专利名称：声音增强的制作方法
技术领域：
本发明涉及声音增强。本发明尤其涉及依照用于生成声音的换能器的特性来增强音频信号。
背景技术：
已知不同的声音换能器可以十分不同地再现相同的音频信号。诸如(电磁或静电)扬声器之类的大部分换能器在一个特定的频带中比在其它频带中更为高效。据此具有确定幅度或能量的电输入信号生成具有不同幅度的声输出信号，特别是在某些频率范围中。如果输入信号具有有限频率范围，那么输出信号可以强有力地取决于所使用的特定换能器。
近来已经开发出了在十分窄频带内特别高效的换能器。在此频带内，这些换能器在它们的谐振频率(或多个谐振频率)上或附近操作，由此要求相对小的(电)输入信号来生成大(声的)输出信号。在欧洲专利申请号EP 03103396.2[PHNL031135]中描述了这种换能器的例子。其它例子包括所谓的“振动器”，其被设计成用于使诸如桌面之类的另一对象共振。
虽然这种“谐振换能器”当在它们的谐振频率上或附近操作时比规则换能器高效得多，然而它们在其它频率上并不那么高效。即，在它们的谐振频率(或多个谐振频率)上或附近，这些谐振换能器比普通的换能器能生成具有更大幅度的声音信号，而在其它频率，它们生成具有小(得多的)幅度的声音信号。本发明人认识到此差异可能会导致不想要的影响。
当谐振换能器被设计成例如在50Hz操作时，并且特定的歌曲具有大量在50Hz周围的低音，此低音会被相对大声地再现。当下一歌曲具有类似的低音量但是以80Hz为中心时，当由相同的换能器再现时此低音几乎听不到。显然这是不仅对于低音再现而且对于再现其它频率来说也是不想要的。
发明内容
因此本发明的目的在于克服了现有技术的这些及其它问题，并且提供了用于依照换能器的特性来调节音频信号幅度设备和方法。
据此，本发明提供了一种用于依照换能器的特性来调节音频信号幅度的设备，所述设备包括用于调节所述音频信号幅度的装置使得所述换能器的输出功率等价于基准换能器的输出功率。即，本发明的设备被配置成使用具有确定特性的换能器来生成声音信号，所述声音信号具有与使用具有基准特性的基准换能器所生成的声音信号的响度等效的响度(即，感知功率)。通过动态地调节声级，也被称作“定标”来达到此等效响度。
如这里所使用的术语“等效响度”意味着把物理上完全相同的(或基本上完全相同的)声压级和在感觉上完全相同的(或基本上完全相同的)声压级相比较。已知即便声音信号在物理上(略微地)不同，所述声音信号也可能被感知为完全相同的。
在优选实施例中，等效音频输出调整装置包括-第一模拟装置，用于响应于音频信号来生成用于表示基准换能器的输出的第一信号，-第二模拟装置，用于响应于所述音频信号来生成用于表示实际换能器的输出的第二信号，-比较器装置，用于比较所述第一信号和第二信号并且用于生成调整信号，和-调整装置，用于响应于所述调整信号来调节所述音频信号的幅度。
第一模拟装置当被音频信号激励时生成用于表示基准换能器的输出的第一信号。用于表示“规则”换能器的输出的此第一信号被用作基准信号。第二模拟装置当被相同的音频信号激励时生成用于表示实际换能器的输出的第二信号。把用于表示实际(典型情况下有限带宽的)换能器的输出的此第二信号与第一(基准)信号相比较以便确定基准换能器和实际换能器的输出信号偏离到哪个程度。典型情况下，基准换能器具有具有想要的特性，例如在大频率范围上基本上平的输出。
第一(基准)信号和第二(实际)信号的比较生成用来调节音频信号幅度的调整信号，使得在确定的频率范围内或在确定的频率上，由(实际)换能器在基本上相同的声级再现音频信号，就好像由基准换能器再现所述音频信号一样。
模拟装置包括换能器的数学或硬件模型并且可以包括用于模拟换能器的信号响应特性的滤波器，滤波器参数定义了所述模型。这些滤波器可以是用硬件和/或软件所实现的数字滤波器。一些换能器例如可以由高通滤波器来适当地建模。
可以在实验设置中确定参数，其中可以把基准换能器的输出功率与测试换能器的输出功率相比较，两个换能器接收相同的音频信号。使用各自测量的输出功率来确定模型(滤波器)参数。
应当注意，本发明并不修改换能器的频率特性。作为替代，依照频率特性来调节音频信号的放大(或衰减)。
在特别有益的实施例中，第一模拟装置和第二模拟装置都包括用于在感觉上加权音频信号的加权装置。可以执行公知的A加权过程的这种加权装置使用音质模型来把音频信号修改为人感知。依照这种方式，可以实现更适合于人类耳朵的调整。
在优选实施例中，比较器装置包括第一和第二信号幅度确定装置，用于分别确定第一信号和第二信号的幅度。可以通过计算信号的RMS(均方根)值来确定所述幅度，其是信号能含量的公知测量。应当理解在这方面，确定信号幅度和确定信号能量在技术上是等效的。
有益地是，比较器装置可以包括幅度比率确定装置，用于确定第一信号和第二信号的幅度比率并且依照所述比率来确定调整信号。作为选择，如果信号的能量是可用的，那么可以使用能量比率确定装置。如果分母中的能量值非常小，那么这种能量比率确定装置优选利用最大值(“最高限度”)以便避免不正确的结果。
在优选实施例中，调整装置包括控制放大器。这允许简单的音频信号级控制。然而，还可以使用诸如压控电阻之类的其它调整装置。
本发明进一步提供了一种包括如上面所定义的设备的音频系统。本发明的音频系统可以进一步包括第一滤波器部件，用于在音频信号被馈送到设备之前过滤所述音频信号，与所述第一滤波器部件并联布置的第二滤波器部件，以及组合部件，用于组合所述设备和第二滤波器部件的输出信号。音频系统可以进一步包括放大器及其它组件，适当的是家庭影院系统或汽车音响系统。还可以有益地在电视机中使用本发明的音频系统。
本发明还提供了一种用于依照换能器的特性来调节音频信号幅度的方法，所述方法包括用于调节所述音频信号幅度的步骤使得所述换能器的输出功率等价于基准换能器的输出功率。
在优选实施例中，本发明的方法进一步包括步骤-响应于音频信号来生成用于表示基准换能器的输出的基准信号，-响应于所述音频信号来生成用于表示实际换能器的输出的另一信号，-比较所述基准信号和所述另一信号并且生成调整信号，并且-响应于所述调整信号来调节所述音频信号的幅度。
可以依照换能器模型来确定所述基准信号和另一信号，所述换能器模型是用于模拟换能器特性的模型。本发明的方法可以进一步包括优选使用A加权来在感觉上加权音频信号的步骤。
本发明还提供了一种用于执行如上面所定义的方法的计算机程序产品。计算机程序产品可以包括诸如CD、DVD或软盘之类的载体，在上面采用电子或光形式来存储计算机程序。计算机程序指定要由通用计算机或专用计算机所执行的方法步骤。
下面参考在附图中所图示的示例性实施例来进一步解释本发明，其中图1示意地示出了依照本发明设备的优选实施例。
图2示意地示出了基准换能器和谐振换能器的频率特性。
图3示意地示出了依照本发明设备的增强实施例。
图4示意地示出了依照本发明的音频系统。
具体实施例方式
仅仅借助图1中的非限制性例子所示出的设备1的实施例包括第一模拟部件11、第二模拟部件12、第一信号功率确定部件13、第二信号功率确定部件14、信号比率确定部件15和可变放大器10。设备1被耦合到换能器2。
设备1从适当的源接收(电)音频信号x，所述源诸如CD播放器、DVD播放器、MP3播放器、家庭影院系统或计算机。
音频信号x被馈送到放大器10和第一和第二模拟部件11和12。每个模拟部件11、12能够模拟换能器(或换能器组)对音频信号x的响应。为此，模拟部件11、12可以包括适当的滤波器，其各自的响应分别符合基准换能器(未示出)和实际换能器2的响应。这种滤光器优选是用硬件和/或软件所实现的数字滤波器。应当理解，使用数字滤波器要求在本领域中公知的A/D(模拟/数字)和D/A(数字/模拟)转换器。
模拟部件11和12可以被认为建模基准换能器和实际换能器的行为。可以由滤波器参数来定义这些模型M1和M2的参数。模拟部件包括换能器的数学或硬件模型并且可以包括用于模拟换能器的信号响应特性的滤波器。
可以在实验上通过测量由相同的音频信号交替激励的基准换能器的声输出和另一换能器的声输出来确定被并入到模拟部件11和12中模型的参数。使用所测量的两个换能器的输出功率来确定为依照本发明建模输出功率所必须的滤波器参数。优选对于基本上单个频率或窄频带的信号，来执行输出功率的此比较。
响应于音频信号x，模拟部件11和12生成用于分别表示基准换能器和实际换能器2的模拟声输出的信号y和z。这些信号y和z在所示出的实施例中被传递到信号幅度确定部件13和14，用于分别确定信号y和z的幅度。在所示出的优选实施例中，部件13和14确定各自信号的RMS(均方根)值。那些本领域技术人员认识到RMS值是信号的幅度和能量的适当测量，并且作为选择可以使用诸如信号绝对值之类的其它幅度测量和能量测量。
每个幅度(或能量)内容确定部件13、14分别响应于信号y和z来生成幅度(或能量)信号P1、P2。幅度信号P1、P2被馈送到比率确定部件15，用于确定这些信号的比率由此确定信号y和z的各自幅度(或能含量)的比率。依照这种方式，可以确定由换能器2所生成的声音比由基准换能器所生成的声音更响或没那么响。如果声音可能会更响，那么由比率部件15所生成的调整信号会减小控制放大器10的放大系数，产生具有较小幅度的音频输出信号x’。如果声音没那么响，那么增加放大器10的放大系数。这参考图2将要更详细地解释。应当注意，本发明的设备使用预测的声音输出、未测量的声音输出来调节所述放大系数。
在图2中，图示了两个换能器特性I和II。这些特性表现了作为频率f函数的响应M(的幅度)。第一曲线I表明基准换能器的标准化特性，而第二曲线II示出了谐振换能器的特性。
如同所见，第二曲线II的谐振换能器在本例子中在谐振频率fR＝50Hz具有峰值。在谐振频率fR，谐振换能器的效率非常高，实际上高于基准换能器的效率。结果，近似50Hz的音频信号分量当由谐振换能器再现时(曲线II)比当由规则基准换能器再现时(曲线I)更响地发声。相反地，近似100Hz的音频信号分量当由谐振换能器再现时(曲线II)比当由规则基准换能器再现时(曲线I)没那么响地发声。
本发明通过降低在50Hz的声级(对于此特定的换能器)并且增加例如在40和80Hz的输出声级来补偿在(所测量的感知)输出声级中的此差异。依照这种方式，通过调节放大系数来使由谐振换能器所输出的(测量或感知)声级近似等于可能会由规则换能器所生成的声级。应当注意，此调整对于单个频率来说可能是最优的并且典型情况下对于频带来说是次优的。对于相对窄频带来说，仍然可以实现优秀的调整。应当进一步注意，本发明并不试图修改特性本身而仅仅是依照所述特性来调节放大系数。
为了获得更好的准确性，音频输入信号x优选具有有限的频带，例如在本例子中为30-80Hz，甚至是40-60Hz。音频信号x因此可以是具有相对窄通带的带通滤波器的输出信号，所述窄通带例如以50Hz为中心。
应当注意，音频输入信号x和相应的音频输出信号x’、y、z、P1和P2是时间函数。因此信号x在信号为模拟的情况下可以被写为x＝x(t)，并且在所述信号是数字的情况下被写为x＝x(i)。然而，为了方便，使用符号x而不是x(t)。
应当进一步注意，图1的设备1可以包括在放大器10和换能器2之间所布置的另一放大器(未示出)。所述设备还可以包括前置放大器(未示出)。另外，换能器2可以被替换为换能器组。每个换能器可以由扬声器、所谓的“摇动器”或任何能够把电信号转换为声音的其它换能器构成。
在图3中图示了设备1的增强。第一滤波器7和第二滤波器8并联布置，所述第一滤波器7与设备1串联。在所示出的例子中，第一滤波器7是低通滤波器，而第二滤波器8是高通滤波器，但反向布置也是可以的。优选由加法器所构成的组合部件9组合第二滤波器8和设备1的输出信号并且把所组合的输出信号馈送到换能器2。
滤波器7和8优选具有互补通带，它们的交点例如是100Hz或50Hz。依照这种方式，设备1只可操作用于音频信号的低频部分，剩下高频率部分不变。由于设备1所调节的音频信号部分具有窄频带时，所以增加了调整的准确性。
应当理解，代替两个滤波器，可以使用多个滤波器，每个滤波器都具有单个通带。本发明的设备1可以与至少一个滤波器串联但是优选与两个或多个滤波器串联布置以便在各自的频带中提供幅度调整。依照这种方式，可以分别地调节多个频带。
图4的示例性音频系统5包括声音处理部件3和依照本发明的设备1。声音处理部件3可以包括放大器和任何适当的滤波器和/或均衡器。声音处理部件3和设备1的次序可以被颠倒。
音频系统5从被耦合到系统5的输入终端的音频源4接收音频输入信号。音频源4可以由CD播放器、DVD播放器、MP3播放器、无线电调谐器、计算机、因特网终端或类似声音源构成。至少一个换能器2被连接到音频系统5的输出终端。此换能器可以是谐振换能器，在特定的频率具有响应峰值。
依照本发明，设备1具有与频率相关的声级控制，其考虑换能器2的特性。应当理解，几个换能器可以被连接到音频系统5，而且典型情况下如图2所示并非所有换能器都具有“峰值”特性。高频率的换能器(“高音用扩音器”)例如也可以被耦合到音频系统5。
音频系统5例如可以是家庭影院系统、家庭音响(立体声)系统、汽车音响系统、电视机或个人计算机的音响系统(的一部分)。
术语计算机程序产品应当被理解为包括命令集合的任何物理实现，例如制造产品，所述命令集合使(通用或专用)处理器在一系列用于把命令加载到所述处理器中的加载步骤之后能够执行本发明任何特性功能。特别地是，计算机程序产品可以被实现为在例如盘片或其它插件之类的载体上、存在于存储器中、暂时地存在于(有线或无线)网络连接上的程序代码、根据此程序代码所导出的处理器修改代码或此程序代码的任何中间转换或纸上程序代码，除程序代码之外，程序所要求的发明特性数据还可以被具体化为计算机程序产品。
本发明是基于以下理解的，具有“峰值”特性的换能器可以以极大改变的声级来再现不同频率的声音。本发明得益于以下的进一步理解，此问题可以借助声音的与频率相关和与换能器相关的放大系数来解决。
应当注意，在此文档中所使用的任何术语不应当被解释为对本发明范围的限制。特别地是，词“包括”和“包含”并不意味着排除并未特别声明的任何元件。单个(电路)元件可以用多个(电路)元件或其等效物来代替。
本领域内技术人员应当理解，本发明不局限于上面所图示的实施例，并且在不脱离如所附权利要求所定义的本发明范围的前提下，可以进行许多修改和补充。
权利要求
1.一种用于依照换能器(2)的特性来调节音频信号(x)幅度的设备(1)，所述设备包括用于调节所述音频信号(x)幅度的等效输出调整装置(10-15)使得所述换能器(2)的输出功率等价于基准换能器的输出功率。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述等效输出调整装置包括第一模拟装置(11)，用于响应于音频信号(x)来生成用于表示基准换能器的输出的第一信号(y)，第二模拟装置(12)，用于响应于所述音频信号(x)来生成用于表示实际换能器(2)的输出的第二信号(z)，比较器装置(13，14，15)，用于比较所述第一信号(y)和第二信号(z)并且用于生成调整信号(a)，和调整装置(10)，用于响应于所述调整信号(a)来调节所述音频信号(x)的幅度。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述第一模拟装置(11)和第二模拟装置(12)都包含各自换能器的模型。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述模型由滤波器的参数来定义。
5.如权利要求4所述的设备，其中通过比较两个换能器的声音输出来在实验上确定所述参数。
6.如权利要求2所述的设备，其中所述第一模拟装置(11)和第二模拟装置(12)都包括用于在感觉上加权音频信号(x)的加权装置。
7.如权利要求2所述的设备，其中所述比较器装置包括第一和第二信号幅度确定装置(13，14)，用于分别确定所述第一信号(y)和第二信号(z)的能量。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述比较器装置包括幅度比率确定装置(15)，用于确定所述第一信号(y)和第二信号(z)的幅度比率并且依照所述比率来生成调整信号(a)。
9.如权利要求2所述的设备，其中所述调整装置包括控制放大器(10)。
10.一种包括如权利要求1-9中任何一个所述的设备(1)的音频系统(5)。
11.如权利要求10所述的音频系统，进一步包括第一滤波器部件(7)，用于在音频信号(x)被馈送到所述设备(1)之前过滤所述音频信号(x)，与所述第一滤波器部件并联布置的第二滤波器部件(8)，和组合部件(9)，用于组合所述设备(1)和第二滤波器部件(8)的输出信号。
12.如权利要求10所述的音频系统，所述音频系统是家庭影院系统或汽车音响系统。
13.一种包括如权利要求10所述的音频系统(5)的电视机。
14.一种用于依照换能器(2)的特性来调节音频信号(x)幅度的方法，所述方法包括用于调节所述音频信号(x)幅度的步骤使得所述换能器的输出功率等价于基准换能器的输出功率。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括步骤响应于所述音频信号(x)来生成用于表示基准换能器的输出的基准信号(y)，响应于所述音频信号(x)来生成用于表示实际换能器(2)的输出的另一信号(z)，比较所述基准信号(y)和所述另一信号(z)并且生成调整信号(a)，并且响应于所述调整信号(a)来调节所述音频信号(x)的幅度。
16.如权利要求15所述的方法，其中依照换能器模型来确定所述基准信号(y)和另一信号(z)。
17.如权利要求15所述的方法，其中比较步骤包括生成所述基准信号(y)和另一信号(z)的幅度，并且确定这些幅度的比率以便生成调整信号。
18.如权利要求15所述的方法，进一步包括在感觉上加权所述音频信号(x)的步骤。
19.如权利要求15所述的方法，进一步包括过滤所述音频信号(x)的在前步骤。
20.一种用于执行如权利要求14-19中任何一个所述的方法的计算机程序产品。
全文摘要
一种设备(1)被配置成调节音频信号(x)的幅度使得被耦合到所述设备的换能器(2)的输出等价于基准换能器的输出。所述设备包括第一模拟部件(11)，用于响应于音频信号(x)来生成基准信号(y)，第二模拟部件(12)，用于响应于所述音频信号(x)来生成另一信号(z)，和比较器装置(15)，用于比较所述基准信号(y)和另一信号(z)以便生成被馈送到调整部件(10)的调整信号(a)。第一模拟部件(11)模拟基准换能器的响应，而第二模拟部件(12)模拟实际换能器(2)对音频信号(x)的响应。
文档编号H04R3/04GK1989784SQ200580025288
公开日2007年6月27日 申请日期2005年7月18日 优先权日2004年7月26日
发明者D·W·E·肖布本, R·M·阿茨, O·奥维尔特杰斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司