[发明专利]面板振动的时间、空间控制系统和方法及虚拟源生成方法

说明书

描述了由具有固定的力致动器阵列的柔性面板、信号处理系统和接口电路组成的扬声器系统。所描述的系统能够在面板上的任何位置处创建弯曲驻波的图案，并且能够通过音频信号来控制驻波的瞬时幅度、速度或加速度，以在面板的平面中所选定的位置处创建局部声源。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年11月25日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR AUDIOSCENE GENERATION BY EFFECTING SPATIAL AND TEMPORAL CONTROL OF THE VIBRATIONSOF A PANEL”的美国临时申请62/259,702的优先权和权益，其通过引用整体并入本文。

背景技术

至少90年前，首次提出了采用膜片或板的弯曲模态振动来再现声音的扬声器。该设计概念于1960年代重新出现，当时它被商业化为“自然声音 (Natural Sound)扬声器”，这是一种由动态力传感器在中心点驱动的梯形形状的、树脂泡沫聚苯乙烯复合膜片结构。在该装置的描述中，发明人识别膜片的“多谐振”特性，并强调高阶模态的存在提高了声音产生的效率。自然声音扬声器曾用于雅马哈、Fender等公司销售的乐器和高保真扬声器，但今天很难找到幸存的示例。类似的平面扬声器设计由Bertagni大约在同一时间获得专利并由Bertagni电声系统(BES)销售。

新传感器有限公司(New Transducers Limited)在20世纪90年代后期重新审视了根据板中的弯曲波产生声音的基本概念，并命名为“分布式扬声器”(DML)。对振动板扬声器的力学、声学和心理声学的进一步研究揭示了这种设计的许多问题，并提供了进一步开发该技术的设计工具，这些工具仍然可以从Redux SoundTouch公司(Sonance最初的新传感器有限公司的后代)购买到，该公司可以追溯到1970年代的最初的BES公司，其他公司包括Tectonic Audio Labs和Clearview Audio。

振动面板扬声器的一个物理特征是存在大量欠阻尼的机械振动模态。相比之下，活塞式扬声器能够具有单一的自由度并且可以是强阻尼的，这使得与振动面板扬声器相比，活塞式扬声器的动态响应简单。为了解决这一问题，已经描述了采用木-聚合物复合结构的面板扬声器设计以减少受激励的面板弯曲模态的衰荡时间。在没有仔细的机械设计措施的情况下，面板扬声器中存在欠阻尼的弯曲模态会降低音频质量。

因此，所需要的是克服现有技术中的挑战的装置、系统和方法，其中一些在上面被描述。

发明内容

本文公开的系统和方法描述了在各种面板材料和设计中实现高质量音频再现的方式。该系统和方法使用频率交叉网络结合力驱动器的阵列，以能够选择性激励不同面板机械模态。该系统允许通过选择的面板的机械模态再现音频信号的不同频带。例如，可能优选的是避免驱动低频面板模态，其可以通过高频率音频分量来得到长的衰荡时间。相反，可能需要采用较高面板模态来再现高频音频分量。该“模态交叉”技术可以避免振动的面板扬声器中存在的瞬态失真，并显著改善音频质量。

用于驱动具有力驱动器元件阵列的面板的选定弯曲模态的系统和方法还能够更高程度地控制横向面板振动的空间分布。这又可以允许对面板产生的声音进行更大程度的空间控制，即面板平面中的声源的明显位置以及辐射的声音的空间分布。

在一方面，公开一种对面板的振动进行空间和时间控制的方法。该方法包括：接收形状函数和音频信号；确定形状函数的带限傅立叶级数表示；根据音频信号和形状函数的带限傅立叶级数表示，计算一个或更多个模态加速度；计算产生一个或更多个模态加速度所需的一个或更多个模态力，其中，计算一个或更多个模态力包括使用频域板弯曲模态响应；确定与对应于频域板弯曲模态响应的离散时间滤波器相关联的响应；对一个或更多个模态力求和，以确定多个驱动器元件中的每个驱动器元件处所需的力；对多个驱动器元件中的每个驱动器元件处所需的一个或更多个力执行多通道数字到模拟转换和放大；以及利用经转换和放大的多个驱动器元件中的每个驱动器元件处所需的力来驱动多个放大器。