CN100553369C - 扬声器系统、音频放大器和音频系统 - Google Patents

Abstract

由各自包括低音反射型箱体的多个扬声器来构造扬声器系统。该扬声器系统被设计成：通过使扬声器箱体的内部立体容积彼此不同，而使扬声器之间的低频带共振频率不同。将不同声道的音频信号输入到每个扬声器，并且，仅将所有声道的低频信号加到一起，以便将相加结果提供到所有扬声器。由此，使用不同的低频带共振频率，该扬声器系统允许在具有平坦特性的情况下再现低音调声音。

Description

扬声器系统、音频放大器和音频系统

技术领域

本发明涉及一种改进的扬声器系统、以及音频系统，其允许在具有平坦特性的情况下输出低音调声音。

背景技术

在包括被装入箱体(cabinet)中的扬声器单元的扬声器(通常被称为“扬声器系统”)的领域中，已提出了箱体的各种内部结构(所谓的“音箱(enclosures)”)，其中，为了增强低音调声音再现效率，该箱体不仅可降低扬声器单元自身的单独频带(lone-band)共振频率f0，还允许以加重方式输出低音调声音。在Saeki Tamon的编辑指导下的、Seibundo Shinko Sha于1999年发表的“Encyclopedia of Speaker & Enclosure(扬声器和音箱的百科全书)”中，提出了这样的扬声器箱体的内部结构的一个例子。

图1A-1C是示出扬声器箱体的内部结构的例子的视图。具体地说，图1A示出了低音反射(bass-reflex)型箱体的内部结构，其在与扬声器相同的平面上具有圆柱形开口(低音反射孔(port))。利用箱体内的空气和低音反射孔内的空气通过亥姆霍兹共振而在特定频率上彼此共振这一现象，此内部结构允许低音调声音的加重输出。可通过下式来表示共振频率：

$\mathrm{fr}=\sqrt{\mathrm{}}(S/P)/2\mathrm{\π}$

其中，S表示箱体的内部立体容积，而P表示该孔的内部立体容积。

可通过将共振频率fr设计为比扬声器单元的低频带共振频率f0稍低，而改善扬声器的低频再现特性。

此外，图1B是示出“四等分管(quartertube)”箱体的内部结构的视图。四等分管用于通过管共振来加重低音调声音，并且，通过在扬声器的后表面上提供的隔板(partition plate)而形成具有长度h的共振管(封闭管(closedtube))。可通过Fr＝M/4h(其中，M表示声速)来表示最低共振频率Fr。此外，图1C是示出利用管共振和亥姆霍兹共振的“传输线(transmission line)”箱体的内部结构的视图。

通过前述箱体结构中的每个，有可能通过共振来加重低音调声音；然而，因为在扬声器单元和箱中，仅允许一个低频带共振频率，所以，仅可在非常窄的频带范围中利用共振作用。由此，低音反射型箱体可呈现出如图2A所示的特性。特别地，然而，在将箱体设计为实现强共振的情况中，如在图2B中所看到的那样，将失去扬声器单元和低音反射孔之间的频率特性平衡，这会经常地使在宽的低频带范围上获得平坦的特性变得困难。

发明内容

鉴于上述情形，本发明的目的在于提供一种用于使用共振型箱体结构、允许在具有平坦特性的情况下再现低音调声音的技术。

为了实现上述目的，本发明提供了一种改进的扬声器系统，其包括多个扬声器，每个扬声器包括：具有低频带范围中的共振频率的箱体；以及扬声器单元，被装入在箱体中，并且其中，使共振频率在该多个扬声器中的各个扬声器的箱体之间不同。

根据本发明的另一个方面，提供了一种音频放大器，用于输入和放大多个声道的音频信号，由此输出放大的音频信号，该音频放大器包括：信号分离部分，其将多个声道中的每个的音频信号分离为低频信号和高频信号，并将各个声道的低频信号加到一起；移相部分，其利用在多个声道之间不同的特性，偏移由信号分离部分分离出的多个声道的低频信号的各个相位；加法部分，其针对多个声道中的每个而将由移相部分移相的低频信号和由信号分离部分分离出的声道的高频信号加到一起，由此针对该声道提供相加的信号；以及放大部分，其对由加法部分针对多个声道中的每个而提供的相加信号进行放大，并将放大的相加信号提供到对应的扬声器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种音频系统，其包括如权利要求1所述的扬声器，该扬声器连接到如权利要求2所述的音频放大器的放大部分。

在该音频系统中，优选地，针对多个声道中的每个，移相部分利用与连接到除了所述声道之外的其它声道的扬声器的箱体的各个相位特性的组合相对应的特性，偏移低频信号。

也就是说，在本发明中，采用了多个扬声器，其各自包括被装入在共振型箱体中的扬声器单元，并且，使共振频率在各个扬声器的箱体之间不同。通过这样的配置，使要被加重的低频带频率在扬声器之间不同，以便可通过扬声器的同时操作而在宽频带范围上实现平坦的低频再现特性。

通常，以用作截止频率的箱体共振频率使从共振型箱体输出的低音调声音反相。因为箱体的共振频率在扬声器之间不同，所以，对要被输出的低音调声音进行反相的频率也在扬声器之间不同。由此，将出现这样的频带范围，其中，从扬声器输出的声音呈现相反的相位，例如，从扬声器中的一个输出的声音已被反相，而从扬声器中的另一个输出的声音未被反相。如果将同一信号输入到这些扬声器、以从这些扬声器输出声音，则引入这样的反相状态的频带范围将产生不利的情形(即，频率特性中的“骤降(dip)”)，其中，从这些扬声器输出的声音彼此相消。

为避免上述不便，本发明被配置成：偏移要输入到各个扬声器的低频信号的各自相位，从而即使在引起反相状态的上述频带范围内，也防止声音呈现反相，这是因为已经根据本发明预先偏移了相位。这样，本发明可避免频率特性中的不利骤降。

具体地说，在本发明中，针对多个声道中的每个声道，利用与连接到除了所述声道之外的其它声道的扬声器的箱体的相位特性的组合相对应的特性(例如，在2声道系统的情况下，利用另一个声道的特性，或者，在5声道系统的情况下，利用与其它四个声道的相位特性的组合相对应的特性)，偏移低频信号。这样，本发明允许所有声道的低频信号在相位上彼此一致，从而可在无损失的情况下加重低音调声音。

也就是说，根据本发明，有可能通过采用各自具有共振型箱体的多个扬声器、并在这些扬声器之间使低频带共振频率不同，而在宽低频带范围上实现平坦的频率特性。

下面将描述本发明的实施例，但应当理解，本发明不限于所述实施例，并且，有可能存在本发明的各种修改，而不背离基本原理。因此，仅由所附权利要求来确定本发明的范围。

附图说明

为了更好地理解本发明的目的和其它特征，将在下文中通过参照附图来更详细地描述本发明的优选实施例，附图中：

图1A-1C是示出共振型扬声器箱体的例子的视图。

图2A和2B是示出低音反射型扬声器的频率特性的图；

图3A和3B是根据本发明的实施例的2声道和5声道扬声器系统的视图；

图4A和4B是示出图3A和3B的扬声器系统的相位和频率特性的视图；

图5是与图3A的2声道扬声器系统相连接的2声道音频放大器的方框图；

图6是图5的音频放大器中的低频信号的相位特性的说明图；

图7是与图3A的2声道扬声器系统相连接的虚拟环绕音频放大器的方框图；以及

图8是与图3B的5声道扬声器系统相连接的环绕音频放大器的方框图。

具体实施方式

图3A和3B是根据本发明的实施例的扬声器系统的视图。在图3A和3B的每一个中，一个扬声器系统包括多个全频段扬声器。在本说明书中，被装入单个箱体中的多个扬声器单元(高音扬声器、低音扬声器等)将被简称为“扬声器”，并且，多个这样的扬声器的组合或组将被称为“扬声器系统”，而在传统上，被装入单个箱体中的这样的多个扬声器单元被称为“扬声器系统”。

具体地说，图3A示出了用于立体声2声道或虚拟环绕2声道的扬声器系统，其中，所述扬声器中的一个用于左(L)声道，而另一个扬声器用于右(R)声道。图3A示出了5.1声道环绕扬声器系统，其包括用于左(L)声道、中央(C)声道、右(R)声道、环绕左(SL)声道、环绕右(SR)声道的扬声器。在使用这样的5.1声道环绕扬声器组的情况下，不采用亚低音扬声器(subwoofer)。

如图3A或图3B所示，将所述扬声器中的每个构造为“直立型(tall-type)”结构，其具有既用作箱体(即，扬声器盒或箱)也用作支架的在垂直方向上较长的外壳(casing)。在图3A和图3B中示出的扬声器系统的每个中，每个扬声器中的箱体部分具有不同的长度，并且剩余部分(即，支架部分)也具有不同的长度；也就是说，使箱体部分的长度在扬声器之间(之中)不同。此外，在每个扬声器中，箱体部分为“低音反射”型，其中，在与扬声器单元4相同的平面中形成低音反射孔5。

如此将本发明应用于“直立型”扬声器允许高效地使用支架部分。

在传统公知的低音反射箱体的情况中，通过箱体2的内部立体容积、以及低音反射孔5的内部立体容积，而确定低频带共振频率。然而，在图3A的创新的扬声器系统中，通过使左和右声道箱体2L和2R的尺寸彼此不同，使左和右声道箱体2L和2R的低频带共振频率彼此不同。例如，左声道箱体2L的低频带共振频率被设为30Hz，而右声道箱体2R的低频带共振频率被设为50Hz。

同样，在图3B的5声道扬声器系统中，通过使各个扬声器的箱体的尺寸不同，也使各个扬声器的箱体的低频带共振频率彼此不同。

也就是说，通过在扬声器箱体之间使低频带共振频率不同，本发明可使各个扬声器的频率特性(即，在各个扬声器箱体中要被加重的低频带共振频率)不同。通过组合这样不同的频率特性，本发明可实现整个低频带范围上的平坦频率特性。

在将各个扬声器连接到不同的声道的情况下，可以上述方式实现平坦频率特性的好处。在可替换方案中，可通过仅将各个声道的音频信号的低频信号组合为单声道低频信号、然后将该单声道低频信号加到各个声道，而在具有平坦的频率特性的情况下输出所有声道的低频信号。在该可替换方案中，将各个声道的音频信号的低频带信号组合为单声道低频信号将不具有显著的反作用。这是因为：人类听觉一般会感觉到具有高音调声音的声像定位(soundimage localization)，而几乎不会感觉到具有低音调声音的声像定位。由此，只要对多个声道中的高音调声音适当地进行定位控制，那么，即使将低频信号组合为单声道低频信号，人类听觉也能感觉到正常的声像定位。

尽管将所述实施例示出并描述为利用亥姆霍兹共振而采用低音反射型箱体，但本发明可采用任意其它基于共振的构造(例如，四等分管构造、或传输线构造)的箱体。

在采用了本发明的扬声器系统的情况下，并且，如果可忽略从低音反射孔5输出的低音调声音的相位(例如，如果各个扬声器被随机定向，如果在每个扬声器的低音反射孔和听者之间提供隔墙，等等)，那么，可通过连接到普通的音频放大器的扬声器系统再现在具有平坦特性的情况下被加重的低音调声音。

然而，在普通形式的安装中，其中所有扬声器都朝向预定的听点，从各个扬声器的低音反射孔5输出的低音调声音的相位造成问题。

接下来，为了简化说明，将关于2声道的扬声器系统而给出描述。

在低音反射型扬声器的情况下，如图4A所示，从每个低音反射孔5输出的声音在低频带共振频率处或附近反相。具体地说，在图3A的2声道扬声器系统中，以作为截止频率的30Hz将从左声道的扬声器1L输出的声音反相，同时以作为截止频率的50Hz将从右声道的扬声器1R输出的声音反相。由此，从这两个扬声器1L和1R的各自低音反射孔5L和5R以相反相位输出30Hz-50Hz的范围内的频带的声音。如果将上述频带范围中的相同低频信号输入到左和右声道，则完全反相的声音被传送到听点，从而彼此相消，使得上述频带范围内的声音将不利地丢失。因此，扬声器系统不能呈现与各个扬声器的频率特性的相加结果相对应的特性，从而在上述频带范围中，会产生不利的“骤降(dip)”。

如果将多个声道的音频信号的低频信号加到一起，并将所得到的和、或相加信号重新输入到各个声道，那么，各个声道的低频信号将变为彼此完全相同，从而如上所述由于反相而彼此相消。即使在将分离的音频信号输入到彼此独立的每个声道的情况中，因为各个声道的低频信号经常彼此相似，所以，尽管扬声器系统在总体上可实现平坦的特性，但如上所述，仍将会出现低频信号的消除。

由此，以通过使要被输入到各个扬声器的低频信号的相位不同而防止在任何频带范围内输出完全反相的声音的方式，构造下面将要描述的音频放大器。

图5是与图3A的2声道扬声器系统相连接的、作为用于立体声2声道的放大器的音频放大器的方框图。由各自的功率放大器10L和10R来驱动扬声器1L和1R。将L声道的高频信号、以及L声道和R声道的低频信号的相加结果输入到功率放大器10L。将R声道的高频信号、以及L声道和R声道的低频信号的相加结果输入到功率放大器10R。也就是说，L声道扬声器1L再现性地输出L声道的高频信号、以及L声道和R声道的低频信号的相加结果，而R声道扬声器1R再现性地输出R声道的高频信号、以及L声道和R声道的低频信号的相加结果。

将L声道的音频信号输入到高通滤波器(HPF)11L、以及低通滤波器(LPF)12L，使得其被划分或分离为高频信号和低频信号。类似地，将R声道的音频信号输入到高通滤波器(HPF)11R、以及低通滤波器(LPF)12R，使得其被分离为高频信号和低频信号。高通滤波器11L、11R和低通滤波器12L、12R之间的交叉频率(crossover frequency)被设为约150Hz。

将通过了高通滤波器11L的高频信号经由加法电路15L而传递到功率放大器10L，并将通过了高通滤波器11R的高频信号经由加法电路15R而传递到功率放大器10R。

由加法电路13将通过了低通滤波器12L的低频信号和通过了低通滤波器12R的低频信号加到一起。因此，加法电路13输出被转换为单声道形式的低频信号。

随后，由移相器14L和14R将所转换的单声道低频信号移相。将由移相器14L移相的低频信号经由加法电路15L而传递到功率放大器10L，而将由移相器14R移相的低频信号经由加法电路15R而传递到功率放大器10R。

移相器14L和14R各自可为全通滤波器的形式。将L声道移相器14L设计为利用与R声道扬声器1R的低音反射箱体2R相同的相位特性(截止频率)而使信号相位循环偏移(rotate)，而将R声道移相器14R设计为利用与L声道扬声器1L的低音反射箱体2L相同的相位特性(截止频率)而使信号相位循环偏移。

通过以前述方式设计的L和R声道移相器14L和14R，如图6所示，根据R声道低音反射箱体的相位特性而对L声道低频信号进行移相，同时根据L声道低音反射箱体的相位特性而对R声道低频信号进行移相。随后，根据L声道低音反射箱体的相位特性而对L声道低频信号进行移相，同时根据R声道低音反射箱体的相位特性而对R声道低频信号进行移相，以便允许从左和右扬声器输出的低频信号在相位上完全一致，由此将不会彼此相消。因此，与各个扬声器(各自包括扬声器单元和低音反射孔)的频率特性的相加信号相对应的特性变为整个扬声器系统的频率特性，由此，即使各个声道的扬声器朝向听点，也有可能实现平坦的低频再现特性。

尽管本发明实施例是关于左和右声道的相位被调节为彼此完全一致的理想情况来描述的，但只要通过使任一个声道的信号循环偏移到从各个扬声器的低音反射孔输出的声音不呈现完全反相的程度，就可防止如图4所示的频率特性的骤降。

图7是与图3A的2声道扬声器系统相连接的虚拟环绕音频放大器的方框图。将此虚拟环绕音频放大器设计为从5个声道的音频信号中提取低频信号，并将所提取的低频信号和亚低音扬声器信号加到一起，以将相加结果(相加的信号)提供到扬声器。

将来自5.1声道的左(L)、中央(C)、右(R)声道、环绕左(SL)和环绕右(SR)声道的信号输入到高通滤波器21，并还经由加法电路24将其加到一起，此后，将这些信号的相加信号传递到低通滤波器22。高通滤波器21逐声道地对高频信号进行滤波。高通滤波器21和低通滤波器22之间的交叉频率被设为约150Hz。

将来自高通滤波器21的如此滤波的信号传递到虚拟环绕电路23，并与L和R声道的信号相组合。将左声道的高频信号经由加法电路27L而传递到功率放大器20L。将右声道的高频信号经由加法电路27R而传递到功率放大器20R。

将由低通滤波器22滤波的5个声道的低频信号输入到加法电路25，还向加法电路25输入亚低音扬声器(SW)声道的信号。将由将输入信号加到一起的加法电路25得到的信号(低频信号)提供到移相器26L和26R。类似于图5的上述移相器14L和14R，移相器26L和26R各自包括全通滤波器，并且，将L声道移相器26L设计为利用与R声道扬声器1R的低音反射箱体2R相同的相位特性(截止频率)而使信号相位循环偏移，同时将R声道移相器26R设计为利用与L声道扬声器1L的低音反射箱体2L相同的相位特性(截止频率)而使信号相位循环偏移。

以上述方式，从左和右扬声器1L和1R输出的低音调信号可在相位上彼此完全一致，使得扬声器系统在整体上可实现平坦的低频特性。

图8是与图3B的5声道扬声器系统相连接的环绕音频放大器的方框图。将此虚拟环绕音频放大器设计为从5个声道的音频信号中提取低频信号，并将所提取的低频信号和亚低音扬声器信号加到一起，以将相加结果提供到各个扬声器。

将来自5.1声道的左(L)、中央(C)、右(R)声道、环绕左(SL)和环绕右(SR)声道的信号输入到高通滤波器31，并还经由加法电路34而将其加到一起，此后，将这些信号的相加结果传递到低通滤波器32。高通滤波器31逐声道地对高频信号进行滤波。高通滤波器31和低通滤波器32之间的交叉频率被设为约150Hz。

将来自高通滤波器31的这样滤波的信号经由加法电路33L、33C、33R、33SL和33SR而提供到对应声道的功率放大器30L、30C、30R、30SL和33SR。5个声道的扬声器1L、1C、1R、1SL和1SR分别与功率放大器30L、30C、30R、30SL和33SR耦接。

将由低通滤波器32滤波的5个声道的低频信号输入到加法电路35，还向加法电路35输入亚低音扬声器(SW)声道的信号。将由将输入信号加到一起的加法电路35得到的信号(低频信号)提供到移相器36L、36C、36R、36SL、和36SR。

移相器36L、36C、36R、36SL、和36SR包括多个全通滤波器级，并且，将移相器36L、36C、36R、36SL、和36SR中的每个设计为：利用与其它4个声道的扬声器(低音反射箱体)的各个相位特性的组合相对应的相位特性而使信号相位循环偏移。

也就是说，如图3B所示，扬声器1L、1C、1R、1SL和1SR在箱体的内部立体容积上彼此不同，由此，在低频带共振频率上彼此不同。因此，利用作为截止频率的低频带共振频率而使从每个低音反射孔输出的声音反相。移相器36L具有与其它声道的扬声器1C、1R、1SL和1SR的相位特性的相加结果相对应的特性。类似地，其它移相器36C、36R、36SL和36SR中的每个具有与其它声道的扬声器的低音反射箱体的相位特性的相加结果相对应的特性。

将由移相器36L、36C、36R、36SL和36SR移相的低频信号经由加法电路33L、33C、33R、33SL和33SR而提供到对应声道的功率放大器30L、30C、30R、30SL和33SR。

以上述方式，从各个声道的扬声器1L、1C、1R、1SL和1SR输出的低音调声音可在相位上彼此完全一致，使得扬声器系统在整体上可实现平坦的低频特性。

尽管已将本发明实施例描述为通过使扬声器箱体的内部立体容积不同而使扬声器箱体的低频带频率不同，但可通过使各个低音反射孔的内部立体容积不同而使扬声器箱体的低频带频率彼此不同。在另一个可替换方案中，可通过使扬声器箱体和低音反射孔两者的内部立体容积不同，而使扬声器箱体的低频带频率不同。

Claims (6)

1、一种音频放大器，用于输入和放大多个声道的音频信号，由此输出放大的音频信号，所述音频放大器包括：

信号分离部分，其将多个声道中的每个的音频信号分离为相对于高通滤波器与低通滤波器之间的交叉频率的低频信号和相对于高通滤波器与低通滤波器之间的交叉频率的高频信号，并将多个声道的低频信号加到一起；

移相部分，其利用多个声道之间的不同频率特性，对由所述信号分离部分分离出的多个声道的各个低频信号的和进行移相；

加法部分，其针对多个声道中的每个而将由所述移相部分移相的低频信号和由所述信号分离部分分离出的声道的高频信号加到一起，由此针对该声道提供相加的信号；以及

放大部分，其对由所述加法部分针对多个声道中的每个而提供的相加信号进行放大，并将放大的相加信号提供到对应的扬声器。

2、一种音频系统，包括如权利要求1所述的音频放大器，所述音频系统还包括：

多个扬声器，每个扬声器包括具有低频带范围中的共振频率的箱体以及被装入在所述箱体中的扬声器单元，并连接到如权利要求1所述的音频放大器的所述放大部分，其中使共振频率在各个所述箱体之间不同。

3、如权利要求2所述的音频系统，其中，针对多个声道中的每个，所述移相部分利用与连接到除了所述声道之外的其它声道的扬声器的箱体的相位特性的相加结果相对应的特性，对低频信号进行移相。

4、一种音频放大器，用于输入和放大多个声道的音频信号，由此输出放大的音频信号，所述音频放大器包括：

信号分离装置，用于将多个声道中的每个的音频信号分离为相对于高通滤波器与低通滤波器之间的交叉频率的低频信号和相对于高通滤波器与低通滤波器之间的交叉频率的高频信号，并将多个声道的低频信号加到一起；

移相装置，用于利用多个声道之间的不同频率特性，对由所述信号分离装置分离出的多个声道的各个低频信号的和进行移相；

加法装置，用于针对多个声道中的每个，将由所述移相装置移相的低频信号和由所述信号分离装置分离出的声道的高频信号加到一起，由此针对该声道提供相加的信号；以及

放大装置，用于对由所述加法装置针对多个声道中的每个而提供的相加信号进行放大，并将放大的相加信号提供到对应的扬声器。

5、一种音频系统，包括如权利要求4所述的音频放大器，所述音频系统还包括：

多个扬声器，每个扬声器包括具有低频带范围中的共振频率的箱体以及被装入在所述箱体中的扬声器单元，并连接到如权利要求4所述的音频放大器的所述放大装置，其中使共振频率在各个所述箱体之间不同。

6、如权利要求5所述的音频系统，其中，针对多个声道中的每个，所述移相装置利用与连接到除了所述声道之外的其它声道的扬声器的箱体的相位特性的相加结果相对应的特性，对低频信号进行移相。

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