专利名称：增强音频信号的设备和方法
技术领域：
本发明涉及增强电音频信号以改进那些信号所产生的声音质量的设备和方法，特别涉及将增强谐波加入到电音频信号中的设备和方法。
通常认为听音乐、唱歌或其它的这类现场声音比听被转换成电音频信号而后又重新转换成可听声音后的同一声音更为愉快。这种感觉到的质量下降可能有许多原因。一个原因在于其自身的声音再生过程。
我们听到的许多声音，尤其是音符，通常是复合的。例如，具有基本音调或基础频率的音符通常包括称作谐波的基础频率分量。这些谐波产生了象音符这样的音调质量或声音音质，这通常只为乐器或其它声音产生源所有。换句话说，这些谐波丰富了我们听到的声音。虽然人耳一般不能分辨出单独的谐波，但它在声音质量分别提高或下降时能感觉到这些谐波的存在或不存在。将现场声音转换成电音频信号的设备(例如话筒或类似设备)一般不充分记录和转换现场声音的全部质量。因此，电音频信号不包括许多原始谐波。为将谐波增强加入到这种不完全的音频信号中，开发了许多声音再生系统。但是，这些系统通常是非常复杂和昂贵的，且用这些系统产生的声音质量仍没有达到现场听到的声音的原始质量。
经常感觉到再生声音比现场声音质量低的另一个原因在于产生和记录声音的环境。例如，在露天场所演奏的音乐听起来一般是一维的，因为许多声波消散在露天而不为听众所听到。另一方面，在一个声学设计的室内演奏的音乐听起来一般更丰富而丰满，且单独的声源，如乐器，一般更可辨别。这种区别的原因之一是听众听到的声音包含了与很高质量的谐波成份组合而产生可听声音的高质量的混响。
不是所有的再生声音都源于声学设计的环境，因而不具有这种高质量混响的好处。即使在使用声学设计的环境时，在记录过程中也可能损失高质量的混响，例如，在声音转换设备(例如话筒或类似设备)不能记录它们的时候。
象音乐这样的再生声音的另一个问题是在高音量收听时它会变得失真。在音量增大时，通常很难清楚地听出歌中所唱的单词或从其它乐器中辨别出一种乐器。
还有一个问题是在室内演奏的记录音乐的质量会随房间的几何形状和听众在房间内相对于声源(如扬声器)的位置而改变。出现这种情况时，音乐在室内的一个或几个特定位置听起来较好。这些位置通常称作悦耳点(sweet spot)。因此，为享受所记录音乐的全部潜力，听众必须保持在这些悦耳点上。
为产生增强的电音频信号(它在转换成可听声音时，感觉起来更接近于重复在声学设计的环境中聆听原始现场声音这样一种经历)，开发出了各种复杂而昂贵的系统。本发明是在此之上的一种改进，它相对来说更便宜和简单。
根据本发明，提供了以这样一种方式简单而便宜地增强电音频信号的方法和装置从音频信号产生的可听声音的质量更接近于象在声学设计的环境中现场听到的原始声音的质量。本发明将增强谐波加入电音频信号中。从根据本发明而增强的音频信号产生的声音能在高音量上避免变得失真，并能消除或至少显著降低悦耳点的形成。
为了达到这些目的，根据本发明的原理，电音频信号通过一个磁线圈音频能量传递系统而发送出去，该系统以这样一种方式增强电音频信号从增强的音频信号所产生的可听声音感觉更丰富和更丰满。更详细地说，电音频信号通过一个电磁场感应线圈用电力发送出去，从而产生一个与原始电音频信号相关的场信号(field signal)。然后，场信号弱耦合或松散地耦合到一个场接收器上，该场接收器将场信号转换成增强的但却微弱的电音频信号，然后，在必要时可将该电音频信号放大用以在象扬声器之类的常规音频再生设备中再生。通过弱耦合或松散耦合，仅有一小部分由感应线圈建立的电磁场贯穿或通过场接收器。感应的场信号弱耦合到接收器的结果是形成电音频信号，以及从而从该信号产生的声音，通过加入想要的谐波而得到增强。
感应线圈和场接收器之间的弱耦合或松散耦合会导致众所周知的高频提升、低频衰减的信号负失真。本发明基于这样一个发现伴随着这类所不希望有的失真或降级，向信号加入理想谐波也导致一种所希望有的失真或增强。相信迄今为止尚未检测到这种谐波增强，因为负失真(即牺牲低频，提升高频)使这种谐波增强被忽视。由于与弱耦合相关的所不希望有的失真如此易于建立并众所周知，而所发现的谐波增强又不为人知，所以总是避免弱耦合，而不是象本发明这样去利用它。本发明的感应线圈和场接收器弱耦合或松散耦合在一起以提升这种源于因为前所未知的谐波增强而所不希望有的失真。
人们相信场感应线圈可以是绕了至少一匝的线，但感应线圈最好是绕了许多匝的线。认为接收器可以是一个电磁传导的线、板、管或其它的结构，但场接收器最好是一个有许多匝的线圈。场感应线圈和场接收器线圈最好具有相同匝数，甚至最好是场接收器线圈比场感应线圈具有更多的匝数。感应和接收器线圈可各位于一个独立的磁心上或都位于单个的共享磁心上。磁心最好是象空气、塑料和卡纸板磁心这样的非导磁性的或低导磁率的磁心。
根据上述情况，从而提供了一种简单且便宜的增强电音频信号的设备和方法，以便在音响再现声音时具有趋于在声学设计的环境中所听到的原始现场声音的质量。
考虑以下描述和附图，本发明的目的、特征和优点将变得更加显而易见。
图1是根据本发明原理的音频信号增强设备的原理框图；图2是根据本发明的感应线圈和场接收器线圈的一个实施例的透视图；图3是与图1的设备相类似的双通道音频信号增强设备的电路图；且图4是根据本发明的感应线圈和场接收器线圈的另一个实施例的一个示意性的截面视图。
参照图1，此处示出了根据本发明原理增强电音频信号的系统10的一个实施例。系统10包括一个含电源14的输入级12、输入放大器16和电磁场感应线圈18，通过该电磁场感应线圈，放大器16驱动多频输入电音频信号，产生一个与来自诸如话筒、无线接收器、电视音频接收器、电话接收器等等电音频信号源20的原始输入信号相关的场信号。系统10还包括将从输入级12产生的场信号转换成电音频信号的输出级22，该电音频信号根据本发明的原理得到增强并可由象扬声器之类的常规声音产生设备24再生成可听声音，或记录到记录媒体上。输出级22包括一个连接到由电源30供电的输出放大器28上的场接收器26。场接收器26设置成接收线圈18产生的场信号的非常弱的部分而不在线圈18中引入任何相当数量的所不希望有的反馈电流。
输入放大器16是一个功率放大器，它通过输入级12的线圈18以足够为接收器26所接收的强度大大地放大和驱动来自源20的输入信号，使之用以转换成包括原始输入信号加上附加理想谐波的增强的电音频信号。因而在线圈18上感应到的场信号弱耦合到输出级22的场接收器26上。即接收器26放置在线圈18产生的场内，但有足够的距离，以便能电磁地接收到增强的信号而又不感应到线圈18中所不希望有的反馈。弱耦合线圈18和接收器26形成了磁线圈音频能量转换系统54。
这里认为线圈18是一个绕在磁心36上的绝缘线34的单匝线圈，接收器26可以是一个导电的线、管或板。但是，较理想的是线圈18和接收器26都分别是绝缘磁线34和44的多匝线圈，匝数相同。虽然所示的线圈18和26为圆柱或圆形，但本发明并不局限于此。接收器线圈26绕在磁心46上，它理想地形成了与磁心36相同的磁心的组成部分。相应与来自线圈18的场信号，在接收器线圈26中产生增强的电音频信号，但由于弱耦合，其幅度较之于通过线圈18驱动的输入信号来说非常低。增强的信号在通过接收器线圈26时很弱，以致于增强的信号可能感应的任何场信号很弱，在线圈18中不能产生其自身明显的反馈信号。线圈26的输出连接到输出放大器28上，以将增强的信号放大到足够为声音再生设备24所用。
最好是线圈18感应的场信号对于较低频率比对于较高频率弱。因而，接收器线圈26产生的增强音频信号的较低频率比其较高频率分量弱。换句话说，在放大前，与通过线圈18驱动的原始输入音频信号相比，增强音频信号高频端的幅度(功率电平)比其低频端的高。因此，输出放大器28最好是包括一个频率整形网络109(见图3)，它补偿(favor)低频，衰减高频，从而使最终结果与进入输入级12之前的输入音频信号和离开输出级22时的增强音频信号相比，是一个相当平的频率响应。
如图2所示，磁心36和46最好各形成单个磁心部件(member)52的组成部分，这样线圈18和26沿中心轴48同轴并分离开一个距离G。虽然所示出的是一个圆截面的纸板、塑料或其它合适材料做成的管子，但磁心52可具有其它截面，如矩形，并可以是丙烯酸或其它导磁率足够低的材料做成的硬棒。绕在单个磁心52上可看见能量转换系统54的线圈18和26看起来分别是主次有耗变压器(transformer)。即。线圈18和26之间的耦合弱得很精密，使得在线圈之间只有很小的(如果有)实际互感动作。而且，认为线圈26主要用作线圈18感应的场的接收器，并因而相对线圈18放置，以不使输入信号的增强产生明显失真。最好使用低导磁率磁心，这有助于作为本发明优点的线圈之间的弱耦合。此外，通过使用一个或多个诸如其导磁率近似于1或均匀的低导磁率磁心，线圈18和26可保持相互足够接近而使输入和输出级12和22能容纳在一个相对较小的封装中。虽然可以满足较高导磁率磁心、甚至可能强导磁率磁心的使用，但为维持弱耦合，线圈之间的空间很可能会变得很大。此外，除了线圈，认为接收器26则应是一块、一段导磁率传导的线、管或其它装置，它将线圈18感应的场接收并转换成新的增强电音频信号。
为了增强系统10的工作，最好将输入级12和输出级22在电气上和电磁上良好绝缘(在线圈18和26的接口处通过系统54的弱场耦合除外)。为此，在各级12和22提供独立的电源14和30，各带一个独立的接地。而且，各电源14、30在物理上与两个级保持较远的距离或例如用本领域所周知的屏蔽技术和材料将它们从级12、22屏蔽开。
常规的音频信号源20(例如话筒、磁带播放器、光盘播放器、无线接收器、电视音频接收器、电话接收器等等)通常连接到象扬声器这样的声音发生设备24上。当设备24将来自常规源20的电音频信号转换成可听声音时，所产生的声音没有原始现场声音在被记录之前所具有的丰富和丰满程度(质量)。所产生的音频声音的质量基本上通过在源20和设备24之间引入本发明的系统10而得到增强。信号源20的电音频信号输出连接到输入级12上，输出级22的输出连接到声音转换设备24的输入上，这样，任何电音频信号在转换成可听声音之前必须通过磁线圈音频能量转换系统54。当听众听到这个可听声音时，其质量增强到听起来似乎是在优良的声学环境中现场演奏原始表演这样的程度。最好使用两个系统10(即双通道)，各用于立体声再生系统的各个通道。
用下述商业可提供的电子部件构造出系统10的一个双通道版本a)双声道输入放大器(16)-仿真(realistic)S-20固态立体声12W放大器，型号31-B；b)两个输入线圈(18)-各为标准的扬声器线圈，额定为8Ω和2W；c)两个接收器线圈(26)-各为标准的扬声器线圈，额定为8Ω和2W；和d)双声道输出放大器(28)-仿真立体声1.5W前置放大器，型号42-2109。
上述扬声器线圈18、26取自Tandy公司生产的型号为40-248的3英寸直径扬声器。各绕组18、26宽W(见图2)约0.15英寸(0.38cm)，内径约0.52英寸(1.32cm)，是由约30匝长约105英寸(267cm)、直径包括其绝缘层约0.005英寸(0.013cm)的两层(共约60匝)磁性线组成的。每对绕组18、26同轴地安装在单个的固态丙酸烯磁心50上，该磁心具有约3/4英寸乘1/4英寸的(1.9×0.64cm)矩形截面并完全穿过两个线圈18、26。线圈18、26之间的间隔G相当于约0.060英寸(0.152cm)。Tandy公司也生产仿真放大器。通常，输入放大器16提供的音频信号的放大程度与线圈18、26之间的最佳距离G(见图2)是直接相关的。例如，其它所有变量保持一样，随着输入放大器16的音频信号的放大倍数的增加，间隔G肯定最终必须增大。如上所述，间隔G肯定也直接随磁心52的导磁率而变化。这个本发明的早期实施例产生了增强的声音但也出现了一些不希望有的特性。为克服这些问题，构造了系统10的另一个双通路实施例，现在将参照图3进行描述。
参照图3，此处示出了一个包括左边系统10a和相同的右边系统10b的系统10的双通路或立体声版本100的详细的原理示例。系统10a和10b共享公共的输入级电源14和公共的输出级电源30，以下将对此进行描述。两个系统10a和10b的输入和输出级12a、12b和22a、22b是相同的，因此以下只对系统10a的电路进行详细描述，当然系统10b是相同的。
更详细地说，输入级12a包括一对分别连接到电源14和输入级12a的地(GND1)上以及10kΩ电位器74上的第一电音频输入70、72。电位器74的滑片经10μF电容76连接到LM383运算放大器78的非倒相输入上。放大器78的输出80从1/2W接地的串联电阻84、85(分别为200Ω和10Ω)的节点处通过一个470μF的电容86反馈给其反相输入。放大器78的输出80还经1Ω、1/2W的电阻器88和0.2μF的电容90的串联支路连接到GND1上。输出80然后通过2，200μF的电容92连接到磁线圈音频能量转换系统54的感应线圈18上，以通过线圈18驱动来自输入70、72的电音频信号并如上所述感应场信号。
能量转换系统54包括连接到一个1kΩ电位器96上的场接收器26，电位器的滑片通过10kΩ电阻98和1μF电容101连接到LM1458N运算放大器的非反相输入上。线圈18和接收器26各为同样标准的8Ω、2W扬声器线圈，见使用商业可提供的电子部件的系统10的上述版本。能量转换系统54。线圈18和接收器26，都用低导磁率聚合陶材料完全封装而达到结构上的完整。3M，ST.Paul，Minnesota生产的黑色环氧陶复合膏/粘合剂DP-270提供足够的结构强度和较低的导磁率。线圈18和26封装在其原始圆柱结构和图2所示的同轴方位中，间隔G约0.025英寸(0.0635cm)。放大器102的输出104连接到增强音频的输出口106上，该口与接地的输出口108一起向再生设备24提供增强的电音频信号，如上所述。电阻98和电容101的节点通过整形电路109连接到输出级电源地(GND2)上，整形电路109包括以下三个并联的电路支路5.1kΩ电阻110、0.05μF电容111和终端开路的(open ended)50kΩ电位器112的串联电路；0.002μF电容114；和5.1kΩ电阻116和0.1μF电容117的串联电路。
放大器102的输出104经以下串联电路连接回到其反相输入上并联的499kΩ电阻122和0.005μF电容123；并联的49.9kΩ电阻124和0.01μF电容125；并联的10.0kΩ电阻126和0.005μF电容127；和10.0kΩ电阻128。输出放大器102的反相输入(以及系统10b中对应的输出放大器)经1.5kΩ电阻130到510Ω电阻132和5V稳压二极管134和10μF电容136的节点而连接到一个来自电源30的稳压器129的稳压电压上，在节点137处，电压为5V。输出放大器102的非反相输入类似地经100kΩ电阻138而连接到5V参考电压137上。
关于电源14和30，双变压器140向各电源14和30的平衡(balance)提供约14V的电压，现对此进行描述。输入级电源14包括一个二极管桥142，它从双变压器140的一个14V输出中产生一个全波整流输出。包括1Ω、1/2W电阻144、2200μF电容145、10kΩ、1/2W电阻146和1μF电容147的电路平滑(滤波)全波整流输出，以提供一个标称的18V未稳压电源和地(GND1)给各输入级12a和12b。类似地，输出级电源30包括一个连接到双变压器140的另一14V输出上的全波整流二极管桥150。包括100Ω、1/2W电阻151、470μF电容152、10kΩ、1/2W电阻153和1μF电容154的电路平滑桥150的输出，以提供一个标称的18V未稳压电压给稳压器129。稳压器129的输出经10μF的平滑电容158和0.01μF的平滑电容160传送给地(GND2)，并向各输出级22a和22b提供一个12V稳压电源和地(GND2)。电容158提供对低频的滤波，电容160提供对高频的滤波。注意，各系统10a和10b的输入放大器78在独立集成电路封装中提供并从电源14独立供电，而各输出级22a和22b的输出放大器102在单个集成电路封装中提供并共同从电源30供电。
为防止干扰各自的音频信号，最好是电源14、30在各自电容147和154之前的那个端口保持远离输入和输出级或如上所述进行屏蔽。此外，各通路的能量转换系统54(场感应线圈和场接收器)也可能需要屏蔽起来以保护系统54不受任何不希望受到的外部或其它原因的干扰。
在工作时，各通路的电音频信号由一个标准插座或类似物(未示出)连接到各自的输入口70、72上。如将要了解到的那样，电音频信号通常包括范围很广的音频频率。各输入电平在电位器74处进行调节，以使两个通路的输入信号电平大致相等并使得输入放大器78将输入信号放大至最大可能的程度而无限幅或相反使输入信号失真。然后通过能量转换系统54增强音频信号，且增强的信号由各自的电位器96调整电平并由各自的电位器112调整到理想的平滑频率响应上，电位器112也可能用于稍微改变整形网络109以如用户所愿来调整音调质量。然后。增强的音频信号由放大器102放大并通过输出106和108(例如通过一个标准插座)连接到象另一个放大器或扬声器系统这类的声音再生设备24上，并转换成可听声音。另外，设备24可以是将增强的音频信号记录到某种形式的记录媒体(例如磁带或光盘)上的另一个电音频信号记录器。
参照图4可见，磁线圈音频能量转换系统54最好用一个具有比其感应线圈19更多匝数的接收器线圈27。接收器线圈27环绕在一个根据本发明原理制造的圆柱磁心53上。例如，磁心53可以是固态的，用低导磁率塑料材料制造，在一端具有一个肩形凸缘(shoulder flange)55。磁心53也可以是用卡纸板、塑料或其它合适的材料的管(类似于磁心52)或不用卡纸板、塑料或其它合适的材料的管做成的空心磁心。感应线圈19环绕在接收器线圈27的外部。各线圈19和27具有各自的导柱(lead)21a、21b和29a、29b，各导柱穿过一个通过凸缘55形成的孔。各导柱21a、21b和29a、29b适合于连接到一个适当的电路中。通过相对感应线圈19而增加接收器27中的匝数，通过该感应线圈19驱动的电音频信号就不必放大到能在接收器线圈27中感应强度足够大的信号的程度。
虽然参照许多实施例对本发明进行了描述和说明。并且虽然对这些实施例进行了相当详细的描述，但这并不意味着所附权利要求的范围受这种细节的限制或任何程度的限制。本领域技术人员可容易地看出更多的改进和修改。例如，如果来自光盘播放器的电音频信号形式的音乐或声音通过本发明的系统100发送出去且最终的增强电音频信号使用磁带播放器/记录器重新记录到磁带上，那么会发现从记录的磁带上产生的音乐或声音的质量感觉上比直接从光盘产生的同样的音乐或声音要好。虽然广泛认为光盘格式要比磁带格式产生更高级的声音质量，但这种情况仍会出现。本发明肯定可用于对来自象话筒之类的声音转换设备的电音频信号在其记录到记录媒体(如磁带或光盘)之前、从空中发送出去(如通过电视或蜂窝电话)之前或直接转换成可听声音(如在音乐会或演奏时)之前进行增强。
因此，本发明在其范围方面不受特定细节、各设备和方法以及所示和所述示例的限制。因此，可不偏离本发明的基本发明思想的实质与范围而根据这种细节来制造设备。
权利要求
1.增强电音频信号质量的设备，包括一个具有场感应线圈的输入级，输入的电音频信号通过场感应线圈发送出去以建立一个电磁场；和一个具有一个电磁场接收器和一个输出的输出级，所述场感应线圈和所述电磁场接收器弱耦合在一起，这样在输入电音频信号通过所述场感应线圈发送出去时，在所述输出处提供与输入电音频信号相比具有增强的谐波成份的增强电音频信号。
2.权利要求1的设备，所述场感应线圈有许多匝。
3.权利要求2的设备，所述电磁场接收器是一个有许多匝的场接收器线圈。
4.权利要求3的设备，所述场接收器线圈的匝数比所述场感应线圈的多。
5.权利要求3的设备，所述线圈绕在至少一个低导磁率磁心上。
6.权利要求5的设备，所述至少一个低导磁率磁心具有近似均匀的导磁率。
7.权利要求1的设备，所述电磁场接收器至少为由一个管子、一段线、一个绕组和一块平板组成的组中的一个。
8.权利要求1的设备，包括一个抵消所述弱耦合所引起的不希望有的频率整形的频率重新整形网络。
9.权利要求1的设备包括一个使所述增强的电音频信号处理成可听声音的放大器。
10.增强电音频信号质量的方法，包括以下步骤提供至少一个输入电音频信号；将该至少一个输入电音频信号通过一个场感应线圈发送出去，从而建立起至少一个电磁场；和将该至少一个电磁场弱耦合到一个电磁场接收器上，以在场接收器中产生至少一个与输入电音频信号的内容相比具有一个增强的谐波成份的增强电音频信号。
11.权利要求10的方法，还包括以下步骤将该至少一个增强的电音频信号处理成可听声音。
12.权利要求10的方法，还包括以下步骤将所述至少一个增强的电音频信号记录到记录媒体上。
13.一种在其上记录了至少一个通过权利要求12的方法而记录的增强电音频信号的记录媒体。
14.权利要求10的方法，包括对至少一个输入电音频信号和至少一个增强的电音频信号中的一个或另一个或二者进行重新整形以抵消弱耦合所引起的不希望有的频率整形的步骤。
全文摘要
本发明通过向电音频信号增加谐波来增强电音频信号。本发明包括一个输入级(12)和一个输出级(22)，输入级(12)具有一个场感应线圈(18)，输入电音频信号通过该场感应线圈发送出去以建立起一个电磁场。场感应线圈(18)弱耦合到一个电磁场接收器(26)，这样在输入电音频信号通过感应线圈(18)发送时，产生一个与输入电音频信号相比具有增强的谐波内容的感应电音频信号。
文档编号H04R9/00GK1167561SQ94195192
公开日1997年12月10日 申请日期1994年10月27日 优先权日1994年10月27日
发明者阿图罗·J·加查 申请人:纯正多维音响公司