СИСТЕМА ОБЪЕМНОГО ЗВУКА И СПОСОБ ДЛЯ НЕЕ Российский патент 2014 года по МПК H04S3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системе объемного звука, и в частности, но не исключительно, к системе объемного звука в домашнем кинотеатре.

Уровень техники

В последние годы обеспечение пространственного звука из более чем двух каналов стало все больше и больше популярным, что подтверждается, например, широкой популярностью различных систем объемного звука. Например, возросшая популярность систем домашнего кинотеатра привела к тому, что системы объемного звука являются обычным явлением во многих частных домах. Однако проблема с обычными системами объемного звука состоит в том, что они требуют большого количества отдельных динамиков, расположенных в подходящих местах.

Например, обычная система объемного звука Dolby 5.1 требует правого и левого тыловых динамиков, а также переднего центрального, правого и левого динамиков. К тому же может использоваться низкочастотный сабвуфер.

Большое количество динамиков не только увеличивает стоимость, но также приводит к уменьшенной практичности и повышенному неудобству для пользователей. В частности, обычно считается недостатком, что нужны громкоговорители в различных положениях спереди, а также сзади слушателей. Тыловые громкоговорители особенно проблематичны из-за необходимой проводки и физического влияния, которое они оказывают на интерьер помещения.

Чтобы смягчить эту проблему, проведено исследование, направленное на создание наборов динамиков, которые подходят для воспроизведения или имитации систем объемного звука, но используют уменьшенное количество положений динамиков. Такие наборы динамиков используют направленное звуковое излучение, чтобы направлять звуки в направлениях, которые приведут к достижению ими пользователя посредством отражений от объектов в звуковой среде. Например, звуковые сигналы можно направить так, что они достигнут слушателя посредством отражений от стенок, посредством этого обеспечивая для пользователя ощущение, что звук исходит сбоку (или даже сзади) от слушателя.

Однако такие подходы к обеспечению виртуальных источников звука проявляют меньшую надежность, чем настоящие источники, размещенные сзади от слушателя, и имеют склонность обеспечивать сниженное качество звучания и неполное пространственное впечатление. Конечно, часто трудно точно направить звуковые сигналы для обеспечения нужных отражений, которые достигают нужного положения виртуального источника звука. Кроме того, звуковые сигналы, предназначенные для приема со спины пользователя, также стремятся достичь пользователя по прямым траекториям или альтернативным непредусмотренным траекториям, посредством этого ухудшая пространственное впечатление.

Поэтому была бы полезна улучшенная система объемного звука, и в частности, была бы полезна система, которая сделает возможным упрощенную реализацию, упрощенную настройку, уменьшенное количество динамиков, улучшенное пространственное впечатление, улучшенное качество звучания и/или улучшенную производительность.

Раскрытие изобретения

Соответственно, изобретение предпочтительно направлено на смягчение, ослабление или устранение одного или нескольких вышеупомянутых недостатков по отдельности или в любом сочетании.

В соответствии с аспектом изобретения предусмотрена система объемного звука, содержащая: схему для приема многоканального пространственного сигнала, содержащего по меньшей мере один канал окружения; направленный ультразвуковой преобразователь для излучения ультразвука в направлении некоторой поверхности для достижения положения прослушивания посредством отражения от той поверхности; и первую схему управления для формирования первого управляющего сигнала для направленного ультразвукового преобразователя из объемного сигнала канала окружения.

Изобретение может обеспечить улучшенную систему объемного звука. В частности, система может обеспечить источник виртуального объемного звука, не требуя расположения динамика позади или сбоку от слушателя, и может уменьшить количество динамиков или положений динамиков в системе. Улучшенный источник виртуального объемного звука может быть предусмотрен в виде остронаправленного ультразвукового сигнала, который используется вместо обычного сигнала в диапазоне звуковых частот, который нельзя контролировать в той же мере. Подход может обеспечить уменьшенное пространственное ухудшение из-за непредусмотренных траекторий сигнала от направленного ультразвукового преобразователя к слушателю. Например, направленный ультразвуковой преобразователь может располагаться спереди от слушателя, но отклоненным от слушателя к стене для отражения. В таком сценарии значительно уменьшенное и часто незначительное количество звука будет восприниматься как исходящее из фактического положения направленного ультразвукового преобразователя. В частности, можно добиться гораздо более узкого и вполне определенного звукового пучка для формирования виртуального объемного звука, посредством этого позволяя сформировать улучшенное управление и улучшенное пространственное впечатление.

Изобретение во многих вариантах осуществления может сделать возможным простую работу и реализацию. Недорогой системы объемного звука можно добиться во многих сценариях.

Канал окружения может быть любым пространственным каналом, который не является передним каналом. В частности, он может быть любым каналом, который не является передним левым каналом, передним правым каналом или передним центральным каналом. Канал окружения может быть, в частности, каналом для воспроизведения с помощью источника звука со стороны или позади слушателя, и в частности, каналом, предназначенным для воспроизведения с углом более 45° относительно направления в переднем центральном направлении (например, соответствующим направлению от положения прослушивания к положению динамика переднего центрального канала).

Направленный ультразвуковой преобразователь может располагаться спереди от слушателя. В частности, направленный ультразвуковой преобразователь может располагаться с углом менее 45° относительно направления в переднем центральном направлении (например, соответствующим направлению от положения прослушивания к положению динамика переднего центрального канала). Направленный ультразвуковой преобразователь может располагаться, например, не дальше в сторону, чем положение левого переднего динамика и положение правого переднего динамика соответственно.

Система объемного звука дополнительно содержит громкоговоритель диапазона звуковых частот; и вторую схему управления для формирования второго управляющего сигнала для громкоговорителя диапазона звуковых частот из объемного сигнала.

Это может обеспечить улучшенную производительность во многих вариантах осуществления и может обеспечить, в частности, улучшенное качество звука во многих сценариях. Направленный ультразвуковой преобразователь и громкоговоритель диапазона звуковых частот могут взаимодействовать для обеспечения, например, звука лучшего качества и/или повышенного уровня звука. Громкоговоритель диапазона звуковых частот во многих применениях может обеспечивать, в частности, улучшенное качество звучания на низкой частоте. Направленный ультразвуковой преобразователь и громкоговоритель диапазона звуковых частот могут взаимодействовать для обеспечения улучшенной объединенной направленности и качества звучания для канала объемного звука.

Звуковой сигнал от направленного ультразвукового преобразователя может обеспечить основные пространственные метки пользователю, тогда как громкоговоритель диапазона звуковых частот может обеспечить улучшенное качество звучания путем обеспечения более качественного звука, чем обычно доступен из направленного ультразвукового преобразователя, особенно на низких частотах.

Направленный ультразвуковой преобразователь и громкоговоритель диапазона звуковых частот, в частности, могут совмещаться. Например, центры направленного ультразвукового преобразователя и громкоговорителя диапазона звуковых частот могут находиться в пределах 1 метра или, например, 50 см друг от друга. Направленный ультразвуковой преобразователь и громкоговоритель диапазона звуковых частот могут объединяться в едином корпусе громкоговорителя. В некоторых вариантах осуществления осевые направления для направленного ультразвукового преобразователя и громкоговорителя диапазона звуковых частот могут находиться под углом друг к другу (например, более 10°). Это может позволить улучшенное направление ультразвукового сигнала к поверхности, чтобы, например, достигать слушателя с боковых или тыловых направлений, обеспечивая при этом более прямую траекторию для сигнала от громкоговорителя диапазона звуковых частот.

Громкоговоритель диапазона звуковых частот может быть, в частности, обычным звуковым динамиком, например, электродинамическим громкоговорителем (как правило, переднего распространения). Громкоговоритель диапазона звуковых частот, в частности, может иметь диапазон рабочей частоты ниже 10 кГц. Это может иметь место для сценариев, в которых громкоговоритель диапазона звуковых частот используется только для дополнения направленного ультразвукового преобразователя при представлении объемного сигнала. Однако в сценариях, например, когда громкоговоритель диапазона звуковых частот также должен использоваться для других целей (например, представление переднего канала), диапазон рабочей частоты может расширяться до более высоких частот.

Система объемного звука дополнительно содержит схему задержки для внесения задержки второй составляющей сигнала во втором управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, относительно первой составляющей сигнала в первом управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала.

Это может обеспечить улучшенную производительность и может, в частности, обеспечить улучшенное пространственное восприятие, добиваясь того, что объемный сигнал четче воспринимается как возникающий из направления ультразвукового сигнала, то есть из отраженного направления, которое обычно может находиться сбоку, сзади или над слушателем. Задержка может быть, в частности, такой, что сигнал из направленного ультразвукового преобразователя принимается до сигнала из громкоговорителя диапазона звуковых частот, посредством этого обеспечивая больше пространственных меток.

Подход может использовать эффект предшествования или Хааса, чтобы обеспечить улучшенное пространственное впечатление и улучшенное направленное восприятие объемного звука, поддерживая при этом высокое качество звучания. Задержка может находиться, в частности, в интервале от 1 мс до 100 мс.

Задержка не более чем на 40 мс превышает разность задержки в траектории передачи между траекторией передачи от направленного ультразвукового преобразователя к положению прослушивания и прямой траекторией от громкоговорителя диапазона звуковых частот к положению прослушивания.

Это может обеспечить улучшенную производительность и может, в частности, обеспечить объемный сигнал, который воспринимается как одиночный источник в направлении принятого ультразвукового сигнала. Таким образом, это может позволить направленному ультразвуковому преобразователю и громкоговорителю диапазона звуковых частот выглядеть как одиночный громкоговоритель, установленный в направлении, из которого принимается ультразвуковой сигнал. В некоторых вариантах осуществления улучшенной производительности можно добиться для соответствующей относительной задержки менее 16 мс или даже менее 5 мс.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, схема задержки выполнена с возможностью изменения задержки в ответ на значение задержки в траектории передачи, причем значение задержки в траектории передачи указывает задержку траектории передачи от направленного ультразвукового преобразователя к положению прослушивания.

Это может обеспечить улучшенную производительность и может, в частности, создать объемный сигнал, который воспринимается как одиночный источник в направлении принятого ультразвукового сигнала. Таким образом, это может позволить направленному ультразвуковому преобразователю и громкоговорителю диапазона звуковых частот выглядеть как одиночный громкоговоритель, установленный в направлении, из которого принимается ультразвуковой сигнал. Путем изменения задержки для более точного совпадения со значением задержки в траектории передачи можно добиться улучшенного пространственного восприятия и восприятия одиночного источника.

Значение задержки в траектории передачи может определяться, например, путем измерений (например, с использованием микрофона в положении прослушивания) или может калиброваться, например, вручную пользователем, указывающим расстояние от громкоговорителя диапазона звуковых частот до положения прослушивания.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, схема задержки выполнена с возможностью изменения задержки в ответ на значение положения источника звука.

Задержка может меняться для регулирования пространственного восприятия, которое должно определяться сигналами от громкоговорителя диапазона звуковых частот и направленного ультразвукового преобразователя. В частности, пространственные метки, обеспеченные двумя сигналами, могут объединяться для обеспечения пространственного восприятия направления источника звука в промежутке между направлением громкоговорителя диапазона звуковых частот и направлением прихода отраженного ультразвукового сигнала.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, первый частотный диапазон полосы пропускания для формирования первого управляющего сигнала из объемного сигнала отличается от второго частотного диапазона полосы пропускания для формирования второго управляющего сигнала из объемного сигнала.

Это может повысить качество звучания во многих сценариях и может, в частности, использоваться для обеспечения слушателю улучшенного и более однородного объединенного сигнала.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, верхняя граничная частота для первого частотного диапазона полосы пропускания выше верхней граничной частоты для второго частотного диапазона полосы пропускания.

Это может повысить качество звучания во многих сценариях.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, вторая схема управления содержит фильтр низких частот.

Это может повысить качество звучания во многих сценариях. Во многих сценариях фильтр низких частот преимущественно может иметь верхнюю (например, 6 дБ) граничную частоту в интервале от 600 Гц до 1 кГц, или конкретно в интервале от 750 Гц до 850 Гц.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, вторая схема управления дополнительно выполнена с возможностью формирования второго управляющего сигнала из переднего канала многоканального пространственного сигнала.

Это может обеспечить улучшенную и/или менее сложную систему объемного звука во многих вариантах осуществления. В частности, это может позволить использовать уменьшенное количество динамиков, так как один и тот же динамик может использоваться как для переднего канала, так и для дополнения направленного ультразвукового преобразователя при обеспечении канала окружения. Передний канал может быть, в частности, передним левым, передним правым или передним центральным каналом.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, система объемного звука дополнительно содержит средство для изменения осевого направления направленного ультразвукового преобразователя относительно осевого направления громкоговорителя диапазона звуковых частот.

Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях и может, в частности, обеспечить улучшенное пространственное впечатление путем разрешения оптимизации направления ультразвукового сигнала, чтобы обеспечить наилучшую отраженную траекторию, позволяя при этом громкоговорителю диапазона звуковых частот достигать слушателя по прямой траектории. Средство для изменения осевого направления может быть схемой для изменения осевого направления.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, система объемного звука дополнительно содержит схему для приема сигнала измерения от микрофона; и схему для адаптации уровня второй составляющей сигнала во втором управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, относительно первой составляющей сигнала в первом управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, в ответ на сигнал измерения.

Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях и может, в частности, обеспечить улучшенное качество звучания. В частности, это может позволить более плавный переход между частотным диапазоном, преимущественно поддерживаемым громкоговорителем диапазона звуковых частот, и частотным диапазоном, преимущественно поддерживаемым направленным ультразвуковым преобразователем.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, нормализованное соотношение с компенсированной задержкой между второй составляющей сигнала во втором управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, и первой составляющей звукового сигнала в первом управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, равно не менее 0,50.

Это может обеспечить улучшенную производительность и/или уменьшенную сложность в некоторых вариантах осуществления. В некоторых сценариях первая и вторая составляющие сигнала могут быть практически идентичны. Компенсация задержки может компенсировать, в частности, намеренную задержку второй составляющей сигнала относительно первой составляющей сигнала. Компенсация задержки может соответствовать обнаружению наибольшего соотношения с компенсированной задержкой (при изменении задержки). Соотношение может быть нормализованным относительно амплитуды, мощности и/или энергии первой и/или второй составляющих сигнала.

В соответствии с факультативным признаком изобретения, система объемного звука дополнительно содержит схему для приема сигнала измерения от микрофона; и схему для адаптации осевого направления направленного ультразвукового преобразователя в ответ на сигнал измерения.

Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях и может, в частности, обеспечить улучшенное пространственное впечатление путем разрешения оптимизации направления ультразвукового сигнала, чтобы обеспечить слушателю наилучшую отраженную траекторию.

В соответствии с аспектом изобретения предусмотрен способ работы для системы объемного звука.

Эти и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения станут очевидными и будут разъяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описываемые ниже.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения будут описаны только в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых

Фиг.1 - иллюстрация настройки системы динамиков для обычной системы объемного звука;

Фиг.2 - иллюстрация примера настройки системы динамиков для системы объемного звука в соответствии с изобретением;

Фиг.3 - иллюстрация примера элементов системы объемного звука в соответствии с изобретением;

Фиг.4 - иллюстрация примера элементов схемы управления в системе объемного звука в соответствии с изобретением;

Фиг.5 - иллюстрация примера элементов схемы управления в системе объемного звука в соответствии с изобретением;

Фиг.6 - иллюстрация примера настройки системы динамиков для системы объемного звука в соответствии с изобретением;

Фиг.7A - иллюстрация примера схемы частотной области у функции динамического усиления, для которой на малых амплитудах частота разделения выбирается как можно ниже;

Фиг.7B - иллюстрация примера схемы частотной области у функции динамического усиления, для которой частота разделения увеличивается, чтобы позволить больший выходной SPL;

Фиг.8A - иллюстрация представления в частотной области примерного способа создания психоакустически оптимального динамического усиления для настройки с малой амплитудой; а

Фиг.8B - иллюстрация представления в частотной области примерного способа создания психоакустически оптимального динамического усиления для настройки с большой амплитудой;

Фиг.9 - иллюстрация примера элементов системы объемного звука с функцией динамического усиления в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание сосредоточено на вариантах осуществления изобретения, применимых к системе объемного звука с пятью пространственными каналами. Однако нужно будет принять во внимание, что изобретение не ограничивается этим применением, а может применяться ко многим другим системам объемного звука, включающим, например, системы с семью или даже более пространственными каналами.

Фиг.1 иллюстрирует настройку системы динамиков в обычной пятиканальной системе объемного звука, например, системе домашнего кинотеатра. Система содержит центральный динамик 101, формирующий центральный передний канал, левый передний динамик 103, формирующий левый передний канал, правый передний динамик 105, формирующий правый передний канал, левый тыловой динамик 107, формирующий левый тыловой канал, и правый тыловой динамик 109, формирующий правый тыловой канал. Пять динамиков 101-109 вместе обеспечивают пространственное восприятие звука в положении 111 прослушивания и позволяют слушателю в этом месте получать объемное и многонаправленное звуковое впечатление. Во многих системах домашнего кинотеатра система дополнительно может включать в себя сабвуфер для канала низкочастотных эффектов (LFE).

Требование к расположению громкоговорителей сбоку или сзади положения прослушивания обычно считается весьма невыгодным, так как это не только требует расположения дополнительных громкоговорителей в неудобных положениях, но также требует их подключения к источнику возбуждения, которым обычно является усилитель мощности домашнего кинотеатра. В типичной настройке системы необходимо, чтобы провода шли из положений 107, 109 окружных громкоговорителей к блоку усилителя, который обычно располагается ближе к передним динамикам 101, 103, 105. Это особенно невыгодно для изделий типа систем домашнего кинотеатра, которые стремятся иметь широкую привлекательность и применение в окружениях, которые не оптимизированы или предназначены для звукового впечатления.

Фиг.2 иллюстрирует пример настройки системы динамиков в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. В примере передние громкоговорители, а именно левый передний громкоговоритель 103, центральный громкоговоритель 101 и правый передний громкоговоритель 105, формируют аудиограмму спереди от положения 111 прослушивания. Однако в системе из фиг.2 сигналы объемного звука не обеспечиваются отдельными громкоговорителями, установленными сзади от пользователя, а обеспечиваются громкоговорителями 201, 203, установленными спереди от положения 111 прослушивания. В конкретном примере левый окружной динамик 201 располагается рядом с левым передним динамиком 103, а правый окружной динамик 203 располагается рядом с правым передним динамиком 105.

В примере окружные динамики 201, 203 выполнены с возможностью излучения звукового сигнала 205, 207, который отражается боковыми стенами 209, 211 и задней стеной 213, чтобы достичь положения 111 прослушивания из направления сзади от слушателя. Таким образом, тыловые окружные динамики 201, 203 формируют объемные сигналы 205, 207, которые кажутся слушателю возникающими сзади. Этот эффект достигается путем излучения тыловых звуковых сигналов 205, 207 таким образом, что они отражаются стенами 209, 211, 213. В конкретном примере сигналы 205, 207 объемного звука достигают положения прослушивания преимущественно посредством отражений от двух стен, а именно боковых стен 209, 211 и задней стены 213. Однако нужно будет принять во внимание, что другие варианты осуществления и сценарии могут включать в себя меньше или больше отражений. Например, объемные сигналы 205, 207 могут излучаться для достижения положения 111 прослушивания с помощью однократного отражения от боковой стены 209, 211, посредством этого создавая воспринимаемый виртуальный источник звука сбоку от пользователя.

Однако в системе из фиг.2 сигналы 205, 207 объемного звука не являются обычными слышимыми звуковыми сигналами, а точнее, излучаются в виде ультразвуковых сигналов. Таким образом, система применяет ультразвуковой громкоговоритель, который излучает ультразвуковые сигналы 205, 207 объемного звука.

Такие ультразвуковые преобразователи обладают остронаправленным звуковым пучком. Вообще, направленность (узость) громкоговорителя зависит от размера громкоговорителя по сравнению с длинами волн. Слышимый звук имеет длины волн, меняющиеся от нескольких дюймов до нескольких футов, и поскольку эти длины волн сопоставимы с размером большинства громкоговорителей, звук обычно распространяется всенаправленно. Однако для ультразвукового преобразователя длина волны гораздо меньше, и соответственно можно создать источник звука, который гораздо больше излучаемых длин волн, посредством этого приходя к образованию очень узкого и остронаправленного пучка.

Таким остронаправленным пучком можно гораздо лучше управлять, и в системе на фиг.2 он может направляться в положение 111 прослушивания посредством вполне определенных отражений от стен 209-213 помещения. Отраженный звук достигнет ушей, обеспечивая слушателю восприятие наличия источников звука, расположенных в задней части помещения. Аналогичным образом, в результате направления ультразвукового пучка в боковую стену или потолок можно сформировать воспринимаемые источники звука сбоку и сверху слушателя соответственно.

Таким образом, система из фиг.2 использует ультразвуковой преобразователь, который имеет очень направленный звуковой пучок, в качестве или как часть окружных динамиков 201, 203, которые располагаются спереди от положения 111 прослушивания. Этот ультразвуковой пучок можно легко направить в боковую или заднюю стену 209-213 помещения, так что отраженный звук достигнет ушей слушателя, чтобы обеспечить восприятие наличия источников звука, помещенных в заднюю часть помещения.

Ультразвуковые сигналы 205, 207 формируются, в частности, путем амплитудной модуляции ультразвукового сигнала несущей частоты с помощью звукового сигнала канала окружения. Этот модулированный сигнал затем излучается из окружных динамиков 201, 203. Ультразвуковой сигнал не воспринимается слушателем непосредственно, но модулирующий звуковой сигнал может автоматически стать слышимым без необходимости каких-либо специальных функциональных возможностей, приемника или слухового аппарата. В частности, любая нелинейность в траектории звука от преобразователя к слушателю может действовать в качестве демодулятора, посредством этого воссоздавая исходный звуковой сигнал, который использовался для модулирования ультразвукового сигнала несущей частоты. Такая нелинейность может возникать автоматически в траектории передачи. В частности, воздух в качестве передающей среды по своей природе проявляет нелинейную характеристику, что приводит к тому, что ультразвук становится слышимым. Таким образом, в примере нелинейные свойства самого воздуха вызывают демодуляцию звука из ультразвукового сигнала высокой интенсивности. Таким образом, ультразвуковой сигнал можно демодулировать автоматически, чтобы обеспечить слушателю слышимый звук. В качестве альтернативы или дополнительно, нелинейность может обеспечиваться дополнительными средствами. Например, тональный ультразвуковой сигнал также может излучаться в положение прослушивания (например, сверху для обеспечения относительно ограниченной зоны прослушивания). Смешивание двух ультразвуковых сигналов может тогда привести к демодуляции и воссозданию звукового сигнала.

Примеры и дополнительное описание использования ультразвуковых преобразователей для звукового излучения можно найти, например, в диссертации "Sound from Ultrasound: The Parametric Array as an Audible Sound Source" под авторством F. Joseph Pompei, 2002 г., Массачусетский технологический институт.

Использование ультразвукового излучения в каналах окружения обеспечивает очень узкий пучок. Это позволяет лучше задавать и управлять отражениями и может, в частности, обеспечить более точное управление углом прихода в положении прослушивания. Таким образом, подход может позволить гораздо лучше задавать и управлять виртуальным воспринимаемым положением источников объемного звука. Кроме того, использование ультразвукового сигнала может позволить воспринимать такое положение ближе к точечному источнику, то есть меньше размываться. Также узкий пучок ультразвукового преобразователя уменьшает излучение звука по другим траекториям, и в частности, уменьшает уровень звука у любого звука, достигающего положения прослушивания по прямой траектории.

Соответственно, описанный подход обеспечивает существенно лучше заданное положение виртуального объемного звука, которое должно восприниматься пользователем. В частности, пространственные метки направления, обеспеченные слушателю, существенно точнее и более однородные и согласованные с положением источника звука позади (или сбоку от слушателя).

В конкретном примере окружные громкоговорители 201, 203 не содержат лишь ультразвуковой преобразователь или не излучают только ультразвуковые сигналы. Наоборот, каждый из окружных громкоговорителей 201, 203 содержит компоновку динамиков, которая включает в себя как направленный ультразвуковой преобразователь для излучения ультразвука в стены 205, 207, так и громкоговоритель диапазона звуковых частот, который излучает звук в диапазоне звуковой частоты (например, ниже 5-10 кГц).

В частности, качество слышимого звука, происходящее от использования таких ультразвуковых подходов, в некоторых вариантах осуществления и сценариях не является оптимальным, поскольку процесс, посредством которого демодулируется ультразвуковая несущая, чтобы сделать модулирующий звуковой сигнал слышимым, проявляет неэффективность и по своей природе является нелинейным. Ультразвуковые громкоговорители поэтому имеют склонность создавать обычно субоптимальное качество звука, а также стремятся иметь низкую допустимую мощность, посредством этого затрудняя выработку высоких уровней звука.

В системе из фиг.2 этот эффект смягчается ультразвуковым преобразователем, дополняемым электродинамическим громкоговорителем переднего распространения, который дополнительно излучает некоторую часть звука из канала окружения. Это излучение сигнала в диапазоне звуковых частот может достичь положения 111 прослушивания по прямой траектории. Таким образом, в дополнение к отраженным ультразвуковым сигналам 205, 207 окружные громкоговорители 201, 203 также могут формировать сигналы 215, 217 в диапазоне звуковых частот, которые, в частности, могут достичь слушателя по прямой траектории.

Таким образом, в системе звук левого канала окружения, воспринимаемый слушателем в положении 111 прослушивания, является сочетанием демодулированного ультразвукового сигнала 205 и прямого сигнала 215 в диапазоне звуковых частот. Аналогичным образом звук правого канала окружения, воспринимаемый слушателем в положении прослушивания, является сочетанием демодулированного ультразвукового сигнала 207 и прямого сигнала 217 в диапазоне звуковых частот.

Использование громкоговорителя диапазона звуковых частот для дополнения направленного ультразвукового преобразователя обеспечивает улучшенное качество звука во многих вариантах осуществления. В частности, оно может обеспечить улучшенное качество звука на низких частотах. Такие низкие частоты обычно не могут обеспечить столько пространственных меток, сколько верхние частоты, и поэтому слушатель может по-прежнему воспринимать объемный звук приходящим с тыла, то есть может по-прежнему воспринимать, что сзади имеются виртуальные источники звука.

Однако в конкретном варианте осуществления из фиг.2 сигнал объемного звука, излученный из громкоговорителя диапазона звуковых частот, к тому же задерживается относительно сигнала объемного звука, излученного из направленного ультразвукового преобразователя. Таким образом, в примере вводится задержка звука в громкоговорителе диапазона звуковых частот относительно ультразвукового сигнала, чтобы гарантировать, что можно сохранить восприятие звука, приходящего только из направления отраженного ультразвукового пучка.

Этот подход основывается на психоакустическом явлении, известном как «эффект предшествования» (также называемый «эффектом Хааса» или «законом первого волнового фронта»). Это явление указывает, что когда один и тот же звуковой сигнал принимается от двух источников в разных положениях и с достаточно малой задержкой, звук воспринимается приходящим только из направления источника звука, который находится впереди, то есть от первого приходящего сигнала. Таким образом, психоакустическое явление относится к факту, что человеческий мозг получает большинство пространственных меток из первых принятых составляющих сигнала.

Поэтому результатом дополнения направленного ультразвукового преобразователя сотрудничающим громкоговорителем диапазона звуковых частот является то, что достигается убедительное, устойчивое восприятие источника звука в месте отражения, в то же время обеспечивая высококачественный звук, что обычно ассоциируется с обычным громкоговорителем.

В некоторых вариантах осуществления направленный ультразвуковой преобразователь и классический громкоговоритель могут воспроизводить одинаковые составляющие звуковой частоты излученных сигналов, то есть необработанный входной сигнал объемного звука (за исключением задержки, применяемой для громкоговорителя диапазона звуковых частот) может излучаться из обоих источников. В других вариантах осуществления направленный ультразвуковой преобразователь и громкоговоритель диапазона звуковых частот могут воспроизводить, например, разные, по возможности перекрывающиеся части частотного диапазона входного сигнала, чтобы дополнительно улучшить устойчивость пространственной иллюзии.

Фиг.3 иллюстрирует пример компоновки окружных динамиков и ассоциированные функциональные возможности возбуждения в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Для ясности и краткости пример будет описываться относительно левого канала окружения из примера фиг.3. Однако нужно будет принять во внимание, что пример и принципы в равной степени применимы к правому каналу окружения или фактически к любому каналу окружения.

Фиг.3 иллюстрирует приемник 301, который принимает многоканальный пространственный сигнал, например, объемный сигнал 5.1. Многоканальный пространственный сигнал может быть, например, совокупностью аналоговых сигналов с одним звуковым сигналом для каждого канала, или может быть кодированным в цифровой форме многоканальным пространственным сигналом. В последнем случае многоканальный пространственный сигнал может кодироваться, и приемник 301 может быть выполнен с возможностью декодирования этого сигнала.

Нужно будет принять во внимание, что многоканальный пространственный сигнал может приниматься из любого подходящего источника, например внешнего или внутреннего источника.

Многоканальный пространственный сигнал содержит по меньшей мере один канал окружения. В частности, многоканальный пространственный сигнал содержит один или несколько передних каналов (в конкретном примере - три передних канала), которые предназначены для представления слушателю из прямого направления. К тому же включается по меньшей мере один канал окружения, который ассоциируется с положением источника звука сбоку или сзади от слушателя. Таким образом, канал окружения ассоциируется с положением источника звука, которое не является передним положением, и в частности, выходит за угол, созданный (крайним) левым и (крайним) правым передними динамиками. В конкретном примере многоканальный пространственный сигнал содержит два канала окружения, а именно левый тыловой канал и правый тыловой канал.

Фиг.3 дополнительно иллюстрирует обработку одного из каналов окружения. В частности, фиг.3 иллюстрирует элементы функциональных возможностей, ассоциированных с положением левого тылового динамика.

Приемник 301 соединен с первым управляющим блоком 303, который соединяется с направленным ультразвуковым преобразователем 305 и который способен формировать управляющий сигнал для него. К тому же приемник 301 соединен со вторым управляющим блоком 307, который соединяется с громкоговорителем 309 диапазона звуковых частот и который способен формировать управляющий сигнал для него. Таким образом, в примере принятый сигнал левого тылового канала окружения подается в первую схему 303 управления и вторую схему 307 управления. Схемы 303, 307 управления управляют соответственно направленным ультразвуковым преобразователем 305 и громкоговорителем 309 диапазона звуковых частот, так что левый тыловой канал окружения излучается из направленного ультразвукового преобразователя 305 и громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот, то есть и как ультразвуковой сигнал, и как звуковой сигнал.

В некоторых вариантах осуществления первая схема 303 управления может просто содержать ультразвуковой модулятор, который модулирует левый тыловой звуковой сигнал на ультразвуковой несущей частоте, с последующим усилителем мощности, который усиливает сигнал до подходящего уровня для направленного ультразвукового преобразователя 305, чтобы сформировать подходящий уровень выхода звука. В типичных применениях ультразвуковая несущая частота превышает 20 кГц (например, около 40 кГц), и уровень звукового давления превышает 110 дБ (часто около 130-140 дБ).

Вторая схема 307 управления может просто содержать подходящий усилитель мощности, который непосредственно возбуждает громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот.

Таким образом, по существу один и тот же звуковой сигнал может подаваться в направленный ультразвуковой преобразователь 305 и громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот. В частности, соотношение между составляющими звукового сигнала у выходных сигналов первой схемы 303 управления и громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот может быть довольно высоким, и в частности, нормализованное по энергии соотношение может быть выше 0,5. В сценариях, в которых звуковые сигналы из двух схем 303, 307 управления задерживаются относительно друг друга, соотношение может определяться после компенсации такой задержки. Соотношение может определяться, в частности, в виде максимального соотношения между звуковыми сигналами в управляющих сигналах из двух схем 303, 307 управления.

Однако в других вариантах осуществления первая схема 303 управления и/или вторая схема 307 управления могут включать в себя обработку, которая приводит к составляющим звукового сигнала, обрабатываемых по-разному на двух траекториях. В частности, как упоминалось ранее, звуковой сигнал для громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот может задерживаться и/или фильтроваться.

Фиг.4 более точно иллюстрирует пример второй схемы 307 управления, которая содержит операции задержки и фильтрации. В примере объемный сигнал сначала задерживается в блоке 401 задержки, и затем фильтруется в фильтре 403 низких частот. Задержанный и отфильтрованный по низким частотам звуковой сигнал затем подается в усилитель 405 мощности, который усиливает сигнал до подходящего уровня для громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот.

Таким образом, в примере к сигналу для громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот добавляется задержка, чтобы гарантировать, что слушатель воспринимает весь или большую часть звука как исходящую из направления отраженного звукового пучка 205, а не из направления звукового сигнала 215 от громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот. Результатом является убедительное, устойчивое восприятие источника звука в месте отражения от задней стены 213, но с улучшенным качеством звука от громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот.

Этот эффект предшествования (или Хааса) возникает, когда два громкоговорителя излучают один и тот же сигнал, но при этом один сигнал принимается с короткой задержкой относительно другого. Эффект обычно возникает для относительной задержки в диапазоне примерно от 1 мс до верхнего предела, обычно в 5-40 мс. В такой ситуации звук воспринимается приходящим из направления незадержанного громкоговорителя. Верхний предел сильно зависит от типа сигнала. Наименьшее значение около 5 мс допустимо для очень коротких звуков типа щелчка или импульса, тогда как для речи имеют место большие значения вплоть до 40 мс. Если задержка увеличивается за верхний предел, то воспринимаемое слияние источников звука в положении незадержанного источника уже не возникает, и два источника воспринимаются отдельно (эхо). С другой стороны, если задержка меньше нижнего предела эффекта предшествования (около 1 мс), то возникает «суммирующая локализация», и одиночный источник звука воспринимается в положении между двумя источниками.

В примере задержка устанавливается такой, что сигнал от направленного ультразвукового преобразователя 305 принимается немного раньше сигнала от громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот.

Чтобы добиться оптимального эффекта предшествования, задержку нужно устанавливать очень тщательно, и в частности, во второй схеме 307 управления нужно применять задержку τ, которая содержит два элемента. Первый элемент задержки τt₁ компенсирует разность времени перемещения из-за разных длин траекторий к ушам слушателя для звуковых волн, возникающих из направленного ультразвукового преобразователя 305 и громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот соответственно. Как понятно из фиг.2, задержка в траектории передачи соответствует расстоянию от направленного ультразвукового преобразователя 305 до точки отражения на боковой стене 209 (D_U1) плюс расстояние от точки отражения на задней стене 213 до точки отражения на боковой стене 209 (D_U2) плюс расстояние от точки отражения на задней стене 213 до положения 111 прослушивания (D_U3). Разность расстояний тогда можно найти путем вычитания длины траектории от громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот до положения 111 прослушивания (D_C). Эта разность расстояния соответственно равна D_U1+D_U2+D_U3-D_C, и чтобы компенсировать ее, необходима задержка τt₁=(D_U1+D_U2+D_U3-D_C)/c секунд (c - скорость звука).

Применение этой задержки приводит к тому, что отраженный звук от направленного ультразвукового преобразователя 305 и прямой звук от громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот одновременно приходят в уши слушателя. В дополнение к этой компенсирующей задержке для достижения эффекта предшествования необходим дополнительный элемент задержки τt₂. Общая задержка, примененная к сигналу громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот, соответственно равна τ=τt₁+τt₂.

Как упоминалось ранее, значение τt₂ не очень важно при условии, что оно находится между 1 мс и верхним пределом эффекта предшествования, который зависит от типа сигнала.

Для самого важного типа сигнала, коротких щелчков, верхний предел для τt₂ равен 5 мс, и поэтому в некоторых сценариях может быть полезно выбрать задержку τt₂ в диапазоне 1-5 мс. Такая задержка может использоваться, например, в сценариях, в которых можно тщательно настроить конфигурацию, где задержка в траектории передачи хорошо известна и статична.

Однако необходимое значение для компенсирующей задержки τt₁ (задержка в траектории передачи) очень зависит от геометрической планировки помещения, размещения громкоговорителей и положения прослушивания, и в типичных конфигурациях находится в диапазоне от нескольких до нескольких десятков миллисекунд (например, 3-30 мс). Это означает, что при малом значении τt₂ между 1-5 мс общая необходимая задержка τ значительно определяется точным значением τt₁, и необходимо тщательно задать значение τt₁, чтобы оно соответствовало фактической геометрической конфигурации.

В некоторых вариантах осуществления блок 401 задержки соответственно может быть задержкой, которая может меняться в ответ на значение задержки в траектории передачи для траектории передачи от направленного ультразвукового преобразователя 305 к положению 111 прослушивания. Значение задержки в траектории передачи для направленного ультразвукового преобразователя 305 можно уменьшить на значение задержки в траектории передачи для траектории передачи от громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот к положению 111 прослушивания, посредством этого формируя значение разности задержки в траектории передачи, которое используется для смещения при изменении траектории.

Компенсация задержки в траектории передачи может выполняться пользователем вручную, например, путем установки вручную относительной задержки в траектории передачи τt₁. Эта установка может основываться, например, на измерении двух физических длин траекторий пользователем, или на необходимости пользователю вручную регулировать управление задержкой до тех пор, пока не воспринимается нужный эффект.

В качестве другого примера микрофон можно поместить в положение 111 прослушивания и соединить с функциональными возможностями управления. Сигнал измерения от микрофона тогда можно использовать для настройки блока 401 задержки так, чтобы он и компенсировал разность задержки в траектории передачи, и обеспечивал нужный эффект предшествования. Например, процесс дистанционного измерения расстояний может выполняться путем излучения калибровочных сигналов из направленного ультразвукового преобразователя 305 и громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот.

Таким образом, в описанном примере система выполнена с возможностью внесения задержки, которая не более чем на 40 мс превышает разность задержки в траектории передачи между траекторией передачи от направленного ультразвукового преобразователя 305 к положению 111 прослушивания и траекторией от громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот к положению 111 прослушивания. Конечно, во многих вариантах осуществления задержка преимущественно не более чем на 15 мс или даже 5 мс превышает эту разность задержки в траектории передачи. На самом деле этого можно добиться путем калибровки и адаптации системы на основе определения разности задержки в траектории передачи, и/или можно добиться путем регулирования местоположения динамиков под конкретные характеристики помещения.

Чтобы сделать систему менее чувствительной к фактической геометрической конфигурации и обеспечить устойчивую локализацию в направлении отраженного звука от направленного ультразвукового преобразователя 305 в большом диапазоне вариантов использования, в некоторых вариантах осуществления может быть предпочтительно устанавливать значение τt₂ относительно высоким. Преимущество этого подхода во многих сценариях состоит в том, что в большинстве случаев не будет необходимости устанавливать задержку τt₁ в соответствии с конкретной конфигурацией, то есть одна и та же задержка будет подходящей для относительно сильных колебаний в разности задержки в траектории передачи. Однако, поскольку τt₂ можно установить выше 5 мс, эффект предшествования может уже не работать в полной мере для очень коротких сигналов, например переходов (связок) в ударной музыке.

Однако в примере вторая схема 307 управления также содержит фильтр 403 низких частот, который фильтрует низкие частоты у сигнала в диапазоне звуковых частот перед его подачей в громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот. Таким образом, в примере громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот преимущественно используется для воспроизведения нижней части частотного спектра объемного сигнала, тогда как высокочастотная часть спектра, включающая переходы, преимущественно воспроизводится направленным ультразвуковым преобразователем 306.

Таким образом, в примере различаются полосы пропускания для первой схемы 303 управления и второй схемы 307 управления.

Граничная частота фильтра 403 низких частот может быть установлена достаточно низкой, чтобы эффективно отфильтровывать переходы из звука, излученного из громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот, посредством этого смягчая требование к задержке для эффекта предшествования. Однако она может быть дополнительно установлена достаточно высокой, чтобы гарантировать, что отсутствует промежуток между самой высокой частотой, которая эффективно воспроизводится громкоговорителем 309 диапазона звуковых частот, и самой низкой частотой, эффективно воспроизводимой направленным ультразвуковым преобразователем 305. Конечно, поскольку ультразвуковые преобразователи часто обладают плохой частотной характеристикой на низких частотах, можно эффективно установить граничную частоту для обеспечения плавного перехода.

Практические эксперименты показали, что в типичной конфигурации жилой комнаты и с различными типами музыки в качестве входных сигналов очень удовлетворительных результатов можно добиться при значении τt₂ в 10 мс и граничной частоте ФНЧ в 800 Гц.

В некоторых вариантах осуществления переход между направленным ультразвуковым преобразователем 305 и громкоговорителем 309 диапазона звуковых частот может управляться подходящим исполнением фильтра низких частот на основе известных характеристик направленного ультразвукового преобразователя 305 и громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот, то есть можно сделать статическую характеристику перехода.

Однако, поскольку переход, воспринимаемый в положении прослушивания, может зависеть от изменений в этих характеристиках, а также характеристиках конкретного окружения, в некоторых вариантах осуществления переход можно адаптировать на основе механизма обратной связи.

Например, сигнал измерения от микрофона, расположенного в положении 111 прослушивания, может использоваться для адаптации перехода. В частности, уровень сигнала для направленного ультразвукового преобразователя 305 относительно громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот может регулироваться на основе сигнала микрофона. В качестве альтернативы или дополнительно, можно регулировать граничную частоту фильтра 403 низких частот.

В качестве примера второй управляющий блок 307 может принимать сигнал микрофона. Он может анализировать его для определения уровня сигнала в частотном диапазоне ниже граничной частоты (например, 500 Гц-700 Гц) и уровня сигнала в частотном диапазоне выше граничной частоты (например, 900 Гц-1100 Гц). Если уровень сигнала в нижнем частотном диапазоне ниже уровня сигнала в верхнем частотном диапазоне, то усиление в усилителе 405 мощности и/или граничная частота в фильтре 403 низких частот могут увеличиваться, приводя к увеличенному уровню сигнала из громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот. Наоборот, если уровень сигнала в нижнем частотном диапазоне выше уровня сигнала в верхнем частотном диапазоне, то усиление в усилителе 405 мощности и/или граничная частота в фильтре 403 низких частот могут уменьшаться, приводя к уменьшенному уровню сигнала из громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот.

В некоторых вариантах осуществления задержка, обеспеченная блоком 401 задержки, может быть установлена, чтобы иметь следствием воспринимаемое пространственное положение источника звука, которое не соответствует направлению прихода отраженного сигнала, а скорее соответствует положению между этим положением и положением громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот. В частности, может быть обеспечено значение положения источника звука, которое указывает нужное положение между этими точками, и второй управляющий блок 307 может приступить к соответственной установке задержки.

Это может достигаться, в частности, путем установки задержки τt₂ в значение между 0 и 1 мс. В этом случае получится восприятие «суммирующей локализации» вместо эффекта предшествования. Это приведет к воспринимаемому источнику между направлениями отраженного ультразвукового пучка и громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот. Поэтому путем регулирования задержки можно управлять положением воспринимаемого виртуального источника аналогично обычному стереофоническому воспроизведению. Такие варианты осуществления предпочтительно включают в себя точную оценку или определение разности задержки в траектории передачи, чтобы обеспечить правильную установку задержки.

Следует отметить, что из современных сведений не очевидно, что эффект предшествования будет работать в ситуации, где задержанные и незадержанные громкоговорители воспроизводят разные части частотного спектра сигнала. Скорее, психоакустическое учение об эффекте предшествования ограничивается ситуацией, в которой один и тот же сигнал излучается из двух источников. Однако практические эксперименты выполнены почти без наложения между частотным диапазонами, воспроизведенными направленным ультразвуковым преобразователем 305 и громкоговорителем 309 диапазона звуковых частот. Эти эксперименты показали, что эффект предшествования также работает, если два источника воспроизводят сигналы, которые имеют разный частотный спектр, но совместно используют одну и ту же модуляцию с огибающей или аналогичные общие временные характеристики сигнала.

В примере громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот и направленный ультразвуковой преобразователь 305 размещаются под некоторым углом друг к другу, то есть их осевые направления или основные направления распространения находятся под углом друг к другу. Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях и может позволить, в частности, направленному ультразвуковому преобразователю 305 излучать сигнал непосредственно в боковую стену, позволяя при этом громкоговорителю 309 диапазона звуковых частот быть направленным непосредственно в положение 111 прослушивания. Таким образом, окружной динамик 201 можно калибровать для оптимального звуковоспроизведения в разных акустических средах, посредством этого обеспечивая улучшенное качество звучания и/или улучшенное пространственное впечатление.

В некоторых вариантах осуществления осевое направление направленного ультразвукового преобразователя 305 может меняться относительно осевого направления громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот. В некоторых вариантах осуществления такое изменение может проводиться вручную. Например, слушатель может обеспечиваться средством для направления угла направленного ультразвукового преобразователя 305 таким образом, что ультразвуковой пучок можно направить в точку отражения боковой стены, что обеспечивает оптимальные отражения для достижения положения прослушивания.

В некоторых вариантах осуществления направление по меньшей мере одного из направленного ультразвукового преобразователя 305 и громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот может устанавливаться цепью калибровки с обратной связью. Например, управляющий блок может соединяться с микрофоном в положении 111 прослушивания и может принимать от него измеренный сигнал. Это может использоваться для регулирования угла направленного ультразвукового преобразователя 305, а соответственно и точек отражения на стенах 209, 213. Калибровочный сигнал затем можно подать в направленный ультразвуковой преобразователь 305 (при молчащих всех остальных динамиках), и направление ультразвукового пучка может регулироваться до тех пор, пока оно не обеспечивает наивысший уровень сигнала, измеренный микрофоном.

Направление ультразвукового пучка можно изменять в электронном виде (например, используя методики формирования пучка) или, например, посредством установки направленного ультразвукового преобразователя 305 на шарнирный механизм, который можно регулировать вручную или приводить в движение с помощью серводвигателей.

В примере фиг.2 каждый пространственный канал излучается собственным отдельным динамиком. Однако, как проиллюстрировано на фиг.2, описанный подход допускает действенное окружающее впечатление наряду с разрешением располагать окружные динамики 201, 203 спереди от пользователя, и в частности, совмещать или располагать рядом с одним из передних динамиков 101, 103, 105. Однако это также позволяет одному и тому же динамику использоваться для воспроизведения более одного из пространственных каналов. Таким образом, во многих вариантах осуществления окружные динамики 201, 203 также могут использоваться для визуализации одного из передних каналов.

В конкретном примере левый окружной динамик 201 также может воспроизводить левый передний канал, а правый окружной динамик 203 также может воспроизводить правый передний канал. Однако, поскольку левый и правый передние каналы должны доставляться непосредственно в положение прослушивания (по прямой траектории), так что они кажутся идущими спереди, то есть непосредственно из положения динамика, передний канал воспроизводится только из громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот, а не из направленного ультразвукового преобразователя 305.

Это может достигаться, в частности, путем формирования управляющего сигнала для громкоговорителя 309 диапазона звуковых частот не только из сигнала левого канала окружения, но также из левого переднего канала. Фиг.5 более точно иллюстрирует, как можно изменить второй управляющий блок 307 из фиг.4, чтобы он включал в себя объединитель 501, который объединяет задержанный и отфильтрованный по низким частотам левый окружной сигнал с левым передним сигналом. В примере объединитель 501 вставляется между фильтром 403 низких частот и усилителем 405 мощности.

Таким образом, левый передний динамик 103 и правый передний динамик 105 можно убрать, а вместо них можно использовать громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот в левом окружном динамике 201 и громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот в правом окружном динамике 203, получая в результате систему из фиг.6.

Таким образом, очень значительное преимущество описанного подхода состоит в том, что он не только позволяет прямо установленным динамикам создавать объемные звуки, но также допускает сокращение общего количества необходимых динамиков.

В качестве альтернативы или дополнительно, окружные динамики 203, 205 также могут использоваться для центрального канала. Например, вместо (или в некоторых сценариях - а также) левого переднего канала, подаваемого в объединитель 501, в него можно подавать центральный канал. Таким образом, громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот в левом окружном динамике 203 также может использоваться для излучения центрального канала. Центральный канал также может подаваться в объединитель 501, чтобы правый окружной динамик 205 обеспечил центрально воспринимаемое местоположение источника звука для сигнала центрального канала, излучаемого левым и правым окружными динамиками 203, 205.

Конечно, в некоторых вариантах осуществления система может обеспечить пространственный объемный звук с использованием только окружных динамиков 203, 205, и в частности, окружные динамики 203, 205 могут использоваться для воссоздания левого и правого канала окружения, левого и правого переднего канала и центрального канала.

В некоторых вариантах осуществления первый управляющий блок 303 может быть выполнен с возможностью формирования управляющего сигнала в ответ на характеристику сигнала по меньшей мере одного другого канала из многоканального пространственного сигнала, чем по меньшей мере один канал окружения, который воспроизводится направленным ультразвуковым преобразователем 305. В частности, управляющий сигнал может формироваться в ответ на уровень сигнала у одного или нескольких этих других каналов.

Конечно, во многих сценариях невозможно или нежелательно создавать очень высокие уровни звука с использованием ультразвукового громкоговорителя. Это может ограничиваться, например, нормами на воздействие ультразвуком или практическими ограничениями реализации. Также субъективный эффект ультразвука может зависеть от общего времени воздействия, которое может преимущественно ограничиваться. Поэтому в некоторых вариантах осуществления первый управляющий сигнал может формироваться, принимая во внимание уровень звукового давления, созданный другими звуковыми каналами в многоканальном пространственном сигнале. Соответственно, ультразвук, сформированный направленным ультразвуковым преобразователем, может ограничиваться до моментов, в которых уровень сигнала в одном или нескольких других каналах соответствует некоему критерию. В частности, направленный ультразвуковой преобразователь может использоваться только в моменты, когда общий уровень громкости низкий, посредством этого гарантируя, что направленный ультразвуковой преобразователь ограничен созданием безопасного уровня воздействия на слушателя. В частности, последовательности с низким общим уровнем звукового давления и отчетливыми окружающими звуковыми эффектами распространены в звукозаписи для кинофильмов, и описанный подход может особенно подходить, например, для систем домашнего кинотеатра.

Направленные ультразвуковые преобразователи 305 по своей природе обладают низкой эффективностью и плохой частотной характеристикой на низких частотах. Основной нелинейный процесс, посредством которого формируется звук, можно приблизительно выразить приближением Берктея (Berktay) для дальней зоны (Berktay, H. O. (1965) Possible exploitation of non-linear acoustics in underwater transmitting applications. J. Sound Vib., (2), 435-461), которое устанавливает, что слышимый звук пропорционален второй производной квадрата огибающей

,

где - звуковой сигнал, а - огибающая. является функцией звукового сигнала, который нужно воспроизвести. Дифференциал второго порядка представляет частотно-зависимую функцию усиления, пропорциональную , где является частотой. Эта функция усиления означает, что для каждого удвоения частоты эффективность ультразвукового громкоговорителя увеличивается на 12 дБ.

Чтобы обеспечить высококачественный звук из направленного ультразвукового преобразователя 305, должна применяться функция компенсации, чтобы обеспечить сбалансированную частотную характеристику. Чтобы выровнять присущую зависимость, к входному сигналу может применяться фильтр с отношением . Этот фильтр эквивалентен фильтру низких частот с крутизной 12 дБ.

Выбор точки -3 дБ (граничная частота) для этого фильтра выравнивания низких частот определяет максимальный достижимый Уровень звукового давления (SPL) у выхода звука для направленного ультразвукового преобразователя. При прочих равных условиях направленный ультразвуковой преобразователь с граничной частотой на 2000 Гц может воспроизводить на 12 дБ громче, чем направленный ультразвуковой преобразователь с граничной частотой на 1000 Гц.

Как описано в изобретении, громкоговоритель 309 диапазона звуковых частот используется для формирования средних/низких частот ниже этой граничной частоты. В идеале граничная точка низкой частоты будет выбираться, чтобы иметь как можно более низкую частоту. Это означает, что направленный ультразвуковой преобразователь обеспечивает больше звуковых меток для целей локализации, а метки локализации, созданные громкоговорителем диапазона звуковых частот, сводятся к минимуму. С другой стороны, на низких частотах выход звука направленного ультразвукового преобразователя является низким, ограничивая максимальный выходной SPL системы.

Типичный направленный ультразвуковой преобразователь может допускать максимальный выход звука около 70 дБ при 1000 Гц. Для звуковоспроизведения домашнего кинотеатра 70 дБ может быть недостаточно для создания многонаправленного и охватывающего эффекта. Чтобы применяться для звуковоспроизведения домашнего кинотеатра, максимальную амплитуду может потребоваться увеличить.

Невозможно просто увеличить SPL направленного ультразвукового преобразователя, так как это быстро превысило бы эксплуатационные ограничения преобразователя и электроники, приведя к серьезному искажению и возможной передаче опасных уровней ультразвука. Чтобы достичь большей субъективной амплитуды, можно использовать функцию динамического усиления. Функция динамического усиления автоматически изменяет границу нижней частоты фильтра выравнивания в направленном ультразвуковом преобразователе и граничную частоту фильтра 403 низких частот, примененного в громкоговорителе диапазона звуковых частот, на основе текущих требований к SPL. Таким образом, на основе входящего звукового сигнала точки -3 дБ обоих фильтров автоматически регулируются, так что достигается необходимый SPL. В самой элементарной реализации граница нижней частоты направленного ультразвукового преобразователя и частота -3 дБ фильтра 403 низких частот для громкоговорителя диапазона звуковых частот одинаковы и могут называться частотой разделения.

Например, когда сигнал, который нужно воспроизвести, имеет малую амплитуду, частота разделения может выбираться как можно ниже, см. фиг.7A. Этот выбор максимизирует звуковые метки из точки отражения направленного ультразвукового преобразователя, обеспечивая сильную слуховую иллюзию. Если амплитуда сигнала, который нужно воспроизвести, превышает максимальную возможность SPL направленного ультразвукового преобразователя при заданной частоте разделения, то частоту разделения можно увеличить, чтобы воспользоваться повышенной эффективностью направленного ультразвукового преобразователя на высоких частотах, см. фиг.7В. Этот выбор дает возможность вывода с более высоким SPL и меньшим искажением, но немного уменьшает силу слуховой иллюзии. Функция динамического усиления соответственно жертвует силой звуковой иллюзии в обмен на максимальный SPL системы.

Следует отметить, что «ультразвуковой динамик» и «обычный динамик», используемые в условных обозначениях на фиг.7А и фиг.7В, являются направленным ультразвуковым преобразователем и громкоговорителем диапазона звуковых частот соответственно. То же самое справедливо для фиг.8А и фиг.8В.

Отношение, задающее мгновенную частоту разделения и SPL системы, можно создать из зависимости в формуле Берктея. Если - максимальный SPL неискаженного звука (в Па), который ультразвуковой громкоговоритель может достичь при 1000 Гц, а - необходимый мгновенный SPL (в Па), то точкой разделения является

.

В описанном выше варианте осуществления, когда увеличивается частота разделения, уменьшается относительная сила направленных звуковых меток, выпущенных из направленного ультразвукового преобразователя, в то время как нежелательные направленные метки из громкоговорителя диапазона звуковых частот увеличиваются. Результатом является более слабая звуковая иллюзия. Чтобы максимизировать производительность, границей нижней частоты у фильтра выравнивания в направленном ультразвуковом преобразователе и граничной частотой фильтра низких частот для громкоговорителя диапазона звуковых частот можно управлять независимо на основе психоакустически оптимизированной системы. Это система объемного звука ограничивала бы энергию, переданную низкочастотным громкоговорителем, выше критического диапазона частот, например от 800 Гц до 2000 Гц. Таким образом, относительная сила направленных звуковых меток, выпущенных направленным ультразвуковым преобразователем, сохраняется над этой критической полосой частот за счет плоской частотной характеристики, см. фиг.8А и фиг.8В. Теперь функция динамического усиления может пожертвовать максимальной амплитудой в обмен на плоскую частотную характеристику, и слегка затрагивается сила слуховой иллюзии. Точная сущность функции динамического усиления тогда определяется функцией психоакустического взвешивания, оптимизированной для максимизации силы иллюзии на всех уровнях выхода звука.

Выбор функции динамического усиления может зависеть от применения. Например, для применений Hi-Fi плоская частотная характеристика может рассматриваться как самый важный фактор, и могла бы применяться базовая схема динамического усиления. Для применений домашнего кинотеатра самым важным фактором может считаться достижение сильных меток локализации с тыла. В этом случае психоакустически оптимизированная функция динамического усиления была бы наиболее подходящей.

Фиг.9 показывает примерную архитектуру системы объемного звука с функцией динамического усиления в соответствии с изобретением. Эта архитектура является архитектурой из фиг.2, которая дополнительно содержит блок 900 управления динамическим усилением. Упомянутый блок 900 регулирует частоту разделения на основе максимального SPL, как обсуждалось выше. Частота разделения передается в первую схему 303 управления и вторую схему 307 управления.

Нужно будет принять во внимание, что вышеприведенное описание для ясности описало варианты осуществления изобретения со ссылкой на разные функциональные схемы, блоки и процессоры. Однако станет очевидно, что может использоваться любое подходящее распределение функциональных возможностей между разными функциональными схемами, блоками или процессорами без преуменьшения изобретения. Например, функциональные возможности, проиллюстрированные как выполняемые отдельными процессорами или контроллерами, могут выполняться одним процессором или контроллером. Поэтому ссылки на конкретные функциональные блоки или схемы нужно рассматривать только в качестве ссылок на подходящее средство для обеспечения описанных функциональных возможностей, а не указания на строгую логическую или физическую структуру или организацию.

Изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме, включая аппаратные средства, программное обеспечение, микропрограммное обеспечение или любое их сочетание. Изобретение при желании может быть реализовано, по меньшей мере частично, в виде компьютерного программного обеспечения, выполняемого на одном или нескольких процессорах данных и/или цифровых процессорах сигналов. Элементы и компоненты из варианта осуществления изобретения могут быть физически, функционально и логически реализованы любым подходящим способом. В действительности функциональные возможности могут быть реализованы в одном блоке, во множестве блоков или как часть других функциональных блоков. По существу, изобретение может быть реализовано в одном блоке, или может быть физически и функционально распределено между разными блоками, схемами и процессорами.

Хотя настоящее изобретение описано применительно к некоторым вариантам осуществления, оно не подразумевается ограниченным конкретной формой, изложенной в этом документе. Наоборот, объем настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения. Более того, хотя признак может казаться описанным по отношению к конкретным вариантам осуществления, специалисту в данной области техники будет понятно, что различные признаки описанных вариантов осуществления могут объединяться в соответствии с изобретением. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов.

Кроме того, хотя и не перечислено отдельно, множество средств, элементов, схем или этапов способа могут быть реализованы, например, одиночной схемой, блоком или процессором. Более того, хотя отдельные признаки могут быть включены в разные пункты формулы изобретения, они могут по возможности выгодно объединяться, и включение в разные пункты формулы не подразумевает, что сочетание признаков не является осуществимым и/или выгодным. Также включение признака в одну категорию пунктов формулы не подразумевает ограничение этой категорией, а скорее указывает, что при необходимости признак в равной степени применим к другим категориям пунктов формулы. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не подразумевает никакого конкретного порядка, в котором должны обрабатываться признаки, и в частности, порядок отдельных этапов в пункте формулы изобретения на способ не подразумевает, что этапы должны выполняться в этом порядке. Скорее, этапы могут выполняться в любом подходящем порядке. К тому же единичные ссылки не исключают множества. Таким образом, упоминание «первого», «второго» и т.д. не исключает множества. Ссылочные позиции в формуле изобретения приведены лишь в качестве поясняющего примера и не должны толковаться как ограничивающие объем формулы изобретения каким-либо образом.

Изобретение относится к системе объемного звука. Технический результат заключается в повышении качества воспроизведения аудио и повышении производительности системы объемного звука. Принимают многоканальный пространственный сигнал, который содержит по меньшей мере один канал окружения. Излучают ультразвук в направлении поверхности для достижения положения прослушивания посредством отражения от упомянутой поверхности. Ультразвуковой сигнал может достигать положения прослушивания конкретно сбоку, сверху или сзади от номинального слушателя. Первый управляющий блок формирует управляющий сигнал для направленного ультразвукового преобразователя из канала окружения. Использование ультразвукового преобразователя для обеспечения сигнала объемного звука обеспечивает улучшенное пространственное восприятие, позволяя при этом располагать динамик, например, спереди от пользователя. Ультразвуковой пучок является гораздо более узким и четко определенным, нежели обычные звуковые пучки, и соответственно может лучше направляться для обеспечения желаемых отражений. В некоторых сценариях ультразвуковой преобразователь может быть дополнен громкоговорителем диапазона звуковых частот. 2 н.з. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Система объемного звука, содержащая:
схему (301) для приема многоканального пространственного сигнала, содержащего по меньшей мере один канал окружения;
направленный ультразвуковой преобразователь (305) для излучения ультразвука в направлении поверхности для достижения положения прослушивания (111) посредством отражения от упомянутой поверхности;
первую схему (303) управления для формирования первого управляющего сигнала для направленного ультразвукового преобразователя (305) из объемного сигнала канала окружения;
громкоговоритель (309) диапазона звуковых частот;
вторую схему (307) управления для формирования второго управляющего сигнала для громкоговорителя (309) диапазона звуковых частот из объемного сигнала; и
схему (401) задержки для внесения задержки второй составляющей сигнала во втором управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, относительно первой составляющей сигнала в первом управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала;
причем задержка превышает разность задержки в траектории передачи между траекторией передачи от направленного ультразвукового преобразователя (305) к положению (111) прослушивания и прямой траекторией от громкоговорителя (309) диапазона звуковых частот к положению (111) прослушивания не менее чем на 1 мс и не более чем на 40 мс.

2. Система объемного звука по п.1, в которой схема (401) задержки выполнена с возможностью изменения задержки в ответ на значение задержки в траектории передачи, причем значение задержки в траектории передачи указывает задержку траектории передачи от направленного ультразвукового преобразователя (305) к положению (111) прослушивания.

3. Система объемного звука по п.1, в которой схема (401) задержки выполнена с возможностью изменения задержки в ответ на значение положения источника звука.

4. Система объемного звука по п.1, в которой первый частотный диапазон полосы пропускания для формирования первого управляющего сигнала из объемного сигнала отличается от второго частотного диапазона полосы пропускания для формирования второго управляющего сигнала из объемного сигнала.

5. Система объемного звука по п.4, в которой верхняя граничная частота для первого частотного диапазона полосы пропускания выше верхней граничной частоты для второго частотного диапазона полосы пропускания.

6. Система объемного звука по п.1, в которой вторая схема (307) управления содержит фильтр (403) низких частот.

7. Система объемного звука по п.1, в которой вторая схема (307) управления дополнительно выполнена с возможностью формирования второго управляющего сигнала из переднего канала многоканального пространственного сигнала.

8. Система объемного звука по п.1, дополнительно содержащая схему для изменения осевого направления направленного ультразвукового преобразователя (305) относительно осевого направления громкоговорителя (309) диапазона звуковых частот.

9. Система объемного звука по п.1, дополнительно содержащая схему для приема сигнала измерения от микрофона; и схему для адаптации уровня второй составляющей сигнала во втором управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, относительно первой составляющей сигнала в первом управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, в ответ на сигнал измерения.

10. Система объемного звука по п.1, в которой нормализованное соотношение с компенсированной задержкой между второй составляющей сигнала во втором управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, и первой составляющей звукового сигнала в первом управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, равно не менее 0,50.

11. Система объемного звука по п.1, дополнительно содержащая схему для приема сигнала измерения от микрофона; и схему для адаптации осевого направления направленного ультразвукового преобразователя (305) в ответ на сигнал измерения.

12. Способ работы для системы объемного звука, содержащей направленный ультразвуковой преобразователь (305) для излучения ультразвука в направлении поверхности для достижения положения (111) прослушивания посредством отражения от упомянутой поверхности, причем способ содержит этапы, на которых:
принимают многоканальный пространственный сигнал, содержащий по меньшей мере один канал окружения; и
формируют первый управляющий сигнал для направленного ультразвукового преобразователя (305) из объемного сигнала канала окружения;
формируют второй управляющий сигнал для громкоговорителя (309) диапазона звуковых частот из объемного сигнала;
вносят задержку второй составляющей сигнала во втором управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала, относительно первой составляющей сигнала в первом управляющем сигнале, возникающем из объемного сигнала;
причем задержка превышает разность задержки в траектории передачи между траекторией передачи от направленного ультразвукового преобразователя (305) к положению (111) прослушивания и прямой траекторией от громкоговорителя (309) диапазона звуковых частот к положению (111) прослушивания не менее чем на 1 мс и не более чем на 40 мс.