摘要：本文解釋了音頻串擾的產(chǎn)生原因，當兩個(gè)揚聲器相隔距離過(guò)近時(shí)，原本應傳輸至一只耳朵的音頻信號會(huì )進(jìn)入另一只耳朵。文中闡述了如何通過(guò)相位延遲實(shí)現3D音效，使聽(tīng)者兩耳處產(chǎn)生與標準視聽(tīng)條件相同的信號，并以MAX9775耳機放大器為例進(jìn)行了說(shuō)明。

引言

通常，只有在揚聲器間隔達到一定距離時(shí)才能獲得較好的立體聲效果，但是，有些應用中必須將揚聲器安裝在一起，例如：掌上電腦、手機等。對于這類(lèi)設計，需要通過(guò)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(chēng)作消串擾。由此產(chǎn)生的立體聲效果優(yōu)于揚聲器間距達到四倍以上時(shí)的效果。

原理

為了更好地理解這一現象，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，聲波在傳入人耳內部之前已經(jīng)過(guò)耳廓處理，經(jīng)過(guò)耳廓成型的信號按照傳輸方向改變聲波共振特性，大腦根據所產(chǎn)生的聲譜信息確認音源方向。

當聲波從指定的方向傳入人耳時(shí)，到達左、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，即兩側聲音時(shí)延(ITD)，結合人耳的頻響特性確定頭部相關(guān)傳輸函數(HRTF，一種聲音定位處理技術(shù))¹。HRTF函數與特定聲源、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。

實(shí)現3D音效的根本方法是聽(tīng)者兩耳處產(chǎn)生與標準視聽(tīng)條件相同的信號。將每個(gè)聲源信號與相應聲源方向的HRTF相結合，可以達到這一3D效果²。

改善多媒體3D音效

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

當聆聽(tīng)兩個(gè)揚聲器發(fā)出的聲音時(shí)，左聲道的聲音先到達左耳，后到達右耳；右聲道的聲音先到達右耳，后到達左耳。右耳聽(tīng)到較低音量的左聲道信號，左耳聽(tīng)到較低音量的右聲道信號。這種效應稱(chēng)為音頻串擾(圖1)。


圖1. 音頻串擾指的是右聲道立體聲揚聲器的聲音傳入左耳，或者是相反方向的聲音傳遞。

當兩個(gè)揚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)揚聲器聽(tīng)起來(lái)如同一個(gè)揚聲器的效果。這種串擾會(huì )使人腦“意識”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的音源效果，必須消除耳間串擾。在每個(gè)揚聲器中加入抵消另一個(gè)揚聲器聲音的信號，在音源前端消除聽(tīng)覺(jué)串擾。這種串擾的消除使聽(tīng)者感覺(jué)聲音發(fā)自相隔較遠的音源信號³。

利用相位延遲消除串擾

在無(wú)線(xiàn)廣播的天線(xiàn)陣列中通常通過(guò)在多發(fā)射器的每一路驅動(dòng)信號中引入相位延遲來(lái)控制波束的寬度和方向。延方向排列的單天線(xiàn)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(xiàn)排列起來(lái)可以使無(wú)線(xiàn)電波的傳播被約束在x–y平面上有限的幾個(gè)波瓣內。對于給定的天線(xiàn)間距，波瓣的寬度隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電波頻率的增大和天線(xiàn)數量的增多而減小。例如，五單元天線(xiàn)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(xiàn)矩陣(單元間相差為零)產(chǎn)生的輻射圖，天線(xiàn)位于原點(diǎn)，沿x軸以半波長(cháng)為間距。

除了改變波瓣的寬度，通過(guò)對連續單個(gè)天線(xiàn)的信號設定固定的相位延遲α (圖3)，還可以實(shí)現主波瓣在x–y平面內的旋轉。天線(xiàn)陣列的輻射圖正比于天線(xiàn)陣列系數F(u)：

其中，N是陣列中天線(xiàn)的數量，為輻射波數，d為天線(xiàn)間距，Ψ為天線(xiàn)與x軸正半軸的夾角⁴。


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

聲波中的應用

因為聲波也遵從疊加原理，所以可以應用這一原理組建“揚聲器陣列”，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指標與指定音源和聽(tīng)眾的位置有關(guān)，推導HRTF時(shí)必須規定假設條件，消除特定應用中的聲音串擾。

假設揚聲器置于手持設備，揚聲器間距d不會(huì )超過(guò)7cm，并假設頭的寬度是20cm，耳朵和手持設備的距離為50cm。則夾角Ψ_L和Ψ_R (x正半軸與聽(tīng)眾左、右耳之間的夾角)為78.5°和101.5°。當左聲道沒(méi)有信號，而右聲道有信號時(shí)，最合適的相差應當使右耳附近的聲強最大(圖5)。


圖5. 圖4架構中信號僅作用在右聲道，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，對于兩個(gè)單元天線(xiàn)陣列的F(u)，當u = 0時(shí)得到最大值；當u = π時(shí)得到最小值。當右聲道信號不為零時(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，當信號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(xiàn)性關(guān)系的方法。

電路設計

產(chǎn)生固定相位延遲(即，相差)的網(wǎng)絡(luò )在無(wú)線(xiàn)通信中有廣泛的應用，早在二十世紀五十年代就已經(jīng)出現基于此方法的設計�；�本的拓撲結構包括兩個(gè)級聯(lián)的一階全通電路(圖6)，它們實(shí)現基于共模輸入的非恒定相移。在特定的頻率范圍內，此系統表現出近似恒定的相移。


圖6. 一階全通電路

無(wú)源方案可以實(shí)現該電路，但是更通用的方法是有源電路(圖7)。對于線(xiàn)性信號(相應的輸入通道)，電路呈現為一個(gè)f_t = 10kHz的相移濾波器，對于積分信號(另一路輸入)，電路呈現為一個(gè)f_t = 1kHz的相移濾波器。目的是使線(xiàn)性輸入信號和積分信號之間在音頻帶寬1kHz至10kHz范圍內呈現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，L和Q兩個(gè)輸出的相移近似90°。因為大部分便攜設備的揚聲器太小，無(wú)法支持全部的聲譜，所以1kHz至10kHz的輸出范圍是可行的。通常便攜設備的揚聲器在300Hz以下只能提供很小的響應。


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

為了進(jìn)一步增強3D效果，可以增加更多的級聯(lián)結構，把它們適當排列，從而在更寬的頻率范圍內實(shí)現90°相移。兩級級聯(lián)結構可以在電路復雜性、功耗和性能之間達到較好的折衷。Maxim的MAX9775音頻IC結合了相位延遲電路和音頻功放，采用單芯片可實(shí)現更寬的播放音域。