專利名稱：全向傳聲器的長期平衡的制作方法
這項(xiàng)發(fā)明涉及傳聲器系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中所用的傳聲器元件的匹配。
構(gòu)成方向性傳聲器的一種方法是采用壓差傳聲器元件。由此聲音經(jīng)過膜片的兩側(cè)相減，于是就形成了壓差傳聲器響應(yīng)及方向性波瓣。但是，這種傳聲器往往價(jià)格昂貴且應(yīng)用受限。另外，這種傳聲器極化方向圖是固定的，不能改變。另一種方法是采用兩個(gè)或多個(gè)傳聲器元件進(jìn)行電相減而不是聲相減。在這種系統(tǒng)中，有必要使用匹配的傳聲器來開始，即具有相同靈敏度響應(yīng)的基本傳聲器元件。得到這種傳聲器是很困難并且很貴的，因?yàn)樗鼈冃枰谏a(chǎn)時(shí)或運(yùn)行時(shí)進(jìn)行匹配。過去，往往采用把傳聲器元件分成近似的匹配組或者是采用手動(dòng)裝置調(diào)整傳聲器之間的靈敏度。但是這兩種現(xiàn)有的技術(shù)都需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力。采用這種固定靈敏度的傳聲器元件，即使最初是匹配的，但在離聲源的距離是變化的時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。另外，對(duì)于某些類型的傳聲器元件例如熟知的駐極體型，傳聲器的靈敏度會(huì)隨時(shí)間以未知的速率改變。這將導(dǎo)致固定增益的系統(tǒng)在長時(shí)間后出現(xiàn)不平衡。
在這種聲學(xué)系統(tǒng)中，采用現(xiàn)有傳聲器產(chǎn)生的問題及局限可以利用電子儀器。通過對(duì)使與傳聲器元件相關(guān)的各信號(hào)信道的長期平均寬帶增益(即增益)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、自適應(yīng)地相互匹配，加以克服。這是通過周期性地、動(dòng)態(tài)的處理各個(gè)傳聲器元件的信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的。
更為具體地講，其處理是這樣的各個(gè)傳聲器元件的信號(hào)信道的長期平均寬帶增益是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，每個(gè)傳聲器信號(hào)信道的能量估算經(jīng)過長期平均，信號(hào)信道間的能量差來重新調(diào)節(jié)傳聲器信號(hào)信道長期平均寬帶增益，使其差降至最小。
在一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)調(diào)整是通過獲得每個(gè)傳聲器信號(hào)信道的被調(diào)整的信號(hào)的能量估值，得到能量估值間的差值并長期平均該差值，從而得到增益差校正系數(shù)。該增益差校正系數(shù)用于再調(diào)整至少一個(gè)傳聲器信號(hào)信道的長期平均寬帶增益以使傳聲器信號(hào)信道間的增益差降為最小。
在另一個(gè)實(shí)施例中，得到了每個(gè)傳聲器信號(hào)信道能量的長期估值，獲得的能量估算比率用以調(diào)整至少一個(gè)傳聲器信號(hào)信道的長期平均寬帶增益以均衡傳聲器信號(hào)信道的增益。


圖1表示體現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)傳聲器系統(tǒng)的信號(hào)流圖；圖2表示以不匹配元件形成的傳聲器心形極化方向圖；圖3表示圖2所示同一傳聲器，利用發(fā)明使信號(hào)信道匹配后的極化方向圖；圖4表示一族在某一頻率的一階壓差度心形方向圖，其傳聲器元件間靈敏度不匹配的程度不同；圖5表示在匹配與N個(gè)傳聲器元件相關(guān)的信號(hào)信道時(shí)的信號(hào)流圖；圖6表示體現(xiàn)本發(fā)明另一實(shí)施例的兩個(gè)傳聲器元件系統(tǒng)的信號(hào)流圖；圖1以簡化的形式表示了體現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于匹配兩個(gè)傳聲器元件信號(hào)信道的信號(hào)流圖。值得注意的是圖1的信號(hào)流圖說明了實(shí)現(xiàn)此發(fā)明的信號(hào)流處理算法，這種算法可以采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)。但是，值得一提的是雖然此發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例是在這種數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中實(shí)現(xiàn)的，但也可采用集成電路或類似元件實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。這種數(shù)字信號(hào)處理器是可從市場(chǎng)上得到的，如，AT&T的DSP1600系列處理器。
如圖1所示，傳聲器元件101的輸出通過放大器102和編解碼器103提供給DSP104。DSP104包括實(shí)現(xiàn)此發(fā)明的數(shù)字信號(hào)流處理。圖1還示出了傳聲器元件105，其輸出通過放大器106和編解碼器107提供給DSP104。在應(yīng)用發(fā)明的一個(gè)例子中，傳聲器單元101和105為常見的駐極體型全向傳聲器。雖然其他類型的傳聲器元件也能夠利用本發(fā)明達(dá)到匹配，但因?yàn)轳v極體型成本低而成為優(yōu)選的一類。編解碼器103和107也是本領(lǐng)域中周知的元件。在本發(fā)明中使用的編解碼器的一個(gè)例子是T7513B編解碼器，它是可從AT&T公司買到的。在這個(gè)例子中，來自編解碼器103和107的數(shù)字信號(hào)輸出是以熟知的μ定律ROM格式編碼，在DSP104中的這種格式需轉(zhuǎn)換為線性PCM格式。這種μ定律到線性PCM的轉(zhuǎn)換是眾所周知的。經(jīng)編解碼器103和107的信號(hào)線性PCM格式分別加到乘法器110和111。乘法器110采用第一增益校正系數(shù)112來調(diào)整來自編解碼器103的線性PCM信號(hào)增益以得到傳聲器元件101調(diào)整后的輸出信號(hào)117。類似地，乘法器111采用第二增益校正系數(shù)調(diào)整來自編解碼器107的線性PCM信號(hào)增益以得到傳聲器元件105的調(diào)整后的輸出信號(hào)118。當(dāng)前的增益校正系數(shù)112和113是通過在預(yù)定常數(shù)值上增加或減少增益差分校正系數(shù)114而得到的。為此，通過代數(shù)求和單元115從預(yù)定值(本例中為1)中減去增益差分校正系數(shù)114，以得到當(dāng)前的增益校正系數(shù)112，通過代數(shù)求和單元116將預(yù)定值加上增益校正系數(shù)114就得到當(dāng)前的增益差分校正系數(shù)113。
增益差分校正系數(shù)114是按以下方式得到的；調(diào)整后的傳聲器輸出信號(hào)117通過乘法器120平方后產(chǎn)生一個(gè)能量估計(jì)值122。同樣，調(diào)整后的傳聲器輸出信號(hào)118通過乘法器121被平方以產(chǎn)生能量估計(jì)值123。能量估計(jì)值122和123通過代數(shù)求和單元124進(jìn)行代數(shù)相減，從而得到差值125。差值的符號(hào)是采用正負(fù)號(hào)函數(shù)按熟知的方法得到的，我們就得到了信號(hào)127。信號(hào)127或者為負(fù)1(-1)或?yàn)檎?(+1)，用以指示哪一個(gè)傳聲器信號(hào)信道所具有的瞬態(tài)能量最高。負(fù)1(-1)表示傳聲器元件105，正1(+1)表示傳聲器元件101。乘法器128，將信號(hào)127乘以一常數(shù)K得到信號(hào)129。信號(hào)129是作為信號(hào)127的比例形式。舉個(gè)例子，但并不構(gòu)成對(duì)此發(fā)明的限制，對(duì)應(yīng)22.5ks/s(每秒千樣點(diǎn))的取樣速率，k通常為10-5。積分器130對(duì)信號(hào)129積分以得到當(dāng)前的增益差分校正系數(shù)114。積分只是對(duì)所有過去值的求和。在另一個(gè)例子中，對(duì)應(yīng)于8ks/s的取樣速率，常數(shù)k的數(shù)值為5×10-6。數(shù)值k被稱為積分器130的“轉(zhuǎn)換”率。
圖2示出了如果本發(fā)明的增益均衡被打破，采用傳聲器元件101和105的傳聲器的心形極化方向圖的圖形表示。圖中所示為在500Hz(實(shí)線)，1000Hz(虛線)，300Hz(點(diǎn)劃線)的極化方向圖。所得到的極化方向圖的方向性指數(shù)(index)，在500Hz為1.7dB，1000Hz為2.6dB，3000Hz為3.6dB。值得注意的是所得到的極化方向圖并不是很好的心形。
圖3表示具有采用本發(fā)明的增益均衡的相同的傳聲器元件101和105的極化方向圖。圖中所表示的是在500Hz(實(shí)線)，1000Hz(虛線)和3000Hz(點(diǎn)劃線)的極化方向圖。所得到的極化方向圖的方向性指數(shù)，在500Hz為4.3dB，100Hz為4.3dB，3000Hz為4.4dB。值得注意的是所得到的心形曲線得到了很大改善，方向性指數(shù)在整個(gè)頻帶上相當(dāng)平滑。
圖4表示在500Hz處改變圖1的傳聲器元件101和105之間不匹配量時(shí)的極化方向圖。圖中表示了傳聲器元件101和105間失配為0dB，相應(yīng)的方向性指數(shù)(DI)為4.8dB的極化方向圖(實(shí)線)。也表示了傳聲器元件101和105之間失配為1dB，相應(yīng)的方向性指數(shù)為4.0dB的極化方向圖(點(diǎn)劃線)。還表示了傳聲器元件101和105之間失配為2dB，相應(yīng)的方向性指數(shù)為2.9dB的極化方向圖(虛線)。
圖5以簡化的方式示出了來自多個(gè)傳聲器元件501—1到501—N的信號(hào)處理以實(shí)現(xiàn)增益均衡的信號(hào)流圖。在這個(gè)例子中，我們選取了使與傳聲器元件501—1，501—3至501—N相關(guān)的信號(hào)信道增益和與傳聲器元件501—2相關(guān)的信號(hào)信道增益相匹配。這也就是說，與傳聲器元件501—1，501—3至501—N相關(guān)的信號(hào)信道的電平和傳聲器元件501—2相匹配。雖然，各增益都與傳聲器元件501—2相關(guān)的增益匹配，但與任意一個(gè)傳聲器元件501信號(hào)信道相關(guān)的增益也可被選擇與除它之外的其它信道增益匹配。
正如圖1電路構(gòu)造所示，經(jīng)501—1到501—N每一個(gè)傳聲器元件的信號(hào)通過放大器502—1至502—N分別提供到編解碼器503—1至503—N。每個(gè)編解碼器503將相應(yīng)傳聲器元件501的放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為μ定律PCM形式。每個(gè)編解碼器503的μ定律PCM輸出轉(zhuǎn)換為在DSP504中的線性PCM形式(未表示出來)。于是，編解碼器503—1和編解碼器503—3至503—N輸出的線性PCM表示分別提供給增益差分校正系數(shù)發(fā)生器505—1，505—3至505—N。因?yàn)樵谶@個(gè)例子中，對(duì)應(yīng)于傳聲器元件501—1和501—3至501—N的傳聲器信號(hào)信道的長期平均寬帶增益與傳聲器元件501—2的信號(hào)信道相匹配，所以編解碼器503—2的線性PCM輸出不需要調(diào)整。由于每個(gè)增益差分校正系數(shù)發(fā)生單元505—1，505—3至505—N是相同的且操作一樣，所以只詳細(xì)描述增益差分校正系數(shù)發(fā)生單元505—1。為此，每個(gè)增益差分校正系數(shù)發(fā)生單元505—1和505—3至505—N中的元件都標(biāo)有相同的標(biāo)號(hào)。實(shí)際上，每一增益差分校正系數(shù)發(fā)生單元505—1和505—3至505—N的操作實(shí)質(zhì)上與圖1所示對(duì)應(yīng)于傳聲器元件101的傳聲器信號(hào)信道的電路構(gòu)造相一致。因此，增益差分校正系數(shù)發(fā)生單元505—1中與圖1所示相同且操作一致的元件都標(biāo)以相同的編號(hào)，在此就不再詳細(xì)說明了。增益差分校正系數(shù)發(fā)生單元505—1與圖1所示電路構(gòu)成唯一不同的是增益差分校正系數(shù)114直接加到乘法器110，從而得到調(diào)整后的信號(hào)117，且對(duì)應(yīng)于傳聲器元件501—2的傳聲器信號(hào)信道的增益不被調(diào)整。因此，正如圖5所示，在對(duì)應(yīng)于傳聲器元件505—2與每個(gè)傳聲器元件505—1和505—3至505—N的傳聲器信號(hào)信道間形成了傳聲器信號(hào)信道對(duì)。
圖6簡單地表示了使采用本發(fā)明另一實(shí)施例的與至少一對(duì)傳聲器元件相關(guān)的信號(hào)信道增益匹配的信號(hào)流圖。圖6的信號(hào)流圖說明了DSP104中所用的實(shí)現(xiàn)此發(fā)明的信號(hào)流處理算法，雖然本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例是在DSP104中實(shí)現(xiàn)的，但也可以用集成電路等來實(shí)現(xiàn)。更具體地，如圖6所示，傳聲器元件101的輸出通過放大器102和編解碼器103提供給DSP104。DSP104包括實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字流處理。此圖同時(shí)也示出傳聲器105，其輸出通過放大器106和編解碼器107提供給DSP104。在這個(gè)例子中，傳聲器元件101和105是眾所周知駐極體型全向傳聲器主件，正如上文所述，編解碼器103和107也是本領(lǐng)域中熟知的，它用于將放大的傳聲器元件101和105的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成為μ定律PCM形式的數(shù)字信號(hào)。來自編解碼器103和107的μ定律PCM數(shù)字信號(hào)以熟知方式轉(zhuǎn)換為在EISP104中的線性PCM數(shù)字信號(hào)。來自編解碼器103的線性PCM數(shù)字信號(hào)加到乘法器601和602。同樣，來自編解碼器107的線性PCM數(shù)字信號(hào)加到乘法器603和604。第一增益校正系數(shù)1/ 也提供給乘法器602，用于調(diào)整來自編解碼器103的線性PCM數(shù)字信號(hào)的增益從而得到調(diào)整后的傳聲器元件101的輸出信號(hào)117。同樣，乘法器604采用第二增益校正系數(shù) 來調(diào)整編碼器107來的線性PCM數(shù)字信號(hào)的增益，從而得到調(diào)整后的傳聲器元件105輸出信號(hào)118。第一和第二增益校正系數(shù)以熟知的方式用對(duì)應(yīng)于傳聲器元件101和105的每個(gè)傳聲器信號(hào)信道的能量估算值E1和E2的比率F，由元件608和609產(chǎn)生的。能量估算值的比率F是通過分別產(chǎn)生傳聲器元件101和105的信號(hào)信道能量估算值E1和E2而得到的。能量估算值E1是首先在乘法器601中通過將編解碼器103的線性PCM數(shù)字信號(hào)平方，然后由泄漏(leaky)積分器605對(duì)平方結(jié)果進(jìn)行積分得到的。同樣，能量估算值E2是通過首先在乘法器603中將編解碼器107的線性PCM數(shù)字信號(hào)平方，然后由泄漏積分器606進(jìn)行積分而得到的。此后，能量估算值E1和E2的比率是通過除法器607得到，其中F＝E1/E2。
如何擴(kuò)展圖6所示的實(shí)施例以相似方式使N傳聲器元件的信號(hào)信道增益與圖5的實(shí)施例相匹配，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.采用多個(gè)傳聲器元件的裝置其特征在于用于產(chǎn)生與多個(gè)傳聲器元件的至少一對(duì)相關(guān)的信號(hào)信道間的增益校正系數(shù)的表示的裝置；響應(yīng)所述增益校正系數(shù)表示用于調(diào)整至少一個(gè)上述信號(hào)信道的長期平均寬帶增益的裝置，其特征在于與所述至少一對(duì)傳聲器元件相關(guān)的所述信號(hào)信道的長期平均寬帶增益是基本上相互匹配的。
2.如權(quán)利要求1所限定的此裝置，其特征在于所述用于產(chǎn)生所述增益校正系數(shù)表示的裝置，包括獲得在與所述至少一對(duì)傳聲器元件相關(guān)的每個(gè)信號(hào)信道的能量估算裝置，用于代數(shù)相減所述能量估算值以產(chǎn)生差分值的裝置，用于確定差分值正負(fù)符號(hào)的裝置以及綜合差分值正負(fù)號(hào)以產(chǎn)生所述增益校正系數(shù)的裝置。
3.如權(quán)利要求2所限定的此裝置，其特征在于所述能量估算值是用將要作為每個(gè)上述信號(hào)信道的輸出的信號(hào)得到的。
4.如權(quán)利要求3所限定的此裝置，其特征在于所述調(diào)整的裝置包括在每個(gè)信號(hào)信道中提供有帶有所述增益校正系數(shù)表示以調(diào)整相關(guān)的信號(hào)信道的長期平均寬帶增益的裝置。
5.如權(quán)利要求4所限定的此裝置，其特征在于所述調(diào)整裝置進(jìn)一步包括用于在預(yù)定值上增加所述增益校正系數(shù)的表示，以產(chǎn)生第一增益校正系數(shù)的裝置，從所述預(yù)定值中減去所述增益校正系數(shù)表示以產(chǎn)生第二增益校正系數(shù)的裝置，在提供有第一增益校正系數(shù)的一個(gè)所述信號(hào)信道中用于一個(gè)所述信號(hào)信道的長期平均寬帶增益的乘法器裝置，和在提供有第二增益校正系數(shù)的另一個(gè)所述信號(hào)信道中用于調(diào)整所述其它信號(hào)信道的長期平均寬帶增益的乘法復(fù)用器裝置。
6.如權(quán)利要求1所限定的此裝置，其特征在于所述產(chǎn)生所述增益校正系數(shù)表示的裝置，包括產(chǎn)生每個(gè)信號(hào)信道的能量估算值的裝置，對(duì)每個(gè)所述信號(hào)信道的能量估算值積分的裝置，產(chǎn)生每個(gè)信號(hào)信道積分的能量估算比率表示以產(chǎn)生所述增益校正系數(shù)的裝置。
7.如權(quán)利要求6所限定的此裝置，其特征在于每個(gè)信號(hào)信道中的能量估算值是從每個(gè)所述信號(hào)信道中的未調(diào)整的信號(hào)中得到的。
8.如權(quán)利要求7所限定的此裝置，其特征在于所述調(diào)整裝置包括每個(gè)信號(hào)信道中提供有所述增益校正系數(shù)表示以調(diào)整相關(guān)的信號(hào)信道的長期平均寬帶增益的裝置。
9.如權(quán)利要求8所限定的此裝置，其特征在于調(diào)整裝置進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生表示為1除以所述比率的4次方根的第一增益校正系數(shù)的裝置，用于產(chǎn)生表示為所述比率4次方根的第二個(gè)增益校正系數(shù)的裝置，在提供有所述第一增益校正系數(shù)所述信號(hào)信道中調(diào)整所述一個(gè)信號(hào)信道長期平均寬帶增益的乘法器裝置，和提供有所述的第二增益校正系數(shù)的其它所述信號(hào)信道調(diào)整所述其它所述信號(hào)信道的長期平均寬帶增益的乘法器裝置，其特征在于所述信號(hào)信道的長期平均寬帶增益是基本相匹配的。
全文摘要
多個(gè)信號(hào)信道長期平均寬帶增益以及相應(yīng)多個(gè)傳聲器元件是采用電學(xué)方法，自動(dòng)地相互適應(yīng)。這是通過對(duì)單個(gè)傳聲器元件進(jìn)行周期性地、動(dòng)態(tài)地處理而實(shí)現(xiàn)的。更為具體地說其處理過程是這樣的單個(gè)傳聲器元件的信號(hào)信道的長期平均寬帶增益是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，每個(gè)傳聲器信號(hào)信道的能量估算是經(jīng)過長期平均，利用不同信號(hào)信道間的能量差值可校正傳聲器信號(hào)信道長期平均寬帶增益，使其差值降為最小。
文檔編號(hào)H04R29/00GK1121301SQ95107738
公開日1996年4月24日 申請(qǐng)日期1995年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月30日
發(fā)明者小·約翰·查爾斯·鮑姆豪爾, 杰弗利·菲利普·麥卡蒂爾, 愛倫·迪安·邁克爾, 凱文·迪安·威利斯 申請(qǐng)人:美國電報(bào)電話公司