聲音再現裝置的製作方法

2023-04-29 23:47:41 2

專利名稱：聲音再現裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聲音再現裝置，特別是一種可以被優先應用於移動終端設備的聲音再現裝置。
背景技術：
近年來，移動終端設備，比如蜂窩電話、個人手持電話裝置(PHS)和個人數字助理(PDA)，已經具有網際網路接入功能，從而使移動終端設備變得多功能化。例如，一種商業基礎上生產的移動終端設備，可以通過網際網路從音樂分配伺服器(music distribution server)下載音樂數據，並將下載的音樂數據存儲在移動終端設備的半導體存儲器中，同時還具有再現存儲在半導體存儲器中音樂數據的功能。
在音樂或環繞立體聲是雙聲道信號的情況下，希望輸出通道數等於或大於2。然而，要給一個移動終端設備提供多個揚聲器，必須將揚聲器多個彼此非常接近地安置。這是因為移動終端設備裡的空間非常有限。
常規上，還沒有考慮過使多個揚聲器彼此非常接近的安置方法。這是因為常規的移動終端設備上只提供一個揚聲器，而沒有在常規的移動終端設備上提供多個揚聲器的設想。
發明概要根據本發明的一個方面，這裡提出一種聲音再現裝置，它包括第一揚聲器；第二揚聲器；以及用來驅動第一和第二揚聲器的第一揚聲器驅動單元，該部分在第一頻帶基本同相位地驅動第一和第二揚聲器，並在高於第一頻帶的第二頻帶基本反相地以基本幅度電平差分驅動第一和第二揚聲器。
本發明的一個實施例，第一揚聲器驅動單元處理第一聲音信號並向第一揚聲器輸出驅動第一揚聲器的第一驅動信號，以及處理第二聲音信號並向第二揚聲器輸出驅動第二揚聲器的第二驅動信號。第一揚聲器驅動單元包括相位差控制單元，控制第一和第二驅動信號之間的相位差，使它們分別在第一頻帶0°附近和第二頻帶180°附近；一個增益差控制單元，用來控制第一和第二驅動信號之間的增益差，使它們在至少包含有第二頻帶的一個頻帶中等於或大於某個規定值。
本發明的另一實施例，相位差控制單元控制第一和第二驅動信號之間的相位差，使其在第一、第二頻帶之間的過渡頻帶中從0°到180°變化。
本發明的另一實施例，其第一揚聲器驅動單元包括對第一和第二聲音信號中的一個進行濾波的濾波器，以及對另一個聲音信號進行放大的放大器。濾波器具有頻率相位特性，可以根據輸入信號的頻率來改變輸入信號的相位。濾波器起相位差控制單元的作用，而放大器起增益差分控制單元的作用。
本發明的另一實施例，第一揚聲器驅動單元包括對第一和第二聲音信號中的一個進行濾波的濾波器，以及對濾波器的輸出信號進行放大的放大器。濾波器具有頻率相位特性，可以根據輸入信號的頻率來改變輸入信號的相位。濾波器起相位差控制單元的作用，而放大器起增益差控制單元的作用。
本發明的另一實施例，第一揚聲器驅動單元包含對第一和第二聲音信號中的一個進行濾波的濾波器。濾波器具有頻率相位特性，可以根據輸入信號的頻率來改變輸入信號的相位，同時又具有頻率增益特性，可以對輸入信號維持一個非零的常數增益，而不管輸入信號的頻率。濾波器既作為相位差控制單元，又作為增益差分控制單元。
本發明的另一實施例，以指定比例配置單聲道信號獲得第一和第二聲音信號。
本發明的另一實施例，第一和第二揚聲器各自位置的間隔小於17cm。
本發明的另一實施例，提供一種用於移動終端設備的聲音再現裝置。
本發明的另一實施例，其聲音再現裝置還包括第三揚聲器；第二揚聲器驅動單元，用來對第一、第二和第三揚聲器進行驅動。其中第一揚聲器驅動單元驅動第一和第二揚聲器以獲得第一方向特性，第二揚聲器驅動單元驅動第一、第二和第三揚聲器以獲得第二方向特性。第一方向特性和第二方向特性互不相同。
本發明的另一實施例，第二揚聲器驅動單元包括與第一揚聲器連接的第一濾波單元；與第二揚聲器連接的第二濾波單元；和與第三揚聲器連接的第三濾波單元。其中第一濾波單元的第一濾波係數、第二濾波單元的第二濾波係數和第三濾波單元的第三濾波係數中至少兩個互不相同。
本發明的另一實施例，第二揚聲器驅動單元包含連接到第一和第二揚聲器的第一濾波單元；和連接到第三揚聲器的第三濾波單元，其中第一濾波單元的第一濾波係數和第三濾波單元的第三濾波係數互不相同。
本發明的另一實施例，其聲音再現裝置還包括在聲音再現裝置的外面傳輸第一揚聲器聲音輸出的傳聲筒；和驅動第一和第二揚聲器的第二揚聲器驅動單元，其中第一揚聲器驅動單元驅動第一和第二揚聲器以獲得第一方向特性，第二揚聲器驅動單元驅動第一揚聲器和第二揚聲器以使傳聲筒和第二揚聲器獲得第一方向特性，第一和第二方向特性互不相同。
根據本發明的另一實施例提供的一種移動終端設備，包括聲音再現裝置，它包括第一揚聲器，第二揚聲器，第三揚聲器，以及第一和第二揚聲器驅動單元；驅動確定單元，用於確定是驅動第一揚聲器驅動單元還是第二揚聲器驅動單元；信號發生部分，用於產生聲音信號；和切換單元，用於執行開關操作，從而根據驅動確定單元的確定結果向第一揚聲器驅動單元或第二揚聲器驅動單元輸出由信號發生部分產生的聲音信號，第一揚聲器驅動單元驅動第一和第二揚聲器以獲得第一方向特性，第一揚聲器驅動單元在第一頻帶基本同相位地驅動第一和第二揚聲器，第一揚聲器在高於第一頻帶的第二頻帶基本反相地以基本不同的幅度電平驅動第一和第二揚聲器，第二揚聲器驅動單元驅動第一揚聲器、第二揚聲器和第三揚聲器以獲得第二方向特性，並且第一和第二方向特性互不相同。
因此，本發明在這裡記述了一種聲音再現裝置，它具有可適當地驅動位置彼此接近的多個揚聲器的優點。
本領域的技術人員閱讀並理解了後面參照附圖所進行的詳細描述後，將更加明確本發明的這些和其他優點。
附圖概述

圖1所示為同相位驅動兩個揚聲器的情況下進行試驗所測量的兩個揚聲器的方向特性圖。
圖2所示為純音的等響度線和自由聲場的聽覺閾值。
圖3所示為反相驅動兩個揚聲器的情況下進行試驗所測量的兩個揚聲器的方向特性圖。
圖4所示為根據本發明實施例的移動終端設備1示例結構圖。
圖5所示為根據本發明的揚聲器驅動單元6示例結構圖。
圖6所示為根據本發明的濾波器11的頻率增益特性圖和頻率相位特性圖。
圖7所示為根據本發明的揚聲器驅動單元6另一示例結構圖。
圖8所示為在使用模擬電路實現濾波器11的情況下，圖6中的濾波器11的電路示例結構圖。
圖9所示為圖4所示聲音再現裝置的揚聲器7和8的方向特性圖。
圖10所示為圖9所示揚聲器7和8方向特性估算結果的曲線圖。
圖11所示為根據本發明實施例的移動終端設備1的另一示例結構圖。
圖12所示為試驗中測量的圖11中揚聲器7，8和9的方向特性圖。
圖13是解釋圖11中濾波器22，23和24設計方法的示圖。
圖14所示為根據本發明的能選擇揚聲器方向特性的移動終端設備1a的示例的結構圖。
圖15所示為根據本發明的能選擇揚聲器方向特性的移動終端設備1a的另一示例的結構圖。
圖16所示為根據本發明的包括兩個濾波器的揚聲器驅動單元6a的示例結構圖。
圖17所示為根據本發明使用傳聲筒的聲音再現裝置3a的示例的結構圖。
實施例說明為了檢查驅動多個位置彼此接近的揚聲器的方法，本發明的發明人就兩種驅動方法(即，同相位驅動兩個揚聲器的方法和反相驅動兩個揚聲器的方法)進行了試驗。
圖1所示為同相位驅動(即，以同相位信號進行驅動)兩個揚聲器的情況下進行試驗所測得的兩個揚聲器的方向特性圖。此時，實驗條件如下兩個揚聲器之間距離4釐米(cm)；兩個揚聲器輸入信號以同比例分配非立體聲信號以獲得兩個信號；和測量對象以兩個揚聲器延伸線的中點為圓心，半徑為50cm的圓周範圍內的相對聲壓(relative sound pressure)。
在圖1中，以兩個揚聲器連線的中點為原點，用實線在圓圖上表示每次實驗結果。需要注意的是，在圖1中假定兩個揚聲器間的延伸線為0°-180°線圖1(a)所示是信號頻率為500Hz時的實驗結果，圖1(b)所示是信號頻率為1000Hz時的實驗結果，圖1(c)所示是信號頻率為3000Hz時的實驗結果，圖1(d)所示是信號頻率為4250Hz時的實驗結果，圖1(e)所示是信號頻率為5000Hz時的實驗結果，和圖1(f)所示是信號頻率為8500Hz時的實驗結果。
由圖1(a)和圖1(b)可看出，當頻率等於500Hz和1000Hz時，圓圖上的實線基本成圓形。這說明在0°-360°的範圍內，在任何方向上所獲得的相對聲壓基本相等。
由圖1(c)和圖1(d)可看出，當信號頻率達到3000Hz時，相對聲壓在0°-180°方向逐漸降低，並且當信號頻率達到4250Hz時，揚聲器的方向特性出現大的下降。
由圖1(e)和圖1(f)可看出，當信號頻率繼續升高時，該下降向90°-270°線移動。
當分別來自兩個揚聲器的兩個信號輸出之間異相180°時，在觀察點出現此類下降。由於兩個揚聲器之間距離為四釐米，當半波長為4釐米時，在0°-180°方向出現下降。因此，在聲速為340m/s的情況下，計算暗示信號頻率為4250Hz時的下降。事實上，在實驗中，當頻率為4250Hz時(參見圖1(d)，在0°-180°出現下降。需要注意的是，下降的深度未達到-∞dB的原因是由於觀察點與兩個揚聲器之間路徑的長度不同，導致了振幅的衰減不同。下降的深度隨著觀察點位置遠離兩個揚聲器而加深。這是由於觀察點位置距離兩個揚聲器越遠，觀察點處兩個揚聲器之間的聲壓差就越小。
由此可看出，在以同相位驅動兩個揚聲器時，兩個揚聲器的方向特性產生的下降取決於兩個揚聲器之間的距離。
可測量與人耳聽覺特徵有關的純音的等響度線和聽覺閾值。更具體地說，以每10dB1000Hz純音作為參照，並測量與作為參照的純音的聲壓電平一樣大小的人耳可以聽到的其他頻率的純音的聲壓電平，用等值線進行繪圖。
圖2所示為純音的等響度線和自由聲場的聽覺閾值，曾在D.W Robinson和R.S.Dadson的論文《純音等響度關係的重新測定》「A redetermination of theequal-loudness relations for pure tones」，British Journal of Applied Physics，7，166-181(1956)中提及。需說明的是圖2引自Corona Publishing Co.Ltd.，「KISOONKYO KOGAKU(Basic Acoustical Engineering)」，edited by The AcousticalSociey of Japan，P18，這是由日本聲學學會編輯的「基礎聲學工程」。
由圖2可看出，人耳聽覺範圍大約在400Hz到4kHz之間。這說明當兩個揚聲器的間隔為4釐米，並且同相位驅動兩個揚聲器時，由於人耳的聽覺特性，在0°-180°方向產生的下降特別容易被察覺，並且隨著聽眾的位置變化音色也可能不同。
圖3所示為在以反相驅動(即，以反相關係的信號進行驅動)兩個揚聲器的情況下進行試驗所測量的兩個揚聲器的方向特性。此時，實驗條件和上文所描述的圖1的條件相同。
圖3(a)所示為信號頻率為500Hz時的實驗結果，圖3(b)所示為信號頻率為1000Hz時的實驗結果，圖3(c)所示為信號頻率為3000Hz時的實驗結果，圖3(d)所示為信號頻率為4250Hz時的實驗結果，圖3(e)所示為信號頻率為5000Hz時的實驗結果，圖3(f)所示為信號頻率為8500Hz時的實驗結果。
由圖3(a)-3(f)可看出，在每個頻帶的90°-270°方向上均出現下降。這是由於在反相驅動兩個揚聲器的情況下，無論處於什麼頻帶，在觀察點到兩個揚聲器的距離相等，兩個揚聲器的聲壓相互完全抵消。
通過對圖3(a)和1(a)以及圖3(b)和1(b)進行比較，可以看出在反相驅動兩個揚聲器的情況下，處於低頻帶時，在每個方向上聲壓都比同相位驅動兩個揚聲器的情況有所降低。這是由於在觀察點觀測的信號的相位差θd隨著頻率降低而變小。
觀察點觀測信號之間的相位差θd可以用公式1表示θd＝2×π×ld/(340/f)......(1)其中ld表示聲音行程差，f表示頻率。
在低頻帶，相位差θd不易受聲音行程差ld的影響，並且隨著頻率f的降低，相位差θd變小。因此，在反相驅動兩個揚聲器的情況下，觀察點觀測的信號的相位基本反相。此外，由於聲音行程差ld很小，兩個揚聲器的聲壓在觀察點彼此幾乎相等。所以，在低頻帶，由兩個揚聲器的輸出合成後獲得的聲壓較低。
通過對圖3(d)和1(d)進行比較，可以看出在反相驅動兩個揚聲器的情況下，當頻率為4250Hz時，在0°-180°方向上出現下降，而在同相位驅動兩個揚聲器的情況下(圖1(d))沒有出現下降。這是由於反相驅動兩個揚聲器時，在頻率為8500Hz時，波長為4釐米的條件下，在0°-180°方向上出現下降，在頻率為4250Hz，半波長為4釐米的條件則不然。事實上，在實驗中，當信號頻率為8500Hz時，在0°-180°方向上出現下降(見圖3(f))。
下面是對兩種驅動方法實驗結果的總結(即，同相位驅動兩個揚聲器的方法和反相驅動兩個揚聲器的方法)。
在同相位驅動兩個揚聲器的情況下，當頻帶接近4250Hz時，在0°-180°方向出現下降。此頻帶為人耳聽覺靈敏的區域，並且隨著聽眾位置的變化音色有所不同。此外，隨著聽眾聽到的聲音位置與兩個揚聲器距離增大，音色的變化將變得更為明顯。
當反相驅動兩個揚聲器時，在90°-270°方向出現下降。此外，存在著這樣一個問題，在低頻帶，聲壓在每個方向均有所降低。但是也有一個優點，即與同相位驅動兩個揚聲器的情況相比(見圖2)，反相驅動時在0°-180°方向出現下降的頻率是8500Hz，此頻率為人耳聽覺較不敏感的區域。
在下文中，將參照附圖對本發明的實施例進行說明。
1.移動終端設備1的結構示例。
圖4所示為根據本發明實施例的移動終端設備1的示例結構圖。
例如，移動終端設備1為蜂窩電話。另一方面，除蜂窩電話以外，移動終端設備1可以是任何形式的移動終端裝置(如PHS，PDA等)，並且可以是揚聲器裝置。
移動終端設備1包括主處理部分2和聲音再現裝置3。主處理部分2執行語音等處理過程。在重現如環繞立體聲或音樂等聲音時，主處理部分2產生第一和第二聲音信號。第一聲音信號通過輸入終端4輸入聲音再現裝置3。第二聲音信號通過輸入終端5輸入聲音再現裝置3。
需要注意的是，第一和第二聲音信號可以是非立體聲信號或以指定的比例(如等比)分配非立體聲信號後所獲得的信號。另一方面，可以使第一聲音信號為立體聲格式的左聲道，第二聲音信號為立體聲格式的右聲道。
聲音再現裝置3包括揚聲器7(第一揚聲器)，揚聲器8(第二揚聲器)，和驅動揚聲器7和8的揚聲器驅動單元6(第一揚聲器驅動單元)。如圖4示例，雖然在移動終端設備1中提供了揚聲器7和8，但在移動終端設備1中，揚聲器7和8最少有一個並不是必需的。需要注意的是，揚聲器7和8之間各自的位置間隔最好少於17cm。這可以使得發生下降的最低頻率達到1kHz，由此實現本發明所希望達到的效果。
揚聲器驅動單元6接收輸入聲音再現裝置3的第一聲音信號，並且處理接收的第一聲音信號，以驅動揚聲器7。這樣處理的第一聲音信號，作為驅動揚聲器7的第一驅動信號輸出到揚聲器7。揚聲器驅動單元6接收輸入聲音再現裝置3的第二聲音信號，並且處理接收的第二聲音信號，以驅動揚聲器8。這樣處理第二聲音信號，作為驅動揚聲器8的第二驅動信號輸出到揚聲器8。
揚聲器驅動單元6在低頻帶(第一頻帶)基本相同的相位的驅動揚聲器7和8，並在高頻帶(高於第一頻帶的第二頻帶)基本反相的驅動揚聲器7和8。
此處詞語「基本相同的相位(substantially the same phase)」包括除了相位彼此完全相同的情況，在設計的標準範圍內，彼此相位不完全一樣的情況。類似的，詞語「基本反相位(substantially inverse phase)」包括除了相位彼此完全反相的情況，在設計的標準範圍內，彼此相位不完全反相的情況。
這樣，通過在低頻帶以基本相同的相位驅動揚聲器7和8，在高頻帶以基本反相驅動揚聲器7和8，可以利用同相位驅動和反相驅動的優點，並且可以彌補同相位驅動和反相驅動的缺點。因此，可以同時解決在同相位驅動的情況下，4250Hz附近頻帶在0°-180°方向出現下降的問題，以及在反相驅動的情況下，低頻帶每個方向的聲壓減小的問題。
此外，通過在高頻帶以不同幅度電平驅動揚聲器7和8，可以解決了在反相驅動的情況下，在90°-270°方向出現下降的問題。
需要注意的是，會出現低頻和高頻之間的過渡頻帶。在過渡頻帶，揚聲器驅動單元6驅動揚聲器7和8以從同相位變化到反相或從反相變化到同相位。
圖5所示為揚聲器驅動單元的結構示例。
揚聲器驅動單元6包括乘法器10，通過將第一聲音信號與指定的倍增係數相乘而產生第一驅動信號，和濾波器11，通過使用指定濾波係數濾波第二聲音信號產生第二驅動信號。
圖6所示為濾波器11的頻率增益特性曲線和頻率相位特性曲線。
圖6所示頻率增益特性表示輸入信號的增益與輸入信號的頻率零相關。這意味著輸入濾波器11的信號在輸出時與輸入信號相比，振幅沒有變化。(即，振幅沒有增加或減小)。
由此，通過提供平坦的頻率增益特性，這可以使原始聲音的頻率增益特性的變化儘可能的小。
圖6所示頻率相位特性表示輸入信號的相位隨著輸入信號的頻率發生變化。在圖6所示的例子中，雖然在低頻帶(如，頻率在100Hz附近)，輸入濾波器11的信號和濾波器11輸出的信號之間的相位差幾乎為0°，但是隨著頻率升高，輸入濾波器11的信號和濾波器11輸出的信號之間的相位差逐漸變大，以至於在高頻帶(如，頻率在10000Hz附近)，輸入濾波器11的信號和濾波器11輸出的信號之間的相位差幾乎為180°。
濾波器11是數字濾波器，如IIR(無限脈衝響應)濾波器，FIR(有限脈衝響應)濾波器，或其它類似濾波器。可以用公式(2)表示數字濾波器的傳輸函數。H(z)=-a+z-11-az-1(2)]]>使用數字濾波器以實現圖6所示的頻率相位特性，公式2中濾波係數a的規定值設定為0.8。此時，假定取樣頻率為48kHz。
此外，乘法器10的倍增係數可以設定為104/20。
需要注意的是，圖6所示頻率相位特性曲線僅僅是一個例子，實際並不局限於此。可以通過改變確定執行同相位驅動的頻率範圍的過渡頻率，控制從同相位驅動到反相驅動的過渡或反相驅動到同相位驅動的過渡。
如圖5所示，使用乘法器10對第一和第二聲音信號之一進行處理，並使用濾波器11處理另一聲音信號，可以控制第一和第二驅動信號的增益差使其等於或大於指定值(如，4dB)。此外，也可以控制第一和第二驅動信號的不同相位位差，使得在低頻帶(如，100Hz附近)相位差為0°左右(如，0°±20°)，在高頻帶(如，10000Hz附近)相位差為180°左右(如，180°±20°)。
需要注意的是，並非在所有頻帶都要使第一和第二驅動信號的增益差等於或大於指定值(如，4dB)。至少只有在高頻帶(如10000Hz附近頻帶)，要使第一和第二驅動信號的增益差等於或大於指定值(如4dB)。此外，在每個頻率(或每個頻帶)可以改變第一和第二驅動信號的增益差。通過使用如濾波器或類似的限制放大第一和第二聲音信號的頻帶的方法，可以實現增益差的改變。例如，在揚聲器的方向特性不出現下降的低頻帶，可以基本消除第一和第二驅動信號的增益差。
在圖5的示例中，乘法器10(或一個用於放大第一聲音信號的放大器)作為控制第一和第二驅動信號之間增益差的增益差控制單元運行，濾波器11作為控制第一和第二驅動信號之間相位差的相位差控制單元運行。
圖7所示為揚聲器驅動單元6另一示例的結構。
揚聲器驅動單元6包括濾波器11，用指定濾波係數對第二信號進行濾波，以及乘法器10，用指定增益係數增大濾波器11的輸出以產生第一驅動信號。
除了改變增益器10的位置之外，圖7所示揚聲器驅動單元6的結構和圖5所示揚聲器驅動單元相同。為了使第一和第二驅動信號之間的增益差等於或大於指定值(如4dB)，需要放大在濾波器11所在的信道之內的信號，或者放大與濾波器11所在的信道不同信道的信號。
在圖7的示例中，乘法器10(或者一個用於放大濾波器輸出的放大器)作為控制第一和第二驅動信號之間增益差的增益差控制單元，濾波器11作為控制第一和第二驅動信號之間相位差的相位差控制單元。
此外，在圖7的示例中，將濾波器11換成濾波器13後，可以忽略乘法器10。這可以使揚聲器驅動單元6具有更簡單的電路結構。此時，假定將指定的濾波器11的濾波係數和指定的乘法器10的倍增係數相乘後得到的結果作為濾波器13的濾波係數。濾波器13為數字濾波器，如，IIR濾波器，FIR濾波器，或其它類似濾波器。可以用公式(3)表示該數字濾波器的傳輸函數。H(z)=-ga+gz-11-az-1(3)]]>其中，g是與指定的乘法器10的倍增係數等值的係數。
濾波器13可以是任何類型的濾波器，只要它具有根據輸入信號的頻率改變輸入信號相位的頻率相位特性，以及不論何種頻率的輸入信號，保持相對輸入信號非零的基本上常數的增益的頻率增益特性。這樣，濾波器13作為控制第一和第二驅動信號之間相位差的相位差控制單元和控制第一和第二驅動信號之間增益差的增益差控制單元。需要注意的是，相關其它輸入信號間的高頻段中的輸入信號，濾波器13具有保持輸入信號非零的基本上的常數的增益的頻率增益特性。
此外，可使用包括運算放大器(op-amp)或類似器件的模擬電路實現前述濾波器11(或濾波器13)。可以使用這種結構實現前文所述的類似作用。
圖8所示為使用模擬電路實現濾波器11的情況下，濾波器11的電路結構示例。
在圖8中，標號14表示輸入終端，標號15表示輸出終端，標號16-18表示電阻器，標號19表示電容器，和標號20表示運算放大器。此時，在電容器16-18的電阻值為R，電容器19的電容為C，輸入終端14的電壓為e0，輸出終端15的電壓為e1的情況下，電壓e0和e1之間的頻率特性可以用公式(4)表示，e1=1-jCR1+jCRe0(4)]]>其中ω表示模擬頻率。
信號的相位特徵值θ可以用公式(5)表示，=-arctan(2CR1-(CR)2)(5)]]>由公式(5)可看出，相位隨頻率變化而變化。也可以看出，通過改變電容器的電容或電阻器的電阻值也可以改變相位特性。這樣，濾波器可用模擬電路實現。
需要注意的是，濾波器11(或濾波器13)最好具有移相濾波特性，以防止在人耳聽覺的高靈敏區域1kHz到10kHz頻帶，因揚聲器間隔造成聲音功率特性的減小。
圖9所示為聲音再現裝置3的揚聲器7和8的方向特性。在圖9中，實線表示使用圖5所示揚聲器驅動單元6(假設第一和第二驅動信號之間的增益差為4dB)驅動揚聲器7和8的結果，虛線表示同相位驅動揚聲器7和8的比較例的結果，點劃線表示反相驅動揚聲器7和8的比較例的結果。
圖9(a)所示為信號頻率為500Hz的實驗結果，圖9(b)所示為信號頻率為1000Hz的實驗結果，圖9(c)所示為信號頻率為3000Hz的實驗結果，圖9(d)所示為信號頻率為4250Hz的實驗結果，圖9(e)所示為信號頻率為5000Hz的實驗結果，圖9(f)所示為信號頻率為8500Hz的實驗結果.
由圖9(a)和圖9(b)可以看出，以實線表示的結果和以虛線表示的結果彼此基本相同。可以理解的原因是，根據圖6所示的頻率相位特性，第一和第二驅動信號之間的相位差很小，因此實線表示的結果與同相位驅動情況下獲得的結果基本相同。
由圖9(c)可以看出，當頻率達到3000Hz時，以實線表示的實驗結果和以虛線表示的實驗結果開始出現輕微的差異。可以理解的原因是，在3000Hz左右的頻帶屬於過渡頻帶，此時揚聲器7和8既非同相位驅動，亦非反相驅動。
此外還可看出，隨著頻率增加，以實線表示的結果逐漸接近於反相驅動的結果。
由圖9(f)可以看出，當頻率達到8500Hz時，以實線表示的結果和以點劃線表示的結果彼此基本相同。此外還可看出，在以實線表示的結果中，0°-180°方向的下降和90°-270°方向的下降較淺。可以理解的原因是，由於處理第一和第二驅動信號時有增益差，即使在反相時也存在增益差，因此防止了聲壓降低。
圖10所示為圖9所示每個頻率揚聲器7和8方向特性估算值。通過繪製每個頻率的所有角度的聲壓功率區平均值。
與圖9類似，實線表示使用圖5所示結構的揚聲器驅動單元6(假設第一和第二驅動信號之間的增益差為4dB)驅動揚聲器7和8的結果，虛線表示同相位驅動揚聲器7和8的比較例的結果，點劃線表示反相驅動揚聲器7和8的比例較的結果。
由圖10可以看出，使用本發明時，大多頻段的聲壓均高於常規的情形。這說明了本發明的效能。
2.移動終端設備1的另一結構示例。
將傳輸/接收圖像數據與免提對講的聲音數據相結合可實現可視電話。但是，這種可視電話的保密性不強。這是由於通常在免提對講狀態下揚聲器輸出聲音，聲音在周圍環境中傳播。
當定向揚聲器的輸出聲音具有向前的方向性時，可以減少聲音在周圍環境的傳播。但是，定向揚聲器不能同時減弱聲音電平地輸出具有寬的方向性的聲音。這是由於具有向前的方向性的定向揚聲器只有一個確定的方向性。
通過下面提供所需要的聲音再現裝置，可以提供這樣一種移動終端設備，其揚聲器不局限於僅有一個給定的方向特性。
圖11所示為根據本發明實施例的移動終端設備1的另一結構示例。
移動終端設備1包括主處理部分2a(信號產生單元)和聲音再現裝置3a。主處理部分2a執行語音處理過程。當再現聲音時，如語音或音樂，主處理部分2a產生第一聲音信號，第二聲音信號和第三聲音信號。第一聲音信號通過輸入終端32輸入至聲音再現裝置3a。第二聲音信號通過輸入終端33輸入至聲音再現裝置3a。第三聲音信號通過輸入終端34輸入至聲音再現裝置3a。
需要注意的是，第一聲音信號，第二聲音信號和第三聲音信號可以是非立體聲信號或以指定比例(如等比)分配非立體聲信號所獲得的信號。另一方面，第二聲音信號可以是立體聲格式的左聲道信號，第三聲音信號可以是立體聲格式的右聲道信號。
聲音再現裝置3a包括揚聲器7(第一揚聲器)，揚聲器8(第二揚聲器)，揚聲器9(第三揚聲器)，驅動揚聲器7和8的揚聲器驅動單元6(第一揚聲器驅動單元)，和驅動揚聲器7，8和9的揚聲器驅動單元6a(第二揚聲器驅動單元)。
圖11所示揚聲器驅動單元6的結構與圖5所示揚聲器驅動單元6的結構相同。另一方面，圖11所示揚聲器驅動單元6也可與圖7所示揚聲器驅動單元6的結構相同。
揚聲器驅動單元6a包括濾波器22(第一濾波單元)，濾波器23(第二濾波單元)和濾波器24(第三濾波單元)。濾波器22以第一濾波係數濾波第一聲音信號後輸出驅動信號以驅動揚聲器7。濾波器23以第二濾波係數濾波第一聲音信號後輸出驅動信號以驅動揚聲器8。濾波器24以第三濾波係數濾波第一聲音信號後輸出驅動信號以驅動揚聲器9。此時，對第一濾波係數，第二濾波係數和第三濾波係數進行設計，以致揚聲器7，8和9具有所希望的方向特性。
揚聲器驅動單元6a就這樣驅動揚聲器7，8和9以使其具有方向特性。
圖12所示為試驗中測得的揚聲器7，8和9(揚聲器7和8)的方向特性。此時實驗條件如下三個揚聲器的聲音輸出頻率2.5kHz；測量對象以三個揚聲器的連線中心點為圓心，半徑為1m的圓周範圍內的聲壓。
在圖12中，以虛線表示在由揚聲器驅動單元6(圖11)驅動揚聲器7和8的試驗中測得的揚聲器7和8的方向特性(第一方向特性)，並以實線表示在由揚聲器驅動單元6a(圖11)驅動揚聲器7，8和9的試驗中測得的揚聲器7，8和9的方向特性(第二方向特性)。從圖12中可以看出，第一和第二方向特性彼此不同。
第一方向特性是向各個方向輸出聲音信號的揚聲器的特性。第二方向特性是向特定方向輸出聲音信號的揚聲器的特性。
需要注意的是，通過三個揚聲器的延伸線為圖12所示的0°-180°線。
由圖12所示的結果可以看出，輸入到揚聲器驅動單元6a的聲音信號僅由揚聲器7，8和9向前方輸出，而輸入到揚聲器驅動單元6的聲音信號由揚聲器7和8向各個方向輸出。
3.濾波器22，23和24的設計參照圖13說明設計濾波器22，23和24的方法。
對濾波器22，23和24進行設計，以使揚聲器7，8和9具有圖12所示的方向特性，此時用於對聲壓進行測量的麥克風25，26和27位置排列如圖13所示。用於測量聲壓的麥克風25安置在移動終端設備1左斜側(150°方向)。用於測量聲壓的麥克風26安置在移動終端設備1前方(90°方向)。用於測量聲壓的麥克風27安置在移動終端設備1右斜側(30°方向)。此時，為了設計濾波器22，23和24，以使得揚聲器7，8和9具有第二方向特性，需對濾波器22的濾波係數(XR(z))，濾波器24的濾波係數(XC(z))和濾波器23的濾波係數(XL(z))進行設計，以使移動終端設備1向前方(90°)傳播聲音，並且聲音很難由移動終端設備1向右斜側方向(30°)和左斜側方向(150°)傳播。
由公式6獲得濾波器22的濾波係數(XR(z))，濾波器24的濾波係數(XC(z))和濾波器23的濾波係數(XL(z))。XL(z)XC(z)XR(z)=HLl(z)HCl(z)HRl(z)HLc(z)HCc(z)HRc(z)HLr(z)HCr(z)HRr(z)-1Dl(z)Dc(z)Dr(z)(6).]]>其中HLr(z)表示從揚聲器8向測量聲壓的麥克風27傳播的函數，HLc(z)表示從揚聲器8向測量聲壓的麥克風26傳播的函數，HLl(z)表示從揚聲器8向測量聲壓的麥克風25傳播的函數，HCr(z)表示從揚聲器9向測量聲壓的麥克風27傳播的函數，HCc(z)表示從揚聲器9向測量聲壓的麥克風26傳播的函數，HCl(z)表示從揚聲器9向測量聲壓的麥克風25傳播的函數，HRr(z)表示從揚聲器7向測量聲壓的麥克風27傳播的函數，HRc(z)表示從揚聲器7向測量聲壓的麥克風26傳播的函數，HRl(z)表示從揚聲器7向測量聲壓的麥克風25傳播的函數，Dl(z)表示用進行聲壓測量的麥克風25測量的合成聲壓，Dc(z)表示用進行聲壓測量的麥克風26測量的合成聲壓，Dr(z)表示用進行聲壓測量的麥克風27測量的合成聲壓，Dl(z)＝Dr(z)＝0，且Dc(z)＝1。
需要注意的是，符號「X(z)」表示X是由z多項式表達的。
這樣進行設計的濾波器22，23和24採用數字濾波器，如，IIR濾波器，FIR濾波器等。可以使用包括運算放大器的模擬電路或類似方式實現濾波器22，23和24。在麥克風的位置取得的合成聲壓(Dl(z)，Dc(z)，Dr(z))可以是任何適當的值。。
公式(6)可以用頻率域內表達式表示。當濾波器為數字濾波器時，使用傅立葉逆變換或類似方法獲得濾波係數，將頻域表達式轉化為時域表達式。例如，可以使用Toshiro OHGA，Yoshio YAMAZAKI，Yutaka KANEDA，「Onkyo Systemto Digital Shingou Shori(聲音系統和數位訊號過程)」，(The Institute of Electronics，Information and Comunication Engineers).中所描述的方法計算濾波係數。
在使用公式(6)計算XL(z)，XC(z)和XR(z)時使用逆矩陣。但是，不使用逆矩陣的方法，而使用QR-方法(QR-method)，一種使用單一值分解法的方法(如，G.Strang，Masaya YAMAGUCHI(translation supervisor)，Akira INOUE(translator)，線性代數及其應用(「Linera Algebra and its Applications」)，(SangyoTosho))，或使用自適應算法的時序設計方法，(如，Shigeo TSUJII，「TekiouShingou Shori編的自適應信號處理過程(Adaptive Signal Processing)」(ShokodoCo.，Ltd.))。
濾波器被設計成使用三個揚聲器和三個進行聲壓測量的麥克風。但是，揚聲器和進行聲壓測量的麥克風的各自的數量並不局限於三個。總的來說，當揚聲器的數量等於或大於進行聲壓測量的麥克風的數量時，在麥克風位置的控制效率比揚聲器的數量小於進行聲壓測量的麥克風的數量時高。雖然在揚聲器的數量小於進行聲壓測量的麥克風的數量的情況下麥克風位置的控制效率低於揚聲器的數量等於或大於進行聲壓測量的麥克風的數量的情況，但是一般的傾向是，相對於聲音接收點位置的變化，聲壓的變化較小。可以分別確定適當的進行聲壓測量的麥克風和揚聲器的數量以進行所希望的控制。然而，進行聲壓測量的麥克風的數量可少於揚聲器的數量。
4.揚聲器的方向特性的選擇不需將主處理部分2a產生的聲音信號同時輸出至揚聲器驅動單元6和6a二者。聲音信號可以被輸出到揚聲器驅動單元6和6a之一。通過選擇輸出聲音信號的揚聲器驅動單元，選定揚聲器的方向特性。
圖14所示為能選擇揚聲器方向特性的移動終端設備1a的結構示例。移動終端設備1a包括主處理部分2b(信號產生單元)，聲音再現裝置3a，驅動確定單元36和切換單元37。
主處理部分2b產生單聲道信號。
驅動確定單元36根據用戶輸入信號確定是否驅動揚聲器驅動單元6或6a，並向切換單元37輸出代表確定結果的控制信號。
切換單元37根據驅動確定單元36輸出的控制信號執行開關操作，以向揚聲器驅動單元6或6a輸出由主處理部分2b產生的單聲道信號。
圖14所示聲音再現裝置3a的結構和圖11所示聲音再現裝置3a相同。
就這樣，通過選擇性驅動揚聲器驅動單元6和6a，可以執行開關操作，使聲音向移動終端設備1的前方傳送或向各方向傳送。
此外，移動終端設備1可以包括三個或更多的揚聲器驅動單元。在這種情況下，切換單元37可以執行開關操作，向三個之一或更多的揚聲器驅動單元輸出由主處理部分2b產生的聲音信號。
圖15所示為能選擇揚聲器方向特性的移動終端設備1a的另一結構示例。
圖15的移動終端設備1a包括主處理部分2b(信號產生單元)，聲音再現裝置3a，驅動確定單元36和切換單元37。
主處理部分2b產生雙聲道信號。
驅動確定單元36根據用戶輸入信號確定驅動揚聲器驅動單元6或6a，並向切換單元37輸出代表確定結果的控制信號。
切換單元37根據驅動確定單元36輸出的控制信號執行開關操作，以向揚聲器驅動單元6輸出由主處理部分2b產生的雙聲道信號，或向揚聲器驅動單元6a輸出將雙聲道信號迭加獲得的信號。
圖15所示聲音再現裝置3b的結構和圖11所示聲音再現裝置3a相同。
5.揚聲器驅動單元6a的另一結構示例揚聲器驅動單元6a中的濾波器數量並不局限於三個。揚聲器驅動單元6a可包括一個或一個以上任意數量的濾波器。揚聲器驅動單元6a中的濾波器數量為兩個。
圖16所示為包括兩個濾波器的揚聲器驅動單元6a的結構示例。
省略圖11中所示揚聲器驅動單元6a中的濾波器23就可獲得圖16所示的揚聲器驅動單元6a的結構。
例如，在提供了進行聲壓測量的麥克風的位置時，在該位置得到聲壓，並且在該位置的揚聲器在聽覺上對稱，當濾波器22，23和24的最終設計結果使濾波器22的濾波係數和濾波器23的濾波係數相等時，會發生這種情況。通過配置揚聲器驅動單元6a，使濾波器22的輸出輸入到揚聲器7和8，這可以減少所執行的操作數量和揚聲器驅動單元6a的電路規模。
需要注意的是，圖16所示揚聲器驅動單元6a可用於圖14或15的揚聲器驅動單元6a。
6.傳聲筒的使用聲音再現裝置3a所包括的揚聲器數量並不局限於三個。聲音再現裝置3a可以包括兩個或兩個以上任何數量的濾波器。可以用傳聲筒替代聲音再現裝置3a中的一個揚聲器。
圖17所示為使用傳聲筒的聲音再現裝置3a的結構示例。
聲音再現裝置3a包括揚聲器驅動單元6和6a，揚聲器7和8，傳聲筒28和29。傳聲筒28和29通過揚聲器7向聲音再現裝置3a的外面傳遞聲音輸出。例如，傳聲筒28和29通過揚聲器7傳遞的聲音輸出通過音孔30和31向聲音重現裝置3a的外面傳遞。
圖17所示為揚聲器驅動單元6和6a的結構和操作，與圖16所示揚聲器驅動單元6和6a的結構和操作相同。
傳聲筒28和29可以具有相同的外形。使用具有相同外形的傳聲筒28和29，可以通過音孔30和31輸出相同的音響信號。
這樣，通過使用傳聲筒，可以用傳聲筒取代一個揚聲器。因此，使用兩個揚聲器可以達到與使用三個揚聲器相同的效果。
根據本發明，通過在低頻帶(第一頻帶)基本同相位地驅動第一和第二揚聲器以及在高頻帶(第二頻帶)基本反相驅動第一和第二揚聲器，可以利用同相位驅動和反相驅動的優點，並可以彌補同相位驅動和反相驅動的不足。因此，可以同時解決同相位驅動情況下，由於在4250Hz附近在0°-180°方向發生下降所導致的問題，以及在反相驅動的情況下，在所有方向聲壓減小所導致的問題。
此外，通過在高頻帶以不同幅度電平驅動第一和第二揚聲器，可以解決在反相驅動情況下，在90°-270°方向發生下降所導致的問題。
由該技術領域的普通技術人員很容易做出各種各樣的其他修改，並不脫離本發明的範圍和精神。因此，從屬權利要求的範圍並不僅僅局限於此處所作的說明，而且構成更廣泛的權利要求。
權利要求
1.一種聲音再現裝置，包括第一揚聲器；第二揚聲器；驅動第一和第二揚聲器的第一揚聲器驅動單元，其中第一揚聲器驅動單元在第一頻帶基本相同的相位驅動第一和第二揚聲器，和第一揚聲器驅動單元在高於第一頻帶的第二頻帶以基本不同的幅度電平基本反相地驅動第一和第二揚聲器。
2.根據權利要求1的一種聲音重現裝置，其中第一揚聲器驅動單元處理第一聲音信號，以向第一揚聲器輸出用於驅動第一揚聲器的第一驅動信號，並處理第二聲音信號，以向第二揚聲器輸出用於驅動第二揚聲器的第二驅動信號，第一揚聲器驅動單元包括相位差控制單元，用於控制第一和第二驅動信號間的相位差，使之在第一頻帶中位於0°附近和在第二頻帶中位於180°附近；和增益差控制單元，用於控制第一和第二驅動信號之間的增益差，使之等於或大於包含至少第二頻帶的一個頻帶中的某個規定值。
3.根據權利要求2的聲音重現裝置，其中相位差控制單元控制第一和第二驅動信號之間的相位差，使其在基本位於第一和第二頻帶之間的過渡頻帶中在0°和180°之間變化。
4.根據權利要求2的聲音重現裝置，其中第一揚聲器驅動單元包括用於對第一和第二聲音信號中的一個濾波的濾波器以及用於對第一和第二聲音信號中的另外一個進行放大的放大器，濾波器具有根據輸入信號的頻率改變輸入信號相位的頻率相位特性，和濾波器起到相位差控制單元的功能，以及放大器起到增益差控制單元的功能。
5.根據權利要求2的聲音再現裝置，其中第一揚聲器驅動單元包括用於對第一和第二聲音信號之一濾波的濾波器，和用於放大濾波器輸出的放大器。濾波器具有根據輸入信號的頻率改變輸入信號的相位的頻率相位特性，和濾波器起到相位差控制單元的功能，以及放大器起到增益差控制單元的功能。
6.根據權利要求2的聲音再現裝置，其中第一揚聲器驅動單元包括對第一和第二聲音信號之一進行濾波的濾波器，濾波器具有根據輸入信號的頻率改變輸入信號的頻率相位特性以及無論輸入信號為何頻率均保持輸入信號增益為非零的基本上常數的頻率增益特性，和濾波器作為相位差控制單元和增益差控制單元運行。
7.根據權利要求2的聲音再現裝置，其中按指定比例分配非立體聲信號以獲得第一和第二聲音信號。
8.根據權利要求1的聲音再現裝置，其中第一和第二揚聲器各自所在的位置間的距離小於17cm。
9.根據權利要求1的聲音再現裝置，其中聲音再現裝置用於移動終端設備中。
10.根據權利要求1的聲音再現裝置，還包括第三揚聲器；和用於驅動第一揚聲器、第二揚聲器和第三揚聲器的第二揚聲器驅動單元，其中第一揚聲器驅動單元驅動第一和第二揚聲器以獲得第一方向特性，第二揚聲器驅動單元驅動第一揚聲器、第二揚聲器和第三揚聲器，以獲得第二方向特性，並且第一和第二方向特性彼此不同。
11.根據權利要求10的聲音再現裝置，其中第二揚聲器驅動單元包括與第一揚聲器連接的第一濾波單元；與第二揚聲器連接的第二濾波單元；和與第三揚聲器連接的第三濾波單元，其中第一濾波單元的第一濾波係數，第二濾波單元的第二濾波係數和第三濾波單元的第三濾波係數中的至少兩個彼此不同。
12.根據權利要求10的聲音再現裝置，其中第二揚聲器驅動單元包括與第一和第二揚聲器連接的第一濾波單元；和與第三揚聲器連接的第三濾波單元，其中第一濾波單元的第一濾波係數和第三濾波單元的第三濾波係數彼此不同。
13.根據權利要求1的聲音再現裝置，還包括用於將第一揚聲器輸出的聲音傳播到聲音再現裝置外面的傳聲筒；和用於驅動第一和第二揚聲器的第二揚聲器驅動單元，其中第一揚聲器驅動單元驅動第一和第二揚聲器以獲得第一方向特性，第二揚聲器驅動單元驅動第一揚聲器和第二揚聲器，以使傳聲筒和第二揚聲器具有第二方向特性，並且第一和第二方向特性彼此不同。
14.一種移動終端設備，包括包括了第一揚聲器，第二揚聲器，第三揚聲器以及第一和第二揚聲器驅動單元的聲音再現裝置；用於確定是驅動第一揚聲器驅動單元還是驅動第二揚聲器驅動單元的驅動確定單元；用於產生聲音信號的信號產生單元；和切換單元，用於執行切換操作，以根據驅動確定單元的確定結果，將信號產生單元產生的信號輸出到第一揚聲器驅動單元或第二揚聲器驅動單元，其中第一揚聲器驅動單元驅動第一和第二揚聲器，以得到第一方向特性，第一揚聲器驅動單元在第一頻帶中的基本相同的相位驅動第一和第二揚聲器，第一揚聲器驅動單元在高於第一頻帶的第二頻帶中的基本相反的相位上和基本不同的幅度電平驅動第一和第二揚聲器，第二揚聲器驅動單元驅動第一揚聲器、第二揚聲器和第三揚聲器，以得到第二方向特性，和第一和第二方向特性彼此不同。
全文摘要
本發明的聲音再現裝置包括第一揚聲器；第二揚聲器；用於驅動第一和第二揚聲器的第一揚聲器驅動單元，第一揚聲器驅動單元在第一頻帶中的基本相同的相位上驅動第一和第二揚聲器，且第一揚聲器驅動單元在高於第一頻帶的第二頻帶中的基本相反的相位和基本不同的幅度電平上驅動第一和第二揚聲器。
文檔編號H04R3/12GK1400847SQ02131808
公開日2003年3月5日 申請日期2002年7月30日 優先權日2001年7月30日
發明者阿部一任, 寺井賢一 申請人:松下電器產業株式會社