发明领域

本发明涉及用于音频系统的均衡系统，并更具体而言，涉及用于音 频系统的自动均衡系统。

本发明的重要目的是提供用于音频系统的改进的均衡系统。

发明简述

依照本发明，音频系统包括音频信号源；被耦合于该源的信号处理 电路，用于处理音频信号以产生被处理的音频信号；多个扬声器单元， 被耦合于信号处理电路，被构建并安排以围绕房间布置，用于响应于 处理音频信号而辐射声波；麦克风单元，用于接收声波并用于将声波 转换为电信号；声响测量电路，用于接收所转换的声波并提供频率响 应信号；存储器，被耦合于声响测量电路，用于存储扬声器单元的扬 声器信号特征并进一步用于存储频率响应信号；以及均衡确定电路， 被耦合于存储器，用于响应于所存储的扬声器和频率响应信号而提供 均衡图形信号。

在本发明的另一方面中，音频系统包括音频信号源；被耦合于该源 的信号处理电路，用于处理音频信号以产生被处理的音频信号；多个 扬声器单元，被耦合于信号处理电路，被构建并安排以围绕房间布置， 用于响应于处理音频信号而辐射声波；包括麦克风的声响测量电路， 用于接收声波并测量多个位置处的频率响应；存储器，被耦合于声响 测量电路，用于存储所述多个位置处的频率响应的频率响应信号表 示；以及均衡电路，响应于所存储的频率响应信号以提供涉及房间声 响特性的均衡。

在本发明的另一方面中，音频系统包括音频信号源；被耦合于该源 的信号处理电路，用于处理音频信号以产生被处理的音频信号；多个 扬声器单元，被耦合于信号处理电路，被构建并安排以围绕房间布置， 用于响应于处理音频信号而辐射声波。用于音频系统的均衡系统包 括：声响测量电路，包括麦克风，用于接收并转换声波并用于提供表 示多个位置处的频率响应的频率响应信号；存储器，被耦合于声响测 量电路，用于存储频率响应信号；以及均衡电路，响应于所存储的频 率响应信号以提供涉及房间声响特性的均衡。

在本发明的另一方面中，音频系统包括用于存储被数字地编码的信 息信号的存储介质；被耦合于存储介质以产生音频信号的信号处理电 路；多个扬声器单元，被耦合于信号处理电路，被构建并安排以围绕 房间布置，用于响应于处理音频信号而辐射声波；麦克风单元，用于 接收声波并用于将声波转换为电信号；以及被电耦合于存储介质和麦 克风的微处理器，用于响应于电信号而发展均衡图形。

在本发明的另一方面中，用于在具有第一麦克风和扬声器单元的音 频系统中产生均衡图形的方法包括：通过音频系统测试麦克风以确定 麦克风是否在一个频率范围上运行；以及在麦克风在该频率范围上没 运行的情况下，产生给用户的消息。

在本发明的另一方面中，用于在操作于具有环境噪声水平的收听区 域内的音频系统中产生均衡图形的方法包括：以一个振幅将声音辐射 到收听区域中；通过音频系统测量收听区域中的信噪比；以及在信噪 比低于阈值比的情况下，增加信噪比。

在本发明的另一方面中，用于在具有扬声器装置和麦克风的音频系 统中产生均衡图形的方法包括：通过扬声器装置辐射声波；通过麦克 风接收声波；测量所接收声波的振幅以确定振幅是否在振幅的预定范 围内；以及在振幅不在振幅的预定范围内的情况下，改变振幅以使振 幅在预定范围内。

在本发明的另一方面中，用于在操作于收听空间内、具有扬声器装 置和麦克风的音频系统中产生均衡图形的方法包括：将麦克风置于第 一位置的第一定位；通过扬声器装置对声波的第一辐射；通过麦克风 对声波的第一接收；响应于该接收，对音频系统第一频率响应的第一 测量；将麦克风置于第二位置的第二定位；通过扬声器装置对声波的 第二辐射；通过麦克风对声波的第二接收；响应于该接收，对音频系 统第二频率响应的第二测量；比较第一频率响应和第二频率响应以确 定第一频率响应和第二频率响应之间的差；以及在所述差小于预定量 的情况下，产生一消息。

在本发明的另一方面中，用于在具有扬声器装置的音频系统中产生 均衡图形的方法包括：在存储器中存储扬声器装置的操作极限；产生 均衡图形；比较均衡图形与操作特征以确定均衡图形的执行是否能导 致超过极限；以及在所述执行将导致超过极限的情况下，修改均衡图 形。

在本发明的另一方面中，产生用于音频系统的均衡图形的自动化方 法包括：由音频系统的用户执行的初始化步骤；通过音频系统对初始 化步骤的响应，其中响应步骤从预定的多个响应中被选择；以及通过 音频系统产生给用户的消息，该消息指导用户进行动作。

在本发明的仍另一个方面中，用于从音频系统产生均衡图形的方法 包括：通过用户来指示用户处于想要的收听位置；通过音频系统选择 接下来的步骤，其中接下来的步骤从多个可能的接下来的步骤中被选 择；以及通过音频系统产生给用户的消息，该消息包括待由用户采取 的接下来的步骤。

当与附图一起阅读时，从以下详述来看，其它特点、目的和优点将 变得明显，在附图中，

附图简述

图1为依照本发明的音频系统的方块图；

图2为与本发明一起使用的头戴送话器(headphone)的图；

图3为与本发明一起使用的存储器的图；

图4为依照本发明生成均衡图形的方法的流程图；以及

图5为本发明另一实施的方块图。

优选实施例详述

现在参照附图并更具体而言参照图1，所示为依照本发明的音频系 统的方块图。音频信号源10被耦合于音频信号处理电路12，其可包含 交叉(crossover)电路24。音频信号处理电路被又耦合于扬声器单 元14-1-14-6。每个所述扬声器单元14-1-14-6都包括一个或多个 声响驱动器单元，其将电信号(以模拟或数字形式被编码)转换为声 波。麦克风装置16被耦合于声响测量电路19，其被依次耦合于均衡计 算电路18和存储器20。均衡计算电路18可包括微处理器26，并可被 耦合于音频信号处理电路12和信号源10。均衡计算电路亦可被耦合于 存储器20并可被耦合于任选远程装置22。

音频信号源10可以是任何的各种模拟信号源如收音机，或者优选 为被数字地编码的音频信号的源如CD播放机、DVD或音频DVD播放机， 或者被数字地编码的音频信号的其它源如“网上收音机”传输或被存 储于存储介质如cd、随机存取存储器、计算机硬盘或其它的数字形式 的音频信号。音频信号处理电路12可包括常规的音频信号处理元件(其 可包括数字和模拟部件以及数字到模拟转换器、放大器及其它)以处 理被编码的音频信号，该信号然后由扬声器单元14-1-14-6转换为声 波。音频信号处理电路12亦可包括将音频信号解码为多通道的电路并 亦可包括电路元件如低等待时间无限脉冲响应滤波器(IIR)，其可通 过实施由均衡计算电路18发展的均衡图形来修改音频系统的频率响 应。音频信号处理电路12可进一步包括交叉电路24以使扬声器单元 之一可以是亚低音扬声器单元，而其它扬声器单元可以是高频扬声器 单元。可选地，扬声器单元14-1-14-6可以是没有交叉电路的全范围 扬声器单元，或者可包括低频和高频声响驱动器两者，在此情况下， 交叉电路可在扬声器单元14-1-14-6中。在又一个可选中，音频信号 处理电路12和扬声器单元14-1-14-6均可包括具有多于一个交叉频 率的交叉电路。为便于说明，本发明以亚低音扬声器单元、多个高频 扬声器单元以及具有单个交叉频率的音频处理电路12中的交叉电路被 描述。扬声器单元14-1-14-6可包括一个或多个声响驱动器并亦可包 括其它声响元件如端口、波导、声扭(acoustic mass)、无源辐射器、 声阻和其它声响元件。麦克风装置16可以是适合于被安装于头带或其 它身体安装装置的常规麦克风，如将在以下所述的。声响测量电路可 包含用于接收来自麦克风16的输入并从麦克风输入来测量频率响应的 元件。均衡计算电路18可包括微处理器和其它数字信号处理元件以接 收来自麦克风装置16的数字化信号并发展频率响应，如以后将描述的 比较该频率响应与所需的频率响应和其它信息，并发展均衡图形，其 与由麦克风装置16检测的频率响应组合而使扬声器单元14-1-14-6 辐射所需的频率响应。均衡图形可由在微处理器26中运行的软件程序 来计算。软件程序可被存储于存储器20，可从被实施为CD播放机的数 字音频信号源20上播放的CD来加载，或者可从远程装置22发射，该 远程装置可以是互联网链路、计算机、远程数字存储装置、另一音频 装置。可选地，任选远程装置22可以是运行软件程序并传输信息给均 衡计算电路18的计算机。存储器20可以是常规的随机存取存储器。 图1的音频系统可以是包括视频装置如电视或投影机和屏幕的家庭影 院的部件。

在一个操作方法中，测试音频信号可在音频信号源10上播放；可 选地，信号源可基于存储器20中所存的信息。音频信号处理电路12 和扬声器单元14-1-14-6将测试音频信号转换为声波，其被辐射到扬 声器单元14-1-14-6被置于其围绕的房间内，特征在于由房间与扬声 器单元的相互作用产生的频率响应。声波由麦克风装置16接收并被转 换为耦合于声响测量电路19的电信号。声响测量电路19测量频率响 应，并将表示频率响应的信号存储于存储器20中。均衡计算电路18 提供实现所需频率响应的适当均衡图形信号，并将均衡图形信号存储 于存储器20中。之后，当音频信号处理电路12接收来自音频信号源 10的音频信号时，均衡图形信号被传输到音频信号处理电路12中，该 音频信号处理电路依照均衡图形提供音频信号，该音频信号被传输给 扬声器单元14-1-14-6以便于转换为声波。在一些实施例中，音频信 号处理电路12可包含一些元件如数字信号处理芯片，和均衡计算电路 18和声响测量电路19一样。在另一个实施例中，音频信号处理电路 12、声响测量电路12、声响测量电路19和均衡计算电路18的部分可 位于所谓的“头部单元”(即，包含信号源的装置，如调谐器或CD播 放机，或者至外部信号源的连接，或两者)中，并且控制如源选择和 音量被置于其上，而其它部分可位于扬声器单元14-1-14-6之一如亚 低音单元上，或者分布于扬声器单元14-1-14-6中。这种实施可使得 头部单元便于与各种扬声器系统一起使用，而为扬声器系统所特有的 音频信号处理电路12和均衡计算电路18的部分位于扬声器单元之 一。

另外，图1的音频系统可被扩展以容纳类似于扬声器单元14-1- 14-6的第二组扬声器单元(未示出)，其被置于另一收听空间，如另 一个房间。在以上段落中所述的操作然后可在第二收听空间中被进 行。

除了上述操作方法，亦可采用其它操作方法。在一个操作方法中， 测试信号不同时从所有扬声器单元辐射，而是偶尔从一个扬声器单元 或从所选扬声器单元组辐射以使能每个扬声器单元或所选扬声器单元 组的单独均衡。

在另一个可选操作方法中，均衡图形以描述数字滤波的数据的形式 被存储，当被应用于音频信号时，其产生所需的频率响应。该数据可 以是滤波奇点(singularity)或滤波系数的形式。

现在参考图2，所示为麦克风16的安装安排。头带28装在用户的 头上并可适合于支持用户耳朵31附近的耳机30。麦克风16可被安装 于耳机30上。类似的麦克风可被安装于被置于用户的另一个耳机附近 的第二耳机(未示出)上。麦克风16可通过电导线32被连接于终端 34。终端34插入插孔36，其可以是双向插孔。双向插孔36被又耦合 于均衡计算电路18和声响测量电路19，在该视图中未示出。在其它实 施中，常规头戴受话器(headset)可被包括在耳机30中，因此除了 从麦克风声响测量电路19传输信号外，终端34和电导线32亦可将音 频信号以一般形式从音频信号处理电路12传输到耳机30。在其它实施 中，麦克风组件可被实施为安装在头带的一些其它部分上或者用户身 体上或架子(stand)上的一个或多个麦克风。插孔可适合于装到辅助 或特殊用途的插孔中并且可以是单路输入插孔。

参考图3，所示为存储器20的示意性表示。存储器20的第一部分 20-1中所存可以是表示扬声器单元14-1-14-6的特征的数据信号。 该数据信号可包括扬声器单元在其主操作波带中的额定灵敏度、扬声 器单元的带宽和扬声器单元的偏移极限及其它信息。存储器20的第二 部分20-2中所存可以是表示交叉电路24的特征的数据信号。该数据 信号可包括截止频率和额定下降(fall off)要求。存储器的其它部 分20-6到20-n中所存可以是来自不同收听位置的数据信号，其原因 将在以下说明。存储器20的其它部分20-3、20-4和20-5中所存可分 别为均衡图形信号1、均衡图形信号2和均衡图形信号3。均衡图形信 号1、均衡图形信号2和均衡图形信号3可表示不同的均衡图形。这几 个均衡图形可以是使用不同所需目标频率响应而计算的均衡图形。这 几个均衡图形亦可表示不同的模式，例如“聚会模式”，在其中均衡 图形被配置以在整个收听区域内提供令人愉悦的频率响应，或者“最 有效点”模式，在其中均衡图形为特定的收听位置而被最优化。如以 上在图2的讨论中所述，均衡图形信号以描述数字滤波的数据信号的 形式被存储，当被应用于音频信号时，其产生所需的频率响应。该数 据信号可以是滤波奇点或滤波系数的形式。

存储器的第一部分20-1中表示扬声器单元的数据信号可由均衡计 算电路18访问。该数据信号对均衡计算电路18有用时的实例是当所 计算的均衡图形可能被损坏声响驱动单元或导致失真或剪裁而损害声 响驱动单元的性能时。不是损害声响驱动单元的性能，均衡图形可被 修改以使频率响应优于未均衡的频率响应，但无需过度驱动声响驱动 单元。另外，扬声器单元数据在评估测量的完整性中可能是有用的。 如果频率响应的一部分低于阈值，扬声器单元可能不适当地工作。存 储器的第二部分20-2中表示交叉特征的数据亦可由均衡计算电路18 访问。使用表示交叉电路特征的数据信号的实例可以是当在交叉波带 中需要均衡校正时。在包括交叉频率区的给定频率区中的均衡图形可 被计算以使均衡校正在由交叉波带的低通部驱动的声响驱动器中或在 由高通部驱动的声响驱动器中，或者两者的一些组合，这依赖于驱动 器的限制。均衡图形信号1、2和3可被存储用于以后的检索，例如当 用户想要均衡至不同的目标频率响应或希望使用如上所述的不同模式 时。

参考图4，所示为在音频系统中依照本发明生成一个或多个均衡图 形的过程的方块图，在该音频系统中，音频信号源适合于转换被存储 于CD、DVD、音频DVD或一些其它形式的非易失性存储器中的信号。 在步骤42处，过程被初始化。初始化步骤可包括初始化被存储于一些 非易失性存储器中的软件程序，该存储器可以是相同的CD、DVD、音频 DVD或被包括在音频信号源10中的非易失性存储器。在一个实施中， 通过用户将盘插入音频信号源10来初始化所述过程。该盘在其上存储 了软件程序，包括给用户的言语指令、视频指令或音频和视频指令的 一些组合。在将盘插入音频信号源10之后，软件程序由微处理器26 或远程装置22执行。在步骤43处，软件程序重新配置音频系统，包 括控制音频参数如音量，以及禁止音调控制，并且任何时候变化的， 非线性的，或依赖信号的信号处理。在步骤44处，软件程序使指令传 达给用户。可从听觉上(例如通过由扬声器单元的至少一个或头戴送 话器广播言语指令)、从视觉上(例如通过在未示出的所附着视频监 视器上显示单词或者静态或动画图形)，或者通过言语和可视方式两 者(其可以是同步的)，将指令传达给用户。所述指令可包括用户将 被指令以执行的步骤的概括，以及将终端34插入双向插孔36或一些 其它输入插孔和将其上安装麦克风16a和16b的头带28放置到位的指 令。该指令亦可包括给用户的、表明用户什么时候准备好继续的指导， 如通过按压头带28上或远程控制单元上的按钮，未示出。在步骤46 处，均衡电路进行初始声响测试，例如通过确定是否有过量的环境噪 声，并辐射测试信号和分析结果以确保两个麦克风在兴趣频带上均运 行并且麦克风在灵敏度的容限内匹配。

如果环境噪声过量，用户可被指令减少环境噪声。如果麦克风不起 作用或在容限内不匹配，过程可能终止。在步骤47处，然后用户可被 指令移至第一理想收听位置并发出用户准备好继续的提示。在步骤48 处，第一收听位置处的传递函数(即，频率响应)由声响测量电路19 测量，并且该测量结果被检验有效性，如在适当振幅范围内，环境噪 声低于预定极限，且读数处于相干性的一个范围内，时间上的稳定性 以及可重复性(表明麦克风在测量期间未过多移动)。可被用于测试 这些条件的一个测试为线性测试。信号被辐射并且响应被测量。然后 信号被再次辐射，按比例缩小一些量如-3dB，并且响应被测量并按比 例放大+3dB。然后将对第二信号的按比例放大的响应与对第一信号的 响应进行比较。显著的差可表明振幅不在可接受的范围内，环境噪声 高于可接受的极限，或者读数不相干、在时间上不稳定或不可重复。 如果在对第一信号的按比例放大响应和对第一信号的响应之间有显著 的差，则在步骤49，言语或可视指令或者两者可被广播给用户以指令 用户移至声音在振幅范围内的位置或通过消除环境噪声源来降低环境 噪声水平，或者在进行测量时较安静地(still)握住麦克风。然而， 如果信噪比过低，则系统可增加音量以使音量处于音量的一个范围 内，从而使信噪比足够，而使干扰用户或导致所辐射信号失真或剪裁 的可能性最小。尽管有可能测量扬声器组合输出的频率响应，通常较 为理想的是测量每个扬声器单元(之后计算均衡图形)而不是所组合 扬声器单元的频率响应。

尽管可基于来自单个位置的数据来计算均衡图形，但从多于一个的 位置采集数据通常给出较好的结果。在步骤52处，步骤48的测量和 测试然后对第二位置进行重复，优选地对每个扬声器单元重复。在第 二位置处，可进行附加的测试以确定第二位置是否过于接近先前的位 置。确定一位置是否过于接近先前位置的一种方法是比较第二位置处 的频率响应与先前位置处的频率响应。如果包括“接近测试”的任何 测试表明为无效测量，则在步骤53，用户可被指令移动或进行校正， 如在步骤49中。步骤50、52和(如果有必要)步骤53然后可对更多 的位置被重复。如果需要，可指定位置的固定数量(如五个)或位置 的最小数量(如四个)或位置的最大数量(如八个)。如果测量尚未 在最小数量的位置处进行，则用户可被指令移至另一位置。如果测量 已在最大数量的位置处被进行(或者如果测量已在最小数量的位置处 被进行且用户表示测量已在所有需要的位置处被进行)，则过程前进 到步骤54。在步骤54处，所有位置的数据信号可由声响测量电路19 组合(通过一些方法如能量平均)并且从该数据信号发展均衡图形。 在步骤55处，均衡图形被计算。在步骤56处，均衡图形可与被存储 于存储器20的扬声器单元特征进行比较以确定未超过极限(如校正的 dB)，并且均衡图形可被修改以使得不超过极限。在步骤58处，实现 均衡图形的适当滤波器被计算并且代表性的信号被存储以便由音频信 号处理电路12使用。如先前所述，滤波器能以滤波系数或滤波奇点被 存储。

适合于实施图4步骤的软件程序被包括为辅助盘A，其包含可由处 理器如可在商业上从Analog Devices Inc.获得的ADSP-21065处理 器来执行的计算机指令。

依照本发明生成均衡图形的过程是有利的，这是因为非专家、未培 训的用户可进行声响测量并生成均衡图形，而无需使用昂贵的测量和 计算设备。另外，用户可容易使用所述设备和方法来确定均衡图形以 便于改变，如移动扬声器、改型、更换部件等。

现在参考图5，所示为本发明的另一实施例，特别适合于用于商业 安装如饭店、零售店等的音频系统。几个元件类似于图1的相同标号 的元件。音频系统60包括音频信号源10。音频信号源被耦合于音频信 号处理电路12，其可包含交叉电路24。音频信号处理电路12被又耦 合于扬声器单元14-1-14-n。每个所述扬声器单元14-1-14-n都包 括一个或多个声响驱动器单元，其将电信号或数字信号转换为声波。 便携计算机装置62包括被耦合于声响测量电路19的麦克风设备16。 声响测量电路19可被耦合于均衡计算电路18，其可被耦合于微处理器 26。微处理器26被又耦合于存储器20。音频系统60和便携计算机装 置62可被适配以使由均衡计算电路18确定的均衡图形可被下载到音 频信号处理电路12，如虚线64所示。

麦克风装置16可以是适合于被附着于或安装于便携计算机装置的 常规麦克风。声响测量电路可包括用于测量频率响应的装置。均衡计 算电路18可包括微处理器和处理元件以如随后将描述的比较所测频率 响应与所需频率响应和其它信息，并发展均衡图形，其与由麦克风装 置16检测的频率响应组合而使扬声器单元14-1-14-6辐射所需的频 率响应。在一个实施例中，均衡计算电路18被实施为在微处理器26 上运行的软件程序。软件程序可被存储于存储器20，其可以是常规的 随机存取存储器或一些其它形式的计算机存储器如闪存或ROM。

在操作中，测试音频信号可在音频信号源10上播放。在一个实施 中，测试音调被记录于CD上，该CD具有有50％占空度的无声、被散布 以测试音调的脉冲串的连续音轨。在其它实施中，测试音调可被存储 于存储器20中或便携计算机装置的一些其它部件中。音频信号处理电 路12和扬声器单元14-1-14-6将测试音频信号转换为声波，其被辐 射到扬声器单元14-1-1 4-6围绕其放置的房间内，特征在于由房间与 扬声器单元的相互作用产生的频率响应。麦克风16被移至房间中适当 的位置并被触发。麦克风16转换测试音调的接下来的脉冲串，并且声 响测量电路19确定那个位置的频率响应。然后麦克风16被移至第二 位置，并且重复转换和频率响应确定。在适当数量的测量之后，被加 载到便携计算机装置62中或驻留在其上的软件程序从位置响应确定平 均房间响应，并确定实现所需频率响应的适当均衡图形，并将均衡图 形信号存储于存储器20中。之后，均衡图形信号从便携计算机装置62 被下载到音频信号处理电路12，该音频信号处理电路依照均衡图形提 供音频信号，该音频信号被传输给扬声器单元14-1-14-6以便于转换 为声波。

在另一实施中，代替在每个位置触发便携计算机装置62，绕房间 移动便携计算机装置，并且为每个移动脉冲串确定频率响应。对应于 每个移动脉冲串的频率响应被连续平均以确定房间频率响应。

在又一个实施中，计算机装置62在其上存储对应于不同收听条件 的多个不同可选均衡目标。不同收听条件可包括前景音乐对背景音 乐；不同类型的音乐；嘈杂对安静环境；不同的环境。然后，由均衡 电路18确定的均衡图形将为房间频率响应和所选均衡目标的差。

在音频系统由专业音频系统设计师来设计和安装以用于商业机构 如饭店、休息室、零售店、商场等的情况下，依照图5实施例的音频 系统是特别有利的。在这些情况下，音频系统不需要麦克风或任何均 衡计算电路。均衡计算电路和麦克风装置可被包括在可用于许多不同 安装的便携计算机装置62中。

显然本领域的技术人员可进行对在此所公开的特定设备和技术的 大量修改并偏离它们，而不背离发明概念。因此，本发明将被说明为 包含由在此所公开的设备和技术所拥有或在其中呈现的每个和所有新 特点以及特点的新组合，并且仅由随后的权利要求的精神和范围来限 定。