专利名称：声音再现的制作方法
声音再现
本发明涉及声音再现。本发明尤其涉及除了能够高效再现其它音 频范围之外，还能够高效再现诸如低音范围的特定音频频率范围的声 音系统。
众所周知，诸如扬声器的音频换能器具有有限频率范围，在该有 限频率范围之内它们能够以某个最小声级忠实地呈现声音。高保真度 音频系统通常具有相对较小的换能器(高频扬声器)用于再现高频范 围，而相对较大的换能器(低频扬声器)用于再现低频范围。以适当
声级再现最低可听频率(大约20 - 100Hz)所需的换能器单元(即容纳 换能器的外壳)占用了相当数量的空间.为此，所谓的次低频扬声器 通常被容纳在分离的换能器单元中。然而，消费者经常更喜欢紧凑的 音频装置，这种音频装置必然具有小的换能器单元。另外，消费者经 常不愿意在家中容纳太多换能器单元，包括次低频扬声器。
已经提出利用诸如"虚螺距(virtual pitch)"的心理声学现象 来解决换能器尺寸的问题。通过生成低频信号分量的谐波，可以在不 实际再现这些分量的情况下提示这种信号分量的出现.然而，这种解 决方法不代替实际产生低频("低音")信号分量。
国际专利申请W0 2005/027569 (Philips)公开了用于为诸如扬 声器的换能器产生驱动信号的装置。该驱动信号具有基本上等于换能 器的谐振频率的频率。通过在谐振频率上驱动换能器，可以在低频上 实现非常高效的声音再现。然而，已经发现，为了在一定谐振频率上 实现高声级，换能器的位移变得非常大，在有些情况下甚至大到被禁 止的程度。
本发明的目的是克服现有技术的这些问题和其它问題，以及提供 利用相对较小的换能器单元而无需附加的换能器单元，就能够对诸如 低音频带的特定频带进行高效再现的声音系统。
因此，本发明提供一种声音系统，包括换能器单元和频率映射装 置，其中该换能器单元包括换能器阵列，且频率映射装置被安排用于
将音频输入信号的频率范围映射到换能器单元具有最大效率时所在的 频率上去。
通过提供换能器阵列，即单个换能器单元中至少有两个换能器， 可以忠实地再现各种频率范围。通过提供被安排用于将音频输入信号 的频率范围映射到换能器单元具有最大效率和/或最高灵敏度的频率 上去的频率映射装置，可以获得对所选频率范围非常高效的再现。因 此，例如利用相对较小的换能器单元而非常高效地再现低音频率是可 能的。占用额外空间、需要单独配线并增加了成本的附加次低频扬声 器单元在本发明的声音系统中是不需要的。
换能器单元具有最大效率时所在的频率可以是换能器或换能器单 元的谐振频率，优选是产生最高声压级的谐振频率。然而，优选地， 换能器单元具有最大效率时所在的频率是换能器单元的亥姆霍兹频率
(Helmholtz frequency).也就是说，频率映射装置优选地被安排用于 将音频输入信号的频率范围映射到换能器单元的亥姆霍兹频率上。
可以注意到，在本文献中，换能器单元可以被理解为包括其中容 纳一个或更多个换能器的外壳，换能器是诸如扬声器之类用于再现声 音的装置。进一步注意到，将频率范围映射到换能器单元的亥姆霍兹 频率在欧洲专利申请EP 05108634. 6 (文件参考PH 000806 EP1)和来 源于所述欧洲专利申请的任意专利和专利申请中都有详细的讨论，其 全部内容在这里被结合到本文献中。
可以包括两个、三个或更多换能器的换能器阵列可以有利地被用 于提供方向性声音。因此，在本发明的优选实施例中，声音系统进一 步包括被安排用于引导由换能器阵列所产生声音的声音处理装置。这 样可以将声音引导到系统的用户，使得对系统换能器单元的定位要求 不太严格。
在第一实施例中，专用换能器被耦合到频率映射装置，从而产生 换能器单元的谐振频率或亥姆霍兹频率。在该实施例中，除了换能器 阵列，还可提供分离的换能器，用于产生亥姆霍兹频率。该专用换能 器可以是为此目的而专门设计的。
在第二实施例中，换能器阵列被耦合到频率映射装置，从而产生 换能器单元的谐振频率或亥姆霍兹频率。在该实施例中，由于谐振或 亥姆霍兹频率由换能器阵列再现，因此专用换能器可以省略。第二实 施例有利地进一步包括用于将频率映射信号与阵列信号相组合的组合 单元。
换能器单元阵列可以包括至少三个换能器，优选是至少五个换能
器。更大数量的换能器也是可以的，例如单个换能器单元中包括io个
或20个换能器。
尽管换能器单元可以仅包括换能器和外壳，然而在有益的实施例 中，频率映射装置和声音处理装置被结合在换能器单元中。因此，在 不需要附加组件的情况下，换能器单元可以接收规则的音频输入信号 并再现该信号。
本发明进一步提供在上面定义的声音系统中使用的换能器单元。 包括换能器阵列并可以额外包括专用换能器的这种换能器单元被安排 用于再现其亥姆霍兹频率。频率映射装置和/或信号处理装置可被结合 在换能器单元中。
本发明还提供利用包括换能器阵列的换能器单元再现声音的方 法，该方法包括将音频输入信号的频率范围映射到换能器单元的亥姆 霍兹频率上的步骤。本发明的方法可进一步包括对由换能器阵列产生 的声音进行引导的步骤。
本发明额外提供用于执行上面所定义方法的计算机程序产品。计 算机程序产品可包括存储在数据载体，诸如CD或DVD上的一组计算机 可执行指令。使可编程计算机能够执行如上定义的方法的该组计算机 可执行指令也可以从远程服务器下载得到，例如可以通过互联网。
下面将结合附图中所示的示例性实施例，对本发明进一步进行解 释，其中
图1以横截面图示意性地示出了根据本发明的换能器单元的第一 实施例。
图2以透视图示意性地示出了根据本发明的换能器单元的第二实 施例。
图3以横截面图示意性地示出了根据本发明的换能器单元的第三 实施例。
图4示意性地示出了本发明中使用的频率映射装置。 图5示意性地示出了本发明中使用的频率范围的映射。
图6示意性地示出了根据本发明的声音系统的第一实施例。 图7示意性地示出了根据本发明的声音系统的第二实施例。
仅通过图1中非限制性例子显示的换能器单元1包括具有第一开 口端11和第二开口端12的延伸中空体10。在所示例子中，中空体IO 基本上是管状的，具有圆形横截面。然而，也可以是其它的横截面形 状，诸如矩形、正方形、三角形、六边形、八边形等。换能器13和14 被安排在中空体10中。单个的第一换能器13用于再现低音频率.几 个可用于再现低音频率之外所有音频频率的第二换能器14构成换能器 阵列，该换能器阵列可被用于引导声音。可以理解的是，可以提供两 个或更多的第一换能器13。类似地，第二换能器14的数目不一定等于 5个，而是其范围可以从2个到IO个换能器或者更多，尽管如果不需 要声音引导的话单个第二换能器14就足够了。
根据本发明的一个重要方面，第一换能器13被安排为在换能器单 元最高效和/或最灵敏时所在的频率上工作，诸如换能器单元1的谐振 频率或亥姆霍兹频率。这样得到低输入功率上的高声级。换能器单元l 被设计为在低音范围内具有谐振或亥姆霍兹频率，优选在55Hz左右，， 虽然例如在45Hz、 50Hz、 60Hz或70Hz也是可行的。
可以注意到，众所周知的亥姆霍兹频率是在换能器单元中发生所 谓的反谐振，导致产生换能器的最小漂移时所在的频率。
根据本发明的另 一重要方面，频率范围基本上被映射到换能器单 元的最高效频率，诸如谐振或亥姆霍兹频率上.这就使得被映射的频 率范围，优选地是低音频率范围，能够以非常高的效率被再现.该频 率映射在后面将结合图4和图5进行更详细地解释。
图2的换能器单元1示出为被安排用在垂直位置上。架子 (stand) 15被提供用于以第二开放端(图1中的12)不被阻挡的方式 来支撑换能器单元l。在图2的示例性实施例中，架子15包括环形基 底，支撑杆从基底向中空体10延伸，该基底具有略大于中空体10的 直径。以这种方式，可以提供稳定的垂直位置，
相反，图1的实施例更适于用在水平位置上，例如电视设备的前 面或下面。当然，如果希望的话，图1的实施例还可被提供有合适的 支撑元件。
在图3的可替换实施例中，可以用在水平位置上或通过合适的架 子用在垂直位置上，仅提供第二换能器14，而第一换能器13已经被省 略。该实施例在下面将结合图7进行更详细的解释。
在图1-3所示的实施例中，换能器单元1具有两个开放端。然而， 本发明不限于此，可以设想出仅具有单个开放端的实施例。可以将端 12封闭，在扬声器13和中空体10的端12之间生成闭合腔。可替换地， 扬声器13可被安装为使端12封闭，有可能避开中空体10内部.中空 体的内径不必是恒定的，但是可以在扬声器13附近较大，由此生成较 大的腔。
上面提到的频率映射可以利用如图4所示的频率映射装置2来实 现。仅通过图4中非限制性例子所示的音频频率映射装置2包括带通 滤波器21、检测器22、(可选的)低通滤波器23、乘法器24和发生 器(generator) 25。滤波器21具有对应于第一音频频率范围I的通 带(后面将结合图5进行更详细解释)，由此消除第一范围以外的所 有频率。检测器22检测从滤波器21接收的信号Vf。检测器22优选为 本身公知的峰值检测器，还可以是本身公知的包络检测器。在非常经 济的实施例中，该检测器可以由二极管构成。
检测器22产生的信号Ve表示出现在第一范围I (参见图5)中组 合信号的幅度(参见图5 )。乘法器24将信号VE或其滤波版本VE，(如 果可选滤波器13存在的话)与具有频率G的信号V。相乘.该信号V。 可以由合适的发生器25生成。乘法器24的(调幅)输出信号Vm具有 约等于"的平均频率，而其幅度取决于第一音频频率范围I中包含的 信号。通过改变发生器频率f"可以改变第二音频频率范围II (图5 ) 的平均频率，并因此改变其位置。
音频频率映射装置2在上面提到的国际专利申请WO 2005/027568 中进行了更详细的描述，其全部内容在此被结合在本文献中。
音频频率范围的示例性分布在图5中进行示意性地说明。在该非 限制性例子中示出了第一频率范围I，从20Hz延伸到lOOHz.音频输 入信号(图4中的Vin)的该第一频率范围I被映射到第二频率范围II， 在本例子中以60Hz为中心。可以看出，(图4中被调制信号Vm的)第 二频率范围II比第一频率范围I狭窄并且被包括在第一频率范围I中。
根据本发明，第一换能器(图1和2中的13)接收第二频率范围
II，而第三频率范围III由第二换能器14接收。另外，第二频率范围 II包含换能器单元最高效时所在的频率，例如谐振频率，但优选是换 能器单元(图1-3中的1)的亥姆霍兹频率。优选地，第二频率范围 II以最大效率频率为中心。如果第二频率范围II由频率映射装置2产 生，并且所用的最大效率频率是换能器单元的亥姆霍兹频率，则亥姆 霍兹频率fn优选地约等于发生器频率f\。数学表示为f -fw。
在图5的例子中，第三频率范围III从100Hz向上延伸。该第三 频率范围由第二换能器14呈现(参见图1-3)。因此，第一频率范围 I被映射到较窄的频率范围II上并由第一换能器13(图l和2)再现， 而第三频率范围III由笫二换能器14再现。注意到，在图3的实施例 中，第二频率范围II也由第二换能器14再现。
在图5的例子中，频率范围I和III之间没有重叠，至少在诸如 -3dB水平的特定幅度水平上没有重叠。然而，本发明不受这种限制， 可能会发生某些重叠，并且甚至可能是有益的。然而，第二频率范围 II和第三频率范围III之间的任何重叠通常是要避免的。
本发明的特征包含在图6中示意性示出的声音系统8中。在所示 的非限制性例子中，声音系统8包括换能器单元l、频率映射(FM)装 置2和声音处理(SP)装置3。声音系统8可以进一步包括如下装置， 诸如声源(CD播放器、DVD播放器、MP3播放器、互联网终端、无线电 调谐器)、 一个或更多放大器和为了清楚起见而未示出的其它单元。
图6的频率映射装置2可对应于图4的频率映射装置2，并优选地 包括带通滤波器(图4中的21 )，所述带通滤波器用于对输入信号Vin 进行带通滤波，以便选择要被映射到换能器单元1的谐振频率f。或亥 姆霍兹频率G上的频带(图5中的第一频率范围I )。频率映射装置2 的输出信号VM被馈送到第一换能器(通常是扬声器)13，以产生依赖 于信号Vin的亥姆霍兹频率。
可以包括放大器和/或一个或多个滤波器的声音处理装置3接收输
入信号Vs并输出信号Vin和几个信号Xl， X2，…，Xn。信号Xl， X2，…，Xn中的
每个信号被馈送到换能器单元1的换能器(通常是扬声器)l4。信号
Vin由频率映射(FM)单元2接收并被变换为信号VM，然后其被馈送到 换能器单元1的第一换能器13。
声音处理装置3可包括声音方向单元，用于产生方向性声音信号。
也就是说，信号Xi，X2，.,.，Xn从信号Vs以这种方式(例如通过引入适当 的相对延迟)导出，使得当组合声音被换能器单元1再现时，该组合 声音具有相对于换能器单元的特定受控的方向。延迟求和波束形成是
众所周知的，参照B. D. van Veen和K. M. Buckley的论文"Beamforming: A versatile approach to spatial filtering" ， IEEE ASSP Magazine, pp. 4-24， Vol. 5， No. 2， April 1988"，其全部内容在这里被结合在 本文献中。
可以理解的是，输入信号Vs不限于单个通道(单)信号，并且该 信号可以是立体声或多通道信号，诸如5. l信号。声音系统8可包括 多于一个的换能器单元l，例如2、 3、 4或5个这种单元。在本发明的 声音系统中，不需要提供分离的次低频扬声器单元，因为(较低的) 低音声音可以由换能器单元l在令人满意的水平上再现。
图6的声音系统8被设计为与根据图1和2的换能器单元1同时 使用，其中存在第一换能器13。根据本发明，笫一换能器13在换能器 单元的最大效率频率上工作，诸如谐振频率，但优选是该换能器单元 的亥姆霍兹频率。图7中所示声音系统8，的可替换实施例被设计为与 图3的换能器单元l，同时使用，其中不存在笫一换能器13。
图7的示例性声音系统8，包括换能器单元1，、频率映射(FM)装 置2、声音处理(SP)装置3和组合单元5。声音系统8，可包括附加装 置，诸如声源(CD播放器、DVD播放器、MP3播放器、互联网终端、无 线电调谐器)、 一个或更多放大器和为了清楚起见而未示出的其它单 元。
组合单元5每一个都接收频率映射(FM)单元2输出的信号Vm和 声音处理(SP)单元3输出的信号Xi(i=l...n)，各自的组合信号中每 一个都被输出到(第二)换能器14。因此，每个换能器14再现个别的 信号Xi和信号VM。增益控制单元(未示出)可被提供用于控制信号VM 相对于信号Xi的增益。如果只有单个(第二)换能器14被使用，则声
音处理装置3可由简单连接代替，由此使信号Vin和Xi与Vs相同。
本发明基于的观点是，被设计用来运行其谐振或亥姆霍兹频率的 换能器单元可以有益地包括一个或更多个用于再现附加声音频率的附 加换能器。本发明得益于进一步的观点，即多个附加换能器允许声音 在特定方向上被引导。
本发明不限于普通的具有磁体、线圏和锥体的电磁扬声器，还可 被应用到其它音频换能器中，诸如静电扬声器。
注意到，本文件中使用的任何术语不应被解释为限制本发明的范 围。特别地，词语"包括"和"包含"不意味着排除没有特别指出的 任何元素。单个(电路)元件可以用多个(电路)元件或它们的等价 物来代替。
本领域技术人员将会明白，本发明不限于上面解释的实施例，可 以在不脱离如所附权利要求中定义的本发明范围的情况下，做出多种 修改和添加。
权利要求
1.一种声音系统(8)，包括换能器单元(1)和频率映射装置(2)，其中换能器单元包括换能器(14)阵列，且其中频率映射装置被安排用于将音频输入信号(Vin)的频率范围映射到换能器单元具有最大效率时所在的频率上。
2、 根据权利要求1的声音系统，其中，换能器单元具有最大效率 时所在的频率是换能器单元的谐振频率。
3、 根据权利要求1的声音系统，其中，换能器单元具有最大效率 时所在的频率是换能器单元的亥姆霍兹频率。
4、 根据权利要求1的声音系统，进一步包括声音处理装置(3)， 所述声音处理装置(3)被安排用于引导由换能器(14)阵列产生的声 音。
5、 根据权利要求1的声音系统，其中，专用换能器(13)被耦合 到频率映射装置(2)，从而产生换能器单元(1)的亥姆霍兹频率。
6、 根据权利要求1的声音系统，其中，换能器(14)阵列被耦合 到频率映射装置(2)，从而产生换能器单元(1)的亥姆霍兹频率。
7、 根据权利要求6的声音系统，进一步包括组合单元(5)，用 于将频率映射信号(Vm)与阵列信号(Xl，...xn)相组合。
8、 根据权利要求1的声音系统，其中，换能器单元(1)的阵列 包括至少三个换能器(14),优选为至少五个换能器(14)。
9、 根据权利要求4的声音系统，其中，频率映射装置(2)和声 音处理装置(3 )被结合到换能器单元(1)中。
10、 根据权利要求1的声音系统，包括至少两个换能器单元(1) 和放大器装置。
11、 一种利用包括换能器(14)阵列的换能器单元再现声音的方 法，该方法包括将音频输入信号(Vin)的频率范围映射到换能器单元 具有最大效率时所在的频率上的步骤。
12、 根据权利要求ll的方法，其中，换能器单元具有最大效率时 所在的频率是换能器单元的谐振频率。
13、 根据权利要求ll的方法，其中，换能器单元具有最大效率时 所在的频率是换能器单元的亥姆霍兹频率。
14、 根据权利要求ll的方法，进一步包括引导由换能器(14)阵列产生的声音的步骤。
15、 一种用于执行根据权利要求11所述方法的计算机程序产品。
全文摘要
声音系统(8)包括换能器单元(1)和频率映射装置(2)。该换能器单元包括换能器(14)阵列。该频率映射装置被安排用于将音频输入信号(V<sub>in</sub>)的频率范围映射到换能器单元具有最大效率时所在的频率上，诸如换能器单元的谐振频率或亥姆霍兹频率。换能器单元(1)可包括与频率映射装置(2)相耦合的专用换能器(13)，用于产生换能器单元(1)的亥姆霍兹频率。该声音系统另外还可包括声音处理装置(3)，其被安排用于引导由换能器(14)阵列产生的声音。
文档编号H04R3/14GK101375630SQ200780003605
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月12日 优先权日2006年1月27日
发明者R·M·阿茨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司