。

39.如权利要求38所述的装置，其特征在于所述第二延迟部件用于在所述输入信号被所述复制部件复制之前，延迟所述输入信号。

40.如权利要求38所述的装置，其特征在于还根据给定方向选择所述第一延迟值以便各声道被定向在所述相应的方向。

41.如权利要求40所述的装置，其特征在于各声道被定向在不同方向。

42.如权利要求38至40中任何一项所述的装置，其特征在于所述第二延迟部件用于为各声道选择所述第二延迟值以便所有声道同时到达收听者。

43.用于产生声场的装置，包括：

用于接收表示中央声道和至少一个环绕声道的多个输入信号的部件；

输出换能器阵列；

复制部件，用于为各输出换能器获得表示所述至少一个环绕声道的所述信号的复制信号和表示中央声道的所述信号的复制信号；

第一延迟部件，用于用根据所述各输出换能器在所述阵列中的位置选择的相应第一延迟值，延迟表示所述至少一个环绕声道的所述信号的各复制信号，以便将所述声道定向在预定方向；

第二延迟部件，用于用根据所述声道的声波从所述阵列到收听者的期望传输距离选择的第二延迟值，延迟表示所述中央声道的所述信号的各复制信号。

44.如权利要求43所述的装置，其特征在于所述第一延迟部件还用于用根据所述各换能器在所述阵列中的位置选择的相应的第一延迟值，延迟表示所述中央声道的所述信号的各复制信号，以便将所述中央声道定向在预定方向。

45.如权利要求43所述的装置，其特征在于所述第二延迟部件还用于用根据所述声道的声波从所述阵列到所述收听者的期望传输距离选择的相应的第二延迟值，延迟表示所述至少一个环绕声道的所述信号的各复制信号。

46.如权利要求43所述的装置，其特征在于所述第二延迟部件用于在所述输入信号被所述复制部件复制之前延迟所述输入信号。

47.如权利要求43至46中任何一项所述的装置，其特征在于所述声场包括两个环绕声道，而且所述第一延迟部件用于使各环绕声道定向在不同方向。

48.如权利要求43至46中任何一项所述的装置，其特征在于所述第二延迟部件用于为所述声道选择所述第二延迟以便所有声道同时到达收听者。

49.如权利要求43至46中任何一项所述的装置，其特征在于所述第一延迟部件和所述第二延迟部件是相同的物理部件。

50.在视听演示中在图像和多个声道之间提供时间一致性的装置，所述装置包括：

输出换能器阵列；

视频延迟部件，用算出的视频延迟值延迟对应的视频信号以便对应的视频图像正好在所述在时间上一致的声道到达所述收听者时被显示，

其中所述复制和延迟部件被配置为根据相应的换能器在所述阵列中的位置并还根据相应的声道的声波从所述阵列到收听者的期望传输距离计算各音频延迟值。

51.如权利要求50所述的装置，其特征在于所述复制和延迟部件被配置为计算各音频延迟值以便各声道中在时间上一致的部分同时到达所述收听者。

52.如权利要求50所述的装置，其特征在于所述视频延迟部件被配置为计算所述视频延迟值，使其等于在所述阵列和所述收听者之间具有最大传输距离的声道在所述阵列和所述收听者之间传输所用的时间。

53.如权利要求38-41、43-46、50-52中任何一项所述的装置，还包括：

开窗部件，用于向源自第一声道信号的第一组复制信号应用第一窗口函数，并用于向源自第二声道信号的第二组复制信号应用不同的第二窗口函数。

54.如权利要求53所述的装置，其特征在于所述开窗部件用于衰减或放大各复制信号，以便与去往所述阵列边缘附近的输出换能器的复制信号相比，去往所述阵列中心附近的输出换能器的复制信号被衰减得较少或被放大得较多，其中衰减量或放大量由所述窗口函数决定。

55.如权利要求53所述的装置，其特征在于紧跟在所述复制部件之后提供所述开窗部件。

56.如权利要求53所述的装置，其特征在于所述开窗部件被用于根据相应的声道所需的声束类型选择窗口函数。

57.如权利要求53所述的装置，其特征在于所述应用到源自表示声道的信号的一组复制信号的窗口函数根据为所述声道选择的音量改变形状。

58.如权利要求31-41、43-46、50-52或54-57中任何一项所述的装置，其中：

在所述阵列的第一区域中，输出换能器的排列比在所述阵列的其它部分中更紧密。

59.如权利要求58所述的装置，其特征在于所述第一区域位于所述阵列的中心。

60.如权利要求58所述的装置，其特征在于在所述第一区域中的输出换能器不如在所述阵列其它部分中的输出换能器的功率大。

61.如权利要求58所述的装置，其特征在于所述第一区域中的输出换能器比在所述阵列其它部分中的输出换能器小。

62.如权利要求58所述的装置，其特征在于还包括用于将信号的高频分量传递到所述阵列第一区域但不传递到所述阵列其它部分的部件。

63.如权利要求58所述的装置，其特征在于还包括用于将信号的低频分量传递到所述阵列其它部分的部件。

64.如权利要求38-41、43-46、50-52、54-57或59-63中任何一项所述的装置，所述阵列中输出换能器在一条线上相互邻近地排列；其中各个所述输出换能器在与所述线垂直的方向上的尺寸比与所述线平行的方向上的尺寸大。

65.如权利要求64所述的装置，其特征在于各输出换能器具有纵横比，所述纵横比定义为与所述线垂直的尺寸和与所述线平行的尺寸的比，并且所述纵横比至少为2∶1。

66.如权利要求65所述的装置，其特征在于所述纵横比至少为3：1。

67.如权利要求64所述的装置，其特征在于所述配置使得声音集中在一个平面中，所述平面包括所述线并且从所述换能器的声发射侧垂直地延伸出去。

68.如权利要求38-41、43-46、50-52、54-57、59-63或65-67中任何一项所述的装置，所述装置用于使表示相应声道的多个输入信号似乎从空间中相应的不同位置发出，所述装置包括：

位于空间中各所述位置的声反射或共鸣面；以及

控制器，用于利用所述输出换能器阵列，将各声道的声波定向到空间中该声道的相应位置，以便使所述声波被所述反射或共鸣面再发送，所述声波被聚焦在空间中所述反射或共鸣面之前或之后的位置；

所述控制器包括：

加法部件，用于为各换能器总和各输入信号的相应延迟复制信号，以产生输出信号；以及

将所述输出信号传递到所述相应换能器的部件，以便所述声道声波被定向到那个输入信号的聚焦位置。

69.如权利要求68所述的装置，其特征在于所述控制器还包括：

计算部件，用于计算各输入信号复制信号的相应延迟值，其方法为：

确定各输出换能器和那个输入信号的聚焦位置之间的距离；

导出相应的延迟值，以便对于单个声道，来自各换能器的声波同时到达所述聚焦位置。

70.如权利要求68所述的装置，其特征在于所述表面是反射的并且其粗糙度与其期望漫反射的音频波长相当。

71.如权利要求68所述的装置，其特征在于所述表面是光学透明的。

72.如权利要求68所述的装置，其特征在于至少一个所述表面是房间的墙或其它永久结构。

73.如权利要求31-41、43-46、50-52、54-57、59-63、65-67或69-72所述的装置，所述装置用于建立或监视声场并包括：

可定向摄像机；

控制所述输出换能器阵列和所述摄像机的部件，以便所述摄像机所指向的方向与来自所述阵列的声束被定向的方向相同。

74.如权利要求73所述的装置，其特征在于所述摄像机附在所述阵列上。

75.如权利要求73所述的装置，其特征在于所述声束被配置为被聚焦而且所述摄像机被配置为被聚焦在相同的点上。

76.如权利要求73所述的装置，其特征在于所述声束被配置为被聚焦在所述摄像机的视野中的参考点上。

77.如权利要求38-41、43-46、50-52、54-57、59-63、65-67、69-72或74-76中任何一项所述的装置，其特征在于所述输出换能器被BD类脉冲宽度调制放大器直接驱动。