声音处理方法和装置与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种声音处理方法和装置。

背景技术：

终端设备通常都具有声音处理功能，包括播放声音、录制声音等，其中，播放声音由扬声器实现，录制声音由传声器(或称麦克，mic)实现。每一个扬声器和传声器均包括一个换能器。扬声器的换能器又称电声转换器，能够将电信号转换为声音信号，实现声音的播放；传声器的换能器又称声电转换器，能够将声音信号转换为电信号，实现声音的录制。

根据换能器的工作原理和结构的不同，扬声器分为动圈式扬声器、动铁式扬声器、静电式扬声器等。其中，动圈式扬声器的换能器为动圈结构，即为动圈式换能器。动圈式扬声器的动圈式换能器如图1所示，主要包括振膜10、折环20、纸盆30、防尘帽40、定芯片50、线圈60、永磁体70、导磁板80和外磁体90，振膜10、折环20、定芯片50、线圈60以及承载线圈60的骨架构成振动系统，永磁体70、导磁板80和外磁体90构成磁路系统。其工作原理为：将交变的电信号输入振动系统的线圈60，使其在磁路系统形成的磁场中受到力的作用而运动，这个力的属性遵从左手定则(电动机定则)，运动的线圈60带动振膜10产生振动，从而发出声音，完成电声转换。

根据换能器的工作原理和结构的不同，传声器分为动圈式传声器、电容式传声器、柱级体式传声器等。其中，动圈式传声器的换能器为动圈结构，即为动圈式换能器。动圈式传声器的动圈式换能器如图2所示，主要包括振膜100、连接振膜100的线圈200以及磁体300，振膜100和线圈200构成振动系统，磁体300构成磁路系统。其工作原理为：声波到达振膜100，振膜100在声压的推动下发生振动，振动的振膜100带动线圈200在磁路系统形成的磁场中往复运动对磁场进行切割，这时线圈200中就会产生感应电流，电流方向遵从右手定则(愣次定则的特殊化)，该电流200就是声电转换后形成的电信号。由此可见，动圈式扬声器和动圈式传声器的动圈式换能器实现电声转换和声电转换的过程刚好相反。

随着终端设备的智能化程度越来越高，终端设备的声音功能也更加丰富，而现有技术主要通过器件堆砌的方式来实现更加丰富声音功能，即在终端设备中设置更多的扬声器和传声器等声音处理器件，而每一个扬声器和传声器又各自具有一个换能器。从而，一方面提高了终端的成本；另一方面，对于尺寸受限的移动终端来说，内部空间极其宝贵，增加的换能器占用了较多空间，不利于移动终端的轻薄化。同时，虽然动圈式传声器的成本较低，但由于其换能器体积较大，因此只能选用成本较高但体积较小的柱级体式传声器或电容式传声器。

综上所述，现有的终端设备通过器件堆砌的方式来丰富声音功能，增大了终端的体积，不利于终端的小型化发展，同时提高了终端的成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供声音处理方法和装置,以解决因声音处理器件堆砌而导致的终端体积和成本增大的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明实施例的一个方面，提供的声音处理方法，包括步骤：

在扬声器模式和传声器模式之间进行切换；

当进入所述扬声器模式时，控制声电双向换能器接收电信号，并将所述电信号转换为声音信号后予以输出；

当进入所述传声器模式时，控制所述声电双向换能器采集声音信号，并将所述声音信号转换为电信号后予以输出。

进一步地，所述在扬声器模式和传声器模式之间进行切换包括：接收切换指令，根据所述切换指令在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。

进一步地，所述在扬声器模式和传声器模式之间进行切换包括：检测当前的工作状态，根据所述工作状态在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。

进一步地，所述并将所述声音信号转换为电信号后予以输出的步骤之后还包括：对所述声电双向换能器输出的电信号进行放大处理。

进一步地，所述声电双向换能器为动圈式换能器。

根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种声音处理装置，包括模式切换模块、第一处理模块、第二处理模块和声电双向换能器，其中：

所述模式切换模块，用于在扬声器模式和传声器模式之间进行切换；

所述第一处理模块，用于当进入所述扬声器模式时，控制所述声电双向换能器接收电信号，并将所述电信号转换为声音信号后予以输出；

所述第二处理模块，用于当进入所述传声器模式时，控制所述声电双向换能器采集声音信号，并将所述声音信号转换为电信号后予以输出。

进一步地，所述模式切换模块用于：接收切换指令，根据所述切换指令在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。

进一步地，所述模式切换模块用于：检测当前的工作状态，根据所述工作状态在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。

进一步地，所述第二处理模块包括信号放大单元，所述信号放大单元用于：接收所述声电双向换能器输出的电信号，并对所述电信号进行放大处理。

本发明实施例的声音处理方法，通过在扬声器模式和传声器模式之间切换操作，在扬声器模式下通过声电双向换能器进行电声转换实现扬声器功能，在传声器模式下通过声电双向换能器进行声电转换实现传声器功能，使得扬声器功能和传声器功能融合在一起，相当于扬声器和传声器复用一个换能器，实现了扬声器和传声器的一体化设计，从而减少了终端中的零部件，进而减小了占用空间，有利于终端特别是移动终端的小型化发展，并大大降低了成本。

附图说明

图1为现有技术中动圈式扬声器的动圈式换能器的结构示意图；

图2为现有技术中动圈式传声器的动圈式换能器的结构示意图；

图3为本发明实施例的声音处理方法的流程图；

图4为本发明实施例的声音处理装置的模块示意图；

图5为本发明实施例的声音处理装置的第二处理模块的模块示意图；

图6为本发明一实施例的声音处理装置作为扬声器时的信号传输示意图；

图7为本发明一实施例的声音处理装置作为传声器时的信号传输示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图3，提出本发明实施例的声音处理方法，所述方法包括以下步骤：

s11、在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。

可选地，接收切换指令，根据切换指令在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。例如，接收到切换指令后，判断当前处于扬声器模式还是传声器模式；当处于扬声器模式时，从扬声器模式切换为传声器模式；当处于传声器模式时，从传声器模式切换为扬声器模式。又如，切换指令包括第一切换指令和第二切换指令，当接收到第一切换指令时，进入扬声器模式；当接收到第二切换指令时，进入传声器模式。

可选地，检测当前的工作状态，根据工作状态在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。例如，工作状态包括第一工作状态和第二工作状态，当检测到当前处于第一工作状态(如视频播放状态、音乐播放状态、录音播放状态、响铃状态等)时，进入扬声器模式；当检测到当前处于第二工作状态(如录音状态、通话状态等)时，进入传声器模式。可以通过检测当前启用的应用来进行工作状态的判断。

此外，还可以采用其它方式实现两个模式的切换。例如，当检测到声电双向换能器的电信号输入端有电信号输入时，则进入扬声器模式；否则，进入传声器模式。在此不再一一列举赘述。

s12、当进入扬声器模式时，控制声电双向换能器接收电信号，并将该电信号转换为声音信号后予以输出。

当进入扬声器模式时，声电双向换能器变为可以将电信号转换为声音信号的电声转换器，接收终端的其它声音处理单元(如数模转换器)传输的电信号，并通过电磁感应(或现有技术的其它转换原理)将电信号转换为声音信号后予以输出，播放出声音，实现扬声器功能。

s13、当进入传声器模式时，控制声电双向换能器采集声音信号，并将该声音信号转换为电信号后予以输出。

当进入传声器模式时，声电双向换能器转变为可以将声音信号转换为电信号的声电转换器，采集声音信号，并通过电磁感应(或现有技术的其它转换原理)将声音信号转换为电信号后予以输出，终端的其它声音处理单元对声电双向换能器输出的电信号进行处理(如模数转换)后存储起来作为录音文件或者传输给外部设备，实现传声器功能。

进一步地，还对声电双向换能器输出的电信号进行放大处理，以在尽可能保持信噪比(snr)的前提下，调整电信号的增益，达到信号增强效果。

进一步地，还对放大处理后的电信号进行优化处理，包括回声抑制、噪声消除、破音保护等，以提高信号质量。

可选地，所述声电双向换能器为动圈式换能器，可以直接采用传统的动圈式扬声器或动圈式传声器的动圈式换能器，或者对其进行适当改造。动圈式换能器包括磁路系统和振动系统，通过振动系统采集声音信号或输出声音信号，通过磁路系统和振动系统的配合实现电磁感应，通过电磁感应实现声电转换和电声转换。

本领域技术人员可以理解，除了采用动圈结构的换能器外，还可以采用现有技术中的其它结构(如变压器结构)，只要能实现声电和电声的双向转换即可。

本发明实施例的声音处理方法，通过在扬声器模式和传声器模式之间切换操作，在扬声器模式下通过声电双向换能器进行电声转换实现扬声器功能，在传声器模式下通过声电双向换能器进行声电转换实现传声器功能，使得扬声器功能和传声器功能融合在一起，相当于扬声器和传声器复用一个换能器，从而减少了终端中的零部件，进而减小了占用空间，有利于终端特别是移动终端的小型化发展，并大大降低了成本。

参见图4，提出本发明实施例的声音处理装置，所述装置包括模式切换模块101、第一处理模块102、第二处理模块103和声电双向换能器104，声电双向换能器104能够实现声电和电声的双向转换，其中：

模式切换模块101：用于在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。

可选地，模式切换模块101接收切换指令，根据切换指令在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。例如，接收到切换指令后，判断当前处于扬声器模式还是传声器模式；当处于扬声器模式时，从扬声器模式切换为传声器模式；当处于传声器模式时，从传声器模式切换为扬声器模式。又如，切换指令包括第一切换指令和第二切换指令，当接收到第一切换指令时，进入扬声器模式；当接收到第二切换指令时，进入传声器模式。

可选地，模式切换模块101检测当前的工作状态，根据工作状态在扬声器模式和传声器模式之间进行切换。例如，工作状态包括第一工作状态和第二工作状态，当检测到当前处于第一工作状态(如视频播放状态、音乐播放状态、录音播放状态、响铃状态等)时，进入扬声器模式；当检测到当前处于第二工作状态(如录音状态、通话状态等)时，进入传声器模式。模式切换模块101可以通过检测当前启用的应用来进行工作状态的判断。

此外，模式切换模块101还可以采用其它方式实现两个模式的切换。例如，当检测到声电双向换能器104的电信号输入端有电信号输入时，则进入扬声器模式；否则，进入传声器模式。在此不再一一列举赘述。

在某些实施例中，当切换到扬声器模式时，模式切换模块101关闭第二处理模块103，启动第一处理模块102；当切换到传声器模式时，模式切换模块101关闭第一处理模块102，启动第二处理模块103。

在另一些实施例中，当切换到扬声器模式时，模式切换模块101断开第二处理模块103和声电实现换能器104的连接，连通第一处理模块102和声电双向换能器104；当切换到传声器模式时，模式切换模块101断开第一处理模块102和声电双向换能器104的连接，连通第二处理模块103和声电双向换能器104。此时，声电双向换能器104可以通过一单刀双掷开关与第一处理模块102和第二处理模块103连接，模式切换模块101通过控制该单刀双掷开关来实现声电双向换能器104与第一处理模块102和第二处理模块103的断开和连通。

第一处理模块101：用于当进入扬声器模式时，控制声电双向换能器104接收电信号，并将电信号转换为声音信号后予以输出。

当进入扬声器模式时，声电双向换能器104变为可以将电信号转换为声音信号的电声转换器。

可选地，第一处理模块102向声电双向换能器104发送控制信号，控制声电双向换能器104接收终端的其它声音处理单元(如数模转换器)传输的电信号，并通过电磁感应(或现有技术的其它转换原理)将电信号转换为声音信号后予以输出，播放声音，实现扬声器功能。

可选地，第一处理模块102接收终端的其它声音处理单元(如数模转换器)传输的电信号，并将电信号传送给声电双向换能器104，声电双向换能器104接收电信号，并通过电磁感应(或现有技术的其它转换原理)将电信号转换为声音信号后予以输出，播放声音，实现扬声器功能。

第二处理模块103：用于当进入传声器模式时，控制声电双向换能器104采集声音信号，并将声音信号转换为电信号后予以输出。

当进入传声器模式时，声电双向换能器104转变为可以将声音信号转换为电信号的声电转换器。

第二处理模块103向声电实现换能器104发送控制信号，控制声电双向换能器104采集声音信号，并通过电磁感应(或现有技术的其它转换原理)将声音信号转换为电信号后输出，第二处理模块103接收声电双向换能器104输出的电信号，将该电信号传送给终端的其它声音处理单元，由其它声音处理单元对声电双向换能器输出的电信号进行处理(如模数转换)后存储起来作为录音文件或者传输给外部设备，实现传声器功能。在某些实施例中，声电双向换能器104也可以将电信号直接输出至终端的其它声音处理单元。

进一步地，如图5所示，第二处理模块103包括信号放大单元113，该信号放大单元113用于：接收声电双向换能器104输出的电信号，并对电信号进行放大处理，以在尽可能保持信噪比(snr)的前提下，调整电信号的增益，以达到信号增强效果。

进一步地，第二处理单元103还包括优化处理单元123，该优化处理单元123用于：接收信号放大单元输出的电信号，并对该电信号进行优化处理，包括回声抑制、噪声消除、破音保护等，以提高信号质量，然后输出优化处理后的电信号。

本发明实施例的声音处理装置，既可以作为扬声器进行电声转换，实现声音播放功能；又可以作为传声器进行声电转换，实现声音录制功能。

如图6所示，为一实施例的声音处理装置作为扬声器时的信号传输示意图。其中，第一处理模块102接收终端的其它声音处理单元输出的电信号，并将电信号输出给声电双向换能器104，声电双向换能器104将电信号转换为声音信号后予以输出。本实施例中，模式切换模块101可以通过检测第一处理模块102是否接收到电信号来进行模式切换，当检测到第一处理模块102接收到电信号时，则进入扬声器模式，否则进入传声器模式。

如图7所示，为一实施例的声音处理装置作为传声器时的信号传输示意图。其中，声电双向换能器104采集声音信号，并将声音信号转换为电信号后输出给第二处理模块103，第二处理模块103对声音信号进行放大优化处理后输出给终端的其它声音处理单元。

可选地，所述声电双向换能器104为动圈式换能器，可以直接采用传统的动圈式扬声器或动圈式传声器的动圈式换能器，或者对其进行适当改造。动圈式换能器包括磁路系统和振动系统，通过振动系统采集声音信号或输出声音信号，通过磁路系统和振动系统的配合实现电磁感应，通过电磁感应实现声电转换和电声转换。

本领域技术人员可以理解，除了采用动圈结构的换能器外，还可以采用现有技术中的其它结构(如变压器结构)，只要能实现声电和电声的双向转换即可。

本发明实施例的声音处理装置，通过在扬声器模式和传声器模式之间切换操作，在扬声器模式下通过声电双向换能器104进行电声转换实现扬声器功能，在传声器模式下通过声电双向换能器104进行声电转换实现传声器功能，使得扬声器功能和传声器功能融合在一起，相当于扬声器和传声器复用一个换能器，从而减少了终端中的零部件，进而减小了占用空间，有利于终端特别是移动终端的小型化发展，并大大降低了成本。

本发明实施例的声音处理装置，既可以应用于手机、平板等移动终端，又可以应用于计算机、电视机等固定终端。

以手机为例，手机中通常采用动圈式扬声器以及电容式或柱级体式传声器，采用本发明实施例的声音处理装置，可以省略电容式或柱级体式传声器的换能器，只需对动圈式扬声器的动圈式换能器进行优化改造，使得扬声器和传声器复用优化改造后的动圈式换能器，该优化改造后的动圈式换能器即能作为上述实施例描述的声电双向换能器。

动圈式换能器如图1所示，在对其进行优化改造时，可以从以下方面入手：对振动系统的折环和定芯片的阻尼特性进行调整，增加灵敏度；对磁路系统的永磁体的磁场强度h、导磁板的磁导率η和线圈的磁感应强度b进行调整，调整的方向是增加h、η和b的值，目的是增加线圈运动区域的磁通量φ，从而使线圈在磁场中受到的力f和线圈切割磁场后产生的感应电流i都尽可能的满足电声转换/声电转换的要求。

电声转换的方程式为：

f＝bli(公式1)

声场方程式为：

其中：

γ：定压比热容与定容比热容之比，空气中为常数1.40；

p0：一个标准大气压，常温25℃条件下为常数；

p：振膜承受的声压力；

ρ0：空气密度，常温25℃条件下为常数；

v：振膜移动速度；

t：振膜移动时间；

l：振膜移动矢量＝(x，y，z)；

此外，v和t这两个物理量在仿真中可以人为设定，在实际测量中可以通过激光测距仪精确测得；以激光测距仪测量振膜中心点实际移动距离为x；若按照点声源进行简化，可以认为y＝0和z＝0；

将f＝bli作为声压力p带入公式2，推出二阶偏导方程组公式：

该公式是i和x的2阶偏导函数关系

利用公式3可以求得振膜中心点位移量x和线圈中感应电流i这两个物理量，从而建立起换能器的振动系统灵敏度调整的数学依据：

①若最终感应电流i过小，则利用公式3在加大i条件下反推出振膜带动线圈切割磁感线的最小距离x；

②由公式1计算这时线圈承受的力f；

③对i、x和f三个物理量进行声学部件的检验，考察它们是否符合材料力学的各项约束指标(诸如寿命、应力等)；

④再利用仿真或实物测试进行声学验证，检验各项声学指标的设计是否达到必要的声电转换效果。

根据上述优化改造原理，可以对如图1所示的动圈式换能器进行如下改造：

1)将纸盆、防尘帽材质更换为更加轻薄的材料，以降低振膜重量，以在相同声压作用下，增加振膜带动线圈切割磁路磁场的距离；

2)降低折环、定芯环的阻尼系数，以增加振动系统的灵敏度，以在相同声压作用下，增加振膜带动线圈切割磁路磁场的距离；

3)调整磁路系统中导磁板的磁导率，或调整永磁体的磁场强度，在满足声电转换要求后，保持电声转换工作过程中，线圈的行径距离，即振膜的震动行程x。

以上几点调整都是基于公式1和公式3的原理确定的，同时需要反复仿真和实测进行参数优化，就能满足电声转换的性能要求的同时，提供足够大的灵敏度，完成声电转换的功能。

采用本发明实施例的声音处理装置和方法，可以对现有的手机的动圈式扬声器的动圈式换能器进行优化改造，将其改造为既能满足电声转换的性能要求，又能满足声电转换的性能要求的声电双向换能器，并提供在扬声器模式和传声器模式之间切换的功能，在扬声器模式下通过声电双向换能器进行电声转换实现扬声器功能，在传声器模式下通过声电双向换能器进行声电转换实现传声器功能，使得扬声器功能和传声器功能融合在一起，从而使得扬声器和传声器复用一个换能器，而省略了手机中成本较高的电容式或柱级体式传声器的换能器。既降低了成本，又节约了空间，有利于手机的轻薄化发展，或者利用腾出的空间放置其它器件而为手机增添更多功能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件来实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。