CN110166893A - 虚拟低音产生电路、扬声器与方法 - Google Patents

Abstract

一种扬声器中使用的虚拟低音产生电路，其用于：滤除音频信号的高频部分，以产生低通音频信号；根据低通音频信号产生分别具有低通音频信号的多个偶次谐波和奇次谐波的偶次音频信号和奇次音频信号；将放大偶次音频信号和放大奇次音频信号的加总减去放大低通音频信号，以产生第一计算音频信号；滤除第一计算音频信号的高频部分与低频部分，以产生带通音频信号；以及将带通音频信号和音频信号相加，以产生具有音频信号的多个增强偶次谐波和多个增强奇次谐波的第二计算音频信号。

Description

虚拟低音产生电路、扬声器与方法

技术领域

本发明涉及一种扬声器，尤其是涉及一种扬声器中使用的虚拟低音产生电路及方法。

背景技术

扬声器用于将音频信号转换为声音。音频信号的低频部分可能无法通过性能较差的扬声器被成功地转换，也就是说，性能一般或较差的扬声器都不能很好地播放低频声音。因此，扬声器中的音频处理电路可以滤除音频信号的低频部分，但是这会导致由扬声器所播放的声音会有失真(即，低频声音不能被用户收听)。

参照图1，图1是心理声学错觉的示意图。在图1中，频率为2f、3f与4f的真实信号系实体地存在，虽然最低基频f的感知低音信号并非实体地存在，但用户仍虚拟地听到最低基频f的感知低音信号。

心理声学错觉可以被用来产生感知低音信号给一般或较差性能的扬声器。非线性装置可用于产生关联于感知低音信号的最低基频的一系列谐波。例如，全波整流器可以用来产生偶次谐波，软限幅(soft clipping)电路可以用来产生奇次谐波，而带有全波整流器和积分器的电路可以用来产生偶次谐波和奇次谐波。

参照图2，图2是传统虚拟低音产生电路的示意图。传统的虚拟低音产生电路用于扬声器。传统的虚拟低音产生电路包括一阶高通滤波器10、一阶低通滤波器12、绝对值电路14、二阶高通滤波器16、放大器18、28、30、加法器20、二阶低通滤波器22、限幅电路24和减法器26、32。

传统的虚拟低音产生电路的输入端电性连接减法器32和第一高通滤波器10。第一高通滤波器10电性连接第一低通滤波器12。第一低通滤波器12电连接绝对值电路14、限幅电路24和放大器30。限幅电路24和放大器30电性连接减法器26，且减法器26电性连接放大器28。绝对值电路14电性连接二阶高通滤波器16，并且二阶高通滤波器16电性连接放大器18。放大器18和28电性连接加法器20，并且加法器20电性连接二阶低通滤波器22。二阶低通滤波器22电性连接减法器32，并且减法器32电性连接传统的虚拟低音产生电路的输出端。

音频信号由传统的虚拟低音产生电路的输入端接收。第一高通滤波器10和第一低通滤波器12分别滤除音频信号的低频部分和高频部分，以产生第一滤波音频信号。绝对值电路14获得第一滤波音频信号的绝对值部分，并作为全波整流器，以输出整流音频信号。二阶高通滤波器16滤除整流音频信号中的低频部分，以产生第二滤波音频信号。放大器18以增益G1放大第二滤波音频信号，以产生第一放大音频信号。

限幅电路24用以限幅第一滤波音频信号，以产生限幅音频信号，且放大器30以增益G3放大第一滤波音频信号，以产生第三放大音频信号。减法器26从限幅音频信号中减去第三放大音频信号，以产生第一相减音频信号。放大器28以增益G2放大第一相减音频信号，以产生第二放大音频信号。

加法器20将第一放大音频信号和第二放大音频信号相加，以产生相加音频信号。第二低通滤波器22滤除相佳音频信号的高频部分，以产生第三滤波音频信号。减法器32从音频信号中减去第三滤波音频信号，以产生第二相减音频信号。传统的虚拟低音产生电路输出第二相减音频信号给由扬声器进行播放。要注意的是，第一和第二高通滤波器10和16可以防止扬声器播放音频信号的直流部分。然而，传统的虚拟低音产生电路仍然需要四个滤波器(即，滤波器10、12、16和22)，因此导致高硬件成本。

发明内容

扬声器用于将音频信号转换为声音。音频信号的低频部分可能无法通过性能较差的扬声器被成功地转换，也就是说，性能一般或较差的扬声器都不能很好地播放低频声音。因此，扬声器中的音频处理电路可以滤除音频信号的低频部分，但是这会导致由扬声器所播放的声音会有失真(即，低频声音不能被用户收听)。

参照图1，图1是心理声学错觉的示意图。在图1中，频率为2f、3f与4f的真实信号系实体地存在，虽然最低基频f的感知低音信号并非实体地存在，但用户仍虚拟地听到最低基频f的感知低音信号。

心理声学错觉可以被用来产生感知低音信号给一般或较差性能的扬声器。非线性装置可用于产生关联于感知低音信号的最低基频的一系列谐波。例如，全波整流器可以用来产生偶次谐波，软限幅(soft clipping)电路可以用来产生奇次谐波，而带有全波整流器和积分器的电路可以用来产生偶次谐波和奇次谐波。

参照图2，图2是传统虚拟低音产生电路的示意图。传统的虚拟低音产生电路用于扬声器。传统的虚拟低音产生电路包括一阶高通滤波器10、一阶低通滤波器12、绝对值电路14、二阶高通滤波器16、放大器18、28、30、加法器20、二阶低通滤波器22、限幅电路24和减法器26、32。

传统的虚拟低音产生电路的输入端电性连接减法器32和第一高通滤波器10。第一高通滤波器10电性连接第一低通滤波器12。第一低通滤波器12电连接绝对值电路14、限幅电路24和放大器30。限幅电路24和放大器30电性连接减法器26，且减法器26电性连接放大器28。绝对值电路14电性连接二阶高通滤波器16，并且二阶高通滤波器16电性连接放大器18。放大器18和28电性连接加法器20，并且加法器20电性连接二阶低通滤波器22。二阶低通滤波器22电性连接减法器32，并且减法器32电性连接传统的虚拟低音产生电路的输出端。

音频信号由传统的虚拟低音产生电路的输入端接收。第一高通滤波器10和第一低通滤波器12分别滤除音频信号的低频部分和高频部分，以产生第一滤波音频信号。绝对值电路14获得第一滤波音频信号的绝对值部分，并作为全波整流器，以输出整流音频信号。二阶高通滤波器16滤除整流音频信号中的低频部分，以产生第二滤波音频信号。放大器18以增益G1放大第二滤波音频信号，以产生第一放大音频信号。

限幅电路24用以限幅第一滤波音频信号，以产生限幅音频信号，且放大器30以增益G3放大第一滤波音频信号，以产生第三放大音频信号。减法器26从限幅音频信号中减去第三放大音频信号，以产生第一相减音频信号。放大器28以增益G2放大第一相减音频信号，以产生第二放大音频信号。

加法器20将第一放大音频信号和第二放大音频信号相加，以产生相加音频信号。第二低通滤波器22滤除相佳音频信号的高频部分，以产生第三滤波音频信号。减法器32从音频信号中减去第三滤波音频信号，以产生第二相减音频信号。传统的虚拟低音产生电路输出第二相减音频信号给由扬声器进行播放。要注意的是，第一和第二高通滤波器10和16可以防止扬声器播放音频信号的直流部分。然而，传统的虚拟低音产生电路仍然需要四个滤波器(即，滤波器10、12、16和22)，因此导致高硬件成本。

附图说明

本发明所包括的附图系用以提供对本发明的进一步理解，并且被并入且构成本说明书的一部分。附图绘示出了本发明的示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是心理声学错觉的示意图。

图2是传统的虚拟低音产生电路的示意图。

图3是本发明示例性实施例所提供的虚拟低音产生电路的示意图。

图4是经本发明示例性所实施例提供的虚拟低音产生电路处理后的音频信号的示意图。

具体实施方式

现在将详细说明本发明的示例性实施例，且示例性实施例示例在附图中被绘示出。尽可能地，本发明在附图和描述中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

本发明的示例性实施例提供了一种在扬声器中使用的虚拟低音产生电路。音频信号可被输入至虚拟低音产生电路，然后，虚拟低音产生电路可对音频信号进行处理并滤除音频信号的高频部分，以产生低通音频信号。接下来，虚拟低音产生电路处理低通音频信号，以产生偶次音频信号和奇次音频信号，其中偶次音频信号和奇次音频信号分别具有音频信号的多个偶次谐波和多个奇次谐波。

在虚拟低音产生电路中，偶次音频信号、奇次音频信号和低通音频信号分别以第一增益、第二增益和第三增益进行放大，然后放大偶次音频信号与放大奇次音频信号彼此相加后，再减去放大低通音频信号，以产生第一计算音频信号。然后，第一计算音频信号由虚拟低音产生电路处理并滤除第一计算音频信号的高频部分和低频部分，以产生带通音频信号。接着，虚拟低音产生电路将带通音频信号和音频信号相加，以产生第二计算音频信号给扬声器的扬声器本体。

烦请参照图3，图3是本发明示例性实施例所提供的虚拟低音产生电路的示意图。虚拟低音产生电路4可以用在扬声器中，并且包括低通滤波器40、谐波产生电路42、带通滤波器44和加法器ADD1。加法器ADD1电性连接带通滤波器44，并且谐波产生电路42电性连接低通滤波器40和带通滤波器44。

虚拟低音产生电路4接收音频信号。低通滤波器40滤除音频信号的高频部分以生成低通音频信号。低通滤波器40可以是四阶无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)低通滤波器，并且本发明不限于此。

谐波产生电路42接收低通音频信号，以生成分别具有低通音频信号的多个偶次谐波和多个奇次谐波的偶次音频信号和奇次音频信号。谐波产生电路42进一步地将放大偶次音频信号和放大奇次音频信号相加，并且从放大偶次音频信号和放大奇次音频信号的加总减去放大低通音频信号，以产生第一计算音频信号。

接下来，带通滤波器44接收第一计算音频信号，并滤除第一计算音频信号的低频部分和高频部分，以生成带通音频信号。需要说明的是，带通滤波器44可以是四阶IIR带通滤波器，但本发明不限制于此。

加法器ADD1将带通音频信号和音频信号相加以产生第二计算音频信号给扬声器的扬声器本体。需要说明的是，第二计算音频信号具有低通音频信号的多个增强偶次谐波和多个增强奇次谐波，因此用户可感受到的音频信号的基频会因心理声学错觉而增强。再者，与现有技术相比，本发明的虚拟低音产生电路所需的滤波器的数量较少，故能降低制造成本。

谐波产生电路42可以通过如下的结构配置来实现，并且本发明不限制于此。谐波产生电路42包括全波整流器420(即，绝对值电路)、限幅电路422、放大器AMP1～AMP3、加法器ADD2和减法器SUB1。放大器AMP1电性连接全波整流器420和加法器ADD2。放大器AMP2电性连接限幅电路422和减法器SUB1。减法器SUB1电性连接放大器AMP3和加法器ADD2。

全波整流器420接收低通音频信号并对低通音频信号进行整流(即，获得低通音频信号的绝对值)，以生成具有低通音频信号的多个偶次谐波的偶次音频信号。限幅电路422用于限幅低通音频信号，以产生具有低通音频信号的多个奇次谐波的奇次音频信号。放大器AMP1～AMP3使用第一增益G1、第二增益G2和第三增益G33对偶次音频信号、奇次音频信号和低通音频信号进行放大，以产生放大偶次音频信号、放大奇次音频信号和放大低通音频信号。

减法器SUB1将放大低通音频信号中减去放大奇次音频信号，并且加法器ADD2加总放大偶次音频信号与放大低通音频信号及放大奇次音频信号的相减结果，以便产生第一计算音频信号。在此请注意，由于奇次数音频信号是先被放大后，才与放大低通音频信号相减，因此放大器AMP2和AMP3的增益调整可以变得较为容易。

接着，请参照图4，图4是经本发明示例性所实施例提供的虚拟低音产生电路处理后的音频信号的示意图。虚拟低音产生电路未处理的音频信号的频谱(即，扬声器的虚拟低音产生电路被禁能)在图4的左侧处被绘示出来，以及由虚拟低音产生电路处理后的音频信号的频谱(即，扬声器的虚拟低音产生电路被致能)显示在图4的右侧。显然地，这两个音频信号的基频强度是实体上相同的，但是经处理的音频信号的多个偶次谐波和多个奇次谐波的强度大于未处理的音频信号的多个偶次谐波和多个奇次谐波的强度，因此，通过虚拟低音产生电路的处理，用户可感觉到的音频信号的基频会因心理声学错觉而增强。

此外，本发明的另一实施例揭露一种扬声器，且扬声器包括扬声器本体及虚拟低音产生电路，其中扬声器电性连接虚拟低音产生电路，并接收第二计算音频信号，以播放第二计算音频信号。值得注意的是，第二计算音频信号具有音频信号的多个增强偶次谐波和多个增强奇次谐波，因此用户可感觉到的音频信号的基频会因心理声学错觉而增强。

此外，本公开的另一个示例性实施例公开了一种用以放大扬声器中的音频信号的虚拟低音信号的方法。所述方法的步骤说明如下。首先，处理音频信号以滤除音频信号的高频部分，以产生低通音频信号。其次，处理低通音频信号以产生偶次音频信号和奇次音频信号，其中偶次音频信号和奇次音频信号分别低通音频信号的多个偶次谐波和多个奇次谐波。然后，将放大偶次音频信号和放大奇次音频信号的加总减去放大低通音频信号，以产生第一计算音频信号。之后，对第一计算音频信号进行处理，并滤除第一计算音频信号的低频部分和高频部分，以生成带通音频信号。最后，将带通音频信号与音频信号相加，以生成第二计算音频信号给扬声器的扬声器本体。

据此，本发明示例性实施例所提供的虚拟低音产生电路、扬声器和方法可以增强音频信号的偶次频率部分与奇次频率部分，因此使用者可以感觉到的音频信号的基频会因心理声学错觉而被增强。相较于现有技术，前述虚拟低音产生电路所需滤波器的数量较少，故能降低制造成本。另外，由于奇次音频信号是先被放大后，才与放大低通音频信号相减，故能使得放大器的增益调整变得较容易。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，其并非用以限制本发明，因此，基于本发明的权利要求的各种等同变化、改变或修改都可被本发明的范围所涵盖。

[符号说明]

10：一阶高通滤波器

12：一阶低通滤波器

14：绝对值电路

16：二阶高通滤波器

18、28、30、AMP1～AMP3：放大器

20、ADD1、ADD2：加法器

22：二阶低通滤波器

24、422：限幅电路

26、32、SUB1：减法器

4：虚拟低音产生电路

40：低通滤波器

42：谐波产生电路

420：全波整流器

44：带通滤波器

G1～G3：增益

Claims (10)

1.一种虚拟低音产生电路，包括：

一低通滤波器，用以滤除一音频信号的一高频部分，以产生一低通音频信号；

一谐波产生电路，电性连接该低通滤波器，用以接收该低通音频信号，产生一偶次音频信号与一奇次音频信号，并将一放大偶次音频信号与一放大奇次音频信号的一加总减去一放大低通音频信号，以产生一第一计算音频信号，其中该偶次音频信号与该奇次音频信号分别具有该低通音频信号的多数偶次谐波与多个奇次谐波；

一带通滤波器，电性连接该谐波产生电路，用以滤除该第一计算音频信号的一低频部分和一高频部分，以产生一带通音频信号；以及

一第一加法器，电性连接该带通滤波器，用以将该带通音频信号和该音频信号相加，以产生具有多个增强偶次谐波和多个增强奇次谐波的一第二计算音频信号。

2.如权利要求1所述的虚拟低音产生电路，其中该低通滤波器是一四阶无限脉冲响应低通滤波器。

3.如权利要求1所述的虚拟低音产生电路，其中该带通滤波器是一四阶无限脉冲响应带通滤波器。

4.如权利要求1所述的虚拟低音产生电路，其中该谐波产生电路包括：

一全波整流器，电性连接该低通滤波器，用以接收该低通音频信号，以产生该偶次音频信号；

一限幅电路，电性连接该低通滤波器，用以接收该低通音频信号，以产生该奇次音频信号；

一第一放大器，电性连接该低通滤波器，用以放大该低通音频信号，以产生该放大低通音频信号；

一第二放大器，电性连接所述限幅电路，用以放大该奇次音频信号，以产生该放大奇次音频信号；

一第三放大器，电性连接该全波整流器，用以放大该偶次音频信号，以产生该放大偶次音频信号；

一减法器，电性连接该第一放大器和该第二放大器，用以将该放大奇次音频信号减去该放大低通音频信号；

一第二加法器，电性连接该减法器和该第三放大器，用以加总该放大偶次音频信号和该放大奇次音频信号与该放大低通音频信号的一相减结果，以产生该第一计算音频信号。

5.如权利要求4所述的虚拟低音产生电路，其中该第一至该第三放大器分别以一第一增益、一第二增益与一第三增益放大该偶次音频信号、该奇次音频信号与该低通音频信号。

6.一种扬声器，包括：

如权利要求1至5的其中一项所述的虚拟低音产生电路；以及

一扬声器本体，电性连接该虚拟低音产生电路。

7.一种用以放大一音频信号的一虚拟低音信号的方法，包括：

滤除该音频信号的一高频部分，以产生一低通音频信号；

产生具有该低通音频信号的多个偶次谐波的一偶次音频信号和具有该低通音频信号的多个奇次谐波的一奇次音频信号；

将一放大偶次音频信号与一放大奇次音频信号的一加总减去一放大低通音频信号，以产生一第一计算音频信号；

滤除该第一计算音频信号的一低频部分和一高频部分，以产生一带通音频信号；以及

将该带通音频信号和该音频信号相加，以产生具有多个增强偶次谐波和多个增强奇次谐波的一第二计算音频信号。

8.如权利要求7所述的方法，其中使用一四阶无限脉冲响应低通滤波器来滤除该音频信号的该高频部分，以及使用四阶无限脉冲响应带通滤波器来滤除该第一计算音频信号的该低频部分和该高频部分。

9.如权利要求7所述的方法，其中使用一全波整流器来产生该偶次音频信号，使用一限幅电路来产生该奇次音频信号，使用一第一放大器、一第二放大器与一第三放大器分别放大该低通音频信号、该奇次音频信号与该偶次音频信号，以分别产生该放大低通音频信号、该放大奇次音频信号与该放大偶次音频信号，使用一减法器将该放大奇次音频信号减去该放大低通音频信号，并使用一加法器加总该放大偶次音频信号和该放大奇次音频信号与该放大低通音频信号的一相减结果，以产生该第一计算音频信号。

10.如权利要求9所述的方法，其中该第一至该第三放大器分别以一第一增益、一第二增益与一第三增益放大该偶次音频信号、该奇次音频信号与该低通音频信号。