CN103096211A

CN103096211A - 麦克风的滤波器电路

Info

Publication number: CN103096211A
Application number: CN2012104362017A
Authority: CN
Inventors: U.托马斯; S.沃尔夫冈; P.吉诺
Original assignee: AKG Acoustics GmbH
Current assignee: AKG Acoustics GmbH
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-11-05
Also published as: US9204217B2; US20130114833A1; EP2590434B1; EP2590434A1; CN103096211B

Abstract

滤波器电路及其用于麦克风（1）的方法，所述麦克风（1）连接到具有可变频率响应的外围设备。为了获得与下游装置的电阻抗无关的声音，包括信号变换器(2)、有源滤波器（5）、相加单元（6）和放大器/转极器（7）的滤波器部分（11）被布置在具有两对线圈（3a，3b）的音频变压器（3）上。

Description

麦克风的滤波器电路

技术领域

本发明涉及滤波器电路及其用于被连接到具有不同频率响应的外围设备的麦克风的方法。

背景技术

从US4,041,247中已知使用与电话机的碳粒麦克风有关的脉冲生成电路；该电路位于麦克风的附近，用对输入的听觉信号进行采样的电流脉冲为麦克风供电。音频信号是通过利用低通滤波器将生成的输出信号解调而复原的，复原的信号被放大并被放到电话传输线上。

1923年的US1,725,954公开了用于电话的放大器，其具有减少“发射站”中生成的振动的线圈。为了实现这个目的，线圈被串联布置，以便选择性地控制放大器上的某些频率的幅度。

US2007/076900公开了自适应校准滤波器计算单元，其计算出校准滤波器，这些校准滤波器设置在RGSC卷轴机（RGSC beamer）的麦克风的下游。该单元使得有可能改善信噪比，并可用于自动补偿所用麦克风的老化。

通常，要在无源和有源麦克风之间进行区分，其中动态麦克风属于无源麦克风组，而电容式麦克风和驻极体麦克风属于有源麦克风组。电容式麦克风和驻极体麦克风之间的差别在于，驻极体麦克风的其中一个电极上具有聚四氟乙烯（Teflon）涂层。该涂层被静电充电，因此电极不需要外部施加的极化电压。

电容式麦克风和驻极体麦克风，也称为静电式麦克风，主要用在录音区域中，并需要由所连装置（诸如，混频器或音响效果单元）提供的电源电压。在电容式麦克风中，这种电源为麦克风碳精盒的电极提供极化电压，并为麦克风的相关麦克风放大器提供工作电压。在驻极体麦克风中，这种电源仅为麦克风的相关麦克风放大器提供工作电压，因为极化电压是借助于带电的Teflon涂层提供的。

对比起来，动态麦克风不需要来自外部的电源，因为其能够将声振动直接转化成电压。由于它们的鲁棒性，它们在现场音乐会和日常舞台应用中都具有主要应用区域。动态麦克风可独立地连接到后续音响装置（放大器或录音装置），而一些动态麦克风额外具有内置的无源滤波器。利用这种无源滤波器，可以改变麦克风的声音，并因此可以使麦克风适应特定应用领域。

然而，机械的和电的连接器设计与这两种麦克风均相兼容，并允许使用相同的连接器电缆。此外，当前的动态以及驻极体和电容式麦克风通常具有平衡的音频输出，以便抑制连接器电缆中可能有的干扰。

利用动态麦克风，所谓的人声麦克风（vocal microphone）或乐器麦克风（instrumental microphone）已变得被市场所接受，而不论它们的指向特性如何。由于麦克风声音对人声或乐器的适应性更好，这种市场分割得到强化。对麦克风声音的期望改变可通过内置在麦克风外壳中的无源滤波器来实现。这样的无源滤波器被认为是现有技术，通常是用可开关的RLC元件设计的，并允许传递函数或麦克风声音有小的变化。由于这样的滤波器被设计成仅是无源的，动态麦克风没有有源滤波器所必需的电压源，并且动态麦克风仅能够提供与频率有关的衰减而不能够提供对麦克风信号的增强。此外，这种无源滤波器的工作模式取决于下游设备（放大器、混频器、录音装置等）的电阻抗。因此，有可能发生可选地连接到两个不同放大器的同一麦克风提供两种不同的声音！

为了避免无用的和干扰的信号尖峰，在一些当前可用的实施例中具有直接在麦克风中的电无源滤波器。这些电无源滤波器可以是永久工作的，或是用开关激活或去激活。典型的滤波器例如是70Hz的高通滤波器，利用该高通滤波器，低频影响和操作噪声能够被抑制。对于电容式和驻极体麦克风，这些被设计成有源的并需要电源，而电源已经存在于这样的麦克风中。相反，在动态麦克风中，由于缺少电源，仅仅内置了无源RLC滤波器，其中对频率响应的校正由LCR吸收或抗共振电路完成。

然而，这些无源滤波器具有电平损耗的缺点，即，经无源滤波的信号的电平比原始输入信号低。用于动态麦克风的这种无源滤波器的另一个缺点在于它们不总是提供相同的结果。这意味着，它们与所连装置（诸如混频器或效果单元）的阻抗有关，并且还与实际输入源（麦克风碳精盒）有关。因此，滤波器的源阻抗和输入阻抗均对麦克风的响应特性有影响。这可能导致，具有相同预设置的麦克风取决于所连接的设备而听起来不同。这种效果经常会使用户失望，并且通常意味着在声音编辑中要做额外的工作。

当前，为了避免这种缺点，使用所谓的均衡器，均衡器通常布置在动态麦克风和放大器之间。然而，这些均衡器与大额的附加成本相关联。

为了获得独立于下游装置的电阻抗的声音，有源滤波是必不可少的。这样的有源滤波在电容式麦克风和驻极体麦克风中是已知的。

本发明的目的是向用户提供用于麦克风，并且通常用于动态麦克风的解决这些问题的滤波。

发明内容

根据本发明所提到的类型的滤波器电路能够实现上述目的。换言之，包括信号变换器、有源滤波器、相加单元和放大器/转极器的滤波器部分被布置在具有两对线圈的音频变压器上。

由于该电路的低输出阻抗，不论各个下游装置的现存外围设备或不同阻抗如何，用户总具有相同的声音。滤波器有源部分所需的电源电压，在音频工程中被叫作“幻路供电”，由例如所连接的混频器提供。滤波器电路的工作原理是具有变压器电路的模拟计算机。因此，待处理的频率或输入信号的相位特征经由滤波器部分传递，然后通过变压器与原始输入信号相加或相减，这取决于原始输入信号的相位偏移。滤波器由至少一个用于特定频率范围的滤波器块构成；然而，为了实现更好的滤波效果，滤波器通常由若干个滤波器块构成，这些滤波器块可分别经由触摸元件、旋转元件和/或倾斜（tilting）元件操作。

在音频工程中，幻路供电表示具有在9V与48V之间的DC电压的有源麦克风的电源。实际上，48V±4V的电源电压（P48幻路电源）是普遍的。使用幻路供电是为了驱动阻抗变换器和包含在电容式麦克风和/或驻极体麦克风中的下游前置放大器，以及电容式碳精盒所需的极化。

在电容式和驻极体麦克风的已知的有源滤波器中，麦克风不可能在没有幻路供电的情况下工作，与此相反的是，在本发明中，麦克风可以在没有幻路供电时工作，但不会对麦克风信号进行声音校正。

利用所连接的幻路供电，还能够通过改变频率响应来生成不同的声音特征。这种滤波器电路因此具有在无源工作的优点，即，可以在没有电源并且对频率响应也没有有源影响的情况下工作，类似于普通的动态麦克风。然而，如果该麦克风处于有源模式，即在有电源的情况下工作，则频率响应能够受到影响。由于滤波器的低输出阻抗，连接不同的设备时总能获得相同的结果。麦克风声音的这些影响可以根据滤波器曲线的质量以及输入信号的水平和频率来区分。

附图说明

现将利用示例性实施例来更详细地解释本发明。

图1示出了根据本发明的滤波器电路的简化框图，

图2示出了图1中简化示出的滤波器部分的详细图示，

图3示出了图1的有源滤波器的三个不同频率滤波器块的波形，

图4示出了图3的三个滤波器块的示例性相位转变的相互作用，以及

图5示出了图1得到的混合信号的相位响应。

具体实施方式

图1示出了滤波器电路的简化框图，该滤波器电路构造成控制器的形式，其中来自麦克风1的输入信号被施加到音频变压器3（也称为LF变压器，LF，即，低频）和滤波器部分11，并且滤波器部分11的输出信号被反馈给音频变压器3。这里，滤波器部分11包括信号变换器2、有源滤波器5（电平滤波器（level filter））和放大器/转极器7，其中有源滤波器5包括至少一个滤波器块，通常是用于不同频率范围的多个滤波器块。由于麦克风1的构造，麦克风1以平衡的音频输出为特征，其中同相输出是+，而反相输出是-。此音频输出是滤波器电路的原始输入信号1a，并被发送到音频变压器3，音频变压器3由两对线圈3a和3b组成，分别具有相同的变压器铁芯，然后音频输出被发送到信号变换器2。所示出的线圈对3a和3b在这种情况下具有共享的次级绕组，但也可以使用具有连续的次级绕组的实施例。此信号变换器2将对称的信号转换成不对称的信号，并传递给有源滤波器5，有源滤波器5执行期望的改变，即，在所表示的实例中，借助于用于三个不同频率范围（即，不对称信号的信号分量5a、5b、5c）的三个滤波器块。然后，有源滤波器5的输出被传递到放大器/转极器7，随后传递到音频变压器3的输入端，在所表示的实例中是传递到低压线圈对3b（lower pair）。电压源4（可以是幻路供电，其中经由储能电路、电池或市电适配器的电源也是适宜的）连接到信号变换器2、有源滤波器5和放大器/转极器7。在音频变压器3的输出端，是标准化的XLR连接器8，其提供例如到混频器的连接，借助混频器可生成电源4，或者借助混频器发送经滤波的输出信号12。如果混频器不提供有源滤波所必需的电源，麦克风1也可以在工作时不进行滤波，因此处于无源模式。这样做时，输入信号1a不经过滤波，而经由音频变压器3直接传送到连接器8。

图2示出了图1中简化示出的滤波器部分11的详细图示。这里，来自信号变换器2的输入信号1a被引导到滤波器5，在所示的实例中，用于三个不同频率范围（即，不对称信号的信号分量5a、5b、5c）的三个滤波器块位于滤波器5中。这里，发生了信号分量5a的增大以及信号分量5b和5c的减小，这些设置通过下游的相加单元6来完成。在所表示的实例中，这由三个电位计（potentiometer）构成，其中一个电位计对于每个信号分量5a、5b、5c都是必要的。下游的放大器/转极器7将经放大的或经衰减的相位部分5a”、5b”、5c”又组合成信号9。

图3示出了由放大器/转极器7执行的相位改变，其中不对称信号的各个信号分量5a、5b、5c被显示在上面一行中，而通过相加单元6的电位计的不同频率范围的三个滤波器块产生的信号分量5a’、5b’、5c’被显示在下面一行中，信号分量5a’、5b’、5c’与滤波器的设置有关。为了滤波器电路输出端处的频率升高，各个信号在通过时不进行相位改变，而为了在有源滤波器5输出端处的频率降低，信号被旋转180°。为了这样做，对于每个单独的信号分量5a、5b、5c存在独立的滤波器块，每个单独的信号分量5a、5b、5c的频率可用相加单元6中的电位计自由调整。这种情况下，有源滤波器5因此由三个滤波器块构成，其中针对信号分量5a，相应的滤波器块具有40Hz的设置；针对信号分量5b，相应的滤波器块具有700Hz的设置；而针对信号分量5c，相应的滤波器块具有2700Hz的设置，这种情况下自然可以按意愿选择频率。

在第一列中，针对信号分量5a，发生频率升高，而在第二和第三列中，针对信号分量5b和5c，发生频率降低。针对每个信号分量5a、5b、5c发生频率升高还是频率降低，可通过利用相加单元6中的各自的电位计来自由调整。

图4示出了图3的组合信号9的相位响应，其中信号相位部分5a”、5b”、5c”由信号分量5a、5b、5c和相关的取决于预设置的信号分量5a’、5b’、5c’产生。

这种有源滤波的功能是基于音频变压器3，因为麦克风1连接到音频变压器3的初级绕组。在图1和图5中，可以看到，音频变压器3本质上由两对线圈3a和3b组成，具有两个初级绕组和两个次级绕组。该两个次级绕组被串联连接，因此用作加法器。音频变压器3的第一初级绕组直接连接到麦克风1，第二初级绕组连接到滤波器部分11。据此，如果没有连接电源4，则滤波器5因此不起作用，原始输入信号1a通过第一对线圈3a直接变换到次级绕组上，并通过放大器、扬声器或录音装置播放。如果连接了电源4，则原始输入信号1a被引导到滤波器部分11，并由滤波器5处理。这里，滤波器5的各个滤波器块针对不同的频率范围由有源元件构成，该有源元件具有有源电子元件，例如晶体管和/或运算放大器，其显示频率响应和相位响应。对可能的滤波器块或其所需要的电路的发展的详细解释可以在由DonLancaster,Newnes所著的“Active Filter Cookbook”，1996年8月出版，第二版，240页（“Active Filter Cookbook”by Don Lancaster,Newnes,2^ndEdition,240pages,August,1996）中找到。由滤波器5修正的信号被馈送到音频变压器3的初级绕组的第二部分，因此馈送到第二对线圈3b，由此，在次级绕组上，根据原始输入信号1a的相位，由滤波器5修正的信号与原始输入信号1a相加或相减。

图5示出了被连接成所谓的“加法器”的音频变压器3，当然，作为“减法器”的电路也同样是可行的。这意味着，如果纯音（pure tone）以相同的相位到达音频变压器3的两个输入端，则在输出端，纯音被放大后输出。

U_out=U_in(Phase0°)+U_{diff(Phase0°)}（1）

U_out输出电压

U_in输入电压

U_diff差分电压

但，如果输入的相位被旋转180°，则纯音在输出端处被衰减。

U_out=U_in(Phase0°)+U_{diff(Phase-180°)}（2）

由此产生完全有源的滤波器电路的输出信号12，其由包括信号分量5a’、5b’、5c’的信号9，以及音频变压器3的原始输入信号1a构成。

滤波器5几乎可以是任何数目的滤波器块，因此被设计成几乎可以用于任何数目的频带。根据各个电位计的设置以及放大器/转极器7的配置（作为加法器或减法器），实现了各个相位部分5a”、5b”、5c”或输出信号12的增大或减小。

音频变压器3必需被设计成用于50-150欧姆的输出阻抗，其中传输行为从约10Hz到高达20kHz。输出阻抗的这个范围是由大量的可能连接的装置产生的，优选的是最小值。比规定值更高的阻抗导致滤波器与下游装置相关，因此是不希望有的。

与具有电源4和内置有源滤波器的标准麦克风相比，具有音频变压器3的麦克风1的主要有益特征在于，将音频信号完全平衡地转播到下个阶段（例如，混频器的输入端），并且在断开电源4的情况下麦克风1仍可以使用。同时，电容式或驻极体麦克风，或来自外部源而非来自麦克风1的信号，也能够给被连接到此电路。

然而，如上所述，电容式或驻极体麦克风必需被提供以电源4，并且在处理中，被提供给电容式或驻极体麦克风的合成电源必须从滤波器电路自身生成。这由图1中虚线所示的电源线10来示出，通过该电源，电容式或驻极体麦克风可以被激活。

在处理顺序中，输入信号1a被施加到具有两对线圈3a和3b的音频变压器3以及滤波器部分11，该滤波器部分11包括信号变换器2、有源滤波器5、相加单元6和放大器/转极器7，滤波器部分11的输出信号也被施加到音频变压器3的输入端。

放大器/转极器7根据相加单元6的设置作为加法器工作或作为减法器工作，并组合各个相位部分5a”、5b”、5c”。

此滤波器电路或相关的滤波器5并不一定要布置在麦克风1的外壳中，而是也可以位于外部的壳体中。这样做时，这种滤波器电路也可以用于来自不同源（诸如混频器、CD播放器等）的信号，由此，这些信号被直接馈送到输入端，并利用滤波器5处理，而不需要电源4。

这里，相加单元6通常可经由触摸元件、旋转元件和/或倾斜元件操作。

Claims

1.一种用于麦克风（1）的滤波器电路，其中所述麦克风（1）连接到具有可变频率响应的外围设备，其特征在于：滤波器部分（11）被布置在具有两对线圈（3a，3b）的音频变压器（3）上，所述滤波器部分（11）包括信号变换器(2)、有源滤波器（5）、相加单元（6）和放大器/转极器（7），。

2.如权利要求1所述的滤波器电路，其特征在于，滤波器（5）包括至少一个用于一个特定信号分量（5a、5b或5c）的滤波器块。

3.如权利要求1或2所述的滤波器电路，其特征在于，所述相加单元（6）包括用于每个信号分量（5a、5b或5c）的电位计。

4.如权利要求2所述的滤波器电路，其特征在于，所述滤波器块包括具有晶体管和/或运算放大器的有源元件。

5.如权利要求1至4中任一项所述的滤波器电路，其特征在于，所述滤波器（5）布置在所述麦克风（1）的外壳中。

6.如权利要求1至4中任一项所述的滤波器电路，其特征在于，所述滤波器（5）布置在外部的外壳中。

7.如权利要求1至6中任一项所述的滤波器电路，其特征在于，所述相加单元（6）经由触摸元件、旋转元件和/或倾斜元件操作。

8.用于对麦克风（1）的输入信号（1a）进行滤波的方法，其中所述麦克风（1）连接到具有可变频率响应的外围设备，其特征在于，所述输入信号（1a）被施加到具有两对线圈（3a，3b）的音频变压器（3），并被施加到滤波器部分（11），所述滤波器部分（11）包括信号变换器(2)、有源滤波器（5）、相加单元（6）和放大器/转极器（7），由此所述滤波器部分（11）的输出信号被施加到音频变压器（3）的输入端。

9.如权利要求8所述的处理，其特征在于：所述放大器/转极器（7）根据所述相加单元（6）的设置作为加法器或减法器工作，并组合各个相位部分（5a”、5b”和5c”）。