CN103546852A - 用于优化音频信号通过耳机的重放的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于优化音频信号通过耳机的重放的系统和方法。具体地，公开了一种用于通过大量耳机设备对音频信号进行重放的系统和方法。为了优化重放，识别了具体的耳机设备，所以可以应用适当的放大器增益和均衡设置。通过测量作为频率的函数的耳机阻抗和比较阻抗数据与数据库中的已知设备的数据来确定这种识别。一旦找到匹配，可以应用合适的音频增益和均衡设置。

Description

用于优化音频信号通过耳机的重放的系统和方法

背景技术

诸如蜂窝电话、MP3播放器和膝上型电脑的移动电子设备的用户经常利用大量不同耳机类型的设备听他们的电子设备的音频输出。例如，用户可以用耳机/麦克风的组合来进行语音沟通或在工作场所开会。同一用户可以用立体声耳机来听音乐，而在锻炼时则可能使用“耳塞”设备。

所有这些不同耳机类型的收听设备与单个便携式电子设备一起使用可能有兼容性问题。首先，不同制造商以及不同产品类型的灵敏度差异相当大。灵敏度是在用户耳朵中产生给定的声压级（SPL）所需的电压（或功率）的量的度量。在使用低灵敏度设备之后换成高灵敏度耳机设备可以导致疼痛和耳朵损害，因为在之前用于低灵敏度设备的音量设置下会产生高SPL。其次，各种耳机收听设备的阻抗可以变化几乎三个数量级，从大约10欧姆至将近1000欧姆。这种阻抗变化可以要求不同的放大器增益设置以最佳地工作。再次，耳机设备可以要求定制的频率均衡（EQ）以获得最优的声音性能。均衡是改变耳机设备的频率响应以更好地适应用户的收听要求的处理。经常使用预设音调设置（例如，“摇滚”、“爵士”等）。

已经尝试让电子设备设法确定正在使用的耳机的类型。这些尝试经常涉及对耳机进行简单的DC电阻测量。不幸地是，这种类型的测量不足以精确地区别大量的耳机设备和它们的灵敏度或均衡要求。

对于本领域技术人员而言，在阅读以下的描述且研究了附图中的若干图示之后，这些和其它现有技术的限制将变得显而易见。

发明内容

在一个实施例中，通过示例说明而非限制的方式介绍了一种用于耳机设备中的音频信号的重放的方法，该方法包括向耳机设备发送音频测试信号，音频测试信号含有多个具有频率在20Hz和20KHz之间的能量的信号；测量在音频测试信号的重放期间传送至耳机设备的电流和电压；根据测量的电压和测量的电流计算耳机设备的阻抗；和比较所述耳机设备的阻抗与来自多个之前测量的耳机设备的阻抗数据。

在另一实施例中，通过示例而非限制的方式介绍了一种用于耳机设备中的音频信号的重放的方法，该方法包括提供电子重放设备；检测电子重放设备和耳机设备之间的连接；向耳机设备发送电子重放设备中产生的音频测试信号，音频测试信号含有多个具有频率在20Hz和20KHz之间的能量的信号；使电子重放设备测量在音频测试信号的重放期间传送至耳机设备的电流和电压；使电子重放设备根据测量的电压电流计算耳机设备的阻抗；和使电子重放设备比较耳机设备的阻抗与来自多个之前测量的耳机设备的阻抗数据。

示例性实施例的一个优点在于大量的具有不同的灵敏度、阻抗特性和均衡要求的耳机产品可以用于一电子设备。

示例性实施例的另一个优点在于提供了用于在将耳机产品插入便携式音频设备时识别耳机产品的系统和方法。例如，在示例性实施例中可以自动确定放大器增益、电压输出等级和均衡要求。

在另一示例性实施例中，系统和方法可以通过测量作为频率的函数的设备的阻抗来识别耳机设备的特定类型，从而提供可以与已知商业产品的数据库相比较的音频“指纹”。一旦确认一个匹配，这种数据库可以用于提供未知设备的灵敏度、放大器增益和均衡要求。

对于本领域技术人员而言，在阅读以下的描述且研究了附图中的若干图示之后，这些和其它实施例、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

现在将参照附图描述若干示例性实施例，其中相同的部件设有相同的附图标记。示例性实施例意在举例说明而非限制本发明。附图包括以下图示：

图1是通过示例而非限制的方式介绍的电压的图示，提供了多个商业耳机产品的作为耳机阻抗的函数的标准化的110dB的SPL声音输出；

图2是特定示例性耳机产品的作为声音频率的函数的耳机阻抗的图示；

图3是用于向耳机传送音频的示例性处理系统的框图；以及

图4是用于向耳机传送音频的示例性处理的流程图；

具体实施方式

图1是通过示例而非限制的方式介绍的电压的图示100，提供了多个商业耳机产品的作为耳机阻抗的函数的标准化的110dB的SPL声音输出。在这个示例中，图1中绘制的电压是在用户的耳朵中产生110dB（分贝）的声压级的电压，并且因此表示各种耳机设备的灵敏度。图中绘制的钻石形状表示个体产品。数据采集于固定频率1000Hz。如从图1的数据可以注意到，阻抗在非常广的范围上变化，从大约16欧姆至大约600欧姆，驱动电压（对于这个110dB的SPL的例子而言）从小于0.1伏特变化至大于10伏特。还可以注意到，即使在具有相同额定阻抗的产品之间灵敏度也差别相当大。例如，在16欧姆处绘制的三种产品具有从大约0.08伏特变化至大于1伏特的灵敏度以获得相同的声音输出。该图清楚地示出耳机设备的适当的识别不仅要求在DC或单个频率处的阻抗的测量。该图还表明带有具有这种宽范围的灵敏度和阻抗的耳机的音频设备的工作将从对耳机的适当的识别受益，其中所述识别与对放大器增益和输出级的调节结合以防止对耳机设备或用户的耳朵造成损害。此外，可以优化用以向耳机放大器供电的任意系统产生的功率节点，以获得更高的效率。

图2是四种示例性耳机产品的作为声音频率的函数的耳机阻抗的图示200。通过与频率曲线202相对的阻抗示出第一产品。通过曲线204示出第二产品。通过曲线206和208示出第三和第四产品。图2中示出的产品不仅示出曲线202和208之间阻抗级别的大的变化，而且每种产品具有它的频率响应曲线的独特形状。可以利用这种独特形状识别具体的产品和它们的音频特性。

图3是用于将音频传送至耳机的示例性处理系统的框图300。该系统包含音频处理器302，该中央处理单元可以进行耳机设备的识别并且向它们传送适当处理后的音频信号。音频处理器302经由数字总线连接至应用处理器304和系统存储器306。非限制性地举例而言，应用处理器304可以是诸如智能手机的移动设备中的主处理器或膝上型电脑的主CPU。处理器304负责向音频处理器302传送数字音频文件（例如，诸如MP3文件）以在耳机设备中重放。如果要求，音频处理器302还可以经由处理器304访问系统存储器306。音频处理器302经由数字总线连接至为激励文件和音频处理器支持存储器提供存储的存储器设备308。特性耳机阻抗相对于频率的数据、相关的灵敏度数据和EQ要求的存储内容可以存储在支持存储器308中。或者，该数据也可以存储在非易失性系统存储器306中。

音频处理器302经由数字总线连接至数模转换器（DAC）310，模数转换器（ADC）312，和模数转换器（ADC）314。DAC310的输出被馈送到可变增益放大器316。通过音频处理器302经由信号线324控制放大器316的增益。在一个示例中，电流感测电阻器320与耳机阻抗串联设置以有助于经由差分放大器326而进行负载电流的测量。本领域技术人员将理解，也可以通过其它方式完成对耳机设备的电流感测。来自差分放大器326的模拟电流测量数据由ADC314数字化并且被传送至音频处理器302。电压数据由ADC312数字化并且被传送至音频处理器302。耳机设备插入插孔318。接触器感测到耳机的插头插入插孔318中，并且经由信号线322通知音频处理器302。图3中示出的音频信号路径表示单个通道（CH A包括DAC310，ADC312、314，放大器316、326）至耳机插孔318的连接。对于立体声要求有另外的相同的通道（CH B），为清楚起见未示出。音频音乐/语音信号经由DAC310和放大器316传送至耳机插孔318。

为了确定连接至插孔318的耳机的阻抗，音频处理器302经由DAC310和放大器316向连接的耳机发送激励信号。由于负载电流和输出电压均被作为频率的函数加以监控，因此可以计算作为频率的函数的阻抗。然后，作为频率数据的函数的阻抗或“指纹”可以用于比较连接的耳机和已知产品的数据库，或存储作为新数据。本领域技术人员将理解，在例如之后的音频的重放期间，音频处理器302还可以执行其它诸如均衡、滤波、压缩等音频处理任务。

图4是用于向耳机传送音频测试信号的示例性处理的框图400。处理在步骤402开始，其中检测到耳机插入插孔318中。在步骤404，验证了耳机的连接。在步骤406，产生了音频激励信号（也称为“音频测试信号”，“激励信号”等）。典型地，这是在声音频率范围上扫频（sweep）的AC正弦波。在一个示例中，频率可以在至少20Hz至最多20KHz之间扫频以提供多个具有在那个频率范围内的能量的信号。或者，还可以使用已知的宽频粉噪声或白噪声信号。在步骤408，测量了在音频激励期间传送至耳机的电流和电压。在步骤410，处理在步骤408取得的电流和电压数据以获得相对于耳机设备的频率的阻抗。在步骤412，将相对于频率数据的阻抗与存储器中存储的数据相比较。在步骤414，如果获得匹配，则处理进行到步骤416。如果没有获得匹配，则处理进行到步骤424。在步骤416，根据匹配的数据确定放大器316的增益和EQ设置。在步骤418，如果用户改变了增益或EQ设置，则可以通过使处理进行到步骤420来存储该变化。如果未检测到改变，则处理直接从步骤418进行到步骤428。如果要保存数据，则处理从步骤420进行到步骤422。在存储数据之后，处理从步骤422进行到步骤428。

返回步骤424，数据保存在新的纪录（record）中。在步骤426，可以通过与数据库中的产品最接近的匹配确定增益和EQ设置。或者，可以通过在数据库中的两个或更多的紧密匹配的产品之间进行插值来确定增益和EQ设置。在步骤426之后，处理返回到步骤418。在步骤428，当检测到耳机插头从插孔318拔出时终止处理。

虽然已经使用具体术语和设备描述了各种实施例，这种描述仅仅用于说明的目的。所使用的词汇是描述的词汇而非限制的词汇。应当理解，可以由本领域普通技术人员在不背离由书面公开内容和附图支持的各种发明的精神或范围的情况下做出改变和变化。另外，应当理解，各种其它实施例的方面可以全部或部分互换。例如，在各种示例性实施例中处理步骤可以聚合、分离，和重新排序。因此，目的在于按照本发明的真实精神和范围解释权利要求而不进行限制或禁止反言。

Claims (20)

1.一种用于在耳机设备中对音频信号进行重放的方法，包括：

向所述耳机设备发送音频测试信号，所述音频测试信号包括多个具有频率在20Hz和20KHz之间的能量的信号；

测量在所述音频测试信号的重放期间传送至所述耳机设备的电流和电压；

根据所述测量的电压和所述测量的电流计算所述耳机设备的阻抗；以及

比较所述耳机设备的所述阻抗与来自多个之前测量的耳机设备的阻抗数据。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在向所述耳机设备发送所述音频测试信号之前检测所述耳机设备和电子重放设备之间的连接。

3.根据权利要求2所述的方法，其中检测所述耳机设备和所述电子重放设备之间的所述连接包括：检测附着至所述耳机设备的插头插入到安装在所述重放设备中的插孔内。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括基于所述耳机设备的所述阻抗与所述多个之前测量的耳机设备的所述阻抗数据的所述比较，来设置所述电子重放设备的增益和均衡设置。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述音频测试信号包括从至少20Hz的频率扫频至不高于20KHz的频率的正弦波信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中作为从至少20Hz至不高于20KHz的频率的函数来计算所述耳机的所述阻抗。

7.根据权利要求6所述的方法，其中作为从至少20Hz至不高于20KHz的频率的函数来提供来自所述多个所述之前测量的耳机设备的所述阻抗数据。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在音频处理器中产生作为数字信号的所述音频测试信号，所述数字信号被发送至数模转换器以转换为模拟音频测试信号，所述模拟音频测试信号在被发送至所述耳机设备之前由可变增益放大器放大。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述音频测试信号的重放期间传送至所述耳机设备的所述电流流过与所述耳机设备的所述阻抗串联的电流感测电阻器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中由测量所述感测电阻器两端的电压降的差分放大器来确定所述电流，由第一模数转换器来数字化所述差分放大器的输出，所述第一模数转换器的数字输出被传送至所述音频处理器。

11.根据权利要求8所述的方法，其中由第二模数转换器测量在所述音频测试信号的重放期间传送至所述耳机设备的所述电压，所述第二模数转换器的数字输出被传送至所述音频处理器。

12.一种用于在耳机设备中对音频信号进行重放的方法，包括：

提供电子重放设备；

检测所述电子重放设备和所述耳机设备之间的连接；

向所述耳机设备发送所述电子重放设备中产生的音频测试信号，所述音频测试信号包括多个具有频率在20Hz和20KHz之间的能量的信号；

使所述电子重放设备测量在所述音频测试信号的重放期间传送至所述耳机设备的电流和电压；

使所述电子重放设备根据所述测量的电压和所述测量的电流来计算所述耳机设备的阻抗；以及

使所述电子重放设备比较所述耳机设备的所述阻抗与来自多个之前测量的耳机设备的阻抗数据。

13.根据权利要求12所述的方法，其中检测所述耳机设备和所述电子重放设备之间的所述连接包括：检测附着至所述耳机设备的插头插入到安装在所述重放设备中的插孔内。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述音频测试信号包括从至少20Hz的频率扫频至不高于20KHz的频率的正弦波信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其中作为从至少20Hz至不高于20KHz的频率的函数来计算所述耳机的所述阻抗。

16.根据权利要求15所述的方法，其中作为从至少20Hz至不高于20KHz的频率的函数来提供来自所述多个所述之前测量的耳机设备的所述阻抗数据。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括在比较所述耳机设备的所述阻抗与来自多个之前测量的耳机设备的所述阻抗数据之后存储所计算的所述耳机设备的阻抗数据。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括基于所述耳机设备的所述阻抗与所述多个所述之前测量的耳机设备的所述阻抗数据的所述比较，来设置所述电子重放设备的增益和均衡器设置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中通过所述耳机设备的所述阻抗与已知耳机设备的阻抗数据的最接近的匹配来确定所述电子重放设备的所述增益和均衡器设置。

20.根据权利要求18所述的方法，其中通过所述耳机设备的所述阻抗与一个或多个已知耳机设备的阻抗数据的比较来确定所述电子重放设备的所述增益和均衡器设置。

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