定向聲HyperSound:技術(shù)介紹
來源:Turtle Beach 編輯:ZZZ 2024-04-29 17:36:49 加入收藏
HyperSound是一種顛覆性的音頻創(chuàng)新,具有高度的指向性,可以在商業(yè)應(yīng)用中推動(dòng)沉浸式音頻體驗(yàn)。
定向聲音揚(yáng)聲器是一項(xiàng)突破性的技術(shù),為零售商、系統(tǒng)集成商和其他組織提供了創(chuàng)建隔離的聲音區(qū)域的能力。本白皮書提供了該技術(shù)的簡要介紹,并討論了其在廣泛的商業(yè)應(yīng)用中的潛力。
定向聲:
定向音頻是一種新興的技術(shù),在廣泛的商業(yè)環(huán)境中具有巨大的潛力。
音頻“指向性”的水平在今天的揚(yáng)聲器中變化很大。當(dāng)我們討論指向性時(shí),我們指的是揚(yáng)聲器如何向不同方向發(fā)送聲音的特性。當(dāng)聲音是“定向的”時(shí),它沿著一個(gè)特定的軸以最小的擴(kuò)散傳播。
目前,產(chǎn)生定向聲音的方法有以下幾種
揚(yáng)聲器陣列: 在水平面上,空間上控制可聽見的聲音波束。這種產(chǎn)生集中聲音的方法成本很高,不能由小型揚(yáng)聲器產(chǎn)生。指向性很低。
聲音圓頂: 將聲波聚焦到圓頂下的聽眾。指向性是有限的,取決于圓頂?shù)拇笮。荒懿渴鹪陬^頂?shù)膽?yīng)用。
參數(shù)化(或超聲波)揚(yáng)聲器: 將可聽到的聲音信號(hào)調(diào)制到超聲波載體上,并通過超聲波發(fā)射器投射信號(hào),在一個(gè)緊密的柱狀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生可聽到的聲音。這種類型的揚(yáng)聲器提供了最大的音頻方向性,并可以不同的的發(fā)射器大小和形狀中開發(fā)。
參數(shù)化揚(yáng)聲器提供了一種有效的方法,以高度定向的方式投射聲音, 而不使用大型揚(yáng)聲器陣列,以形成尖銳的定向波束
定向音頻揚(yáng)聲器VS傳統(tǒng)揚(yáng)聲器
HyperSound是一種創(chuàng)新的,高度定向的參數(shù)化揚(yáng)聲器。
傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器可以被認(rèn)為是一個(gè)裸露的燈泡,而超聲技術(shù)可以被認(rèn)為是一個(gè)手電筒光束。
與燈泡一樣,傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器向四面八方輻射聲音:不管聽者在房間的哪個(gè)位置,聲音都會(huì)被聽到。通常,聽者可以從房間的任何地方直接指向那個(gè)揚(yáng)聲器,并說“這就是聲音的來源”。
另一方面,HyperSound 以一種高度可控的窄波束發(fā)出聲音,因此只有當(dāng)你“在波束中”或處于能聽到虛擬源反射聲音的位置時(shí),才能聽到聲音。這是因?yàn)?,HyperSound 不是直接使用振動(dòng)揚(yáng)聲器錐產(chǎn)生,而是使用超聲波在空氣中產(chǎn)生聲音。音頻是高度定向的,因?yàn)樗窃谝粋€(gè)超聲波能量柱上無限多的點(diǎn)上產(chǎn)生的。
這提供了獨(dú)特的靈活性,將聲音準(zhǔn)確地放置在您想要的地方,而實(shí)質(zhì)上屏蔽了來自其他領(lǐng)域的聲音。
歷史
大約 150年前,一位名叫Hermann·von·Helmholtz的德國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)空氣是非線性的。非線性系統(tǒng)的輸出與輸入不成正比。他在管風(fēng)琴上大聲地彈奏著兩個(gè)管風(fēng)琴音符,并能聽到他認(rèn)為是較高頻率和較低頻率的聲音。通過仔細(xì)地測量,他證明了這些新的頻率確實(shí)以新的音調(diào)的形式存在,并且被測量為原始音符頻率的和與差。
在電子學(xué)的世界里,把兩個(gè)頻率發(fā)送到一個(gè)非線性的設(shè)備中,產(chǎn)生的輸出包含兩個(gè)原始信號(hào),加上兩個(gè)信號(hào)的和,兩個(gè)信號(hào)的差,以及一組諧波。
Westervelt(布朗大學(xué))和Blacktock(德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校)進(jìn)一步解釋了亥姆霍茲實(shí)驗(yàn)。他們證明了新的音調(diào)是空氣本身引起的傳播失真的結(jié)果。
根據(jù)Westervelt,Berktay,Blacktock等人的說法,非線性聲學(xué)理論認(rèn)為,當(dāng)兩個(gè)超聲主音組合在一起時(shí),可以產(chǎn)生每個(gè)主音的諧波以及和音和差音。
由于我們不經(jīng)常聽正弦波(之前的研究檢查了正弦波),Elwood Norris 和 HyperSound的聯(lián)合創(chuàng)始人決定找到一種方法在空氣中產(chǎn)生復(fù)雜的聲波,如聲音或音樂。就 HyperperSound 應(yīng)用而言,在人類聽覺范圍內(nèi)產(chǎn)生這些不同音調(diào)是非常重要的。
其結(jié)果是一套電子、數(shù)字信號(hào)處理和一套專利算法,該算法創(chuàng)建了復(fù)雜的波形,其中包含在空氣中產(chǎn)生不同音調(diào)所需的所有組件,然后從一個(gè)單一的超聲發(fā)射器(參量陣揚(yáng)聲器)投射出波形。因?yàn)檫@個(gè)發(fā)射器的工作原理是空氣中的非線性,它產(chǎn)生了一個(gè)高度定向的聲波束。
HyperSound是如何工作的
“在空氣中”產(chǎn)生聲音的過程
超聲學(xué)和音頻
HyperSound 通過一系列過程創(chuàng)建可聽到的聲音(參見下面的圖)。將音頻信號(hào)發(fā)送到專有的電子預(yù)處理電路、失真控制電路,然后通過倍增器電路產(chǎn)生復(fù)合超聲/聲波波形。然后這個(gè)信號(hào)被放大并直接發(fā)送到HyperSound 超聲波發(fā)射器。在揚(yáng)聲器前產(chǎn)生一束超聲波能量,它包含空氣分子產(chǎn)生可聽聲音所需的所有屬性。我們能聽到的聲音沿著這一波束被解調(diào),在空氣分子中通過向下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生在可聽到的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生有規(guī)律的聲音。
HyperSound能產(chǎn)生高指向的超聲波能量束轉(zhuǎn)換為空氣中可聽到的聲音。波束的長度決定了音頻的方向性。這種聲音比傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器在更遠(yuǎn)的距離上具有方向性。
圖1展示了HyperSound音頻波束系統(tǒng)的功能示意圖。首先,發(fā)射的超聲波是聽不見的,但當(dāng)它把音頻信號(hào)壓在空氣中的載體上時(shí),音頻信號(hào)被參數(shù)陣列效應(yīng)解調(diào),變成可聽聲。這種解調(diào)的音頻波保留了超聲波的指向性,從而產(chǎn)生音頻波束。
HyperSound創(chuàng)新
HyperSound技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展
挑戰(zhàn)商業(yè)音頻技術(shù)創(chuàng)新的極限。
自上世紀(jì) 90年代末 HyperSound誕生以來,在原有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能上進(jìn)行了無數(shù)的創(chuàng)新。創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域包括:
發(fā)射極設(shè)計(jì): HyperSound的發(fā)射極和放大器設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了巨大的改進(jìn),以優(yōu)化其在商業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。此外,發(fā)射極面板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提高了音頻音量與面板尺寸的比例,允許生產(chǎn)更小的面板。
調(diào)制: 在 HyperSound 廣泛的創(chuàng)新中,可能是直接與調(diào)制相關(guān)的最重要和最有前途的交易; 更具體地說,是對(duì) HyperSound 復(fù)雜且高度復(fù)雜的調(diào)制算法的改進(jìn)。這些專利改進(jìn)糾正諧波失真和互調(diào),提高音頻質(zhì)量和頻率響應(yīng)。
電子: HyperSound的核心電子組件也進(jìn)行了多次革新,新專利的發(fā)布使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,技術(shù)更加完善。例如,它的電路經(jīng)過了技術(shù)改造改進(jìn)和先進(jìn)的匹配設(shè)備被引入,導(dǎo)致系統(tǒng)效率提高。電子技術(shù)的進(jìn)步也使低壓電纜的使用和更低的整體功耗成為可能。
主要特征和優(yōu)點(diǎn)
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