专利名称：用于声音换能器的驱动信号的生成的制作方法
技术领域：
本发明涉及产生用于声音换能器的驱动信号的方法和设备，特别地但非排他性 地，涉及产生用于低频扩音器的驱动信号的方法和设备。
背景技术：
对于诸如扩音器之类的声音换能器，存在以越来越小的尺寸提供高效率、高质量 和增加的声级的普遍愿望。然而，这些偏好倾向于成为有冲突的要求，导致不同偏好之间要 仔细地折衷。例如，音频响度涉及扩音器移位空气的量，该移位依赖于频率，使得如果声压水平 保持恒定，则频率越低就要求的移位越大。对于这些低频而言，扩音器的机械功率处理而不 是电功率处理通常是限制因素，并且为了提供要求的声级，倾向于需要相对较大的物理尺 寸。具体而言，在低频处利用小的换能器以合理的效率和声级进行声音再现是非常困难的， 这是因为效率与运动质量成反比并且与产品锥面积和力因数的平方成比例。为了从小的且典型地更廉价的装置获得高的声级和效率，可以使用具有高谐振峰 (高Q值)的换能器。然而，这倾向于导致质量降低，具体而言倾向于提供低频(低音)声 音，该声音通常被感知为具有相对较高的低音持续或振铃的声震。欧洲专利申请EP 04769892. 3公开了一种系统，其中可以由具有减小的物理尺寸 的声音换能器实现给定声压级。依照该提出的系统，信号的低频带由频率接近扩音器的谐 振频率的固定信号频率载波信号代替。载波的幅度遵从落入低频带内的信号分量的幅度。 因此，实际上，低频信号分量被具有与该信号分量相等的幅度的单音调载波代替。因此，通 过将低频信号集中到接近扩音器的谐振频率的单载波频率中，可以实现扩音器的高得多的 效率。此外，由于扩音器的机械功率处理和空气移位能力在谐振频率附近最高，因而通过该 方法可以实现较小尺寸的声音换能器。然而，尽管该方法在许多场合下可以提供巨大的优势，它也具有一些相关联的缺 点。特别地，该方法倾向于使低频声音信号失真并且在一些场合下可能导致次优的声音质量。特别地，在某些场合和环境下，一些听众表示所产生的声音有时可被感知为比偏好的声音更加低沉有回响或更多音调。特别地，在一些场合下，换能器的非常高的Q因子可 能导致产生的信号被感知为比原始信号更长时间地持续振铃。因此，改进的音频系统将是有利的，特别是允许灵活性增加、实现便利、音频质量改善、效率提高、声音换能器的物理尺寸减小和/或性能提高的系统将是有利的。
发明内容
因此，本发明寻求单独地或者以任意组合地优选地缓解、减轻或者消除上述缺点 中的一个或多个。依照本发明的一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的驱动信号的设备，该设备包括用于提供输入音频信号的源；用于将输入音频信号划分成至少低频信号和高频 信号的分频器；用于通过将动态范围扩展应用到低频信号来产生扩展信号的扩展器；以及 用于通过对扩展信号和较高频率信号进行组合来产生驱动信号的组合器。在许多实施例中，本发明可以提供改进的音频性能和/或便利的和/或改进的实 现。例如，在许多实施例中，可以实现提高的声音质量和/或减小的声音换能器尺寸。特别 地，在许多实施例中，可以实现来自具有高谐振效应(高Q)的声音换能器的提高的声音质 量。本发明可以例如允许高Q换能器被用于声音再现，同时维持必需的音频质量水平，从而 允许尺寸减小和/或效率提高和/或声级增大。特别地，在许多实施例中，动态范围扩展可以降低所产生的低音的持续或振铃，从 而缓解使用高Q换能器的感知的影响。特别地，在一些场合下以及对于一些声音系统，可以 感知到声震降低的或音调降低的低频声音，从而导致体验到更强劲的低音。动态范围扩展是增大低频信号的动态幅度范围的扩展。特别地，可以使低幅度值 降低。动态范围扩展特别地可以是幅度水平扩展。低频信号可以包括具有比高频信号频带的中心频率更低的中心频率的频带内的 信号分量。特别地可以通过输入音频信号的低通滤波或者低频带通滤波来产生低频信号。 高频信号可以被产生为从输入音频信号中减去低频信号而获得的残留信号。作为另一个实 例，可以通过使用高通滤波器或带通滤波器对音频输入信号滤波而产生高频信号，所述高 通滤波器或带通滤波器具有比产生低频信号的滤波器更高的中心频率。声音换能器可以是用于将电驱动信号转换成声学信号的装置。声音换能器特别地 可以是扩音器。应当理解的是，可以使用任何适当的限定或确定第一和/或第二频率间隔 的装置。例如，可以将频率间隔的边缘确定为其中信号的衰减下降至低于给定阈值的频率。所述源可以是能够提供音频信号的任何装置或功能性。源可以从内部或外部存储 器获取输入音频信号或者可以从别处接收该信号。特别地，源可以是用于从另一功能或物 理实体接收音频输入信号的接收器。依照本发明的一个可选的特征，将扩展器设置为在输入音频信号满足第一准则的 情况下衰减低频信号。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。所述准则特别地可以是 对于低频信号的要求。可以通过固定的信号无关函数确定所述衰减。依照本发明的一个可选的特征，第一准则包括低频信号的幅度水平低于阈值的要 求。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。特别地，可以允许通过 衰减低幅度水平而将扩展应用到低频信号，从而降低低音的声震或振铃，导致体验到更强 劲的低音。所述阈值可以是可变的阈值并且可以例如响应于低频信号的特性进行确定。依照本发明的一个可选的特征，所述扩展器被设置成在检测到第一准则被满足之 后延迟低频信号全衰减的应用。这可以允许性能的提高，并且特别地可以允许感知音频质量的提高。特别地，可以 降低或衰减通过打开动态范围扩展而引入的不希望的音频人工噪声，从而导致得到的信号 的音频质量提高。
该特征可以引入用于控制动态范围扩展开始的延迟的上升时间参数。延迟可以例 如是其后应用衰减的延迟，或者可以是其中衰减逐渐地从零增加到全衰减的时间间隔。全 衰减可以取决于低频信号(例如其幅度)并且特别地可以由诸如扩展器增益定律函数之类 的时变函数给出。对于大约5-15毫秒的延迟或上升时间，可以实现特别有利的性能，对于基本上10 毫秒的延迟或上升时间，可以实现典型地非常高的性能。依照本发明的一个可选的特征，所述扩展器被设置成响应于检测到输入音频信号 满足第二准则而终止向低频信号应用衰减；并且在检测到第二准则被满足之后延迟终止向 低频信号应用衰减。这可以允许性能的提高，并且特别地可以允许感知音频质量的提高。特别地，可以 降低或衰减通过关闭动态范围扩展而引入的不希望的音频人工噪声，从而导致得到的信号 的音频质量提高。该特征可以引入用于控制动态范围扩展关闭的延迟的释放时间参数。延迟可以例 如是其后移除衰减的延迟，或者可以是其中衰减逐渐地从全衰减降低到零的时间间隔。全 衰减可以取决于低频信号(例如幅度)并且特别地可以由诸如扩展器增益定律函数之类的 时变函数给出。第二准则特别地可以与第一准则相反。因此，在一些实施例中，当第一准则不再满 足时，可以关闭衰减。对于大约15-25毫秒的延迟或释放时间，可以实现特别有利的性能，对于基本上 20毫秒的延迟或释放时间，可以实现典型地非常高的性能。依照本发明的一个可选的特征，所述设备还包括确定用于低频信号的平均幅度水 平指示的装置；以及用于响应于平均幅度水平指示而设置动态范围扩展的特性的设置装置。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。该特征可以允许动态范 围扩展应用的更高级的适应，并且特别地可以允许动态范围扩展的应用适应低频信号。特 别地，该特征可以允许动态范围扩展不仅取决于当前的幅度水平，而且取决于平均幅度水 平。这可以例如允许在动态范围扩展中考虑时间特性、信号变化、导数值(例如幅度变化的 斜率)。平均幅度水平可以例如确定为RMS(均方根)值、低频信号的低通滤波值、平均峰 值检测输出、低频信号的移动平均等等。依照本发明的一个可选的特征，所述特性是用于向低频信号应用衰减的准则。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。该特征可以允许动态范 围扩展应用的更高级的适应，并且特别地可以允许动态范围扩展的应用适应低频信号幅度 的变化。依照本发明的一个可选的特征，所述准则包括当前幅度低于幅度阈值的要求，并 且所述设置装置被设置成响应于平均幅度水平指示而确定幅度阈值。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。该特征可以允许动态范 围扩展应用的更高级的适应，并且特别地可以允许动态范围扩展取决于短期幅度特性以及 更长期的幅度特性。特别地，动态范围扩展可以取决于短期幅度水平如何与更长期的幅度水平有关。特别地，这可以例如用来主要地将动态范围扩展应用到下降幅度斜坡，而不是上 升幅度斜坡。针对低频信号的比平均幅度水平指示更短的时间间隔来确定当前幅度水平。当前 幅度水平和平均幅度水平的区别可能仅在于确定它们所在的时间间隔，或者可以例如使用 不同的幅度测量方法来对其进行确定。例如，一个措施可能基于峰值检测，而另一个措施可 能基于RMS测量。依照本发明的一个可选的特征，所述设置装置被设置成将幅度阈值基本上确定 为T = c · Aa其中T为幅度阈值，c为常数并且Aa为由平均幅度水平指示表示的低频信号的平 均幅度水平。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。依照本发明的一个可选的特征，用于确定平均幅度水平指示的时间常数介于75 与200毫秒之间。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。特别地，已经发现，对于 针对具有75与200毫秒之间的持续时间的时间间隔确定的平均幅度水平指示，实现了有利 的性能。特别地，130与170毫秒之间的时间常数在许多场合下可以提供有利的性能。依照本发明的一个可选的特征，所述设备还包括频率压缩装置，其被设置成执行 扩展信号和低频信号中的至少一个信号的频率压缩，该频率压缩为从第一频率间隔到与声 音换能器的谐振频率相对应的更小的第二频率间隔的频率压缩。该特征可以允许改进地产生用于声音换能器的驱动信号。特别地，该特征可以允 许产生的声级、效率、音频质量和换能器尺寸之间的改进的折衷。本发明可以允许声音换能 器的尺寸减小，并且特别地可以允许来自更小的声音换能器的声级增大。在一些实施例中，频率压缩装置可以被设置成从低频信号产生具有限于第二频率 间隔的频率带宽的第二信号，其中第二信号可以被产生为具有与低频信号相应的幅度、功 率和/或能量度量。特别地，幅度检测器可以产生用于低频信号的幅度度量，并且可以相应 地设置第二信号的幅度。依照本发明的一个可选的特征，频率压缩装置被设置成在动态范围扩展之前执行 低频信号的频率压缩；并且所述设备还包括在频率压缩之前确定用于低频信号分量的平 均幅度水平指示的装置；以及用于响应于平均幅度水平指示而设置动态范围扩展的特性的 设置装置。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。依照本发明的一个可选的特征，频率压缩装置包括产生用于低频信号和扩展信 号中的所述至少一个信号的幅度信号的幅度检测器；用于产生第二频率间隔内的载波信号 的频率发生器；用于通过用幅度信号对载波信号进行调制来产生低频信号和扩展信号中的 所述至少一个信号的频率压缩版本的调制器。这可以允许实现特别有利的性能和/或便利的操作。该方法可以允许非常接近谐 振频率地驱动声音换能器，从而增大了对于给定机械和/或物理特性的声级输出。可替换 地或者附加地，该特征可以允许低复杂度频率压缩，其特别地可以导致具有与第一信号的特性相应的功率和/或幅度特性的高度集中的频谱。可以产生所述驱动信号，使得它基本上对应于第一频率间隔内的频率压缩信号。 所述幅度信号特别地可以基本上限于5Hz以下的频率。低频信号的频率间隔特别地可以具 有IOHz以上的下限和250Hz以下的上限。在一些实施例中，载波信号具有特别地可以对应于谐振频率的固定频率。可替换 地，载波信号可以具有例如取决于输入信号和/或第一信号而动态变化的频率。依照本发明的一个可选的特征，所述设备还包括用于响应于幅度信号而确定是否 应用动态范围扩展的装置。这可以允许改进的和/或便利的实现和/或提高的性能。例如，可以将幅度信号 与阈值比较并且可以仅在幅度信号低于阈值的情况下，应用动态范围扩展。依照本发明的另一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的驱动信号的方法， 该方法包括提供输入音频信号；将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号；通过 将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号；以及通过对扩展信号和较高频率信号进行 组合产生驱动信号。依照本发明的另一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的驱动信号的设备， 该设备包括用于提供输入音频信号的装置；用于将输入音频信号划分成至少低频信号和 高频信号的分频器；用于通过将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号的扩展器；被 设置成执行扩展信号和低频信号中的至少一个信号的从第一频率间隔到更小的第二频率 间隔的频率压缩的频率压缩装置，所述第二频率间隔对应于声音换能器的谐振频率；以及 用于响应于扩展信号而产生驱动信号的驱动器。应当理解的是，上述的特征、优点、评论等等同样适用于本发明的这个方面。依照本发明的另一个方面，提供了一种产生用于声音换能器的驱动信号的方法， 该方法包括提供输入音频信号；将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号；通过 将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号；执行扩展信号和低频信号中的至少一个信 号的频率压缩，该频率压缩为从第一频率间隔到与声音换能器的谐振频率相对应的更小的 第二频率间隔的频率压缩；以及响应于扩展信号而产生驱动信号。本发明的这些和其他方面、特征和优点通过下文描述的实施例将是清楚的，并且 将参照这些实施例进行阐述。
下面将仅以示例的方式，参照附图对本发明的实施例进行说明，在附图中图1为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；图2为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；图3为从不同声音系统所产生的低音输出的图示；图4为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；图5为依照本发明一些实施例的声音系统的实例的图示；以及图6为依照本发明一些实施例的产生用于声音换能器的驱动信号的方法的实例 的图示。
具体实施例方式图1示出依照本发明一些实施例的声音系统的实例。在该实例中，音频源101提供输入音频信号。该音频信号可以例如从内部源(例 如本地音频信号存储器)提供或者可以取自远程源，例如来自远程声音发生装置。因此，音 频源101特别地可以是经由任何适当装置从任何适当远程或本地声音发生器或存储器接 收音频信号的接收器。音频源101耦合到分频器103，该分频器103将输入音频信号划分成低频信号和高 频信号。应当理解的是，在一些实施例中，分频器103可以将信号划分成比仅为低频信号和 高频信号更多的信号。例如，分频器可以产生例如覆盖不同频带的多个高频信号。等效地， 可以将高频信号看作包含多个单独的高频子信号的复合信号。例如，一个子信号可以对应 于中间音调范围，而另一个子信号可以对应于高音范围。分频器103还耦合到被馈送低频信号的扩展器105。扩展器105被设置成将动态 范围扩展应用到低频信号，从而产生低频扩展信号。扩展器105和分频器103耦合到组合器107，该组合器对扩展信号和高频信号进行 组合以产生声音换能器声音信号。组合器107耦合到声音换能器109。应当理解的是，为了 简洁和清楚起见，图1中只包括了用于描述操作的特定方面所需的声音系统的特征，并且 该音频系统可以包括单独的应用所需或所希望的附加元件。例如，应当理解的是，该音频系 统可以包括例如耦合在组合器107与声音换能器109之间的音量控制或音频放大器。在该实例中，声音换能器109是基本谐振频率在较低频率(例如300Hz以下)处 的高谐振扩音器(高Q扬声器)。高Q扬声器的使用可以允许来自相对较小的声音换能器 的对于较低频率的高声级和高效率。然而，高Q声音换能器的使用在一些场合下可能导致 感知到较低的音频质量。特别地，在一些场合下，一些听众倾向于感知到低音信号的增加的 持续或振铃。例如，低音鼓可能被感知为声震和振铃。在图1的实例中，扩展器105的应用设法对该效应进行缓解。特别地，在该实例中 扩展器105被设置成在输入音频信号满足第一准则的情况下衰减低频信号，在该特定实例 中该第一准则为低频信号的幅度水平低于阈值的要求。扩展器通常用来扩大信号的动态范围属性。在该实例中，无论何时信号幅度下降 到阈值以下，则扩展器105按给定值降低信号的幅度。扩大信号的动态范围有效地增大了 信号的较安静部分和较高声部分之间的幅度差。扩展器典型地与若干特性相关联。一种特性是上升时间，上升时间是扩展器在阈 值被跨过之后开始衰减所花费的时间。扩展器的释放时间是扩展器在信号幅度超过阈值之 后返回到正常(无衰减)操作所花费的时间。在许多情况下，扩展器的衰减由增益因子函 数表征，该增益因子函数将输入幅度水平和输出幅度水平关联起来。在该特定实例中，当幅度水平低于阈值时，增益因子函数由下式给出Ge = 10(_D/20)
I-Rr,D = (ThE-ThRMS)·—-^
KE其中Thffls是以dB为单位的输入信号水平，ThE是以dB为单位的阈值水平并且Re 为扩展率。
当幅度水平高于阈值时，增益因子函数等于1(GE= 1)。扩展率表示衰减的程度，特别地，其确定应用到信号幅度的传递函数的斜率。因 此，1 4的比率意味着当输入信号低于阈值IdB时，输出信号水平降低4dB。扩展率介于 0与1之间。因此，当其低于阈值时，扩展器105进一步降低低频信号的幅度。对于具有高声上 升部分和响度降低衰减部分的低音来说，这甚至将更加降低衰减部分的幅度，从而导致感
知的声音质量提高。因此，在该实例中，扩展器105可以在低频信号的幅度水平低时进一步降低其幅 度水平，从而增大低频信号的动态范围。在许多场合下，动态范围扩展可以提高感知的音频 质量。例如，如果输入音频信号包含低音鼓敲击，那么得到的信号的主要部分的幅度音量将 具有相对较高的音量，并且相应地低频信号的幅度将超过阈值。结果，低频信号不受扩展器 105的影响，并且声音换能器109将处置相同的信号，仿佛扩展器105没有包括在声音系统 中。然而，随着低音鼓敲击的声音开始消退，低频信号的音量将下降至低于阈值。在这点上， 扩展器105将进一步衰减低频信号的幅度水平，从而导致产生的输出信号中的低音鼓的声 级被进一步降低。相应地，感知到低音鼓敲击的振铃或持续被降低，从而导致感知到具有减 少的声震和振铃的更强劲的低音。在图1的特定实例中，扩展器103被设置成在检测到所述准则被满足之后，延迟应 用低频信号的全衰减。特别地，不立即应用增益因子函数给定的衰减，而是在给定时间间隔 之后才完全应用。在该特定实例中，在该时间间隔上逐渐引入衰减，从而提供动态范围扩展 的平滑引入。作为简单的实例，所应用的增益可以由下式给出
权利要求
1.一种产生用于声音换能器(109)的驱动信号的设备，该设备包括 源(101)，其用于提供输入音频信号；分频器(103)，其用于将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号； 扩展器(105)，其用于通过将动态范围扩展应用到低频信号来产生扩展信号；以及 组合器(107)，其用于通过对扩展信号和较高频率信号进行组合来产生驱动信号。
2.权利要求1的设备，其中扩展器(105)被设置成在输入音频信号满足第一准则的情 况下使低频信号衰减。
3.权利要求2的设备，其中第一准则包括低频信号的幅度水平低于阈值的要求。
4.权利要求2的设备，其中扩展器(105)被设置成在检测到第一准则被满足之后延迟 低频信号全衰减的应用。
5.权利要求2的设备，其中扩展器(105)被设置成响应于检测到输入音频信号满足第 二准则而终止向低频信号应用衰减；并且在检测到第二准则被满足之后延迟终止向低频信 号应用衰减。
6.权利要求1的设备，还包括装置(205)，其确定用于低频信号的平均幅度水平指示；以及 设置装置(207，105)，其用于响应于平均幅度水平指示而设置动态范围扩展的特性。
7.权利要求6的设备，其中所述特性是用于向低频信号应用衰减的准则。
8.权利要求6的设备，其中所述准则包括当前幅度低于幅度阈值的要求，并且所述设 置装置(207，105)被设置成响应于平均幅度水平指示而确定幅度阈值。
9.权利要求8的设备，其中设置装置(207，105)被设置成将幅度阈值基本上确定为 T = c · Aa其中T为幅度阈值、c为常数并且Aa为由平均幅度水平指示表示的低频信号的平均幅 度水平。
10.权利要求6的设备，其中用于确定平均幅度水平指示的时间常数介于75与200毫 秒之间。
11.权利要求1的设备，还包括频率压缩装置(401)，其被设置成执行扩展信号和低频信号中的至少一个信号的频率 压缩，所述频率压缩为从第一频率间隔到与声音换能器(109)的谐振频率相对应的更小的 第二频率间隔的频率压缩。
12.权利要求11的设备，其中频率压缩装置(401)被设置成在动态范围扩展之前执行 低频信号的频率压缩；并且所述设备还包括装置(205)，在频率压缩之前，该装置(205)确定用于低频信号分量的平均幅度水平指 示；以及设置装置(207，105)，其用于响应于平均幅度水平指示而设置动态范围扩展的特性。
13.权利要求11的设备，其中频率压缩装置(401)包括幅度检测器(403)，其产生用于低频信号和扩展信号中的所述至少一个信号的幅度信号；频率发生器(405)，其用于产生第二频率间隔内的载波信号；调制器(407)，其用于通过用幅度信号对载波信号进行调制来产生低频信号和扩展信号中的所述至少一个信号的频率压缩版本。
14.权利要求13的设备，还包括用于响应于幅度信号而确定是否应用动态范围扩展的 装置(105)。
15.一种产生用于声音换能器(109)的驱动信号的方法，该方法包括以下步骤 提供输入音频信号(601)；将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号(603)； 通过将动态范围扩展应用到低频信号产生扩展信号(605)；以及 通过对扩展信号和较高频率信号进行组合产生驱动信号(607)。
全文摘要
一种产生用于声音换能器(109)的驱动信号的设备，其包括提供输入音频信号的声音发生器(101)。分频器(101)将输入音频信号划分成至少低频信号和高频信号，并且扩展器(105)通过将动态范围扩展应用到低频信号来产生扩展信号。然后，组合器(107)通过将扩展信号和较高频率信号进行组合来产生驱动信号。可以根据低频信号的幅度来调节用于应用动态范围伸展的阈值。此外，将低频信号压缩到谐振频率周围的窄频带内。该方法可以通过使低音信号的衰减部分衰减从而降低低音符的持续或振铃而允许尤其是来自高Q低频声音换能器的改进的音频质量。
文档编号H04R3/04GK102007777SQ200980112640
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月3日 优先权日2008年4月9日
发明者R·M·阿尔茨, T·P·J·皮特斯 申请人:Nxp有限公司, 皇家飞利浦电子股份有限公司