- 如何使便攜產(chǎn)品產(chǎn)生空間音頻

　　音頻串?dāng)_

　　當(dāng)兩只揚(yáng)聲器距離聆聽者有一定距離時(shí)，建立一個(gè)空間聲音效果要困難得多，因?yàn)槎淇梢月牭絹碜匀魏温暤赖穆曇簦瑥亩a(chǎn)生音頻串?dāng)_。采用破壞波干擾可以抑制掉無用的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)串?dāng)_抑制。反波（或抑制波）發(fā)送給右耳，抑制掉不想要的左聲道音頻信號(hào)（圖2）。同樣，左耳也處理不想要的右聲道信號(hào)。結(jié)果是獲得了明顯的左、右聲道增強(qiáng)區(qū)，提升了聲音在3D空間中的感覺。

　　圖2 串?dāng)_抑制采用破壞波干擾法，抑制不需要的信號(hào)。

　　這種對(duì)每個(gè)聲道內(nèi)聲音的附加處理是有必要的，它可以消除或減少串?dāng)_效應(yīng)，并考慮到聆聽者所處位置對(duì)聲音的可能影響，包括揚(yáng)聲器的角度與距離；不同年齡、性別或種族的耳朵靈敏度與形狀；頭部與軀干的尺寸與質(zhì)量；以及所處物理環(huán)境，包括是否存在反射或吸收材料。所有這些因素都決定了一名聆聽者能否以及如何精確地判斷出一個(gè)聲源位置。因此，用于揚(yáng)聲系統(tǒng)的空間音頻創(chuàng)建技術(shù)還必須包括聲學(xué)波束形成。

　　聲學(xué)波束形成

　　揚(yáng)聲器音頻重現(xiàn)中的聲學(xué)波束形成是指將音頻波指向某個(gè)方向的能力，而不是揚(yáng)聲器一般的輻射模式。理想的揚(yáng)聲器是一種處于無限反射板中的活塞式聲源組，它的輻射模式取決相對(duì)于揚(yáng)聲器振膜半徑的重現(xiàn)頻率。聲音波束的角度與揚(yáng)聲器活塞半徑和聲音波長之比有關(guān)。在低頻時(shí)，揚(yáng)聲器的聲音均勻地散播在揚(yáng)聲器前的所有方向上。因此，可以在屋子前面的幾乎任意地方放置低音炮，而能從屋子中的任何地方聽到相同質(zhì)量的低音。

　　隨著頻率的提高，揚(yáng)聲器前的輻射模式越來越集中，逐漸成為圍繞一根垂直于揚(yáng)聲器表面軸線的狹窄的錐形。在錐形內(nèi)聲壓級(jí)最強(qiáng)，而在錐形外則快速跌落。在一部高保真音箱前，兩邊來回移動(dòng)聆聽高頻聲，就可以測得這種效應(yīng)。

　　另外，實(shí)際揚(yáng)聲器都處于相對(duì)較小的有限箱體內(nèi)，而不是無限反射板。箱體邊緣會(huì)產(chǎn)生聲波的衍射，從而導(dǎo)致更加復(fù)雜的輻射模式。如果將揚(yáng)聲器置于一個(gè)開放的地方，只要聆聽位置處于與揚(yáng)聲器前立面垂直的軸線上，就可以正確地聽到所有重現(xiàn)頻率。

　　如果揚(yáng)聲器放在室內(nèi)，則聆聽位置就不再那么關(guān)鍵，因?yàn)閴Ρ诤图揖叨紩?huì)以各種角度反射聲波。盡管反射便于人們從各種位置的聆聽，但由于反射來自不同時(shí)間，攜帶了不同的原信號(hào)強(qiáng)度，因此獲得的聲音缺乏清晰度。

　　極端情況下的聲學(xué)波束成形方法嘗試將揚(yáng)聲器的聲音能量指向室內(nèi)環(huán)境中的某個(gè)角度。單揚(yáng)聲器的聲學(xué)波束成形是困難的，因此一般應(yīng)用都要使用兩個(gè)或更多的揚(yáng)聲器。采用多只揚(yáng)聲器也可以通過聲波能量的結(jié)合與破壞，創(chuàng)造出某種方向樣式。

　　在一個(gè)多揚(yáng)聲器陣列中，陣列的大小與形狀也使某種定向樣式成為可能。陣列通常是線性的，但也可以是2維陣列，如曲線、平面、圓，或這些類型的組合（圖3）。一般來說，在較高頻下更容易實(shí)現(xiàn)和辨別出空間效果。不過，一個(gè)有良好低頻響應(yīng)的大型陣列與揚(yáng)聲器也能在低頻端做出很好的方向性控制。

　　圖3 用揚(yáng)聲器陣列波束成形技術(shù)，聲波在期望的空間位置上產(chǎn)生有益的干涉。

　　陣列的尺寸與形狀部分地決定了實(shí)現(xiàn)所需空間效果要采用的技術(shù)。另外一個(gè)因素是陣列建立的目的。例如，畫中畫功能可以讓兩個(gè)觀看者看兩個(gè)電視頻道，但如果你想為電視機(jī)前端坐的幾個(gè)人都仿真出一個(gè)5.1環(huán)繞聲環(huán)境，就需要其它的技術(shù)。實(shí)際情況是，一個(gè)空間音頻系統(tǒng)可能必須同時(shí)支持兩種方法，并且可能還有一些其它方法，消費(fèi)者才能有愉悅的聆聽體驗(yàn)，而與電視節(jié)目的模式無關(guān)。

　　波束成形技術(shù)

　　機(jī)械的波束成形器是靠揚(yáng)聲器物理尺寸與位置來產(chǎn)生所需要的空間效果，而電子波束成形器則采用DSP，先對(duì)信號(hào)做處理，再將音頻信號(hào)提供給揚(yáng)聲器。根據(jù)不同應(yīng)用，可以將這些方法結(jié)合使用。

　　電子波束成形技術(shù)最初開發(fā)用于雷達(dá)應(yīng)用。它在音頻中的首次應(yīng)用出現(xiàn)在話筒陣列中，用于捕捉語音和音頻。這一領(lǐng)域中多年來的大量應(yīng)用產(chǎn)生了音頻波束成形算法。

　　話筒陣列波束成形的基本概念是：單獨(dú)調(diào)節(jié)陣列中每個(gè)單元所接收信號(hào)的相位與波幅，使聯(lián)合輸出可以獲得某個(gè)方向上的最大信噪比。這個(gè)概念類似于采用帶通濾波方式，在頻域中提取所需信號(hào)。但對(duì)話筒陣列的波束成形，工作是發(fā)生在空間域，通帶可以配置為各個(gè)方向?，F(xiàn)在已有很多廣為報(bào)道的波束成形技術(shù)，對(duì)某一技術(shù)的選擇通常取決于應(yīng)用的要求與約束。

　　雖然音頻波束成形廣泛應(yīng)用于音頻信號(hào)的捕獲，但它的音頻回放中的使用卻相對(duì)有限。一個(gè)主要的原因是，立體聲系統(tǒng)一直能提供相對(duì)良好的性能，對(duì)很多應(yīng)用來說，沒必要使用兩只以上的揚(yáng)聲器。但是，現(xiàn)在不斷縮小的便攜設(shè)備機(jī)械部件給立體聲回放帶來了重大挑戰(zhàn)。例如，由于揚(yáng)聲器尺寸減小導(dǎo)致輸出音量的損失，以及由于揚(yáng)聲器間距窄小而導(dǎo)致立體聲像的模糊不清，都是問題。

　　平板電視越做越薄，嚴(yán)重限制了揚(yáng)聲器錐體的振動(dòng)，從而降低了輸出音量等級(jí)以及音頻質(zhì)量?？朔@些限制的一種方法是使用一個(gè)小揚(yáng)聲器陣列，以增加整體音量，并使用音頻波束成形技術(shù)做出一個(gè)更好的聲場。很多其它方法也可以通過揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)創(chuàng)造出空間音頻，如WFS（波場綜合）和現(xiàn)場立體聲，但它們通常都需要十幾到數(shù)百只揚(yáng)聲器和大量的空間。因此，它們一般用于劇院和聽音室，而不適合于中小規(guī)模的揚(yáng)聲器陣列。

　　用于話筒陣列的波束成形技術(shù)可以很容易用于揚(yáng)聲器陣列應(yīng)用，因?yàn)榛胤呕旧鲜欠聪虻牟蹲竭^程。但是，全帶寬的音頻回放需要較語音更大的帶寬，因此需要在算法選擇和陣列結(jié)構(gòu)上做特殊的考慮。

　　通過一個(gè)揚(yáng)聲器陣列提供空間立體聲需要一種有效的串?dāng)_抑制算法。另外，揚(yáng)聲器陣列算法必須盡量地減小音頻回放時(shí)的失真，包括人工效果與聲音染色。挑戰(zhàn)是開發(fā)出適用于小型陣列的技術(shù)，它的主觀效果要好于只使用立體聲的情況，并且它以一種多只揚(yáng)聲器的方式應(yīng)用這些技術(shù)，不需要復(fù)雜的算法編程技術(shù)。

　　空間陣列放大器

　　德州儀器公司用LM48901來應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，這是其空間陣列音頻放大器系列中的第一款，用于揚(yáng)聲器陣列的實(shí)現(xiàn)，可使有空間約束的應(yīng)用產(chǎn)生出一種身臨其境的聲音體驗(yàn)。四聲道的D類LM48901音頻IC實(shí)現(xiàn)了分布式的電子波束成形算法，再加上采用HRTF數(shù)據(jù)做聲音布置，從而做出了波束成形揚(yáng)聲器陣列。

　　單只LM48901可以用于兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)揚(yáng)聲器的應(yīng)用。多只LM48901 IC的級(jí)聯(lián)可以設(shè)計(jì)出八個(gè)、12個(gè)和16個(gè)揚(yáng)聲器的陣列，提供更寬廣和更令人激動(dòng)的音頻體驗(yàn)。