CN108028984B

CN108028984B - 调节使用电声换能器的音频系统的方法

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Publication number: CN108028984B
Application number: CN201680052692.1A
Authority: CN
Inventors: J·普罗克绍; J·波纳; M·斯克日普恰克
Original assignee: Yayuma Audio SpZOO
Current assignee: Yayuma Audio SpZOO
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2036-09-02
Also published as: RU2018112508A; RU2018112508A3; KR20180053670A; CN108028984A; US20180255397A1; JP2018526952A; WO2017042098A1; CA2997828A1; EP3890347A1; HK1253700A1; RU2716846C2; KR102531296B1; CA2997828C; US10708690B2; JP6998306B2; EP3348075A1

Abstract

提供一种校正使用电声换能器形成的音频信号(AS)的方法。该方法包括：根据公式I，基于音频信号(AS)产生经校正的音频信号(CAS)，其中，系数B的值为从‑10到0，并且系数C的值为从0到0.04。

Description

调节使用电声换能器的音频系统的方法

技术领域

本发明涉及为了提高使用电声换能器基于音频信号再现的声信号的声保真度而进行的该音频信号的校正。本发明具体涉及以音频信号的形式记录声信号并借助电磁和磁电动态电声换能器从音频信号再现声信号。

背景技术

在由大公司以及小的一人企业在实验室中进行的研究和开发活动的结果中，仍然在开发声音记录和再现的系统。许多技术人员进行持续的研究以开发逐渐改进的音频系统的解决方案，这些解决方案为了越来越忠实而使得能够首先将原始声信号(例如，例如，诸如人的嗓音和古典乐器的声音等的源于自然声源的声音)记录成音频信号，然后从这种音频信号再现能够准确地反映原始声信号(特别是还反应原始声信号的自然性质，例如，诸如人的嗓音或古典乐器等的特性)的声信号。

为了将声压(声音)转换成(例如在麦克风和电吉他拾音器等中生成的)电信号且为了将电信号转换成(例如在扬声器、头戴式耳机、水听器(hydrophone)等中生成的)声信号，使用电声换能器。

大部分目前使用的电声换能器的操作基于电导体(实质上为线圈的形式)与导体周围的磁场之间的交互。

关于构造，这种电声换能器可以被分成电磁换能器和磁电动态换能器。

电声换能器的幅频特性取决于大量参数，例如，诸如机械构造、用于生产振膜(membrane)的材料、整个换能器结构的几何结构、另外引入的共振或衰减等。电声换能器的制造商有目的地使用所有这些参数，并且这些参数对再现的声信号的声音具有关键影响。

通常认为，音频系统的最弱(即，引入最大失真)元件是扬声器(头戴式耳机)。因此，音频系统的一个主要开发方向与开发所记录声信号的形状的这种修改的尝试有关，所记录的声信号补偿电声换能器(扬声器)的负面但不可避免的特征，例如，诸如非线性、内部共振、它们自己的频率、时间上的参数变化等。

这种解决方案中的一个是在专利申请US2014064502中公开的算法。

在将音频信号发送到之前驱动扬声器的放大器之前修改音频信号的形状可以通过改变源记录内容在数字域中实现或通过借助模拟滤波器改变音频信号形状在模拟域中实现。

发明内容

本发明涉及一种在将源原始音频信号发送到驱动电声换能器(例如，扬声器)的放大器之前修改音频信号的算法，该算法可以在数字域及模拟域这两者中实现。

不管构造解决方案和内部所用材料如何，所有磁电换能器和电磁换能器都基于相同基本物理原理来工作。

电信号(流过换能器线圈的电流)到换能器振膜的移动(即，到声压)的换能器(诸如扬声器和头戴式耳机)按照以下这种方式来工作：具有以表示声信号的方式可变的电流密度的电流I(因此电流构成音频信号)流过其导线的总长L的线圈，其中，线圈与换能器膜固定联接，并且位于磁感应B的强磁场中。电流I的流动引起作用在线圈(且由此作用在振膜上)并具有由以下公式定义的值的力F：F＝I×L×B。在极端条件下，如果电流I具有恒定值，那么力F也是恒定的，因此换能器振膜位移x因此也是恒定的。

如果从在图1所呈现的音频系统1a中具有恒定振幅A和范围1Hz-30kHz的可变频率f的电流I(t)＝A sin(2πft)的发电机G向电声换能器供电，那么由以下公式定义振膜位移x的振幅：

其中，系数

随着频率f的变化而变化。

图2呈现了示例性市售电声换能器BEYERDYNAMIC DT880的幅频特性x(t,f)(实线)。

在低声频率的范围内，特性x(t,f)与被表示为L1的线(短划线)平行，即，振膜位移x反映流过换能器线圈的电流I的形状。线L1表示整个频率范围内的恒定振幅的特性。

线L2(点划线)表示为了在整个频率范围内获得由具有恒定振幅的力推动的质量的动能的恒定条件必需的振幅变化性的过程。振膜的速度v以及与值v²成比例的振膜动能随着频率增大而增大。因为由电流I向振膜供给的能量在整个频率范围内恒定，因此振膜动能必须也保持恒定，因此，振荡的幅度必须减小。在高声频率的范围内，特性x(t,f)相对于线L2平行。

图3呈现了包括两个相同电声换能器s和r的音频系统1b，这两个电声换能器被设置在实质上理想的介质中，这确保两个换能器s、r的振膜实质上理想地以相同方式振动。换能器r的振膜的振动在该换能器r的线圈中感应电磁力emf＝v(t,f)x B x L。

图4呈现了电信号的幅频特性emf(t,f)(实线)。如所描绘的，虽然换能器s和r相同且它们的振膜相同地振动，但由换能器r生成的电信号emf的幅频特性具有不反映振膜移动x(t,f)的的形状(实线)。这种不一致因以下产生：电磁力emf相对于振膜移动的速度v成比例，但不相对于线圈位移(且由此也不相对于振膜位移)x成比例。

图5呈现了音频系统1c，音频系统1c是另外包括第三电声换能器u的图3的音频系统1b，第三电声换能器u由放大器AMP供电，电信号emf从第二换能器r提供到放大器。第三电声换能器u与图3的换能器s、r相同。向换能器u提供来自换能器r的信号将导致根据基本物理原理产生图6例示的被再现的信号的特性的随后变形。

图6展示了以下事实：在从用于声音再现的现有技术中已知的所有音频系统(如图5示意性例示的)中，声音再现换能器u(诸如扬声器或头戴式耳机)的振膜移动速度的幅频传递特性trans.u->v(t,f)(点和短划线)与声音记录换能器r(从声信号生成音频信号的换能器，诸如麦克风)的振膜移动速度的幅频传递特性trans.r->v(t,f)实质上不同。

因此，声音再现换能器u的振膜移动(根据时间的振膜位置)的幅频特性trans.u->v(t,f)(点划线)与生成源原始声信号的换能器s的振膜移动的传递特性trans.s->v(t,f)(实线)实质上不同。

基于以上所指示的观察，本发明的目的是提供一种校正(修改)由换能器r提供给换能器u的音频信号的方法，该方法考虑以下事实：由电流I(t)激励的电声换能器的线圈将该电流I(t)的形状转换成线圈的位置x(t,f)，而同一线圈本身在(例如凭借使用振膜和声压而获得的)机械激励的影响下改变位置时将电磁力emf转换成该线圈的速度v(t,f)。

这种校正或修改将在声音记录换能器r与声音再现换能器u之间(有利地在放大器AMP之前)实现，并且在图7所例示的音频系统1d中被例示为象征性功能块MOD。

这种校正或修改将提供：声音再现换能器u线圈(振膜)的移动传递特性trans.u->v(t,f)(点划线)具有可能与构成声源的换能器s的线圈(振膜)的移动传递特性trans.s->v(t,f)(实线)的形状类似(理想地为相同)的形状，并且在理想情况下应使得能够实现如图8描绘的特性校正。

如图8中可见的，此外，声音再现换能器u(扬声器、头戴式耳机)的线圈(振膜)速度的传递特性trans.u->v(t,f)(点和短划线)应具有可能与声压换能器r(麦克风)的线圈(膜)的传递特性trans.r->v(t,f)(短划线)的形状类似(理想地为相同)的形状。

发明人惊奇地发现，以上在图8描述和例示的特性的期望校正可以通过根据以下公式I将使用电声换能器记录的音频信号(AS)校正为经校正的音频信号(CAS)来实现：

其中，

系数B的值为从-10到0，优选为从-5到-1，并且特别优选为大约-3.2；

系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，特别优选为大约0.01。

考虑上述内容，根据本发明，提供了一种校正使用电声换能器(具体为电磁或磁电动态电声换能器)形成的音频信号AS的方法，其特征在于：该方法包括：根据以下公式I，基于音频信号AS产生可用于借助于电声换能器进行的高保真度声音再现的经校正的音频信号(CAS)：

其中，

系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01。

此外，系数B与系数C的比率的值优选为从-50到-1000，并且更优选为从-250到-350。

根据本发明，还提供了一种基于使用电声换能器形成的音频信号AS，使用电声换能器再现声信号Sout的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a)根据以下公式I，基于音频信号AS产生经校正的音频信号CAS：

其中，

系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01；

b)优选地借助于放大经校正的音频信号CAS，产生与经校正的音频信号CAS对应的电控制信号ECS；以及

c)用所述电控制信号ECS激励电声换能器。

在声信号再现的该方法的优选实现中，电控制信号ECS是具有与经校正的音频信号CAS的时间进程形状对应的当前时间进程形状的当前控制信号ECSi。

此外，根据本发明，提供了一种借助于电声换能器将声信号(Sin)转换成音频信号的方法，其特征在于：该方法包括：根据以下公式I，基于响应于由电声换能器接收到的给定声信号Sin由所述电声换能器生成的音频信号AS，产生可用于借助于所述电声换能器进行的高保真度声音再现的经校正的音频信号CAS：

其中，

在该方法中，系数B与系数C的比率的值优选为从-50到-1000，并且更优选为从-250到-350。

最后，根据本发明，还提供了一种使用电声换能器以音频信号的形式记录声信号Sin的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a)根据以下公式I，基于响应于由电声换能器接收到的给定声信号Sin由所述电声换能器生成的音频信号AS，产生可用于借助于所述电声换能器进行的高保真度声音再现的经校正的音频信号CAS：

其中，

系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01；以及

b)在存储介质上存储经校正的音频信号(CAS)。

根据本发明的音频信号要被理解为任意信号，该信号的特定参数的时间进程构成声信号(声压)的时间进程的表示，并且该信号是基于在接收到该给定声信号(声压)期间(即，由声压信号影响换能器振膜(且由此还影响换能器线圈)期间)由电声换能器生成的输出信号(例如，通常为换能器输出电压)获得的。

在典型情况下，音频信号应当是与响应于由电声换能器接收到的声信号生成的换能器的输出电压的时间进程相对应的信号。

根据本发明所提出的原始音频信号的校正相对简单并且令人惊奇地对于所有类型的电声换能器都能高效地工作，而不管用于记录音频信号的换能器的特定模型如何。出乎意料地，本发明极大地提高了使用电磁换能器、磁电动态换能器、压电换能器以及电容换能器再现的声信号和使用它们记录的音频信号的保真度。因此，根据本发明的解决方案极其通用。

对于电磁和磁电动态换能器，考虑到它们的工作所基于的物理原理，在将电流控制信号用于控制输出电声换能器的情况下，根据本发明的音频信号校正的积极影响特别显著。恰当的电流控制信号可以使用被校正为获得电流输出信号的电流源(例如，诸如模拟电流源、音频电流放大器或电压源)来生成，该电流源由根据本发明的经校正的音频信号控制。

此外，所使用的给定换能器的质量越好(除了别的之外，该质量由幅频传递特性的较小非线性表明)，本发明提供的校正结果就越好。

如果在给定音频信号的记录期间没有进行根据本发明的该音频信号的校正，则可以在从给定音频信号再现声信号期间或优选地在给定音频信号记录或存储期间使用这种校正，借此，仅执行校正一次，并且校正的结果还可用于未被提供根据本发明的解决方案的任何实施方案的、使用该经校正的音频信号的所有声音再现装置。

根据本发明校正的音频信号可以使用电声换能器在本地直接再现(例如，可以将歌剧演唱家的嗓音转换成根据本发明校正的音频信号，并且通过本发明的解决方案校正的版本可以用于借助于歌剧声音系统扬声器进行本地演唱家嗓音再现；其中，由现有技术已知的音频系统提供的嗓音再现的质量不能实现这种实时歌剧演唱家嗓音再现)或者可以通过借助于通信链路(例如，无线射频通信链路)将该信号发送到设置有用于声音再现的恰当扬声器的若干远程设置的接收器来远程再现。

对于技术人员明显的是，如果在要经受本发明的校正方法的给定原始音频信号的产生期间，已经(例如通过声校正，例如，诸如包括原始音频信号的特定频率分量的衰减和/或放大的均衡)引入了输入电声换能器(麦克风)的正常幅频特性的有力修改，那么在一些情况下，可能还必须修改本发明的公式I中的系数B和C。

附图说明

以下关于附图呈现本发明的示例性实施方式，其中：

图1呈现了一种音频系统；

图2呈现了示例性市售电声换能器BEYERDYNAMIC DT880的幅频特性图5呈现了音频系统；

图3呈现了包括两个相同电声换能器的音频系统；

图4呈现了电信号的幅频特性；

图5呈现了另一种音频系统；

图6呈现了现有技术中已知的所有音频系统(如图5示意性例示的)中，声音再现换能器的振膜移动速度的幅频传递特性与声音记录换能器的振膜移动速度的幅频传递特性的差异；

图7呈现了另一种音频系统；

图8呈现了声音再现换能器的线圈速度的传递特性具有可能与声压换能器的线圈的传递特性的形状类似的形状；

图9示意性呈现了实现根据本发明的音频信号校正的示例性方法的示例性校正块；

图10至图12示意性呈现了为了实现根据本发明的方法而可以采用的音频系统；

图13示意性呈现了用于实现借助于电声换能器将声信号转换成音频信号的方法的示例性音频系统；以及

图14示意性呈现了用于使用电声换能器以音频信号的形式实现根据本发明的声信号记录方法的示例性音频系统。

具体实施方式

根据本发明提出的所有解决方案都基于图9中示出的音频信号校正的通用方法。根据本发明的该校正方法的主旨由校正块2代表，该校正块包括连接到校正块2的输入的积分块3和微分块4、两个乘法块5、6以及求和块7。

求和块7具有两个输入，该两个输入分别连接到校正块2的输入和乘法块5、6的输出。积分块3在其输出处产生构成提供给校正块2的输入的输入音频信号AS的积分的信号。微分块4在其输出处产生构成提供给校正块2的输入的输入音频信号AS的导数的信号。乘法块5的一个输入连接到积分块3的输出，并且乘法块6的一个输入连接到微分块4的输出。乘法块5、6的剩余第二输入分别连接到系数块8、9，系数块8、9提供用于分别来自块2、3的输出信号的乘法的乘数B和C。系数B的值为从-10到0，优选为从-5到-1，并且特别优选为大约-3.2。系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01。此外，系数B与系数C的比率的值优选为从-50到-1000，并且更优选为从-250到-350。

在根据本发明的音频信号校正的方法中，源自于音频信号的任何任意源(例如，诸如CD播放器或无线电调谐器)的原始音频信号AS在块2和3中经受积分运算和微分运算。这些运算的实现方法是绝对任意的，并且可以使用任何恰当的硬件和/或软件手段来进行。随后，表示原始音频信号AS的积分的信号被乘以系数B，并且表示原始音频信号AS的导数的信号被乘以系数C。最后，在原始音频信号AS与该信号的被乘以以上所定义的系数B和C的积分和导数的求和结果中，校正块2根据以下公式I，基于原始音频信号AS在其输出处产生最后经校正的音频信号CAS：

其中，

图10至图12呈现了可以用于实现基于音频信号借助于电声换能器进行声音再现的方法的示例性音频信号的块方案。

图10的系统10a被用于再现模拟音频信号ASa，并且包括模拟信号处理器ASP，在该ASP中，实施图9的校正块2，并且放大器AMP连接到ASP的输出。放大器AMP激励包括输出动态电声换能器的扬声器u。处理器ASP的校正块2根据公式I将输入的模拟音频信号ASa变换成也具有模拟形式的经校正的音频信号CASa：

其中，系数B的值为从-10到0，优选为从-5到-1，并且特别优选为大约-3.2；并且系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01。此外，系数B与系数C的比率的值优选地为从-50到-1000，并且更优选为从-250到-350。随后，模拟的经校正的音频信号CASa在放大器AMP中放大，该AMP在其输出处产生电压控制信号ECSu，该电压控制信号具有与经校正的音频信号CASa的时间进程形状对应的电压时间进程形状。控制信号ECSu随后被提供给换能器u，换能器u通过发出高保真度的输出声信号Sout来再现以原始音频信号AS的形式记录的声信号。

图11的系统10b被用于基于数字音频信号ASd进行声音再现，并且包括实施图9的校正块2的数字信号处理器DSP、数模转换器D/A以及激励输出动态扬声器u的放大器AMP。处理器DSP的校正块2根据公式I将输入数字音频信号ASd变换成也具有数字形式的经校正的音频信号CASd：

其中，系数B的值为从-10到0，优选为从-5到-1，并且特别优选为大约-3.2；并且系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01。此外，系数B与系数C的比率的值优选为从-50到-1000，并且更优选为从-250到-350。数字信号ASd的积分和微分运算明显地使用为数字离散信号专门设计的恰当积分和微分算法来实现。因此，公式I中的积分的一般通用数学符号∫和微分的一般通用数学符号

应仅被理解为积分和微分运算的符号表示，而不管其实现的特定算法如何。在通过对数字音频信号的所有连续之前样本求和来实现该信号的积分的特定情况下，应用符号∑代替符号∫。经校正的音频信号CASd随后在转换器D/A中被变换成在放大器AMP中进一步放大的模拟的经校正的音频信号CASa。基于信号CASa，包括电流源的放大器AMP产生用于扬声器u的输出电控制信号ECSi。输出控制信号ECSi具有电流信号的形式，该电流信号具有与模拟的经校正的音频信号CASa的时间进程形状对应的电流时间进程形状。采用电流特性的控制信号ECSi还提高由扬声器u再现的声信号Sout的保真度。

图12的音频系统9c被用于使用模拟信号处理器ASP从数字音频信号ASd根据本发明的方法进行声音再现。该音频系统9c是图9的音频系统9a，其另外包括输入数模转换器D/A，该输入数模转换器将输入数字音频信号ASd转换成其模拟表示ASa。

图13所呈现的音频系统10d被用于将输入音频信号Sin转换成音频信号，基于该音频信号，应可以借助于电声换能器u忠实地再现该输入音频信号Sin。音频系统10d包括充当麦克风的输入动态电声换能器r，该麦克风在被声信号Sin激励时，在其电输出处生成原始模拟音频信号ASa。随后，该原始模拟音频信号ASa在模拟信号处理器ASP的校正块2中经受根据本发明的校正方法。校正块2是图9所呈现的块2，其中，根据图1将原始模拟音频信号ASa变换成经校正的模拟音频信号CASa：

其中，系数B的值为从-10到0，优选为从-5到-1，并且特别优选为大约-3.2；并且系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01。此外，系数B与系数C的比率的值优选为从-50到-1000，并且更优选为从-250到-350。随后，这种经校正的音频信号CASa例如可以由发送单元TU转换成发送到若干接收单元RU(例如，无线电接收器)的无线电信号。设置有输出换能器u(扬声器)的接收单元RU可以基于接收到的无线电信号高保真度地直接再现声音，而不进一步需要音频信号校正，该音频信号校正已在发送单元TU侧集中地且综合地实现。由输出换能器u生成的输出声信号Sout构成原始输入声信号Sin的非常忠实的再现。

在另选实施方式中，代替将经校正的音频信号CASa发送到远程位置，显然还可以在本地音频系统中直接再现该信号。例如，歌剧演唱家的嗓音可以被记录为经校正的音频信号，基于该经校正的音频信号，实际上可以由本地歌剧音频系统高保真度地实时再现歌剧演唱家的嗓音。

图14的音频系统10e被用于将输入音频信号Sin记录成音频信号，基于该音频信号，将可以借助于设置有输出电声换能器的音频系统忠实地再现该输入音频信号Sin。输入电声换能器r(麦克风)将输入音频信号Sin转换成其电表示，该电表示构成模拟电压音频信号ASa。随后，在模数转换器A/D中，将该原始模拟音频信号ASa转换成其数字表示ASd，该数字表示进而基于公式I经受根据本发明的校正：

其中，系数B的值为从-10到0，优选为从-5到-1，并且特别优选为大约-3.2；并且系数C的值为从0到0.04，优选为从0.005到0.020，并且特别优选为大约0.01。此外，系数B与系数C的比率的值优选为从-50到-1000，并且更优选为从-250到-350。该运算在构成在数字信号处理器DSP中实施的图9的块2的校正块2中进行。在处理器DSP的输出处，获得经校正的数字音频信号CASd，基于该信号，将可以使用电声换能器高保真度地再现原始声信号Sin。最后，在任何任意存储介质(例如光盘)上存储输出的经校正的音频信号CASd。

在本发明的另选实现中，代替以上所描述的信号处理器ASP和DSP，还可以采用任何其他任意的电和/或电子系统(主动和/或被动装置)、和/或硬件和/或软件装置，它们使能实现为根据本发明所基于的公式I将音频信号AS校正为经校正的音频信号CAS。

Claims

1.一种修改使用电声声音记录换能器(r)形成的音频信号AS的方法，该方法包括以下步骤：

提供具有电声声音再现换能器(u)的音频系统；

实现所述电声声音记录换能器(r)的幅频传递特性与所述电声声音再现换能器(u)的幅频传递特性之间的修改；

通过将所述修改应用于所述音频信号AS，产生经修改的音频信号CAS，

其中，所述修改包括具有比例部分、积分部分和导数部分的公式，并且将所述修改应用于所述音频信号AS得到以下公式：

其中，系数B和系数C是通过最小化所述电声声音记录换能器(r)的幅频传递特性的形状与所述电声声音再现换能器(u)的幅频传递特性的形状之间的差异来确定的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

所述系数B的值为从-10到0，并且

所述系数C的值为从0到0.04。

3.根据权利要求1所述的方法，其中

所述系数B的值为-5到-1，并且

所述系数C的值为从0.005到0.020。

4.根据权利要求1所述的方法，其中

所述系数B的值为-3.2，并且

所述系数C的值为0.01。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述系数B与所述系数C的比率的值为从-50到-1000。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述系数B与所述系数C的比率的值为从-250到-350。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，放大所述经修改的音频信号CAS以产生电控制信号ECS。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，利用所述电声声音再现换能器(u)，根据所述经修改的音频信号CAS形成声信号(Sout)。