УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО АУДИОСИГНАЛА И СПОСОБ ВЫРАБОТКИ МНОГОКАНАЛЬНОГО АУДИОСИГНАЛА Российский патент 2020 года по МПК H04R5/02 

Настоящее изобретение касается многоканальных аудиосистем.

Уровень техники

Многоканальные аудиосистемы отличаются от стереофонических аудиосистем количеством каналов аудиоинформации и соответствующим количеством громкоговорителей, используемых для воспроизведения. Стереофонические системы отличаются двумя каналами, а обычные многоканальные аудиосистемы содержат 5 или более каналов.

Одна из целей многоканальной аудиосистемы заключается в том, чтобы предоставить слушателю эффект погружения дирижера или артиста на сцене.

Один важный фактор такого эффекта заключается в способности выработать реалистичную «звуковую сцену», в которой каждый объект - например, музыкальные инструменты, - в выработанном звуке слушатель ощущает как исходящий из некоторого положения. При сведении многоканального аудиосигнала звуковые инженеры располагают каждый звуковой объект обычно в виртуальном положении между двумя каналами. Далее с использованием амплитудного панорамирования, определяют компоненты каждого звукового объекта в двух каналах. Когда каждый канал воспроизводится соответствующим громкоговорителем, слушатель воспринимает звук, как исходящий из некоторого местоположения, определенного с помощью амплитудного панорамирования и расположения громкоговорителей относительно слушателя.

Другим фактором, важным для такого эффекта, является то, какой уровень (SPL) звукового давления способна выработать система там, где расположен слушатель. Концерты и аналогичные живые выступления могут подразумевать пиковый SPL выше 120 дБ.

У большинства многоканальных аудиосистем громкоговорители расположены рядом со стенами комнаты, при этом слушатель размещен направленным в центр комнаты. Для обеспечения SPL, равного 120 дБ, для слушателя при таком расположении, SPL в большинстве мест вдоль стен комнаты больше 120 дБ, что нежелательно в жилых районах.

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым аспектом изобретения, предложено устройство для воспроизведения многоканального аудиосигнала, состоящего из одного или нескольких звуковых объектов, при этом каждый звуковой объект присутствует в нескольких каналах, указанное устройство содержит:

несколько первых громкоговорителей, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по первой дуге перед заранее заданной зоной прослушивания, при этом каждый из первых громкоговорителей направлен к зоне прослушивания и, по существу, расположен на одинаковом расстоянии от нее;

несколько вторых громкоговорителей, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по второй дуге сзади зоны прослушивания, при этом каждый из вторых громкоговорителей направлен к зоне прослушивания;

усилитель, расположенный так, чтобы вырабатывать усиленный сигнал из каждого канала в аудиосигнале, каждый усиленный сигнал предоставляют на соответствующий первый или второй громкоговоритель;

причем при использовании каждый звуковой объект так воспроизводится одним или несколькими громкоговорителями, что SPL в точке, находящейся на некотором расстоянии от устройства, меньше SPL в зоне прослушивания.

Предпочтительно, чтобы SPL в точке, находящейся от устройства на том же расстоянии, на которое первый громкоговоритель отстоит от зоны прослушивания, был на 15 дБ меньше SPL в зоне прослушивания.

Предпочтительно, чтобы количество первых и вторых громкоговорителей составляло, по меньшей мере, 13, при этом количество первых громкоговорителей больше количества вторых громкоговорителей.

Предпочтительно, чтобы несколько вторых громкоговорителей были расположены ближе к зоне прослушивания по сравнению с первыми громкоговорителями.

Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало корпус, расположенный сзади зоны прослушивания, причем усилитель и вторые громкоговорители расположены в указанном корпусе.

Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало сабвуфер, расположенный в указанном корпусе.

Предпочтительно, чтобы каждый первый громкоговоритель был расположен в некотором соответствующем корпусе, при этом корпуса соседних первых громкоговорителей связаны друг с другом.

Предпочтительно, чтобы многоканальный аудиосигнал вырабатывали с помощью способа по любому п.п. 5 - 8 формулы изобретения.

В соответствии со вторым аспектом изобретения, предложен способ выработки многоканального аудиосигнала из одного или нескольких звуковых объектов, указанный способ включает в себя следующее:

для каждого сигнала звукового объекта:

вырабатывают несколько сигналов ширины, в которых устранена корреляция, при этом амплитуды указанных сигналов ширины соответствуют, по существу, нормальному распределению;

обрабатывают несколько сигналов ширины с целью выработки нескольких сигналов панорамирования, при этом каждый сигнал панорамирования сопоставляют, по меньшей мере, с одним каналом;

для каждого канала в аудиосигнале, объединяют сигналы панорамирования от каждого звукового объекта для этого канала.

Предпочтительно, чтобы этап устранения корреляции фазы каждого сигнала ширины включал в себя следующее: добавляют к каждому сигналу ширины разные фазовые смещения и изменяют фазовое смещение каждого сигнала ширины с периодом Т.

Предпочтительно, чтобы, по существу, нормальное распределение соответствовало настраиваемому пользователем стандартному отклонению.

Предпочтительно, чтобы настраиваемое пользователем стандартное отклонение можно было настраивать для каждого сигнала звукового объекта.

Предпочтительно, чтобы способ дополнительно включал в себя этап нормализации амплитуд сигналов ширины, чтобы амплитуда суммы сигналов ширины равнялась амплитуде сигнала звукового объекта.

Предпочтительно, чтобы способ дополнительно включал в себя следующее: обрабатывают каждый сигнал звукового объекта с целью выработки сигнала с откорректированной глубиной, и вырабатывают несколько сигналов ширины из сигнала с откорректированной глубиной.

Краткое описание чертежей

Далее, изобретение будет описано с помощью примера и со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

фиг. 1 - вид сверху с частичным вырезом, показывающий устройство воспроизведения многоканального аудиосигнала в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг. 2 - вид сзади в перспективе, показывающий устройство с фиг. 1;

фиг. 3 - вид спереди в перспективе, показывающий устройство с фиг. 1;

фиг. 4 - вид, показывающий уровни (SPL) звукового давления при использовании устройства с фиг. 1;

фиг. 5 - вид, показывающий SPL сравнимой комнаты, в которой используют обычные стереофонические громкоговорители и аудиосистему;

фиг. 6 - вид, показывающий SPL сравнимой комнаты, в которой используют многоканальные громкоговорители и аудиосистему; и

фиг. 7 - вид, показывающий схему обработки сигналов, иллюстрирующую способ выработки многоканального аудиосигнала в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 - 3 показано устройство 10 воспроизведения многоканального аудиосигнала в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Устройство 10 содержит несколько первых громкоговорителей 12, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по первой дуге 14. Каждый из первых громкоговорителей 12 направлен к зоне 16 прослушивания, предусмотренной в устройстве 10. Предпочтительно, чтобы первые громкоговорители 12, по существу, находились на одинаковом расстоянии от зоны 16 прослушивания. Предпочтительно, чтобы первая дуга 14 была круговой, как показано на чертежах; тем не менее, также могут быть использованы эллиптические или другие дугообразные кривые.

Несколько вторых громкоговорителей 18 расположены на некоторых расстояниях друг от друга по второй дуге 20. Каждый из вторых громкоговорителей 18 направлен к зоне 16 прослушивания.

Слушатель 22 показан на фиг. 1 в зоне 16 прослушивания направленным к первым громкоговорителям 12. В настоящем документе термины «спереди» и «сзади» используются относительно зоны 16 прослушивания в соответствии с ориентацией слушателя, показанного на фиг. 1.

Как показано на фиг. 1, первые громкоговорители 12 расположены спереди зоны 16 прослушивания, направленными к ней, и окружают зону 16 прослушивания спереди на 180°. Вторые громкоговорители 18 расположены сзади зоны 16 прослушивания. В этом варианте осуществления изобретения использовано тринадцать (13) первых громкоговорителей 12 и пять (5) вторых громкоговорителей 18, хотя могут быть использованы другие количества. Тем не менее, предпочтительно, чтобы количество первых и вторых громкоговорителей равнялось, по меньшей мере, тринадцати.

Предусмотрено две низкочастотные головки 24 громкоговорителя, которые расположены на каждой стороне зоны 16 прослушивания и сзади зоны 16 прослушивания в корпусе 26. Низкочастотные головки 24 громкоговорителя выполнены как сабвуферы. Вторые громкоговорители 18 также расположены в корпусе 26.

Вторая дуга 20, показанная на фиг. 2, обладает большим радиусом по сравнению с первой дугой 14. Громкоговорители 18 расположены ближе к слушателю 22 по сравнению с громкоговорителями 12. Это уменьшает размер устройства 10, позволяя устанавливать его в меньших комнатах, без ухудшения восприятия слушателем воспроизведения звука.

Усилитель 28 вырабатывает усиленные сигналы для каждого канала для аудиосигнала. Предпочтительно, чтобы аудиосигнал обладал отдельным каналом для каждого громкоговорителя 12, 18 и 24. Таким образом, усилитель 28 обеспечивает отдельный, усиленный сигнал для каждого громкоговорителя и для сабвуферов, Усилитель 28 расположен сзади зоны 16 прослушивания в корпусе 26. Термин усилитель 28 охватывает многоканальный усилитель, несколько одноканальных усилителей или их комбинацию. С точки зрения эффективности предпочтительны усилители класса D, хотя могут быть использованы другие классы.

Устройство 10 содержит основание 30, на котором установлен корпус 26. Каждый первый громкоговоритель 32 расположен в корпусе 32, который установлен на основании 30. Соседние корпуса 32 соединены с помощью пластин 34, которые расположены между верхними поверхностями корпусов. При такой установке корпуса 32 образуют непрерывную дугу.

Многоканальный аудиосигнал состоит из одного или нескольких звуковых объектов. Каждый звуковой объект присутствует в нескольких каналах аудиосигнала, что будет подробно описано ниже.

Когда устройство 10 воспроизводит аудиосигнал, каждый звуковой объект воспроизводится одним или несколькими громкоговорителями 12, 18. Звуки всех громкоговорителей сходятся в зоне 16 прослушивания. Так как каждый громкоговоритель 12, по существу, расположен на одинаковом расстоянии от зоны 16 прослушивания, то звуки от соседних громкоговорителей 12, воспроизводящих некоторый звуковой объект, доходят до зоны 16 прослушивания одновременно и арифметически складываются в зоне 16 прослушивания.

Когда устройство 10 воспроизводит аудиосигнал, SPL в точке, находящейся на некотором расстоянии от устройства 10, меньше SPL в зоне 16 прослушивания. Этому эффекту способствуют два фактора. Во-первых, зона 16 прослушивания, по существу, находится на одном расстоянии от громкоговорителей 12, так что их звуковые выходы объединяются в зоне 16 прослушивания, а в других местоположениях длины путей от каждого громкоговорителя будут различны, в результате чего будет иметь место некоторая ослабляющая интерференция. Во-вторых, громкоговорители расположены рядом и ориентированы по направлению к зоне 16 прослушивания, а снаружи устройства 10 среднее расстояние до громкоговорителей увеличивается с увеличением расстояния от устройства, в результате чего уменьшается SPL.

На фиг. 4 - 6 показаны результаты моделирования SPL в комнате с площадью 50 м². Для каждой из этих фиг. была установлена модель для выработки SPL, равного 125 дБ в зоне прослушивания, и далее был вычислен SPL в комнате.

На фиг. 4 показан SPL с использованием устройства 10, при этом SPL на стенках комнаты составляет, по меньшей мере, на 10 дБ и до 15 - 20 дБ меньше, чем в зоне прослушивания. На фиг. 5 показан SPL с использованием традиционной стереофонической схемы расположения. В этой схеме расположения, SPL наибольший в непосредственной близости с громкоговорителями и соседними стенками. На фиг. 6 показан SPL в типовых многоканальных системах, когда громкоговорители расположены на границе комнаты. Как показано, SPL в комнате и на стенках сравнительно одинаков.

Выработка обычных аудиосигналов включает в себя организацию моноуральных дорожек, при этом каждая дорожка представляет некоторый звуковой объект; такие дорожки также называются сигналами звуковых объектов. Для студийной записи, будет присутствовать дорожка для каждого инструмента и певца. Звуковой инженер располагает эти дорожки, регулируя взаимные амплитуды. Далее дорожки сводят вместе и вырабатывают нужное количество каналов с использованием технологий амплитудного панорамирования.

Предпочтительный способ выработки аудиосигнала, соответствующий варианту осуществления изобретения, включает в себя три стадии обработки, которые применяют к дорожке для каждого звукового объекта - ширина, глубина и панорамирование - что описано ниже со ссылкой на фиг. 7.

Глубина.

Каждую дорожку или сигнал звукового объекта фильтруют с помощью низкочастотного IIR фильтра 102 второго порядка, обрезного IIR фильтра 104 высоких частот второго порядка и обрезного IIR фильтра 106 низких частот второго порядка. Эти фильтры 102, 104 и 106 применяются с целью представления изменений частоты, которые имеют место при увеличении расстояния до источника звука. Каскад 108 усиления, предусмотренный на выходе фильтра 106, вырабатывает два выходных сигнала с откорректированной глубиной, которые называются прямым и реверберирующим сигналами.

Примеры фильтров 102, 104 и 106 и каскада 108 усиления приведены ниже для параметра d глубины, значение которого находится между 0 и 1, при этом 0 означает близость к слушателю, а 1 означает большое расстояние.

Фильтр 102 может быть низкочастотным фильтром Баттерворта второго порядка с частотой fc среза, где fc = 20 кГц, если d <= 0,2, и fc = 20 кГц - 15 кГц * (d-0,2)/0,8, если d > 0,2.

Фильтр 104 может быть обрезным IIR фильтром высоких частот второго порядка с частотой излома, равной 80 Гц, Q = 0,5, и усиление (дБ) = 3,0 * (1,0 - 5*d)², если d <= 0,2, и усиление (дБ) = -6,0 * ((d - 0,2)/0,8)², если d > 0,2.

Фильтр 106 может быть обрезным IIR фильтром низких частот второго порядка с частотой излома, равной 16 кГц, Q = 0,5, и усиление (дБ) = 6,0 * (1,0 - 5*d)², если d <= 0,2, и усиление (дБ) = 0,0, если d > 0,2.

Каскад 108 усиления может быть простым регулятором усиления, где усиление (дБ) = 3,0 * (1,0 - 5*d)², если d <= 0,2, и усиление (дБ) = -12,0 * ((d - 0,2)/0,8)², если d > 0,2.

Следует понимать, что приведенные выше значения являются только примерами и могут быть использованы другие значения.

Прямой сигнал переходит на стадию Ширина, которая описана ниже. Реверберирующий сигнал обрабатывают с использованием устройства 110 моделирования акустического пространства. Устройство 110 моделирования добавляет настраиваемое количество реверберации. Балансировка амплитуд прямого и реверберирующего сигналов, например, в каскаде 108 усиления, обеспечивает дополнительное ощущение глубины. Устройство 110 моделирования использует алгоритм с одним входом и n выходами. n выходов обладают аналогичным энергосодержанием, но для них устранена корреляция с использованием сетей задержки обратной связи с разными временными постоянными для каждого выхода.

Природа n выходов с устраненной корреляцией позволяет соседним громкоговорителям воспроизводить их без влияния на возможность определения слушателем 22 местоположения звукового объекта (местоположение которого определяется с помощью прямого сигнала), при этом вносят вклад в фокусировку акустической энергии в зоне 16 прослушивания и обеспечивают ощущение глубины. Обычно n < 13 и далее n выходов могут быть сопоставлены всем каналам в аудиосигнале, при этом некоторых из них подают с помощью одного и того же выхода. В качестве альтернативы, n выходов могут быть сопоставлены некоторому подмножеству этих каналов с использованием, например, стандартных технологий аудио панорамирования.

Ширина.

Прямой сигнал со стадии Глубина является входом на разделительный фильтр 112 четвертого порядка, который разделяет сигнал на две полосы: низкочастотная (LF) часть и высокочастотная (HF) часть. Частоту разделения фильтра 112 выбирают так, чтобы она была ниже частоты f_a=2c/d_{динамиков} пространственного искажения, где f_a является частотой пространственного искажения, c является скоростью распространения звука в воздухе и d_{динамиков} является расстоянием между центрами двух соседних динамиков. В этом варианте осуществления изобретения, f_a примерно равна 500 Гц, но ничто не мешает использовать меньшую частоту.

HF часть сигнала проходит через k параллельных каскадов 114 усиления с целью выработки k сигналов, при этом на фиг. 7 показан пример, в котором k = 5. Каскады 114 усиления применяют усиления к каждому из k сигналов в соответствии с нормальным распределением, стандартным отклонением которого управляют с помощью настраиваемого параметра Ширина. Предпочтительно, чтобы усиления каскадов 114 усиления были так нормализованы, чтобы сумма k выходов каскадов 114 усиления не показывала никакого отклонения от амплитуды HF входного сигнала. Чем больше значение параметра Ширина, тем более ровно распределение усилений, примененных каскадами 114 усиления. Это приводит к большему управлению SPL снаружи устройства 10.

Предпочтительно, чтобы k было нечетным числом, так что середина из k сигналов обладает большей амплитудой по сравнению с другими из k сигналов, что помогает слушателю 22 определить расположение звукового объекта. В других вариантах осуществления изобретения могут быть использованы значения k, отличные от 5.

Каждый из k сигналов проходит через один из всечастотных FIR фильтров 116. Каждый FIR фильтр 116 изменяет фазу входящего сигнала со спектральным периодом Т и разными смещениями начальной фазы по сравнению с другими FIR фильтрами 116 с целью выработки одного из k сигналов ширины, которые показаны на фиг. 7 как 118. В k сигналах ширины устранена корреляция по фазе благодаря действию фильтров 116. Могут быть использованы такие шаблоны колебания фазы, как синусоиды, а также другие шаблоны колебания фазы.

Действие стадии Ширина обработки заключается в выработке k сигналов ширины со свойствами относительных фаз, которые позволяют воспроизводить их на k соседних громкоговорителях устройства 10 без создания взаимной компенсации частот в зоне 16 прослушивания.

На фиг. 7 показана LF часть, прибавляемая к среднему сигналу из k сигналов. В других вариантах осуществления изобретения LF часть может быть применена к более чем одному из k сигналов или соответствовать такому же распределению усиления/панорамирования, что и описанная выше HF часть.

Панорамирование.

Каждый из k сигналов ширины проходят через обрезной IIR фильтр 120 высоких частот второго порядка и каскад 122 усиления с целью выработки k сигналов панорамирования. Фильтр 120 обеспечивает низкочастотную корректировку усиления, которая уменьшает изменение тональности звукового объекта при панорамировании для громкоговорителей 12, 18. Обычно, усиление фильтра 120 составляет -3 дБ, когда объект находится на одинаковом расстоянии от двух ближайших динамиков.

Далее, используют стандартные технологии амплитудного панорамирования для сопоставления k сигналов панорамирования и каналов в аудиосигнале. k сигналов панорамирования панорамируют с угловым этапом, который соответствует угловому расстоянию между громкоговорителями 12, 18 в зависимости от расположения звукового объекта. Это приводит к некоторому набору сигналов в k каналах или k+1 канале в аудиосигнале, которые аналогичны по энергосодержанию, но в которых устранена корреляция по фазе. Это вносит вклад в фокусировку акустической энергии в зоне прослушивания. Указанное не влияет на способность слушателя определить местоположение звукового объекта: слушатель определяет местоположение звукового объекта на основе самого громкого кажущегося источника звука; сигналы с устраненной корреляцией по любую сторону от самого громкого сигнала для каждого звукового объекта не влияют на определение слушателем местоположения звукового объекта, так как для слушателя звук с устраненной корреляцией не обладает кажущимся местоположением.

Описанную выше обработку осуществляют для каждого звукового объекта и выходов, объединенных для канала, с целью выработки многоканального аудиосигнала. Эта технология обработки обеспечивает звуковую сцену с отличной объемностью, улучшенной способностью пользователя точно определять местоположение каждого звукового объекта при одновременном поддержании точного управления тем, как акустическая энергия распространяется снаружи устройства.

Хотя аспекты настоящего изобретения конкретно показаны и описаны со ссылками на приведенные выше варианты осуществления изобретения, специалистам в рассматриваемой области ясно, что путем модификации описанных устройств, систем и способов могут быть предложены различные дополнительные варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы объема и идеи изобретения, которые определены в формуле изобретения.

Изобретение относится к акустике. Способ получения многоканального аудиосигнала из одного или нескольких сигналов звуковых объектов включает в себя следующие действия: для каждого сигнала звукового объекта вычисляют несколько сигналов ширины, в которых устранена корреляция, из сигнала звукового объекта путем дублирования части сигнала звукового объекта, обрабатывают несколько сигналов ширины с целью выработки нескольких сигналов панорамирования, при этом каждый сигнал панорамирования сопоставляют по меньшей мере с одним каналом. Для каждого канала в аудиосигнале объединяют сигналы панорамирования от каждого звукового объекта для этого канала. При этом для каждого сигнала звукового объекта несколько сигналов ширины, в которых устранена корреляция, вырабатывают путем применения усилений к каждому из дублированных сигналов, в котором применяемые усиления соответствуют нормальному распределению. Технический результат – повышение качества и реалистичности звуковой сцены. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ выработки многоканального аудиосигнала из одного или нескольких сигналов звуковых объектов, указанный способ включает в себя следующее:

для каждого сигнала звукового объекта:

вырабатывают несколько сигналов ширины, в которых устранена корреляция, из сигнала звукового объекта путем дублирования части сигнала звукового объекта;

обрабатывают несколько сигналов ширины с целью выработки нескольких сигналов панорамирования, при этом каждый сигнал панорамирования сопоставляют по меньшей мере с одним каналом;

для каждого канала в аудиосигнале объединяют сигналы панорамирования от каждого звукового объекта для этого канала;

отличающийся тем, что для каждого сигнала звукового объекта несколько сигналов ширины, в которых устранена корреляция, вырабатывают путем применения усилений к каждому из дублированных сигналов, в котором применяемые усиления соотвествуют нормальному распределению.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап нормализации применяемых усилений таким образом, что амплитуда сумм сигналов ширины равна амплитуде части сигнала звукового объекта.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором, по существу, нормальное распределение соответствует настраиваемому пользователем стандартному отклонению.

4. Способ по п. 1, в котором этап выработки нескольких сигналов ширины, в которых устранена корреляция, дополнительно содержит обработку каждого сигнала звукового объекта, используя разделительный фильтр для выработки низкочастотной части и высокочастотной части, при этом несколько сигналов ширины, в которых устранена корреляция, вырабатывают из высокочастотной части.

5. Способ по п. 4, в котором для каждого сигнала звукового объекта вырабатывают нечетное количество сигналов ширины, в которых устранена корреляция, в котором низкочатоная часть применяется к среднему сигналу, имеющему большую амплитуду из нечетного количества сигналов ширины, в которых устранена корреляция.

6. Способ по п. 1, дополнительно содержащий обработку каждого сигнала звукового объекта для выработки сигнала с откорректированной глубиной и вырабатку нескольких сигналов ширины из сигнала с откорректированной глубиной.

7. Способ по п. 6, в котором каждый сигнал звуковго объекта обрабатывают для выработки двух сигналов с откорректированной глубиной, прямого сигнала и реверберирующего сигнала, в котором несколько сигналов ширины, в которых устранена корреляция, вырабатывают из прямого сигнала, и в котором реверберирующий сигнал обрабатывается для выработки нескольких реверберирующих выходных сигналов, в которых устранена корреляция, имеющих аналогичное энергосодержание, при этом каждый реверберирующий выходной сигнал, в котором устранена корреляция, сопоставляется по меньшей мере одному каналу звукового сигнала.