低音扬声器驱动电路 本申请相关的交叉引用
本申请是1992年4月29日递交现已放弃的、申请号为07/875399的美国专利申请的部分续展申请。
发明的背景
【技术领域】
本发明涉及音响系统的频率滤波器系统，尤其涉及低音区域音频信号的频率滤波器。
相关技术的讨论
以往，已应用各种技术以改进高保真及立体声音响系统的低音响应。典型地，这些系统包括一扬声器，它具有大型振膜和该振膜较长的摆幅以驱动为获得低频所需强度而要求的较大量的空气。人们注意力集中在使强度及“力度”(punch)最大上，低音区域的音响感受的其它音质成分，诸如听众感觉到但听不见的次声频率，也已加以考虑。
但是，方向性和空间性较少注意，这是由于意识到对于低于大约150Hz地声波，人们通常感觉不到方向和声源位置。这时因为低频具有相对长的波长，例如130Hz的信号波长为8.7英尺，这样，低音频率倾向于无方向性。150Hz至550Hz范围的较高频率的声音较明显感觉到方向性和空间性，但该范围通常并不是针对低音扬声器及其扬声器箱的。结果，通常把立体声系统的两个通道应用于称为低音扬声器或亚低音扬声器的单一的低频的低音扬声器。这种结构有时称为“合并为单通道”(summing to mono)。
扬声器系统的低音性能通常强烈地取决于其扬声器箱的设计，为了在传送强度和力度上获得更好的扬声器性能，已设计了各类扬声器箱。导致增大低音区域响应及性能的代表性的改进包括基本的无限障板扬声器箱，它提供在大型扬声器箱中安装在障板上的低音驱动器，其安装方式使驱动器的移动振膜的前向波(frontwave)与后向波(back wave)保持隔离。另一种发展是声悬挂扬声器(acousticsuspension speaker)，它使用带有松驰悬挂振膜、具有很柔软围绕物的小型无限障板式扬声器箱。这样，根据振膜的向里和向外运动，扬声器箱内空气的膨胀和压缩有助于控制振膜的运动。这种扬声器叫做空气悬挂型，而不具有当它进一步从零位离开时控制刚性的振膜围绕物。另一方面，低音倒相式扬声器箱(有时称为通道式或敞开式扬声器箱)通过扬声器上形成一个口而间接利用后向波能量，该扬声器箱是调谐(或定制尺寸)以产生来自箱体的共振。这个箱体谐振调谐至低于扬声器的谐振以通过利用扬声器的后向波提供更低的低音响应。
另一些处理或改进低音响应的设计包括声学传输线扬声器，它仅形成始于低频扬声器后部的长通路，以减少来自扬声器后部的声级及产生与扬声器输出协调的共振。喇叭型扬声器应用直接连接至扬声器前面的大型喇叭以改善扬声器的效率。该喇叭改善了扬声器与周围空气的耦合。电均衡低音扬声器(electronicallyequalized bass speaker)增强进入放大器及扬声器的低音信号电平，以补偿小型扬声器会遇到的预期的低音衰减。但这种设计具有对放大器设置更大负荷的缺陷，为此，单独的低音放大器常常配置在系统中。
更响亮、更有力及更低的低音的期望产生了特殊设计的放大器以改进扬声器系统的低频输出。这些设计包括使用改进的高功率放大器并注意电源及改进的阻尼因数(即，放大器控制扬声器动作的能力)。另一种技术是利用伺服反馈，其中传感器附于变换器并当驱动器过驱动时作检测以把该信息反馈至放大器。然后放大器瞬时反转信号相位以修正驱动器。另一种途径是等压结构，它使用更多的样式奇特的(exotic)扬声器箱及更多的变换器。
在回顾了简化扬声器系统的特点后，可以更好的理解目前结构的缺陷。为了进行这方面讨论，一个低频声学驱动器可模拟为一个活塞源(piston source)。参见Frank Fahy所著《声音和结构振动》的59页，远场压力可表示为：p(r,t)=-jρ0cka2vnejωt[2J1(kasin(θ))kasin(θ)]e-jkr2r---(1)]]>式中：p是远场压力，t是时间，j是-1的平方根，ρ0是空气密度，c是空气中声速，k是声波数，a是扬声器活塞直径，Vn是扬声器活塞的速度，J1是第一类一阶贝塞尔函数，θ是从法线方向至扬声器活塞表面的角度。该等式用扬声器活塞位移作改写并通过观察θ等于零处的压力再加以简化，可得下式：p(r,t)=-ω2ρ0a2dejωt[2J1(ka)ka]e-jkr2r---(2)]]>
括号中的函数对于低频近似于1，于是对于给定的活塞，在特定距离r处的压力正比于频率(ω)的平方和活塞的位移d。这样，为了获得给定的声压级(SPL)，对于每次将频率减半，扬声器活塞位移需增加4倍。人们不能听到低于某些频率(20～40Hz间)的声音，虽然当感觉到次声波时呈现音质效果。这里使用的术语“次声”是描述低于大多数人可听到的最低频率的声频范围。多数音响系统允许功率放大器传递要传送至扬声器的低于此值的整个频率范围。
扬声器具有有限的位移范围，在该范围中，其响应与输入电压保持为线性函数。输入电压高于这个界限时，扬声器(位移)达到最大(bottom-out)，从而引起谐波失真增加。于是扬声器位移的极限受不可闻的很低频率控制。这些要求已为目前的低音设备设计和性能所重视。此外，对放置在听众前方左、右方声源的立体声装置，其较佳的声音性能的模拟进一步削弱对于低频低音信号方向性和空间性的关联。
发明概要
本发明的目的是提供一种低音系统，它在低音范围调节强度、空间性、方向性及混响成分以提供逼真的音质感受。
本发明的另一目的是提供一种低音系统，它调节低音信号的音质成分的相对侧重点以精确模拟演出的声音的低音性能。
本发明的再一个目的在于通过限制过低频率(次声频率范围)位移而提高低音驱动器性能，并从而使相对小的扬声器驱动器产生与较大扬声器驱动器相当的声压级。
本发明的上述及其它目的通过在两个不同低音频率值上对信号滤波的一种模拟或可能是数字网络而达到。网络输出以互相相对的增益加以调节并可任选地反相。滤波网络的输出可以电相加以经单通道功放驱动单音圈扬声器，也可以提供给双通道放大器的各自输入以分别驱动双音圈扬声器的各个输入。
在一个示范性的实施例中，设计了一种电路，它具有耦合至一对级联滤波器网络的双通道输入端，利用反相信号以产生一对不同频率范围的单音输出。这些单音信号可电相加并施加至向单音圈扬声器馈电的单通道放大器，也可以提供给其输出连接双音圈扬声器各个音圈的功放的各输入通道。
选择一个较低的频率范围以提供低音信号的强度和力度，而提供第2个较高的频率范围以适应对空间性和方向性有贡献的泛音。这些各自范围的信号相对电平可设置或调节以强调音质感受的一个方面或另一方面，或者也可调和声音的各个方面以逼真地产生要模拟的声音。例如，本声音控制系统可混合低音信号的不同方面以产生感受到的(在某些情况下是感觉到)普遍存在的、无方向性的波。同时可以向观察者发射合适声级的高频单音以识别声源的可觉察的位置。
有意义的是，本发明的声音控制系统可滤除低音信号使次声频率衰减，以限制可过驱动扬声器的感觉不到的成分。这种低端限制可增加可听范围的性能。
这样，本声音控制系统控制低音频谱中各种音质成分的混合，同时限制不可闻信号，以及较小扬声器具有较好的性能。
附图概述
图1是根据本发明的低音频扬声器电路的框图。
图2是图1的低音频扬声器电路交替输出级的框图。
图3是图1的低音频扬声器电路另一交替输出级的框图。
图4是图1的第1分频滤波器(crossover filter)电路(以虚线表示)和第2分频滤波器(以实线表示)的输出频率响应的曲线图。
图5是第2分频滤波器信号27的输出频率响应的曲线图。
图6是当第2分频滤波器网络具有1.4增益时总扬声器输入的频率响应的曲线图。
图7是当第2分频滤波器网络具有1.0增益时总扬声器输入的频率响应的曲线图。
图8是根据本发明的另一实施例的低音频扬声器电路的框图。
本发明的详细描述
参见图1，低音扬声器系统10包括具有左声通道输入端12和右声通道输入端13的第一分频滤波器网络11。该第一分频滤波器网络(或电路)11具有200～600Hz截止频率及每倍频程(八度)6至24dB的衰减斜率。在较佳实施例中，第一分频滤波器网络11具有250Hz截止频率及每倍频程(八度)24dB的衰减斜率，如图4所示信号大小与频率曲线图中的虚线所描述的，该曲线是例如当两通道输入端12和13的信号相等时，线16上的信号的响应。注意，250Hz的截止频率具有-3dB响应。
在线14上产生用于第一滤波器网络11的两个声道通道的输出信号并馈送至第一加法电路15，如果希望可把后者设置在滤波器内。第一加法电路15把左、右滤波后的声音信号组合成单声道(MONO)信号，经线16馈送至输出级19中的双声道音频放大器17的一个声道输入端。
来自第一加法电路15的单声道信号还经线18馈送至第二分频滤波网络22的两个通道输入端20和21。该第二分频滤波网络22具有低于第一分频滤波网络11的截止频率。其中，截止频率固定在三条较佳曲线(contour)之一上或在其间选择。第一个选择提供50～180Hz范围的截止频率并具有每倍频程12dB的衰减斜率。该选择由图4的实线所描述，在该曲线中，初始滤波增益为1.4(3dB)，从0Hz时的初始信号幅度减少3dB的截止频率是70Hz，每倍频程衰减约12dB。第二条滤波曲线提供180～250Hz范围内的截止频率并具有每倍频程约18dB的衰减斜率。第三个较佳选择提供250～400Hz范围的截止频率并具有大约每倍频程24dB的衰减斜率。通常，截止频率落入这些范围的中间位置，将向较高频方向倾斜(slope off)。在一对线23上作为二个单声道输出产生第二分频滤波网络每个通道的滤波输出信号，其衰减取决于所选择滤波器阶(order)而为每倍频程6dB至24dB之间(每倍频程每6dB表示一个附加极点(pole))。
线23上的单声道信号馈送至第二加法电路24，后者也可设置在第二分频滤波网络22中。第二加法电路24把线23上的信号组合成线25上的单声道低频信号馈送至反相器26。反相器26把来自第二加法电路的单声道信号的相位反相，然后把该信号经线27馈送至音频放大器17的另一通道的输入端。这样，音频放大器的一个输入端经线16接收不反相的单声道音频信号，其截止频率高于在另一放大器输入端从线27接收到的单声道音频信号的载止频率。或者，分开的多个信号通道放大器可以处理来自线16和27的信号。音频放大器17的输出28和30耦连至双音圈低频扬声器31的各自输入端，该扬声器通过感生的磁场把两信号相加。扬声器系统10可使用一个以上的低音驱动器或低频扬声器。
如图2所示，通过提供交替输出级52可使用单音圈低频扬声器50，在该输出级中，双通道放大器54的输出信号在第二加法电路56中组合以在输出端58产生单声道信号，提供给低频扬声器。
另一种交替输出级60在图3中说明。在该输出级60中，线16和27所载的信号在驱动单音圈低频扬声器66的单通道放大器62前，在加法电路61中电组合。
提供二个具有交叠频率的音频信号(一个具有较宽的频率范围而把另一个信号倒相)，它使扬声器31的低音驱动器产生一个输出，该输出在可听范围的下限处或其以下具有有限的低频响应并在可听范围中具有改进的响应。滤波器输出线27上的音频信号对于系统10的输入12和13的幅值响应示于图5，该曲线在0Hz时有3dB增益且每倍频程具有36dB的总衰减。
信号16和27之和的幅度对频率的曲线示于图6，以说明本系统的效果。扬声器系统把在0Hz时的响应通过低音音频电路衰减7.7dB且把低于听力阈值的所有频率衰减至少4dB。扬声器系统10在40Hz至220Hz范围内还增加了响应并在约80Hz处有最大响应(+3.1dB)。本系统对于低音驱动器总体性能的效果是限制在次声频率范围内发现的大的位移并在40Hz以上改进响应。这将允许约8英寸直径的相对小的低频扬声器驱动器在可听频率范围内产生与大的18英寸驱动器相当的总声压级，而没有因次声频率范围的大的位移引起的逾量失真。通过改变滤波器11和22的截止频率或增益可对由低音频电路产生的低频衰减产生强烈影响。例如，比较把前面例子的滤波器22的增益变为图7所示增益1的结果与前面示于图6的结果。注意，在次声范围内响应受到很大衰减而在可听范围内影响很小。
为了进一步理解级联滤波装置的优点，把本系统的一个简单例子在拉普拉斯域中加以模拟。滤波网络11(例如双极点低通滤波器)的传递函数在拉普拉斯域中模拟如下：OUT1(S)IN1(S)=N11(s-p111)(s-p211)---(3)]]>式中：OUT1(S)是线14上的输出信号的拉普拉斯变换，IN1(S)是线12上的输入信号的拉普拉斯变换，是滤波网络第一极点的位置，是第二极点的位置。相似地，第二分频滤波网络22的传递函数在拉普拉斯域中可模拟如下：OUT2(S)IN2(S)=N22(s-p122)(s-p222)---(4)]]>式中：OUT2(S)是线23上的输出信号的拉普拉斯变换，IN2(S)是线20上的输入信号的拉普拉斯变换，是第二分频滤波网络22第一极点的位置，是滤波网络网络第二极点的位置。应用代数计算和基本控制理论，扬声器输出的净传递函数y能用输入12写出如下：y(s)IN(s)=N11(s-p111)(s-p211)-N22N11(s-p111)(s-p211)(s-p122)(s-p222)---(5)]]>作一些代表计算后，可得到下述关系式：y(s)IN(s)=N11(s-p122)(s-p222)-N22N11(s-p111)(s-p211)(s-p122)(s-p222)---(6)]]>分子多项式的零点构成复合低音滤波系统的零点。这些零点是每个各自子系统的成分(即，N11，)的强函数。经例如的移动而移动截止频率或例如改变特定部分N11的增益可用于快速而精确地调节系统的零点位置，以满足声音环境的要求。在示于图6的上述例子中，极点位置的值使一个零点置于零频率，这说明次声区域极低响应(理论上在零Hz处为零输出)。调节两个级联的滤波器用于适应扬声器系统及音响环境其余部分(例如室内或汽车驾驶室)的特殊要求。
参见图8，低音扬声器系统32的另一个实施例具有带有左通道输入端12和右通道输入端13的初始分频滤波网络33。滤波网络33在线34上产生相加的单声道输出，它具有60～80Hz范围的截止频率及每倍频程6至24dB的衰减，同时，在线35和36上产生一对全范围(即不衰减的)的左、右通道音频信号，平行耦连至另一分频滤波网络37。
调整另一滤波网络37使之仅通过低频信号并具有与图1的第二分频滤波器网络22相同的可选择的滤波器参数，从而在一对线38上产生相似的输出信号。但，线38上的信号由加法电路40组合成线41上的单声道信号，然后馈送给反相电路42。反相电路42在线43上产生反相单声道信号，它实际上仅有低于400Hz的频率、其精确的截止频率取决于对第二滤波器37所选择的参数。
把反相单声道信号43馈送至放大器44的一个通道，该放大器具有接收来自初始分频滤波网络33的线34上的不反相的单声道信号的另一通道，该信号具有60～80Hz范围的截止频率。把两个信号加以放大并经两条单声道输出线路45和46馈送至电动长摆幅低音扬声器(electrody namic longthrow woofer)47，它可以是单音圈或是双音圈低频扬声器。
在图1和图8的两个扬声器系统10和32提供两个单声道音频输入信号至放大器的各自通道，其中每个信号具有不同低频范围且一个信号相对于另一个反相。在另一实施例中，把两个滤波器的输出模拟相加，提供给单通道功放并传送给单音圈低音扬声器。
本发明提供一种低音驱动器电路，它限制次声区域扬声器锥形振膜位移。该电路业已证实可改进任何类型低频扬声器(诸如密闭箱、无限障板、调谐口(tunedport)、全喇叭(full horn)或等压类型)的低音响应。但本发明并不限于已叙述的实施例，这些实施例是为了说明本发明而不是加以限定。