CN1853442A - 音频频率范围的自适应 - Google Patents

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Abstract

为了改进音频信号的再现，音频信号的所选音频频率范围(I)的信号分量被集中在较窄的音频频率范围(II)。这可以通过在第一音频频率范围(I)中检测第一信号分量；在第二音频频率范围(II)中生成第二信号分量；响应第一信号分量的幅度控制第二信号分量的幅度来实现。结果，可以使用专用转换器，该专用转换器在较窄的频率范围中特别有效。原始频率范围(I)包含音频信号的较低频率信号分量(低音分量)。

Description

音频频率范围的自适应
本发明涉及音频频率范围的减少。更加具体而言，本发明涉及用于调节音频信号的频率范围的设备和方法，以及涉及在其中使用该设备和/或方法的系统。
众所周知音频频率范围是从大约20Hz到大约20kHz。当由常规的扬声器可靠地再现中频范围(大约1-10kHz)时，对于较低频率范围和较高频率范围通常需要特殊的转换器。高保真度音频系统通常包括用于再现高音频频率范围的小转换器(高频扬声器)和用于低频范围的相对大的转换器(低频扬声器)。以合适的音量如实地再现最低声频(大约20-100Hz)所需的转换器占有相当大的空间量。然而，对微型音频装置存在越来越多的需求。很显然，大转换器和小音频装置的需求是不可兼容的。
已经建议通过使用心理声学现象例如“虚螺距”来解决这个问题。通过产生低频信号分量的谐波，可能认为这些信号分量存在而实际上没有再现它们。
例如美国专利申请US6134330(Philips)公开了一种配备有用于增强音频信号的增强装置的音频系统。这些已知的增强装置包括谐波生成器，用于生成音频信号第一部分的谐波以便产生一种假象，即可感知的音频信号包括比实际上可用的频率低的频率分量。
尽管这个已知的解决方案效果十分显著，但是不能替代实际上再现低频(低音)信号分量。
因此，本发明的一个目的是克服现有技术的这些和其它问题并且提供用于再现音频信号的设备和方法，该音频信号允许更有效地再现全部音频频率范围，并且特别是再现低频信号分量。
因此，本发明提供了一种用于调节音频信号的频率范围的设备，该设备包括：
-用于在第一音频频率范围中检测第一信号分量的装置；
-用于在第二音频频率范围中生成第二信号分量的装置；以及
-用于响应第一信号分量的幅度控制第二信号分量的幅度的装置；
其中第二音频频率范围基本上窄于第一音频频率范围，并且其中转换器在第二音频频率范围上具有最大的灵敏度。
通过在基本上窄于第一频率范围的第二音频频率范围中生成第二信号分量，响应第一信号分量的幅度控制第二信号分量的幅度，音频信号的能量集中在第二频率范围中。结果，有效地减少了第一频率范围的带宽并且音频信号的能量集中在基本上较窄(第二)的范围。这具有的优点是音频信号的能量集中在转换器特别有效的范围中，从而产生更加有效的发声。
转换器的灵敏度优选地是电压灵敏度，即(输出)声压和(输入)电压的比率，尽管也可能是其它量度，例如效率，其被定义为(输出)声功率和(输入)电功率的比率。
根据本发明的带宽减少在相对低频上特别有效，因为它允许使用低频转换器，这些转换器在窄频率范围中特别有效。因此，第一频率范围优选地具有不超过200Hz，优选地不超过150Hz，更加优选地大约120Hz的上边界。
在一个优选实施例中，第二音频频率范围被包括在第一频率范围中。这意味着第二音频频率范围位于第一音频频率范围中并且在原始(第一)音频频率范围之外不产生频率。它实际上意味着第二范围是第一范围的子集。尽管当第二范围比第一范围稍微窄例如10％(即，第二范围具有减少了10％的带宽)时已经获得了本发明的有利效果，但是第二范围优选地基本上比第一范围窄50％，甚至窄更多。根据所使用的转换器的类型，第二范围十分窄并且具有仅仅几赫兹的带宽。
因此，第二音频频率范围跨越优选地小于50Hz，优选地小于10Hz，更加优选地小于5Hz。第二频率范围甚至包括仅仅单一频率，例如转换器的谐振频率。
可以预先确定第二音频频率范围。在一个特别有利的实施例中，根据本发明的设备(该设备与用于再现音频信号的转换器相连接)还包括用于基于转换器的特性来确定第二频率范围的装置。在这个实施例中，该设备能够确定转换器的特性，例如它的阻抗，并且从而调节第二频率范围。这个调节发生在实际使用该设备之前，但是也可以发生在使用该设备的期间，即这个调节是连续地发生的。
本发明还提供扬声器或转换器单元，例如音箱，该单元包括如上定义的设备。
本发明另外提供了一种用于再现音频信号的系统，例如音频(立体声)系统，该系统包括音频信号源、放大器以及能够将音频信号转换为声音的转换器，该系统还包括如上定义的设备。
另外，本发明提供了一种调节音频信号的频率范围的方法，该方法包括以下步骤：
-在第一音频频率范围中检测第一信号分量；
-在第二音频频率范围中生成第二信号分量；
-响应第一信号分量的幅度，控制第二信号分量的幅度；
其中第二音频频率范围基本上窄于第一音频频率范围，并且其中转换器在第二音频频率范围上具有最大的灵敏度。优选地，第二频率范围被包括在第一频率范围中。
下面参考附图所说明的典型实施例将进一步解释本发明，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的第一和第二频率范围；
图2示意性地示出了用于再现有限带宽信号的布置；
图3示意性地示出了根据本发明的设备的第一实施例；
图4示意性地示出了根据本发明的设备的第二实施例；
图5示意性地示出了根据本发明的方法；
图6示意性地示出了转换器的灵敏度与频率的关系。
在图1中，示意性地示出了表示音频频率分布的曲线图。曲线30表示在特定频率f(水平轴)上音频信号的幅度A(垂直轴)。如图所示，音频信号实际上不包含低于大约10Hz的信号分量。因为下面的讨论将集中在曲线30的低频部分，所以为了清楚的说明已经省略了曲线的中频和高频部分。
根据本发明，第一频率范围被映射在第二较小频率范围上，该第二较小频率范围优选地被包含在第一频率范围中。在图1的非限制性例子中，第一频率范围I是从20Hz到120Hz的范围，而第二频率范围II是大约60Hz的范围，例如55-65Hz。这个第一范围I基本上覆盖了音频信号的“低频”部分，而图1的第二范围II被选择以便对应特定的转换器(例如扬声器)并且将取决于转换器的特征。根据本发明的一个重要方面，第二范围II优选地对应转换器最有效的频率，从而产生最高的发声。
应该理解的是，第二范围II的大小(带宽)也取决于一个(或多个)转换器的特征。具有较宽频率范围(可能多个谐振频率)的转换器或转换器阵列将受益于较宽的第二范围II，在该较宽频率范围上转换器是最有效的。具有单一最有效频率(通常是谐振频率)的转换器或转换器阵列将受益于极窄的第二范围II，因为这将所有能量集中在所述单一频率中。
应该指出的是，在所示的例子中，第二范围II位于第二范围I内。这意味着第一范围I被有效地压缩并且不影响第一范围之外的频率。
限制范围I的信号到范围II存在多种方法。原理上，在该例子所示的带通滤波器集中在60Hz周围。然而，这将导致包含在第一范围I中的多数能量丢失。通过使用放大器可以重新获得该能量的一部分。图2的布置示出了具有第一带通滤波器31和放大器32的可能配置，其中滤波器具有等于第二范围II的通带。尽管这种布置可以有效地移去不包含在第二范围II中的所有频率，但是存在严重的缺点。
图2布置的主要缺点是当输入信号在第二范围之外时不产生输出信号。例如，40Hz的输入信号(见图1)将被带通滤波器31阻挡并且因此输出信号将为零。通过本发明解决这个问题。
通过图3中非限制性例子示出的根据本发明的设备1包括带通滤波器2、检测器3和乘法器4。滤波器2具有对应第一范围I的通带，因此消除了第一范围之外的所有频率。检测器3检测从滤波器2接收的信号。检测器3优选地本质上是已知的峰值检测器，但是也可以本质上是已知的包络检测器。在一个十分经济的实施例中，检测器由二极管组成。
由检测器3产生的信号表示存在于第一范围I的组合信号的幅度(见图1)。乘法器4将这个信号乘以具有频率f0的信号。由合适的生成器生成这个信号(图3中没有示出)。乘法器4的输出信号具有近似等于f0的平均频率，而它的幅度取决于包含在第一频率范围I中的信号。通过改变生成器的频率f0，可以改变平均频率并且因此改变第二音频频率范围II的位置。
应该指出的是，包含在第一范围I中的任何信号将导致产生输出信号(具有等于f0的频率)。在上述的例子中，在图2的布置中40Hz的信号将产生零输出信号。然而，本发明的上述实施例的设备的确为40Hz的输入信号产生输出信号。
在本发明的设备1的可替换实施例中(未示出)，在图3的滤波器2和检测器3之间设置可控放大器。控制信号被供应给放大器的控制输入以调节放大。控制信号C优选地等于
C＝RMS(In*H1)/RMS(In*H2)
其中In是在滤波器2的输入端上的输入信号，*是卷积符号，H1是理想转换器的转换函数并且H2是实际转换器的转换函数，而RMS(x)代表x的均方根值。声学和/或电子学领域的技术人员对于卷积、转换函数和RMS值的概念十分熟悉。这个实施例允许所检测的信号适应转换器的特性。
在图4中示出了本发明的设备1的另一实施例，其中设备1是系统10的一部分。图4的设备1包括如图3所示的带通滤波器2、检测器3和乘法器4。另外，图4的设备包括在检测器3和乘法器4之间设置的低通滤波器5。这个低通滤波器用于移去由检测产生的任何不期望的频率。图4的设备1还包括用于生成具有频率f0的信号的生成器6。
除了设备1之外，系统10还包括转换器7。这个转换器可以是合适的扬声器、谐振器或其它转换器。优选地，转换器7是在其谐振频率上驱动的扬声器。转换器7也可以由“振动器”组成，该设备通过能够使另一人振动间接地产生声音。
可选地，控制路径8存在于转换器7和生成器6之间。这个控制路径允许生成器6根据转换器参数，例如(瞬时)阻抗(或其绝对值)、转换器振动表面的实际移动和/或声压来调节频率f0(以及优选地调节相位)。本领域的技术人员将显而易见的是，使确定转换器的效率(该效率是输出功率除以输入功率)成为可能。因为效率通常随着频率f0而变化，所以频率的调整将允许最优化该效率。为此，生成器引入小的(并且可能随机的)频率变化以确定在当前值f0周围各个频率上的效率。如果在这些值的任一值上效率比较大，则可以改变f0的值。很显然，这个(任选)的自动调整特性甚至进一步增强了系统的实用性。
除了控制路径8之外或者替代控制路径8，在转换器7和带通滤波器7之间还有另一控制路径(未示出)。这个另一控制路径调节滤波器5的带宽以便确定第二音频频率范围II的带宽。
图4的系统10可选地还包括在乘法器4和转换器7之间设置的带通滤波器以消除任何不期望的高频分量。另外或可替换地，可以在乘法器4和转换器7之间设置(功率)放大器。
在上述讨论中，假设仅仅使用单一频率f0。当然这不是必需的，并且很显然可以使用两个或多个频率f0，f1等等以提供具有合适特性的第二频率范围(图1中的II)。另外或可替换地，第一频率范围I可以再分为若干子范围，每个子范围被“压缩”为其相应的第二范围。在这种情况中，第一范围也可以包括全部音频范围，大约20Hz-20KHz。即，全部音频范围被分成若干第一范围，每个第一范围集中在单个第二范围中。
图5示出了根据本发明的方法。在第一步骤51，接收一个或多个音频信号。在第二步骤52中，在有限(第一)范围I中检测信号。在第三步骤53中，在目标(第二)范围II中生成信号(图3和图4中的f0)。在第四步骤54中，根据在范围I中所检测的信号(步骤52)控制目标(第二)范围II中的信号幅度。在最后步骤中，输出最终生成的信号。
在图6中，示意性地示出了音频转换器的电压灵敏度的曲线图。在图6中示出的由转换器产生的声压电平SPL(垂直轴)随频率f(水平轴)而变化，输入电压保持常数。正如所看到的，声压电平SPL以及灵敏度H(H＝压力除以电压)的最大值是在频率f0上或在频率f0附近。根据本发明，频率f0基本上等于第二音频频率范围的平均频率(图1中的II)并且在图3和图4的实施例中基本上等于生成器的频率。根据本发明的另一方面，频率f0是转换器的谐振频率。
本发明是基于以下洞察，即将频率范围的信号分量集中在转换器最有效的相对窄的频带可以允许更加有效地使用音频信号的能量。本发明受益于另外的洞察，即如果在特定频率例如某些转换器的谐振频率上调整该某些转换器，则这些转换器能够被特别有效地使用。
应该指出的是，甚至当具有较宽(第一)频率范围的输入信号被增加到具有较窄(第二)频率范围的输出信号时仍保持本发明的有利效果，因为第二范围之外的频率分量通常不影响专用的转换器。
还应该指出的是，在本文件中使用的任何术语不应该构成对本发明范围的限制。特别地，词“包括”和“包含”不意味着排除没有特别指出的任何元件。单个(电路)元件可以用多个(电路)元件或其等效物来替代。
本领域的技术人员应该理解的是，本发明不限于上述的实施例并且在不偏离如所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下可以进行许多修改和添加。

Claims (10)

1.一种用于使音频信号的频率范围适应转换器(1)的设备(1)，该设备包括：
-用于在第一音频频率范围(I)中检测第一信号分量的装置(3)；
-用于在第二音频频率范围(II)中生成第二信号分量的装置(6)；
-用于响应第一信号分量的幅度控制第二信号分量的幅度的装置(4)；
其中第二音频频率范围(II)基本上窄于第一音频频率范围(I)，并且其中转换器(7)在第二音频频率范围(II)上具有最大的灵敏度。
2.根据权利要求1的设备，其中第二频率范围(II)被包括在第一频率范围(I)中。
3.根据权利要求1或2的设备，其中第一音频频率范围(I)具有不超过200Hz的上边界，优选地不超过150Hz，更加优选地大约120Hz。
4.根据权利要求1，2或3的设备，其中第二音频频率范围(II)跨越小于50Hz，优选地小于10Hz，更加优选地小于5Hz。
5.根据前面任一权利要求的设备，还包括用于基于转换器特性来确定第二音频频率范围(II)的装置(8)。
6.根据权利要求5的设备，其中提供用于基于转换器特性自动地调节第二频率范围(II)的装置。
7.一种扬声器或转换器单元，包括根据前面任一权利要求的设备(1)。
8.一种用于再现音频信号的系统(10)，该系统包括音频信号源、放大器和能够将音频信号转换为声音的转换器(7)，该系统还包括根据权利要求1-6中任一权利要求的设备(1)。
9.一种用于使音频信号的频率范围适应转换器(7)的方法，该方法包括以下步骤：
-在第一音频频率范围(I)中检测第一信号分量；
-在第二音频频率范围(II)中产生第二信号分量；和
-响应第一信号分量的幅度控制第二信号分量的幅度；
其中第二频率范围(II)基本上窄于第一频率范围(I)，并且其中转换器(7)在第二音频频率范围(II)上具有最大的灵敏度。
10.根据权利要求9的方法，其中第二频率范围(II)被包括在第一频率范围(I)中。
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