專利名稱：基于聲參量陣聲束反射的音頻特效器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種音頻特效器，尤其涉及一種利用聲參量陣產(chǎn)生的高指向性聲束的反射特性實(shí)現(xiàn)立體音頻特效的裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)音頻特效主要通過音效處理電路或數(shù)字信號處理手段實(shí)現(xiàn)音頻特效。采用音效處理電路主要是通過硬件手段實(shí)現(xiàn)音頻特效，如通過兩聲道立體聲處理電路可實(shí)現(xiàn)電腦、電視及聽音空間狹小環(huán)境等對音頻特效要求不高的場合的立體聲三維環(huán)繞效果，采用多聲道音效處理電路則可實(shí)現(xiàn)更自然、保真度更高、音質(zhì)更好、環(huán)繞效果更強(qiáng)的環(huán)繞立體聲效果。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，音頻特效處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，使得一些采用硬件電路很難實(shí)現(xiàn)的音頻特效通過數(shù)字信號處理手段能夠被輕易地實(shí)現(xiàn)，如音量調(diào)整(如淡入淡出、左右聲道音量均衡、包絡(luò)線調(diào)整等)、頻率均衡處理、混響/回聲/延遲處理、合唱處理、動態(tài)處理(如壓縮、限制、門等)、失真處理、噪聲處理、3D音效、升降調(diào)及時間拉伸等。盡管傳統(tǒng)音頻特效實(shí)現(xiàn)手段可以產(chǎn)生多種音頻特效，但從本質(zhì)上講，不管是通過硬件電路，還是數(shù)字信號處理手段產(chǎn)生的音頻信號最終還是須經(jīng)傳統(tǒng)揚(yáng)聲器向空間中發(fā)射。由于采用傳統(tǒng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲波一般是全向性的，沒有強(qiáng)的指向性，更不能產(chǎn)生高指向性音頻聲波束，因此傳統(tǒng)音頻特效實(shí)現(xiàn)手段無法營造出三維空間中多波束動態(tài)交織的音頻特效?？諝庵械穆晠⒘筷嚰夹g(shù)是近年來出現(xiàn)的音頻聲波定向技術(shù)。利用聲參量陣可以產(chǎn)生高指向性音頻聲波束。聲參量陣產(chǎn)生的音頻聲波束具有獨(dú)有的特性，主要體現(xiàn)在兩個方面:一、局部傳播特性:即聲波束只在局部空間中傳播，在此傳播空間內(nèi)聽眾可以聽到聲音，而在此傳播空間區(qū)域外聽眾則聽不到或只能聽到很微弱的聲音；二、獨(dú)特的反射特性:音頻聲波束遇到障礙物后，具有類似于光遇到鏡面的反射特性，聽眾聽到反射后的聲音后，在心理上會產(chǎn)生聲波是來自于最后一次反射面的特別感受。聲參量陣產(chǎn)生的音頻聲波束的局部傳播特性與獨(dú)特的聲反射特性為實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)多波束動態(tài)交織音頻特效創(chuàng)造了條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于聲參量陣反射特性的音頻特效器，以解決目前傳統(tǒng)音頻特效手段無法營造出三維空間中多波束動態(tài)交織的音頻特效問題。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的:一種基于聲參量陣聲束反射特性的音頻特效器，包括:聲源，用以產(chǎn)生待播放的音頻信號，可采用MP3、計(jì)算機(jī)、MP4、收音機(jī)、錄音機(jī)等通用聲源，其產(chǎn)生的音頻信號通過音頻信號線輸入到聲參量陣揚(yáng)聲器陣列中。聲參量陣揚(yáng)聲器陣列，用以產(chǎn)生高指向性音頻聲波束，陣列中每個揚(yáng)聲器均可獨(dú)立地發(fā)出一個高指向性音頻聲波束，這些聲波束在空間中傳播一段距離后，在聲波束反射體上進(jìn)行反射；根據(jù)聲波束反射體布置位置與方式的不同，采用不同的聲參量陣揚(yáng)聲器布陣形式，其布陣原則是保證每個聲波束能夠?qū)?zhǔn)與其對應(yīng)的聲波束反射體以進(jìn)行有效反射。聲波束反射體，用以反射聲波束，其表面為平面或曲面，或二者的組合形式；通過聲波束反射體的回轉(zhuǎn)與平移運(yùn)動來動態(tài)調(diào)整聲波束的有效反射面；通過有效反射面的形狀和姿態(tài)的變化來調(diào)整反射聲波束的形狀；通過有效反射面的法線與聲波束中心線夾角的變化來調(diào)整聲波束的反射方向。聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件，主要包括回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動部件與平動運(yùn)動驅(qū)動部件，回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動部件用于使聲波束反射體產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而平動運(yùn)動驅(qū)動部件用于使聲波束反射體產(chǎn)生平動，二者可同時使用，也可獨(dú)立使用。聲波束反射體運(yùn)動控制部件，用以控制聲波反射體運(yùn)動驅(qū)動部件，繼而驅(qū)動聲波束反射體產(chǎn)生運(yùn)動；通過對正在播放的音頻信號進(jìn)行節(jié)奏、強(qiáng)度等參數(shù)的分析，產(chǎn)生與之對應(yīng)的聲波束反射體轉(zhuǎn)動、平動及開停等控制參數(shù)，使聲波束的空間傳播變化與音頻信號變化對應(yīng)起來。本發(fā)明利用聲參量陣產(chǎn)生的高指向性音頻聲波束僅在空間中局部區(qū)域傳播的特性實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)多音頻聲波束的交織傳播，利用該音頻聲波束特有的反射特性，通過聲波束反射體的運(yùn)動改變聲波束的反射形狀與反射角度，從而實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)多音頻聲波束的動態(tài)交織傳播音頻特效。這種音頻特效是第一種利用定向音頻聲波束實(shí)現(xiàn)的三維空間音頻特效，與傳統(tǒng)音頻特效在實(shí)現(xiàn)方式上具有質(zhì)的區(qū)別，可應(yīng)用于新奇的音樂、語音感受場合，如歌廳、舞廳、展覽館、語音展室等。由于聲參量陣產(chǎn)生的音頻聲波束具有指向性強(qiáng)、能量集中的優(yōu)點(diǎn)，使得它可以傳播很遠(yuǎn)距離，這為在大空間內(nèi)產(chǎn)生三維多波束動態(tài)交織音頻特效奠定了基礎(chǔ)。同時，在實(shí)際應(yīng)用中，室內(nèi)頂部、墻壁、地板等處產(chǎn)生多次反射，產(chǎn)生空間內(nèi)音頻聲波束多次穿越的效果，為聽眾帶來全新的音頻特效體驗(yàn)。


圖1示出了基于聲參量陣聲束反射的音頻特效器總體結(jié)構(gòu)。圖2示出了根據(jù)聲波束反射體的具體布置調(diào)整聲參量陣揚(yáng)聲器陣列布陣形式。圖3示出了聲波束反射體采用不同表面時對反射聲波束形狀與反射角的影響。圖4示出了聲波束反射體的運(yùn)動對反射聲波束的影響。圖5示出了一個典型的聲波束反射體運(yùn)動控制流程。
具體實(shí)施例方式圖1示出了基于聲參量陣聲束反射的音頻特效器硬件示意性結(jié)構(gòu)?；诼晠⒘筷嚶暿瓷涞囊纛l特效器由聲源1、聲參量陣揚(yáng)聲器陣列2、聲波束反射體3、聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件4和聲波束反射體運(yùn)動控制部件5構(gòu)成。聲源I為MP3、計(jì)算機(jī)、MP4、收音機(jī)、錄音機(jī)等通用聲源，其產(chǎn)生的音頻信號作為聲參量陣揚(yáng)聲器陣列2的輸入信號。聲參量陣揚(yáng)聲器陣列2可由單個或多個聲參量陣揚(yáng)聲器組成,每個聲參量陣揚(yáng)聲器產(chǎn)生一個高指向性傳播的音頻聲波束。調(diào)整每個聲參量陣揚(yáng)聲器的安裝位置與方向，使其產(chǎn)生的音頻聲波束能夠有效抵達(dá)其對應(yīng)的聲波束反射體3的反射面上。聲波束反射體3的反射面可為平面、曲面或二者的混合形式，聲波束在該反射面上的投影區(qū)稱為有效反射面。該有效反射面的形狀決定了反射波束的形狀，其法線與入射聲波束中線的夾角決定了反射聲波束的傳播方向。設(shè)計(jì)聲波束反射體3的反射面時，應(yīng)使其在圓周方向及軸向上的曲面呈多樣性變化分布，即使入射聲波束6具有相同形狀，也可通過聲波束反射體3的轉(zhuǎn)動、平動來改變有效反射面的形狀，從而達(dá)到動態(tài)改變反射聲波束7的形狀與傳播方向(反射方向)的目的。聲波束反射體3的轉(zhuǎn)動與平動由聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件4驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件4主要包括回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動部件與平動運(yùn)動驅(qū)動部件，回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動部件用于使聲波束反射體產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而平動運(yùn)動驅(qū)動部件用于使聲波束反射體產(chǎn)生平動，二者可同時使用，也可獨(dú)立使用。聲波反射體運(yùn)動驅(qū)動部件4受聲波束反射體運(yùn)動控制部件5控制。聲波束反射體運(yùn)動控制部件5通過對聲源I發(fā)出的音頻信號進(jìn)行動態(tài)特征提取與分析，如對信號節(jié)奏、強(qiáng)度等參數(shù)的提取與分析，計(jì)算出各聲波束反射體3的運(yùn)動控制參數(shù)，從而通過控制聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件4，使每個聲波束反射體3均按照音頻信號的變化情況相應(yīng)地做回轉(zhuǎn)、平移運(yùn)動，從而動態(tài)地改變各聲波束的形狀與傳播方向，產(chǎn)生三維空間內(nèi)多波束動態(tài)交織音頻特效。圖2示出了根據(jù)聲波束反射體的具體布置位置與方式調(diào)整聲參量陣揚(yáng)聲器陣列布陣形式。圖2(a)示出了聲波束反射體3安裝于一個平面內(nèi)時，聲參量陣揚(yáng)聲器陣列布置成一平面陣的情況。圖2(b)不出了聲波束反射體在空間中分散分布,各聲參量陣揚(yáng)聲器分別對準(zhǔn)各自對應(yīng)的聲波束反射體，在空間中形成一個立體陣列的情況。圖3示出了聲波束反射體采用不同表面時對反射聲波束形狀與反射角的影響。圖3(a)示出了音頻聲波束在平面上反射的情況，反射角基本等于入射角，且反射后的聲波束在形狀上沒有大的變化。圖3(b)示出了音頻聲波束在凸曲面上的反射情況，反射后的聲波束將變得發(fā)散，如一圓柱形聲波束在球面上反射，其反射后的聲波束將呈一圓錐狀。圖3 (C)示出了在平面與曲面交接處的聲波束反射情況，此時反射聲波束將分為兩部分，在平面上反射的聲波束形狀基本保持不變，而在曲面上反射的聲波束形狀將產(chǎn)生變化(在凸曲面上反射聲波束變發(fā)散，在凹曲面上反射聲波束變收斂)。若入射聲波束6呈錐形,反射聲波束也呈類似的變化規(guī)律。聲波束這種在平面或曲面上類似于光的反射特性為利用聲波束反射體3不同形狀的有效反射面獲取不同形狀的反射聲波束及傳播方向創(chuàng)造了條件。圖4示出了聲波束反射體的運(yùn)動對反射聲波束的影響。聲波束反射體3在不同軸向位置處設(shè)計(jì)有不同的曲面，即使在同一軸向位置，其在圓周上的曲面也設(shè)計(jì)為變化曲面，因此可以通過聲波束反射體3的回轉(zhuǎn)、平移(包括x、y、z三個方向)運(yùn)動來改變?nèi)肷渎暡ㄊ挠行Х瓷涿嫘螤睿瑥亩鴦討B(tài)地改變反射聲波束的形狀與傳播方向。圖5示出了一個典型的聲波束反射體運(yùn)動控制流程。聲波束反射體運(yùn)動控制部件與聲源通過信號線相連，并在聲源播放音頻信號時讀取該音頻信號，然后分析音頻信號節(jié)奏、強(qiáng)度等參數(shù)，通過計(jì)算生成轉(zhuǎn)動、平動控制參數(shù)，然后向聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件輸出這些控制參數(shù)，使聲波束反射體與音頻節(jié)奏、強(qiáng)度對應(yīng)起來(一般采用正比例關(guān)系)，從而實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)多波束動態(tài)交織音頻特效。該運(yùn)動控制流程在音頻播放結(jié)束時自動結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種基于聲參量陣聲束反射的音頻特效器，包括: 聲源，用以產(chǎn)生待播放的音頻信號，采用MP3、計(jì)算機(jī)、MP4、收音機(jī)、錄音機(jī)等通用聲源，其產(chǎn)生的音頻信號通過音頻信號線輸入到聲參量陣揚(yáng)聲器陣列中； 聲參量陣揚(yáng)聲器陣列，用以產(chǎn)生高指向性音頻聲波束，陣列中每個揚(yáng)聲器均獨(dú)立地發(fā)出一個高指向性音頻聲波束； 聲波束反射體，用以反射音頻聲波束，通過其運(yùn)動使反射的音頻聲波束形狀及反射角產(chǎn)生變化； 聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件，主要包括回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動部件與平動運(yùn)動驅(qū)動部件，回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動部件用于使聲波束反射體產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而平動運(yùn)動驅(qū)動部件用于使聲波束反射體產(chǎn)生平移運(yùn)動； 聲波束反射體運(yùn)動控制部件，用以控制聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件，繼而驅(qū)動聲波束反射體產(chǎn)生運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻特效器，其特征在于:所述聲參量陣揚(yáng)聲器陣列可由單個或多個參量陣揚(yáng)聲器構(gòu)成；其布陣形式須保證每個聲波束能夠?qū)?zhǔn)與其對應(yīng)的聲波束反射體以進(jìn)行有效反射；聲參量陣揚(yáng)聲器陣列布陣形式根據(jù)聲波束反射體的具體布置而定，若所有聲波束反射體處于一個平面內(nèi)，聲參量陣揚(yáng)聲器陣列可布置成一平面陣，若聲波束反射體在空間中分散分布，則各參量陣揚(yáng)聲器須分別對準(zhǔn)各自對應(yīng)的聲波束反射體，在空間中形成一個立體陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻特效器，其特征在于:所述聲波束反射體表面為平面、曲面，或平面與曲面的組合體；通過聲波束反射體的回轉(zhuǎn)與平移運(yùn)動來動態(tài)調(diào)整聲波束的有效反射面；通過有效反射面的形狀變化來調(diào)整反射聲波束的形狀；通過有效反射面的法線與聲波束中心線夾角的變化來調(diào)整反射聲波束的傳播方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻特效器，其特征在于:所述聲波束反射體運(yùn)動驅(qū)動部件可由回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動部件、平動運(yùn)動驅(qū)動部件之一構(gòu)成，也可由二者同時構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻特效器，其特征在于:所述聲波束反射體運(yùn)動控制部件可對正在播放的音頻信號進(jìn)行節(jié)奏、強(qiáng)度等參數(shù)的分析，以形成聲波反射體的運(yùn)動控制參數(shù)；在這些運(yùn)動控制參數(shù)的作用下，聲波束反射體的轉(zhuǎn)動速度、平動速度及開停節(jié)奏等運(yùn)動參數(shù)與音頻信號節(jié)奏及強(qiáng)度等參數(shù)成正比例對應(yīng)關(guān)系，從而使聲波束在空間中的傳播變化與音頻信號變化對應(yīng)起來。
全文摘要
一種基于聲參量陣聲束反射的音頻特效器，由聲源、聲參量陣揚(yáng)聲器陣列、聲波束反射體、聲波束反射體運(yùn)動部件及聲波束反射體運(yùn)動控制部件組成。本發(fā)明利用聲參量陣產(chǎn)生的高指向性音頻聲波束特有的局部傳播及反射特性，實(shí)現(xiàn)三維多波束動態(tài)交織音頻特效，可為聽眾帶來一種全新的音頻特效體驗(yàn)。
文檔編號H04R3/00GK103139687SQ20121057638
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者陳敏, 徐利梅, 楊天文, 吳新龍, 舒旭, 冉曉東, 萬曉偉 申請人:電子科技大學(xué)