專利名稱：音頻頻率范圍的自適應(yīng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音頻頻率范圍的減少。更加具體而言，本發(fā)明涉及用于調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的頻率范圍的設(shè)備和方法，以及涉及在其中使用該設(shè)備和/或方法的系統(tǒng)。
眾所周知音頻頻率范圍是從大約20Hz到大約20kHz。當(dāng)由常規(guī)的揚(yáng)聲器可靠地再現(xiàn)中頻范圍(大約1-10kHz)時(shí)，對(duì)于較低頻率范圍和較高頻率范圍通常需要特殊的轉(zhuǎn)換器。高保真度音頻系統(tǒng)通常包括用于再現(xiàn)高音頻頻率范圍的小轉(zhuǎn)換器(高頻揚(yáng)聲器)和用于低頻范圍的相對(duì)大的轉(zhuǎn)換器(低頻揚(yáng)聲器)。以合適的音量如實(shí)地再現(xiàn)最低聲頻(大約20-100Hz)所需的轉(zhuǎn)換器占有相當(dāng)大的空間量。然而，對(duì)微型音頻裝置存在越來(lái)越多的需求。很顯然，大轉(zhuǎn)換器和小音頻裝置的需求是不可兼容的。
已經(jīng)建議通過使用心理聲學(xué)現(xiàn)象例如“虛螺距”來(lái)解決這個(gè)問題。通過產(chǎn)生低頻信號(hào)分量的諧波，可能認(rèn)為這些信號(hào)分量存在而實(shí)際上沒有再現(xiàn)它們。
例如美國(guó)專利申請(qǐng)US6134330(Philips)公開了一種配備有用于增強(qiáng)音頻信號(hào)的增強(qiáng)裝置的音頻系統(tǒng)。這些已知的增強(qiáng)裝置包括諧波生成器，用于生成音頻信號(hào)第一部分的諧波以便產(chǎn)生一種假象，即可感知的音頻信號(hào)包括比實(shí)際上可用的頻率低的頻率分量。
盡管這個(gè)已知的解決方案效果十分顯著，但是不能替代實(shí)際上再現(xiàn)低頻(低音)信號(hào)分量。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的這些和其它問題并且提供用于再現(xiàn)音頻信號(hào)的設(shè)備和方法，該音頻信號(hào)允許更有效地再現(xiàn)全部音頻頻率范圍，并且特別是再現(xiàn)低頻信號(hào)分量。
因此，本發(fā)明提供了一種用于調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的頻率范圍的設(shè)備，該設(shè)備包括-用于在第一音頻頻率范圍中檢測(cè)第一信號(hào)分量的裝置；-用于在第二音頻頻率范圍中生成第二信號(hào)分量的裝置；以及-用于響應(yīng)第一信號(hào)分量的幅度控制第二信號(hào)分量的幅度的裝置；
其中第二音頻頻率范圍基本上窄于第一音頻頻率范圍，并且其中轉(zhuǎn)換器在第二音頻頻率范圍上具有最大的靈敏度。
通過在基本上窄于第一頻率范圍的第二音頻頻率范圍中生成第二信號(hào)分量，響應(yīng)第一信號(hào)分量的幅度控制第二信號(hào)分量的幅度，音頻信號(hào)的能量集中在第二頻率范圍中。結(jié)果，有效地減少了第一頻率范圍的帶寬并且音頻信號(hào)的能量集中在基本上較窄(第二)的范圍。這具有的優(yōu)點(diǎn)是音頻信號(hào)的能量集中在轉(zhuǎn)換器特別有效的范圍中，從而產(chǎn)生更加有效的發(fā)聲。
轉(zhuǎn)換器的靈敏度優(yōu)選地是電壓靈敏度，即(輸出)聲壓和(輸入)電壓的比率，盡管也可能是其它量度，例如效率，其被定義為(輸出)聲功率和(輸入)電功率的比率。
根據(jù)本發(fā)明的帶寬減少在相對(duì)低頻上特別有效，因?yàn)樗试S使用低頻轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器在窄頻率范圍中特別有效。因此，第一頻率范圍優(yōu)選地具有不超過200Hz，優(yōu)選地不超過150Hz，更加優(yōu)選地大約120Hz的上邊界。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二音頻頻率范圍被包括在第一頻率范圍中。這意味著第二音頻頻率范圍位于第一音頻頻率范圍中并且在原始(第一)音頻頻率范圍之外不產(chǎn)生頻率。它實(shí)際上意味著第二范圍是第一范圍的子集。盡管當(dāng)?shù)诙秶鹊谝环秶晕⒄?0％(即，第二范圍具有減少了10％的帶寬)時(shí)已經(jīng)獲得了本發(fā)明的有利效果，但是第二范圍優(yōu)選地基本上比第一范圍窄50％，甚至窄更多。根據(jù)所使用的轉(zhuǎn)換器的類型，第二范圍十分窄并且具有僅僅幾赫茲的帶寬。
因此，第二音頻頻率范圍跨越優(yōu)選地小于50Hz，優(yōu)選地小于10Hz，更加優(yōu)選地小于5Hz。第二頻率范圍甚至包括僅僅單一頻率，例如轉(zhuǎn)換器的諧振頻率。
可以預(yù)先確定第二音頻頻率范圍。在一個(gè)特別有利的實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備(該設(shè)備與用于再現(xiàn)音頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換器相連接)還包括用于基于轉(zhuǎn)換器的特性來(lái)確定第二頻率范圍的裝置。在這個(gè)實(shí)施例中，該設(shè)備能夠確定轉(zhuǎn)換器的特性，例如它的阻抗，并且從而調(diào)節(jié)第二頻率范圍。這個(gè)調(diào)節(jié)發(fā)生在實(shí)際使用該設(shè)備之前，但是也可以發(fā)生在使用該設(shè)備的期間，即這個(gè)調(diào)節(jié)是連續(xù)地發(fā)生的。
本發(fā)明還提供揚(yáng)聲器或轉(zhuǎn)換器單元，例如音箱，該單元包括如上定義的設(shè)備。
本發(fā)明另外提供了一種用于再現(xiàn)音頻信號(hào)的系統(tǒng)，例如音頻(立體聲)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括音頻信號(hào)源、放大器以及能夠?qū)⒁纛l信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音的轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)還包括如上定義的設(shè)備。
另外，本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的頻率范圍的方法，該方法包括以下步驟-在第一音頻頻率范圍中檢測(cè)第一信號(hào)分量；-在第二音頻頻率范圍中生成第二信號(hào)分量；-響應(yīng)第一信號(hào)分量的幅度，控制第二信號(hào)分量的幅度；其中第二音頻頻率范圍基本上窄于第一音頻頻率范圍，并且其中轉(zhuǎn)換器在第二音頻頻率范圍上具有最大的靈敏度。優(yōu)選地，第二頻率范圍被包括在第一頻率范圍中。
下面參考附圖所說(shuō)明的典型實(shí)施例將進(jìn)一步解釋本發(fā)明，其中

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一和第二頻率范圍；圖2示意性地示出了用于再現(xiàn)有限帶寬信號(hào)的布置；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實(shí)施例；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施例；圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的方法；圖6示意性地示出了轉(zhuǎn)換器的靈敏度與頻率的關(guān)系。
在圖1中，示意性地示出了表示音頻頻率分布的曲線圖。曲線30表示在特定頻率f(水平軸)上音頻信號(hào)的幅度A(垂直軸)。如圖所示，音頻信號(hào)實(shí)際上不包含低于大約10Hz的信號(hào)分量。因?yàn)橄旅娴挠懻搶⒓性谇€30的低頻部分，所以為了清楚的說(shuō)明已經(jīng)省略了曲線的中頻和高頻部分。
根據(jù)本發(fā)明，第一頻率范圍被映射在第二較小頻率范圍上，該第二較小頻率范圍優(yōu)選地被包含在第一頻率范圍中。在圖1的非限制性例子中，第一頻率范圍I是從20Hz到120Hz的范圍，而第二頻率范圍II是大約60Hz的范圍，例如55-65Hz。這個(gè)第一范圍I基本上覆蓋了音頻信號(hào)的“低頻”部分，而圖1的第二范圍II被選擇以便對(duì)應(yīng)特定的轉(zhuǎn)換器(例如揚(yáng)聲器)并且將取決于轉(zhuǎn)換器的特征。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要方面，第二范圍II優(yōu)選地對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器最有效的頻率，從而產(chǎn)生最高的發(fā)聲。
應(yīng)該理解的是，第二范圍II的大小(帶寬)也取決于一個(gè)(或多個(gè))轉(zhuǎn)換器的特征。具有較寬頻率范圍(可能多個(gè)諧振頻率)的轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器陣列將受益于較寬的第二范圍II，在該較寬頻率范圍上轉(zhuǎn)換器是最有效的。具有單一最有效頻率(通常是諧振頻率)的轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器陣列將受益于極窄的第二范圍II，因?yàn)檫@將所有能量集中在所述單一頻率中。
應(yīng)該指出的是，在所示的例子中，第二范圍II位于第二范圍I內(nèi)。這意味著第一范圍I被有效地壓縮并且不影響第一范圍之外的頻率。
限制范圍I的信號(hào)到范圍II存在多種方法。原理上，在該例子所示的帶通濾波器集中在60Hz周圍。然而，這將導(dǎo)致包含在第一范圍I中的多數(shù)能量丟失。通過使用放大器可以重新獲得該能量的一部分。圖2的布置示出了具有第一帶通濾波器31和放大器32的可能配置，其中濾波器具有等于第二范圍II的通帶。盡管這種布置可以有效地移去不包含在第二范圍II中的所有頻率，但是存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)。
圖2布置的主要缺點(diǎn)是當(dāng)輸入信號(hào)在第二范圍之外時(shí)不產(chǎn)生輸出信號(hào)。例如，40Hz的輸入信號(hào)(見圖1)將被帶通濾波器31阻擋并且因此輸出信號(hào)將為零。通過本發(fā)明解決這個(gè)問題。
通過圖3中非限制性例子示出的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備1包括帶通濾波器2、檢測(cè)器3和乘法器4。濾波器2具有對(duì)應(yīng)第一范圍I的通帶，因此消除了第一范圍之外的所有頻率。檢測(cè)器3檢測(cè)從濾波器2接收的信號(hào)。檢測(cè)器3優(yōu)選地本質(zhì)上是已知的峰值檢測(cè)器，但是也可以本質(zhì)上是已知的包絡(luò)檢測(cè)器。在一個(gè)十分經(jīng)濟(jì)的實(shí)施例中，檢測(cè)器由二極管組成。
由檢測(cè)器3產(chǎn)生的信號(hào)表示存在于第一范圍I的組合信號(hào)的幅度(見圖1)。乘法器4將這個(gè)信號(hào)乘以具有頻率f0的信號(hào)。由合適的生成器生成這個(gè)信號(hào)(圖3中沒有示出)。乘法器4的輸出信號(hào)具有近似等于f0的平均頻率，而它的幅度取決于包含在第一頻率范圍I中的信號(hào)。通過改變生成器的頻率f0，可以改變平均頻率并且因此改變第二音頻頻率范圍II的位置。
應(yīng)該指出的是，包含在第一范圍I中的任何信號(hào)將導(dǎo)致產(chǎn)生輸出信號(hào)(具有等于f0的頻率)。在上述的例子中，在圖2的布置中40Hz的信號(hào)將產(chǎn)生零輸出信號(hào)。然而，本發(fā)明的上述實(shí)施例的設(shè)備的確為40Hz的輸入信號(hào)產(chǎn)生輸出信號(hào)。
在本發(fā)明的設(shè)備1的可替換實(shí)施例中(未示出)，在圖3的濾波器2和檢測(cè)器3之間設(shè)置可控放大器?？刂菩盘?hào)被供應(yīng)給放大器的控制輸入以調(diào)節(jié)放大。控制信號(hào)C優(yōu)選地等于C＝RMS(In*H1)/RMS(In*H2)其中In是在濾波器2的輸入端上的輸入信號(hào)，*是卷積符號(hào)，H1是理想轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換函數(shù)并且H2是實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，而RMS(x)代表x的均方根值。聲學(xué)和/或電子學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)于卷積、轉(zhuǎn)換函數(shù)和RMS值的概念十分熟悉。這個(gè)實(shí)施例允許所檢測(cè)的信號(hào)適應(yīng)轉(zhuǎn)換器的特性。
在圖4中示出了本發(fā)明的設(shè)備1的另一實(shí)施例，其中設(shè)備1是系統(tǒng)10的一部分。圖4的設(shè)備1包括如圖3所示的帶通濾波器2、檢測(cè)器3和乘法器4。另外，圖4的設(shè)備包括在檢測(cè)器3和乘法器4之間設(shè)置的低通濾波器5。這個(gè)低通濾波器用于移去由檢測(cè)產(chǎn)生的任何不期望的頻率。圖4的設(shè)備1還包括用于生成具有頻率f0的信號(hào)的生成器6。
除了設(shè)備1之外，系統(tǒng)10還包括轉(zhuǎn)換器7。這個(gè)轉(zhuǎn)換器可以是合適的揚(yáng)聲器、諧振器或其它轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換器7是在其諧振頻率上驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器。轉(zhuǎn)換器7也可以由“振動(dòng)器”組成，該設(shè)備通過能夠使另一人振動(dòng)間接地產(chǎn)生聲音。
可選地，控制路徑8存在于轉(zhuǎn)換器7和生成器6之間。這個(gè)控制路徑允許生成器6根據(jù)轉(zhuǎn)換器參數(shù)，例如(瞬時(shí))阻抗(或其絕對(duì)值)、轉(zhuǎn)換器振動(dòng)表面的實(shí)際移動(dòng)和/或聲壓來(lái)調(diào)節(jié)頻率f0(以及優(yōu)選地調(diào)節(jié)相位)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見的是，使確定轉(zhuǎn)換器的效率(該效率是輸出功率除以輸入功率)成為可能。因?yàn)樾释ǔｋS著頻率f0而變化，所以頻率的調(diào)整將允許最優(yōu)化該效率。為此，生成器引入小的(并且可能隨機(jī)的)頻率變化以確定在當(dāng)前值f0周圍各個(gè)頻率上的效率。如果在這些值的任一值上效率比較大，則可以改變f0的值。很顯然，這個(gè)(任選)的自動(dòng)調(diào)整特性甚至進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。
除了控制路徑8之外或者替代控制路徑8，在轉(zhuǎn)換器7和帶通濾波器7之間還有另一控制路徑(未示出)。這個(gè)另一控制路徑調(diào)節(jié)濾波器5的帶寬以便確定第二音頻頻率范圍II的帶寬。
圖4的系統(tǒng)10可選地還包括在乘法器4和轉(zhuǎn)換器7之間設(shè)置的帶通濾波器以消除任何不期望的高頻分量。另外或可替換地，可以在乘法器4和轉(zhuǎn)換器7之間設(shè)置(功率)放大器。
在上述討論中，假設(shè)僅僅使用單一頻率f0。當(dāng)然這不是必需的，并且很顯然可以使用兩個(gè)或多個(gè)頻率f0，f1等等以提供具有合適特性的第二頻率范圍(圖1中的II)。另外或可替換地，第一頻率范圍I可以再分為若干子范圍，每個(gè)子范圍被“壓縮”為其相應(yīng)的第二范圍。在這種情況中，第一范圍也可以包括全部音頻范圍，大約20Hz-20KHz。即，全部音頻范圍被分成若干第一范圍，每個(gè)第一范圍集中在單個(gè)第二范圍中。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的方法。在第一步驟51，接收一個(gè)或多個(gè)音頻信號(hào)。在第二步驟52中，在有限(第一)范圍I中檢測(cè)信號(hào)。在第三步驟53中，在目標(biāo)(第二)范圍II中生成信號(hào)(圖3和圖4中的f0)。在第四步驟54中，根據(jù)在范圍I中所檢測(cè)的信號(hào)(步驟52)控制目標(biāo)(第二)范圍II中的信號(hào)幅度。在最后步驟中，輸出最終生成的信號(hào)。
在圖6中，示意性地示出了音頻轉(zhuǎn)換器的電壓靈敏度的曲線圖。在圖6中示出的由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的聲壓電平SPL(垂直軸)隨頻率f(水平軸)而變化，輸入電壓保持常數(shù)。正如所看到的，聲壓電平SPL以及靈敏度H(H＝壓力除以電壓)的最大值是在頻率f0上或在頻率f0附近。根據(jù)本發(fā)明，頻率f0基本上等于第二音頻頻率范圍的平均頻率(圖1中的II)并且在圖3和圖4的實(shí)施例中基本上等于生成器的頻率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，頻率f0是轉(zhuǎn)換器的諧振頻率。
本發(fā)明是基于以下洞察，即將頻率范圍的信號(hào)分量集中在轉(zhuǎn)換器最有效的相對(duì)窄的頻帶可以允許更加有效地使用音頻信號(hào)的能量。本發(fā)明受益于另外的洞察，即如果在特定頻率例如某些轉(zhuǎn)換器的諧振頻率上調(diào)整該某些轉(zhuǎn)換器，則這些轉(zhuǎn)換器能夠被特別有效地使用。
應(yīng)該指出的是，甚至當(dāng)具有較寬(第一)頻率范圍的輸入信號(hào)被增加到具有較窄(第二)頻率范圍的輸出信號(hào)時(shí)仍保持本發(fā)明的有利效果，因?yàn)榈诙秶獾念l率分量通常不影響專用的轉(zhuǎn)換器。
還應(yīng)該指出的是，在本文件中使用的任何術(shù)語(yǔ)不應(yīng)該構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。特別地，詞“包括”和“包含”不意味著排除沒有特別指出的任何元件。單個(gè)(電路)元件可以用多個(gè)(電路)元件或其等效物來(lái)替代。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例并且在不偏離如所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明范圍的情況下可以進(jìn)行許多修改和添加。
權(quán)利要求
1.一種用于使音頻信號(hào)的頻率范圍適應(yīng)轉(zhuǎn)換器(1)的設(shè)備(1)，該設(shè)備包括-用于在第一音頻頻率范圍(I)中檢測(cè)第一信號(hào)分量的裝置(3)；-用于在第二音頻頻率范圍(II)中生成第二信號(hào)分量的裝置(6)；-用于響應(yīng)第一信號(hào)分量的幅度控制第二信號(hào)分量的幅度的裝置(4)；其中第二音頻頻率范圍(II)基本上窄于第一音頻頻率范圍(I)，并且其中轉(zhuǎn)換器(7)在第二音頻頻率范圍(II)上具有最大的靈敏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中第二頻率范圍(II)被包括在第一頻率范圍(I)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中第一音頻頻率范圍(I)具有不超過200Hz的上邊界，優(yōu)選地不超過150Hz，更加優(yōu)選地大約120Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的設(shè)備，其中第二音頻頻率范圍(II)跨越小于50Hz，優(yōu)選地小于10Hz，更加優(yōu)選地小于5Hz。
5.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的設(shè)備，還包括用于基于轉(zhuǎn)換器特性來(lái)確定第二音頻頻率范圍(II)的裝置(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中提供用于基于轉(zhuǎn)換器特性自動(dòng)地調(diào)節(jié)第二頻率范圍(II)的裝置。
7.一種揚(yáng)聲器或轉(zhuǎn)換器單元，包括根據(jù)前面任一權(quán)利要求的設(shè)備(1)。
8.一種用于再現(xiàn)音頻信號(hào)的系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)包括音頻信號(hào)源、放大器和能夠?qū)⒁纛l信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音的轉(zhuǎn)換器(7)，該系統(tǒng)還包括根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求的設(shè)備(1)。
9.一種用于使音頻信號(hào)的頻率范圍適應(yīng)轉(zhuǎn)換器(7)的方法，該方法包括以下步驟-在第一音頻頻率范圍(I)中檢測(cè)第一信號(hào)分量；-在第二音頻頻率范圍(II)中產(chǎn)生第二信號(hào)分量；和-響應(yīng)第一信號(hào)分量的幅度控制第二信號(hào)分量的幅度；其中第二頻率范圍(II)基本上窄于第一頻率范圍(I)，并且其中轉(zhuǎn)換器(7)在第二音頻頻率范圍(II)上具有最大的靈敏度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中第二頻率范圍(II)被包括在第一頻率范圍(I)中。
全文摘要
為了改進(jìn)音頻信號(hào)的再現(xiàn)，音頻信號(hào)的所選音頻頻率范圍(I)的信號(hào)分量被集中在較窄的音頻頻率范圍(II)。這可以通過在第一音頻頻率范圍(I)中檢測(cè)第一信號(hào)分量；在第二音頻頻率范圍(II)中生成第二信號(hào)分量；響應(yīng)第一信號(hào)分量的幅度控制第二信號(hào)分量的幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，可以使用專用轉(zhuǎn)換器，該專用轉(zhuǎn)換器在較窄的頻率范圍中特別有效。原始頻率范圍(I)包含音頻信號(hào)的較低頻率信號(hào)分量(低音分量)。
文檔編號(hào)H04R29/00GK1853442SQ200480026644
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者R·M·阿特斯, O·奧維特杰斯, D·W·E·肖本 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司