阅读说明：本技术 发声设备及发声系统 (Sound production equipment and sound production system ) 是由 梁振宇 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种发声设备及发声系统,所述发声设备包括一发声装置,设置在一发声位置,用来根据一驱动信号产生多个空气脉冲；一驱动电路,接收一输入音频信号及一信道整形信号,用来根据所述输入音频信号及所述信道整形信号产生所述驱动信号,其中所述信道整形信号相关于一信道脉冲响应,所述信道脉冲响应为所述发声位置与一声音建立位置之间一信道的信道脉冲响应；以及一信号处理电路,用来根据所述信道脉冲响应产生所述信道整形信号。本发明提供了基于多源、多发声装置和多声音建立位置系统的时间反转方案的变化。(The invention provides a sounding device and a sounding system, wherein the sounding device comprises a sounding device, a control device and a control device, wherein the sounding device is arranged at a sounding position and used for generating a plurality of air pulses according to a driving signal; a driver circuit receiving an input audio signal and a channel shaping signal for generating the driver signal according to the input audio signal and the channel shaping signal, wherein the channel shaping signal is associated with a channel impulse response of a channel between the sounding location and a sound setup location; and a signal processing circuit for generating the channel-shaped signal based on the channel impulse response. The present invention provides variations of time reversal schemes based on multi-source, multi-sound devices and multi-sound setup position systems.)

发声设备及发声系统

技术领域

本发明涉及一种发声设备及发声系统，特别是涉及一种可利用多路径效应，并在离发声装置一定距离的位置建立可听声音的发声设备及发声系统。

背景技术

扬声器驱动(speaker driver)在扬声器产业中对于高保真声音再现是最难挑战。在声波传播的物理学教导上，在人类可听频率范围内，通过加速传统扬声器驱动的振膜所产生的声压可表示为P∝SF·AR，其中SF为振膜表面积，AR为振膜的加速度。也就是说，声压P正比于振膜表面积SF与振膜的加速度AR的乘积。此外，振膜位移DP可表示为DP∝1/2·AR·T²∝1/f²，其中T与f分别为声波的周期与频率。传统扬声器驱动所引起的空气运动量V_A,CV可表示为V_A,CV∝SF·DP。对于特定的扬声器驱动，其中振膜表面积为常数，空气运动量V_A,CV正比于1/f²，即V_A,CV∝1/f²。

为了覆盖人类可听频率的全部范围，即由20Hz至20KHz，高音扬声器(tweeter)、中范围驱动(mid-range driver)和低音扬声器(woofer)必须包含在传统扬声器中。此些所有附加元件将占据传统扬声器庞大的空间，并且还增加其生产成本。因此，传统扬声器的设计挑战之一是不可能使用单个驱动来覆盖人类可听频率的全部范围。

通过传统扬声器产生高保真度声音的另一个设计挑战是其外壳。扬声器外壳通常用于容纳所产生声音的向后辐射波，以避免在某些频率中消除向前辐射波，其中此声音频率的对应波长明显大于扬声器尺寸。扬声器外壳也可用于帮助改善或重塑低频响应，举例来说，在低音反射(通口盒(ported box))型的外壳中，所产生的通口共振用于反转向后辐射波的相位，并实现与向前辐射波于通口-腔室的共振频率附近的同相位相加效应。另一方面，在声中止(acoustic suspension)(封闭盒(closed box))型的外壳中，外壳用作弹簧功能，其与振动振膜形成共振电路。通过适当选择扬声器驱动与外壳的参数，可利用组合外壳-驱动器的共振峰值来增强共振频率附近的声音输出，因此改善所得扬声器的性能。

为了克服扬声器产业中扬声器驱动及外壳的设计挑战，脉冲振幅调制-超声脉冲阵列(Pulse Amplitude Modulated Ultrasonic Pulse Array，PAM-UPA)发声方案已被提出。然而，脉冲振幅调制-超声脉冲阵列发声方案没有考虑“多路径效应”。首先，在脉冲振幅调制-超声脉冲阵列方案中，仍然需要一个外壳来容纳反向辐射波。这种容纳不仅增加了扬声器的尺寸，而且浪费了发声装置产生的能量的一半。其次，与所有常规扬声器一样，脉冲振幅调制-超声脉冲阵列发声方案在发声装置的表面产生声音，所述声音通常与聆听位置相距一定距离，因此为了在聆听位置产生足够的声压级，发声装置的表面需具有较高的声压级。

因此，现有技术实有必要改进。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种可利用多路径效应，并在离发声装置一定距离的位置建立可听声音的发声设备及发声系统。

本发明的一实施例提供一种发声设备，包括一发声装置，设置在一发声位置，用来根据一驱动信号产生多个空气脉冲；一驱动电路，接收一输入音频信号及一信道整形信号，用来根据所述输入音频信号及所述信道整形信号产生所述驱动信号，其中所述信道整形信号相关于一信道脉冲响应，所述信道脉冲响应为所述发声位置与一声音建立位置之间一信道的信道脉冲响应；以及一信号处理电路，用来根据所述信道脉冲响应产生所述信道整形信号；其中，所述多个空气脉冲的一空气脉冲率高于一最大人类可听频率；其中，所述多个空气脉冲在声压级方面产生一非零偏移，且所述非零偏移是相对于一零声压级的一偏差。

本发明的一实施例提供一种发声系统，包括一发声设备，包括一发声装置，设置在一发声位置，用来根据一驱动信号产生多个空气脉冲；一驱动电路，接收一输入音频信号及一信道整形信号，用来根据所述输入音频信号及所述信道整形信号产生所述驱动信号，其中所述信道整形信号相关于一信道脉冲响应，所述信道脉冲响应为所述发声位置与一声音建立位置之间一信道的信道脉冲响应；以及一信号处理电路，用来根据所述信道脉冲响应产生所述信道整形信号；以及一探测电路，用来产生所述发声位置与所述声音建立位置之间的所述信道的所述信道脉冲响应；其中，所述多个空气脉冲的一空气脉冲率高于一最大人类可听频率；其中，所述多个空气脉冲在声压级方面产生一非零偏移，且所述非零偏移是相对于一声压级的一偏差。

附图说明

图1是本发明一时间反转信号传输机制的示意图；

图2是本发明实施例的一发声系统的示意图；

图3示出了信道脉冲响应和信道整形信号的波形；

图4是本发明实施例的一驱动电路的示意图；

图5是本发明实施例的一驱动电路的示意图；

图6示出一声音输入信号，一信道整形信号及卷积运算的中间结果的波形；

图7是根据本发明实施例的一发声设备的示意图；

图8是本发明实施例的探测电路的示意图；

图9示出了一探测电路和一感测器的配置的示意图；

图10是本发明实施例的一发声装置的示意图；

图11是本发明实施例的一发声装置的示意图；

图12是本发明实施例的一发声系统的示意图；

图13是根据本发明实施例的一驱动电路的示意图；

图14是根据本发明实施例的一驱动电路的示意图；

图15是本发明实施例的一发声系统的示意图；

图16是本发明实施例的一驱动电路的示意图；

图17是本发明实施例的一驱动电路的示意图；

图18是本发明实施例的一发声设备的示意图；

图19绘示多个空气脉冲阵列的波形；

图20是根据本发明实施例一发声设备的示意图。

符号说明

10、50、80 发声系统

12、42、52、82、B2、C2 发声设备

14、54、84 探测电路

120、420、320、320'、520、820_1-820_N 发声装置

B20_1-B20_2、C20_11-C20_22 发声装置

122、20、30、522、60、70、822、90、A0、 驱动电路

B22、C22 驱动电路

124、524、824、B24 信号处理电路

22、62_1-62_M、92_1-92_N、B24_1、B24_2 信道整形滤波器

34 采样电路

426 驱动控制电路

140 感测器

142 滤波器

144 峰值检测电路

301 超声脉冲阵列产生装置

302、302' 外壳

303、303' 外壳开口

301' 脉冲产生装置

304’ 散射组件

B26、C26 交错控制电路

A、B 收发器

L_SP、L_SP,n、L_SP,1-L_SP,N 发声位置

L_SC、L_SC,1-L_SC,M、L_SC,m 声音建立位置

d、d(t) 驱动信号

g、g(t)、g_1,n(t)-g_M,n(t)、g_m,1(t)-g_m,N(t)、g₁(t) 信道整形信号

g₂(t)、 信道整形信号

h_S、h_S(t)、h_1,n(t)-h_M,n(t) 信道脉冲响应

h 多路径信道

h_0-h_L 路径

A(t)、A₁(t)-A_M(t)、A₁(t)-A_N(t)、A₁(t)、A₂(t) 音频信号

A(t₀)-A(t_K) 样本

A^S(t) 采样输入音频信号

T 周期

t₀-t_K 采样时刻

A(t₁)·g(t-t₁)-A(t₈)·g(t-t₈) 中间结果

t_sub 时刻

T_cycle 脉冲周期

V_DC 驱动控制信号

p(t) 探测空气脉冲

rc(t) 录音信号

p^*(-t) 信号

h_1,n-h_M,n、h_m,1-h_m,N 信道

60_1-60_M、90_1-90_N、B22_1、B22_2 驱动子电路

C22_11-C22_22 驱动子电路

d_1,n(t)-d_M,n(t)、d_m,1(t)-d_m,N(t)、d₁(t)、d₂(t) 驱动子信号

ADD6 加法器

h_m,1(t)-h_m,N(t) 估计信道脉冲响应

TC₁、TC₂、TC₁₁-TC₂₂ 交错控制信号

PA₁、PA₂、PA₁₁-PA₂₂ 空气脉冲阵列

具体实施方式

为了增强脉冲振幅调制-超声脉冲阵列(Pulse Amplitude ModulatedUltrasonic Pulse Array，PAM-UPA)发声方案，以使最终的设备或系统利用周围环境的多路径直接在靠近听者耳朵的位置重建可听声音。这样一来，由于声音重建点与耳朵之间的距离大大缩短，因此可以大大降低产生的声压级(sound pressure level，SPL)。

除此之外，在此多路径增强脉冲振幅调制-超声脉冲阵列方案中，向后辐射波可以被视为多路径之一，因此可以用来重建可听声音。这样一来，产生的发声设备或系统不仅将提高发声效率，而且将消除对容纳向后辐射波的外壳的需要。

在本发明中，信号a或脉冲响应b可以在时间t的连续时间函数a(t)或b(t)中互换表示。在本发明中，“耦接”是指直接或间接连接装置。此外，本发明中的“耦接”可指无线连接装置或有线连接装置。举例来说，“第一电路耦接于第二电路”可以指“第一电路经由无线连接装置连接至第二电路”，或“第一电路经由有线连接装置连接至第二电路”。

为克服扬声器产业中扬声器驱动和外壳的设计挑战，申请人在中国申请号201910039667.5中提供了发声微机电系统(micro-electrical-mechanical-system，MEMS)装置，以便在一空气脉冲率/频率产生声音，其中空气脉冲率高于最大(人类)可听频率。

中国申请号201910039667.5中的发声装置需要阀和振膜来产生空气脉冲。为了实现如此快的脉冲速，阀需要能够以如40KHz的超声波频率执行开关操作。快速移动的阀需要耐受灰尘、汗水、手上的油脂、耳垢，并且预计能够经受超过一兆次的操作循环，这是极具挑战性的。

为了避免阀的高速运动，申请人在中国专利申请号201910958620.9和201910958617.7中提供了基于力的发声设备/装置和基于位置的发声设备/装置。在基于力的发声设备中，基于电磁力或静电力的常规扬声器，例如高音扬声器(treble speaker/tweeter)，被用作发声装置(sound producing device，SPD)，并且基于力的发声装置直接被脉冲幅度调制(pulse amplitude modulated，PAM)驱动信号驱动。在基于位置的设备中，利用了一微机电系统发声装置，并且利用其中的求和模块将脉冲幅度调制驱动信号转换为驱动电压，以驱动微机电系统发声装置内的振膜到达特定位置。

中国专利申请号201910958620.9和201910958617.7利用了如中国申请号201910039667.5中所述脉冲幅度调制发声装置的特性。首先，多个空气脉冲内的脉冲幅度(独立于多个空气脉冲的包络的频率)决定脉冲幅度调制发声装置产生的可听声音的声压级。其次，在给定的声压级下，脉冲幅度调制发声装置的净振膜位移DP与可听声音频率f之间的关系是而不是传统扬声器驱动器的

中国申请号201910039667.5 201910958620.9和201910958617.7的脉冲振幅调制-超声脉冲阵列方案，都隐含地假定可听声音的包络是在发声装置的正前方重建的。实际上，收听者通常离发声装置一段距离，并且发声装置产生的多个空气脉冲将经历(或传播通过)多路径信道。因此，隐式假设只是更通用的脉冲振幅调制-超声脉冲阵列方案的一种特殊情况：可听声音包络是由多个气压脉冲在某个位置建立的，其中气压脉冲率高于人类可听频率，且所述特定位置在预期收听者的周围环境内。

须注意，多路径包括多个信道路径，并且在本发明中所述信道间路径干扰在通信系统领域中被称为符号间干扰(inter symbol interference，ISI)。对于某些通信系统，例如正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系统，传送的符号持续时间通常大于信道传播延迟，因此具有长传播延迟的信道路径所携带的信号分量将干扰连续符号，这被称为符号间干扰。与那些通信系统不同，在中国申请号201910039667.5201910958620.9和201910958617.7的脉冲振幅调制-超声脉冲阵列方案中，脉冲周期T_cycle比信道传播延迟短得多，空气脉冲通过较短(或最短)的信道路径将干扰通过较长(或最长)的信道路径的空气脉冲，这称为信道路径间干扰(inter channel-path interference，ICI)。本发明的目的是建设性地利用预期收听者周围环境中不同信道路径之间的这种信道路径间干扰，从而在靠近收听者的位置处重建可听声音的包络。

近来，在通信系统、声学系统或医疗超声装置领域中开发了时间反转(time-reversal，TR)信号传输。以时间反转通信系统为例，时间反转信号传输可以通过利用多路径传播来从周围的多路径环境中充分获取信号能量。时间反转信号传输通信系统可以在图1中示出，其引自C.Chen等人的文章：“Achieving centimeter-accuracy indoorlocalization on Wi-Fi platforms:a multi-antenna approach”,IEEE IoT Journal,vol.4,1,Feb,2017(以下简称为[1])。在收发器A打算将信息传送到收发器B之前，在第一信道探测阶段，收发器B可以将探测信号传送到收发器A。收发器A将(如通过探测操作)提取信道脉冲响应(channel impulse response，CIR)h(t)，对信道脉冲响应进行时间反转共轭，以产生签名信号或信道整形信号g(t)为g(t)＝h^*(-t)。在第二阶段(称为传输阶段)，收发器A用签名或信道整形信号g(t)对传送的符号进行卷积，然后将卷积结果传送到收发器B。由于信道的互易性，如图1的右下角所示，由收发器A传送的时间反转波将追踪进入的路径并最终得到集中在预期位置的一峰值(或脉冲)信号功率分布。通过时间反转g(t)＝h^*(-t)和信道脉冲响应h(t)，信道脉冲响应h(t)被认为是自相关的，结果将是在收发器B的位置观察到一个脉冲峰值。从通信和信号处理的角度来看，具有信道脉冲响应h(t)的信道充当匹配滤波器，且签名g(t)实际上将等效信道

整形为在时间和空间上具有峰值响应(这就是为什么g(t)被称为信道整形信号)，其中表示线性卷积运算。时间反转技术的详细信息可以参考[1]和M.Fink,“Time-reversed acoustic,”Scientific American,1999。

本发明的基本操作包括：用产生超声脉冲阵列的发声装置代替收发器B，并用合适的超声录音装置代替靠近听众耳朵的收发器A。录音装置A将录下与从发声装置(装置B)传送的超声波脉冲相对应的信道脉冲响应，对所述响应执行信号处理操作(例如时间倒转操作)以获得h*(-t)，然后将h*(-t)与声源信号进行卷积以产生驱动信号来驱动超声脉冲阵列产生发声装置。这样产生的超声脉冲阵列将与A和B之间的信道自相关，并导致脉冲振幅调制-超声脉冲阵列波形在装置A的位置(缩写为位置A)处建立。所述脉冲振幅调制-超声脉冲阵列波形将依次产生可听声音，所述声音从位置A全方位向外辐射。简而言之，在本发明中，通过时间反转信号传输技术来实现可听声音包络的重建，所述技术利用多路径信道作为匹配滤波器，并且在位置A处重建脉冲振幅调制-超声脉冲阵列波形而没有使用任何接收器端滤波器。

图2是本发明实施例的一发声系统10的示意图。发声系统10可以但不限于设置在有围墙的环境中，例如办公室、起居室、展览厅或车辆内部。在传送阶段，发声系统10包括发声设备12和探测电路14。发声设备12包括发声装置(sound producing device，SPD)120，一驱动电路122及一信号处理电路124。发声装置120设置在一发声位置L_SP处。发声装置120用来根据一驱动信号d以一空气脉冲率产生多个空气脉冲。驱动电路122接收一输入音频信号A及一信道整形信号g，并用来根据输入音频信号A及信道整形信号g产生驱动信号d。

探测电路14用来针对在一发声位置L_SP及一声音建立位置L_SC之间的一信道h执行探测操作，从而产生与信道h相对应的估计信道脉冲响应(Estimated CIR)h_S。发声位置L_SP是发声装置120所位于的位置，而声音建立位置L_SC是优选在靠近听众的耳朵处建立声音的位置。

在发声位置L_SP和声音建立位置L_SC之间的多路径信道h可以包括信道路径h_0,…,h_L，并且信道脉冲响应h(t)在数学上表示为h(t)＝Σ_k h_k·δ(t-τ_k)，其中τ_k表示与在发声位置L_SP和声音建立位置L_SC之间的第k个信道路径h_k相对应的声波传播延迟。探测电路14在探测/录音阶段期间可能会或可能不会获得信道脉冲响应h_S(t)。

信号处理电路124用来对估计信道脉冲响应h_S(或h_S(t))执行如时间反转操作的信号处理操作，以产生信道整形信号g。具体而言，信号处理电路124产生信道整形信号g，使得信道整形信号g(t)与信道h的估计信道脉冲响应h_S(t)的一时间反转(time-reversed)或时间反转共轭(time-reversed-and-conjugated)(的对应者或版本)成正比。意即，信道整形信号g(t)反映了h_S(-t)或h_S ^*(-t)的特征/波形，不论时间是否经过平移，其中()^*表示复共轭运算。实际上，信道整形信号g(t)可以表示为g(t)＝a·h_S(T-t)或g(t)＝a·h_S ^*(T-t)，其中a是常数。在一个实施例中，T可以大于或等于信道h的最大传播延迟，最长传播时间对应于在信道路径h_0,…,h_L中最后到达者。

图3示出了信道脉冲响应h_S(t)和信道整形信号g(t)的波形。从图3可以看出，信号处理电路124实际上对信道脉冲响应h_S(t)进行时间镜像运算和时间变换运算，以获得信道整形信号g(t)。

在图2中示出的发声系统10中，发声系统10中的发声系统10包括发声系统10。如图2所示，发声装置120实体上设置在发声位置L_SP上，其余电路(如驱动电路122，信号处理电路124和探测电路14)可不必设置在一个特定位置，这意味着发声系统10和/或发声装置12可以或可以不设置在同一位置。包括驱动电路122、信号处理电路124和探测电路14的内部电路可以经由有线连接或无线连接来连接。在一个实施例中，驱动电路122、信号处理电路124和探测电路14可以集中在发声装置120附近，或者稀疏地设置在发声系统10所处的一收听环境上。在一个实施例中，驱动电路122、信号处理电路124和探测电路14可以集中设置于包含在收听环境中的一控制装置内。

由发声装置120产生的多个空气脉冲从发声位置L_SP发出，将传播通过围墙环境并经历信道h，从而使对应于输入音频信号A(t)的一声压级包络(SPL Envelop)在声音建立位置L_SC处建立。在一个实施例中，声压级包络与输入音频信号A(t)正比或相同。须注意，发声位置L_SP与声音建立位置L_SC不同，这意味着声音建立位置L_SC可以与发声位置L_SP相距一定距离。

在一实施例中，驱动电路122用来对输入音频信号A(t)和信道整形信号g(t)执行一(线性)卷积运算，以产生驱动信号d(t)为其中表示线性卷积运算，线性卷积表示为

这是本领域熟知的。

图4是本发明实施例的一驱动电路20的示意图。驱动电路20可以用于实现驱动电路122。驱动电路20包括一信道整形滤波器22，其中可动态地调整的信道整形滤波器22的一脉冲响应(表示为g_ir(t))。具体地，可以将脉冲响应g_ir(t)可动态地调整为信号处理电路124产生的信道整形信号g(t)，即g_ir(t)＝g(t)。因此，信道整形滤波器22可以将驱动信号d输出为或在数字电路中，信道整形滤波器22可以通过存储信道整形信号g(t)的一波形的数字数据的一数据库来实现。

图5是根据本发明实施例的一驱动电路30的示意图。驱动电路30也可以用于实现驱动电路122。驱动电路30包括信道整形滤波器22和一采样电路34。采样电路34可以执行采样操作以产生音频输入信号A(t)对应于多个采样时刻t₀-t_K的多个样本A(t₀)-A(t_K)。对应于采样时刻t₀-t_K的样本A(t₀)-A(t_K)可代表一采样输入音频信号A^S(t)，其可表示为A^S(t)＝Σ_k A(t_k)·δ(t-t_k)，其中δ(t)表示狄拉克增量函数(Dirac delta function)。给定g_ir(t)＝g(t)，驱动电路30的信道整形滤波器22可以产生驱动信号d(t)为d(t)＝Σ_k A(t_k)·g(t-t_k)。

图6示出了音频输入信号A(t)(在右上部分)、信道整形信号g(t)(在左上部分)以及中间结果A(t_k)·g(t-t_k)(在中间到底部)的波形，其中k＝1,…,8。驱动电路30输出的驱动信号d(t)是所有k的多个A(t_k)·g(t-t_k)的总和。例如，时刻t_sub的驱动信号d(t_sub)是全部k的多个A(t_k)·g(t_sub-t_k)的一总和，即d(t_sub)＝Σ_k A(t_k)·g(t_sub-t_k)。

发声装置120可以是如中国专利申请号201910958620.9的基于力(force-based，代表驱动信号d与驱动力为正比)的发声装置，其中驱动信号d驱动连接到基于力的发声装置120内的振膜的电极，以产生施加在振膜上的驱动力，使得驱动力正比于驱动信号d，但不限于此。发声装置也可以是带有阀或不带有阀的基于位置(position-based，代表驱动信号d与振膜位置为正比)的发声装置。

图7是根据本发明实施例的一发声设备42的示意图。发声设备42也可以应用在发声系统10中。除了发声设备12之外，发声设备42还包括耦合到发声装置420的一驱动控制电路426。发声装置420可以是在中国申请号201910039667.5或201910958617.7中描述的基于位置的微机电系统的实施例。耦接于发声装置420与驱动电路122之间的驱动控制电路426，用来根据驱动信号d(t)产生一驱动控制信号V_DC。

若发声装置420是如中国申请号201910039667.5所述带有阀的微机电系统发声装置，驱动控制信号V_DC包含阀控制信号和振膜驱动电压，驱动控制电路426有中国申请号201910039667.5的控制单元的作用。

若发声装置420是如中国专利申请号201910958617.7所述不带阀的微机电系统发声装置，驱动控制信号V_DC包括振膜驱动电压，并且驱动控制电路426有中国专利申请号201910958617.7的求和模块和转换模块的作用。

在中国申请号201910039667.5或201910958617.7两种情况下，均由驱动控制信号V_DC(其中的振膜驱动电压)驱动连接在基于位置的发声装置420内的振膜上的电极，使得振膜到达对应于驱动控制信号V_DC的一特定位置。

图8是本发明实施例的探测电路14的示意图。探测电路14包括一感测器140、一滤波器142和一峰值检测电路144。在探测/录音阶段，一探测空气脉冲p(t)朝着空气并通过多路径信道h传送/发射，并且感测器140将获得录音信号rc(t)。录音信号rc(t)对应于通过发声位置L_SP与声音建立位置L_SC之间的多路径信道h的探测空气脉冲p(t)引起的空气振动。滤波器142起到匹配滤波器的作用，其与探测空气脉冲p(t)的波形匹配。换句话说，滤波器142的脉冲响应f(t)反映了p(-t)或p^*(-t)的特征/波形，即滤波器142的脉冲响应f(t)可以表示为如f(t)＝b·p(W-t)或g(t)＝b·p^*(W-t)，其中b是常数。在一个实施例中，W可以大于或等于一脉冲周期或一脉冲宽度。因此，滤波器142输出通常具有多个峰值的一波形的一滤波结果fr(t)。峰值检测电路144对滤波结果fr(t)执行峰值检测，以获得关于所有k的延迟τ_k和信道路径h_k的信息，这等效于获得整个估计信道脉冲响应h_S(t)。

须注意，在理想信道估计下，估计信道脉冲响应h_S(t)等于实际信道脉冲响应h(t)。为了简单起见，在发声位置L_SP及声音建立位置L_SC之间的信道脉冲响应被称为实际信道脉冲响应，而由探测电路产生并由信号处理电路124接收和利用的信道脉冲响应为估计信道脉冲响应。在本发明中，有时为简洁起见省略下标()_S，这意味着h(t)和h_S(t)可以互换使用。

在一个实施例中，探测空气脉冲p(t)可以由设置在发声位置L_SP处的发声装置120/420传送。在这种情况下，感测器140可以设置在声音建立位置L_SC处。

在一个实施例中，发声系统10还可以包括一探测电路18，探测电路18被设置在声音建立位置L_SC处并且用来传送探测空气脉冲p(t)。在这种情况下，感测器140可以被设置在发声位置L_SP处且在发声装置120/420旁。例如，图9示出了设置在声音建立位置L_SC处的探测电路18和设置在发声位置L_SP处的感测器140的配置，这也在本申请的范围内。为了简洁起见，在图9中省略了内部电路。

在一个实施例中，探测/录音阶段和传输阶段可以由一集中协调器(图1中未示出)管理。集中协调器将协调发声系统10何时应所述在探测/录音阶段中工作，及何时应所述在传输阶段中进行工作。集中协调器与发声系统10的组件之间的通信可以通过有线连接或无线连接进行。例如，集中协调器可以在一第一探测/录音阶段中，要求探测空气脉冲p(t)的传送器(可以是发声装置120/140或探测电路18)传送探测空气脉冲p(t)。在探测电路14产生信道脉冲响应h_S(t)之后，集中协调器可以在第二传输阶段中，请求发声装置120/140根据h_S(t)产生多个空气脉冲。

在一个实施例中，可以以分散式方式来管理探测/录音阶段和传输阶段。例如，探测空气脉冲p(t)的传送器(如发声装置120/140或探测电路18)，可以将一请求传送(request-to-send，RTS)消息传送到感测器140(其在声音建立位置L_SC或在发声位置L_SP处)。感测器140可以将探测空气脉冲p(t)的一允许传送(clear-to-send，CTS)消息传送回传送器。可以将允许传送消息视为与请求传送消息相对应的确认。传送器收到允许传送消息后，传送器传送探测空气脉冲p(t)。在探测电路14产生信道脉冲响应h_S(t)之后，可以通知发声装置120/140产生多个空气脉冲。

简而言之，通过利用多路径信道的互易性(reciprocity)，和信道整形信号g(t)作为估计的多路径信道脉冲响应h_S(t)的时间反转对应者/版本，可以在声音建立位置L_SC处(重新)建立多个脉冲振幅调制的空气脉冲。由于人类听力固有的低通滤波效果，脉冲振幅调制-超声脉冲阵列的超声部分将被滤除，并且人类感知的声音将接近输入音频信号A(t)。

除此之外，与码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA，或其他宽带)通信系统不同(其符号持续时间小于信道传播延迟，且在接收端使用耙式(RAKE)接收器或其他接收器技术来对抗多路径效应)的是，在扬声器产业中，当收听者只想从室内环境中放置的扬声器收听音乐(或通常是可听声音)时，不可以在收听者的耳朵上配置额外的接收装置以消除多路径效应。本发明在以高于最大可听声音的脉冲频率产生声音，通过信号处理电路124执行的时间反转操作和驱动电路122执行的卷积操作，在诸如发声装置12的传送端完成了避免信道路径间干扰的工作。

更进一步地，由于空间和时间的双重交互，利用时间反转的发声系统10最终将同时具有空间聚焦效果(Spatial Focusing)和时间聚焦效果(Temporal Focusing)。另外，信道路径(环境)越多样化，时空聚焦效果将越好。例如，当将发声系统10设置在充满反射性表面的房间中而不是在具有裸露的墙壁、铺满地毯的地板和密集的沙发的房间中时，发声系统10将具有更好的空间/时间聚焦效果。

在一个实施例中，可以通过发声装置的设计(具体地，通过外壳(Enclosure)的设计)来操纵信道多样性。图10和图11分别是本发明实施例的一发声装置320和一发声装置320'的示意图。发声装置320包括一脉冲产生装置301和一外壳302。超声脉冲阵列产生装置301可以包括一振膜和一振膜致动器，其用来振动/变形以产生多个空气脉冲。超声脉冲阵列产生装置301以倾斜角度和偏心设置在由外壳302形成的腔室内。在外壳302上，形成有外壳开口303。与发声装置320类似，发声装置320'也包括一脉冲产生装置301'和在其上形成有外壳开口303'的一外壳302'。此外，发声装置320'还包括设置在腔室内具有外壳302'形成散射表面的散射组件304'。通过散射组件304’并形成外壳302’的一外壳壁作为某种散射图案，由装置301’产生的空气脉冲所经历的多路径信道将具有更大的多样性。因此，发声装置320/320’带来的时空聚焦效果将更为显着。

此外，由本发明的发声装置产生的多个空气脉冲可包括向前辐射脉冲和向后辐射脉冲。与吸收向后辐射声波的传统扬声器不同，因为向后辐射脉冲的信道路径是并与信道h的信道脉冲响应合并，向前辐射脉冲和向后辐射脉冲都可以在声音建立位置L_SC处建立声压级包络。

须注意，发声系统10是一单源(意即，单一输入音频信号源)，单发声装置和单声音建立位置系统。利用多路径信道效应的时间反转技术可扩展到多(或单)源，单发声装置和多声音建立位置系统。

图12是本发明实施例的一发声系统50的示意图。发声系统50是一单发声装置和多声音建立位置系统，包括一发声设备52和一探测电路54。发声设备52包括一发声装置520、一驱动电路522和一信号处理电路524。发声装置520位于一发声位置L_SP,n处。听众可能会停留在声音建立位置L_SC,1-L_SC,M。信道h_1,n-h_M,n中的符号h_m,n表示发声位置L_SP,n及声音建立位置L_SC,m之间的多路径信道。声音建立位置L_SC,1-L_SC,M可以表示与一个预期的收听者的右耳和左耳相对应的位置。

探测电路54产生对应于实际多路径信道h_1,n-h_M,n的估计信道脉冲响应h_1,n(t)-h_M,n(t)。为简洁起见，在此省略下标示()_S。探测电路54可以包括探测电路14的多个复制，并且探测电路54内的一个复制用来产生实际多路径信道h_m,n的一个估计信道脉冲响应如h_m,n(t)。

信号处理电路524用来产生与估计信道脉冲响应h_1,n(t)-h_M,n(t)相对应的信道整形信号g_1,n(t)-g_M,n(t)，如g_m,n(t)＝h_m,n ^*(T-t)。信号处理电路524可以包括信号处理电路124的多个(并平行)复本(duplicates)。信号处理电路524内的一个复本(duplicate)产生与估计信道脉冲响应h_m,n(t)相对应的信道整形信号g_m,n(t)。

图13是根据本发明实施例的一驱动电路60的示意图。驱动电路60可以用于实现驱动电路522。驱动电路60包括多个驱动子电路60_1-60_M和一加法器ADD6。每个驱动子电路60_m可以由驱动电路10实现，这意味着驱动子电路60_m具有与驱动电路10相同的结构。换句话说，多个驱动子电路60_1-60_M可以分别包括多个信道整形滤波器62_1-62_M。信道整形滤波器62_m的脉冲响应正比于信道整形信号g_m,n(t)。多个信道整形滤波器62_1-62_M输出多个驱动子信号d_1,n(t),…,d_M,n(t)，其中d_m,n(t)可以表示为

加法器ADD6将驱动子信号d_1,n(t),…,d_M,n(t)加在一起，并将驱动信号d(t)输出为d(t)＝Σ_md_m,n(t)。当将驱动电路60应用于发声设备52时，发声系统50将是一单源单发声装置多声音建立位置系统。

图14是本发明实施例一驱动电路70的示意图。驱动电路70可以用于实现驱动电路522。驱动电路70与驱动电路60类似，因此，相同的组件用相同的标号表示。与驱动电路60不同，驱动电路70接收多个输入音频信号A₁(t),…,A_M(t)。输入音频信号A₁(t),…,A_M(t)分别提供给声音建立位置L_SC,1-L_SC,M的听众(或耳朵)。驱动电路70中的驱动子信号d_m,n(t)可以表示为当将驱动电路70应用于发声设备52时，发声系统50将是多源、单发声装置和多声音建立位置系统。

另一方面，时间反转技术也可以扩展到多发声装置和单声音建立位置系统。

图15是本发明实施例的一发声系统80的示意图。发声系统80是多发声装置和单声音建立位置系统，包括一发声设备82和一探测电路84。发声设备82包括N个发声设备820_1-820_N、一驱动电路822和一信号处理电路824。发声子设备820_1-820_N中的每个可以由发声装置120/420实现。发声子设备820_1-820_N被设置在/位在发声位置L_SP,1-L_SP,N处。收听者可以停留在声音建立位置L_SC,m处。信道h_m,1-h_m,N中的多路径信道h_m,n位于发声位置L_SP,n及声音建立位置L_SC,m之间。声音建立位置L_SC,m可以表示与预期收听者的耳朵相对应的位置。

探测电路84用来产生与实际的多路径信道h_m,1-h_m,N相对应的估计信道脉冲响应h_m,1(t)-h_m,N(t)。为简洁起见，在此省略下标示()_S。探测电路84可以包括探测电路14的多个复本，并且探测电路14内的一个复本用来产生实际多路径信道h_m,n的一个估计信道脉冲响应如h_m,n(t)。

信号处理电路824用来产生与估计信道脉冲响应h_m,1(t)-h_m,N(t)相对应的信道整形信号g_m,1(t)-g_m,N(t)，如g_m,n(t)＝h_m,n ^*(T-t)。信号处理电路824可以包括信号处理电路124的N个(并行)复本。信号处理电路824中的一个复本用来产生与估计信道脉冲响应h_m,n(t)相对应的一个信道整形信号g_m,n(t)。

图16及图17是本发明实施例的一驱动电路90和一驱动电路A0的示意图。驱动电路90和A0可以用于实现驱动电路822。驱动电路90和A0包括多个驱动子电路90_1-90_N。每个驱动子电路90_n可以由驱动电路10实现，并且与驱动电路10共享相同的结构。多个驱动子电路90_1-90_N可以分别包括多个信道整形滤波器92_1-92_N。信道整形滤波器92_n的一脉冲响应正比于信道整形信号g_m,n(t)。多个信道整形滤波器92_1-92_N输出多个驱动子信号d_m,1(t),…,d_m,N(t)，其中d_m,n(t)可以表示为

类似于驱动电路60、发声设备52和发声系统50，当将驱动电路90应用于发声设备82时，发声系统80将是单源、多发声装置和单声音建立位置系统。例如，多人车载音频系统可以使用多个发声装置来改善空间聚焦，从而允许车辆中的每个乘员私密地收听她/他自己的音频节目。

类似于驱动电路70、发声设备52和发声系统50，当将驱动电路A0应用于发声设备82时，发声系统80将是多源，多发声装置和单声音建立位置系统。发声设备82可以是如设置在电影院中的环绕声系统，其中多个输入音频信号A₁(t),…,A_N(t)可以对应于多个音轨。

更进一步地，基于本发明中示出的教导，本领域技术人员可以容易地获得多发声装置到多个声音建立位置系统、单发声装置到多个声音建立位置系统(由图12中的发声系统50)、多个发声装置到单声音建立位置系统(由图15中的发声系统80)、全部为单源或多源的系统。

须注意，在申请人提交的中国申请号201910958164.8中提出的“脉冲交错”概念可以应用于本发明的多发声装置发声系统。

图18是本发明实施例的一“两向脉冲交错”发声设备B2的示意图。发声设备B2包括发声装置B20_1-B20_2、一驱动电路B22、一信号处理电路B24和一交错控制电路B26。驱动电路B22包括驱动子电路B22_1、B22_2，且驱动子电路B22_1、B22_2分别包括信道整形滤波器B24_1、B24_2。驱动子电路B22_1、B22_2可以分别包括信道整形滤波器B24_1和B24_2。信道整形滤波器B24_1(或B24_2)的脉冲响应与信道整形信号g₁(t)(或g₂(t))成正比，其中信号处理电路B24产生对应于估算信道脉冲响应h₁(t)(或h₂(t))的信道整形信号g₁(t)，即g_i(t)＝h_i ^*(T-t)，其中i＝1,2。估计信道脉冲响应h₁(t)(或h₂(t))对应于发声装置B20_1(或B20_2)与一特定声音建立位置之间的多路径信道h₁(或h₂)。

发声装置B20_1、B20_2和驱动电路B22的操作与发声装置820_1、820_2和驱动电路90/A0的操作相似，在此不再赘述。与对应于图15-17的实施例不同，驱动子电路B22_1和B22_2进一步由交错控制信号TC₁和TC₂控制，使得驱动子信号d₁(t)、d₂(t)驱动发声装置820_1、820_2，以产生空气脉冲阵列PA₁、PA₂，且如图19所示空气脉冲阵列PA₁、PA₂相互交错，其中每个脉冲阵列包括多个空气脉冲，并且交错控制电路B26产生交错控制信号TC₁、TC₂。

根据A₁(t)、A₂(t)产生驱动子信号d₁(t)、d₂(t)，A₁(t)、A₂(t)是在两路交错时间间隔采样输入音频信号A的两个版本。图9中示出了在预期的声音建立位置处交错的空气脉冲阵列PA₁、PA₂、它们与信号A的关系(由缓慢移动曲线表示)以及PA₁+PA₂的组合。从图19可以看出，两路脉冲交错发声装置B2的分辨率是PA₁和PA₂的分辨率的两倍。通过应用与上述相同的原理，可以将图18-19中所示的方案概括为一N路脉冲交错发声系统。通常，本发明的N路脉冲交错实施例将具有非交错实施例的分辨率的N倍。

图20是根据本发明实施例一“立体声2路脉冲交错”发声设备C2的示意图。发声设备C2包括发声装置C20_11-C20_22、一驱动电路C22和一交错控制电路C26，为简洁起见，省略了与发声设备C2的信号处理电路。驱动电路C22包括驱动子电路C22_11-C22_22(为简洁起见，省略了驱动子电路C22_11-C22_22内的信道整形滤波器)，它们由交错控制电路C26产生的交错控制信号TC₁₁-TC₂₂控制，使得发声装置C20_11-C20_22产生的空气脉冲阵列PA₁₁-PA₂₂相互交错。

由本发明的发声装置产生的多个空气脉冲和空气脉冲阵列将保有中国申请号201910039667.5、201910958620.9、201910958617.7和201910958164.8的空气脉冲特性，其中空气脉冲率高于最大人类可听频率，并且由本发明的发声装置产生的多个空气脉冲中的每一个在声压级方面将具有非零偏移，其中非零偏移是相对于零声压级的偏差。另外，由本发明的发声装置产生的多个空气脉冲在多个脉冲周期上是非周期性的。“非零声压级偏移”和“非周期性”特性的细节可以参考美国申请中国申请号201910039667.5，为简洁起见，在此不作叙述。

总而言之，本发明在发声设备/系统中通过使用信道探测电路和信号处理电路来利用时间反转传输方案，以利用多路径效应，从而在距发声装置的一定距离的声音建立位置处建立声音。本发明提供了基于多源、多发声装置和多声音建立位置系统的时间反转方案的变化。脉冲交错也应用于多发声装置系统中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。