CN103974170A - 多传感器录音装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种录音装置与方法，上述装置储存一均衡器并包括壳体、麦克风以及处理器。麦克风包括多个传感器，通过壳体内的声波共振室接收声波信号，并分别响应声波信号而产生多个电子信号。均衡器根据上述多个电子信号产生多个均衡信号。处理器根据上述多个均衡信号产生输出信号。其中，均衡器补偿声波信号通过声波共振室所产生的增益边距与相位边距，以避免声波信号在声波共振室中的共振对输出信号产生影响。

Description

多传感器录音装置与方法
技术领域
本发明是有关于一种录音装置与方法，且特别是有关于一种使用多个传感器的录音装置与方法。
背景技术
目前的智能型手机(smart phone)普遍具有录音功能，不过目前的智能型手机采用单振膜(single-membrane)麦克风。单振膜麦克风的振膜设计可偏向高敏感度(high sensitivity)或高音量(high volume)，但无法兼顾两者。高敏感度的单振膜麦克风杂音较小，录音质量较佳，但用于高音量的录音则会有失真(distortion)。另一方面，适用于高音量的单振膜麦克风则有噪音较大的问题。因此，现在已经有厂商提供多振膜(multi-membrane)麦克风，结合两种振膜以兼顾高敏感度与高音量的需求。
发明内容
本发明提供一种录音装置与方法，不仅能兼顾高敏感度与高音量的需求，也能解决录音时的声波共振问题。
本发明的录音装置包括壳体、麦克风、存储器以及处理器。壳体具有声波共振室(acoustical resonator)，声波共振室允许声波信号通过。麦克风配置于壳体内并与声波共振室相通，包括多个传感器。上述多个传感器用以将声波信号转换成多个电子信号。声波共振室使麦克风产生频率响应偏移。存储器储存一均衡器(equalizer)，上述均衡器补偿上述频率响应偏移。处理器耦接麦克风。处理器根据均衡器补偿上述多个电子信号，并选取或组合补偿过的上述电子信号以产生输出信号。
本发明的录音方法适用于上述录音装置，包括下列步骤：将声波信号转换成多个电子信号；根据上述均衡器补偿上述多个电子信号，其中上述均衡器补偿上述频率响应偏移；以及选取或组合补偿过的上述电子信号以产生输出信号。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的一种录音装置的示意图。
图2A是依照本发明的一实施例的一种录音装置的输出信号的示意图。
图2B是依照本发明的另一实施例的一种录音装置的输出信号的示意图。
图3是依照本发明的一实施例的一种录音方法的流程图。
图4是依照本发明的一实施例的一种录音装置的波德图。
图5是依照本发明的另一实施例的一种录音装置的波德图。
[标号说明]
100：录音装置 102：壳体
105：声波信号 110：声波共振室
111：通道 112：前腔
120：麦克风 121、122：传感器
131、132：电子信号 140：存储器
141、142：滤波器 145：均衡器
151、152：均衡信号 160：处理器
162：能量计算器 164：混音器
165：电子信号 166：平化滤波器
170：输出信号 201～203：输出信号波形
310～360：方法步骤 410、510：增益边距
411～413、511～513：转移函数的大小的频率响应曲线
420、520：相位边距
421～423、521～523：转移函数的相位的频率响应曲线
530：频率响应曲线的区域
具体实施方式
图1是依照本发明的一实施例的一种录音装置100的示意图。录音装置100包括壳体102、声波共振室110、麦克风120、存储器140以及处理器160。声波共振室110设置在壳体102之中。声波共振室110允许声波信号105通过。麦克风120配置于壳体102之内并与声波共振室110相通。麦克风120包括两个传感器121与122。本实施例中，传感器121是高敏感度的高信号噪声比(HSNR:high signal-to-noise ratio)振膜，传感器122则是适用于高音量录音的高音压电平(HSPL:high sound pressure level)振膜。除了振膜以外，传感器121和122也可置换为其它种类的可将声波信号105转换为电子信号的传感器。存储器140储存均衡器(equalizer)145。均衡器145包括两个滤波器(filter)141与142。处理器160耦接麦克风120。处理器160包括能量计算器(energy calculator)162、混音器(mixer)164以及平化滤波器(smoother)166。
麦克风120通过声波共振室(acoustical resonator)110接收声波信号105。声波共振室110包括通道(channel)111与前腔112两部分。录音装置100可以是智能型手机、平板计算机、笔记本型计算机或个人计算机之类的电子装置的一部份，而声波共振室110可配置于上述电子装置的壳体102，声波共振室110的外观可以是壳体上的一个小孔。
能量计算器162耦接传感器121与122，混音器164耦接能量计算器162，平化滤波器166耦接混音器164。声波信号105经过声波共振室110、麦克风120、均衡器145与处理器160之后，成为录音装置100的输出信号170。均衡器145、滤波器141、142、能量计算器162、混音器164以及平化滤波器166都可以是硬件或软件。如果均衡器145是硬件，则不需要存储器140以储存均衡器145。
当声波信号105具有特定频率时，会与声波共振室110共振，使输出信号170的音量忽大忽小。尤其是在声波信号105具有高音频或高音量时，这种忽大忽小的不稳定振荡会更明显，例如图2A与图2B所示。图2A是本发明的某一实施例的录音装置100的输出信号170的示意图，其中标示为201、202和203的方框就是信号波形有不稳定振荡之处。如果没有声波共振室110的共振，则输出信号170的波形会如图2B所示，不会有音量忽大忽小的振荡。换句话说，声波共振室110会使麦克风120产生频率响应偏移，而均衡器145可补偿此频率响应偏移。
录音装置100包括均衡器145以消除上述的不稳定振荡。录音装置100的整体操作可如图3所示。图3是依照本发明的一实施例的一种录音方法的流程图，图3的方法流程可由录音装置100执行。
麦克风120在步骤310通过声波共振室110接收声波信号105。在步骤320，两个传感器121与122分别因应声波信号105而产生两个电子信号131与132。在步骤330，滤波器141根据电子信号131产生均衡信号151，滤波器142根据电子信号132产生均衡信号152。滤波器141和142在步骤330的作用是补偿声波信号105通过声波共振室110所产生的增益边距(gainmargin)与相位边距(phase margin)，以避免声波信号105在声波共振室110之中的共振对输出信号170产生影响，进而避免上述的不稳定振荡。处理器160可根据均衡器145补偿电子信号131与132。
能量计算器162在步骤340计算均衡信号151的能量E1，并计算均衡信号152的能量E2。能量计算器162可依照预设的取样周期分别对均衡信号151和152进行多次取样以计算E1和E2。
混音器164在步骤350根据E1与E2选择均衡信号151和/或均衡信号152以产生电子信号165，如此可将源自传感器121与122的两个信号融合为单一信号。举例而言，当E1小于或等于预设的第一临界值(例如80dB)，则混音器164直接输出均衡信号151作为电子信号165。当E1大于第一临界值而且E2小于或等于预设的第二临界值(例如120dB)，则混音器164输出均衡信号151与152的一个线性组合(linear combination)作为电子信号165。上述的线性组合通常是A*X1(k)+B*X2(k)的形式，其中A、B是预设参数，X1(k)与X2(k)分别是均衡信号151与152的目前数值。当E1大于第一临界值而且E2大于第二临界值，则混音器164直接输出均衡信号152作为电子信号165。
若没有均衡器145，声波信号105在声波共振室110之中的共振会对混音器164其中的输出信号170的产生过程有不利影响。上述的输出信号170的产生可分为三种情况，也就是E1小于或等于第一临界值的情况、E1大于第一临界值而且E2小于或等于第二临界值的情况、以及E1大于第一临界值而且E2大于第二临界值的情况。上述共振会使混音器164在上述三种情况之间频繁切换，甚至造成错误切换，使输出信号170的音量忽大忽小。
平化滤波器166在步骤360对电子信号165进行低通滤波(low-passfiltering)以产生输出信号170。平化滤波器166的低通滤波可消除输出信号170的不连续突波，使输出信号170较为平滑。例如，平化滤波器166可输出线性组合L*O(k-1)+(1-L)*Y(k)作为输出信号170，其中L是预设参数，L大于0而且小于1，O(k)是输出信号170的数值，O(k-1)是输出信号170的上一个数值，Y(k)是电子信号165的目前数值。
图4是依照本发明的一实施例的录音装置100的波德图(Bode plot)。此实施例的录音装置100不包括均衡器145。411至413分别是声波共振室110加上整个录音装置100、平化滤波器166、以及声波共振室110的转移函数(transfer function)的大小(magnitude)的频率响应。421至423分别是声波共振室110加上整个录音装置100、平化滤波器166、以及声波共振室110的转移函数的相位(phase)的频率响应。
由于平化滤波器166是低通滤波器，增益边距和相位边距对于整个录音系统的稳定非常重要。但是图4绘示的增益边距410与相位边距420比较小，这使录音装置100不稳定。当声波信号105在声波共振室110内产生共振时，输出信号170就会出现不稳定振荡。
图5是依照本发明的另一实施例的录音装置100的波德图。511至513分别是声波共振室110加上包括均衡器145的录音装置100、均衡器145本身、以及声波共振室110加上不包括均衡器145的录音装置100的转移函数的大小的频率响应。521至523分别是声波共振室110加上包括均衡器145的录音装置100、均衡器145本身以及声波共振室110加上不包括均衡器145的录音装置100的转移函数的相位的频率响应。
在标示为530的频带区域中，传感器121和122的输出增益的频率响应511有一个峰值，而均衡器145的频率响应512有一个负峰值，所以均衡器145能抵消传感器121和122的上述峰值以补偿增益边距。除此之外，均衡器145也能提高传感器121和122的输出相位至大于-180度以补偿相位边距。补偿后的增益边距与相位边距分别如510与520所示。增益边距510与相位边距520明显大于增益边距410与相位边距420，这能大幅提高录音系统的稳定度，以避免声波信号105在声波共振室110中的共振对输出信号170的影响。
均衡器145的补偿作用来自滤波器141与142。使用传统技术即可根据波德图来设计滤波器141与142以补偿上述的增益边距与相位边距，所以细节不在此赘述。滤波器141与142可以是无限脉冲响应滤波器(infinite impulseresponse filter)或其它具有相同的补偿作用的滤波器。
综上所述，本发明将来自两种不同传感器的信号融合为单一信号，因此可达到高敏感度与低噪声的高质量录音，同时也适用于高音量录音。此外，本发明的均衡器可提高录音系统的稳定度，以避免声波共振室的共振对输出信号造成的不稳定振荡。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (16)

1.一种录音装置，包括：
一壳体，具有一声波共振室，该声波共振室允许一声波信号通过；
一麦克风，配置于该壳体内并与该声波共振室相通，包括多个传感器，该多个传感器用以将该声波信号转换成多个电子信号；其中，该声波共振室使该麦克风产生一频率响应偏移；
一存储器，储存一均衡器，该均衡器补偿该频率响应偏移；
一处理器，耦接该麦克风，根据该均衡器补偿该多个电子信号，并选取或组合该补偿过的多个电子信号以产生一输出信号。
2.根据权利要求1所述的录音装置，其中该均衡器补偿该声波信号通过该声波共振室所产生的增益边距与相位边距，以避免该声波信号在该声波共振室中的共振对该输出信号产生影响。
3.根据权利要求2所述的录音装置，其中该均衡器抵消该多个传感器于一频带下的输出增益以补偿该增益边距，并提高该多个传感器的输出相位至大于-180度以补偿该相位边距。
4.根据权利要求3所述的录音装置，其中该多个传感器包括一第一传感器与一第二传感器，该多个电子信号包含一第一电子信号与一第二电子信号，且该均衡器包括：
一第一滤波器，根据该第一电子信号产生一第一均衡信号；以及
一第二滤波器，根据该第二电子信号产生一第二均衡信号，其中该补偿过的多个电子信号包括该第一均衡信号以及该第二均衡信号，且该第一滤波器与该第二滤波器皆为无限脉冲响应滤波器。
5.根据权利要求4所述的录音装置，其中该处理器包括：
一能量计算器，分别计算该第一均衡信号与该第二均衡信号的能量；
一混音器，耦接该能量计算器，根据该第一均衡信号与该第二均衡信号的能量，选择该第一均衡信号和/或该第二均衡信号以产生一第三电子信号；以及
一平化滤波器，耦接该混音器，对该第三电子信号进行低通滤波以产生该输出信号。
6.根据权利要求5所述的录音装置，其中该能量计算器依照一取样周期对该第一均衡信号进行多次取样以计算该第一均衡信号的该能量，并依照该取样周期对该第二均衡信号进行多次取样以计算该第二均衡信号的该能量。
7.根据权利要求5所述的录音装置，其中，当该第一均衡信号的该能量小于一第一临界值，则该混音器输出该第一均衡信号作为该第三电子信号；当该第一均衡信号的该能量大于该第一临界值而且该第二均衡信号的该能量小于一第二临界值，则该混音器输出该第一均衡信号与该第二均衡信号的一线性组合作为该第三电子信号；当该第一均衡信号的该能量大于该第一临界值而且该第二均衡信号的该能量大于该第二临界值，则该混音器输出该第二均衡信号作为该第三电子信号。
8.根据权利要求5所述的录音装置，其中该平化滤波器输出上一个该输出信号与该第三电子信号的一线性组合作为该输出信号。
9.一种录音方法，用于一录音装置，该录音装置包括一壳体，该壳体具有一声波共振室，该声波共振室允许一声波信号通过而且产生一频率响应偏移，该录音方法包括：
将该声波信号转换成多个电子信号；
根据一均衡器补偿该多个电子信号，其中该均衡器补偿该频率响应偏移；以及
选取或组合该补偿过的多个电子信号以产生一输出信号。
10.根据权利要求9所述的录音方法，其中该均衡器补偿该声波信号通过该声波共振室所产生的增益边距与相位边距，以避免该声波信号在该声波共振室中的共振对该输出信号产生影响。
11.根据权利要求10所述的录音方法，其中该声波信号是由多个传感器转换成该多个电子信号，而且补偿该多个电子信号的步骤包括：
抵消该多个传感器于一频带下的输出增益以补偿该增益边距；以及
提高该多个传感器的输出相位至大于-180度以补偿该相位边距。
12.根据权利要求11所述的录音方法，其中该多个电子信号包含一第一电子信号与一第二电子信号，且该均衡器包括一第一滤波器与一第二滤波器，该第一滤波器根据该第一电子信号产生一第一均衡信号，该第二滤波器根据该第二电子信号产生一第二均衡信号，该补偿过的多个电子信号包括该第一均衡信号以及该第二均衡信号，且该第一滤波器与该第二滤波器皆为无限脉冲响应滤波器。
13.根据权利要求12所述的录音方法，其中产生该输出信号的步骤包括：
分别计算该第一均衡信号与该第二均衡信号的能量；
根据该第一均衡信号与该第二均衡信号的能量，选择该第一均衡信号和/或该第二均衡信号以产生一第三电子信号；以及
对该第三电子信号进行低通滤波以产生该输出信号。
14.根据权利要求13所述的录音方法，其中分别计算该第一均衡信号与该第二均衡信号的能量的步骤包括：
依照一取样周期对该第一均衡信号进行多次取样以计算该第一均衡信号的该能量；以及
依照该取样周期对该第二均衡信号进行多次取样以计算该第二均衡信号的该能量。
15.根据权利要求13所述的录音方法，其中选择该第一均衡信号和/或该第二均衡信号以产生该第三电子信号的步骤包括：
当该第一均衡信号的该能量小于一第一临界值，则输出该第一均衡信号作为该第三电子信号；
当该第一均衡信号的该能量大于该第一临界值而且该第二均衡信号的该能量小于一第二临界值，则输出该第一均衡信号与该第二均衡信号的一线性组合作为该第三电子信号；以及
当该第一均衡信号的该能量大于该第一临界值而且该第二均衡信号的该能量大于该第二临界值，则输出该第二均衡信号作为该第三电子信号。
16.根据权利要求13所述的录音方法，其中对该第三电子信号进行低通滤波以产生该输出信号的步骤包括：
输出上一个该输出信号与该第三电子信号的一线性组合作为该输出信号。
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