[0001] 本
申请是
国际申请日为2014年4月28日、于2015年11月6日进入中国国家阶段、中国
国家申请号为201480025915.6、
发明名称为“模块化的基于头枕的音频系统”的发明
专利申请的分案申请。
背景技术
[0002] 本公开涉及模块化的基于头枕的音频系统。
[0003] 在一些车辆音频系统中，基于总系统的电气响应
和声学响应向提供至每个扬声器的音频
信号应用处理，该总系统的电气响应和声学响应即扬声器本身的响应以及机动车车厢对由扬声器产生的声音的响应。考虑到每个扬声器的
位置和座位、玻璃和除此之外的
汽车的其它部件的吸收和反射特性，这样的系统高度个体化到特定的车辆型号和装饰
水平。这样的系统通常被设计为机动车的产品开发过程中的部分，对应的均衡和其它音频系统参数在制造或组装时被加载到音频系统中。
发明内容
[0004] 一种用于乘用车的模块化的基于头枕的音频系统，包括固定在车辆车厢中的一组扬声器，以及位于汽车的头枕的唯一一个中的的扬声器。第一组音频系统参数被用来调节向各种扬声器提供的
音频信号，实现了在具有在其头枕中的扬声器的一个座位周围聚焦的音频体验。当可选的第二头枕被安装并将扬声器带到第二座位的头枕时，音频系统参数被改变，不仅是针对新的头枕，也是针对固定扬声器并且在一些情况下是第一头枕，使得充分利用所添加的扬声器。可选的低音箱也可以被添加，再次地，改变音频系统参数不仅针对添加的部件，也是针对固定的扬声器，以提供总的系统性能改进。
[0005] 总体而言，在一方面，车辆音频系统，包括
信号处理器，该信号处理器被配置成从源接收及处理音频信号并且向
放大器提供经处理的音频信号，第一头枕，该第一头枕包括头枕扬声器并被耦合到驾驶者的座位，第一固定扬声器，该第一固定扬声器被
定位在与头枕的前方的车辆的车厢的左
角落接近处，第二固定扬声器，该第二固定扬声器被定位成接近头枕的前方的车辆的车厢的右角落，以及头枕辅助端口，该头枕辅助端口位于乘客的座位中。头枕辅助端口被配置成将音频系统连接到第二头枕中的第二头枕扬声器。该信号处理器使用第一组处理参数以用于在第一头枕扬声器被连接到音频系统并且第二头枕扬声器不被连接到音频系统时处理接收到的音频信号，并且信号处理器使用第二组处理参数以用于在第一头枕扬声器和第二头枕扬声器两者均被连接到音频系统时处理接收到的音频信号。
[0006] 各个实施方式可以以任意组合方式包括以下中的一个或多个。使用第一组处理参数针对第一固定扬声器和第二固定扬声器中的每一个向放大器提供的经处理的音频信号可以不同于使用第二组处理参数针对第一固定扬声器和第二固定扬声器提供的经处理的音频信号。使用第一组处理参数针对第一头枕扬声器向放大器提供的经处理的音频信号可以不同于使用第二组处理参数针对第一头枕扬声器提供的经处理的音频信号。使用第二组处理参数针对第一头枕扬声器向放大器提供的经处理的音频信号可以不同于使用第二组处理参数针对第二头枕扬声器提供的经处理的音频信号。信号处理器可以从源重混音频信号到与分量方向的集合对应的中间信号中，并且第一组处理参数和第二组处理参数中的每一组可以将与每个分量方向对应的中间信号的不同部分分布到头枕扬声器以及第一固定扬声器和第二固定扬声器。
[0007] 该系统可以不包括在车辆的车厢中位于第一头枕的后方的固定扬声器。向放大器提供的经处理的音频信号可以最小化从驾驶者的座位到乘客的座位的
泄漏。该第一头枕扬声器可以包括至少两个
电声换能器，至少一个电声换能器位于头枕的一端处。针对第一头枕扬声器向放大器提供的经处理的音频信号可以控制电声换能器中的每一个与被置于与电声换能器中的不同的一个的收听者的
耳朵之间的信号的串扰。该第一头枕扬声器可以包括位于头枕的每一端处的电声换能器的阵列中的一对。该第一头枕扬声器可以包括位于头枕以内的电声换能器的阵列。低音单元辅助端口可以被配置成将音频系统连接到低音单元，其中信号处理器可以使用第三组处理参数以用于在低音单元可以被连接到音频系统时处理接收到的音频信号。使用第三组处理参数针对第一固定扬声器和第二固定扬声器中的每一个固定扬声器向放大器提供的经处理的音频信号可以不同于使用第一组处理参数或第二组处理参数针对第一固定扬声器和第二固定扬声器提供的经处理的音频信号。使用第三组处理参数针对第一头枕扬声器向放大器提供的经处理的音频信号可以不同于使用第一组处理参数或第二组处理参数针对第一头枕扬声器提供的经处理的音频信号。
[0008] 各种优点包括为在小型汽车中实现高
质量音频体验提供了具有成本效益的方案，如需要，其扩展从而为乘客提供与驾驶者体验的相同高质量的声音，并且如果期望，增加系统的低音响应。
[0009] 以上提及的所有示例和特征可以以任何技术上可行的方式进行结合。从
说明书中以及从
权利要求书中，其它特征和优点将显而易见。
附图说明
[0010] 图1示出了车辆中的模块化的基于头枕的音频系统的示意图。
[0011] 图2A至2D示出了从扬声器到收听者的耳朵的信号路径的示意图。
具体实施方式
[0012] 常规的汽车音频系统基于大约一组四个或更多的扬声器，两个在仪表板上或者在前
门中，并且另两个通常位于后行李架上(在四门轿车和双门轿车中)或在后门或壁中(在货车和掀背式车中)。然而，如图1所示，在一些汽车(诸如小型汽车)中扬声器可以被设置在头枕中而不是在驾驶者之后的传统位置中。这节省了汽车的后面的空间，并且并不浪费如果存在也不可能是用于乘客的向后座提供声音的
能量。图1中所示的音频系统100包括结合的源/处理/放大单元102。在一些示例中，可以在多个部件之间分配不同的功能。特别地，源通常与放大器分开，并且由源或者放大器提供处理，尽管处理还可以由分别的部件所提供。处理还可以由加载到提供源和/或放大器的功能的通用计算机上的
软件而被提供。我们指的是由“系统”提供的信号处理和放大，而不是特指任何特定的系统架构或技术。
[0013] 在图1中示出的音频系统具有永久附着到车辆结构的两组扬声器104、106。我们将其称为“固定”扬声器。在图1的示例中，每组固定扬声器包括两个扬声器、高频扬声器108、110和低至中频范围扬声器112、114。在每组中的两个扬声器可以被来自放大器的单个放大信号所驱动，其中无源分频网络(其可被嵌入在一个或两个扬声器中)以不同的
频率范围将信号分布到恰当的扬声器。可替代地，放大器可以向每个扬声器直接提供频带限制信号。在其它示例中使用全频扬声器，并且在又一示例中每组使用多于两个扬声器。所示的每个个体扬声器还可以被实施为扬声器阵列，其可以允许声音的更加复杂的整形，或者仅仅是传递给定声压级的空间和材料的更加经济的使用。
[0014] 在图1中驾驶者的头枕120包括两个扬声器122、124，其被简略地示出并且实际上每个可以是扬声器的阵列。扬声器(无论是个体扬声器或阵列)可以作为阵列本身被协同操作以控制声音分布到收听者的耳朵。两个扬声器可以被放置在头枕的每一端处，大致对应于驾驶者的耳朵的期望间隔，在之间为头枕的靠垫留出空间，当然头枕是主要功能。在一些示例中，扬声器被放置在头枕的后面更加接近在一起，使得被传递到头枕的前面的声音穿过围绕靠垫的
外壳。取决于头枕的机械要求以及系统的声学目标，扬声器可以以各种方式相对于彼此并且相对于头枕部件被定向。通过引用并入本文的共同未决的申请13/799,703描述了用于封装头枕中的扬声器而不妥协头枕的安全特征的多个设计。头枕的扬声器在图1中被示出为通过线缆130穿过座位而被连接到源102，虽然它们还可以与源102无线通信而线缆仅提供功率。在一些示例中，扬声器122和124可以被放置在除了直接在头枕中之外的其它位置，诸如在椅背中，特别是在头枕是椅背的集成部分的座椅中，或者在顶蓬或防滚杆中。
[0015] 小型汽车音频系统可以被部分设计为优化驾驶者的体验，并且不在乘客头枕中提供扬声器。具有附加扬声器128和130的乘客头枕126和后面安装的低音箱132可以作为选项提供给确实想为乘客提供声音或牺牲可观的储存空间的买家。当这样的可选扬声器被安装时，整个音频系统的调谐被调整以充分利用增加的扬声器。
[0016] 线缆134可以存在于乘客座位中，以简化在车辆被制造之后将可选的第二头枕126添加到该座位的任务，或者其可以根据需要被经销商在购买第二头枕的时候被添加。如果头枕126是无线的，线缆134仅可以向头枕提供功率，并且可以已经存在于座位中以用于其它功率的功能，诸如定位
电机和加热器。可选的低音箱132被置于车辆的后备箱区域，通过线缆136被连接到源102，再次，线缆136可以是原始装备或者可以是经销商安装的。在一些示例中，低音箱132具有内建的放大器138，使得源102仅需要向低音箱提供均衡的但不是放大的音频信号。
[0017] 一大组可调整的参数影响音频系统的性能，并且我们把一组这样的参数(被配置成在给定的音频系统中提供期望的体验)称作“调谐”。调谐可以包括用作被应用到每个音频信号的增益的这样的参数的值，控制由不同的扬声器产生的声音的
相位对准的对不同音频信号的相位调整，被应用以整形声音的
滤波器等。特别地，针对包括头枕扬声器的系统，复杂的滤波器可以被用来控制在头部处的声音的双耳
感知，并且避免控制达到每个收听者的耳朵的信号之间的以及它们的座位之间的串扰。
[0018] 在一些示例中，音频源仅提供两个声道，即左立体声音频和右立体声音频。两个其它的共同选项是四个声道，即针对前和后的左和右，以及针对环绕声音源的五个声道。四个声道通常在使用标准车辆头单元时被找到，在该情况下两个前声道和两个后声道通常将具有相同的内容，但由于头单元中的“
衰减器”设置可以处于不同的水平。为了针对本文描述的系统恰当地混合声音，音频的两个或更多声道被上混到与声音好像来自的不同方向对应的中间数量的分量中，并且随后被重混到旨在用于系统中每个特定扬声器的输出声道中。这样的上混和重混的一个示例在美国专利7,630,500中进行了描述，通过引用被并入本文。
我们使用“分量”指示原始源材料被上混到的中间方向性指派中的每一个指派。每个分量的一部分被混合到每个输出声道中(虽然该部分对于一些分量-输出声道组合可以接近零)。
例如，针对“右前”分量的音频信号将被大多分布到右固定扬声器，使得其一些部分也被分布到右头枕扬声器。针对“中前”分量的音频信号将被平均地分布到右和左固定扬声器，使得其一些部分被分布到右和左头枕扬声器，这有助于聚焦收听者感知中央分量发源的位置。分量内容向输出声道的特定分布将基于多少头枕扬声器以及哪个头枕扬声器被安装而改变。该混音和其之后的信号处理的示例在共同未决的申请13/888,927中进行了描述，通过引用被并入本文。
[0019] 通过汽车的调谐而被控制的音频体验的一个方面是声场。“声场”指的是收听者对声音来自于哪里的感知。特别是，通常期望的是声场宽(声音来自收听者的两侧)、深(声音来自近处和远处)以及精确(收听者可以识别特定声音好像是来自于何处)。在理想的系统中，收听录制的音乐的某人可以闭上其眼睛，想象其处于现场表演中，并且指出每个音乐家的位置。相关的概念是“包围”，通过包围我们指的是声音来自所有方向(包括从收听者的后面)的感知，与是否该声音能够被精确局部化无关。声场和包围(以及通常来说的声音位置)的感知基于到达收听者的两个耳朵的声音之间的水平和到达时间(相位)差异，声场可以通过操纵由扬声器产生的音频信号以控制这些耳间水平和时间的差异。如通过引用结合在此的美国专利8,325,936所描述的，不仅是基于头枕的扬声器，固定扬声器也可以被协同地使用以控制空间感知。
[0020] 如果基于头枕的系统被单独使用，声音将被感知为来自收听者的后面，因为那实际上是扬声器的位置。然而，当与在驾驶者前面的扬声器(诸如在仪表板上或门中的传统固定位置中)正确地结合时，在头枕中的扬声器可以被用来改进来自前面的扬声器的声音的场。即，与其简单地取代后座扬声器以提供“后面”声音，头枕被用来聚焦和控制收听者对来自汽车的前面的声音的感知。这可以提供比起单独的前扬声器可提供的而言更宽或更深且更受控的声场。
[0021] 为了使用头枕扬声器以增强前固定扬声器的声场，调谐提供了对到每个扬声器的信号的具体调整。固定扬声器104、106两者的和头枕扬声器122、124、128、130的调谐针对使用一个头枕的系统将与针对使用两个头枕的系统不同。单个头枕系统还将与除了该一个头枕在汽车的另一侧上之外其它均相同的系统不同(最小限度地，用于左和右信号的参数将被反转)。图2A至2D被用来图示这些调整——它们示出了两个收听者的头部，如同他们期望相对于图1中的扬声器被定位的。驾驶者202具有左耳204和右耳206，并且乘客208的耳朵被标记为210和212。虚线箭头示出了声音从扬声器到收听者的耳朵采取的各种路径，如以下所述。图2A同时示出了所有的路径，而图2B至2D示出了与系统调谐的各个具体方面相关的路径的子集。我们将这些箭头称为“信号”或“路径”，虽然在实际实践中，尽管是可能的，我们并不假设扬声器可以控制声音
辐射的方向。被指派给每个扬声器的信号被
叠加以产生最终的
输出信号，并且来自每个扬声器的所有能量可以全向地行进。箭头仅仅概念上示出了扬声器和耳朵的不同组合以便于参考。如果使用阵列或其它方向性扬声器技术，信号可以被提供给扬声器的不同组合以提供一些方向性控制。
[0022] 图2B示出了仅在驾驶者的头枕被安装时声音的分布。来自每个固定的扬声器的信号220、222、224和226在驾驶者的两个耳朵处抵达。针对每个个体固定扬声器，信号到达相对的耳朵(222和224)相对于相同的信号到达接近的耳朵(220和226)的轻微时延将导致
驱动器将声音局部化到正确的一侧。发送到固定扬声器的信号的相位被
修改以确保来自右固定扬声器106的信号到达右耳与来自左固定扬声器104的对应的信号到达左耳发生在同一时间。因而，来自两侧的具有相同内容的信号将在两个耳朵处被同时感知，并且被感知为来自中间。
[0023] 来自中间分量的信号也被发送到头枕扬声器。头枕扬声器中的每一个头枕扬声器现在被假设仅被对应的耳朵228和230所听见。通过以来自固定扬声器的信号之前或之后的受控量的时间在两个耳朵处提供信号(即，通过操纵相位)，头枕扬声器可以被用来控制驾驶者是否感知中间分量声音为在驾驶者前方非常聚焦，或者围绕驾驶者非常扩散。
[0024] 对应于上混的音频信号的右和左分量中的每个分量的信号也被发送到固定扬声器和头枕扬声器两者。从附图中清楚所见，如在具有并排坐的任何车辆中，左固定的扬声器比右固定扬声器显著更接近于驾驶者。没有头枕扬声器时，这可导致声场感觉非常
不平衡——来自右边的声音在右边很远处，而来自左边的声音则近在咫尺。这可以通过在左和右头枕扬声器处不同地提供左和右分量的部分而被改进。左头枕扬声器122被用来将声像从左固定扬声器104拉得更靠后，其将被感知为在左侧更远，在汽车的实际边界以外，而右头枕扬声器124被用来将声像从右固定扬声器106向内拉。
[0025] 当乘客的头枕126被添加时，如图2C中所示，针对乘客座位存在相同的问题，但被左右反转。左固定扬声器104在两个收听者的左耳220和232被收听，并且右固定扬声器106在两个收听者的右耳226和234处被收听。来自固定扬声器的相对的耳朵路径并未被示出，因为它们如上所述可以被忽略。被应用到去往驾驶者的头枕上的右扬声器的右侧分量信号的处理(针对路径230)现在被应用到去往乘客的头枕上的左侧扬声器的左侧分量信号(236)，并且反之亦然(即，针对路径228的左分量处理被应用到针对路径238的右分量处理)。因而，处理被反转，而分量信号去往两个头枕中的相同侧。
[0026] 与头枕信号相反，为了平衡在驾驶者处的声场对去往右固定扬声器106的信号做出的相位调整不太可能被乘客以相同的方式所感知。因为现在假设存在两个收听者，去往固定扬声器的信号的相位将被调整以在两个座位处提供可获得的最佳平衡。这例如可通过使得中央声像较不精确而补偿单座性能，但在考虑两个位置时，其改善总体声音系统的感知。
[0027] 调谐将在不同配置之间改变的另一方面是串扰消除，如在图2D中所示。串扰消除被用来防止意在用于一个耳朵的声音到达另一个耳朵，这通过在与意在用于第一个耳朵匹配但不同相位的第二个耳朵处提供
声音信号而完成，导致与不想要的信号的相消干扰(即，消除)。在一个头枕以内，在左和右扬声器之间提供串扰消除。在头枕中的两个扬声器被用作阵列，这通过从右扬声器124提供与来自左扬声器122的信号相同内容的信号但将与在驾驶者的右耳处的信号不同相位而完成。因而，信号230不仅被用来向右耳传递右侧分量内容，还用来消除在右耳206处的来自左头枕扬声器122的左侧分量内容240。同样地，信号228被用来消除在左耳204处的来自右头枕扬声器124的右侧分量内容242。
[0028] 当存在第二头枕126时，驾驶者的头枕的右扬声器124接近乘客的左耳。这可导致来自右扬声器的信号248(针对每个内容或针对来自左扬声器122的串扰消除)在乘客的左耳210处可听见，这将是不理想的。同样地，来自乘客的左扬声器128的信号250可以在驾驶者的右耳206处是可听见的。为了避免该情况，由内侧扬声器(驾驶者的右扬声器124和乘客的左扬声器128)提供的直接信号的和串扰消除的水平可以被降低。这妥协了头枕可以提供的对声场控制的以及串扰消除的质量，但避免了信号穿过座位的不理想的泄漏。
[0029] 如果系统有能
力，一些附加的处理也是可能的。如刚刚提及的，存在从每个头枕泄漏到相对的座位位置的信号。代替减小内侧扬声器的输出以避免该泄漏的是，每个头枕的扬声器可以被结合使用以在相对头部的方向上消除它们自身的声音，即，扬声器122和124被用来消除路径248，并且扬声器128和130被用来消除路径250。使得这样的控制更加可行的一个方法是针对头枕扬声器位置中的每个位置使用换能器的阵列。
[0030] 在一些示例中，音频系统被预配置有至少两个调谐，以用于一个头枕以及用于两个头枕。该系统还可以被配置有左和右单头枕调谐。当仅安装一个头枕时，使用恰当的单头枕的调谐。当第二头枕被添加时，系统对两个头枕调谐进行改变。在音频系统针对两个头枕被预布线并因此能够检测第二头枕的安装的情况下，该改变可以自动做出，或者可以根据由安装第二头枕的技术人员或用户发出的指令而做出改变。检测头枕的存在可以使用添加到连接器的附加引脚而完成(相对于针对一直存在的设备将完成的而言)，这通过周期性地轮询电线上的阻抗来检查扬声器是否已经被附接，或者通过也用来向头枕提供信号的无线收发器而完成。
[0031] 固定前扬声器的调谐还将取决于可选的低音模块是否被安装。除了从前扬声器到低音箱重新平衡低频内容的分布之外，当可能时，提供到前扬声器的所有信号的总水平和相位将被改变以控制系统跨全部可听
频谱的感受到的平衡。例如，当由于低音箱的存在导致更高的低频水平可用时，中频和高频声音还可以比仅当前扬声器被用来提供低频声音时它们本被播放的音量而言被更大声地播放。这是因为增大低音的水平同时保持其它频率相同实际上将导致更高的频率听起来更安静，相反地，当低音的高水平不存在时，中频和高频声音可能已经被抑制以避免系统听起来尖或亮。在一些示例中，在系统中的所有的扬声器的相位对准在低音箱被安装时被确定，并且相位对准在两种模式中被使用——有或没有低音箱。基于低音箱的存在或不存在被改变的是去往输出声道的声音的水平和分量混合。
[0032] 正如第二头枕，音频系统可以被预配置有两个调谐(乘以若干头枕调谐集合)，用于与低音箱以及不与低音箱一起使用，并且恰当的调谐以相同方式被加载。在可选的低音箱的情况下，甚至多过在可选的头枕的情况下，可能的是顾客可选择移除并且之后在任意时间重新安装低音箱，诸如用来在搬运全负荷的行李时给出更多可用空间。出于该原因，有利的是系统自动检测低音箱的存在或不存在并且自动地加载适当的调谐。
[0033] 以上描述的这些系统和方法的
实施例可包括计算机部件和计算机实施的步骤，其对本领域技术人员而言将是明显的。例如，应当被本领域技术人员所理解的是，计算机实施的步骤可以作为计算机可读介质上的计算机可执行指令被存储，该计算机可读介质诸如举例而言是
软盘、
硬盘、光盘、闪存ROMS、非易失性ROM以及RAM。此外，应当由本领域技术人员理解的，计算机可执行指令可以在各种处理器上被执行，该处理器诸如举例而言为
微处理器、
数字信号处理器、门阵列等。为了便于说明，不是以上描述的系统和方法的每个步骤或元件都在本文中被描述为
计算机系统的一部分，但本领域技术人员将认识到，每个步骤或元件可以具有对应的计算机系统或软件构件。因此，这样的计算机系统和/或软件构件通过描述其对应的步骤或元件(即，它们的功能)而被启用，并且处于本公开的范围之内。
[0034] 若干实施方式已经被描述。然而，将理解的是，可以做出附加的修改而不偏离本文描述的发明构思的范围，并且相应地，其它实施例也处于以下权利要求书的范围以内。
