CN102007777B

CN102007777B - 用于声音换能器的驱动信号的生成

Info

Publication number: CN102007777B
Application number: CN200980112640.9A
Authority: CN
Inventors: R·M·阿尔茨; T·P·J·皮特斯
Original assignee: NXP BV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV; NXP BV
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: EP2266326B1; KR20110002469A; CN102007777A; JP5337865B2; US8934643B2; JP2011517909A; US20110044471A1; KR101542731B1; WO2009125326A1; EP2266326A1

Abstract

一种产生用于声音换能器(109)的驱动信号的设备，其包括提供输入音频信号的声音发生器(101)。分频器(101)将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号，并且扩展器(105)通过将动态范围扩展应用到低频信号来产生扩展信号。然后，组合器(107)通过将扩展信号和较高频率信号进行组合来产生驱动信号。可以根据低频信号的幅度来调节用于应用动态范围伸展的阈值。此外，将低频信号压缩到谐振频率周围的窄频带内。该方法可以通过使低音信号的衰减部分衰减从而降低低音符的持续或振铃而允许尤其是来自高Q低频声音换能器的改进的音频质量。

Description

用于声音换能器的驱动信号的生成

技术领域

本发明涉及产生用于声音换能器的驱动信号的方法和设备，特别地但非排他性地，涉及产生用于低频扩音器的驱动信号的方法和设备。

背景技术

对于诸如扩音器之类的声音换能器，存在以越来越小的尺寸提供高效率、高质量和增加的声级的普遍愿望。然而，这些偏好倾向于成为有冲突的要求，导致不同偏好之间要仔细地折衷。

例如，音频响度涉及扩音器移位空气的量，该移位依赖于频率，使得如果声压水平保持恒定，则频率越低就要求的移位越大。对于这些低频而言，扩音器的机械功率处理而不是电功率处理通常是限制因素，并且为了提供要求的声级，倾向于需要相对较大的物理尺寸。具体而言，在低频处利用小的换能器以合理的效率和声级进行声音再现是非常困难的，这是因为效率与运动质量成反比并且与产品锥面积和力因数的平方成比例。

为了从小的且典型地更廉价的装置获得高的声级和效率，可以使用具有高谐振峰(高Q值)的换能器。然而，这倾向于导致质量降低，具体而言倾向于提供低频(低音)声音，该声音通常被感知为具有相对较高的低音持续或振铃的声震。

欧洲专利申请EP 04769892.3公开了一种系统，其中可以由具有减小的物理尺寸的声音换能器实现给定声压级。依照该提出的系统，信号的低频带由频率接近扩音器的谐振频率的固定信号频率载波信号代替。载波的幅度遵从落入低频带内的信号分量的幅度。因此，实际上，低频信号分量被具有与该信号分量相等的幅度的单音调载波代替。因此，通过将低频信号集中到接近扩音器的谐振频率的单载波频率中，可以实现扩音器的高得多的效率。此外，由于扩音器的机械功率处理和空气移位能力在谐振频率附近最高，因而通过该方法可以实现较小尺寸的声音换能器。

然而，尽管该方法在许多场合下可以提供巨大的优势，它也具有一些相关联的缺点。特别地，该方法倾向于使低频声音信号失真并且在一些场合下可能导致次优的声音质量。

特别地，在某些场合和环境下，一些听众表示所产生的声音有时可被感知为比偏好的声音更加低沉有回响或更多音调。特别地，在一些场合下，换能器的非常高的Q因子可能导致产生的信号被感知为比原始信号更长时间地持续振铃。

因此，改进的音频系统将是有利的，特别是允许灵活性增加、实现便利、音频质量改善、效率提高、声音换能器的物理尺寸减小和/或性能提高的系统将是有利的。

发明内容

因此，本发明寻求单独地或者以任意组合地优选地缓解、减轻或者消除上述缺点中的一个或多个。

依照本发明的一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的声音驱动信号的设备，该设备包括：用于提供输入音频信号的源；用于将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号的分频器；用于通过将动态范围扩展应用到低频信号来产生扩展信号的扩展器；以及用于通过对扩展信号和较高频率信号进行组合来产生声音驱动信号的组合器。

在许多实施例中，本发明可以提供改进的音频性能和/或便利的和/或改进的实现。例如，在许多实施例中，可以实现提高的声音质量和/或减小的声音换能器尺寸。特别地，在许多实施例中，可以实现来自具有高谐振效应(高Q)的声音换能器的提高的声音质量。本发明可以例如允许高Q换能器被用于声音再现，同时维持必需的音频质量水平，从而允许尺寸减小和/或效率提高和/或声级增大。

特别地，在许多实施例中，动态范围扩展可以降低所产生的低音的持续或振铃，从而缓解使用高Q换能器的感知的影响。特别地，在一些场合下以及对于一些声音系统，可以感知到声震降低的或音调降低的低频声音，从而导致体验到更强劲的低音。

动态范围扩展是增大低频信号的动态幅度范围的扩展。特别地，可以使低幅度值降低。动态范围扩展特别地可以是幅度水平扩展。

低频信号可以包括具有比高频信号频带的中心频率更低的中心频率的频带内的信号分量。特别地可以通过输入音频信号的低通滤波或者低频带通滤波来产生低频信号。高频信号可以被产生为从输入音频信号中减去低频信号而获得的残留信号。作为另一个实例，可以通过使用高通滤波器或带通滤波器对音频输入信号滤波而产生高频信号，所述高通滤波器或带通滤波器具有比产生低频信号的滤波器更高的中心频率。

声音换能器可以是用于将电驱动信号转换成声学信号的装置。声音换能器特别地可以是扩音器。应当理解的是，可以使用任何适当的限定或确定第一和/或第二频率间隔的装置。例如，可以将频率间隔的边缘确定为其中信号的衰减下降至低于给定阈值的频率。

所述源可以是能够提供音频信号的任何装置或功能性。源可以从内部或外部存储器获取输入音频信号或者可以从别处接收该信号。特别地，源可以是用于从另一功能或物理实体接收音频输入信号的接收器。

依照本发明的一个可选的特征，将扩展器设置为在输入音频信号满足第一准则的情况下衰减低频信号。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。所述准则特别地可以是对于低频信号的要求。可以通过固定的信号无关函数确定所述衰减。

依照本发明的一个可选的特征，第一准则包括低频信号的幅度水平低于阈值的要求。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。特别地，可以允许通过衰减低幅度水平而将扩展应用到低频信号，从而降低低音的声震或振铃，导致体验到更强劲的低音。

所述阈值可以是可变的阈值并且可以例如响应于低频信号的特性进行确定。

依照本发明的一个可选的特征，所述扩展器被设置成在检测到第一准则被满足之后延迟低频信号全衰减的应用。

这可以允许性能的提高，并且特别地可以允许感知音频质量的提高。特别地，可以降低或衰减通过打开动态范围扩展而引入的不希望的音频人工噪声，从而导致得到的信号的音频质量提高。

该特征可以引入用于控制动态范围扩展开始的延迟的上升时间参数。延迟可以例如是其后应用衰减的延迟，或者可以是其中衰减逐渐地从零增加到全衰减的时间间隔。全衰减可以取决于低频信号(例如其幅度)并且特别地可以由诸如扩展器增益定律函数之类的时变函数给出。

对于大约5-15毫秒的延迟或上升时间，可以实现特别有利的性能，对于基本上10毫秒的延迟或上升时间，可以实现典型地非常高的性能。

依照本发明的一个可选的特征，所述扩展器被设置成响应于检测到输入音频信号满足第二准则而终止向低频信号应用衰减；并且在检测到第二准则被满足之后延迟终止向低频信号应用衰减。

这可以允许性能的提高，并且特别地可以允许感知音频质量的提高。特别地，可以降低或衰减通过关闭动态范围扩展而引入的不希望的音频人工噪声，从而导致得到的信号的音频质量提高。

该特征可以引入用于控制动态范围扩展关闭的延迟的释放时间参数。延迟可以例如是其后移除衰减的延迟，或者可以是其中衰减逐渐地从全衰减降低到零的时间间隔。全衰减可以取决于低频信号(例如幅度)并且特别地可以由诸如扩展器增益定律函数之类的时变函数给出。

第二准则特别地可以与第一准则相反。因此，在一些实施例中，当第一准则不再满足时，可以关闭衰减。

对于大约15-25毫秒的延迟或释放时间，可以实现特别有利的性能，对于基本上20毫秒的延迟或释放时间，可以实现典型地非常高的性能。

依照本发明的一个可选的特征，所述设备还包括确定用于低频信号的平均幅度水平指示的装置；以及用于响应于平均幅度水平指示而设置动态范围扩展的特性的设置装置。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。该特征可以允许动态范围扩展应用的更高级的适应，并且特别地可以允许动态范围扩展的应用适应低频信号。特别地，该特征可以允许动态范围扩展不仅取决于当前的幅度水平，而且取决于平均幅度水平。这可以例如允许在动态范围扩展中考虑时间特性、信号变化、导数值(例如幅度变化的斜率)。

平均幅度水平可以例如确定为RMS(均方根)值、低频信号的低通滤波值、平均峰值检测输出、低频信号的移动平均等等。

依照本发明的一个可选的特征，所述特性是用于向低频信号应用衰减的准则。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。该特征可以允许动态范围扩展应用的更高级的适应，并且特别地可以允许动态范围扩展的应用适应低频信号幅度的变化。

依照本发明的一个可选的特征，所述准则包括当前幅度低于幅度阈值的要求，并且所述设置装置被设置成响应于平均幅度水平指示而确定幅度阈值。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。该特征可以允许动态范围扩展应用的更高级的适应，并且特别地可以允许动态范围扩展取决于短期幅度特性以及更长期的幅度特性。特别地，动态范围扩展可以取决于短期幅度水平如何与更长期的幅度水平有关。特别地，这可以例如用来主要地将动态范围扩展应用到下降幅度斜坡，而不是上升幅度斜坡。

针对低频信号的比平均幅度水平指示更短的时间间隔来确定当前幅度水平。当前幅度水平和平均幅度水平的区别可能仅在于确定它们所在的时间间隔，或者可以例如使用不同的幅度测量方法来对其进行确定。例如，一个措施可能基于峰值检测，而另一个措施可能基于RMS测量。

依照本发明的一个可选的特征，所述设置装置被设置成将幅度阈值基本上确定为：

T＝c·A_A

其中T为幅度阈值，c为常数并且A_A为由平均幅度水平指示表示的低频信号的平均幅度水平。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。

依照本发明的一个可选的特征，用于确定平均幅度水平指示的时间常数介于75与200毫秒之间。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。特别地，已经发现，对于针对具有75与200毫秒之间的持续时间的时间间隔确定的平均幅度水平指示，实现了有利的性能。特别地，130与170毫秒之间的时间常数在许多场合下可以提供有利的性能。

依照本发明的一个可选的特征，所述设备还包括频率压缩装置，其被设置成执行扩展信号和低频信号中的至少一个信号的频率压缩，该频率压缩为从第一频率间隔到与声音换能器的谐振频率相对应的更小的第二频率间隔的频率压缩。

该特征可以允许改进地产生用于声音换能器的驱动信号。特别地，该特征可以允许产生的声级、效率、音频质量和换能器尺寸之间的改进的折衷。本发明可以允许声音换能器的尺寸减小，并且特别地可以允许来自更小的声音换能器的声级增大。

在一些实施例中，频率压缩装置可以被设置成从低频信号产生具有限于第二频率间隔的频率带宽的第二信号，其中第二信号可以被产生为具有与低频信号相应的幅度、功率和/或能量度量。特别地，幅度检测器可以产生用于低频信号的幅度度量，并且可以相应地设置第二信号的幅度。

依照本发明的一个可选的特征，频率压缩装置被设置成在动态范围扩展之前执行低频信号的频率压缩；并且所述设备还包括：在频率压缩之前确定用于低频信号分量的平均幅度水平指示的装置；以及用于响应于平均幅度水平指示而设置动态范围扩展的特性的设置装置。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。

依照本发明的一个可选的特征，频率压缩装置包括：产生用于低频信号和扩展信号中的所述至少一个信号的幅度信号的幅度检测器；用于产生第二频率间隔内的载波信号的频率发生器；用于通过用幅度信号对载波信号进行调制来产生低频信号和扩展信号中的所述至少一个信号的频率压缩版本的调制器。

这可以允许实现特别有利的性能和/或便利的操作。该方法可以允许非常接近谐振频率地驱动声音换能器，从而增大了对于给定机械和/或物理特性的声级输出。可替换地或者附加地，该特征可以允许低复杂度频率压缩，其特别地可以导致具有与第一信号的特性相应的功率和/或幅度特性的高度集中的频谱。

可以产生所述驱动信号，使得它基本上对应于第一频率间隔内的频率压缩信号。所述幅度信号特别地可以基本上限于5Hz以下的频率。低频信号的频率间隔特别地可以具有10Hz以上的下限和250Hz以下的上限。

在一些实施例中，载波信号具有特别地可以对应于谐振频率的固定频率。可替换地，载波信号可以具有例如取决于输入信号和/或第一信号而动态变化的频率。

依照本发明的一个可选的特征，所述设备还包括用于响应于幅度信号而确定是否应用动态范围扩展的装置。

这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。例如，可以将幅度信号与阈值比较并且可以仅在幅度信号低于阈值的情况下，应用动态范围扩展。

依照本发明的另一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的声音驱动信号的方法，该方法包括：提供输入音频信号；将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号；通过将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号；以及通过对扩展信号和较高频率信号进行组合产生声音驱动信号。

依照本发明的另一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的驱动信号的设备，该设备包括：用于提供输入音频信号的装置；用于将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号的分频器；用于通过将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号的扩展器；被设置成执行扩展信号和低频信号中的至少一个信号的从第一频率间隔到更小的第二频率间隔的频率压缩的频率压缩装置，所述第二频率间隔对应于声音换能器的谐振频率；以及用于响应于扩展信号而产生驱动信号的驱动器。

应当理解的是，上述的特征、优点、评论等等同样适用于本发明的这个方面。

依照本发明的另一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的驱动信号的方法，该方法包括：提供输入音频信号；将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号；通过将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号；执行扩展信号和低频信号中的至少一个信号的频率压缩，该频率压缩为从第一频率间隔到与声音换能器的谐振频率相对应的更小的第二频率间隔的频率压缩；以及响应于扩展信号而产生驱动信号。

本发明的这些和其他方面、特征和优点通过下文描述的实施例将是清楚的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

下面将仅以示例的方式，参照附图对本发明的实施例进行说明，在附图中：

图1为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；

图2为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；

图3为从不同声音系统所产生的低音输出的图示；

图4为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；

图5为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；以及

图6为依照本发明一些实施例的产生用于声音换能器的驱动信号的方法的实例的图示。

具体实施方式

图1示出依照本发明一些实施例的声音系统的实例。

在该实例中，音频源101提供输入音频信号。该音频信号可以例如从内部源(例如本地音频信号存储器)提供或者可以取自远程源，例如来自远程声音发生装置。因此，音频源101特别地可以是经由任何适当装置从任何适当远程或本地声音发生器或存储器接收音频信号的接收器。

音频源101耦合到分频器103，该分频器103将输入音频信号划分成低频信号和高频信号。应当理解的是，在一些实施例中，分频器103可以将信号划分成比仅为低频信号和高频信号更多的信号。例如，分频器可以产生例如覆盖不同频带的多个高频信号。等效地，可以将高频信号看作包含多个单独的高频子信号的复合信号。例如，一个子信号可以对应于中间音调范围，而另一个子信号可以对应于高音范围。

分频器103还耦合到被馈送低频信号的扩展器105。扩展器105被设置成将动态范围扩展应用到低频信号，从而产生低频扩展信号。

扩展器105和分频器103耦合到组合器107，该组合器对扩展信号和高频信号进行组合以产生声音换能器声音信号。组合器107耦合到声音换能器109。应当理解的是，为了简洁和清楚起见，图1中只包括了用于描述操作的特定方面所需的声音系统的特征，并且该音频系统可以包括单独的应用所需或所希望的附加元件。例如，应当理解的是，该音频系统可以包括例如耦合在组合器107与声音换能器109之间的音量控制或音频放大器。

在该实例中，声音换能器109是基本谐振频率在较低频率(例如300Hz以下)处的高谐振扩音器(高Q扬声器)。高Q扬声器的使用可以允许来自相对较小的声音换能器的对于较低频率的高声级和高效率。然而，高Q声音换能器的使用在一些场合下可能导致感知到较低的音频质量。特别地，在一些场合下，一些听众倾向于感知到低音信号的增加的持续或振铃。例如，低音鼓可能被感知为声震和振铃。

在图1的实例中，扩展器105的应用设法对该效应进行缓解。特别地，在该实例中扩展器105被设置成在输入音频信号满足第一准则的情况下衰减低频信号，在该特定实例中该第一准则为低频信号的幅度水平低于阈值的要求。

扩展器通常用来扩大信号的动态范围属性。在该实例中，无论何时信号幅度下降到阈值以下，则扩展器105按给定值降低信号的幅度。扩大信号的动态范围有效地增大了信号的较安静部分和较高声部分之间的幅度差。

扩展器典型地与若干特性相关联。一种特性是上升时间，上升时间是扩展器在阈值被跨过之后开始衰减所花费的时间。扩展器的释放时间是扩展器在信号幅度超过阈值之后返回到正常(无衰减)操作所花费的时间。在许多情况下，扩展器的衰减由增益因子函数表征，该增益因子函数将输入幅度水平和输出幅度水平关联起来。

在该特定实例中，当幅度水平低于阈值时，增益因子函数由下式给出：

G_E＝10^(-D/20)

D = ({Th}_{E} - {Th}_{RMS}) \cdot \frac{1 - R_{E}}{R_{E}}

其中Th_RMS是以dB为单位的输入信号水平，Th_E是以dB为单位的阈值水平并且R_E为扩展率。

当幅度水平高于阈值时，增益因子函数等于1(G_E＝1)。

扩展率表示衰减的程度，特别地，其确定应用到信号幅度的传递函数的斜率。因此，1∶4的比率意味着当输入信号低于阈值1dB时，输出信号水平降低4dB。扩展率介于0与1之间。

因此，当其低于阈值时，扩展器105进一步降低低频信号的幅度。对于具有高声上升部分和响度降低衰减部分的低音来说，这甚至将更加降低衰减部分的幅度，从而导致感知的声音质量提高。

因此，在该实例中，扩展器105可以在低频信号的幅度水平低时进一步降低其幅度水平，从而增大低频信号的动态范围。在许多场合下，动态范围扩展可以提高感知的音频质量。例如，如果输入音频信号包含低音鼓敲击，那么得到的信号的主要部分的幅度音量将具有相对较高的音量，并且相应地低频信号的幅度将超过阈值。结果，低频信号不受扩展器105的影响，并且声音换能器109将处置相同的信号，仿佛扩展器105没有包括在声音系统中。然而，随着低音鼓敲击的声音开始消退，低频信号的音量将下降至低于阈值。在这点上，扩展器105将进一步衰减低频信号的幅度水平，从而导致产生的输出信号中的低音鼓的声级被进一步降低。相应地，感知到低音鼓敲击的振铃或持续被降低，从而导致感知到具有减少的声震和振铃的更强劲的低音。

在图1的特定实例中，扩展器103被设置成在检测到所述准则被满足之后，延迟应用低频信号的全衰减。特别地，不立即应用增益因子函数给定的衰减，而是在给定时间间隔之后才完全应用。在该特定实例中，在该时间间隔上逐渐引入衰减，从而提供动态范围扩展的平滑引入。作为简单的实例，所应用的增益可以由下式给出：

G = 1 - \frac{t}{T} + (\frac{t}{T}) \cdot G_{E}

0＜t＜T，其中t为从阈值被跨过起的持续时间，并且T为延迟持续时间。

因此，可以控制扩展器105的上升时间以便提供提高的感知音频质量。

在该实例中扩展器105被设置成响应于检测到输入音频信号满足第二准则而终止将衰减应用到低频信号，在该特定实例中所述第二准则对应于低频信号的幅度增大到阈值以上。因此，在该实例中，使用对称准则来打开和关闭动态范围扩展，但是应当理解的是，在其他实施例中，也可以使用非对称设置。

在该实例中扩展器105被设置成在检测到阈值被超过之后，延迟终止将衰减应用到低频信号。

类似于该情形，当打开动态范围扩展时，可以这样延迟全关闭，并且特别地可以使用逐渐的关闭。例如，所应用的增益可以由下式给出：

G = \frac{t}{T} + (1 - \frac{t}{T}) \cdot G_{E}

0＜t＜T，其中t为从阈值被超过起的持续时间，并且T为延迟持续时间(应当理解的是，对于动态范围扩展的打开和关闭而言，延迟可以不同)。

因此，可以控制扩展器105的释放时间以便提供提高的感知音频质量。

上升和释放时间的选择影响动态范围扩展的失真和透明属性。在音频系统中，短的上升时间通常是希望的，因为更长的上升时间可能使得扩展器反应太慢，从而导致不太突出的“冲压”的添加。此外，太长的释放时间将使扩展器返回到正常减慢，从而导致信号峰值(瞬变状态)也可能被衰减。然而，太短的上升和释放时间倾向于在打开或关闭动态范围扩展时导致突然的幅度变化。这样的幅度阶梯倾向于为听众所察觉，并且相应地被感知为质量退化。

已经发现，在许多场合下，可以对于介于释放时间的40％与60％之间的上升时间发现特别有利的时间。在许多场合下，对于5-15毫秒的上升或打开延迟时间(并且在许多场合下对于基本上10毫秒的上升或打开延迟时间)发现特别有利的性能。在许多场合下，对于15-25毫秒的释放或关闭延迟时间(并且在许多场合下对于基本上20毫秒的释放或关闭延迟时间)发现特别有利的性能。

作为特定实例，可以通过将以下算法应用到每个样本来实现扩展器105：

if rms＜env

theta＝att；

else

theta＝rel；

end

env＝(1.0-theta)*rms+theta*env；

gain＝1.0；

if(env＜thresh(n))

gain＝10^((1-1/R)*(log10(thresh(n))-log10(env)))；

end

x(n)＝x(n)*gain；

其中“att”和“rel”是每样本计算的上升和释放斜率。

att＝exp (-1.0/tatt)

tatt＝round(attack/1000*Fs)

attack＝以ms为单位的上升时间

Fs＝采样频率

rel＝exp(-1.0/trel)

trel＝round(release/1000*Fs)

release＝以ms为单位的释放时间

Fs＝采样频率

“R”为扩展器比率。

“thresh(n)”为阈值(其可以是如下面将描述的变量)

“rms”为低频信号的RMS值。

“env”为由上升和释放斜率定形的“rms”值。初始值为零。

在一些实施例中，动态范围扩展可以取决于低频信号的特性。特别地，何时应用动态范围扩展的准则可以取决于低频信号的一个或多个特性。

图2示出了图1系统的增强的实例，其中用于应用动态范围扩展的准则取决于低频信号的特性。在该实例中，何时应用动态范围扩展的阈值特别地确定为低频信号的平均幅度水平指示的函数。

在图2的系统中，分频器103实现为高通滤波器201和带通滤波器203。在该实例中，高通滤波器201具有大约150-200Hz的截止频率，并且通过对从音频源101接收的输入音频信号滤波产生高频信号。带通滤波器203具有大约10-120Hz的通带，并且通过对从音频源101接收的输入音频信号滤波产生低频信号。应当理解的是，在其他实施例中，可以使用其他的滤波特性并且例如可以通过低通而非带通滤波器产生低通信号。

在该实例中，带通滤波器203耦合到扩展器105和幅度平均器205。因此，将低频信号馈送到扩展器105和幅度平均器205。

幅度平均器205被设置成产生对于低频信号的平均幅度水平指示。应当理解的是，可以使用任何产生平均或平滑幅度估计的适当的方法。例如，幅度平均器205可以应用移动(滑动)平均窗或者可以是RMS幅度度量等等。应当理解的是，所产生的平均幅度水平不必是与给定时间间隔内的平均幅度值相同的值，而是可以为包括某种形式的瞬时值平均的任何幅度水平度量。因此，取决于单独的实施例的特定要求，可以使用任何适当的平滑或滤波的幅度度量。例如，在一些实施例中，幅度平均器205可以简单地为适当的低通IIR或FIR滤波器。

在该实例中，用于应用动态范围伸展的阈值确定为幅度水平度量的固定函数。应当理解的是，可以使用任何用于将阈值确定为幅度水平度量的函数的适当的函数。在该特定实例中，使用了低复杂度缩放函数。特别地，用于应用动态范围伸展的阈值简单地基本上给定为：

T＝c·A_A

其中T为幅度阈值，c为常数并且A_A为幅度平均器205确定的平均幅度水平。

应当理解的是，可以通过选择用于平均过程的适当参数以及幅度水平度量与阈值之间的关系将所描述的系统的性能和操作修改成符合单独的实施例的特定要求。

在该特定实例中，对于介于75与200毫秒之间的用于确定平均幅度水平指示的时间常数，发现特别有利的性能。特别地，在许多实施例中，介于100与150毫秒之间的时间常数导致有吸引力的性能，其特别地允许在不感知到初始上升部分受影响的情况下衰减低音的持续或振铃。该时间常数可以对应于平均过程中通过小于给定值对幅度值进行加权之前的持续时间。典型的值介于平均过程中应用的最大加权的0与0.5之间。典型地，可以使用值0.2。对于二进制加权(方形)窗平均，时间常数特别地等于窗持续时间。

此外，对于0.8与2之间的系数c，发现了特别有利的性能，典型地对于介于1与1.5(并且特别地基本上为1.2)之间的值，实现了特别有利的性能。

因此，在该特定实例中，动态地改变用于应用动态范围伸展的阈值以适应低频信号。特别地，阈值为低频信号的平价幅度度量的函数。通过这种方式，随着平均幅度度量的降低，对于信号的较安静的部分以及对于具有相对恒定的幅度的部分阈值较低，从而导致阈值降低。因此，该方法允许系统适应信号的不同音量水平。

此外，该方法在应用动态范围扩展中引入了时间依赖性。特别地，对于上升的信号水平，当前的幅度典型地高于较长时间间隔上平均的幅度。相应地，当前幅度典型地将高于阈值并且不引入衰减。然而，对于下降的信号水平，当前幅度典型地将低于较长时间间隔上平均的幅度。相应地，当前幅度典型地将低于阈值并且将应用衰减。因此，不仅系统整体地适应信号的音量变化，而且通过仔细地选择参数和特性，可以实现衰减将倾向于主要被应用到下降的信号水平的信号部分。因此，衰减典型地将被应用到低音的衰减或下降部分，而不影响初始的上升部分。因此，该方法允许所述衰减特别地降低通常被感知为声震的振铃或持续。从而，体验到更纯净和强劲的低音。

图3示出了利用和未利用所述处理的动态低音信号的实例。信号对应于包含若干低音符(例如来自弹奏的低音吉他)的约10秒长的信号。声音换能器产生的典型音频信号由组合的亮暗灰度包络表示。图2系统产生的音频信号由亮灰度包络表示。

显然可见，每个单独的音符的衰减部分的幅度被充分降低，而初始上升部分的幅度未受影响。因此，在不牺牲每个音符的初始上升的情况下实现了每个单独的低音符的持续或振铃的充分衰减。这被感知为更纯净的较少声震的和更强劲的低音。

在一些实施例中，所述声音系统还包括用于针对给定尺寸的声音换能器提高效率和从低频信号产生的声级的功能。特别地，声音系统可以被设置成将低频信号压缩到声音换能器的谐振频率周围的窄频率范围内。

声音换能器的特性和性能取决于特定声音换能器的物理性质。特别地，空气移位特性取决于物理特性，并且相应地可以由扬声器无机械失真地产生的声级取决于物理特性。典型地，对于增大的声级和更低的频率需要更大的物理尺寸，因为需要移位的空气量增加。相应地，通常需要在低频声级能力与物理尺寸之间进行折衷。

此外，声音换能器典型地具有一个或多个谐振频率，其中物理特性提供声音换能器的最大灵敏度。此外，在这些谐振频率处，对于给定输出声级而言，扬声器锥或膜运动或漂移最小。因此，在这些频率处，可以在锥漂移(cone excursion)变得如此大以至于声音换能器的机械限制开始引入失真之前，产生增大的声级。因此，在谐振频率周围，可以实现增大的声级和效率，并且在图4的实例中，利用这点以便在低频处提供改进的性能。

特别地，图4的声音系统包括频率压缩器401，其被设置成将低频信号的频率带/间隔/范围压缩到位于谐振频率周围的更窄更集中的频率带/间隔/范围中。特别地，可以将低频带压缩到谐振频率周围的窄带，从而允许对于给定尺寸的扩音器在低频处产生更高的声级，或者等效地，更小的扬声器可以用于给定的希望的声级。

此外，在该实例中，与具有更平坦的和均匀的频率响应的声音换能器相比，使用在适当的低频处具有高Q的声音换能器来提供增大的效率和声级。此外，这样的扬声器倾向于制造起来更廉价和更简单，因为可以去除或者充分地降低对于均匀/平坦的频率响应的要求。

频率压缩器401通过将低频信号的能量集中在谐振频率周围的充分窄的频带内可以有效地降低低频信号的带宽。这具有以下优点：音频信号的能量集中在其中换能器特别有效且可以产生更高的声级的间隔内。因此，所描述的方法基于这样的认识：将低频信号集中到其中声音换能器最有效的相对较窄的频带内允许更加有效地使用低频音频信号的能量。

带宽降低在相对较低的频率处特别有效，因为其允许使用在窄频率范围内特别有效的低频换能器。因此，在许多实施例中，优选的是低频信号具有不超过200Hz的频率上限，优选地不超过150Hz，更优选地约为120Hz。

尽管该方法的有益效果已经在第二间隔稍窄于第一间隔时获得，例如10％(即其具有降低10％的带宽)，但是优选的是第二间隔充分地更窄，例如窄50％或更多。取决于使用的换能器的类型，第二间隔可以非常窄，并且可以具有仅仅数赫兹的带宽。

相应地，在许多实施例中，当压缩的音频范围跨度小于50Hz，优选地小于10Hz，更优选地小于5Hz时，可以实现有利的性能。压缩的频率范围可以甚至包括仅仅单一频率，例如换能器的谐振频率。在该实例中，压缩频率范围或间隔可以是60Hz周围的间隔，例如55-65Hz。选择该频率间隔，从而使得它与特定换能器相应，并且将取决于换能器的特性。特别地，第二间隔被选择成包括换能器的谐振频率。

应当理解的是，频率压缩器可以使用任何适当的频率压缩方法。

例如，在数字实现中，可以使用N点离散傅立叶变换(DFT)以及特别地N点快速傅立叶变换将低频信号转换成频域。然后，可以将得到的频率面元(bin)值集中到更小数量的面元中，并且将剩余的面元值设置为零。例如，可以通过对FFT的成对相邻面元的面元值求平均来产生N/2个连续面元值。然后，将得到的面元值分配给谐振频率周围的面元，并且将未分配的面元的面元值设置为零。接着，可以应用逆FFT以产生频率压缩信号的时域版本。因此，该方法可以对应于按2倍压缩的第一信号的带宽，压缩的频谱位于谐振频率周围。应当理解的是，可以通过改变面元值的数量来改变频率压缩信号的带宽，所述面元值为来自原始变换频谱的分配的值。例如，可以通过将面元值分配给仅仅N/4个面元来实现4倍的频率压缩。作为一个极端实例，可以将面元值分配给与压缩到单个面元中的整个频率范围相应的仅仅单个面元。

作为另一个实例，N点FFT可以用来将接收的第一信号变换到频域。可以添加若干附加的面元以产生数量增加的面元值，每个面元值被设置为零。例如，可以添加额外N个零值面元，导致2N个面元的频谱。可以在这2N个面元上执行2N逆FFT，从而导致2倍的频率压缩(采样频率乘2倍也将起作用，并且因而可以对得到的信号执行时域抽取)。

在一些实施例中，响应于声级指示而调节频率面元的比例，所述频率面元为从输入信号的FFT得到的面元值的分配的值。例如，对于增大的声级，降低非零面元的比例，从而导致到谐振频率周围的越来越窄的频带的增大的频率压缩。

图4示出了频率压缩器401的特定实例。

在该实例中，频率压缩器401包括幅度检测器403，其被馈送第一信号并且其产生反映低频信号的幅度的幅度信号。

幅度检测器403可以例如存在于单个低通滤波器中。作为另一个实例，幅度检测器403可以包括具有适当时间常数的峰值检测器或包络检测器。幅度检测器403的时间常数短于幅度平均器205的时间常数。因此，虽然幅度平均器205产生平均幅度估计，但是幅度检测器403的幅度估计产生低频信号的当前幅度的幅度估计。典型地，幅度检测器403的时间常数至少比幅度平均器205的时间常数低2、5或10倍。

频率压缩器401还包括频率发生器405，其产生具有落入第二频率间隔内的频率的载波信号。在该特定实例中，载波频率是固定频率，其被设置为与声音换能器109的谐振频率相同或者非常接近。

频率压缩器401还包括调制器407，其耦合到幅度检测器403和频率发生器405，并且其可操作以便将来自幅度检测器403的幅度信号调制到来自频率发生器405的载波上。调制器407特别地可以实现为乘法器。

因此，调制器407的输出是具有与低频信号的幅度相应的幅度的调制音调信号。因此，第一频率间隔内低频信号的能量被压缩到载波频率周围的窄频率范围中。特别地，所得到的信号的频率带宽等效于幅度检测器403产生的幅度信号的频率带宽。

在该实例中，扩展器105因而对频率压缩低频信号执行动态范围扩展，并且因而在动态范围扩展之前执行频率压缩。此外，在该实例中，平均幅度水平指示基于频率压缩之前的低频信号。这在许多场合下可以提供特别有利的性能和/或便利的实现。然而，应当理解的是，在其他实施例中，可以使用其他的实现方式。

例如，在一些实施例中，可以在频率压缩之前执行动态范围扩展。因此，在一些实施例中，频率压缩器401可以插入到图3的扩展器105与组合器107之间，而不是如图4所示插入到带通滤波器203与扩展器105之间。

在图4的实例中，频率压缩和动态范围扩展紧密集成在一起。例如，基于频率压缩之前的低频信号来确定用于确定是否应用动态范围扩展的阈值，并且该阈值与幅度检测器403产生的幅度信号进行比较。因此，是否应用动态范围伸展的确定基于频率压缩信号的当前幅度与频率压缩之前的低频信号的平均幅度估计的比较。

在该实例中，还通过将衰减应用到频率压缩信号，即应用到幅度调制载波来执行所述衰减。然而，在其他实施例中，可以通过在来自幅度检测器403的幅度信号与来自信号发生器405的载波信号相乘之前直接衰减该幅度信号来执行所述衰减。

已经发现使用频率压缩以便在谐振频率附近驱动换能器的方法提供了一种特别有利的途径。特别地，已经发现由频率压缩失真引起的音频质量感知是小的。特别是对于低频而言，已经发现将信号能量集中到谐振频率周围的窄频带内的音质影响是非常低的。

此外，频率压缩和动态范围扩展的结合提供了特别有利的效果，其中频率压缩的一些感知的人工噪声被动态范围扩展消除或减轻。特别地，在谐振频率处驱动声音换能器在一些场合下会导致感知到低音的增大的声震或振铃，而通过应用动态范围扩展有效地对其进行降低。此外，可以实现特别有效的实现方式，其中例如若干部件和功能对于动态范围扩展和频率压缩都是有用的。

因此，所描述的动态范围扩展方法特别地可以抵消所描述的频率压缩和谐振驱动方法引入的一些效应。特别地，可以使得产生的低频音频更强劲，这是因为通过降低衰减部分的幅度而着重强调低频信号的上升部分。

应当理解的是，尽管图4示出了其中频率压缩信号与高频信号结合以产生馈送给单个声音换能器的驱动信号的实例，但是在其他实施例中可以使用其他的方法。特别地，如图5所示，可以将高频信号直接馈送到中/高范围声音换能器501，而与高通信号无关地将频率压缩(和动态范围扩展的)信号直接馈送到高Q低频声音换能器109(例如低音扬声器)。

图6示出了产生用于声音换能器的驱动信号的方法。

在步骤601该方法启动，其中提供输入音频信号。

步骤601之后是步骤603，其中将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号。

步骤603之后是步骤605，其中通过将动态范围扩展应用到低频信号而产生扩展信号。

步骤605之后是步骤607，其中通过组合扩展信号和较高频率信号而产生驱动信号。

应当理解的是，上面的描述为了清楚起见参照不同功能单元和处理器描述了本发明的实施例。然而，应当清楚的是，在不有损于本发明的情况下，可以使用不同功能单元或处理器之间的任何适当的功能分布。例如，被示为由分离的处理器或控制器执行的功能可以由相同的处理器或控制器执行。因此，对于特定功能单元的引用应当仅仅被视为对于提供所描述功能的适当装置的引用，而不是表示严格的逻辑或物理结构或组织。

本发明可以按照任何适当的形式实现，包括硬件、软件、固件或者其任意组合。可选地，本发明可以至少部分地实现为运行在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上的计算机软件。本发明实施例的元件和部件可以在物理上、功能上和逻辑上按照任何适当的方式实现。事实上，所述功能可以在单个单元中、在多个单元中或者作为其他功能单元的一部分来实现。同样地，本发明可以在单个单元中实现，或者可以在物理上和功能上分布在不同单元和处理器之间。

尽管已经结合一些实施例描述了本发明，但并不旨在将本发明限于本文阐述的特定形式。相反地，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。此外，虽然可能看起来结合特定实施例来描述特征，但是本领域技术人员应当认识到，依照本发明可以组合所描述的实施例的各种特征。在权利要求书中，术语“包括”并没有排除其他元件或步骤的存在。

此外，尽管单独地被列出，但是多个装置、元件或方法步骤可以由例如单个单元或处理器实现。此外，尽管单独的特征可以被包含于不同的权利要求中，但是这些特征有可能有利地加以组合，并且包含于不同的权利要求中并不意味着特征的组合不可行和/或不是有利的。此外，特征包含于一种权利要求类别中并不意味着限制于该类别，而是表示该特征同样可适当地应用于其他权利要求类别。此外，权利要求中特征的顺序并不意味着特征必须按该顺序起作用的任何特定顺序，并且特别地，方法权利要求中各步骤的顺序并不意味着这些步骤必须按照该顺序来执行。相反地，可以按照任何适当的顺序执行这些步骤。此外，单数引用并没有排除复数。因此，对于“一”、“一个”、“第一”、“第二”等等的引用并没有排除多个。权利要求中的附图标记仅仅作为澄清的实例而被提供，而不应当以任何方式被视为限制了权利要求的范围。

Claims

1.一种产生用于声音换能器(109)的声音驱动信号的设备，该设备包括：

源(101)，其用于提供输入音频信号；

分频器(103)，其用于将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号；

扩展器(105)，其用于通过将动态范围扩展应用到低频信号来产生扩展信号，其中所述动态范围扩展是增大低频信号的动态幅度范围的扩展；以及

组合器(107)，其用于通过对扩展信号和较高频率信号进行组合来产生声音驱动信号。

2.权利要求1的设备，其中扩展器(105)被设置成在输入音频信号满足第一准则的情况下使低频信号衰减，其中第一准则包括低频信号的幅度水平低于阈值的要求。

3.权利要求2的设备，其中扩展器(105)被设置成在检测到第一准则被满足之后延迟低频信号全衰减的应用。

4.权利要求2的设备，其中扩展器(105)被设置成响应于检测到输入音频信号满足第二准则而终止向低频信号应用衰减，所述第二准则对应于低频信号的幅度增大到阈值以上；并且在检测到第二准则被满足之后延迟终止向低频信号应用衰减。

5.权利要求2的设备，还包括：

装置(205)，其确定用于低频信号的平均幅度水平指示；以及

设置装置(207，105)，其用于响应于平均幅度水平指示而设置动态范围扩展的特性，其中所述设置装置(207，105)被设置成响应于平均幅度水平指示而确定幅度阈值。

6.权利要求5的设备，其中所述特性是用于向低频信号应用衰减的准则。

7.权利要求5的设备，其中设置装置(207，105)被设置成将幅度阈值确定为：

T=c·A_A

其中T为幅度阈值、c为0.8到2之间的常数并且A_A为由平均幅度水平指示表示的低频信号的平均幅度水平。

8.权利要求5的设备，其中用于确定平均幅度水平指示的时间常数介于75与200毫秒之间。

9.权利要求2的设备，还包括：

频率压缩装置(401)，其被设置成执行扩展信号和低频信号中的至少一个信号的频率压缩，所述频率压缩为从第一频率间隔到与声音换能器(109)的谐振频率相对应的更小的第二频率间隔的频率压缩。

10.权利要求9的设备，其中频率压缩装置(401)被设置成在动态范围扩展之前执行低频信号的频率压缩；并且所述设备还包括：

装置(205)，在频率压缩之前，该装置(205)确定用于低频信号分量的平均幅度水平指示；以及

11.权利要求9的设备，其中频率压缩装置(401)包括：

幅度检测器(403)，其产生用于低频信号和扩展信号中的至少一个信号的幅度信号；

频率发生器(405)，其用于产生第二频率间隔内的载波信号；

调制器(407)，其用于通过用幅度信号对载波信号进行调制来产生低频信号和扩展信号中的所述至少一个信号的频率压缩版本。

12.权利要求11的设备，还包括用于响应于幅度信号而确定是否应用动态范围扩展的装置(105)。

13.一种产生用于声音换能器(109)的声音驱动信号的方法，该方法包括以下步骤：

提供输入音频信号(601)；

将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号(603)；

通过将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号(605)，其中所述动态范围扩展是增大低频信号的动态幅度范围的扩展；以及

通过对扩展信号和较高频率信号进行组合产生声音驱动信号(607)。