專利名稱：音頻頻率范圍的自適應的制作方法
技術領域：
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)音頻信號的頻率范圍的設備和方法，以及涉及在其中使用該設備和/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。當由常規(guī)的揚聲器可靠地再現(xiàn)中頻范圍(大約1-10kHz)時，對于較低頻率范圍和較高頻率范圍通常需要特殊的轉換器。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換器(高頻揚聲器)和用于低頻范圍的相對大的轉換器(低頻揚聲器)。以合適的音量如實地再現(xiàn)最低聲頻(大約20-100Hz)所需的轉換器占有相當大的空間量。然而，對微型音頻裝置存在越來越多的需求。很顯然，大轉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現(xiàn)象例如“虛螺距”來解決這個問題。通過產(chǎn)生低頻信號分量的諧波，可能認為這些信號分量存在而實際上沒有再現(xiàn)它們。
例如美國專利申請US6134330(Philips)公開了一種配備有用于增強音頻信號的增強裝置的音頻系統(tǒng)。這些已知的增強裝置包括諧波生成器，用于生成音頻信號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包括比實際上可用的頻率低的頻率分量。
盡管這個已知的解決方案效果十分顯著，但是不能替代實際上再現(xiàn)低頻(低音)信號分量。
因此，本發(fā)明的一個目的是克服現(xiàn)有技術的這些和其它問題并且提供用于再現(xiàn)音頻信號的設備和方法，該音頻信號允許更有效地再現(xiàn)全部音頻頻率范圍，并且特別是再現(xiàn)低頻信號分量。
因此，本發(fā)明提供了一種用于調(diào)節(jié)音頻信號的頻率范圍的設備，該設備包括-用于在第一音頻頻率范圍中檢測第一信號分量的裝置；-用于在第二音頻頻率范圍中生成第二信號分量的裝置；以及-用于響應第一信號分量的幅度控制第二信號分量的幅度的裝置；
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分量，響應第一信號分量的幅度控制第二信號分量的幅度，音頻信號的能量集中在第二頻率范圍中。結果，有效地減少了第一頻率范圍的帶寬并且音頻信號的能量集中在基本上較窄(第二)的范圍。這具有的優(yōu)點是音頻信號的能量集中在轉換器特別有效的范圍中，從而產(chǎn)生更加有效的發(fā)聲。
轉換器的靈敏度優(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低頻上特別有效，因為它允許使用低頻轉換器，這些轉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。
在一個優(yōu)選實施例中，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。它實際上意味著第二范圍是第一范圍的子集。盡管當?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，例如轉換器的諧振頻率。
可以預先確定第二音頻頻率范圍。在一個特別有利的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的設備(該設備與用于再現(xiàn)音頻信號的轉換器相連接)還包括用于基于轉換器的特性來確定第二頻率范圍的裝置。在這個實施例中，該設備能夠確定轉換器的特性，例如它的阻抗，并且從而調(diào)節(jié)第二頻率范圍。這個調(diào)節(jié)發(fā)生在實際使用該設備之前，但是也可以發(fā)生在使用該設備的期間，即這個調(diào)節(jié)是連續(xù)地發(fā)生的。
本發(fā)明還提供揚聲器或轉換器單元，例如音箱，該單元包括如上定義的設備。
本發(fā)明另外提供了一種用于再現(xiàn)音頻信號的系統(tǒng)，例如音頻(立體聲)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括音頻信號源、放大器以及能夠?qū)⒁纛l信號轉換為聲音的轉換器，該系統(tǒng)還包括如上定義的設備。
另外，本發(fā)明提供了一種調(diào)節(jié)音頻信號的頻率范圍的方法，該方法包括以下步驟-在第一音頻頻率范圍中檢測第一信號分量；-在第二音頻頻率范圍中生成第二信號分量；-響應第一信號分量的幅度，控制第二信號分量的幅度；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。
下面參考附圖所說明的典型實施例將進一步解釋本發(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)有限帶寬信號的布置；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第一實施例；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設備的第二實施例；圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的方法；圖6示意性地示出了轉換器的靈敏度與頻率的關系。
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)上音頻信號的幅度A(垂直軸)。如圖所示，音頻信號實際上不包含低于大約10Hz的信號分量。因為下面的討論將集中在曲線30的低頻部分，所以為了清楚的說明已經(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。這個第一范圍I基本上覆蓋了音頻信號的“低頻”部分，而圖1的第二范圍II被選擇以便對應特定的轉換器(例如揚聲器)并且將取決于轉換器的特征。根據(jù)本發(fā)明的一個重要方面，第二范圍II優(yōu)選地對應轉換器最有效的頻率，從而產(chǎn)生最高的發(fā)聲。
應該理解的是，第二范圍II的大小(帶寬)也取決于一個(或多個)轉換器的特征。具有較寬頻率范圍(可能多個諧振頻率)的轉換器或轉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)的轉換器或轉換器陣列將受益于極窄的第二范圍II，因為這將所有能量集中在所述單一頻率中。
應該指出的是，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，但是存在嚴重的缺點。
圖2布置的主要缺點是當輸入信號在第二范圍之外時不產(chǎn)生輸出信號。例如，40Hz的輸入信號(見圖1)將被帶通濾波器31阻擋并且因此輸出信號將為零。通過本發(fā)明解決這個問題。
通過圖3中非限制性例子示出的根據(jù)本發(fā)明的設備1包括帶通濾波器2、檢測器3和乘法器4。濾波器2具有對應第一范圍I的通帶，因此消除了第一范圍之外的所有頻率。檢測器3檢測從濾波器2接收的信號。檢測器3優(yōu)選地本質(zhì)上是已知的峰值檢測器，但是也可以本質(zhì)上是已知的包絡檢測器。在一個十分經(jīng)濟的實施例中，檢測器由二極管組成。
由檢測器3產(chǎn)生的信號表示存在于第一范圍I的組合信號的幅度(見圖1)。乘法器4將這個信號乘以具有頻率f0的信號。由合適的生成器生成這個信號(圖3中沒有示出)。乘法器4的輸出信號具有近似等于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。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。
應該指出的是，包含在第一范圍I中的任何信號將導致產(chǎn)生輸出信號(具有等于f0的頻率)。在上述的例子中，在圖2的布置中40Hz的信號將產(chǎn)生零輸出信號。然而，本發(fā)明的上述實施例的設備的確為40Hz的輸入信號產(chǎn)生輸出信號。
在本發(fā)明的設備1的可替換實施例中(未示出)，在圖3的濾波器2和檢測器3之間設置可控放大器?？刂菩盘柋还o放大器的控制輸入以調(diào)節(jié)放大?？刂菩盘朇優(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，*是卷積符號，H1是理想轉換器的轉換函數(shù)并且H2是實際轉換器的轉換函數(shù)，而RMS(x)代表x的均方根值。聲學和/或電子學領域的技術人員對于卷積、轉換函數(shù)和RMS值的概念十分熟悉。這個實施例允許所檢測的信號適應轉換器的特性。
在圖4中示出了本發(fā)明的設備1的另一實施例，其中設備1是系統(tǒng)10的一部分。圖4的設備1包括如圖3所示的帶通濾波器2、檢測器3和乘法器4。另外，圖4的設備包括在檢測器3和乘法器4之間設置的低通濾波器5。這個低通濾波器用于移去由檢測產(chǎn)生的任何不期望的頻率。圖4的設備1還包括用于生成具有頻率f0的信號的生成器6。
除了設備1之外，系統(tǒng)10還包括轉換器7。這個轉換器可以是合適的揚聲器、諧振器或其它轉換器。優(yōu)選地，轉換器7是在其諧振頻率上驅(qū)動的揚聲器。轉換器7也可以由“振動器”組成，該設備通過能夠使另一人振動間接地產(chǎn)生聲音。
可選地，控制路徑8存在于轉換器7和生成器6之間。這個控制路徑允許生成器6根據(jù)轉換器參數(shù)，例如(瞬時)阻抗(或其絕對值)、轉換器振動表面的實際移動和/或聲壓來調(diào)節(jié)頻率f0(以及優(yōu)選地調(diào)節(jié)相位)。本領域的技術人員將顯而易見的是，使確定轉換器的效率(該效率是輸出功率除以輸入功率)成為可能。因為效率通常隨著頻率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(并且可能隨機的)頻率變化以確定在當前值f0周圍各個頻率上的效率。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(任選)的自動調(diào)整特性甚至進一步增強了系統(tǒng)的實用性。
除了控制路徑8之外或者替代控制路徑8，在轉換器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和轉換器7之間設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和轉換器7之間設置(功率)放大器。
在上述討論中，假設僅僅使用單一頻率f0。當然這不是必需的，并且很顯然可以使用兩個或多個頻率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，每個子范圍被“壓縮”為其相應的第二范圍。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，每個第一范圍集中在單個第二范圍中。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的方法。在第一步驟51，接收一個或多個音頻信號。在第二步驟52中，在有限(第一)范圍I中檢測信號。在第三步驟53中，在目標(第二)范圍II中生成信號(圖3和圖4中的f0)。在第四步驟54中，根據(jù)在范圍I中所檢測的信號(步驟52)控制目標(第二)范圍II中的信號幅度。在最后步驟中，輸出最終生成的信號。
在圖6中，示意性地示出了音頻轉換器的電壓靈敏度的曲線圖。在圖6中示出的由轉換器產(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分量集中在轉換器最有效的相對窄的頻帶可以允許更加有效地使用音頻信號的能量。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換器的諧振頻率上調(diào)整該某些轉換器，則這些轉換器能夠被特別有效地使用。
應該指出的是，甚至當具有較寬(第一)頻率范圍的輸入信號被增加到具有較窄(第二)頻率范圍的輸出信號時仍保持本發(fā)明的有利效果，因為第二范圍之外的頻率分量通常不影響專用的轉換器。
還應該指出的是，在本文件中使用的任何術語不應該構成對本發(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(電路)元件可以用多個(電路)元件或其等效物來替代。
本領域的技術人員應該理解的是，本發(fā)明不限于上述的實施例并且在不偏離如所附權利要求中所限定的本發(fā)明范圍的情況下可以進行許多修改和添加。
權利要求
1.一種用于使音頻信號的頻率范圍適應轉換器(1)的設備(1)，該設備包括-用于在第一音頻頻率范圍(I)中檢測第一信號分量的裝置(3)；-用于在第二音頻頻率范圍(II)中生成第二信號分量的裝置(6)；-用于響應第一信號分量的幅度控制第二信號分量的幅度的裝置(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)權利要求1的設備，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)權利要求1或2的設備，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)權利要求1，2或3的設備，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)前面任一權利要求的設備，還包括用于基于轉換器特性來確定第二音頻頻率范圍(II)的裝置(8)。
6.根據(jù)權利要求5的設備，其中提供用于基于轉換器特性自動地調(diào)節(jié)第二頻率范圍(II)的裝置。
7.一種揚聲器或轉換器單元，包括根據(jù)前面任一權利要求的設備(1)。
8.一種用于再現(xiàn)音頻信號的系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)包括音頻信號源、放大器和能夠?qū)⒁纛l信號轉換為聲音的轉換器(7)，該系統(tǒng)還包括根據(jù)權利要求1-6中任一權利要求的設備(1)。
9.一種用于使音頻信號的頻率范圍適應轉換器(7)的方法，該方法包括以下步驟-在第一音頻頻率范圍(I)中檢測第一信號分量；-在第二音頻頻率范圍(II)中產(chǎn)生第二信號分量；和-響應第一信號分量的幅度控制第二信號分量的幅度；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
為了改進音頻信號的再現(xiàn)，音頻信號的所選音頻頻率范圍(I)的信號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)中檢測第一信號分量；在第二音頻頻率范圍(II)中生成第二信號分量；響應第一信號分量的幅度控制第二信號分量的幅度來實現(xiàn)。結果，可以使用專用轉換器，該專用轉換器在較窄的頻率范圍中特別有效。原始頻率范圍(I)包含音頻信號的較低頻率信號分量(低音分量)。
文檔編號H04R29/00GK1853442SQ200480026644
公開日2006年10月25日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權日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 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司