CN1509118B - 包含多个通道的音频系统 - Google Patents

Abstract

一种用于辐射声音到包含多个听音空间的一个听音区域的多通道音频系统。该音频系统包含：方向性音频设备，位于第一个听音空间中，接近于一个听众的头部，用于辐射对应于一个通道中的分量的第一声波；以及无方向性的音频设备，位于该听音区域内部和该听音空间外部，远离该听音空间，用于辐射对应于第二个通道中的分量的声波。

Description

包含多个通道的音频系统

技术领域

本发明涉及一种用于包含多个听音空间(listening space)的听音区域的音频系统，并且尤其涉及一种使用方向性阵列来向听众辐射一个多通道系统中的某些或所有通道的音频系统。 

背景技术

与本发明相关的背景技术请参见下列参考文件：美国专利号4,817,149；5,046,076；5,459,790；5,521,981；5,661,812；5,841,879和6,144,747以及WO96/33591和WO 00/19415。 

发明内容

本发明的一个重要目的是提供一种向多个听众提供音频图像的逼真和一致感觉的改善了的音频系统。 

依据本发明，具有多个通道的一种音频系统包含一个听音区域，该听音区域包含多个听音空间。该系统进一步包含：一个方向性音频设备，放置在第一个听音空间中，接近一个听众的头部，用于辐射对应于一个通道中的分量的第一声波；以及一个无方向性的音频设备，放置在听音区域内部和该听音空间外部，远离该听音空间，用于辐射对应于第二个通道中的分量的声波。 

在本发明的另一个方面中，一种用于操作用于辐射声音到彼此相邻的第一听音空间和第二听音空间中的音频系统的方法，包含：接收第一音频信号；传输第一音频信号到第一换能器；由第一换能器把第一音频信号转换成为对应于第一音频信号的第一声波；把第一声波辐射到第一听音空间中；处理第一音频信号以提供延迟了的第一音频信号，其中该处理包含时间延迟音频信号和相移音频信号中的至少一个；传输延迟了的第一音频信号到第二换能器；由第二换能器把延迟了的第一音频信号转换成为对应于延迟了的第一音频信号的第二声波；以及辐射第二声波到第二听音空间中。 

在本发明的另一个方面中，相邻的一对剧院座位包含在该对剧院座位之 间的一个方向性声辐射设备。 

在本发明的另一个方面中，一种音频混合系统包含一个回放系统，其包含接近于操作员头部的方向性声辐射设备、以及远离操作员头部的声辐射设备。 

在本发明的另一个方面中，一种方向性声辐射设备包含：一个外壳；第一方向性子阵列，包含两个安装在外壳中的单元，该第一两个单元共同合作以有方向性地辐射第一声波，该第一两个单元中的每一个都有一个轴，该第一两个单元的轴定义了一个第一平面；第二方向性子阵列，包含两个安装在外壳中的单元，该第二两个单元共同合作以有方向性地辐射第二声波，该第二两个单元中的每一个都有一个轴，该第二两个单元中的轴定义了一个第二平面；其中第一平面和第二平面是不平行的。 

在本发明的另一个方面，一种用于辐射音频信号的方法包含：把对应于第一音频信号的声波有方向性地辐射到第一听音空间中；把对应于第二音频信号的声波有方向性地辐射到第二听音空间中；以及把对应于第三音频信号的声波无方向地辐射到第一听音空间和第二听音空间中。 

在本发明的另一个方面中，一种方向性声学阵列系统，包含：多个方向性阵列，每个都包含第一声学驱动器和第二声学驱动器；其中所述多个方向性阵列中的第一声学驱动器被共线布置在第一条线中；以及其中所述多个方向性阵列中的第二声学驱动器被共线布置在第二条线中；其中第一条线和第二条线是平行的。 

在本发明的另一个方面中，一种线阵列系统包含：一个用于提供第一音频信号的音频信号源；第一线阵列，包含第一多个被共线安装在第一直线中的声学驱动器；第二线阵列，包含第二多个被共线安装在下平行于第一直线的第二直线中的声学驱动器；信号处理电路，耦接音频信号源和第一线阵列，用于把第一音频信号传输到第一多个声学驱动器；所述信号处理电路，进一步耦接音频信号源和第二多个声学驱动器，用于把第一音频信号传输到第二多个声学驱动器；其中该信号处理电路被构造和安排为使传输到第二多个驱动器的第一音频信号的极性相反。 

在本发明的另一个方面中，一种用于创建视听回放资料的视听系统包含：一个三维视频图像源；一个用于修改音频信号的音频混合系统，其被构造和安排来提供可被转换为具有与在距听众位置一预定距离处的声源一致的位置 音频提示(cues)的声能的、修改了的音频信号；以及一个存储介质，用于为后续的回放存储三维视频图像以及修改了的音频信号。 

在本发明的另一个方面中，一种用于回放包含一个具有音频信号的声道的视听资料的视听回放系统包含：一个显示设备，用于显示三维视频图像；一个用于视听资料的观众的座位设备；以及一个电声换能器，在相对于座位设备的一个固定的局部定位中，用于把音频信号转换成为对应于音频信号的声能，以便使声能包含位置上与在距离观众一预定距离处的音频源一致的音频提示。 

在本发明的另一个方面中，一种用于回放包含一个具有音频信号的声道的视听资料的视听回放系统，其中该音频信号包含与在距观众一预定距离处的音频源一致的位置提示，该视听回放系统包含：一个显示设备，用于显示三维视频图像；一个用于视听资料的观众的座位设备；以及一个方向性电声换能器，用于把音频信号转换成为对应于音频信号的声能，并且用于有方向性地朝向坐在座位设备中的观众的耳朵辐射该声能。 

在本发明的另一个方面中，一种音频系统包含一个用于把音频信号转换为具有方向性辐射模式的声能的方向性声学设备，以及一个用于把音频信号转换为具有无方向性的辐射模式的声能的无方向性的声学设备。一种用于由音频系统处理包含具有在人类头部尺寸范围内的相应波长的频谱分量的音频信号的方法，包含：接收第一音频通道信号，该第一音频通道信号包含被头部相关的传递函数(head related transfer function，HRTF)处理过的音频信号；接收第二音频通道信号，第二音频通道信号包含未被HRTF处理的音频信号；引导第一音频通道信号到方向性声学设备；以及引导第二音频通道信号到无方向性的声学设备。 

在本发明的另一个方面中，一种音频系统包含一个用于把音频信号转换为具有方向性辐射模式的声能的方向性声学设备，以及一个用于把音频信号转换为具有无方向性辐射模式的声能的无方向性的声学设备。一种用于由音频系统处理包含具有在人类头部尺寸范围内的相应波长的频谱分量的音频信号的方法，包含：接收未被HRTF处理的音频信号；把接收的音频信号处理成为包含HRTF处理过的音频信号的第一音频信号以及不包含HRTF处理过的音频信号的音频信号；以及引导被HRTF处理过的音频信号，以便使方向性声学设备接收被HRTF处理过的音频信号，而无方向性的声学设备接收未被HRTF 处理的音频信号。 

在本发明的另一个方面中，一种用于混合输入音频信号以提供一个多通道的音频信号输出的方法，其中该多通道的音频信号输出包含多个音频通道，音频通道包含具有在人类头部尺寸范围内的相应波长的频谱分量，该方法包含：处理输入的音频信号以提供包含被头部相关的传递函数(HRTF)处理过的音频信号的第一输出通道；以及处理输入的音频信号以提供未被头部相关的传递函数(HRTF)处理过的音频信号的第二输出通道。 

附图说明

通过连同附图一起阅读下列详细描述，本发明的其它特征、目的、和优点将变得明显，其中： 

图1是说明用于表示图中的方向和角度的坐标系统的示意图； 

图2A和2B是说明了在该公开文本中讨论的某些概念的示意图； 

图3A-3C是体现了本发明的音频系统的3个实施例； 

图4A-4C是用于和本发明中的某些实施例一起使用的多元素阵列的方框图； 

图5A-5C是图3A-3C中的实施例的实现； 

图6是本发明在车辆车厢中的一个实现的方框图； 

图7A-7G是适于和本发明一起使用的、安装在一个影院座位中的多元素阵列的视图； 

图7H是适于和本发明一起使用的多对多元素阵列的正面等角视图； 

图8A是依据本发明的音频混合系统的方框图； 

图8B和8C是用于说明本发明中的某些视听方面的系统的简图； 

图9A和9B是依据本发明的信号处理系统的方框图； 

图10A-10D是用于和方向性阵列一起使用的信号处理系统的方框图；以及 

图11A和11B是依据本发明的两个内容创建和回放系统的方框图。 

具体实施方式

讨论在此使用的一些术语和缩写是适当的。 

为了措词的简单起见，“辐射对应于通道A(其中A是多通道系统中的一 个通道标识符)的声波”或者“辐射对应于在通道A中的信号的声波”将被表示为“辐射通道A”，并且“辐射对应于信号B(其中B是一个音频信号的标识符)的声波”将被表示为“辐射信号B”，并且应当理解声辐射设备把以模拟或者数字形式表示的音频信号转换为声波。 

在图1中显示了用于表示方向和角度的坐标系统。该坐标系统具有一个原点，在听众的两个耳朵之间的中点。包含在听众的两个耳朵之间的一条线的水平面将被称为“方位角平面(azimuthal plane)”。就在方位角平面中的角度来说，零度直接在听众的前面，并且沿逆时针方向以度为单位测量角度。连接听众的耳朵的线是90-270度轴，并且在下文中将被称为x轴。在方位角平面中垂直于X轴的0-180度轴在下文中将被称为y轴。在该公开文本和图中，除非另作说明，否则方向和角度都是在方位角平面中。“中间平面”是由距离听众的两个耳朵等距离的点定义的垂直平面。在中间平面中，角度将被称为“仰角”。仰角是沿向上的方向测量的，并且在方位角平面中的零度在听众的前面，而90度直接从听众向上。中间平面中的90-270度轴在下文中将被称为z轴。x轴和z轴定义了把空间划分为“前半球”和“后半球”的前/后平面。 

在此使用的“听音空间”是指通常由单个听众占据的一部分空间。听音空间的例子包含在电影院中的座位、安乐椅、活动靠背扶手椅、或者在家庭娱乐室的沙发座位位置、在车辆车厢中的座位位置、及其它由一个听众占据的位置。在此使用的“听音区域”是指声学上连续的、即没有被声学屏障分开的听音空间的集合。听音区域的例子是汽车车厢、包含家用娱乐系统的家庭场所、电影院、大会堂、及其它具有连续听音空间的场所(volumes)。听音空间可以与听音区域是一致的。 

在此使用的“本地的”是指一个声学设备与一个听音空间有关、并且被配置为辐射声音以便使它在一个听音空间中比在相邻的听音空间中可更显著地听得到。如以下将在图4A的论述中描述的那样，相对于不同的音频信号，单个声学设备能够是两个相邻听音空间的本地的。“非本地的”是指一个声学设备与一个特定的听音空间无关、并且被配置为辐射具有足够振幅和频散的声音以便使该声音在多个听音空间中可听得到。 

“方向性”声学设备是一个包含一个改变声学驱动器的辐射模式以便使来自声学驱动器的辐射在空间中的某些位置处比在其它位置处更能听得到的 部件的设备。两种类型的方向性设备是波引导(wave directing)设备和干扰设备。波引导设备包含导致声波沿某些方向比其它方向用更大振幅辐射的屏障。波引导设备通常对于具有与波引导设备的尺寸相当的波长的辐射是有效的。波引导设备的例子是喇叭和声透镜。此外，声学驱动器在可与它们的直径相当的波长处变得有方向性。 

干扰设备具有至少两个辐射单元，其能够是两个声学驱动器、或者单个声学驱动器的两个辐射面。这两个辐射单元辐射干扰其中波长大于辐射单元的直径的频率范围的声波。与声波沿其它方向干扰相比较声波在某些方向会更加破坏性地干扰。换句话说，破坏性干扰的数量是相对于在驱动器之间的中点的角度的函数。 

干扰方向性声学设备的一种类型是方向性阵列。方向性阵列具有至少两个声学驱动器。从声学驱动器中辐射出的声波的干扰模式可能受到以下因素的控制：被传输到这两个驱动器的音频信号的信号处理，阵列的物理成分、诸如外壳的几何结构和尺寸，阵列单元大小，各个单元大小，单元的定向，以及声学单元诸如声阻、声顺和声质量。 

耳间时间差(Interaural time difference，ITD)、即一个声波在两个耳朵处的到达时间的差值、以及耳间相位差(interaural phase difference，IPD)、即在这两个耳朵处的相位差有助于确定一个声源的方向。ITD和IPD在数学上以一种已知的方式相关联，并且能够相互变换，所以在此无论哪里使用了术语“ITD”，都还可以通过适当的变换适用术语“IPD”。耳间级差(interaural leveldifference，ILD)、即在两个耳朵处的振幅差值也有助于确定声源的方向。ILD有时被称为耳间强度差(interaural intensity difference，IID)。ITD、IPD、ILD、和IID被称为“方向性提示”。ITD、IPD、ILD、和IID提示是由响应于音频信号被辐射的声波与全身(head and ears)的相互作用产生的。为了措词的简单起见，由声波与头部的相互作用产生的“ILD(或者ITD或者IPD、或者IID)提示”将被称为“ILD(或者ITD或者IPD、或者IID)提示”，并且“与头部相互作用以产生ILD(或者ITD或者IPD、或者IID)提示的声波辐射”将被称为“辐射ILD(或者ITD或者IPD、或者IID)提示”。 

在中间平面中的声源距离两个耳朵是等距离的，所以没有ILD或者ITD提示。就在中间平面中的声源来说，单耳频谱(monaural spectral，MS)提示有助于确定仰角。外耳相对于绕X轴的旋转来说是不对称的，而且不同地影响 频谱分量的不同范围。在耳朵处声音的频谱随仰角而变化，并且声音的频谱内容因此是对仰角的提示。在中间平面中的声源距离两个耳朵是等距离的，所以没有ILD或者ITD提示，而只有MS提示。 

人类经常、尤其是在定位模拟的声源时(即当方向性提示被插入到辐射的声音中时)经历的一个现象是前/后混淆(confusion)。听众通常能够定位距在方位角平面中的X轴的角位移，但是难以区分位移的方向。例如，参见图2A，听众也许能确定一个音频源202从X轴移动了30度，但是可能难以区分在60度(如实线所示)和在120度(如虚影(phantom)所示)处的源。一种解决前/后混淆的方法是转动头部。例如，如图2B所示，如果如从上面的角度所观察的头部顺时针方向转动，并且在左耳中的级别增加而在右耳中的级别降低，并且ITD提示以与在前面的声源一致的方式变化，则解决了前/后混淆，并且声像将好象是在前半球(在60度)而不是在后半球(在120度)中。 

由一个传递函数处理音频信号以便使它们在被辐射时，具有指示到听众的预定定向的ITD或者ILD或者MS提示，该处理可以包含由与人类头部的几何结构有关的函数处理音频信号。该函数通常被称为“头部相关的传递函数(head related transfer function，HRTF)”。使用HRTF处理音频信号以便使它们在被辐射时具有指示相对于听众的预定定向的ITD或者ILD或者MS提示，将被称为HRTF处理。距离提示是声源距听众的距离的指示符。某些类型的距离提示是：直接辐射振幅与回响辐射振幅的比值；在直接辐射到达和回响辐射的起始之间的时间间隔；直接辐射的频率响应(高频辐射随距离的衰减要超过低频辐射)；以及信号辐射与环境噪声的比值。就在头部附近的源来说，ILD还可以是一个距离提示；例如，如果声辐射仅仅在一只耳朵中听得到，则源将被认为是非常接近于那只耳朵。 

为了清楚起见，在音频系统中存在的、但是与这个公开没有密切关系的某些元件、诸如音频信号源、放大器等从视图中省略了。 

除非另外说明，否则一个音频源或者回放系统的通道数目是指打算由与听众有预定位置关系的音频设备辐射的通道。许多环绕声系统具有诸如不打算由与听众具有已定义关系的音频设备再现的低频效应(low frequencyeffects，LFE)和低音通道的通道。在具有5或6个通道的音频系统中，通道通常被称为“左前(left front，LF)”、“中前(center front，CF)”、“右前(rightfront，RF)”、“左环绕(left surround，LS)”、“中央环绕(center surround，CS)”、 “右环绕(right surround，RS)”，其中“环绕”表示该通道打算由在听众后面的音频设备辐射。依据具有5或6个通道的音频编码系统陈述了公开的许多配置。应当理解，本领域技术人员利用这个公开中的示教能够将本发明的原理应用到一个具有比5或6个通道更多或更少的音频编码系统中。如果音频信号源具有比回放系统更多的通道，则可以以某种方式缩混(downmix)通道以便使通道的数目等于在回放系统中的通道数目。如果音频信号源具有比回放系统更少的通道，则可以从现有的通道中创建附加的通道，或者是声辐射设备中的一个或多个可以不接收信号。 

参见图3A，显示了依据本发明的一个音频系统实施例的简图。听音区域10包含多个听音空间12、14、和16。音频系统包含一个音频信号源(未显示)，和多个被标识为元件18LF、18CF、18RF、18LS、18CS、和18RS的非本地的声辐射设备。声辐射设备18LF、18CF、18RF、18LS、18CS、和18RF分别接收表示左前通道、中前通道、右前通道、左环绕通道、中央环绕通道、和右环绕通道的音频信号，并且把音频信号转换成为具有足够振幅和频散的声波，以便使听音空间12、14、和16都接收通过声辐射设备18LF、18CF、和18RF辐射的声波。此外，可以有本地的声辐射设备12R、14R、和16R，每个都与一个听音空间有关，并且被定位和配置为使辐射的声音在相关的听音空间中可听得到，而在相邻的听音空间中可被相当少地听到。在可听度中的差别可以由许多定位方法实现，诸如把声辐射设备放置在耳朵附近(但是不是以相当大地衰减来自声辐射设备18LF、18CF、和18RF的辐射的方式)，通过把声辐射设备放置得与其它听众相比更加接近于一个听众，或者这两种方法一起。在可听度中的差别还可以通过使用在一个声学设备和一个相邻的听音空间之间在声学上反射或者吸收的屏障来实现。在可听度中的差别还可以通过以下方式来实现：通过使用诸如喇叭、透镜的方向性修改设备，通过使用在与辐射设备的尺寸相似的波长处的固有方向性，或者通过使用方向性设备、诸如分别用于本地辐射设备12R、14R、和16R的方向性阵列。方向性阵列可以包含单个声学驱动器阵列，其使用来自一个声学驱动器的两个表面的辐射，并且还可以包含一类外壳和声滤波器元件。方向性阵列还可以包含多个声学驱动器阵列。在下面更详细地讨论使用用于本地辐射设备12R、14R和16R的方向性阵列的实现，其中方向性阵列是特定类型的、适当方向性阵列。在可听度中的差别还可以通过定位方法、声屏障、方向性设备、和方向 性阵列的组合来实现。 

使用方向性设备的音频系统比没有使用方向性设备的音频系统要有益，是因为能够提供在空间之间的更大隔离，以便使在相邻的听音空间中的听众较不可能受到为在相邻空间中的听众设计的声音的扰乱 

一个或多个声辐射设备可以用本地的声辐射设备12LF、12CF、12RF、14LF、14CF、14RF、16LF、16CF、或者16RF中的一个或多个补充，或者被它们代替，其中每个本地声辐射设备与一个听音空间有关，并且可以被定位和配置成使辐射的声音可在相关的听音空间中听得到，而在相邻的听音空间中相当少地听到。在可听度中的差别可以通过以上讨论的一种或多种技术来实现。在一个实现中，声辐射设备12LF、12CF、12RF、14LF、14CF、14RF、16LF、16CF、和16RF是有限范围的高频声学驱动器；通常具有从1.6 KHz或者2.0kHz和更高的范围。如果声辐射设备12LF、12CF、12RF、14LF、14CF、14RF、16LF、16CF、和16RF位于相关的听音空间的附近，则它们要求一个非常有限的最大声压级(sound pressure level，SPL)。由于有限的范围要求和有限的最大声压级要求，小的声学驱动器、诸如20mm直径的穹形声学驱动器可能是足够的。在其它实现中，声辐射设备12LF、12CF、12RF、14LF、14CF、14RF、16LF、16CF、和16RF可以具有较宽的频率范围，或者可以是诸如方向性阵列之类的方向性设备。还可以有一个低频声辐射设备20，其辐射低频声波到整个听音区域10。低频辐射设备20在后来的图中没有显示。 

小的声学驱动器的使用是有益的，是因为它们能够被很容易地定位，并且能够是不引人注目的。小的有限范围的声学驱动器能够被放置在例如影院或者车座的后面(向后面的座位辐射)；在汽车仪表板中，或者在影院座位的扶手或者一件家具中。 

非本地的声辐射设备18LF、18CF、18RF、18LS、18CS、18RS、和20都可以是传统的声辐射设备，诸如具有最大振幅、频率范围、及其它适于声环境的参数的圆锥形扬声器。声辐射设备可以具有多个辐射单元，并且这多个单元可以具有不同的频率范围。声辐射设备可以包含声学元件，诸如装有汽门的(ported)外壳、声波导管、传输线路、无源辐射器、及其它辐射器，并且还可以包含诸如喇叭、透镜之类的方向性修改设备、或者方向性阵列，其将在下面更详细地进行讨论。 

在图3B的实施例中，图3A中的声辐射设备12R、14R、和16R分别被 声辐射设备12LR和12RR、14LR和14RR、以及16LR和16RR代替。设备12LR和12RR、14LR和14RR、以及16LR和16RR中每一个都与在一个听音空间中的一个听众的一只耳朵有关，并且每个被定位和配置为使辐射的声音可被相关的耳朵听到，并且相当少地被其它耳朵和在相邻听音空间中的听众听到。在可听度中的差别可以通过以上讨论的一种或多种方法来实现。 

声辐射设备18LF、18CF、和18RF可以分别被声辐射设备12LF、12CF、和12RF、14LF、14CF、和14RF、以及16LF、16CF、和16RF中的一个或多个代替，或者用它们补充，其中每个声辐射设备12LF、12CF、和12RF、14LF、14CF、和14RF、以及16LF、16CF、和16RF与一个听音空间有关，并且每个都被定位和配置为使辐射的声音可在相关的听音空间中听得到，而在相邻的听音空间中相当少地听到。如以上讨论的那样，声辐射设备12LF、12RF、12CF、14LF、14RF、14CF、16LF、和16RF能够是小的有限范围的声学驱动器，或者可以是诸如方向性阵列之类的方向性设备。 

图3C显示了本发明的另一个实施例。在图3C中，图3B中的设备12LR被声学阵列12LR′代替；设备12RR和14LR被声学阵列1214代替；设备14RR和16LR被声学阵列1416代替，而且图3B中的设备16RR被声学阵列16RR′代替。下面将在图4A-4C的论述中讨论声学阵列的操作。 

如图3A和3B中的配置一样，声辐射设备18LF、18CF、和18RF可以分别被声辐射设备12LF、12CF和12RF、14LF、14CF、和14RF、以及16LF、16CF和16RF代替，或者用它们补充。如上所述，适于设备12LF、12RF、12CF、14LF、14RF、14CF、16LF、16RF和16CF的声辐射设备可以是小的有限范围的声学驱动器，或者可以是诸如方向性阵列之类的方向性设备。 

在操作中，某些或者所有的音频信息被本地声学设备辐射。某些音频信息可以被为多个听音空间共用的非本地的声学设备辐射。 

依据图3A-3C的音频系统比使用耳机和“安装在头部的”设备的声辐射系统有益。依据本发明的系统避免了通常与耳机有关的“在头部的”现象。声源不随头部运动，并且能够使头部运动的结果比安装在头部的设备更加逼真，而且不需要信号处理或者头部运动跟踪设备。就商业设施来说，声辐射设备更不容易受到盗窃、破坏、毁坏、或者正常磨损。与多个用户的头戴式耳机有关的卫生情况不是问题。依据图3A-3C的音频系统比使用无方向性的声学设备的声音辐射系统有益，是因为声学设备不是必须被定位在头部附 近，而且因为单个设备能够向两个相邻的听音空间辐射声音。 

图4A显示了用于和适于元件1214和1416的多元素阵列一起使用的电路；能够为12LR′和16RR′使用类似的设备。图4A中的设备1214和1416每个都具有至少两个声学驱动器1214L和1214R、或者1416L和1416R。LS信号输入终端120通过应用传递函数H₁(s)的电路(其中s是Laplace频率变量jω，并且ω＝2πf，以便使H_n(s)是一个传递函数的频率域表示)、并分别通过加法器110和114耦接到声学驱动器1214L和1416L。LS信号输入终端120通过应用传递函数H₂(s)的电路、并分别通过加法器112和116耦接到声学驱动器1214R和1416R。RS信号输入终端122通过应用传递函数H₄(s)的电路、并分别通过加法器110和114耦接到声学驱动器1214L和1416L。RS信号输入终端122通过应用传递函数H₄(s)的电路、并分别通过加法器112和116耦接到声学驱动器1214R和1416R。传递函数H₁(s)、H₂(s)、H₃(s)、H₄(s)能够包含极性反转、时间延迟、相移、最小或者非最小相位滤波函数、信号放大或者衰减、或者单位函数(unity function)(即对信号没有影响的函数)的组合。这些函数可以通过电子电路、通过物理单元、或者通过使用数字信号处理(DSP)软件的微处理器来实现。 

在操作中，设备1214L和1416L辐射信号H₁(s)LS+H₄(s)RS，而设备1214R和1416R辐射信号H₂(s)LS+H₃(s)RS。电路能够被配置为使传递函数H₁(s)、H₂(s)、H₃(s)、和H₄(s)导致来自驱动器中的LS信号辐射沿通常朝向在左边的听音空间中的听众的右耳方向破坏性地干扰，并且沿通常朝向在右边的听音空间中的听众的左耳方向较少破坏性地干扰；而且导致RS信号辐射沿通常朝向在右边的听音空间中的听众的左耳方向破坏性地干扰，并且沿通常朝向在左边的听音空间中的听众的右耳方向较少破坏性地干扰。 

在图4A的一个实施例中，H₂(s)和H₄(s)表示一个单位函数，而H₁(s)和H₃(s)表示时间延迟、相移或者这两者、和极性反转，以便使驱动器1214L和1416L辐射-G₁LSΔT+RS，而驱动器1214R和1416R辐射LS-G₃RSΔT，其中ΔT表示时移，G_n表示与具有相同下标的传递函数有关的增益，或者是使驱动器1214L和1416L辐射-G₁LSΔ+RS，而驱动器1214R和1416R辐射LS-G₃RSΔ

，其中Δ表示相位，从而使来自方向性阵列1214和1416的LS辐射在听众的右耳处破坏性地干扰，并且使来自方向性阵列1214和1416的RS辐射在听众的左耳处破坏性地干扰。在另一个实施例中，H₂(s)和 H₄(s)表示单位函数，而H₁(s)和H₃(s)表示信号相移、增益、和低通滤波器。相移能够导致来自驱动器1214和1416的LS辐射在听众的右耳处破坏性地干扰，并且能够进一步导致来自驱动器1214和1416的RS辐射在听众的左耳处破坏性地干扰。增益能够有助于获得一个适当的辐射衰减量。低通滤波器能够对在与声学驱动器的直径相当以及小于它的波长处的声学驱动器的固有方向性进行调整。低通滤波器可以被实现为一个分立的设备，或者可以被包括在实现传递函数的电路中。 

驱动器在图4A中被显示成定位为使辐射面的轴偏离。偏离不是必需的，但是能够利用在与声学驱动器的直径相当或者小于声学驱动器的直径的波长处的驱动器的上述固有方向性。在声学驱动器固然是方向性的频率处，能够用较小的破坏性干扰实现方向性。 

辐射模式能够由表示另外的传递函数的另外的驱动器、电路、或者这两者修改，其中该另外的传递函数修改时间、相位、和振幅的关系。 

依据图4A的音频系统比没有使用方向性阵列的音频系统有益，是因为它允许对辐射到每个听众的每只耳朵的声音的更大控制。另外，多单元方向性阵列的使用允许单个阵列有方向性地辐射不同的音频信息到两个相邻的听音空间。 

在美国专利5,809,153和美国专利5,870,484中描述了能够被用于设备12LR′、1214、1416、和16RR′的声学设备的例子。 

图4B显示了为本地声学设备14R使用一个方向性阵列的图3A中的实施例的一个实现。设备1214具有至少两个声学驱动器1214L和1214R。LS信号输入终端120通过应用传递函数H₁(s)的电路并通过加法器110耦接到声学驱动器1214L。LS信号输入终端120通过应用传递函数H₂(s)的电路并通过加法器112耦接到声学驱动器1214R。RS信号输入终端122通过应用传递函数H₄(s)的电路并通过加法器110耦接到声学驱动器1214L。RS信号输入终端122通过应用传递函数H₃(s)的电路并通过加法器112耦接到声学驱动器1214R。 

在操作中，驱动器1214L辐射信号H₁(s)LS+H₄(s)RS，而驱动器1214R辐射信号H₂(s)LS+H₃(s)RS。电路能够被配置为使传递函数H₁(s)、H₂(s)、H₃(s)、和H₄(s)导致LS信号辐射在听众的右耳附近破坏性地干扰；该电路能够被进一步配置为使传递函数H₁(s)、H₂(s)、H₃(s)、和H₄(s)导致RS信号辐射在听众的右耳附近建设性地干扰。 

在图4B的一个实现中，H₁(S)和H₃(S)表示单位函数，而H₂(S)和H₄(S)表示时间延迟、相移、或者这两者、和极性反转，以便使驱动器1214R辐射-G₂LSΔT+RS，而驱动器1214L辐射LS-G₄RSΔT，其中ΔT表示时移，G表示与具有相同下标的传递函数有关的增益，或者是使驱动器12 14R辐射-G₂LSΔ

+RS，而驱动器1214L辐射LS-G₄RSΔ

，其中Δ

表示相移，从而使来自驱动器1214L的RS辐射在听众的左耳处破坏性地干扰来自驱动器1214R的RS辐射，并且使来自驱动器1214R的LS辐射在听众的右耳处破坏性地干扰来自驱动器1214L的LS辐射。在其它实施例中，除相移器或者时间延误之外，或者是代替相移器或者时间延误，H₁(S)、H₂(S)、H₃(S)和H₄(S)可以包含诸如最小或者非最小相位滤波函数、信号放大器或者衰减器、和声阻之类的单元。这些函数可以通过电子电路、通过物理单元、或者通过使用数字信号处理(DSP)软件的微处理器来实现。 

图4C显示了使用双向(拆分频率)的有方向性阵列的图4A中的一个实现。方向性阵列1214具有两个低频声学驱动器1214LL和1214RL、和两个高频声学驱动器1214LH和1214RH。方向性阵列1416具有两个低频声学驱动器1416LL和1416RL、和两个高频声学驱动器1416LH和1416RH。 

LS输入终端120耦接到低通滤波器140和高通滤波器142。低通滤波器140的输出端通过应用传递函数H₁(S)的电路、并分别通过加法器124和132耦接到低频声学驱动器1214LL和1416LL。低通滤波器140的输出端还通过应用传递函数H₂(S)的电路、并分别通过加法器130和138耦接到低频声学驱动器1214RL和1416RL。高通滤波器142的输出端通过应用传递函数H₁(S)的电路、并分别通过加法器126和134耦接到高频声学驱动器1214LH和1416LH。高通滤波器142的输出端还通过应用传递函数H₄(S)的电路、并分别通过加法器128和136耦接到高频声学驱动器1214RH和1416RH。 

RS输入终端122耦接到低通滤波器144和高通滤波器146。低通滤波器144的输出端通过应用传递函数H₆(S)的电路、并分别通过加法器124和132耦接到低频声学驱动器1214LL和1416LL。低通滤波器144的输出端还通过应用传递函数H₅(S)的电路、并分别通过加法器130和138耦接到低频声学驱动器1214RL和1416RL。高通滤波器146的输出端通过应用传递函数H₈(S)的电路、并分别通过加法器126和134耦接到高频声学驱动器1214LH和1416LH。高通滤波器146的输出端还通过应用传递函数H₇(S)的电路、并分 别通过加法器128和136耦接到高频声学驱动器1214RH和1416RH。在图4C中，低通滤波器140和144以及高通滤波器142和146被显示为独立的元件。在一个实际的实现中，低通和高通滤波器能够被包括在传递函数H₁-H₈ 中。 

在操作中，设备1214LL和1416LL辐射信号H₁(S)LS(lf)+H₆(s)RS(lf)；设备1214RL和1416RL辐射信号H₂(S)LS(lf)+H₅(s)RS(lf)；设备1214LH和1416LH辐射信号H₃(S)LS(hf)+H₈(s)RS(hf)；设备1214RL和1416RL辐射信号H₄(S)LS(hf)+H₇(s)RS(hf)，其中lf表示低频，而hf表示高频。电路能够被配置为使传递函数H₁(S)-H₈(s)导致低频LS信号辐射在听众的右耳附近破坏性地干扰；导致低频RS信号辐射在听众的左耳附近破坏性地干扰；导致高频LS信号辐射在听众的右耳附近破坏性地干扰；并且导致高频RS信号辐射在听众的左耳附近破坏性地干扰。 

拆分频率的方向性阵列可以用如图所示的位于低频驱动器内部的高频声学驱动器来实现，或者是可以用两个位于低频声学驱动器之上或之下的高频声学驱动器来实现。低频声学驱动器1214LL、1214RL、1416LL、和1416RL的典型的工作范围是150Hz到3kHz；高频声学驱动器1214LH、1214RH、1416LH和1416RH的典型的工作范围是3kHz到20kHz。 

拆分频率的阵列是有益的，是因为能够在较宽的频率范围上保持有用的破坏性干扰。 

图3A-3C中的实施例可以以许多不同的方式来实现：通过配置音频系统以便使本地声学设备辐射通常由一个或多个设备18LF、18CF、18RF、18LS、18CS和18RS辐射的信号；通过由方向性设备辐射已经被头部相关的传递函数(HRTF)处理过的音频信号；通过配置音频系统以相对于由一个或多个声学设备辐射的音频信息隔离一个听音空间与相邻的听音空间；通过配置音频系统以相对于由一个或多个音频设备辐射的音频内容隔离一个听众的一只耳朵与另一只耳朵；通过从不同声学设备的组合中辐射距离提示；或者通过使用一个新的混合系统混合音频内容，并且由一个新的回放系统回放该音频内容。 

图3A-3C的实施例的第一实现是重新配置音频系统中的元件，以便使本地声学设备(图3A中的12R、14R、和16R，图3B中的12LR、12RR、14LR、14RR、16LS、和16RR，以及图3C中的12LR′、1214、1416、和16RR′)可以辐射左前、中前、和右前通道以及左环绕、中央环绕和右环绕通道中的一个 或多个。图5A-5C显示了这样重新配置的音频系统。在图5A中，本地声学设备12R、14R、和16R辐射在图3A中的环绕通道，所以不需要图3A中的设备18LS、18CS、和18RS。在图5B中，本地声学设备12LR、12RR、14LR、14RR、16LS、和16RR辐射在图3B中的环绕通道，所以不需要图3B中的设备18LS、18CS、和18RS。在图5C中，本地声学设备12LR、1214、1416和16RR以在图3C中描述的方式辐射环绕通道，所以不需要图3C中的设备18LS、18CS、和18RS。下面将描述用于实现图5A-5C中的配置的电路。 

有许多其中可以使用依据图5A-5C的音频系统的环境。例如，听音区域可以是电影院，而听音空间可以是各个座位；听音区域可以是交通工具内部，而听音空间是座位位置；听音区域可以是家庭娱乐场所，而听音空间是座位位置或者各件家具。 

依据图5A-5C的音频系统是有益的，是因为每个听众从实质上与每个听众的头部具有相同定向、并且实质上距每个听众的头部相同距离的一个或多个声辐射设备中接收环绕通道辐射。因此，空间图像对于不同听众来说是更加一致的。 

可以实现图3B-3C中的实施例的第二种方式是在依据图3A的实施例中、向辐射如图4B所示的两个通道的有方向性阵列应用HRTF处理。只要声音在耳朵处包含适当的ITD和ILD提示，被HRTF处理过的音频信号就能够由在任何一个半球中的声学设备辐射。 

ITD提示和ILD提示可以以至少两种不同的方式生成。第一种方式被称为“求和定位”或者“振幅扫视(amplitude panning)”，其中被发送给各种声学设备的一个音频信号的振幅被修改，以便使到达听众耳朵的结果声波模式在被转换时具有适当的ITD和ILD提示。例如，如果一个音频信号仅仅被发送到声学设备18LF以便使只有设备18LF辐射该信号，则声源将好象是沿设备18LF的方向。如果一个音频信号被发送给设备18RF和18CF，并且到18CF的信号的振幅大于发送给18RF的信号的振幅，则声源将好象是在设备18CF和18RF之间，并且更稍微接近于设备18CF。通常，振幅扫视对于接近Y轴的音频源、例如在先前的图中位于由连接声学设备18LF和18RF和原点的线定义的角度中的源来说是最有效的。如果转动头部以分辨前/后混淆，则使用振幅扫视，由与声源在同一个半球中的声学驱动器进行的辐射提供了逼真的效果。 

就接近X轴的声源来说，振幅扫视是比较没有效果的，而且音频信号的HRTF处理可以提供一个声图像的更加准确的感受。音频信号的HRTF处理包含修改信号，以便使在信号被转换为声波时到达耳朵的声波具有对应于在期望位置处的音频源的ITD和ILD提示的ITD和ILD提示。在HRTF处理中，在耳朵处的ITD和ILD提示比辐射被HRTF处理过的音频信号的换能器的特定位置更重要。 

下面描述一种用于向被方向性声学设备转换的信号应用HRTF处理的信号处理方法。向被方向性声学设备转换的信号应用HRTF处理是有益的，是因为方向性声学设备允许更多地控制在听众的耳朵处的音频信息，并且在多个听众的耳朵处提供了更大的音频信息的一致性。如在先前的图中看到的那样，方向性声学设备处在相对于每个听众的两只耳朵的相同的定向中。另外，由于由方向性设备辐射的音频信息在相邻的听音空间中可相当少地听到，所以用于例如在听音空间14中的听众的较少音频信息被在听音空间12中的听众听到。另外，用于一个听众的一只耳朵的音频信息也可以较少地被该听众的另一只耳朵听到。 

由于振幅扫视和HRTF处理每个都具有以相对于听众的定向定位一个声源的优点，所以振幅扫视和HRTF处理的使用是有益的。HRTF处理为接近X轴的声源产生了声图像的更加逼真的感受。振幅扫视为接近Y轴的声源产生了更加逼真的图像，并且产生了当头部转动被用来决定声图像的方向时与真实源一致的ITD和ILD提示。 

可以应用图3A-3C中的实施例的第三种方式是使用方向性声学设备隔离一个听音空间与相邻的听音空间。例如，在先前图中的系统中，通过为设备12LF、14LF、或者16LF、12CF、14CF、或者16CF、和12RF、14RF、或者16RF使用方向性设备(除了由方向性设备12R、14R、16R、12LR、12RR、14LR、14RR、16LR、和16RR辐射的音频信息之外)，每个听音空间都能够与相邻的听音空间隔离开来。在图5A-5C的系统中，相对于由方向性设备辐射的音频信息来说，相邻的听音空间能够彼此相互隔离。 

能够被使用的隔离方法类似于以上所述的用于实现在可听度中的差别的方法：通过邻近；通过在声学设备和听众的耳朵之间或者在声学设备和相邻的听音空间之间的通路中放置一个反射或者吸收声屏障；以及通过使用方向性设备、包含方向性阵列。 

取决于获得的隔离程度，能够提供某些有益的特征。例如，能够向几个听音空间共同辐射某些信息，并且能够个别地向几个听音空间辐射某些音频信息。所以，例如，电影的一个通道能够从设备18LF、18CF、和18RF中辐射，并且对话能够以不同的语言辐射到相邻的听音空间。在这样一个应用中，本地设备12LR、12RR、14LR、14RR、16LR、16RR、12R、14R、或者16R能够辐射环绕通道以及对话。能够提供的另一个特征是辐射完全不同的节目资料到相邻的听音空间；例如，在外交或者商业会议中，能够向与会者辐射不同的语音翻译，而不必使用头戴耳机或者安装在头部的扬声器。 

可以应用图3A-3C中的实施例的第四种方式是相对于由本地声学设备辐射的通道隔离一个听众的一只耳朵与另一只耳朵。这样的一个配置提供了更加准确和一致的空间图像，并且减小了为“串音”抵消处理音频信号的需要。 

第五种实现是从不同的声学设备的组合中辐射距离提示。来自非本地的声学设备18LF、18CF、和18RF的辐射与场所相互作用，产生了导致声音看来像是源自在相对于场所的一个位置处的一个音频源的距离提示。来自图3A中的本地设备12R、14R、和16R、或者来自图3B中的设备12LR、12RR、14LR、14RR、16LR和16RR、或者来自图3C中的设备12LR′、1214、1416、和16RR′的辐射极少与场所相互作用。如果由本地设备辐射的音频信号被修改，以便使它们在听众的耳朵处产生距离提示，并且相同的信号由和不同听音空间相关的本地音频设备辐射，则声音对于每个听众来说看来像是起源于相对于用户的该距离处。这种方法允许在选择声源的察觉距离方面的很大灵活性，和对由每个听众察觉的距离提示的更大控制，以及在该距离提示中的一致性。例如，声源可以好象是非常接近于每个听众。另外，能够不考虑场所的声学特性或者听众在场所内的位置而使察觉的距离一致。 

图3A-3C和5A-5C中的任何一个配置能够由与图3A-3C和5A-5C中的方向反向面对的听众实现。例如，图3A中的配置能够用在听众后面的声辐射设备18LF、18CF和18RF、以及在听众前面的声辐射设备12R、14R、和16R实现。 

图6显示了本发明的另一个实施例。在图6的实施例中，交通工具90包含7个座位位置80-86。座位位置80-83中的每一个都具有与它有关的、位于在后面和向左侧(指定为“LR”)、以及在后面和向右侧(指定为“RR”) 的一对方向性声辐射设备。设备80LR、80RR、81LR、81RR、82LR、82RR、83LR、和83RR可以被安装在头靠或者椅背中。座位位置84具有与它有关的、位于在后面和向左侧的声辐射设备84LR。座位位置86具有与它有关的、位于在后面和向右侧的声辐射设备86RR。声辐射设备8485位于座位位置84和85后面并且在其之间，而声辐射设备8586位于座位位置85和86后面并且在其之间。座位位置80-86中的每一个都可以具有与它有关的、位于该座位位置前面的例如天花板中、位于操作台中、在前座位的椅背中、在仪表板中、在扶手中的前面的声学设备80LF、81LF、82LF、83LF、84LF、85LF、86LF、80RF、81RF、82RF、83RF、84RF、85RF、和86RF之一。每个座位位置还可以具有与它有关的、在这个图中未显示的一个低音声辐射设备，或者是，可以有辐射低音频率到整个车厢的一个或多个低音声辐射设备。在其它实现中，设备80LF、81LF、82LF、83LF、84LF、85LF、86LF、80RF、81RF、82RF、83RF、84RF、85RF、和86RF可以由辐射将在一个以上的听音空间听得到的具有足够频散和振幅的声波的声学设备补充或者代替，或者可以被诸如图1A中的设备12CF、14CF、和16CF之类的单个设备补充或者替代。 

声辐射设备80LF、81LF、82LF、83LF、84LF、85LF、86LF、80RF、81RF、82RF、83RF、84RF、85RF、和86RF可以是如以上在图3A-3C和5A-5C的讨论中描述的设备；设备80LF、81LF、82LF、83LF、84LF、85LF、86LF、80RF、81RF、82RF、83RF、84RF、85RF、86RF、80LR、80RR、81LR、81RR、82LR、82RR、83LR、83RR、84LR、8485、8586、和84RR中的任何一个都可以是如上所述的方向性阵列。在诸如未显示的车辆门或者包裹架之类的位置中可以有另外的低音扬声器(未显示)或者宽的或整个范围的扬声器(未显示)。 

在操作中，音频系统以类似于以上所述的音频系统的方式起作用。 

图7A-7E分别显示了特别是在电影院或者家庭影院环境中、能够被用作图3C和5C中的设备1214和1416的一个方向性声学阵列设备50的等角视图、正视图、俯视图、和侧视图。方向性声学阵列设备50包含第一子阵列和第二子阵列，其中第一子阵列包含声辐射设备52和54，而第二子阵列包含在第一对下面的声辐射设备56、和57。每一对中的每个声辐射设备与该对中的另一个设备成一定角度(即，在X-Y平面中)，如图7C中最清楚地显示的那样。典型的这种角度是145度。另外，每一对的声辐射设备相对于另一对 成一定角度(即在y-z平面中)，如在图7D中最清楚地显示的那样。典型的这种角度θ是135度。 

如在图7D中最清楚地显示的那样，每一对声辐射设备相对于另一对的角度允许阵列50的方向性特性在听音高度的范围、例如包含图7E中的高个人58(笔直就坐的6′7″的人的典型头高)、中等高度的人59(笔直就坐的5′10″的人的典型头高)、或者矮个人60(笔直就坐的12岁的人的典型头高)的典型头部位置的高度范围内是有效的。 

在其它实施例中，角度

或者θ或者这两者可以是180度。 

在图7F和7G中，显示了被安装用于和在商业电影院或者家庭影院中的相邻座位一起使用的图7A-7E中的方向性阵列的正面和顶面的部分简图。方向性阵列50被安装在两个相邻的座位150和152之间的结构中，以便使阵列的中央距离相邻座位的典型头部位置154和156实质上是等距离的(a1＝a2)，而且分开稍微大于两个肩宽。 

第一子阵列(驱动器52和54)和第二子阵列(56和57)如在图4A-4B中的一个或是在下面的图10A-10C中的一个显示的、并且在该公开的相应部分中进行描述的那样进行操作。因为子阵列有方向性地辐射声音，所以单个设备50能够被方便地放置在距两个相邻座位的一个方便的距离处并且在一个方便的位置中，但是仍然能够实现足以利用以上在描述图4A-4C中叙述的效果的隔离量，并且能够为头部高度范围提供这些效果。依据图7A-7G的实施例还能够被配置为一个包括了图4C或者在下面的图10B中的实施例的拆分频率阵列。 

在图7H中，显示了另一个方向性阵列。图7H中的实施例包含多个方向性阵列160L和160R、162L和162R、164L和164R、166L和166R、168L和168R，每一阵列都包含两个声学驱动器，并且每个都如参见图4A-4C描述的那样进行操作。如果希望的话，该系统还可以包含多对高频声学驱动器170L-178R，并且如在图4C或者在下面的图10B中那样作为一个拆分频率阵列进行操作。驱动器被安装为使每一对驱动器中的一个(指定为L)被共线地安装在第一直线中，而每一对驱动器中的另一个(指定为R)被共线地安装在平行于第一直线的第二直线中。每一个L驱动器接收相同的信号，诸如图4A-4C中的被处理过的LS信号、或者在下面的图10A-10D中的被处理过的LR信号；每一个R驱动器接收相同的信号，诸如图4A-4C中的RS信号、或者在 下面的图10A-10C中的RR信号。通过包含以如上所述的方式布置的高频驱动器，并且对信号处理进行适当的调整，如在图4C和10D中所示的那样，图7H中的实施例还能够是一个拆分频率阵列。 

以不同的方式表达时，图7H中的实施例是一对线阵列。第一线阵列包含“L”驱动器、即每一个方向性阵列中的左手边的声学驱动器。第二线阵列包含“R”驱动器、即每一个方向性阵列中的右手边的声学驱动器。第一线阵列中的每一个声学驱动器接收一个类似于图4A-4C中的被处理过的LS信号、或者图10A-10D中的被处理过的RR信号的音频信号。第二线阵列中的每一个声学驱动器接收一个类似于图4A-4C中的RS信号、或者图10A-10C中的RR信号的音频信号。 

在操作中，依据图7H的方向性阵列以在X-Y平面中是方向性、并且在由顶和底阵列(160L和160R、以及168L和168R)定义的水平面以及两者之间的所有水平面实质上相同的辐射模式辐射声音。 

由于线阵列的方向性能够在较大的垂直距离上、即在较大高度的柱面上有效，并且因此适应大范围的头部高度，所以依据图7H的实施例是有益的。另外，依据图7H的实施例可以具有与线阵列有关的声学优点。 

在图8A中，显示了依据本发明的一个混合控制台系统。混合控制台系统生成用于专业录制的、或者用于电影等的声道。混合控制台系统通常具有一个混合控制台，其具有大量输入终端，每个输入终端对应于一个输入通道。混合控制台包含模拟或者数字电路或者这两者，以修改和组合输入通道，以及一个用于使混合技术人员输入混合指令的用户接口。混合控制台具有输出端，每个输出端表示一个输出通道。输出端连接到一个录制设备和一个回放系统。 

混合技术人员在混合控制台输入混合指令，并且混合控制台依据该指令修改在输入终端处接收的信号。混合技术人员听取依据该指令修改的一个音频序列，并且在回放系统上回放，而且在录制设备中保持修改的音频序列，或者是使用不同的混合指令重放该音频段。 

混合控制台64具有对应于N个输入通道的输入终端62-1-62-N。混合控制台64具有表示输出通道的输出端66-1-66-n(在这个例子中，n＝5，但是能够更多或更少)。依据图5C中的配置，输出端66-1-66-5连接到一个录制设备68和一个回放系统。非本地的声辐射设备118LF、118CF、118RF与图 3C中的相似编号的元件类似地放置，并且进一步显示了与图3C中的设备1214和1416类似地放置和具有相似功能的、接近的声辐射设备112LR和112RR。混合控制台系统中的其它实现能够包含图3A-3C和图5A-5C中的配置。如果该声道要和电影或者其它视听节目一起使用，则还可以有一个视频监视器190，其可以在如图所示的控制台中实现，或者可以是一个分离的设备。为了和投影式的系统一起使用，可以有一个观看屏192、和一个用于将图像投影到屏幕上的投影仪194。 

图8A中的混合控制台系统具有一个与图5C中的实施例一致的回放系统。在远的声辐射设备118LF和118CF之间、以及在118CF和118RF之间的声源能够通过振幅扫视模拟。在其它位置中的声源能够通过如上所述、并且在后来的图中更详细描述的HTRF处理模拟。在其它实施例中，混合控制台可以具有图3A-3C、5A、或者5B中的实施例中的其它回放系统。 

混合控制台64可以是常规的，或者可以包含常规处理电路，或者最好是包含以下在图9A、9B、和图10A-10C中显示的元件的电路。可以有比在此给出的输出通道更多或者更少的输出通道。例如，可以有另外的低频效应(lowfrequency effects，LFE)通道、或者另外的诸如侧面通道、左中央和右中央通道之类的通道、或者另外的环绕通道。监控器190和屏幕192可以是常规的。投影仪194可以是二维的(2D)或者三维的(3D)投影仪。在三维设备的情况下，可以有另外的未显示的、诸如偏振玻璃之类的元件，用于由技术人员使用。 

当输入混合指令时，混合技术人员听到将如何在依据本发明的回放系统上发出混合的音频输出通道的声音，并且因此能够混合输入信号，以在依据本发明的一个系统上回放时产生更加逼真的、使人愉快的结果。输出通道还能够被用作在一个常规的环绕声系统中的通道，所以被混合的通道能够在一个常规的环绕声系统上重放。如果混合控制台64中的电路包含依据本发明的音频系统中的回放元件，则混合系统能够生成一个在被依据本发明的一个回放系统再现时尤其逼真的声道。在下面图11A和11B的讨论中更加完整地讨论在混合控制台64、回放系统、或者这两者中包含该电路。 

在电影或者电视声道的情况下，技术人员还能够这样混合声道，以便在转换为声能时，到达听众的耳朵的声能可以具有与可视图像一致的位置音频提示(诸如距离提示、ILD、ITD和MS提示中的一个或多个)。例如，如果爆炸的可视图像出现在监控器或者屏幕上，远离观众并且在相对于观众的一个 定向中，则技术人员能够混合声道，以便使与该爆炸有关的音频提示与远离且在相同定向中的一个明显声源位置一致。 

参见图8B，显示了回放包含由依据图8A的实施例的视听混合系统创建的一个声道的视听表象的效果的示意图。一个音频事件、例如充电起伏干扰(charging elephant)的位置音频提示可以与在位置182a处的声源一致。充电起伏干扰的可视图像可以象是在位置180a处，与声源的明显的位置一致。声源的明显位置和可视图像还能够看来像是一起运动，如两头的箭头表示的那样。明显的音频源和可视图像一致的效果为观众/听众184提供了更加逼真感觉的图像。 

依据本发明的回放系统对于要出现在屏幕和观众/听众184之间的视听事件来说是尤其有益的。不具有由音频系统提供的心理物理学提示的第二个可视图像180b-1，例如、非常温柔地讲话的接近观众/听众的一个人的可视图像，可能好象是出现在屏幕192上。诸如使图像非常大和使用“环绕”屏幕之类的某些投影技术能够被用来使可视图像好象稍微更近一些，但是仍然难以使可视图像看来象是比屏幕更近。收听已经被混合以提供与在听众附近、例如在位置182b处的声源一致的音频提示的一个声道，可以使该事件的察觉位置好象是接近于观众/听众、例如在位置180b-2处。 

现在参见图8C，使用三维(3D)可视技术能够提供更加逼真的感觉体验。在图8C的实施例中，距离提示可以与声源的位置182c一致、即与可视图像的位置180c一致并且非常接近于观众/听众。就运动对象来说，明显的音频源和可视图像能够在屏幕前面的一个位置到在屏幕后面的一个位置之间前后一起运动，如双向箭头表示的那样。 

用于图8B中的实施例的回放可视系统可以是一个常规监控器或者平面屏幕投影仪系统，或者某些更加复杂的大屏幕系统诸如由加拿大安大略省多伦多的IMAX

公司开发的剧场系统。用于图8C中的实施例的回放可视系统可以是一个与具有不同偏光镜片的观众眼镜结合的3D可视系统，诸如一个投影不同偏光性的立体图像的投影系统。音频回放系统能够是图3A-3C或者5A-5C中的一个音频系统。图3A-3C和图5A-5C中的音频系统的本地声辐射设备能够向多个座位场所或者电影院中的几个观众/听众提供一致的声图像，这对于描绘接近于头部的视听事件来说是尤其重要的。 

现在参见图9A，显示了为诸如如图3B所示的音频系统提供音频信号的 一个信号处理系统的方框图。通道LF和LS被输入到一个内容确定器(determiner)90L。内容确定器90LF确定具有相同相位(指定为LF+LS)的通道LF和LS的内容、对通道LF来说唯一的内容(指定为LF)、和对通道LS来说唯一的内容(指定为LS)。内容确定器90LF还依据下列公式计算系数α_LV、A1、和A2： 

$A1=\frac{\stackrel{\‾}{\left|(\mathrm{LF}+\mathrm{LS})\right|}-\mathrm{LF}}{Y}\·\frac{\stackrel{\‾}{\left|(\mathrm{LF}+\mathrm{LS})\right|}}{X}$

$A2=\frac{\stackrel{\‾}{\left|(\mathrm{LF}+\mathrm{LS})\right|}-\mathrm{Ls}}{Y}\·\frac{\stackrel{\‾}{\left|(\mathrm{LF}+\mathrm{LS})\right|}}{X}$

以及 

$a_{\mathrm{LV}}=1-\frac{(Y-\mathrm{LF})+(Y-\mathrm{LS})}{Y}$

其中Y是LF和LS中的较大的那个，而X是LF+LS和LF-LS中较大的那个。声源的角度θ_LV由θ_LV＝sin^-1α_LV确定。LF、LS、X、Y、A1、A2和α_LV的值被反复地以诸如每128或者256个采样的间隔重新计算，所以它们随时间而变化。 

内容确定器90LF的LF输出是LF回放信号。内容确定器90LF的LS输出是LR回放信号。信号LF+LS由随时间变化的ILD滤波器92LF处理，其中该滤波器92LF使用头部的尺寸和随时间变化的角度θ的正弦(表示为α_LV)作为参数。随时间变化的角度θ表示了一个运动的虚拟扬声器的位置。由于α_LV和θ_LV以一种已知的方式相关，所以系统可以以任何一种形式存储该数据。可以根据便于计算的一个对称的球形头部模型从一个典型大小的头部中获得头部的尺寸。在一个更复杂的系统中，头部尺寸可以基于更加完善的模型，而且可以是听众的头部的实际尺寸，并且可以包含其它数据、诸如衍射数据。随时间变化的ILD滤波器92L输出被滤波的同侧耳朵(更接近于音频源的耳朵)的音频信号、和被滤波的相反侧耳朵(远离音频源的耳朵)的音频信号。被滤波的同侧耳朵音频信号和被滤波的相反侧耳朵音频信号然后被随时间变化的ITD延迟器94L延迟，以提供被延迟了的同侧耳朵音频信号和被延迟了的相反侧耳朵音频信号。延迟使用头部尺寸和α_LV、即随时间变化的角度θ_LV 的正弦作为参数。除了在中间平面中的源以外，被延迟了的同侧耳朵音频信号和的被延迟了的相反侧耳朵音频信号通常是不同的。 

RF信号和RS信号以类似的方式进行处理。在加法器96L中把LF-LS信号通路中的被延迟了的同侧耳朵音频信号与R-RS信号通路中的相反侧耳朵音频信号组合起来。在加法器96L中把R-RS信号通路中的被延迟了的同侧耳朵音频信号与LF-LS信号通路中的被延迟了的相反侧耳朵音频信号组合起来。 

CF信号和CS信号被输入到内容确定器90C，其执行与内容确定器90L和90R相似的计算。内容确定器90C的CF输出是CF回放信号。内容确定器90C的CS输出是CS回放信号。由MS处理器93处理CF+CL信号以生成一个被处理了的单耳的CF+CL信号。MS处理器向对应于仰角θ_CV的陷波频率应用运动陷波滤波，以提供一个被MS处理过的单耳信号，其在加法器96L处被求和以为设备12LR、14LR、和16LR提供回放信号，并且在加法器9LR处被求和以为设备12RR、14RR、和16RR提供回放信号。只有用于设备12LR、14LR、和16LR、以及设备12RR、14RR、和16RR的回放信号包含任何被HRTF处理过的信号。在某些实现中，陷波滤波能够表示用于全部360度仰角的角度。就从听众前面移动到听众后面的声源来说，能够获得源在听众头顶、下面或者通过听众移动的效果。 

现在参见图9B，显示了为诸如如图5B所示的音频系统提供音频信号的一个信号处理系统的方框图。在图9B的处理中，由内容确定器90L、90R、和90C以类似于图9A中的处理的方式处理LF、LS、RF、RS、CF、和CS信号。象在图9A的处理中那样，内容确定器的LF和RF输出信号分别是LF和RF回放信号。以类似于图9A中的处理的方式处理内容确定器中的LF+LS、RF+RS、和CF+CS输出信号。LS和RS信号由静态ILD滤波器和静态ITD延迟器进行处理。静态ILD滤波器和静态ITD延迟器类似于随时间变化的ILD滤波器和随时间变化的ITD延迟器，除了角度θ_LC和θ_RC是固定的之外，所以α_LC和α_RC值是固定的。角度θ_LC和θ_RC表示了由声学设备12LR和12RR、14LR和14RR、以及16LR和16RR的辐射创建的虚拟后部扬声器的角位移。在加法器96L处求和LF-LS信号通路的同侧输出信号，并且在加法器96R处求和LF-LS信号通路中的相反侧输出信号。在加法器96R处求和R-RS信号通路中的同侧输出信号，并且在加法器96L处求和R-RS信号通路中的相反侧输出信号。在加法器96L和96R求和CS信号通路的输出信号，如果希望的话可以按比例缩放求和。只有由回放设备12LR、12RR、14LR、14RR、 16LR、和16RR辐射的信号才被HRTF处理。 

依据图9A和9B的实施例是有益的，是因为它允许了在侧面的一个声源的更加准确的、受控制的和一致的感受。依据本发明的系统为在侧面的声源提供了真实的ILD和ITD提示。 

通常被数字编码的某些节目资料具有与明确地指定了一个声源的位置的音频信号有关的元数据，包含相对于听众的音频源的定向、和距听众的距离。由于指定了位置信息，所以能够直接确定滤波和延迟值，并且α_LV、α_RV、和α_CV值的计算是不必要的。 

因为由本地声学设备辐射被HRTF处理过的信号，这提供了ITD、ILD、和MS提示的更大控制，并且因此为不同听音空间提供了更加一致和逼真的音频图像，所以依据图9A或者9B的系统是有益的。 

现在参考图11A和11B，显示了体现本发明原理的两个内容创建和回放系统。在图11A中，常规的内容创建模块204a包含音频输入终端62-1-62-n和一个常规的音频混合器208。常规的音频混合器208通过信号线266-1-266-5连接到一个存储/传输设备210a，其中每条信号线传输一个常规的音频通道。存储/传输设备通过信号线连接到回放系统212a，其中信号线由参考数字266-1-266-5标识，以表示存储/传输设备210a输出对应于从常规音频混合器208中传输到存储/传输设备210a的通道的音频通道。回放系统212a包含HRTF信号处理电路214和换能器、例如、声学设备18LF、18CF、和18RF，能够是声学阵列1214和1416的方向性设备1214和1416。象在先前的图中那样，没有显示与本发明没有密切关系的常规设备、诸如放大器、均衡器、限幅器、压缩器等。 

在图11B中，HRTF内容创建模块204b包含一个HRTF编码的音频信号源。HRTF编码的音频信号源可以包含连接到一个HRTF信号处理电路214的一个常规混合的音频内容源218，诸如CD、DVD、或者电影声道。做为选择，或者另外，HRTF编码的音频信号源可以包含连接到HRTF混合控制台64、例如图8A中的混合控制台的音频输入终端62-1-62-n。HRTF内容创建模块204b通过信号线连接到存储/传输设备210b，其中每条信号线传输一个音频通道。信号线被指定为“HRTF”或者“非HRTF”，以表示某些通道包含HRTF编码的信息，并且还可以包含非HRTF编码的信息，而某些通道不包含任何HRTF编码的信息。存储或者传输电路210b通过信号线连接到 一个回放模块212b，其中该信号线被指定为“HRTF”或者“非HRTF”以表示存储/传输设备210b输出对应于从HRTF内容创建模块中传输的通道的音频通道。回放模块212b可以包含一个使信号适应于换能器的数目、带宽、位置、和方向性的配置调整器222，和换能器18LF、18CF、和18RF，以及方向性设备1214和1416、例如方向性阵列。 

音频输入终端62-1-62-n可以类似于图8A中的相似编号的输入终端。HRTF信号处理电路214可以包含类似于图9A-9C或者图10A-10C中的电路的电路。换能器18LF、18CF、和18RF以及方向性设备1214和1416可以类似于先前图中的相似编号的元件。配置调整器222可以包含用来调整回放系统的配置、例如调整先前图中的低频设备20、或者图3A-3C和图5A-5C中的附加声学设备的存在或者不存在的电路。存储/传输设备210a和210b可以包含用以传输内容创建模块204a和204b的输出作为例如无线电或者电视信号的设备，或者可以包含数据存储设备、诸如海量存储设备、RAM、CD-ROM记录设备、DVD记录设备等。常规混合的音频内容源218可以是诸如压缩磁盘、CD-ROM、音频磁带、RAM、或者音频接收器之类的设备。HRTF混合控制台64可以是诸如图8A中的类似编号的元件之类的混合控制台。 

在操作中，在图11A的系统中，在常规的内容创建电路204a中创建常规的音频内容。然后该内容由存储/传输电路210a作为常规创建的内容存储或者传输。常规创建的内容被传输到回放系统212a，依据本发明由HRTF信号处理214进行处理，并且被传输到换能器。 

在图11B的系统中，通过向常规混合的音频内容应用HRTF信号处理；通过如以上在FIG.8A的讨论中描述的那样HRTF处理和混合音频信号；或者这两者，来创建被HRTF处理过的音频内容。由存储/传输电路210b存储或者传输被HRTF处理过的音频信号，然后将其传输到换能器。 

在图11A的系统中，该内容作为常规编码的音频内容被存储或者传输。不考虑具体的回放系统混合该内容，以便使信号兼容于没有HRTF处理的常规回放系统。图11A中的系统的优点是：回放设备212a能够在常规混合的音频内容上使用HRTF处理以定位明显的声源。 

在图11B的系统中，音频内容作为依据本发明被HRTF处理的信号被存储或者传输。参考具体回放系统混合该内容。图11B中的系统的优点是：回放电路能够相当地较不复杂和比较低廉。 

参见图10A-10D，显示了和方向性阵列一起使用的、用于修改图9B中的回放信号的信号处理系统的方框图。在图10A中，实质上象在图9B中那样处理输入信号，除了加法器96L和96R的输出没有被转换之外，但是分别在节点98L和和98R处被进一步处理。在图10A和10B中，加法器96L和96R的输出实质上分别象在图4A和4C中那样被处理，以为方向性阵列、诸如图5C中的系统的阵列1214和1416提供音频信号。在图10C中，加法器96L和96R的输出实质上象在图4B中那样被处理，以便为方向性阵列、诸如在图5A的系统中的设备14R提供音频信号。 

如果依据图8中的实施例混合节目资料，则该节目资料可以直接输入到回放系统中而不需要图9A-9B或者图10A-10C中的处理。回放系统可能需要被处理以提供适当数目和类型的输出通道。处理能够包含将一个音频信号拆分到频率范围中，或者缩混(downmixing)两个通道以创建第三通道，或者增混(upmixing)两个通道以创建一个，或者某些相似的操作。将一个音频信号拆分到频率范围中能够由众所周知的常规电路实现。 

图9A-10D中的块的功能可以由数字信号处理(DSP)元件执行，其中数字信号处理元件可能包含在数字编码的音频信号流上执行信号处理的软件模块。 

因为方向性声学设备提供了在耳朵处的声学隔离和对音频信号的改善了的控制，由此为不同听音空间提供了更加逼真和一致的声图像，所以依据图10A-10C中的实施例的音频系统是有益的。 

显然，本领域技术人员可以在没有背离本发明构思的情况下，做出在此公开的具体装置和技术的很多使用而且偏离了在此公开的具体装置和技术。因此，本发明应当被理解为包含在此公开的装置和技术中给出的或者是由该装置和技术所有的每一个新特征和新的特征组合，并且仅仅由附加权利要求的精神和范围来限定。 

本申请依据35 USC§119(e)要求享受于2002年12月3日提出的美国专利申请10/309,395的优先权，其中该专利申请的整个内容被包括在此以供参考。 

Claims (6)

1.一种包含多个通道的音频系统，所述多个通道的目的在于以相对于听众的预定位置关系进行辐射，包含：

一个方向性音频设备，包括：

至少两个辐射单元，其辐射与声波沿其它方向的破坏性干扰相比较在某些方向更加破坏性地干扰的声波，所述方向性音频设备放置在第一听音空间中，接近所述听众的头部，并且不随所述听众的头部运动，用于辐射干扰其中波长大于所述辐射单元之一的直径的频率范围的第一声波；以及

一个无方向性的音频设备，放置在听音区域内部和所述第一听音空间外部，其中所述听音区域包含包括所述第一听音空间的多个听音空间，用于向整个听音区域辐射低频声波。

2.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述方向性音频设备包含多个声学驱动器，所述声学驱动器被放置和安排为辐射在第一方向破坏性地干扰、并且在第二方向较少破坏性地干扰的声波。

3.根据权利要求2所述的音频系统，其中所述第一方向朝向第一听音空间，所述第二方向朝向第二听音空间。

4.根据权利要求2所述的音频系统，其中所述第一方向朝向在所述音频系统的使用期间由听众的第一只耳朵占据的第一个场所，并且所述第二方向朝向在所述音频系统的使用期间由所述听众的第二只耳朵占据的第二个场所。

5.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述听音区域包含一个电影院，并且所述第一听音空间包含所述电影院内的座位位置。

6.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述听音区域包含一个车辆车厢，所述第一听音空间包含所述车辆车厢内的座位位置。

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