CN102474679A - 压力波记录和利用直接量化的再现 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于记录和再现压力波信号的方法。应将压力波记录与数/模转换器相关联。应在比特深度相同的情况下实现更高的动态特性并且在动态特性相同的情况下需要更小的比特深度。本发明的特征在于，借助于压力波信号的所检测的被直接量化的波压力差计算和存储压力波信号的所有信息。此外，存储系数并且在需要时将其逆变换成绝对波压力。通过这种方式，可以实现压力波信号的再现。

Description

压力波记录和利用直接量化的再现

技术领域

本发明涉及用于记录压力波信号的记录方法、用于再现压力波信号的再现方法、和用于记录压力波信号的相应的压力梯度话筒（Druckgradientenmikrofon）以及相应的应用。

本发明尤其是涉及压力波信号的记录。

背景技术

常规地，借助于检测绝对波压力的压力话筒来测量声压。生成模拟音频信号，其中电流波动幅度的高度随后被模/数转换器量化。在生成模拟音频信号以后，进行模/数转换以存储在例如常规的高密度磁盘（CD）上。根据常规的方法，借助于话筒进行信号的模拟记录。随后可能进行压缩和存储。压缩例如可以通过常规的MP3方法来实施。

对于模拟音频信号的模/数转换，根据奈奎斯特定律（Nyquist）将要分辨的最高频率的至少两倍频率用作采样速率，其中要处理的比特率是采样速率——即确定所使用的比特数的比特深度——与所使用的通道的数目的乘积。

例如对于音乐CD而言，记录20赫兹至20千赫兹范围内的频率。在超声范围内，记录20kHz至1GHz范围内的频率。例如在汽车CD的情况下，针对模/数转换使用44.1KHz的采样速率。此外，为了分辨最轻与最响的音调之间的动态特性通常使用16比特。在使用两个通道的情况下得出要处理的比特率在高度上为44.1KHz*2个通道*16比特＝1.411Mbps。

发明内容

本发明的任务是提供压力波信号、尤其是声波信号的记录，使得波压力记录与模/数转换组合起来。压力波信号的再现应特别简单地提供。此外，应提供相应的压力梯度话筒。在比特深度相同的情况下应实现更高的动态特性并且在动态特性相同的情况下需要更小的比特深度。动态特性是最弱的与最强的压力波信号之间的间隔。

该任务通过根据主权利要求所述的方法、根据并列权利要求所述的用于再现的方法、根据其他并列权利要求所述的压力梯度话筒和应用来解决。

根据本发明的第一方面，提供一种用于记录压力波信号的方法，使得借助于压力波信号的所检测的被直接量化的波压力差来检测压力波信号的信息。按照根据本发明的用于记录压力波信号的方法，可以存储波压力差值。压力波信号例如是音乐信号、超声信号或者地震波。

本发明要求保护一种将波压力记录与模/数转换相组合的记录方法。通过记录波压力差得出大量优点。测量被直接量化的波压力差。

根据本发明的第二方面，提供一种用于再现利用根据本发明的方法所记录的压力波信号的方法，使得借助于逆变换从波压力差值或系数中、可选地结合和S逆向计算出每个总时间间隔的所有测量时刻的绝对波压力。在该计算以后，可以例如借助于扬声器实施再现。

根据第三方面，提供用于利用根据本发明的方法记录压力波信号的压力梯度话筒，使得压力梯度话筒的记录膜的面积与相应的频率范围相协调。这意味着，频率范围的相应频率越大，则压力梯度话筒的记录膜的面积就越小。

根据第四方面，将根据本发明的方法或话筒用于音频范围或超声范围中的声压力波、用在医学或材料学中或者用于材料学或地理学中的地震波。

根据本发明的优点是：

比特速率相同时更高的动态特性。在大多数情况下，差是非常相似的。由此在相同比特深度上的分布得出更高的动态特性。更小比特速率时的相同动态特性。通过该差的微小区分，在量化时较小的比特深度就足够了，并且由此较小的比特速率就足够了。适应的可能性。如果在声压记录时选择恒定比特速率，则可以在对该差量化时使用更小的比特深度并且在绝对求和时使用更高的比特深度。

小波系数也必须为了存储而被数字化。本发明实现了记录与模/数转换的联合。通过压力梯度话筒进行波压力差测量。

另外的有利构型结合从属权利要求来要求保护。

根据一个有利的构型，可以提供一种用于记录波压力信号的方法，使得借助于压力波信号的所检测到的被直接量化的波压力差计算出包含压力波信号的基函数系数的信息。按照根据本发明的用于记录压力波信号的方法，可以在计算以后存储基函数的系数。

根据一个有利的构型，基函数可以是小波基函数。常规而言，需要低通滤波器来进行模/数转换，以便防止出现比采样速率的一半更高的频率。这称为混叠。通过基于小波的记录可以直接排除更高的频率。

根据另一有利的构型，可以由不同压力梯度话筒分别检测重复的总时间间隔中的不同测量时间间隔的不同的波压力差。因此同时测量不同时间间隔的波压力差。

根据另一有利的构型，可以将总时间间隔均匀地划分成多个长度相同的基本时间间隔，并且基本时间间隔的长度由要分辨的最大和最小频率来确定。总时间间隔是计算基函数的系数的最小单位。根据用于记录压力波信号的方法，通过大量重复的总时间间隔来对压力波信号进行采样。

根据另一有利的构型，可以将要分辨的最大频率与要分辨的最小频率相除，并且该商确定总时间间隔中的基本时间间隔的数目和长度。为了检测压力波信号的波压力差，可以分别按照奈奎斯特定律根据要分辨的最大频率来确定最高采样速率并且根据要分辨的最小频率来确定最低采样速率，可以将最高采样速率与最低采样速率相除，并且该商可以确定重复的总时间间隔中的基本时间间隔的数目和长度。测量时间间隔由基本时间间隔的数目来确定。测量时间间隔被多个基本时间间隔彼此间隔开。

根据另一有利的构型，基本时间间隔的数目可以表达成指数为m的2的幂2^m，该指数m确定所使用的压力梯度话筒的数目。

根据另一有利的构型，可以借助于压力话筒将各个总时间间隔的所有测量时刻的绝对波水平相加成和S。在每个基本时间间隔以后进行测量。所有测量时刻都可以分别由基本时间间隔的结束来确定。和S仅仅是定标的一种表现形式，并且仅在记录多个总时间间隔的情况下被需要。

根据另一有利的构型，可以借助于每个总时间间隔的所检测的波压力差以及和S来计算所有系数。

根据另一有利的构型，小波基函数可以是哈尔（Haar）小波函数、Coiflet小波函数、Gabor小波函数、Daubechies小波函数、Johnston-Barnard小波函数、或者双正交样条小波函数。

根据另一有利的构型，可以在哈尔小波函数的情况下，m个压力梯度话筒之一可以分别检测作为测量时间间隔的分别2ⁿ个基本时间间隔的压力差，其中测量时间间隔分别被2ⁿ个基本时间间隔彼此间隔开，其中n是元素N₀并且n≤m-1。

根据另一有利的构型，可以通过忽略从压力差中计算出的低于阈值的小波系数对存储进行压缩。低于阈值的小波系数对信号没有贡献。

根据另一有利的构型，可以使用不同频率范围的多个不同的压力梯度话筒。也就是说，为了测量高频差，可以使用与用于低频不同的压力梯度话筒。

根据另一有利的构型，压力梯度话筒的记录膜的面积可以与相应的频率范围相协调。相应的频率越高，则记录膜的面积越小。

根据另一有利的构型，压力梯度话筒的记录膜可以以彼此接界的方式布置在壳体中。特别有利的是，将记录膜局部彼此接近地安装在壳体中。压力差测量必须属于同一声源。

根据另一有利的构型，记录膜可以彼此同心地布置。

根据另一有利的构型，在同心实施方式的情况下在内部布置用于较高频波压力差的记录膜以及在外部布置用于较低频波压力差的记录膜。

在一种用于再现利用根据本发明的方法记录的压力波信号的方法中可以借助于扬声器进行再现。

根据另一有利的构型，可以借助于上Hessenberg矩阵进行从系数到绝对波压力的逆变换。

根据另一有利的构型，可以提供压力梯度话筒，使得压力梯度话筒的记录膜的面积与相应频率范围相协调。

根据另一有利的构型，可以将压力梯度话筒的记录膜彼此接界地布置在壳体中。

根据另一有利的构型，可以提供具有彼此同心布置的记录膜的压力梯度话筒。

根据另一有利的构型，可以在内部布置用于较高频波压力差的记录膜以及在外部布置用于较低频波压力差的记录膜。

根据本发明的方法可以用于记录音乐、医学和材料学中的超声或者材料学中和地理学中的地震波。

附图说明

根据实施例结合附图进一步阐述本发明。

图1a－d示出了常规记录方法的数据流；

图2a－c示出了常规压力话筒的示例；

图3示出了常规记录方法的测量；

图4a－c示出了压力梯度话筒的两个实施例和测量原理；

图5a－c示出了用于计算基函数的系数的波压力差的所需压力测量；

图6a示出了哈尔小波基函数的变化曲线；

图6b示出了根据本发明的原理；

图7再次示出了各个话筒的测量时间间隔I_M；

图8示出了压力梯度话筒的记录膜的有利实施例；

图9示出了系数到绝对声波压力的逆变换。

具体实施方式

图1a－d示出了常规记录方法的数据流。图1a示出了用于以模拟方式记录音频信号的压力话筒。图1b示出了通过常规压力话筒记录的模拟信号和相关的采样信号的时间变化曲线。图1c示出了例如借助于常规MP3方法对所记录的信号进行的可能的接下来的压缩。接着，如图1d中所示，可以将数据存储在常规CD（高密度磁盘）上。

图2a－c示出了常规压力话筒的示例。图2a示出了常规电容器话筒的工作方式。在此，声压影响电容。图2a示出了电压源1、高欧姆电阻3、对电极5以及膜7。在此，将相应声波9转换成电信号11。

图2b示出了常规压电话筒。声压影响压电元件13的形状，并且生成电压。附图标记7表征膜。附图标记9是要检测的压力波或声波，所述压力波或声波被转换成电信号11。

图2c示出了常规的碳话筒（Kohlemikrofon）。在此，声压影响电阻。附图标记1表示电压源，附图标记5表示对电极，附图标记7表示膜，并且附图标记15表示碳粒。声波信号9借助于碳粒15被转换成电信号11。

图3示出了常规记录方法的测量。在此，根据均匀的基本时间间隔I_B来实施测量。在此，利用模/数转换进行记录。利用常规压力话筒进行记录。在此，根据奈奎斯特定律选择采样速率。相应地确定测量时刻t₁、t₂…。利用另一步骤，以预先给定的比特深度对离散声压p₁、p₂…进行量化。利用另一步骤，可以对记录进行压缩。压缩方法的示例是所谓的MP3方法。接着，可以进行记录的存储。音频信号的存储和压缩的前提是解码器的实时能力。

图4a－c示出了压力梯度话筒的两个实施例以及对其作用方式的说明。图4a示出了线圈17以及永磁体19。附加地提供了膜7。借助于压力梯度话筒，将声波9转换成电信号21。声压或波压力的改变感应出流经线圈17的电流。

图4b同样示出了永磁体19，在其北极与南极之间提供了折叠的细铝带23。在此，波信号压力的改变也感应出流经折叠细铝带23的电流。通过这种方式，声波9转换成电信号21。

图4c示出了压力波信号到膜7的偏移25的转换。附图标记24表征压力波的源。附图标记27表征从源24到膜7的直接波路。附图标记29表示膜7的弹性悬吊。附图标记31表示入射波前。附图标记33表征邻近效应，并且附图标记35表示波迂回。

图5a－d示出了为了计算基函数的系数对波压力差的所需压力测量。根据图5a－5d，基函数是小波基函数、更确切而言为哈尔小波函数。借助于压力波信号的所检测的被直接量化的波压力差计算并且尤其是存储包含压力波信号的所有信息的小波系数。

根据图5a示出了总时间间隔I_G。在此，总时间间隔I_G被划分成8个相同大小的基本时间间隔I_B。总的压力波信号通过重复的总时间间隔I_G的彼此相继而被检测。因此，在图5a－5d中分别示出的总时间间隔I_G是用于检测压力波信号的最小单位。根据图5a－5c，借助于不同的压力梯度话筒在重复的总时间间隔I_G中分别检测不同测量时间间隔I_M的不同波压力差。总时间间隔I_G均匀地划分成多个长度相同的基本时间间隔I_B。基本时间间隔I_B的长度由要分辨的最大和最小频率来确定。如果将要分辨的最大与最小频率相除，则该商确定总时间间隔I_G中的基本时间间隔I_B的数目和长度。基本时间间隔I_B的数目可以被表达成指数为m的2的幂2^m，该幂确定所使用的压力梯度话筒的数目。根据图5a－5c，基本时间间隔的数目8=2³,从而使用3个压力梯度话筒。图5a示出了话筒3的测量时间间隔I_M。图5b示出了话筒2的测量时间间隔I_M，并且图5c示出了话筒1的测量时间间隔I_M。相应地根据图5a检测压力差p₁-p₂、p₃-p₄、p₅-p₆以及p₇-p₈。根据图5b以测量技术来检测压力波信号的波压力差p₂-p₄以及p₆-p₈。根据图5c以测量技术来检测波压力差p₄-p₈。根据图5a－c，在哈尔小波基函数的情况下，在重复的总时间间隔I_G的情况下，相邻测量时间间隔I_M的间隔等于测量时间间隔I_M的相应时长。

图5d同样示出了要测量的波压力信号在总时间间隔I_G中的变化曲线。得出8个测量时刻t₁、t₂…t₈。在此，借助于压力话筒将各个总时间间隔I_G的所有测量时刻（t₁…t₈）的绝对波压力水平相加成和S。也就是说，根据图5d使用另一话筒0,该话筒是与压力梯度话筒1至3不同的压力话筒。根据图5d，以测量技术检测和S＝p₁+ p₂+ p₃+ p₄+ p₅+ p₆+ p₇+ p₈。该和用于对两个彼此相继的总时间间隔进行定标。还可以设想另外的定标。如果仅仅记录一个总时间间隔，则不需要定标。所述差就足够了。该和仅仅是定标的一种表现形式，并且仅在记录多个总时间间隔的情况下被需要。

图6a示出了哈尔小波基函数的变化曲线。哈尔小波基函数由下式来定义：

函数可以被表达成小波序列：

。

根据小波传感器，可以将每个信号分解成差的和。根据本发明，替代于常规绝对值，直接测量波压力差。图6b示出了该区别。

图6a示出了哈尔小波基函数的变化曲线，该哈尔小波基函数基于根据图5a－5c的测量。

图6b示出了如下原理：与现有技术不同，不检测绝对波水平，而是检测尤其是被直接量化的波压力差。

利用根据图5a－5d的4个话筒的测量，可以直接计算小波系数。

下面示出了可以如何根据按照图5a－c的所检测的波压力差、按照图5d的和来计算所有小波系数：

。

所计算的小波系数包含总时间间隔I_G中的压力波信号的所有信息。所计算的在此为哈尔小波函数的基函数的系数可以被存储。

图7示出了各个话筒1、2、3和0的测量时间间隔I_M。话筒0是用于检测所有测量时刻t₁…t₁₆的绝对波水平的压力话筒。图7示出了两个彼此相继的总时间间隔I_G。话筒3记录高频压力差。话筒2记录中频压力差。话筒1记录低频压力差。话筒0将压力波信号的绝对水平相加。

图5至7的话筒1、2和3分别具有膜，所述膜可以安装在壳体中。每个膜都可以与要测量的频率相协调。为此，话筒3的膜在面积方面小于话筒1的膜。用于各个差测量的记录膜有利地彼此非常接近地布置。通过这种方式，可以将差测量分配给相同的压力波源。图8示出了一个特别有利的实施方式。根据图8，记录膜彼此同心地布置。内部布置有用于高频差的膜，并且外部布置有用于低频差的膜。因此，话筒3的膜布置在内部。在其周围布置话筒2的膜。在话筒2的膜周围布置话筒1的膜。

针对哈尔小波示出了根据图5-7的根据本发明的方法。所示的方法可以扩展到所有可行的小波。此外，根据本发明的方法同样可以用于立体声记录。在此，进行通道的相加和相减。本发明不限于音乐的记录。一般而言，本发明检测所有的音频记录、超声波范围内的记录，以及此外例如检测地震学或材料学中的压力波。原则上可以检测和存储任意压力波信号。

根据本发明的另一实施例是将音频信号记录在常规CD（高密度磁盘）上。在此，要分辨的频率范围是20Hz－20KHz。在此，根据奈奎斯特定律得出最高采样频率为44.1KHz。理论最低采样频率为43Hz。如果将最高采样频率与理论最低采样频率相除，则得出因子44.1KHz/43Hz＝1024。因此，得出数目为1024个基本时间间隔I_B。1024=2¹⁰。相应地为了测量声压差使用10个压力梯度话筒。附加地需要将1024个基本时间间隔I_B上的压力水平相加的压力话筒。

图9示出了可以如何将根据图5-7检测并计算出的小波系数再次逆变换成声波信号。借助于逆变换，从系数中结合所有绝对波压力之和S可以逆向计算出每个总时间间隔I_G中的所有测量时刻的绝对波压力。借助于扬声器，可以将所计算出的绝对波压力再次转换成压力波信号。通过这种方式，压力p₁=S＋d₂+d₃+d₅。此外，可以根据图9逆向计算出所有压力p₂…p₈。

存在数据流的两个路径：

· 压力差被测量、数字化和存储。通过经由上Hessenberg矩阵的逆变换，可以再次计算出用于再现的压力值。

· 压力差值被测量并且由此形成小波系数。这些小波系数被数字化和存储。通过小波逆变换，可以再次计算出压力值。

对于所有所测量的差的一半而言，压力差和小波系数是相同的，更确切而言在最精细的层面上是相同的。

通过适当地对差测量的值进行分类，可以为了逆变换形成上Hessenberg矩阵。通过这种方式，可以实现特别有效的逆变换。在这种情形下，应当澄清的是，所测量的压力差一半而言不是小波系数。从压力差中可以计算出小波系数。在计算出所有绝对波压力以后，可以借助于扬声器再现压力波信号。

下面示出了用于将压力差值逆变换成绝对压力值的上Hessenberg矩阵的示例：

。

Claims (24)

1.一种用于记录压力波信号的方法，

其特征在于，

检测和存储压力波信号的直接量化的波压力差。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

借助于压力波信号的所检测到的被直接量化的波压力差计算和存储包含压力波信号的基函数系数的信息。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

所述基函数是小波基函数。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，

其特征在于，

由不同的压力梯度话筒分别检测重复的总时间间隔（I_G）中的不同测量时间间隔（I_M）的不同波压力差。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

总时间间隔（I_G）被均匀地划分成多个长度相同的基本时间间隔（I_B），并且基本时间间隔（I_B）的长度由要分辨的最大和最小频率来确定。

6.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

将要分辨的最大频率与要分辨的最小频率相除，并且商确定总时间间隔（I_G）中的基本时间间隔（I_B）的数目和长度。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

将基本时间间隔（I_B）的数目表达成指数为m的2的幂2^m，该指数m确定所使用的压力梯度话筒的数目。

8.根据权利要求4至7之一所述的方法，

其特征在于，

借助于压力话筒将各个总时间间隔（I_G）的所有测量时刻（t₀…t₈）的绝对波水平相加成和S。

9.根据权利要求8所述的方法，

其特征在于，

借助于每个总时间间隔（I_G）所检测的波压力差以及和S来计算所有系数。

10.根据权利要求3至9之一所述的方法，

其特征在于，

所述小波基函数是

哈尔小波函数、

Coiflet小波函数、

Gabor小波函数、

Daubechies小波函数、

Johnston-Barnard小波函数、或者

双正交样条小波函数。

11.根据权利要求6结合权利要求7所述的方法，其中所述小波基函数是哈尔小波基函数，其特征在于，

m个压力梯度话筒之一分别检测作为测量时间间隔（I_M）的分别2ⁿ个基本时间间隔（I_G）的压力差，其中测量时间间隔（I_M）分别被2ⁿ个基本时间间隔（I_B）彼此间隔开，其中n是元素N₀并且≤m-1。

12.根据前述权利要求2至11之一所述的方法，

其特征在于，通过忽略低于阈值的系数进行压缩。

13.根据权利要求4至12之一所述的方法，

其特征在于，使用不同频率范围的多个不同的压力梯度话筒。

14.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，所述压力梯度话筒的记录膜的面积与相应的频率范围相协调。

15.根据权利要求13或14所述的方法，

其特征在于，所述压力梯度话筒的记录膜以彼此接界的方式布置在壳体中。

16.根据权利要求15所述的方法，

其特征在于，所述记录膜彼此同心地布置。

17.根据权利要求16所述的方法，

其特征在于，在内部布置用于较高频波压力差的记录膜以及在外部布置用于较低频波压力差的记录膜。

18.一种用于再现利用权利要求1至17之一的方法所记录的压力波信号的方法，

其特征在于，借助于上Hessenberg矩阵从所存储的压力差中逆向地计算并再现每个总时间间隔的所有测量时刻的绝对波压力。

19.一种用于再现利用权利要求2至17之一的方法所记录的压力波信号的方法，

其特征在于，借助于逆变换从系数中、可选地结合和S逆向地计算并再现每个总时间间隔的所有测量时刻的绝对波压力。

20.一种利用根据权利要求1至17之一的方法来记录压力波信号的压力梯度话筒，

其特征在于，所述压力梯度话筒的记录膜的面积与相应的频率范围相协调。

21.根据权利要求20所述的压力梯度话筒，

其特征在于，所述压力梯度话筒的记录膜以彼此接界的方式布置并且布置在壳体中。

22.根据权利要求21所述的压力梯度话筒，

其特征在于，所述记录膜彼此同心地布置。

23.根据权利要求22所述的压力梯度话筒，

其特征在于，在内部布置用于较高频波压力差的记录膜以及在外部布置用于较低频波压力差的记录膜。

24.一种将根据前述权利要求之一的方法或话筒用于音频范围或超声波范围中的声压力波、用在医学或材料学中或者用在材料学或地理学中的地震波的应用。

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