利用相位延遲改善3D音效

本文解釋了音頻串?dāng)_的產(chǎn)生原因，當(dāng)兩個揚(yáng)聲器相隔距離過近時，原本應(yīng)傳輸至一只耳朵的音頻信號會進(jìn)入另一只耳朵。文中闡述了如何通過相位延遲實(shí)現(xiàn)3D音效，使聽者兩耳處產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)視聽條件相同的信號，并以MAX9775耳機(jī)放大器為例進(jìn)行了說明。

引言

通常，只有在揚(yáng)聲器間隔達(dá)到一定距離時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。對于這類設(shè)計，需要通過引入干擾波在右聲道中抵消左聲道的信號，在左聲道中抵消右聲道的信號，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。人耳對頻率范圍在20Hz至20kHz的音頻信號比較敏感，聲波在傳入人耳內(nèi)部之前已經(jīng)過耳廓處理，經(jīng)過耳廓成型的信號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，到達(dá)左、右耳時間的微小差異也有助于確定音源方向。這種時間延遲，即兩側(cè)聲音時延(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、聽者耳朵的頻響特性有關(guān)。它包含了聲源到聽者頭部的距離、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者兩耳處產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)視聽條件相同的信號。將每個聲源信號與相應(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)通過簡單的相位延遲電路模擬HRTF，從而使感觀上的聲場更加寬廣。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)聆聽兩個揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音時，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。右耳聽到較低音量的左聲道信號，左耳聽到較低音量的右聲道信號。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)兩個揚(yáng)聲器的間距逐漸縮小時，這種時延逐漸縮小，直到最后兩個揚(yáng)聲器聽起來如同一個揚(yáng)聲器的效果。這種串?dāng)_會使人腦“意識”到兩個音源距離非常近。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)_。在每個揚(yáng)聲器中加入抵消另一個揚(yáng)聲器聲音的信號，在音源前端消除聽覺串?dāng)_。這種串?dāng)_的消除使聽者感覺聲音發(fā)自相隔較遠(yuǎn)的音源信號3。

利用相位延遲消除串?dāng)_

在無線廣播的天線陣列中通常通過在多發(fā)射器的每一路驅(qū)動信號中引入相位延遲來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。將幾個發(fā)射天線排列起來可以使無線電波的傳播被約束在x–y平面上有限的幾個波瓣內(nèi)。對于給定的天線間距，波瓣的寬度隨著無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(即完全相同的信號)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軸以半波長為間距。

除了改變波瓣的寬度，通過對連續(xù)單個天線的信號設(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

因為聲波也遵從疊加原理，所以可以應(yīng)用這一原理組建“揚(yáng)聲器陣列”，使聲音從一個聲道傳入左耳，從另一個聲道傳入右耳(圖4)。

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

由于HRTF指標(biāo)與指定音源和聽眾的位置有關(guān)，推導(dǎo)HRTF時必須規(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不會超過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正半軸與聽眾左、右耳之間的夾角)為78.5°和101.5°。當(dāng)左聲道沒有信號，而右聲道有信號時，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)中信號僅作用在右聲道，α = 90°、f = 6.1kHz、d = 7cm時，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，對于兩個單元天線陣列的F(u)，當(dāng)u = 0時得到最大值;當(dāng)u = π時得到最小值。當(dāng)右聲道信號不為零時，可得：

所以，最佳相差為-90°。將

帶入方程：

6.1kHz接近人耳聽覺的最敏感頻率，當(dāng)信號偏離這一最佳頻率時，該固定相差產(chǎn)生的音效質(zhì)量會降低，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。

電路設(shè)計

產(chǎn)生固定相位延遲(即，相差)的網(wǎng)絡(luò)在無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。基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括兩個級聯(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)。對于線性信號(相應(yīng)的輸入通道)，電路呈現(xiàn)為一個ft = 10kHz的相移濾波器，對于積分信號(另一路輸入)，電路呈現(xiàn)為一個ft = 1kHz的相移濾波器。目的是使線性輸入信號和積分信號之間在音頻帶寬1kHz至10kHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)90°相移。

圖7. 在級聯(lián)的一階有源全通電路中，這是最常用的一種電路。

圖8中級聯(lián)的一階全通電路在1kHz至10kHz的范圍內(nèi)，L和Q兩個輸出的相移近似90°。因為大部分便攜設(shè)備的揚(yáng)聲器太小，無法支持全部的聲譜，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。兩級級聯(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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