Коррекция звука на основе электрического импеданса в аудиоустройствах и способ ее осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам, предназначенным для коррекции выходного сигнала акустического преобразователя при изменении его акустического импеданса, например преобразователя, имеющего ушное крепление в устройствах беспроводной связи. При коррекции звукового сигнала измеряют изменение в электрическом параметре, по меньшей мере, на одной частоте, который изменяется с изменениями в акустическом импедансе акустического преобразователя. На основании измеренных значений производят динамическую корректировку звукового сигнала, подаваемого на акустический преобразователь. Дополнительно предложено устройство для реализации корректировки выходного сигнала акустического преобразователя. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в основном к коррекции звука в электрических устройствах и более конкретно к коррекции звука на основе электрического импеданса в электрических устройствах, например устройствах беспроводной связи, подверженных изменяющемуся акустическому импедансу, системах и цепях коррекции звука, и способам ее осуществления.

Уровень техники

В телефонных трубках беспроводной связи и других устройствах, содержащих акустический громкоговоритель для использования вблизи уха человека, хорошо известно, что изменения в связи, иначе иногда называемые утечкой, между корпусом и ухом пользователя изменяют акустический импеданс громкоговорителя. Акустический импеданс - это обычно отношение давления звука на поверхности к потоку звука через поверхность, выраженное в акустических омах. Изменения в акустическом импедансе могут привести к существенным, часто неблагоприятным изменениям в качестве звука, включая изменения частотной характеристики на звуковой частоте и изменения громкости.

Существенное разнообразие размера и формы уха человека также влияет на связь в аудиоустройствах с ушным креплением, так как трудно обеспечить ушное крепление одного размера, пригодное для всех. Изменчивость акустического качества очевидна для телефонных трубок беспроводной связи и других аудиоустройств, особенно для имеющих небольшие форм-факторы, которые обеспечивают ограниченные участки, на которых может быть расположено ухо пользователя для слушания.

В настоящее время инженеры-акустики выбирают комбинацию громкоговорителя, вложения в корпус и электрической схемы предобработки для оптимизации качества звука, которое, как правило, оценивается по гладкости и изменчивости частотной характеристики в диапазоне звуковых частот, типично от 300 Гц до 4 кГц.

Патент США №6321070 под названием "Портативное электронное устройство с комплектом громкоговорителя" раскрывает, в качестве примера, конфигурации механического корпуса для формирования частотной характеристики на звуковой частоте, которая является относительно независимой от связи, или звуковой утечки, между ухом пользователя и корпусом телефонной трубки.

Различные аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны для обычного специалиста в данной области при внимательном рассмотрении следующего подробного описания изобретения и прилагаемых чертежей, описанных ниже.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет характерное электронное аудиоустройство.

Фиг.2 представляет изображение с частным разрезом характерного датчика звука в корпусе, имеющем ушное крепление.

Фиг.3 представляет блок-схему характерного процесса коррекции звука.

Фиг.4 представляет характерную конфигурацию принципиальной схемы для детектирования и компенсирования изменений электрического импеданса датчика звука.

Фиг.5 представляет характерную диаграмму цепи детектирования электрического рассогласования.

Фиг.6 представляет графическую иллюстрацию зависимости величины импеданса громкоговорителя от частоты для громкоговорителя с герметизированным присоединением и для того же громкоговорителя с негерметизированным присоединением.

Фиг.7 представляет блок-схему характерного процесса коррекции звука.

Осуществление изобретения

Фиг.1 представляет характерное электронное устройство, имеющее датчик звука в форме устройства 100 беспроводной связи, хотя в других вариантах воплощения электронное устройство может быть отличным от аудиоустройства, например аудиозвуковая система, или ее часть, или аудиотелефонная трубка, или аксессуар телефонной трубки и т.д.

Характерное устройство 100 беспроводной связи включает, как правило, процессор/ЦПС(DSP) 110, подсоединенный к памяти 120, например ПЗУ (ROM) и ОЗУ (RAM). Процессор/ЦПС может представлять собой интегральную схему или дискретную схему. Характерное устройство также включает беспроводной приемопередатчик 130 и дисплей 140, оба подключенные к процессору/ЦПС 110. Аудиодрайвер 150 и датчик 152 звука, например динамический или пьезоэлектрический громкоговоритель, также подсоединяются к процессору/ЦПС 110. Характерное устройство включает входы 160, например клавиатуру и/или устройство прокрутки меню или устройство указателя, микрофон и т.п. Характерное беспроводное устройство также включает, как правило, другие входы и выходы, типичные для устройств беспроводной связи.

Как правило, датчик звука представляет собой любое устройство датчика звука, которое подвержено влиянию изменяющейся характеристики акустического импеданса, зависящей от способа его использования или некоторого другого изменяющегося фактора, такого, например, как относительная близость уха пользователя к датчику звука, или величина утечки между ухом пользователя и корпусом, в котором размещен датчик звука, называемая в целом связью.

Фиг.2 иллюстрирует характерный датчик 200 звука, размещенный в корпусе 210, имеющем один или более портов 212, через которые звук выходит из датчика звука. Корпус 210 может иметь ушное крепление 214, около которого или перед которым располагается ухо пользователя для прослушивания датчика звука. Корпус 210 может быть корпусом радиотелефонной трубки, или телефонной трубки, или звуковоспроизводящей трубки.

Согласно изобретению в целом, как показано на фиг.3, в блоке 310 электрический импеданс датчика звука изменяется в ответ на изменения акустического импеданса датчика звука. Акустический импеданс может изменяться, например, в зависимости от близости объекта или пользователя к датчику звука. В блоке 320 детектируется электрический параметр, который изменяется вместе с изменяющимся электрическим импедансом датчика звука, например, с помощью цепи детектирования электрического рассогласования, для измерения или калибровки изменяющегося акустического сопротивления.

Измеренные изменения электрического параметра, связанные с акустическим сопротивлением громкоговорителя, используются, как правило, в качестве основы для сигнала управления. В варианте воплощения на фиг.3, в блоке 330, изменения акустического сопротивления компенсируются изменением электрической характеристики звукового сигнала, направленного в датчик звука, на основе изменяющегося электрического параметра, например частотная характеристика и/или усиление звукового сигнала, отправляемого на громкоговоритель, могут быть скорректированы на основе детектированного электрического параметра.

В одном варианте воплощения электрический параметр, который изменяется с изменяющимся электрическим импедансом (и изменяющимся акустическим импедансом) датчика звука, измеряется или детектируется путем генерирования электрического сигнала, указывающего на рассогласование между базовым электрическим импедансом датчика звука и реальным электрическим импедансом датчика звука.

Фиг.4 представляет схематическую диаграмму характерной цепи 400 для детектирования и компенсации изменений в электрическом сопротивлении. Характерная цепь включает датчик звука 410, имеющий вход звукового сигнала, который типично подсоединен к источнику звукового сигнала, например выходу звукового усилителя 420. Цепь 430, детектирующая рассогласование и имеющая вход, подсоединенный ко входу датчика звука, содержит выход, который изменяется с изменениями в электрическом импедансе датчика звука.

В характерном варианте воплощения на фиг.1 характерное электронное устройство 100 включает цепь 170 детектирования рассогласований, имеющую выход, который соответствует изменениям в электрическом сопротивлении датчика звука. И звуковой сигнал исходит от процессора/ЦПС, и звуковой драйвер 250 усиливает сигнал громкоговорителя 152.

На фиг.4 выход цепи 430 детектирования рассогласования используется, как правило, как управляющий сигнал, например, для корректирования звукового сигнала, направляемого на датчик звука, на основе изменений в его электрическом импедансе. Альтернативно, выход цепи детектирования рассогласования может использоваться для управления некоторыми другими операциями, например, он может управлять режимом работы громкоговорителя телефонного устройства "свободные руки" (hands-free) на основе детектирования изменений в электрическом импедансе, соответствующих изменений в акустическом импедансе, определяемых приближенностью пользователя, говорящего в микрофон. В этом характерном применении цепь детектирования рассогласований эффективно работает как детектор приближенности.

Фиг.5 представляет более частный вариант воплощения характерной цепи 500 детектирования рассогласований, включающей, как правило, вход 501 сигнала, подсоединенный к источнику сигнала, например к выходу цепи 510 усилителя звука. Цепь детектирования рассогласований включает операционный усилитель 510, имеющий инвертирующий (инверсный) вход 522, подсоединенный к входу 501 сигнала посредством входного сопротивления 502. Инвертирующий вход 522 операционного усилителя также подсоединен к его выходу 524 посредством сопротивления 504 обратной связи. Неинвертирующий вход 526 операционного усилителя подсоединен к датчику звука 530. Датчик звука 530 и неинвертирующий вход 526 операционного усилителя 520 оба подсоединены к входу 501 сигнала посредством устройства 540 импеданса. В других вариантах воплощения на выходе цепи детектирования рассогласований может быть некоторая другая величина для случая, когда импеданс громкоговорителя находится на уровне базового импеданса.

Характерная цепь 500 детектирования рассогласований детектирует изменения в электрическом импедансе датчика звука 530, например изменения в электрическом импедансе, происходящие из-за изменений в акустическом импедансе, обусловленных изменениями в связи между датчиком звука и ухом пользователя или изменениями в степени приближенности некоторого другого объекта. В одном варианте воплощения значения входного сопротивления 502, сопротивления 504 обратной связи и устройства 540 импеданса выбраны так, чтобы операционный усилитель 520 имел нулевой выход для базового импеданса аудиоустройства 530, когда импеданс громкоговорителя 530 равен базовому импедансу, например когда электрический импеданс датчика звука находится на ожидаемом уровне импеданса.

Ожидаемый импеданс представляет собой электрический импеданс, присущий данному датчику звука в хорошо известной акустической среде, как в случае, когда он подключен непосредственно перед ухом пользователя. Электрический импеданс датчика звука изменяется, когда изменяется акустическая среда, например когда объект, такой как ухо пользователя, движется к датчику звука или от него. В вариантах воплощения, когда датчик звука представляет собой динамический громкоговоритель, его импеданс является в значительной степени резистивным. В вариантах воплощения, когда датчик звука представляет собой пьезоэлектрическое устройство, его импеданс является в значительной степени емкостным.

В одном варианте воплощения импеданс устройства 540 импеданса связан с ожидаемым электрическим импедансом (Z) датчика звука как 1/n. Величина n выбирается предпочтительно так, чтобы скачок напряжения на устройстве импеданса не был бы слишком большим, например n=9. В характерных вариантах воплощения резистор 504 обратной связи имеет значение, связанное с входным резистором 502 посредством того же фактора n. В характерных вариантах воплощения увеличение фактора n увеличивает чувствительность цепи детектирования рассогласований, но за счет ослабления звукового сигнала, подаваемого на громкоговоритель. Таким образом, существует компромисс, которым надо управлять в соответствии с требованиями конкретного приложения. Выбирая n=1, получим ослабление звукового сигнала на приблизительно 10%, что приемлемо для аудиоприложений. Для некоторых сходных приложений детектора может быть желательным увеличение чувствительности цепи детектирования рассогласований.

Связь между изменениями импеданса громкоговорителя и выходом цепи детектирования рассогласований состоит в следующем. В предположении высокого входного импеданса на инвертирующем входе операционного усилителя делитель напряжения, формируемый посредством R и Rn, создает следующее напряжение на инвертирующем входе 522 операционного усилителя:

Из-за отрицательной обратной связи и в предположении высокого усиления разомкнутой цепи для операционного усилителя следует, что

Если действительный импеданс громкоговорителя равен Z, делитель напряжения, сформированный посредством Z/n и Z, создает следующее напряжение на неинвертирующем входе 526 операционного усилителя:

Выходное напряжение операционного усилителя, когда импеданс согласован, равно

В случае рассогласования импеданса, когда действительный импеданс громкоговорителя равен kZ, вместо Z (k=1 для согласующего импеданса):

еслито

Цепь 500 детектирования рассогласований определяет изменение в электрическом импедансе датчика звука путем создания напряжения на выходе операционного усилителя 520, соответствующего рассогласованию между действительным электрическим импедансом датчика звука и базовым электрическим импедансом датчика звука. Выходной сигнал операционного усилителя изменяется с изменениями в электрическом импедансе датчика звука, который, в свою очередь, изменяется с изменениями в его акустическом импедансе. В других вариантах воплощения могут использоваться другие цепи для детектирования изменений в электрическом импедансе датчика звука.

В одном варианте воплощения измерение действительного электрического импеданса датчика звука во время работы может быть произведено посредством подачи тестового тонального сигнала на сигнальный вход, на одной или большем числе определенных частот, например, когда изменение импеданса наиболее существенно, как рассматривается более полно ниже. В телефонной трубке беспроводной связи и других аудиоприложениях некоторые тестовые тональные сигналы могут доставлять неудобства пользователю, и, таким образом, может быть желательным выбор тестового тона, имеющего низкую амплитуду и/или короткую длительность, чтобы избежать раздражения пользователя. В других вариантах воплощения действительный звуковой сигнал, который предполагается быть услышанным пользователем, используется для детектирования рассогласования импеданса.

В одном варианте воплощения на фиг.4 выход цепи детектирования рассогласований подсоединен к блоку 440 оценки коррекции, который определяет коррекцию звукового сигнала на основе выходного сигнала цепи 430 детектирования рассогласований. В одном варианте воплощения блок 440 оценки коррекции определяет коррекцию звукового сигнала на основе эмпирических данных о коррекции звукового сигнала, коррелированных с изменениями в детектируемом электрическом параметре, который изменяется с изменяющимся акустическим импедансом громкоговорителя для конкретно требуемой частотной характеристики. Эта информация может быть сохранена в памяти устройства, например в справочной таблице.

Блок оценки коррекции таким образом выбирает подходящую звуковую коррекцию для детектированного рассогласования.

Фиг.6 представляет графическую иллюстрацию величины импеданса громкоговорителя в зависимости от частоты для громкоговорителя с герметизированным присоединением и с открытым присоединением. Из графика следует, что для данного конкретного громкоговорителя электрический импеданс изменяется больше при одних частотах, чем при других в условиях акустической среды с герметизацией и без герметизации. Этот тип эмпирической информации может формировать основу для получения информации по коррекции звукового сигнала, требуемой для обеспечения желательной частотной характеристики на основе варьируемого электрического параметра цепи детектирования рассогласования импеданса. Фиг.6 также показывает, что в некоторых вариантах воплощения электрический импеданс существенно изменяется только при некоторых определенных частотах или на узких частотных полосах. Это те частоты, на которых изменение электрического импеданса является хорошим индикатором изменения акустической среды.

На фиг.4 блок 440 оценки коррекции имеет выход, подсоединенный к блоку 450 коррекции звука. Блок коррекции звука имеет выход коррекции звука, подсоединенный ко входу усилителя 420 звука и затем к датчику 410 звука и к цепи 430 детектирования рассогласования импеданса. В одном варианте воплощения блок коррекции звука представляет собой программируемый цифровой фильтр, имеющий настраиваемые частотную характеристику и усиление. В одном варианте воплощения функция блока оценки коррекции и блока коррекции звука выполняется программно посредством цифрового процессора сигнала (ЦПС), хотя в других вариантах воплощения она может выполняться эквивалентными аппаратными средствами и/или комбинацией аппаратных средств и программного обеспечения.

Характерная цепь, представленная на фиг.4, может также быть улучшена дополнительными компонентами, позволяющими сделать ее более частотно-избирательной на представляющих интерес частотах, например, путем фильтрования звукового сигнала фильтром защиты от наложения спектров перед преобразованием звукового сигнала в аналогово-цифровом (А/Ц) преобразователе.

Фиг.7 представляет блок-схему 700 характерной процедуры для корректирования звукового сигнала в устройстве с ушным креплением, имеющем датчик звука, чувствительный к варьируемому акустическому импедансу, получающемуся в результате изменяющихся нагрузок, к нему прикладываемых, примеры которых обсуждались выше. В блоке 710 составляющая звукового сигнала, направленного в громкоговоритель, вычисляется, например, посредством ЦПС, на одной или большем числе интересующих частот, предпочтительно, по меньшей мере, на тех частотах, на которых изменение электрического импеданса наиболее значительно. На фиг.4 звуковой сигнал А₀ является сигналом, направленным на звуковой усилитель 420.

На фиг.7 составляющая сигнала А_R, возвращающегося от детектора рассогласования, вычисляется на одной или более интересующих частотах. На фиг.4 сигнал обратной связи А_R представляет собой сигнал, выдаваемый на выходе цепью 430 детектирования рассогласований.

На фиг.7 в блоке 730 изменение в импедансе, или величина утечки, оценивается на основе отношения А_R/А_0, которое может быть вычислено посредством ЦПС, например, в блоке 440 оценки коррекции на фиг.4. На фиг.7 в блоке 740 коррекция звукового сигнала определяется на основе изменения в импедансе, или оцененной утечки. На фиг.4 коррекция звука определяется в блоке 440 оценки коррекции или посредством его. Коррекция звука определяется на основе предварительно полученных экспериментальных результатов, которые устанавливают корреляцию измеренных изменений в импедансе с частотной характеристикой для нескольких внешних условий акустической связи.

На фиг.7 в блоке 750 выбираются кратности фильтрации из базы данных или справочной таблицы для обеспечения желательной частотной характеристики, и в блоке 760 эти новые кратности фильтрации загружаются в программируемый фильтр. Выбор кратностей фильтрации и программирование фильтра могут быть выполнены посредством ЦПС, например, в блоке 440 оценки коррекции и блоке 450 фильтра на фиг.4. Звуковой сигнал, направленный на громкоговоритель, является таким образом скорректированным динамически на основе изменений в электрическом импедансе громкоговорителя, соответствующем изменениям в его акустическом импедансе.

В телефонных трубках беспроводной связи и других аудиоприложениях с ушным креплением заявляемые настоящим изобретением способы адаптивной коррекции звука используются предпочтительно в комбинации с эффективными акустическими дизайнерскими решениями.

В то время как настоящие изобретения и то, что считается в настоящее время их лучшими вариантами осуществления, обсуждались таким образом, чтобы раскрыть для обычных специалистов в данной области в той мере, чтобы можно было выполнить и использовать эти изобретения, также очевидно, что существует множество эквивалентов, раскрытых здесь вариантов воплощения, которые могут быть осуществлены без выхода за пределы объема правовой охраны и духа изобретений, которые определены прилагаемой формулой изобретения.

1. Способ коррекции звука в электронном устройстве, имеющем преобразователь звука с ушным креплением, который содержит следующие этапы:

определяют изменение в электрическом параметре, который меняется с изменениями в акустическом импедансе преобразователя звука;

определяют коррекцию звукового сигнала на основе изменения в электрическом параметре;

динамически корректируют звуковой сигнал, посылаемый на преобразователь звука, на основе коррекции звукового сигнала.

2. Способ по п.1, по которому изменение в электрическом параметре определяют, по меньшей мере, для одной частоты на основе звукового голосового сигнала, посылаемого на преобразователь звука.

3. Способ по п.1, по которому изменение в электрическом параметре определяют путем генерирования напряжения, соответствующего рассогласованию между действительным электрическим импедансом преобразователя звука и базовым электрическим импедансом преобразователя звука.

4. Способ по п.3, по которому изменение в электрическом параметре определяют, по меньшей мере, на частоте, на которой рассогласование между действительным электрическим импедансом и базовым электрическим импедансом является самым большим.

5. Способ по п.1, по которому коррекцию звукового сигнала определяют на основе эмпирических данных о коррекции звукового сигнала, коррелированных с изменениями в электрическом параметре для конкретной частотной характеристики.

6. Способ по п.1, по которому звуковой сигнал, посылаемый на преобразователь звука, компенсируют на основе коррекции звукового сигнала посредством изменения, по меньшей мере, части частотной характеристики или усиления звукового сигнала, посылаемого на преобразователь звука.

7. Способ по п.1, по которому изменение в электрическом параметре определяют на основе изменения в электрическом импедансе преобразователя звука относительно базового импеданса преобразователя звука.

8. Способ по п.1, по которому электрический параметр преобразователя звука изменяют посредством изменения акустического импеданса преобразователя звука.

9. Способ коррекции звука в электронном устройстве, имеющем преобразователь звука с ушным креплением, который содержит следующие этапы:

изменяют электрический импеданс преобразователя звука посредством изменения акустического импеданса преобразователя звука;

измеряют электрический параметр, который изменяется с изменением электрического импеданса преобразователя звука;

динамически компенсируют изменения акустического импеданса посредством изменения электрической характеристики звукового сигнала, посылаемого на преобразователь звука, на основе электрического параметра.

10. Способ по п.9, по которому измеряют электрический параметр, который изменяется с изменением электрического импеданса преобразователя звука, по меньшей мере, для одной частоты на основе голосового сигнала, посылаемого на преобразователь звука.

11. Способ по п.9, по которому изменяют электрическую характеристику звукового сигнала, посылаемого на преобразователь звука, посредством изменения, по меньшей мере, части частотной характеристики звукового сигнала или усиления звукового сигнала.

12. Способ по п.9, по которому измеряют электрический параметр, который изменяется с изменением электрического импеданса преобразователя звука посредством генерирования электрического сигнала, указывающего на рассогласование между базовым электрическим импедансом преобразователя звука и действительным электрическим импедансом преобразователя звука.

13. Способ по п.12, по которому изменяют электрическую характеристику звукового сигнала, посылаемого на преобразователь звука, на основе эмпирических данных о коррекции звукового сигнала, предварительно скоррелированных с измеряемым электрическим параметром.

14. Аудиоэлектронное устройство, содержащее

устройство коррекции звука, имеющее вход звукового сигнала и выход скорректированного звукового сигнала; преобразователь звука, подсоединенный к выходу скорректированного звукового сигнала устройства коррекции звука; цепь детектирования рассогласований, имеющая первый вход, подсоединенный к выходу скорректированного звукового сигнала устройства коррекции звука; цепь детектирования рассогласований, имеющая выходной сигнал, соответствующий рассогласованию между базовым электрическим импедансом преобразователя звука и действительным электрическим импедансом преобразователя звука;

блок оценки коррекции, имеющий вход, подсоединенный к выходу цепи детектирования рассогласований, причем блок оценки коррекции имеет выход данных звуковой коррекции, подсоединенный к входу данных коррекции устройства коррекции звука.

15. Электронное устройство по п.14, которое содержит

устройство импеданса, взаимосвязывающее преобразователь звука и выход скорректированного звукового сигнала устройства коррекции звука; цепь детектирования рассогласований, имеющую операционный усилитель, имеющий его инвертирующий вход, подсоединенный к выходу скорректированного звукового сигнала устройства коррекции звука посредством входного резистора, резистор обратной связи, взаимосвязывающий выход операционного усилителя и инвертирующий вход операционного усилителя, причем операционный усилитель имеет свой неинвертирующий вход, подсоединенный к преобразователю звука.

16. Электронное устройство по п.15, в котором устройство импеданса имеет электрический импеданс, который меньше чем базовый электрический импеданс преобразователя звука.

17. Электронное устройство по п.14, которое является устройством беспроводной связи, включающим процессор, подсоединенный к памяти, приемопередатчик, подсоединенный к процессору, входы, подсоединенные к процессору, цифровой процессор сигнала, подсоединенный к процессору, причем устройство коррекции звука и цепь блока оценки являются частью цифрового процессора сигнала.

18. Электронное устройство по п.14, в котором устройство коррекции звука является цифровым фильтром, имеющим настраиваемые частотную характеристику и усиление.

19. Электронное устройство по п.14, которое содержит корпус, в котором размещен преобразователь звука.

20. Электронное устройство, содержащее преобразователь звука, имеющий вход для сигнала; операционный усилитель, имеющий выход и инвертирующий и неинвертирующий входы, причем инвертирующий вход операционного усилителя подсоединен к первому концу первого резистора, неинвертирующий вход операционного усилителя подсоединен к сигнальному входу преобразователя звука; резистор обратной связи, взаимосвязывающий выход операционного усилителя и инвертирующий вход операционного усилителя; устройство импеданса, соединенное между вторым концом первого резистора и сигнальным входом преобразователя звука; аудиосигнальный вход на втором конце первого резистора.

21. Способ коррекции звука в электронном устройстве, имеющем преобразователь звука, включающий следующие этапы:

изменяют электрический импеданс преобразователя звука посредством изменения акустического импеданса преобразователя звука;

измеряют электрический параметр, который изменяется с изменением электрического импеданса преобразователя звука;

обеспечивают контрольный сигнал коррекции звука на основе этого электрического параметра.

22. Способ по п.21, по которому акустический импеданс преобразователя звука изменяется в ответ на наличие объекта, движущегося относительно преобразователя звука.