用于控制车载扬声器系统失真的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于控制扬声器失真的方法。

更具体地，本发明涉及对车辆乘客室内的扬声器失真的控制。

背景技术：

在现有技术中，已知用于补偿扬声器失真现象的方法。

例如，美国专利申请us2013/0142360公开了一种用于控制扬声器失真的方法，此方法中的扬声器的音频信号的频谱在频带中被衰减，从而导致通过其的信号的明显失真。

然而，这种方法不适用于旨在安装于车辆上的扬声器。更具体地，这种扬声器的失真特性取决于车辆的配置及其与所述车辆的机械接口。

技术实现要素：

本发明试图通过提出一种控制诸如搭载在汽车等车辆上的扬声器系统失真的方法来弥补现有技术的缺点。

本发明涉及一种控制失真的方法，所述失真由具有搭载在车辆上用于接收音频信号的至少一个扬声器的系统生成。根据本发明的方法包括：

-测量所述至少一个扬声器的至少一个失真指标的步骤；

-为每个失真指标确定可接受失真阈值的步骤，该步骤用于确定扬声器系统输入处的音频信号在所关注的频率范围内的每个频率的最大可接受幅度，超过该最大幅度，至少一个失真指标超过与之相关联的失真阈值；

-生成包括至少一个滤波器的一组滤波器的步骤；

-通过应用在生成步骤中确定的至少一个滤波器来校正扬声器系统输入处的音频信号的步骤。

在一实施例中，在测量步骤中：

-将激励信号发送到所述扬声器系统；

-通过设置在车辆中的至少一个麦克风来捕获所述扬声器系统的响应；

对激励信号进行频率扫描，以了解所述扬声器系统在所关注的频率范围内的响应，并确定所述扬声器系统在所述所关注的频率范围内的至少一个失真指标。

在一实施例中，所述所关注的频率范围包括从20hz到60hz的频率范围。

在一实施例中，在所述测量步骤中使用两个麦克风。

在一实施例中，将麦克风设置在车辆中，使得对于与汽车的声学模式相对应的每个频率，至少一个麦克风的位置能够避开所述声学模式的波节。

在一实施例中，在确定可接受失真阈值的步骤中，在扬声器系统使用期间考虑发送给扬声器系统的音频信号的性质、和/或期望的渲染和/或可接受失真程度，由操作员通过调整每个失真指标来固定所述阈值。

在一实施例中，在生成步骤中，针对车载收音机的每个音量水平确定滤波器，使所述音量水平和每个频率获得小于该频率处的最大可接受幅度的音频信号幅度。

在一实施例中，在生成步骤中进行音频信号的频谱分析，以确定滤波器，所述滤波器使每个频率获得小于该频率处的最大可接受幅度的音频信号幅度，所述频谱分析以固定的时间间隔进行，所述滤波器也相应地作出调整。

在一实施例中，滤波器是高通、低架或峰值滤波器，或源自所述滤波器类型的任何组合。

本发明还涉及一种控制失真的设备，所述失真由具有搭载在车辆上用于接收音频信号的至少一个扬声器的系统生成。根据本发明，所述设备包括用于以下操作的装置：

-对所述至少一个扬声器的至少一个失真指标进行测量；

-为每个失真指标确定可接受失真阈值；

-为所述扬声器系统输入处的音频信号在所关注的频率范围内的每个频率确定最大可接受幅度；

-生成包括至少一个滤波器的一组滤波器；

-通过应用至少一个滤波器来校正该扬声器系统输入处的所述音频信号。

附图说明

通过阅读下面的描述并检查附图，将会更好地理解本发明。这些仅以说明的方式给出，而绝不限制本发明。

图1示出了根据本发明的方法的各个步骤。

图2示出了扬声器的简化模型，其在测量步骤中，将正弦激励信号发送到扬声器的输入处并测量一组失真指标。

图3示出了四个不同幅度的激励信号的总谐波失真水平的四条曲线。

图4a示出了一实施例中在测量步骤中麦克风的配置。

图4b示出了一替代实施例中在测量步骤中的麦克风的配置。

图4c示出了一替代实施例中在测量步骤中的麦克风的配置。

图5a一方面示出了取决于扬声器输入处的频率的最大可接受幅度，另一方面示出了取决于车载收音机的音量水平的应用于输入信号的一组高通滤波器。

图5b一方面示出了取决于扬声器输入处的频率的最大可接受幅度，另一方面示出了取决于车载收音机的音量水平的应用于输入信号的一组低架滤波器。

图6a示出了第一实施例中生成滤波器的步骤。

图6b表示第二实施例中生成滤波器的步骤。

具体实施方式

参考图1，本发明涉及一种控制搭载在车辆2（尤其是汽车）上的扬声器1的失真的方法100。

根据本发明，方法100包括：

-测量所述扬声器的非线性失真指标的步骤110；

-确定可接受失真阈值的步骤120；

-生成一组滤波器的步骤130；

-校正信号的步骤140。

参考图2，在测量步骤110中，测量所述扬声器的非线性失真指标。非线性失真指标可以举例为总谐波失真thd水平tthd，总谐波失真加噪声thd+n水平tthd+n，或互调失真imd水平timd。以下描述中，考虑了总谐波失真thd水平tthd；然而，本发明当然可适用于总谐波失真加噪声thd+n指标、互调失真imd指标、上述指标的组合或者甚至未提及的其他失真指标。

总谐波失真thd水平tthd的测量是通过以频率f0（称为基频）和幅度a的正弦输入信号e(t)激励扬声器1来进行的。术语“输入信号”应指进入扬声器的电信号。在测量步骤110中，输入信号被称为“激励信号”。通过激励信号e(t)对扬声器1的激励在封闭的车辆2的乘客室中生成声波。设置在所述乘客室中的麦克风m1捕获所述声波并生成输出信号s(t)。输出信号s(t)是麦克风m1响应于乘客室中声波的捕获而生成的电信号，因此需考虑与扬声器和麦克风的环境有关的声学现象，例如在空气中的传播和混响。

由于所述扬声器1的非线性，其生成与基频f0的整数倍频率相对应的谐波。

然后使用以下关系测量总谐波失真thd水平tthd：

其中：

-ve,n指定谐波阶数n的有效值，阶数1的谐波对应于基频f0；

-m指定在计算总谐波失真水平tthd时考虑的最高谐波阶数。m值举例应考虑以下事实：在20khz以上个体将不再感觉到失真的影响。因此，m可以举例为使下述不等式成立的数值：m×f0≤20,000并且(m+1)×f0>20,000。

总谐波失真水平tthd以百分比表示。

通过在最小频率fmin与最大频率fmax之间的所关注的频率f的范围[fmin;fmax]内连续或离散地扫描频率，通过改变激励信号e(t)的基频f0，在所述所关注的频率范围内计算总谐波失真水平tthd。

扬声器的非线性尤其在低频下出现，通常是小于150hz的频率，所述非线性取决于所考虑的扬声器，存在不同程度的差异。在根据本发明的方法的优选实施例中，所关注的频率范围[fmin;fmax]包括从20hz到60hz的频率范围，该范围对应于非线性特别显著的频率范围，与扬声器种类无关。

针对激励信号的幅度a的范围在第一幅度与第二幅度之间（例如在-40db与0db之间），在所关注的频率范围内确定总谐波失真水平tthd。

图3示出了曲线的四个示例，其展示了在测量步骤110结束时获得的取决于频率f的总谐波失真水平tthd的分布。

实曲线对应于输入信号e(t)的幅度a，该幅度a等于-10db。

虚曲线对应于输入信号e(t)的幅度a，该幅度a等于-18db。

点划曲线对应于输入信号e(t)的幅度a，该幅度a等于-24db。

点曲线对应于输入信号e(t)的幅度a，该幅度a等于-38db。

测量步骤110在封闭车辆的乘客室中原位进行，需考虑乘客室的特性，特别是设置在其中的物体（座椅、变速杆等）的尺寸或声学特性，甚至扬声器1及其环境之间的机械相互作用。

在实践中，对于某些特定频率，频率扫描可能导致车辆2的本征模式的激发，从而导致驻波的出现，以及对于所述频率在乘客室容积中的压力波幅度从空间中的一个点到另一点的较大差异。特别地，对于所述频率，出现波腹和波节，分别对应于压力幅度达到局部最大值和最小值的空间区域。因此，将麦克风m1设置在声波的压力变化很小的波节处（换句话说，由于它们被测量噪声和/或环境噪声所掩盖，因此在测量过程中是无法察觉的），因此不能对总谐波失真水平tthd进行可靠的测量。

因此，优选的麦克风的数量大于或等于2。乘客室中的麦克风的配置为：如果其中一个麦克风位于扬声器1的给定激励的波节处，则另一个麦克风位于波节之外，并且可以使用所述另一个麦克风捕获的信号来确定总谐波失真水平tthd。

图4a、4b和4c示出了设置在车辆2的乘客室中的一组两个麦克风m1、m2的三种可能的设置。这三种设置使其至少可在20hz至1khz的一个所关注的频率范围内确定总谐波失真水平tthd。

在图4a的设置中，第一麦克风m1布置在汽车的前排，位于驾驶员与乘客座椅之间。第二麦克风m2设置在车辆的仪表板与前挡风玻璃之间。

在图4b的设置中，第一麦克风m1和第二麦克风m2设置在驾驶员座椅的座位上。

在图4c的设置中，第一麦克风m1设置在驾驶员座椅的座位上，而第二麦克风m2设置在前排乘客座椅的座位上。

当然，可以设想其他设置，并且可以使用其他麦克风。

在确定步骤120中，可接受失真阈值t是固定的。该可接受失真阈值对应于非线性失真指标（在这种情况下是总谐波失真水平）的最小值，在该最小值之上，根据本发明的方法100来应用失真校正，在其之下不应用校正。如果指标等于可接受失真阈值，则可以根据情况选择是否执行校正。

可接受失真阈值的确定是任意的，但是在很大程度上取决于用于在扬声器1的使用期间发送给扬声器的信号的性质以及所需的渲染。实际上，如从下文理解，根据本发明的失真校正，使输入信号e(t)频谱的一部分衰减，因此，失真阈值t越低，在处理高音量水平的信号之后在扬声器输出处的渲染越不真实。通过将音频信号发送到扬声器的车载收音机设置的音量水平被称为“音量水平”。因此，失真阈值越低，就越不可能在不使音频信号失真的情况下提高音频信号的整体音量。因此，对于给定的音量水平和可接受失真阈值，在音量提高的情况下，通过方法100的处理，在低频处具有显著频谱的电子音乐将比在低频处具有较差频谱的古典型音乐更迅速地失真。因此，应根据扬声器输出处的最大期望水平并且根据可容忍的失真程度来调整阈值。

在图5a和5b中，实线示出了取决于频率的扬声器1的输入信号e(t)的最大可接受幅度amax，换言之，超过该幅度就会得到大于在可接受失真阈值的确定步骤120中固定的阈值的总谐波失真水平。

举例来说，对于图5a和5b所示的情况，50hz处-12db的声音水平导致总谐波失真水平tthd的值等于在相同频率下的阈值t。

在生成步骤130中，确定至少一个在输入信号e(t)通过扬声器之前施加到输入信号的滤波器。在此以及在随后的步骤中考虑的输入信号称为“音频信号”，并且通常可以是任何类型的声音信号，特别是例如来自cd-rom或usb闪存驱动的音乐类型的声音信号。

在图6a所示的第一实施例中，为车载收音机的每个音量水平i确定滤波器hi，所述音量水平i例如在从0到30（包括端值）的范围内改变。对于车载收音机的给定音量水平，所生成的滤波器hi能够针对每个频率获得小于最大可接受幅度amax的音频信号幅度。

由于失真在低频处更明显，因此所选择的滤波器能够衰减低频，可举例为高通、低架或峰值滤波器，或者来自该三种类型的滤波器的组合。在图5a和5b中，生成的滤波器hi用虚线表示，分别是四阶的高通滤波器和品质因数为1.8的低架滤波器。

优选地，考虑几种类型的输入信号以便生成该滤波器，例如古典、电子、摇滚、流行、嘻哈和爵士型等音乐，并且针对每种音乐类型和车载收音机的每个音量水平，确定不超过最大幅度amax的滤波器。最终针对给定音量水平选择的滤波器源自针对每种音乐类型确定的滤波器的组合，使得每个频率和每种音乐类型不超过扬声器输入处的最大幅度amax。

因此在该第一实施例中，在用户使用车载收音机之前生成一组扬声器。

然后，当用户使用车载收音机时，在校正步骤140中校正音频信号。

与用户设置的音量水平i相对应的滤波器hi应用于扬声器上游的音频信号。滤波后的信号或校正后的音频信号被发送到扬声器。

在该第一实施例中，滤波器被称为“静态的”，并且只要用户不改变车载收音机的音量就不会变化。

在图6b所示的本发明的第二实施例中，在用户使用车载收音机期间，在生成步骤130中，实时地进行音频信号的频谱分析。基于该分析的结果生成滤波器h。将滤波器确定为对于每个频率，可以在滤波器的输出处获得小于最大可接受幅度amax的音频信号e(t)的幅度a。

举例来说，将特定频率f1处的可接受失真阈值表示为t(f1)，如果输入信号的幅度a(f1)等于t(f1)+3db，则f1处滤波器h(f1)的值必须小于或等于-3db。

然后在校正步骤140中校正音频信号。在信号输入到扬声器之前，将滤波器h应用于该信号。滤波后的信号或校正后的音频信号被发送到扬声器。

因此，在该实施例中，可以以固定的时间间隔（例如每二十毫秒）更新滤波器h。该滤波器被称为是“动态的”，并且实时改变以适应信号。

该实施例的优点在于，其考虑到了发送到扬声器1的音频信号的频谱随时间的变化。

第一实施例的优点在于，与第二实施例相比，其需要更少的资源，并且其复杂度较小，只需根据车载收音机的音量水平来应用预定的滤波器即可。

尽管已经考虑了单个扬声器，本发明也可以应用于具有多个扬声器的系统。在这种情况下，应考虑为生成最大失真的扬声器的每个频率生成和应用滤波器。在给定频率处，最大可接受幅度amax取决于定标（dimensioning）扬声器，换言之，在该频率下生成最大失真的扬声器，定标扬声器能够从一个频率到另一个频率而有所不同。

同样，本发明经必要的修改可以应用于另一非线性失真指标，例如总谐波失真加噪声thd+n水平tthd+n，或者互调失真imd水平timd。还可以并行考虑这些指标，并为每个非线性失真指标固定失真阈值。必须以不超过每个频率的最小值阈值的方式来建立一组滤波器。