CN111213390B - 声音转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备，信号处理单元，数据，处理设备，声音转换器，软件产品和过程。该设备用于声音再现，其中该设备设置有第一电声声音转换器以产生声场并且其中该第一电声声音转换器具有用于接收产生相应声场的电信号的输入端，其中该设备的特征在于，另外设置一个装置，其设计用于与第一电声声音转换器生成的声场进行声相互作用，以产生修改的声场并且其中设定，修改的声场具有预定的声阻抗值。

Description

声音转换器

技术领域

本发明涉及一种设备，方法，信号处理单元，用于声音再现的数据，声音转换器，尤其是头戴式耳机或耳塞，以及用于改善声音再现的软件产品。

背景技术

通过耳机再现声音信号中的问题从现有技术中是已知的，因此，当通过耳机发出声音现象时，在特定条件下，人耳对这些声音现象的感知与在远离耳朵的声源，例如扩音器的情况下有很大不同。尽管使用了外耳传输函数，但是如果声源位于收听者的中位平面(垂直于两耳的假想平面)中，则可能会发生空间成像错误(仰角)。在这样的相关信号中，耳间水平和运行时间差异就消失了。尤其是在声源位于前面的情况下，通常会在头部或非常靠近头部的位置感知到声音信号(所谓的头内定位，Im-Kopf-Lokalisation)。IKL经常与干扰性的抬升相关(定位在头部中的上部)。到目前为止，这些问题只能通过技术上复杂的光学支持或头部跟踪来改善。进一步的成像误差与通过头戴式耳机发出的声音信号的感知音量有关。即使声压水平相同，耳机的感知也可能比远处的声源更小声。已经表明，这种所谓的SLD效应(声压响度发散)总是与头内定位一起发生。

发明内容

因此，本发明的目的在于消除或至少减少上述问题，以实现改善的声音再现。

根据本发明，基于列出的权利要求之一，尤其是基于以下说明和附图，来实现此处所提出的目的。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于声音再现的设备，其中该设备设置有用于产生声场的第一电声声音转换器，并且其中该第一电声声音转换器具有用于接收产生相应声场的电信号的输入部，其中该设备的特征在于，还提供了一种装置，该装置设置用于与第一电声声音转换器的所产生的声场进行声学相互作用，以产生修改后的声场，并且其中设定，该修改后的声场具有预定的声阻抗值。

根据本发明的另一方面，提出一种装置，其中该装置是至少一个声谐振器和/或至少一个另外的电声声音转换器。

因此，根据本发明总体上提出了一种电声声音转换器，其与至少一个另外的电声声音转换器协作或者与至少一个谐振器协作。这里对上述两个实施方案变型均适用的是，为了产生修改的声场而发生声学相互作用，使得修改后的声场具有预定的声阻抗值。根据本发明进一步替换地提出，上述两个变型设置为为了修改后的声场设置不同的阻抗值或可变的阻抗值。

此外，根据本发明，提出了一种根据上述替代实施形式中的一个的设备，其中第一电声声音转换器和/或另外的电声声音转换器设置成，接收取决于阻抗信息的电信号并将其转换为声信号，从而借助于相应的声相互作用，修改的声场具有预定的声阻抗值。

根据本发明的另一有利方面，提出一种设备，其中，至少一个的声谐振器被设计为凹部，孔或亥姆霍兹谐振器，其中这尤其实现在该设备的壳体上，尤其是在内部和/或外部壳体区域中。

此外，根据本发明提出了上述类型的设备，其中第一电声声音转换器和/或另外的电声声音转换器和/或声谐振器可通过相应的电信号控制，以便在修改的声场中设置不同的声阻抗值。这里，控制可以直接通过要输入的电音频信号和/或通过单独的信号化进行。

进一步有利地提出一种以上类型的设备之一，其中该设备具有用于测量声场参数的测量单元，尤其是麦克风，以便能够从其中推导出声场中给定的阻抗值，以便能够生成后续的电适配信号。在此明确指出，根据本发明提出的实施例中的一个或多个被设置为接收已经准备好的用于设置声阻抗值的信号并生成相应的修改的声场，或者通过调节回路主动地执行测量以便测量声场中的当前阻抗值，从而通过生成合适的信号来执行后续调整。

另外有利的是，根据本发明的上述设备之一被设计为头戴式耳机或耳塞，尤其是可以提供相应的壳体以容纳根据本发明的设备，并且可以被设计为头盔。

进一步有利地提出一种装置，其中第一电声声音转换器和/或另一电声声音转换器和/或声谐振器的位置和/或定向被设计为可改变的，并且尤其是可以借助于合适的电信号来改变并且必要时进行调节。这里，尤其保护了声音转换器或谐振器的位置和/或定向的可变性。此外，在谐振器的情况下，可以将频率响应和/或振荡质量设计为可控制的。

根据另一方面，提出了一种用于处理用于声音再现的信号的信号处理单元，其特征在于，该信号处理单元设置为，根据被设置用于产生第一声场的第一信号而处理用于与第一声场进行声相互作用的另一信号，以便产生修改的声场，其中设定，修改的声场具有预定的声阻抗值。

进一步有利地提出一种信号处理单元，其中该信号处理单元根据至少一个声压信号和/或所述第一信号的声速提供一个因数，以产生修改的声场，其中该修改的声场具有预定的声阻抗值。

进一步有利地提出了一种信号处理单元，其中声压信号和/或声速通过测量，尤其是通过至少一个麦克风来导出。

进一步有利地提出了一种信号处理单元，该信号处理单元被设置为处理阻抗信号，使得该阻抗信号可以被提供给声音转换器。

进一步有利地提出了一种信号处理单元，其中修改的声场具有在时间上预定的可变声阻抗值。

进一步有利地提出了一种信号处理单元，其中该信号处理单元被设置为处理其他相关的声学参数，尤其是头戴式耳机或耳塞的几何参数，以便为修改的声场设置预定的声阻抗值。

进一步有利地提出了用于声音再现的数据，其特征在于，这些数据具有用于与第一声场进行声相互作用的数据元素，其中所述数据元素被设置为产生修改的声场，其中设定，该修改的声场具有预定的声阻抗值。

进一步有利地提出数据，其中建立并这样配置数据元素，以将其转换成相应的电信号，以便在随后的步骤中通过声谐振器和/或至少一个电声声音转换器进行再现。

数据元素进一步有利地具有阻抗信息。

进一步有利地提出数据，其中该数据包括用于控制声谐振器和/或至少一个电声声音转换器的控制数据。

进一步有利地提出了数据，其中该数据借助于上述根据本发明的信号处理单元之一产生。

进一步有利地提供了一种用于处理和/或再现数据的处理设备，其中该数据是上述数据变体之一，并且其中该处理设备尤其是智能电话，笔记本电脑，手提电脑，平板电脑，个人计算机，无线发射机或服务器。

进一步有利地提出了一种声音转换器，其中该声音转换器被设计为借助于根据上述实施方式之一的信号处理单元和/或根据上述实施方式之一的数据来再现所产生的信号。

进一步有利地将可以存储在存储介质上并且由电子数据处理单元处理的软件产品匹配于实现根据上述实施例之一的信号处理单元和/或用于产生或再现根据上述实施例之一的数据。

进一步地根据本发明，提出了一种用于声音再现的方法，其中该方法包括以下步骤：产生第一声场以及产生用于与该第一声场进行声相互作用的第二信号，以产生修改的声场，其中设定，修改的声场具有预定的声阻抗值。

因此，根据本发明设定，除了声压之外，还考虑关于在耳朵入口处的声场阻抗的信息，以便即使从中位平面得到相关信号也可靠地获得针对声源定位的频谱信息。然而，听觉只能从耳道末端的鼓膜位置实施这种阻抗信息。

本发明的特征尤其在于以下事实，根据本发明的头戴式耳机或耳塞不仅模拟声压信号，而且还模拟由远处的声源在耳朵处产生的声场阻抗，以改善或完全避免诸如IKL或SLD之类的负面现象。与当前的双耳技术相比，理想情况下，头戴式耳机不会接收包含与头部相关的声压频率响应的声压信号，因为当耳机中的声场阻抗正确设置时，这些信号会自行设置。所谓的外耳传递函数(HRTF)由此仅描述了两只耳朵之间的关系。接下来说明如何定义对于听觉来讲视为相关的声场阻抗以及如何对其进行测量的方法。

根据本发明，提出了一种用于测量耳机的与头部相关的声场阻抗的方法。

对于耳机的开发，需要一个测量方法，该方法指示耳机是否产生与避免IKL和SLD有关的声场阻抗。如果耳机发声的测量方法产生的结果与扬声器发声的测量结果相同，则表明此情况。所提出的测量方法通过包含有关声场阻抗的信息的第二传递函数扩展了用于确定与头部有关的声压传递函数(外耳传递函数HRTF)的已知方法。借助于其耳道末端处有所谓的阻抗麦克风的合适的仿真人头，可以建立测试状态，其既适用于扬声器也适用于耳机发声，以确定取决于声压的信号Sp和取决于声压和声场阻抗的信号SZ(图1)，该阻抗麦克风既能够提供力源的压力信号也可以提供其速度信号。

当仿真人头通过信号S暴露于扬声器发声时，信号Sp和SZ在用于左右耳的麦克风输出处产生。这些信号取决于频率和入射角。如果现在通过耳机用相同的信号对仿真人头发声(可能进行信号处理)，则测量信号S'P和S'Z。

对于同样供应有信号Sp并且在耳朵处模拟与扬声器相当的声场条件的耳机来说成立的是：

S'p＝k Sp，S'Z＝k SZ。

应当注意，耳机的测试台不必是仿真人头。为了在耳机中也产生在空间上可感知的声场，在双耳技术中长期以来一直使用可比较的测量方法，但该方法仅限于声压。通过将与头部相关的信号与没有头部的自由场测量的压力信号相关联，可以从测量的信号Sp确定声压传递函数Hp，其不再包含扬声器频率响应：

Hp＝p耳/p自由场

Hp说明了由于人的头部(身体)的存在以及耳朵之间的关系而引起的声压变化。但是，在当前的双耳技术中也称为外耳传输函数(或HRTF)的函数必须在新的耳机中通过模拟声场阻抗来校正声压，该声压是通过该声场阻抗自身产生的。理想情况下，HP仅包含耳间关系。

信号SZ是新的，并且比纯声压信号Sp提供了更多有关耳朵前方声场的信息。其说明了位于耳道中的力源Q对外部声场施加力FQ时在人头部的耳入口处感受的声阻。力FQ通过合适的机构(未详细说明的麦克风)从耳道中的压力得出，并与压力相精确地作用回声场上。因此，SZ信号也取决于声压。这里，力源Q本身暴露于外部声场的力FF。因此，力源Q将力DFQ＝FQ-FF施加到声场中，并以速度vQ对声场阻抗ZF做出反应。因此，通常，vQ是声压p和声场阻抗ZF的函数：vQ＝f(p，ZF)。

类似于与头相关的声压传递函数Hp，可以通过将vQ与与头无关的自由场测量信号相关联来从信号vQ确定阻抗传递函数Hz：

HZ＝vQ耳/vQ自由场

因此，Hz代表先前与头部有关的特性的扩展，并且可用于表征耳机在耳前方的声场阻抗方面的特性。

所说明的与压力传感器结合的用于测量信号SZ的方法的应用在此被称为阻抗麦克风。其既可以传递声压信号，又可以传递取决于声场阻抗的信号。

根据本发明，借助双麦克风方法在测试人员的外耳上进行声场阻抗测量，以表征耳机和扬声器的声辐射差异。这里，还检查了与主观听觉IKL和SLD的关系。这里证明，对声场阻抗的X分量的测量很好地反映了差异，并给出了声场阻抗的大小以及与频率和角度相关性的概念。

这些阻抗测量与使用阻抗麦克风和上述方法从耳道进行的测量不同。其仅适用于耳前声场的一个分量。

根据本发明，提供了以下其他在头戴式耳机或耳塞中影响耳前声场阻抗的方法。

对于以中位平面的定位改善为特征的头戴式耳机或耳塞，尤其是在前方定位方面，当暴露于来自遥远声源的发声时，应对人头部耳朵前方的声场条件进行建模。理想情况下，将与头部有关的阻抗信号和与频率无关的声压信号传输到耳机。振动转换器将成比例的速度信号施加到耳机腔中，并在指定的声场阻抗上生成与头部相关的相应声压。替代地，简化的系统也可能是有利的，其中将在耳朵处的真实声场阻抗的最重要的特性转移到耳机。

具有接近现实的模型的根据本发明的实施例的特征在于以下特性中的一个或多个：

a)耳朵前面的声场阻抗在大约100Hz至2.5kHz的频率范围内应主要具有正电抗和/或

b)在远处声源由正面方向的发声中，会在耳朵上产生两个典型的声压最小值。通常，其位于大约在1kHz和2.5kHz左右窄的频率范围，这取决于头部和身体的几何形状。这些是通过声场阻抗最小值而作为干扰的后果而产生的。根据本发明，这些声压最小值不作为声压信号传递到耳机，而是耳机必须接纳相应的声场阻抗，从而由此使这些声压最小值产生和/或

c)为了在整个中位平面上实现定向听觉，随着声入射角的增加，声场阻抗的最小值会移至低频，即对应于通过远处声源的发声在头部上显示的范例。当声音从后面入射时，声场阻抗的最小值会被强烈衰减或完全消失和/或

d)根据本发明，尤其是在耳机上实现校准可能性，以便能够最佳地补偿收听者中的个体差异。这可以包括声场阻抗的大小以及特征最小值的位置。

具体实施方式

下面介绍了能够影响耳机的声场阻抗的根据本发明的设备，方法和过程。

根据符合本发明的实施例并参考图2，使用声音转换器对实现对声场阻抗的建模。为此，根据本发明，除了在耳朵处的声压之外，通过在一个耳机头中使用两个声音转换器来实现一定的声场阻抗。通过适当的信号处理，可以在布置的方向上影响所需的声场阻抗。为此，首先使用合适的阻抗测量方法(双麦克风方法)或通过先前确定的基于几何相关值的声压和声速来确定各个声音转换器的声压p1，p2和声速v1，v2。然后可以从中计算出系数kF，该系数说明了两个声音转换器之间的信号差。通过在其他方向上排列其他扬声器对，可以影响多个方向。图2显示了带有信号调节的一个简单原理，该信号处理根据输入端的声场阻抗值来计算用于第二个扬声器的信号K2。如果ZFx随时间变化，例如在移动声源或使用头部跟踪器时，信号处理也可以是计算机模拟的一部分。使用双麦克风方法由声音转换器Lspl，2的单独测量来确定p1，p2和v1，V2。S_p是声压信号，Z_Fx是阻抗信息。

根据本发明的另一个实施例并参考图3，提出了利用无源声谐振器对声场阻抗进行建模。借助亥姆霍兹谐振器，可以将耳机中的声场阻抗更改为正电抗。谐振器由具有任意形状横截面的管组成，其开口伸入耳朵和声音转换器之间的空间。在此也可以使用其他谐振器。管中的加速空气显示出质量，该质量与空气体积的刚度一起形成共振系统。声场的质量特性出现在共振频率以上。系统的带宽和品质也会受到流动阻力的影响。多个谐振器也可以组合实现。

根据另一实施形式并参考图4，提出了利用有源电声系统的声场阻抗的建模。利用由麦克风，声音转换器，放大器和仿真函数组成的系统可用于目的性地模拟声阻抗。可以类似地实现的简单示例是质量，弹簧，流动阻力或谐振器。数字网络具有更多的通用性，但是前提是等待时间非常短。该原理基于耳机压力室中压力与速度之间关系的建模。麦克风M的压力信号比例和声音转换器WZ的信号-膜速度比例对于修正的函数很重要。仿真函数以传递函数Ua/Ue＝v/p＝l/ZF的形式说明了所需声阻抗ZF的倒数。仿真函数以输出端的速度信号对输入端的压力信号做出反应。该信号控制转换器WZ，该转换器的膜执行成比例的速度。如果移动的空气量足够大，该转换器将确定耳机中的声场。仿真还可以具有其他输入端，通过该输入端可以控制该传递函数的形式。在下文中，并参考图5，示出了用于耳机中的声场阻抗的模拟仿真的函数的实施形式。在自由声场中和低频中的人头部的耳朵处的声场可以在第一近似形式中描述为被看做是“呼吸”的球体反射的平面波和散射波。

在视作“呼吸的”球的放射阻抗处产生声压，该声压叠加在平面波上。所得声场阻抗ZF等于：

下面的实例中显示1/ZF的模拟仿真的外观。该实例显示了干扰的附加仿真2，其导致声压的最小值。

进一步根据本发明并参考图6，提出了一种耳塞。对于耳塞来讲，用于影响声场阻抗的有源电声系统尤为有利。耳塞的形状在这里很重要，因为可以以节省空间的方式容纳两个声音转换器和一个麦克风，以使听者仍然可以舒适地佩戴它们。在图6中还示出了耳塞中的声音转换器的各种布置。

Claims (2)

1.用于声音再现的头戴式耳机或耳塞，包括：第一电声声音转换器以产生声场，以及设计用于与第一电声声音转换器生成的声场进行声相互作用，以产生修改的声场的第二电声声音转换器；

其中，所述头戴式耳机或耳塞设置成借助于电信号控制所述第一电声声音转换器和/或所述第二电声声音转换器，并且

其中，所述头戴式耳机或耳塞具有用于测量声场参数的麦克风(M)；

其特征在于

所述头戴式耳机或耳塞还设置成通过所测量的声场参数确定声场中给定的阻抗值并从中推导出电适配信号，并且基于电适配信号控制所述第二电声声音转换器，从而在修改的声场中根据阻抗信号(S_z)调节声阻抗值。

2.根据权利要求1所述的用于声音再现的头戴式耳机或耳塞，其中第一电声声音转换器和/或另一电声声音转换器的位置和/或定向借助于电信号来改变并且必要时进行调节。

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