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利用相位延遲改善3D音效

發(fā)布時(shí)間:2011-06-07

中心議題:

  • 改善多媒體3D音效原理
  • 改善多媒體3D音效電路設(shè)計(jì)

解決方案:

  • 利用相位延遲消除串?dāng)_
  • 聲波疊加原理


通常,只有在揚(yáng)聲器間隔達(dá)到一定距離時(shí)才能獲得較好的立體聲效果,但是,有些應(yīng)用中必須將揚(yáng)聲器安裝在一起,例如:掌上電腦、手機(jī)等。對(duì)于這類設(shè)計(jì),需要通過(guò)引入干擾波在右聲道中抵消左聲道的信號(hào),在左聲道中抵消右聲道的信號(hào),從而仿真立體聲音效。這種方法稱作消串?dāng)_。由此產(chǎn)生的立體聲效果優(yōu)于揚(yáng)聲器間距達(dá)到四倍以上時(shí)的效果。

原理

為了更好地理解這一現(xiàn)象,我們首先考察一下人耳、大腦如何確定音源位置。人耳對(duì)頻率范圍在20Hz至20kHz的音頻信號(hào)比較敏感,聲波在傳入人耳內(nèi)部之前已經(jīng)過(guò)耳廓處理,經(jīng)過(guò)耳廓成型的信號(hào)按照傳輸方向改變聲波共振特性,大腦根據(jù)所產(chǎn)生的聲譜信息確認(rèn)音源方向。

當(dāng)聲波從指定的方向傳入人耳時(shí),到達(dá)左、右耳時(shí)間的微小差異也有助于確定音源方向。這種時(shí)間延遲,即兩側(cè)聲音時(shí)延(ITD),結(jié)合人耳的頻響特性確定頭部相關(guān)傳輸函數(shù)(HRTF,一種聲音定位處理技術(shù))1。HRTF函數(shù)與特定聲源、聽(tīng)者耳朵的頻響特性有關(guān)。它包含了聲源到聽(tīng)者頭部的距離、兩耳的間距和聲音頻率等參數(shù)。

實(shí)現(xiàn)3D音效的根本方法是聽(tīng)者兩耳處產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)視聽(tīng)條件相同的信號(hào)。將每個(gè)聲源信號(hào)與相應(yīng)聲源方向的HRTF相結(jié)合,可以達(dá)到這一3D效果2。

改善多媒體3D音效

大多數(shù)增強(qiáng)3D效果的立體聲多媒體產(chǎn)品都未加入實(shí)現(xiàn)真正3D聲效所需的全部方位信息。這些多媒體系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)單的相位延遲電路模擬HRTF,從而使感觀上的聲場(chǎng)更加寬廣。因而,靠近放置的揚(yáng)聲器所表現(xiàn)出的距離也要大于實(shí)際距離。

當(dāng)聆聽(tīng)兩個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音時(shí),左聲道的聲音先到達(dá)左耳,后到達(dá)右耳;右聲道的聲音先到達(dá)右耳,后到達(dá)左耳。右耳聽(tīng)到較低音量的左聲道信號(hào),左耳聽(tīng)到較低音量的右聲道信號(hào)。這種效應(yīng)稱為音頻串?dāng)_(圖1)。

圖1.音頻串?dāng)_指的是右聲道立體聲揚(yáng)聲器的聲音傳入左耳,或者是相反方向的聲音傳遞。

當(dāng)兩個(gè)揚(yáng)聲器的間距逐漸縮小時(shí),這種時(shí)延逐漸縮小,直到最后兩個(gè)揚(yáng)聲器聽(tīng)起來(lái)如同一個(gè)揚(yáng)聲器的效果。這種串?dāng)_會(huì)使人腦“意識(shí)”到兩個(gè)音源距離非常近。為了從緊湊的音源間距獲得相隔較遠(yuǎn)的音源效果,必須消除耳間串?dāng)_。在每個(gè)揚(yáng)聲器中加入抵消另一個(gè)揚(yáng)聲器聲音的信號(hào),在音源前端消除聽(tīng)覺(jué)串?dāng)_。這種串?dāng)_的消除使聽(tīng)者感覺(jué)聲音發(fā)自相隔較遠(yuǎn)的音源信號(hào)3。

利用相位延遲消除串?dāng)_

在無(wú)線廣播的天線陣列中通常通過(guò)在多發(fā)射器的每一路驅(qū)動(dòng)信號(hào)中引入相位延遲來(lái)控制波束的寬度和方向。延方向排列的單天線在延x–y平面的所有方向的輻射是相同的。將幾個(gè)發(fā)射天線排列起來(lái)可以使無(wú)線電波的傳播被約束在x–y平面上有限的幾個(gè)波瓣內(nèi)。對(duì)于給定的天線間距,波瓣的寬度隨著無(wú)線電波頻率的增大和天線數(shù)量的增多而減小。例如,五單元天線矩陣發(fā)射零相位延遲的信號(hào)(即完全相同的信號(hào))產(chǎn)生的典型輻射圖形如圖2所示。


圖2.五單元天線矩陣(單元間相差為零)產(chǎn)生的輻射圖,天線位于原點(diǎn),沿x軸以半波長(zhǎng)為間距。[page]

除了改變波瓣的寬度,通過(guò)對(duì)連續(xù)單個(gè)天線的信號(hào)設(shè)定固定的相位延遲α(圖3),還可以實(shí)現(xiàn)主波瓣在x–y平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。天線陣列的輻射圖正比于天線陣列系數(shù)F(u):


其中,N是陣列中天線的數(shù)量,為輻射波數(shù),d為天線間距,Ψ為天線與x軸正半軸的夾角4。

圖3.五單元天線矩陣產(chǎn)生的輻射圖,單元間相差分別為π/2(a)和2π/3(b)。

聲波中的應(yīng)用

因?yàn)槁暡ㄒ沧駨寞B加原理,所以可以應(yīng)用這一原理組建“揚(yáng)聲器陣列”,使聲音從一個(gè)聲道傳入左耳,從另一個(gè)聲道傳入右耳(圖4)。

圖4.在這個(gè)立體聲音頻揚(yáng)聲器陣列框圖中包括兩個(gè)緩沖放大器,每個(gè)放大器增加α°的相位延時(shí)。

由于HRTF指標(biāo)與指定音源和聽(tīng)眾的位置有關(guān),推導(dǎo)HRTF時(shí)必須規(guī)定假設(shè)條件,消除特定應(yīng)用中的聲音串?dāng)_。

假設(shè)揚(yáng)聲器置于手持設(shè)備,揚(yáng)聲器間距d不會(huì)超過(guò)7cm,并假設(shè)頭的寬度是20cm,耳朵和手持設(shè)備的距離為50cm。則夾角ΨL和ΨR(x正半軸與聽(tīng)眾左、右耳之間的夾角)為78.5°和101.5°。當(dāng)左聲道沒(méi)有信號(hào),而右聲道有信號(hào)時(shí),最合適的相差應(yīng)當(dāng)使右耳附近的聲強(qiáng)最大(圖5)。

圖5.圖4架構(gòu)中信號(hào)僅作用在右聲道,α=90°、f=6.1kHz、d=7cm時(shí),在右耳、左耳產(chǎn)生的聲音幅度的比值最大。

由式1可以看出,對(duì)于兩個(gè)單元天線陣列的F(u),當(dāng)u=0時(shí)得到最大值;當(dāng)u=π時(shí)得到最小值。當(dāng)右聲道信號(hào)不為零時(shí),可得:

所以,最佳相差為-90°。將帶入方程:

6.1kHz接近人耳聽(tīng)覺(jué)的最敏感頻率,當(dāng)信號(hào)偏離這一最佳頻率時(shí),該固定相差產(chǎn)生的音效質(zhì)量會(huì)降低,但是該技術(shù)仍好于其它的相位延遲方法,比如:相位延遲與頻率成線性關(guān)系的方法。[page]

電路設(shè)計(jì)

產(chǎn)生固定相位延遲(即,相差)的網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線通信中有廣泛的應(yīng)用,早在二十世紀(jì)五十年代就已經(jīng)出現(xiàn)基于此方法的設(shè)計(jì)。基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的一階全通電路(圖6),它們實(shí)現(xiàn)基于共模輸入的非恒定相移。在特定的頻率范圍內(nèi),此系統(tǒng)表現(xiàn)出近似恒定的相移。

圖6.一階全通電路

無(wú)源方案可以實(shí)現(xiàn)該電路,但是更通用的方法是有源電路(圖7)。對(duì)于線性信號(hào)(相應(yīng)的輸入通道),電路呈現(xiàn)為一個(gè)ft=10kHz的相移濾波器,對(duì)于積分信號(hào)(另一路輸入),電路呈現(xiàn)為一個(gè)ft=1kHz的相移濾波器。目的是使線性輸入信號(hào)和積分信號(hào)之間在音頻帶寬1kHz至10kHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)90°相移。

圖7.在級(jí)聯(lián)的一階有源全通電路中,這是最常用的一種電路。

圖8中級(jí)聯(lián)的一階全通電路在1kHz至10kHz的范圍內(nèi),L和Q兩個(gè)輸出的相移近似90°。因?yàn)榇蟛糠直銛y設(shè)備的揚(yáng)聲器太小,無(wú)法支持全部的聲譜,所以1kHz至10kHz的輸出范圍是可行的。通常便攜設(shè)備的揚(yáng)聲器在300Hz以下只能提供很小的響應(yīng)。

圖8.圖7電路的頻率響應(yīng),在1kHz至10kHz整個(gè)頻率范圍內(nèi)提供近似的90°相移。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)3D效果,可以增加更多的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),把它們適當(dāng)排列,從而在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)90°相移。兩級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)可以在電路復(fù)雜性、功耗和性能之間達(dá)到較好的折衷。Maxim的MAX9775音頻IC結(jié)合了相位延遲電路和音頻功放,采用單芯片可實(shí)現(xiàn)更寬的播放音域。
 

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