CN1682441A - 在音频装置中基于电阻抗的音频补偿及其方法 - Google Patents

Abstract

一种音频装置，例如无线通信手机，包括：声换能器(410)，耦合到音频补偿器(450)的已补偿音频信号输出上；失配检测电路(430)，具有耦合到该音频补偿器(450)的已补偿音频信号输出上的第一输入，该失配检测电路(430)还具有耦合到该声换能器(410)的第二输入，该失配检测电路具有一个输出，该输出相应于该声换能器的参考电气阻抗和该声换能器的实际电气阻抗之间的失配；补偿估计器(440)，具有耦合到该失配检测电路的输入，该补偿估计器还具有耦合到该音频补偿器的补偿输入的音频补偿输出。

Description

在音频装置中基于电阻抗的音频补偿及其方法

技术领域

本发明总的来说涉及电子装置中的音频补偿，更具体地涉及在经历可变声阻抗的电子装置中基于电气阻抗的音频补偿、音频补偿系统和电路及其方法，其中电子装置例如是无线通信装置。

背景技术

在无线通信手机和嵌入有在人耳附近使用的音频扬声器的其他装置中，众所周知，在外壳和用户耳朵之间的耦合中的变化会改变扬声器的声阻抗，这种变化有时也称为泄漏(leakage)。声阻抗通常是在一个表面上的声压与通过该表面的声音通量(flux)的比值，用声欧表示。在声阻抗中的变化可能导致音频质量的急剧变化，包括在音频频率响应中的变化和声响的变化，这通常是不利的。

人耳大小和形状的实质差异还影响耳戴式音频装置中的耦合，因为很难提供一种大小适合所有耳朵的耳塞(ear mount)。声音质量的变化在无线通信手机和其他音频装置中很明显，尤其是具有小波形因数的那些装置，它们只提供了有限的区域供用户把耳朵放在上面倾听。

目前，声学工程师选择扬声器、外壳和预处理电路的组合来最佳化音频质量，这通常在音频频率范围上的频率响应的平坦度和可变性上进行判断，频率范围典型地是300Hz到4kHz。

例如，名称为“Portable Electonic Device With A SpeakerAssembly”的US专利6,321,070中公开了用于产生音频频率响应的机械外壳配置，该响应相对独立于用户耳朵和手机外壳之间的耦合或漏音。

本领域技术人员在仔细考虑本发明下面的详细描述和下面描述的附图的情况下，本发明的各方面、特点和优点将更加显而易见。

附图说明

图1是示范性电子音频装置。

图2是在具有耳塞的外壳中的示范性声换能器的局部视图。

图3是一个示范性音频补偿处理流程图。

图4是一个用于检测和补偿声换能器的电气阻抗中的变化的示范性示意电路。

图5是示范性电气失配检测电路框图。

图6是对于具有密封耦合的扬声器和具有未密封耦合的扬声器来说扬声器阻抗幅度对频率的曲线图说明。

图7是示范性音频补偿处理流程图。

具体实施方式

图1是具有无线通信装置100形式的声换能器(sound transducer)的示范性电子装置，但是在其他实施例中，电子装置可以是一些其他的音频装置，例如音频声音系统或其一部分、或者音频耳机或耳机配件等。

该示范性无线通信装置100通常包括一个耦合到存储器120的处理器/DSP110，存储器120例如是ROM和RAM。处理器/DSP可以是集成电路或分立电路。示范性装置还包括无线收发信机130和显示器140，它们都耦合到处理器/DSP110。音频驱动器150和声换能器152，例如动态或压电扬声器，也耦合到该处理器/DSP110。示范性装置包括输入160，例如键盘和/或滚动装置或指针装置、麦克风等等。示范性无线装置通常还包括其他输入和输出，典型地是无线通信装置。

通常，声换能器是服从变化声阻抗特性的任意声换能器装置，这些特性依赖于它使用的方式或一些其他可变因子，例如用户耳朵相对于声换能器的邻近度，或用户耳朵和声换能器所处的外壳之间的泄漏量，这通常也称为耦合。

图2说明位于外壳210内的示范性声换能器200，该外壳210具有一个或多个端口212，声音通过这些端口从声换能器中发出。外壳210可具有一个耳塞214，用户的耳朵靠近或对着它放置以收听声换能器。外壳210可以是无线通信手机或电话接收机听筒或音频耳机的外壳。

通常根据本发明，在图3中，在框310，声换能器的电阻抗响应于声换能器的声阻抗中的变化而变化。声阻抗例如可以基于物体或用户与声换能器的邻近度而改变。在框320，检测随着声换能器的变化电阻抗而变化的电气参数，例如用电失配检测电路来测量或评估这种变化声阻抗。

在与扬声器的声阻抗中的变化相关的电气参数中所测量的变化通常用作控制信号的基础。在图3的一个实施例中，在框330，基于变化的电气参数通过改变发送到声换能器的音频信号的电气特性来补偿声阻抗中的变化，例如基于检测的电气参数可以补偿发送到扬声器的音频信号的频率响应和/或增益。

在一个实施例中，通过产生一个指示声换能器的参考电阻抗和声换能器的实际电阻抗之间的失配的电信号来测量或检测随着声换能器的变化电阻抗(和变化的声阻抗)而变化的电气参数。

图4是用于检测和补偿电阻抗中的变化的示范性电路400的示意图。示范性电路包括声换能器410，其具有一个音频信号输入，该输入典型地耦合到一个音频信号源，例如音频放大器420的输出。失配检测电路430具有一个输入，该输入耦合到该声换能器的输入，该失配检测电路430还包括一个输出，该输出随着该声换能器的电阻抗的变化而变化。

在图1的示范性实施例中，示范性电子装置100包括一个失配检测电路170，该失配检测电路具有一个输出，该输出相应于该声换能器的电阻抗中的变化。并且音频信号源自处理器/DSP110，并且音频驱动器150把信号放大给扬声器152。

在图4中，失配检测电路430的输出通常用作控制信号，例如用来基于声换能器电阻抗中的变化来补偿发送给该声换能器的音频信号。作为替换，该失配检测电路的输出可以用于控制一些其他操作，例如它可以基于检测到电阻抗中的变化来控制电话免提扬声器的模式，该电阻抗中的变化相应于声阻抗中的变化，而该声阻抗的变化依赖于用户对着麦克风讲话的邻近度。在该示范性实施例中，该失配检测电路实际上作为邻近度检测器操作。

图5是示范性失配检测电路500的更具体实施例，失配检测电路500通常包括信号输入501，该输入耦合到一个信号源，例如音频放大器电路510的输出。该失配检测电路包括运算放大器520，其反相输入522通过输入电阻502耦合到信号输入501。该运算放大器的反相输入522还通过反馈电阻504耦合到其输出524。该运算放大器的同相输入526耦合到声换能器530。该声换能器530和该运算放大器520的同相输入526都通过阻抗装置540耦合到信号输入501。在其他实施例中，对于扬声器阻抗等于参考阻抗的情况，该失配检测电路输出可以具有一些其他值。

示范性失配检测电路500检测声换能器530的电阻抗中的变化，例如由于声阻抗中的变化所造成的电阻抗中的变化，而该声阻抗的变化是声换能器和用户耳朵之间的耦合变化或一些其他物体邻近度的变化引起的。在一个实施例中，选择输入电阻502、反馈电阻504和阻抗装置540的值，以便当扬声器530的阻抗等于参考阻抗时，例如当该声换能器的电阻抗等于其预期阻抗时，对于该音频声音装置530的参考阻抗，该运算放大器520具有一个零输出。

在公知的声环境中，例如当它很好地耦合到用户耳朵时，该预期阻抗是声换能器的固有电阻抗。当声环境改变时，例如当像用户耳朵这样的物体朝着或远离该声换能器移动时，该声换能器的电阻抗将会变化。在声换能器是动态扬声器的实施例中，它的阻抗基本上是电阻性的。在声换能器是压电装置的实施例中，其阻抗基本上是电容性的。

在一个实施例中，阻抗装置540的阻抗与声换能器的预期电阻抗(Z)以1/n相关。优选地选择值n以便在阻抗装置两端的电压降不太大，例如n＝9。在该示范性实施例中，反馈阻抗504具有一个值，该值以同样的因子n与输入电阻502相关。在该示范性实施例中，增加因子n会增加该失配检测电路的灵敏度，但是会以衰减应用于该扬声器的音频信号为代价。因此，必须根据特定应用的要求达成折衷。选择n＝10将使音频信号衰减大约10％，这对于音频应用来说是可以接受的。对于一些邻近度检测器应用，可能希望增加该失配检测电路的灵敏度。

扬声器阻抗中的变化和失配检测电路的输出之间的关系如下。假定，在运算放大器的反相输入的输入阻抗较高，由R和nR形成的分压器在运算放大器的反相输入522处产生下面的电压：

$v_{-}=v_1+\frac{R}{R+\mathrm{nR}}(v_0-v_1)=v_1+\frac{1}{n+1}(v_0-v_1)\⇒v_0=(n+1)v_{-}-n{v}_1---\left(1\right)$

由于负反馈以及假定运算放大器有较高开环增益，那么可以得到下式：

v_＝v₊＝v₂    (2)

∴v₀＝(n+1)v₂-nv₁

如果实际的扬声器阻抗是Z，那么由Z/n和Z形成的分压器在运算放大器的同相输入526产生下面的电压：

$v_2=\frac{Z}{Z+\frac{Z}{n}}{v}_1=\frac{n}{n+1}{v}_1---\left(3\right)$

当阻抗匹配时该运算放大器的输出电压为：

$v_0=(n+1)v_2-n{v}_1=(n+1)\frac{n}{n+1}{v}_1-n{v}_1=0---\left(4\right)$

在实际扬声器阻抗是kZ而不是Z的阻抗失配情况中(对于匹配阻抗，k＝1)：

$v_0=(n+1)v_2-n{v}_1=(n+1)\frac{k}{k+\frac{1}{n}}{v}_1-n{v}_1=\frac{k-1}{k+\frac{1}{n}}{v}_1---\left(5\right)$

如果 $k>>\frac{1}{n},$ 那么 $v_0\≅(1-\frac{1}{k})v_1---\left(6\right)$

失配检测电路500通过在运算放大器520的输出产生一个电压来确定声换能器的电阻抗中的变化，该电压相应于声换能器的实际电阻抗和声换能器的参考电阻抗之间的失配。运算放大器的输出随着声换能器的电阻抗中的变化而变化，而声换能器中的电阻抗又随着其声阻抗中的变化而变化。在其他实施例中，可以使用其他电路来检测声换能器的电阻抗中的变化。

在一个实施例中，如下面更全面的讨论，通过在一个或多个特定频率上输入测试音给该信号输入来进行在操作期间声换能器的实际电阻抗的测量，这些频率例如是阻抗变化最明显的地方。在无线通信手机和其他音频应用中，一些测试音可能会给用户带来麻烦，因此可能希望选择具有低幅度和/或短持续时间的测试音，以避免打扰用户。在其他实施例中，使用用户打算听的实际音频信号来确定阻抗失配。

在一个实施例中，在图4中，失配检测电路的输出耦合到补偿估计器440，补偿估计器440基于失配检测电路430的输出确定音频信号补偿。在一个实施例中，补偿估计器440基于经验音频信号补偿数据来确定对于特定期望频率响应特性的音频信号补偿，经验音频信号补偿数据与所检测的电气参数的变化相关，而电气参数随着扬声器的变化声阻抗而变化。该信息可以存储在装置上的存储器中，例如在一个查找表中。这样，该补偿估计器可以选择用于所检测失配的适当音频补偿。

图6是对于具有密封耦合(sealed coupling)和开放耦合(opencoupling)的扬声器而言扬声器阻抗幅度对频率的曲线图说明。该曲线图说明，对于这种特定的扬声器，在密封和非密封声环境条件下电阻抗在一些频率的变化比在其它频率的变化大。这种经验信息可以基于来自阻抗失配检测电路的可变电气参数来形成产生提供期望的频率响应所需要的音频信号补偿信息的基础。图6还说明，在一些实施例中，电阻抗只在特定频率或很窄的频率范围改变明显。在这些频率上电阻抗改变将会对声环境变化给出很好的指示。

在图4中，补偿估计器440具有一个输出，该输出耦合到音频补偿器450上。该音频补偿器具有一个音频补偿输出，该音频补偿输出耦合到音频放大器420的输入上，然后耦合到声换能器410和阻抗失配检测电路430上。在一个实施例中，音频补偿器是具有可调频率响应和增益的可编程数字滤波器。在一个实施例中，该补偿估计器和该音频补偿器的功能可以通过数字信号处理器(DSP)以软件实现，但是在其他实施例中可以以等效的硬件和/或硬件和软件组合来实现。

图4的示范性电路还可以从其它部件处得到好处，这些部件使得它在所感兴趣的频率上有更多频率选择性，例如通过在A/D转换器转换音频信号之前用一个防混叠滤波器对该音频信号滤波。

图7是一个用于补偿在具有声换能器的耳戴式装置中的音频信号的示范性处理流程图700，该声换能器对由于改变应用于其上的负载而导致的可变声阻抗敏感，其实例就是上面所讨论的。在框710，例如通过DSP在感兴趣的一个或多个频率计算发送给扬声器的音频信号的成分，这些频率优选地至少是电阻抗中的变化最明显的那些频率。在图4中，音频信号A₀是发送给音频放大器420的信号。

在图7中，在该一个或多个感兴趣的频率上计算从失配检测器返回的信号A_R的成分。在图4中，该返回信号A_R是失配检测电路430输出的信号。

在图7中，在框730，基于A_R/A₀的比率来估计阻抗中的变化，或泄漏量，这可以通过DSP计算，DSP例如是在图4中的补偿估计器440。在图7中，在框740，基于阻抗中的变化或估计的泄漏量来确定音频信号补偿。在图4中，通过或在补偿估计器440确定音频补偿。基于之前产生的经验结果确定该音频补偿，所产生的经验结果与几种声耦合环境的阻抗中的测量变化和频率响应特性相关。

在图7中，在框750，对于一个期望的频率响应，可以从一个数据库或查找表中选择滤波器系数，并且在框760，在可编程滤波器中加载该新的滤波器系数。滤波器系数的选择和滤波器的编程可以通过一个DSP来执行，例如在图4的补偿估计器框440和滤波器框450。发送给扬声器的音频信号就这样基于与该扬声器的声阻抗中的变化相应的电阻抗中的变化进行动态补偿。

在无线通信手机和其他耳戴式音频应用中，本发明的自适应音频补偿方法优选地与有效的声设计组合使用。

尽管已经以一种建立发明人对本发明的拥有以及有助于本领域技术人员制造和使用本发明的方式描述了本发明以及目前被认为是其最佳的模式，但是应该理解并且认识到，有许多等效于在此公开的示范性实施例的方式，并且可以对其进行大量的修改和变形而不脱离本发明的范围和精神，本发明不受示范性实施例而是受所附的权利要求的限制。

Claims (22)

1.一种在具有耳戴式声换能器的电子装置中的方法，其包括：

确定随着所述声换能器中的声阻抗的变化而变化的电气参数中的变化；

基于所述电气参数中的变化确定音频信号补偿；

基于所述音频信号补偿来动态补偿发送给所述声换能器的音频信号。

2.如权利要求1所述的方法，基于发送给所述声换能器的音频语音信号为至少一个频率确定电气参数中的变化。

3.如权利要求1所述的方法，通过产生一个电压来确定所述电气参数中的变化，所述电压相应于所述声换能器的实际电阻抗和所述声换能器的参考电阻抗之间的失配。

4.如权利要求3所述的方法，至少在所述实际电阻抗和所述参考电压阻抗之间的失配最大的频率上确定所述电气参数中的变化。

5.如权利要求1所述的方法，基于经验音频信号补偿数据对于特定频率响应确定所述音频信号补偿，所述经验音频信号补偿数据与所述电气参数中的变化相关。

6.如权利要求1所述的方法，基于所述音频信号补偿，通过改变发送到所述声换能器的音频信号的频率响应或增益的至少一部分，来补偿发送给所述声换能器的音频信号。

7.如权利要求1所述的方法，基于所述声换能器的电阻抗相对于所述声换能器的参考阻抗的变化来确定所述电气参数中的变化。

8.如权利要求1所述的方法，通过改变所述声换能器的声阻抗来改变所述声换能器的电阻抗。

9.一种在具有耳戴式声换能器的电子装置中的方法，其包括：

通过改变所述声换能器的声阻抗改变所述声换能器的电阻抗；

测量随着所述声换能器的变化电阻抗变化的电气参数；

基于所述电气参数，通过改变发送给所述声换能器的音频信号的电阻抗来动态补偿所述变化声阻抗。

10.如权利要求9所述的方法，基于发送给所述声换能器的语音信号测量所述电气参数，所述电气参数对于至少一个频率随着所述声换能器的变化电阻抗变化。

11.如权利要求9所述的方法，通过改变所述频率响应或所述音频信号的增益的至少一部分来改变发送给所述声换能器的音频信号的电阻抗。

12.如权利要求9所述的方法，通过产生表示所述声换能器的参考电阻抗和所述声换能器的实际电阻抗之间的失配的电信号来测量所述电气参数，其中所述电气参数随着所述声换能器的变化电阻抗而变化。

13.如权利要求12所述的方法，基于预先与所述测量电气参数相关的经验音频信号补偿数据来改变发送给所述声换能器的音频信号的电气特性。

14.一种音频电子装置，包括：

音频补偿器，具有音频信号输入和已补偿音频信号输出；

声换能器，耦合到所述音频补偿器的已补偿信号输出上；

失配检测电路，具有耦合到所述音频补偿器的已补偿音频信号输出的第一输入，所述失配检测电路还具有耦合到所述声换能器的第二输入；

所述失配检测电路具有一个输出，该输出相应于所述声换能器的参考电阻抗和所述声换能器的实际电阻抗之间的失配；

补偿估计器，具有耦合到所述失配检测电路的输出的输入，所述补偿估计器具有耦合到所述音频补偿器的补偿输入的音频补偿输出。

15.如权利要求14所述的电子装置，包括：

将所述声换能器和所述音频补偿器的已补偿音频信号输出相互连接的阻抗装置；

所述失配检测电路包括：运算放大器，所述放大器的反相输入通过输入电阻耦合到所述音频补偿器的已补偿音频信号输出上；反馈电阻，所述反馈电阻把所述运算放大器的输出与所述运算放大器的反相输入相互连接，并且所述运算放大器的同相输入耦合到所述声换能器。

16.如权利要求15所述的电子装置，所述阻抗装置具有小于所述声换能器的参考阻抗的电阻抗。

17.如权利要求14所述的电子装置，其是一个无线通信装置，包括耦合到存储器的处理器，耦合到所述处理器的收发信机，耦合到所述处理器的多个输入，耦合到所述处理器的数字信号处理器，所述音频补偿器和所述估计器电路是所述数字信号处理器的一部分。

18.如权利要求14所述的电子装置，所述音频补偿器是具有可调频率响应和增益的数字滤波器。

19.如权利要求14所述的电子装置，包括外壳，所述声换能器位于所述外壳中。

20.一种电子装置，其包括：

声换能器，具有信号输入；

运算放大器，具有输出以及反相和同相输入，所述运算放大器的反相输入耦合到第一电阻，所述运算放大器的同相输入耦合到所述声换能器的信号输入；

反馈电阻，把所述运算放大器的输出和所述运算放大器的反相输入相互连接；

阻抗装置，与所述声换能器的信号输入和所述运算放大器的反相输入之间的所述第一电阻串联。

21.一种在具有声换能器的电子装置中的方法，其包括：

通过改变所述声换能器的声阻抗来改变所述声换能器的电阻抗；

测量随着所述声换能器的变化电阻抗而变化的电气参数；

基于所述电气参数提供控制信号。

22.如权利要求21所述的方法，响应于物体相对于所述声换能器移动而改变所述声换能器的声阻抗。

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