CN101411213B

CN101411213B - 音频***中的校准方法和装置

Info

Publication number: CN101411213B
Application number: CN200780010915.9A
Authority: CN
Inventors: A·戈德伯格; A·马基弗塔; J·蒂卡南; J·厄霍南
Original assignee: Genelec Oy
Current assignee: Genelec Oy
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: US8798280B2; JP2009531899A; CN101411213A; EP1999994A4; JP5729905B2; EP1999994A1; FI122089B; FI20060294A0; ES2527720T3; EP1999994B1; WO2007110476A1; US20100303250A1

Abstract

本公开文本描述了一种校准方法和装置，其中生成一个电校准信号(50)，根据该校准信号(50)在扬声器中生成一个音频信号(3)，测量并分析音频信号(3)的响应(9)，并且在测量结果的基础上调整***。根据本发明，校准信号(50)在扬声器(1)中以下述方式生成，它本质上是一个正弦信号，其频率至少基本上扫描整个音频频率范围。

Description

音频***中的校准方法和装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前续部分中的一种校准方法。

本发明还涉及一种校准装置。

背景技术

根据现有技术，校准方法是已知的，其中一个测试信号被馈入扬声器。测试信号的响应通过一个测量***进行测量，***的频率响应也通过一个均衡器被调整的尽可能的平均。

现有技术的缺点在于测试安排很困难而且需要特殊设备。对于不同的收听空间，校准安排不能一概而论，且获得可靠的结果总是需要非常精确的规划，也需要使用测量***各个部分的知识和技能。

发明内容

本发明正是要消除前面所述的现有技术的缺陷，以及为了这个目的创造了一个全新类型的方法和装置，用于校准一个声音重放***。

本发明基于声音重放设备，其借助于控制网络，连接至围绕计算机设置的校准***。

借助于本发明的第一个优选实施例，计算机声卡的频率响应可以通过位于声卡外部的发生器来校准，但是，其是通过声卡所在的计算机来控制的。

根据本发明的第二个优选实施例，声卡的放大是通过采用测试信号的电压设定来校准的。

根据本发明的第三个优选实施例，有源扬声器装备了发生器，其可以用于产生对数的扫描正弦测试信号。

根据本发明的第四个优选实施例，测量信号的级别根据尽可能达到最大信噪比的方式进行调整。

根据本发明的第五个优选实施例，借助于设置在有源低音炮扬声器内的正弦波发生器，主扬声器和低音炮的相位被设定为在交叉频率处相同。

根据本发明的第六个优选实施例，为了消除扬声器***中的扬声器在相互级别(level)之间的差异以及传播时延，对数正弦信号被用于平衡在收听位置(麦克风的位置)处扬声器的频率响应。

更特别的，根据本发明的方法通过权利要求1特征部分声明的内容来描述。

根据本发明的装置，相应的，通过权利要求10特征部分声明的内容来描述。

借助于本发明可以获得相当多的优势。

借助于根据本发明的方法，任何计算机，只要其中含有任何的声卡，借助于一个经济的麦克风，都能用于校准声音重放***。

用于实施本发明的软件可以在几乎所有的公用计算机操作***上安装。

根据本发明的第一个优选实施例，可以设想声卡的响应可以采用FFT来计算，例如H＝FFT(y)/FFT(x)，其中H是频率响应，x是一个已知生成信号，以及y是由声卡记录的声学响应。然而，这样不会产生一个结果，除非该生成信号的频谱是连续的(检查所有频率的能量)，因为如果不是这样，在这些频率上的频率响应就无法计算(信号x和y接收的数值为0，在这种情况下，该频率处的商H就不存在)，在这些频率处的输入信号的能量为0(或非常小)，因此该方法不能作为一个通用的解决方案。

因为根据本发明的方法可工作于计算机的任意声卡，那么声卡的频率响应就会彼此不同。

使用根据本发明的模型来测量消除了这个问题。

一个公知的用于消除声卡频率响应的缺点的方法是，例如，环回测试，其中声卡产生一个信号，它自我记录。在这个方法中，声卡输出的响应与输入响应无法区别。在根据本发明的方法中，只有输出被测量，在这种情况下输入可以自我均衡。

由本方法产生的架构很容易实施，因为测量所需的脉冲被产生，例如，由微控制器的IO线产生，其产生的电压被累加到麦克风信号上。

本方法可以植入麦克风放大器，从而校准可以相对于操作者透明的执行(不需要操作者知道)，且声学测量也被同时记录下来。

根据本发明的第二个优选实施例，由电脑操作***所引起的未知以及变化的延迟可以被消除。计算机声卡输出的灵敏度(以伏特表示的数字大小)可以被计算出来。

根据本发明的第三个优选实施方式，因为测试信号不是从计算机馈给扬声器，而是从扬声器中产生的，测试信号除了声学响应之外不会再产生其他的失真或者变化。

除了声学传送路径，只有测量麦克风和计算机声卡输入的频率响应影响测量信号。

因为测量信号内置，所以它随时可获得。

因为测量信号的峰值因子很小，所以它会产生一个良好的信噪比。

根据本发明的第四个实施方式，可以达到以下优点。

由于麦克风的距离可以变化得很大，则通过测量信号所产生的声学响应的大小也可以在很大的范围内变化。

由环境所产生的噪声不会以同样的方式变化，而是保持(在每个空间)相对稳定。

如果麦克风离扬声器很近，记录的信号可能会很大，在这种情况下，在计算机声卡中它的峰值将被限制。

如果麦克风距离很远，信号相对于周围环境噪声可能太小，在这种情况下信噪比将保持在差的水平上。

一个有利的信噪比总是可以借助于级别设定来保证。

测量信号的峰值限定可以通过降低信号级别来避免。信噪比可以通过增加信号级别来改善。

在所有时间，级别的设定对于控制计算机来说是已知的，并且可以在计算时予以考虑。

下面的优点是借助于本发明的第五个实施方式来达到的。

建立正确的相位设定，而不考虑扬声器放在哪里(距离影响声音级别且摆放影响相位)。

对应于实际位置的测量(其中低音炮和主扬声器同时操作且重复同样的音频信号)。

根据本发明的第六个优选实施方式，整个扬声器***的所有扬声器互相调至正确的级别，某个虚距离，且具有同样的空间响应。

附图说明

下面，借助于例子并参考相应的附图来解析本发明。

附图1示出了适合于根据本发明的方法的一个***的方框图。

附图2示出了根据本发明的第二个校准电路。

附图3示出了根据本发明的，由计算机声卡所记录的信号。

附图4示出了根据本发明在校准安排中典型的测量信号。

附图5示出了由扬声器所产生的测试信号。

在本发明中，下列术语被使用：

1 扬声器

2 扬声器控制单元

3 声学信号

4 麦克风

5 前置放大器

6 模拟加法器

7 声卡

8 计算机

9 测量信号

10 测试信号

11 USB连接

12 控制网络控制器

13 控制网络

14 IO线

15 信号发生器

16 扬声器元件

18 接口装置

50 校准信号

具体实施方式

附图1示出了整个装置，其中，通过接口装置18，扬声器1经过控制网络13连接至计算机8。

根据附图2，接口装置18包含控制网络控制器12，前置放大器5以及模拟加法器6，来自于控制网络控制器的IO线15连接至该模拟加法器，通过该IO线，测试信号10被发送至加法器。

附图2包含与附图1相同的功能，但为了明确起见，只示出了一个扬声器1。

附图2示出了本发明的整个装置，其中，扬声器1产生声学信号3。为了测试的目的，声学信号3产生于由扬声器自身的控制单元2的发生器15所形成的电子校准信号。控制单元2典型地包含放大器，从而使得扬声器1成为有源扬声器。测试信号优选的是正弦扫描信号，就像在附图6中示出的曲线。校准信号50(附图5)的频率在人听觉范围内扫描，优选的方式是从最低频率开始，并且以对数速度增长至更高的频率。校准信号50的产生开始于在控制总线13上传给扬声器1的控制单元2的信号。声学信号3由麦克风4接收并由前置放大器5放大。在模拟加法器6中，来自前置放大器5的信号与测试信号10结合，该测试信号典型的是方波。模拟加法器6典型的是使用运算放大器实现的电路。测试信号10从控制网络的控制单元12获取。在实际操作中，测试信号可以直接从控制网络中控制单元的微处理器的IO线14获得。

这样，根据本发明，声学测量信号3可以通过控制总线13由远端控制发起。麦克风4接收声学信号3，与测试信号10相加。计算机8的声卡7接收声音信号，其中具有初始的测试信号，接着经过一段特定时间(声学传播时间)后的声学信号的响应9，如附图2所示。

附图3示出了通过以上描述的方法在计算机声卡7中产生的信号。时间t1是由计算机操作***产生的随机变化的时间。至声学响应9的起点的时间t2主要是基于声学延迟(传播时间)所确定的，且这其中不会出现随机变化。声学响应9是扬声器空间***对于对数正弦扫描的响应，其中的频率是不断增大的。

在本发明的第一个优选实施方式中，未知声卡的频率响应被校准，过程如下。脉冲形状由控制网络的控制器12产生，该控制器12连接至计算机8的声卡7以及优选的连接至计算机的USB总线11。在由计算机运行的程序的控制下，控制网络控制器产生测试信号10。声卡7被用于记录接收到的脉冲形状，作为计算机8的声卡7的输入对测试信号的响应。

由数字IO线14产生的脉冲波形10(其中有两个值：0和相应于一的电压)可被作为输入脉冲。

输入脉冲10可与麦克风信号相加(类似的)。

在声卡中记录的测试信号10因声卡导致的滤波而改变其形状。已知的是声卡的频率响应是带通频率响应，其包括高通特性(在低频处)和低通特性(在高频处)。测试信号最初的形状10对于计算机是已知的。一个模型(其中最初的测试信号经过滤波器传播，该滤波器描述了声卡的滤波特性)被应用于记录的测试信号10。在一个优选的实施方式中，滤波器的传递函数的参数是借助于采用自适应方法的优化来选择的，这种方式下，由该模型产生的经过滤波的测试信号10的波形与由声卡记录的真实的测试信号尽可能准确的相对应。频率响应H(b，a)(其中b和a是频率响应模型的参数)由滤波产生并将要被定义。

使用这样定义的频率响应，形成均衡器，通过该均衡器，频率响应H可以由对应于人们听觉范围内的频率被均衡。当声学响应被测量时，这样定义的均衡接着被采用。当测量的声学响应采用这种均衡更正后，由声卡引起的滤波在人们听觉范围内的频率上被更正。

结构的选择以及传递函数建模的程度都能影响测量的精度和速度。

根据本发明的第二个优选实施方式，由IO线14所产生的测试信号15的电压被设定到一个特定值。

在本方法中，已知测试信号10的产生被结合到由扬声器产生的校准信号50(log-sine扫描)的初始化命令的一部分。

计算机8记录信号，该信号包括三部分。第一是测试信号10，然后静音，第三是到达麦克风成为由扬声器产生的声学信号3，其被记录为响应9。下面的内容可以在记录信息中读出：

借助于测试信号的电压，由计算机所记录的数字的幅度可以采用伏特来测量。(因为，以伏特表示的脉冲高度可以事先得知以及代表脉冲的数字的大小可以从储存的信号中查出。)

位于测试信号10起始点以及声学响应9起始点之间的时间t2描述了扬声器1与测量麦克风4之间的距离，以及通过使用该信息，就有可能计算扬声器1(再生整个音频频带)与测量点之间的距离。更有利的是，这通过把FFT计算的初始数据作为信号而发生，该信号包括由声卡7所记录的开始于测试信号起点(附图3中时间t2的起点)的信号，以及计算开始之前在其中设置测试信号10为0。

产生测试信号的命令来自计算机8。但是在实际操作中，将会观察到命令发出前的延迟(附图3，t₁)，其变化与操作***(Windows，Mac OS X)相独立。该延迟是随机的，无法预知。一旦命令发出，因为该命令和测试信号链接到一个且相同的功能，在测试信号的产生到测量信号(也就是校准信号)的产生的起点之间总会有一段已知并且连续的时间。除此之外，在声学记录的测量信号的起点之前还有一段时间，这段时间只受扬声器和测量麦克风之间的距离的影响。

根据本发明的第三个优选实施方式，发生器15被内置到扬声器1，该发生器产生预先准确已知的校准信号50。

由发生器15产生的校准信号是正弦扫描，其频率扫描的速度以下述方式增长，当时频率的对数与时间成正比，log(f)＝kt，其中f是当时信号的频率，k是定义速度的常量，以及t是时间。频率的增长随着时间推移而加速。

因为测试信号精确地被数学定义，它可以在计算机中精确再现，而不考虑由扬声器1所产生的测试信号。

这样的测量信号包含所有的频率，当该信号的峰值因子(峰值级别与RMS级别之间的关系)由于峰值级别与RMS级别非常接近而非常有利时，则信号在测量过程中就会产生非常好的信噪比。

随着信号50(附图5)从低频率开始移动并增大频率，信号以混响时间在空间中有利地操作，该混响时间通常在低频比高频更长。

校准信号50的产生可以利用经由远程控制给出的命令发起。

根据本发明的第四个优选实施方式，在扬声器中产生的校准信号50的幅度可以通过控制网络13改变。

校准信号50被记录。校准信号50的声学响应9的幅度相对于校准信号的大小被测量。如果声学响应9太小，就增加校准信号50的级别。如果声学响应9被峰值限制，就降低校准信号50的级别。

重复测量，直到找到最优的信噪比和声学信号9的级别。

级别设定可以针对各个扬声器分别执行。

因为级别所改变的范围是由计算机8来控制的并且因此是已知的，这个信息可以在计算这些结果时予以考虑，因此可靠的测量结果(其被相对于级别正确地衡量)可以在不考虑距离的情况下获得。

根据本发明的第五个优选实施方式，内部正弦发生器被用于低音炮。低音炮的相位通过控制网络13由计算机进行调整且利用麦克风测量声学信号。

在交叉频率处将低音炮和主扬声器设置到相同相位分两个阶段。

阶段1：通过独立测量一个或者两个级别，将低音炮和基准扬声器的级别设定为相同并设定由每个扬声器产生的级别。

阶段2：两个扬声器重复相同的正弦信号，该正弦信号是由低音炮产生的。

共同的声音级别是由麦克风测量的。

相位被调整以及声音级别位于最小值时的相位设定被找到。接着扬声器和低音炮处于相反的相位。

低音炮改变至与其相差180度的相位设定，因此扬声器和低音炮处于相同的相位，这样正确的相位设定就被找到了。

根据本发明的第六个优选实施方式，***中所有扬声器1的声学脉冲响应通过采用上面所描述的方法被测量。这样的校准在附图3中示出。

频率响应根据每个脉冲响应而计算。

扬声器的距离根据每个脉冲响应而计算。

基于所述频率响应，设计能够在空间中达到所期望频率响应(一致的频率响应)的均衡滤波器的设定。

所述(相关的)由均衡响应所生成的声音级别被计算。

为每个扬声器设定延迟，通过该方式，所有扬声器的测量响应都包含相同量的延迟(扬声器将以等距离的方式出现)。

为每个扬声器设定一个级别，在该级别，扬声器似乎会在测量点生成相同的声音级别。每个扬声器的级别可以根据频率响应测量到，要么在点频率，或者在更宽广的频率范围，且在所述更广的频率范围的平均级别可以通过采用平均值，RMS值或者中间值的方式计算得到。另外，在计算平均级别之前，在不同的频率处可以把不同的加权因子赋给声音级别。频率范围和加权因子可以通过以下方式选择，从不同的扬声器和低音炮通过该方式计算得到的声音级别主观上尽可能的相似。在一个优选的实施方式中，平均级别是从频带500Hz-10kHz计算得到的，采用RMS值，且按照这种方式，所有频率具有相同的加权因子。

低音炮的相位随后按照以上所述的方式进行调整。

在本申请中，术语音频频率范围指的是频率范围10Hz-20kHz。

在本发明的一个优选实施方式中，***所有的基本数据被记录在一个单独的文件，或者***安装文件中，这基于扬声器的标识信息。优选地，每个扬声器都有一个明确的标识，这在***安装文件中被用于数据管理。优选地，这些标识是在扬声器1的制造阶段形成的。数据***8积极地更新扬声器设置。通过打开所述文件，整个扬声器***的属性就展现出来且可以通过这些文件或者***安装文件进行更新。

在一个优选实施方式中，上面所描述的阶段按照以下顺序执行：

-所有扬声器的声学响应借助于计算机声卡记录下来，

-扬声器的脉冲响应从每个响应计算得到，

-声音的传播时间从每个脉冲响应测量得到以及基于计算扬声器的距离，

-基于每个扬声器的距离，使得来自扬声器的声音传播时间与其它扬声器的传播时间相同的附加延迟被计算，

-频率响应从每个脉冲响应计算得到，

-基于脉冲响应，扬声器的级别被计算，

-为每个扬声器计算修正值，使得所述扬声器的级别与其它扬声器相同。

Claims

1.一种用于声音重放***中的校准方法，其中

-形成预先已知的电校准信号（50），

-根据校准信号（50）在扬声器中形成音频信号（3），

-在通过控制网络（13）连接到扬声器的计算机（8）中测量并分析音频信号（3）的响应（9），以及

-在测量结果的基础上调整***，

其特征在于

-校准信号（50）在扬声器（1）中以如下方式形成，它基本上是正弦信号，该正弦信号的频率至少基本上扫描整个音频频率范围，其中校准信号（50）以对数的速度扫描，频率的对数与时间成正比。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，校准信号（50）的扫描是从最低频率开始的。

3.根据以上任一权利要求的方法，其特征在于，所述方法被用于校准未知的声卡。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，声卡的响应（7）采用频率响应进行建模。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法被用于确定声卡（7）的放大。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法被用于确定扬声器（1）的距离。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法被用于将低音炮和主扬声器的相位在交叉频率处设定为相同。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法被用于均衡，也就是校准收听空间内所有扬声器（1）的响应。

9.一种声音重放***中的校准装置，其包括：

-扬声器（1），

-用于扬声器（1）的控制装置（2），

-到扬声器的信号和控制连接（13），

-用于测量扬声器响应的麦克风（4），以及

-通过控制网络（13）连接到扬声器的分析和控制装置（12，8，18），用于分析并基于分析结果设定从麦克风获得的信号（9），

其特征在于

-扬声器（1）包括用于形成预先已知的基本正弦电变频校准信号（50）的装置，以便校准信号基本扫描整个音频频率范围，其中，校准信号（50）以对数的速度扫描，频率的对数与时间成正比。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，校准信号（50）的扫描是从最低频率开始的。

11.根据权利要求9或权利要求10的装置，其特征在于，所述装置被用于校准未知声卡的频率响应。

12.根据权利要求11的装置，其特征在于，声卡的响应（7）采用频率响应进行建模。

13.根据权利要求9的装置，其特征在于，所述装置被用于确定声卡（7）的放大。

14.根据权利要求9的装置，其特征在于，所述装置被用于确定扬声器的距离。

15.根据权利要求9的装置，其特征在于，所述装置被用于将低音炮和主扬声器的相位在交叉频率处设定为相同。

16.根据权利要求9的装置，其特征在于，所述装置被用于均衡（1），也就是校准收听空间内***的所有扬声器的响应。

17.根据权利要求9的装置，其特征在于，扬声器是有源扬声器，即它包括放大器。

18.一种扬声器（1），其包括

-用于产生声音的元件（16），

-用于控制声音产生元件（16）的调整和控制装置（2），以及

-到扬声器的信号和控制连接（17），

其特征在于，扬声器（1）包括用于形成预先已知的基本正弦电变频校准信号（50）的装置（15），以便校准信号至少基本上扫描整个音频频率范围，

所述扬声器通过控制网络（13）连接到计算机（8），

其中，校准信号（50）以对数的速度扫描，频率的对数与时间成正比。

19.根据权利要求18的扬声器，其特征在于，所述扬声器是有源扬声器。

20.根据权利要求18或19的扬声器，其特征在于，所述扬声器包括用于执行从最低频率开始频率扫描的装置。

21.根据权利要求18或19的扬声器，其特征在于，所述扬声器具有明确的标识，可以通过控制网络（13）读出。