CN101416533B - 在音频系统中的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了在声音再现系统中的方法和设备，在该方法中，形成电子校准信号(50)，在扬声器中从校准信号(50)形成音频信号(3)，测量(60)和分析音频信号(3)的响应(9)，并且基于该测量结果调整该扬声器系统(1)。按照本发明，允许操作者基于执行的测量对扬声器系统(1)的设置进行附加的改变(62)，计算和显示变化的效果给操作者而无需附加测量，和在扬声器系统(1)中实时执行(63)附加的设置。

Description

在音频系统中的方法和设备

技术领域

本发明涉及按照权利要求1的前序的方法。

本发明还涉及与该方法有关的设备。

背景技术

按照现有技术，校准方法是已知的，其中测试信号馈送给扬声器。使用测量系统测量对测试信号的响应，并且甚至尽可能使用均衡器调整该系统的频率响应。

现有技术的缺点是例如在干扰情形下，必须始终更新测量方案，并且这是费时的操作，因此其增加成本。

发明内容

本发明意欲消除以上公开的现有技术的缺陷，并且为了这个目的，产生一种完全新型的用于校准声音再现装备的方法和设备。

本发明基于记录声音再现装备的测量结果，同样地在该系统中并且同时还记录形成的均衡滤波器的参数。允许该操作者在记录的测量结果的帮助下对于滤波器进行进一步设置。对滤波器的改变结果实时显示给操作者，并且在扬声器中施加该改变数据。

按照本发明的第二个优选实施例，有源扬声器被配备有信号发生器，其可用于形成对数地扫描正弦波测试信号。

按照本发明的第三个优选实施例，测量信号的电平被以这样的一种方式调整，使得实现最大可允许的信号噪声比。

按照本发明的第四个优选实施例，在建立在有源亚低音扬声器中的正弦发生器的帮助下，主扬声器和亚低音扬声器的相位在交叉频率上设置为是相同的。

按照本发明的第五个优选实施例，对数正弦信号在收听位置(麦克风的位置)上用于使扬声器的频率响应均衡，以便消除在扬声器系统中相互电平和扬声器的传播时间延迟方面的差别。

更具体地说，按照本发明的方法其特征在于在权利要求1的特征部分中陈述的那些。

按照本发明的设备随后其特征在于在权利要求10的特征部分中陈述的那些。

在本发明的帮助下获得相当大的优点。

在按照本发明的方法的帮助下，操作者能够实时改变扬声器的设置，并且看到设置的效果而无需附加测量。作为与每个声音测量有关的干扰的危险，操作者在时间方面获得相当大的节省。如果认识该危险，必须重复该测量。

按照本发明的第二个优选实施例，因为该测试信号没有从计算机馈送给扬声器，而是出现在扬声器中，除了声音响应之外，在测试信号中没有生成其它的失真或者变化。

附图说明

在下文中，将在例子的帮助下并且参考伴随的附图研究本发明。

图1示出一个适用于按照本发明方法的系统的方框图。

图2示出按照本发明的第二校准电路。

图3图形地示出按照本发明的计算机声卡记录的信号。

图4图形地示出在按照本发明的校准方案中的典型的测量信号。

图5图形地示出由扬声器产生的测试信号。图6显示为按照本发明方法的流程图。

在本发明中，使用以下的术语：

1扬声器

2扬声器控制单元

3声音信号

4麦克风

5前置放大器

6模拟加法器

7声卡

8计算机

9测量信号

10测试信号

11USB链路

12控制网络控制器

13控制网络

14IO线路

15信号发生器

16扬声器单元

18接口设备

50校准信号

具体实施方式

图1示出一个设备总体，其中扬声器1通过接口设备18经由控制网络13连接到计算机8。

该接口设备18包含如图2所示的控制网络控制器12、前置放大器5和模拟加法器6，来自于控制网络控制器的IO线路15连接到模拟加法器6，测试信号10通过IO线路传送给加法器。

图2包含与图1相同的功能，但是，由于清楚的原因，仅仅示出一个扬声器1。

图2示出本发明的设备总体，其中扬声器1产生声音信号3。为了测试目的，声音信号3是从由扬声器本身的控制单元2的发生器15形成的电子校准信号产生的。该控制单元2典型地包含放大器，从而使扬声器(1)做成有源的扬声器。该测试信号优选是正弦波扫描信号，诸如图形地示出，尤其在图6中。该校准信号50(图5)的频率在人听觉的范围内扫描，优选的，以从最低的频率开始并且该频率以对数速度朝向较高的频率增加。该校准信号的产生50开始于经控制总线13引入到扬声器1的控制单元2的信号。声音信号3由麦克风4接收并且由前置放大器5放大。在模拟加法器6中，来自于前置放大器5的信号与测试信号10结合，该测试信号10典型地是方波。该模拟加法器6典型地是使用运算放大器实现的电路。该测试信号10是从控制网络的控制单元12中获得的。实际上，该测试信号可以直接从控制网络的控制单元的微处理器的IO线路14获得。

因此，按照本发明，该声音测量信号3可以经由控制总线13通过远程控制被初始化。麦克风4接收声音信号3，该测试信号10与该声音信号3相加。计算机8的声卡7接收声音信号，其中起初存在该测试信号，然后在特定的时间(声音传播时间)之后，按照图2，存在声音信号的响应9。

图3示出在计算机声卡7中通过如上所述的方法产生的信号。时间t₁是由计算机的操作系统所引起的随机地变化的时间。到声音响应9的开始的时间t₂大体上是基于声音延迟(传播时间)确定的，并且随机变化没有出现在其中。该声音响应9是扬声器室系统对对数的正弦波扫描的响应，其频率增加。

在本发明的第一个优选实施例，其中校准未知声卡的频率响应，该过程如下。该脉冲波形是由控制网络的控制器12产生的，该控制网的控制器络被连接到计算机8的声卡7，并且优选连接到计算机的USB总线11。在由计算机运行的程序的控制下，该控制网络控制器产生测试信号10。该声卡7用于记录接收的脉冲波形，其起源于计算机8的声卡7的输入对测试信号的响应。

由数字IO线路14产生的脉冲波10(其中存在二个值：零和对应于1的电压)可以用作输入脉冲。

该输入脉冲10可以与麦克风的信号相加(类推地)。

由于由声卡所引起的滤波，记录在声卡中的测试信号10改变其形状。众所周知，声卡的频率响应是带通频率响应，其包括高通的特性(在低频处)和低通的特性(在高频处)。该测试信号的原始形状10是为计算机所知的。模型施加于记录的测试信号10，在该模型中原始测试信号穿过描绘声卡的滤波参数的滤波器。在一个优选的实施例中，以由这个模型产生的滤波的测试信号10在形状方面尽可能精确地对应于由声卡记录的真实的测试信号的方式，根据在使用自适应方法的最佳化来选择该滤波器的传递函数的参数。频率响应H(b，a)因而将被限定，其中b和a是由滤波所引起的频率响应模型的参数。

使用如此限定的频率响应，形成一个均衡器，通过该均衡器可以利用对应于人听觉范围的频率来均衡频率响应H。当测量声音响应的时候，稍后使用如此限定的均衡。当使用这个均衡校正测量的声音响应的时候，由声卡所引起的滤波在人听觉范围内的频率处被校正。

结构的选择和被建模的传递函数的程度可用于影响测量的精度和速度。

按照本发明的第二个优选实施例，由IO线路14产生的测试信号15的电压被设置为特定的值。

在这个方法中，已知的测试信号10的生成被合并成为命令的一部分，其启动由扬声器产生的校准信号50(对数正弦扫描)。

计算机8记录该信号，其由三个部分组成。在其无声之后，首先是测试信号10，第三个到达麦克风的是由扬声器产生的声音信号3，其作为响应9被记录。以下可以从记录信息中读取：

在测试信号的电压的帮助下，记录在计算机中的数字化字的幅值可以以伏特测量。(因为脉冲以伏特表示的高度可以是预先已知的，并且可以从存储的信号中检查脉冲的数字表示的幅值。)

在测试信号10的开始和声音响应9的开始之间的时间t2描绘扬声器1到测量麦克风4的距离，并且通过使用这个信息，可以计算扬声器1(再现整个音频波段)到测量点的距离。最有利地，通过作为用于对信号FFT计算的原始数据，发生这些，其包括由声卡7记录的开始于测试信号10的开始的信号(在图3中，时间t₂的开始)，并且在开始计算之前，将测试信号10设置为零。

产生该测试信号的命令来自于计算机8。但是，实际上，人们观察到，在该命令离开之后，延迟(图3，t₁)变化与操作系统(Windows，Mac OSX)无关。这个延迟是随机的，并且不能被预测。一旦命令已经离开，并且因为命令和测试信号与完全相同的功能有关系，从测试信号的产生到测量信号(即，校准信号)的产生的开始总是有已知且恒定的时间。除此之外，存在到声学上记录的测量信号的开始的时间，其仅仅受到在扬声器和测量的麦克风之间的距离的影响。

按照本发明的第三个优选实施例，产生预先精确地已知的校准信号50的发生器15被安装进扬声器1中。

由发生器15产生的校准信号是正弦扫描，其中频率扫描的速度以在该时刻处的频率的对数与时间成正比的方式增加，log(f)＝kt，其中f是信号的瞬时频率，k是恒定限定的速度，并且t是时间。当时间过去时，在频率方面的增加加速。

因为该测试信号被数学地精确限定，不管由扬声器1产生的测试信号，其可以在计算机中精确地再现。

这样的测量信号包含所有频率，同时信号的峰值因数(峰值电平对RMS电平的关系)是非常有益的，其中峰值电平非常靠近于RMS电平，并且因此，该信号在测量中产生非常好的信号噪声比。

当信号50(图5)从低频开始移动并且其频率增加时，该信号在室内有利地与混响时间一起工作，该混响时间通常在低频处比高频处更长。

可以使用经由远程控制给出的命令启动校准信号50的产生。

按照本发明的第四个优选实施例，在扬声器中产生的校准信号50的幅值可以经由控制网络13改变。

记录该校准信号50。测量相对于该校准信号的校准信号50的声音响应9的幅值。如果该声音响应9太小，其校准信号50的电平被提高。如果该声音响应9是峰值受限的，该校准信号50的电平被降低。

在已经发现声音信号9的最适宜的信号噪声比和电平之前，重复该测量。

可以分别地对每个扬声器执行电平设置。

因为电平已经被改变的程度是由计算机8控制的，并且因此已知，当计算该结果的时候，可以考虑这个信息，使得不管该距离如何都将获得可靠的测量结果，其相对于该电平正确地比例缩放。

按照本发明的第五个优选实施例，在亚低音扬声器中使用内部正弦发生器。该亚低音扬声器的相位经由控制网络13从计算机调整，并且由使用麦克风测量该声音信号。

在两个阶段上发生将亚低音扬声器和主扬声器在交叉频率上设置为相同的相位。

阶段1：通过分别地测量一个或者两个电平，和设置由每个扬声器产生的电平，亚低音扬声器和基准扬声器的电平设置为是相同的。

阶段2：两个扬声器重复相同的正弦信号，其亚低音扬声器产生。

公共的声音电平是由麦克风测量的。

调整该相位，并且寻求在其上声音电平是在最小值上的相位设置。该扬声器和亚低音扬声器因而处于相对立的相位之中。

该亚低音扬声器被改变到在180度至此的相位设置，使得扬声器和亚低音扬声器处于相同的相位之中，并且因此已经发现正确的相位设置。

按照本发明的第六个优选实施例，使用如上所述的方法测量该系统的所有扬声器1的声音脉冲响应。这样的校准方案在图3中示出。

从每个脉冲响应计算该频率响应。

从每个脉冲响应计算该扬声器的距离。

基于该频率响应，设计该均衡器滤波器的设置，其将在室内实现想要的频率响应(甚至频率响应)。

计算由均衡的响应产生的(相关的)声音电平。

设置延迟用于每个扬声器，借助于其所有扬声器的测量的响应包含相同的延迟时间(该扬声器将看起来是同样地远)。

设置电平用于每个扬声器，在其上该扬声器看起来似乎在测量点上产生相同的声音电平。可以在点频率上或者在宽的频率范围中从频率响应测量每个扬声器的电平，并且可以使用平均值、RMS值或者中值计算在宽的频率范围中的平均电平。此外，在计算平均电平之前，不同的加权因子可以在不同的频率上赋给声音电平。该频率范围和加权因子可以以这样一种方法选择：使得以这种方法从不同的扬声器和亚低音扬声器计算的声音电平主观上尽可能是类似的。在一个优选的实施例中，使用RMS值，并且以所有频率具有相同的加权因子的方式，从频率范围500Hz-10kHz计算平均电平。

因而如上所述调整该亚低音扬声器相位。

按照图6，在本发明的阶段60中测量扬声器1的响应，在阶段61中，该操作者示出测量结果而没有均衡，并且在阶段62中，允许操作者基于第一测量60对均衡进行校正。计算对该响应的改变效果并且显示给操作者，并且经由扬声器的设置实现63。

实际上，在按照本发明的方法中，从而允许该操作者在控制系统的帮助下生成新的滤波器，并且同时无需新的测量，实时显示有关声音测量的滤波器的效果给操作者。在控制系统的帮助下，实时传送对滤波器的改变到扬声器，使得除了能够实时看到作为在计算机的显示器上的图形表示的改变结果之外，操作者还可以同时地听到对滤波器改变的结果。

在本申请中，该术语音频范围指的是频率范围10Hz-20kHz。

在一个优选的实施例中，如上所述的阶段按以下顺序执行：

在计算机的声卡的帮助下，记录所有扬声器的声音响应；

从每一个响应中计算扬声器的脉冲响应；

从每个脉冲响应测量声音的传播时间并且基于其计算扬声器的距离；

基于每个扬声器的距离，计算使来自于该扬声器的声音的传播时间与另一个扬声器的传播时间相同的额外延迟；

从每个脉冲响应计算频率响应；

基于频率响应，计算扬声器的电平；

计算用于每个扬声器的校正量，其将使其电平与另一个扬声器的电平相同。

Claims (15)

1.一种在声音再现系统中的方法，其中

形成电子校准信号(50)，

在扬声器中从校准信号(50)形成音频信号(3)，

测量(60)和分析音频信号(3)的响应(9)，并且

基于该测量结果调整扬声器系统(1)，

其特征在于：

操作者被允许基于执行的测量对扬声器系统(1)的设置进行附加的改变(62)，

计算和显示设置的效果给操作者而无需附加测量，和

在扬声器系统(1)中实时对设置执行(63)附加的改变。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于校准信号(50)的扫描速度是对数的。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于校准信号(50)的扫描从低频开始。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于数据显示在计算机(8)的显示器上。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法用于确定扬声器(1)与测量点间的距离。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法用于在交叉频率上将亚低音扬声器和主扬声器的相位设置为是相同的。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法用于均衡(1)，即在试听室中校准所有系统的扬声器的响应。

8.一种在声音再现系统中的设备，其包括：

扬声器(1)，

用于扬声器(1)的控制装置(2)，

到扬声器的信号和控制连接(13)，

用于测量扬声器的响应的麦克风(4)，和

用于基于分析结果，分析和设置从麦克风中获得的信号(9)的分析和控制装置(12，8，18)，

其特征在于该设备包括装置，在该装置的帮助下：

允许操作者基于执行的测量对扬声器系统(1)的设置进行附加的改变(62)，

用于计算设置的效果并且将它们呈现给操作者而无需附加测量的装置(8)，和

用于在扬声器系统(1)中实时执行(63)对设置的附加的改变的装置(8，18)。

9.根据权利要求8的设备，其特征在于扬声器(1)包括用于形成实质上正弦波电子可变频率校准信号(50)的装置，在这样情况下校准信号至少大体上通过整个音频范围扫描。

10.根据权利要求8或9的设备，其特征在于校准信号(50)的扫描速度是对数的。

11.根据权利要求9的设备，其特征在于校准信号(50)的扫描从低频开始。

12.根据权利要求8的设备，其特征在于该设备用于确定扬声器(1)与测量点间的距离。

13.根据权利要求8的设备，其特征在于该设备用于在交叉频率处将亚低音扬声器和主扬声器的相位设置为是相同的。

14.根据权利要求8的设备，其特征在于该设备用于均衡(1)，即，在试听室中校准所有系统扬声器的响应。

15.根据权利要求8的设备，其特征在于扬声器是有源的扬声器，即该扬声器包含放大器。

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