用于主动降噪的在阵列和同相扬声器配置之间的转换的制作方法

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用于主动降噪的在阵列和同相扬声器配置之间的转换的制作方法

本说明书大体上涉及噪声消除系统,并且更具体地涉及特定环境内(诸如车辆的乘客舱)的噪声衰减或消除(通常称为噪声消除)。



技术实现要素:

以下提到的所有示例和特征可以以任何技术上可能的方式进行组合。

一方面,一种噪声消除系统,包括布置在区域内的多个扬声器、与扬声器通信的放大器以及与放大器通信的系统控制器,该系统控制器响应于来自检测区域中的声音的至少一个麦克风的信号而产生命令信号。系统控制器包括阵列扬声器控制器,其配置为响应于命令信号产生用于每个扬声器的驱动器信号,使得扬声器响应于驱动器信号而发出的组合声音产生基本均匀的声压场,该基本均匀的声压场的幅度和相位适于衰减与由至少一个麦克风检测到的声音相对应的噪声场。系统控制器还包括同相扬声器控制器,其配置为响应于命令信号而产生用于所有扬声器的共同同相驱动器信号;以及信号引导器模块,其配置为响应于与放大器根据命令信号驱动扬声器相关联的电压的幅度,在阵列扬声器控制器与同相扬声器控制器之间分配命令信号。

该系统的实施例可以包括以下特征之一或其任何组合。

噪声消除系统还可以包括信号幅度监视器,该信号幅度监视器测量与放大器根据命令信号驱动扬声器相关联的电压的幅度。信号引导器模块可以实时响应于信号幅度监视器测量的幅度来改变在阵列扬声器控制器与同相扬声器控制器之间命令信号的分配。实时响应于测量的幅度超过阈值,信号引导器模块可以转换为:将所有命令信号分配给同相扬声器控制器,而没有任何命令信号分配给阵列扬声器控制器。实时响应于测量的幅度下降到阈值以下,信号引导器模块可以转换为:将所有命令信号分配给阵列扬声器控制器,而没有任何命令信号分配给同相扬声器控制器。

噪声消除系统还可以包括信号划分器,用于根据信号引导器模块确定的分配来划分命令信号。实时响应于信号幅度监视器测量的幅度的增加,信号引导器模块可以引导信号划分器提高传递到同相扬声器控制器的命令信号的比例,同时降低传递到阵列扬声器控制器的命令信号的比例。

噪声消除系统还可以包括信号划分器,用于根据信号引导器模块确定的分配来划分命令信号。实时响应于信号幅度监视器测量的幅度的降低,信号引导器模块可以引导信号划分器降低传递到同相扬声器控制器的命令信号的比例,同时提高传递到阵列扬声器控制器的命令信号的比例。

放大器向用于所有扬声器的同相驱动器信号施加的增益可以与扬声器的数目成反比。

噪声消除系统还可以包括加法器,加法器将每个驱动器信号与同相驱动器信号组合,以产生用于每个扬声器的混合命令信号,该混合命令信号随后传递到放大器。混合命令信号可以从系统控制器产生的命令信号中得出。

另一方面,提供了一种用于衰减噪声的方法。该方法包括:响应于来自检测区域中的声音的至少一个麦克风的信号而产生命令信号;响应于与根据命令信号驱动多个扬声器相关联的电压的幅度,在阵列扬声器控制器与同相扬声器控制器之间分配命令信号;并且,当命令信号的第一部分分配给阵列扬声器控制器时,响应于命令信号的第一部分,由阵列扬声器控制器产生用于扬声器中的每一个扬声器的驱动器信号,使得由扬声器响应于驱动器信号发出的组合声音产生基本均匀的声压场,该基本均匀的声压场的幅度和相位适于衰减与由至少一个麦克风检测到的声音相对应的噪声场。该方法还包括:当命令信号的第二部分分配给同相扬声器控制器时,由同相扬声器控制器响应于命令信号的第二部分而产生用于所有扬声器的共同同相驱动器信号。

该方法的实施例可以包括以下特征之一或其任何组合。

该方法还可以包括:测量与根据命令信号驱动扬声器相关联的电压的幅度,并且实时响应于测量的幅度来改变在阵列扬声器控制器与同相扬声器控制器之间命令信号的分配。

该方法还可以包括:实时响应于测量的幅度超过阈值,进行如下转换:将所有的命令信号分配给同相扬声器控制器,而没有任何命令信号分配给阵列扬声器控制器。实时响应于测量的幅度下降到阈值以下,进行如下转换:将所有的命令信号分配给阵列扬声器控制器,而没有任何命令信号分配给同相扬声器控制器。

该方法还可以包括:实时响应于测量的幅度的增加,提高传递到同相扬声器控制器的命令信号的比例,同时降低传递到阵列扬声器控制器的命令信号的比例,或者,实时响应于测量的幅度的减小,降低传递到同相扬声器控制器的命令信号的比例,同时提高传递到阵列扬声器控制器的命令信号的比例。

该方法还可以包括向用于所有扬声器的同相驱动器信号施加与扬声器的数目成反比的增益,或者,将每个驱动器信号与同相驱动器信号组合,以产生用于每个扬声器的混合命令信号。

另一方面,一种车辆包括乘客舱和噪声消除系统,噪声消除系统包括布置在乘客舱中的区域内的多个扬声器,与扬声器通信的放大器以及与放大器通信的系统控制器,该系统控制器响应于来自检测区域中的声音的至少一个麦克风的信号而产生命令信号。系统控制器包括阵列扬声器控制器,其配置为响应于命令信号产生用于每个扬声器的驱动器信号,使得扬声器响应于驱动器信号而发出的组合声音产生基本均匀的声压场,该基本均匀的声压场的幅度和相位适于衰减与由至少一个麦克风检测到的声音相对应的噪声场。系统控制器还包括同相扬声器控制器,其配置为响应于命令信号而产生用于所有扬声器的共同同相驱动器信号;以及信号引导器模块,其配置为响应于与放大器根据命令信号驱动扬声器相关联的电压的幅度,在阵列扬声器控制器与同相扬声器控制器之间分配命令信号。

该车辆的实施例可以包括以下特征之一或其任何组合。

该车辆还可以包括信号幅度监视器,信号幅度监视器测量与放大器根据命令信号驱动扬声器相关联的电压的幅度。信号引导器模块可以实时响应于信号幅度监视器测量的幅度来改变在阵列扬声器控制器与同相扬声器控制器之间命令信号的分配。实时响应于测量的幅度超过阈值,信号引导器模块可以转换为:将所有命令信号分配给同相扬声器控制器,而没有任何命令信号分配给阵列扬声器控制器。实时响应于测量的幅度下降到阈值以下,信号引导器模块可以转换为:将所有命令信号分配给阵列扬声器控制器,而没有任何命令信号分配给同相扬声器控制器。

该车辆还可以包括信号划分器,用于根据信号引导器模块确定的分配来划分命令信号。实时响应于信号幅度监视器测量的幅度的增加,信号引导器模块可以引导信号划分器提高传递到同相扬声器控制器的命令信号的比例,同时降低传递到阵列扬声器控制器的命令信号的比例,或者,实时响应于信号幅度监视器测量的幅度的减小,信号引导器模块可以引导信号划分器降低传递到同相扬声器控制器的命令信号的比例,同时提高传递到阵列扬声器控制器的命令信号的比例。

放大器向用于所有扬声器的同相驱动器信号施加的增益可以与扬声器的数目成反比。该车辆还可以包括加法器,加法器将每个驱动器信号与同相驱动器信号组合,以产生用于每个扬声器的混合命令信号,该混合命令信号随后传递到放大器。混合命令信号可以从系统控制器产生的命令信号中得出。

附图说明

通过结合附图参考以下描述可以更好地理解以上和另外的特征和优点,附图中相同的附图标记在各个图中表示相同的结构元件和特征。附图不一定是按比例绘制的,相反,其重点在于说明特征和实施方式的原理。

图1是其中安装有示例噪声消除系统的环境的图。

图2是图示由三个阵列扬声器生成的基本均匀的声压场的曲线图。

图3是图示由相同的命令信号同相驱动的三个扬声器生成的降低的声压场的曲线图,三个阵列扬声器。

图4是图示用于确定驱动阵列扬声器的驱动器信号的示例过程的图。

图5是图示用于配置噪声消除系统以驱动阵列扬声器以便产生基本均匀的声压场的示例过程的流程图。

图6是用于消除噪声的示例过程的流程图。

图7是在阵列扬声器配置和同相扬声器配置之间切换的示例噪声消除系统的框图。

图8是依据噪声相关事件混合阵列扬声器配置和同相扬声器配置的示例噪声消除系统的框图。

图9是用于在阵列扬声器配置和同相扬声器配置之间切换的示例过程的流程图。

图10是图示噪声消除系统在环境内相对于占用者的部署的图。

具体实施方式

常规的噪声消除系统通常使用来自接收噪声的麦克风的反馈来控制扬声器,使得来自扬声器的声音消除麦克风处的噪声。申请人认识到占用者(occupant)所浸入的噪声场和由扬声器产生的驱动器场之间存在不匹配。尽管噪声场一般在空间上是平坦的(即声压场或频谱密度在占用者头部周围相对恒定),但驱动器场从扬声器位置快速下降,类似于1/r(1/半径)响应。噪声消除发生在噪声场和驱动器场的交叉线上,该交叉线总计为占用者耳朵附近的小区域。在该区域之外,不论何时占用者将头部向侧边转向一侧或另一侧时,噪声消除系统可能产生令人不愉快的感觉。

与上述的这种噪声消除系统相比,本文描述的主动噪声消除系统通过在相对较大的空间区域中产生幅度上紧密匹配噪声场但具有相反的相位的声压场,来增加占用者头部周围的噪声消除区的面积。每个有源噪声消除区包括至少一个系统麦克风和多个扬声器。通常,系统麦克风测量点处的压力,并将该测量值馈送到控制器。在一个示例配置中,扬声器阵列布置。如本文所使用的,“阵列扬声器”是指扬声器之间在幅度和相位方面预先确定的特定关系,使得扬声器一起产生基本空间平坦的声压场。另外,如本文所使用的,均匀的驱动器场或均匀的噪声场是指跨给定区域功率谱在空间上不实质变化的场。(功率谱可以在频谱上变化而在空间上均匀)。本领域的技术人员将认识到,在实践中几乎不会出现完全均匀的声压场;预见跨区有幅度上的一些变化;因此,驱动器场和噪声场可以被称为基本或近似均匀,或者基本或近似平坦。

在一个示例配置中,多个扬声器包括设置在车辆头靠内并且布置成成行的三个扬声器:在头靠左侧的一个扬声器、在中心的一个扬声器和在头靠右侧的一个扬声器。每个系统麦克风在噪声消除区附近或内部测量声音,并向系统控制器提供信号。系统控制器驱动扬声器,后者被阵列布置以产生基本均匀(即平坦)的驱动器场,该驱动器场在消除区内在幅度上紧密匹配噪声场且具有相反的相位。通过增加噪声场和驱动器场之间的相交区域的范围,驱动器场与噪声场的匹配增加了占用者头部周围的噪声消除区的宽度和长度。

对于头部在消除区内的占用者,驱动以阵列配置的扬声器通常产生令人满意的噪声消除。但是,为了实现平坦的驱动器场,来自一个扬声器的输出的一些输出消除了其他扬声器的输出,结果使得阵列系统效率较低。尽管目前的结果令人满意,申请人认识到某些与噪声有关的事件,例如驾驶车辆经过道路上的裂缝或柏油带时,可能导致系统控制器产生造成听得见的放大器削波的高输出(电压)。为了避免听得见的削波,噪声消除系统的一些示例从以阵列配置模式驱动扬声器转换为同相配置模式,该同相配置模式不在扬声器之间进行消除,并且因此在实时地响应于检测到特定噪声相关事件方面相较于阵列配置模式更高效。如本文所使用的,扬声器以“同相”配置模式驱动意味着所有扬声器都以相同的命令信号被驱动。因为以同相配置模式驱动扬声器的噪声具有比阵列配置模式小的噪声消除区,所以转换是瞬间的以避免听得见的伪差(artifact),并且在特定噪声生成事件停止后,噪声消除系统可以实时地转换回阵列配置模式。

图1示出了其中安装有用于衰减或消除环境内噪声的噪声消除系统12的环境10的一般示例。本文描述的原理适用于前馈和反馈噪声消除系统。本文描述的噪声消除技术可以扩展到各种特定环境,不论这样的环境是开放的还是封闭的。例如,噪声消除系统12的部署可以在车辆(例如,汽车、卡车、公共汽车、火车、飞机、小船和船舶)、客厅、电影院、礼堂中;一般而言,部署可以是阵列扬声器的策略性放置能够为这种环境的占用者实现噪声消除的任何地方,如下所述。在车辆中,例如,噪声消除系统12可以用于衰减低频(例如,40Hz-200Hz)道路噪声,从而有利地减少了为此目的而向车辆的某些区域增加重量的任何需要。

在所示的示例中,噪声消除系统12包括多个扬声器16-1、16-2、16-3(一般而言,扬声器16),一个或多个麦克风18,放大器20和系统控制器22。系统控制器22与一个或多个系统麦克风18通信以从其接收信号23,并且系统控制器22与放大器20通信以响应于信号向其发送驱动器信号25。放大器20与多个扬声器16通信以根据驱动器信号25来驱动每个扬声器16。

在该示例中,扬声器16被阵列布置。阵列扬声器16可以一起并入到单个单元30中,例如在车辆的头靠中(例如,从占用者的头部后面面向占用者),或者散开(例如,在占用者周围的扬声器环中),或者一些在一起,另一些散开(例如,两个扬声器在头靠的朝前侧上,以及另一个扬声器在占用者前方的另一个头靠的朝后侧上)。所有扬声器可以在同一个平面上(水平或垂直),也就是说,一个假想的平面穿过所有扬声器中心。

在一个示例配置中,多个扬声器16具有三个扬声器16-1、16-2、16-3。所有扬声器16都设置在占用者的头部后面;扬声器16朝前面向占用者,并且处于相同的假想水平面上。左侧的扬声器16-1在空间上与右侧的扬声器16-3对齐(它们与单元30的朝前侧等距)。扬声器16-2位移了预定距离,从而比在扬声器16-2的相对侧上的扬声器16-1、16-3更靠近单元30的朝前侧。在单元30在占用者头部后面的情况下,中心扬声器16-2比另外两个外侧扬声器16-1、16-3更靠近头部。中心扬声器16-2更靠近头部,因为模拟表明与将所有扬声器16布置成行相比,这种布置产生更均匀的压力场。

一个或多个系统麦克风18设置在环境10内以被个人占用。每个系统麦克风18可以检测收听区域中的声音并且作为响应产生信号。响应于该信号,系统控制器22产生发送到阵列扬声器的命令信号。阵列扬声器被设计为使得从扬声器到系统麦克风18的声传递函数与所测量的从扬声器到期望的噪声消除区内的各个点的声传递函数匹配。一般而言,声传递函数对应于在给定位置处对另一位置处的声源(例如,扬声器)的所测量的响应。这个所测量的响应捕捉输出(即在给定位置处检测的声音)和输入(即驱动器电压)之间的关系。所测量的关系是频率的函数,并具有幅度和相位分量。

在一个示例配置中,每个麦克风18位于环境10内,其中用于从多个扬声器16传播到麦克风18的位置的声音的声传递函数基本上等于用于从多个扬声器16传播到占用者耳朵的声音的声传递函数。用于识别麦克风的这种位置的示例技术在于2014年8月1日提交、题为“System and Method of Microphone Placement for Noise Attenuation”的美国申请号14/449,325中描述,其全部内容通过引用并入本文。

可以在放大器20中实施的系统控制器22包括与阵列扬声器控制器26通信的补偿器24。补偿器24基于从一个或多个系统麦克风18接收的一个或多个信号23产生命令信号27。

一般而言,阵列扬声器控制器26使用从补偿器24接收的命令信号27来产生适于产生空间平坦的驱动器场的驱动器信号25。在计算命令信号27时,补偿器24不引起阵列扬声器控制器26的运行;由补偿器24执行的算法产生命令信号27,而不管扬声器是被配置为阵列还是同相。基于命令信号27,阵列扬声器控制器26为多个扬声器中的每个扬声器16产生单独的驱动器信号25。驱动器信号25被调整以驱动扬声器16,使得扬声器16产生具有特定幅度和相位的空间平坦的驱动器场以消除噪声场。阵列扬声器控制器26将这些驱动器信号25发送到放大器20以相应地驱动扬声器16。

图2示出了可以由以相等幅度的电压驱动的阵列扬声器16产生的基本均匀(平坦)的声压场40的示例的三维曲线图35。以dB为单位的声压幅度(以任意压力为参考)在垂直轴(z轴)上测量,并且距离(以英寸为单位)在x轴和y轴上测量。四条垂直线42对应于四个测试麦克风的临时位置,用于限定期望基本恒定(即均匀)的声压幅度的场40,如结合图4将更详细描述的。当噪声消除系统12运行时,测试话筒不保留在这些位置。扬声器16-1、16-2和16-3的近似位置通常与曲线图35中的三个主要峰值重合。从这些峰值中的每一个峰值,声压幅度急剧下降并且在基本平坦的声压场40处平稳下来。在该示例中,平坦声压场40的x尺寸和y尺寸大约为4.5英寸×4.5英寸,并紧邻中心扬声器16-2的前方开始。被设计为与基本平坦的噪声场相交并且消除基本平坦的噪声场的平坦声压场40对应于噪声消除区。

图3示出了可以由以相等幅度的电压同相驱动的扬声器16产生的声压场48的示例的三维曲线图45。类似于图2,以dB为单位的声压幅度(以任意压力为参考)在垂直轴(z轴)上测量,并且距离(以英寸为单位)在x轴和y轴上测量。对应于四个测试麦克风的临时位置的四条垂直线42仅被示出用于提供将图2的曲线图35与曲线图45进行比较的参考点。扬声器16-1、16-2和16-3的大致位置也被示出。从这些扬声器位置处的峰值电平来看,随着离扬声器距离的增加,声压幅度稳步下降。以同相配置驱动扬声器16通常是次佳的,因为声压场48相对于大致平坦的噪声场倾斜,因此与由图2的平坦声压场40所产生的交叉区域相比,产生相对小的消除区域(即沿着噪声场和驱动器场相交的线)。尽管如此,对于相同的驱动器电压,同相配置可以提供比阵列配置更高的响应。

图4图示了阵列扬声器控制器26被预配置以修改传入命令信号27来产生用于每个扬声器16的驱动器信号25的示例过程,该驱动器信号25实现期望的平坦驱动器场。该过程需要将四个测试麦克风50-1、50-2、50-3和50-4(一般而言,50)间隔开地放置在围绕预计的占用者头部区域52的环境10内。测试麦克风50的位置近似地限定二维噪声消除区54,在该二维噪声消除区54内产生期望的平坦驱动器场。麦克风50-1和50-3一起对应于占用者向右转动45度的头部的位置,并且麦克风50-2和50-4一起对应于占用者向左转动45度的头部的位置。

优化例程(算法)测量从阵列扬声器控制器26的输入到每个麦克风50的频率响应。优化例程的目的是找到要施加到驱动器信号25的变换(例如,增益和延迟),使得从阵列扬声器控制器26的输入到所有测试麦克风50的频率响应(幅度和相位)基本相同。相应地,噪声消除的可感知效果贯穿噪声消除区54变得相同。

在一个示例实施方式中,优化例程通过对三个扬声器之一(例如,16-1)使用固定增益以及对于其他两个扬声器(例如,16-2、16-3)使用三个自由参数来计算驱动器信号集25。三个自由参数对应于用于上述其他两个扬声器(例如,16-2、16-3)中的每一个的两个增益以及用于上述其他两个扬声器(例如,16-2、16-3)中的一个扬声器的延迟。由优化例程产生的一个示例解决方案将1的固定增益施加到命令信号27以产生发送到左侧扬声器16-1的驱动器信号25,将大约-1的增益和延迟施加到命令信号27以产生发送到中心扬声器16-2的驱动器信号25,以及将1的增益施加到命令信号27以产生发送到右侧扬声器16-3的驱动器信号25。优化例程考虑了中心扬声器16-2的物理位移。侧边扬声器16-1、16-3同相运行;相应地,侧边扬声器16-1、16-3的输出相加。中心扬声器16-2单独工作。使中心扬声器16-2比侧边扬声器16-1、16-3更靠近占用者的头部,对驱动器场具有平坦化效果。阵列扬声器控制器26被预配置以在噪声消除系统12的运行期间使用的优化例程所产生的解决方案,以基于从补偿器24接收的命令信号27产生驱动器信号25。

应当理解,优化例程可以使用其他参数来代替增益和延迟或除了增益和延迟之外的其他参数,其他参数的示例包括但不限于:线性和非线性滤波器、极点频率和零频率。

图5示出了利用施加到命令信号27的参数值来配置噪声消除系统12以产生驱动信号25的过程100的示例,该驱动信号25用于驱动扬声器16以便消除区域中(例如,车辆的舱内)占用者头部处的噪声。在过程100的描述中,参考图1的元件。过程100包括限定(步骤102)将由预期占用者占用的二维噪声消除区54,在该噪声消除区内产生期望的平坦驱动器场。为了限定这个区域,至少三个测试麦克风50被放置在扬声器16的前面,在空间上分开以产生二维区域(例如,等边三角形、矩形、平行四边形)。在噪声消除系统12的运行期间,三个扬声器16的位置优选对应于扬声器的预期位置。

扬声器16发出(步骤104)具有感兴趣的频率范围的声音(即该音频信号的原始形式是预先确定的)。例如,噪声消除系统12的设计可以是衰减低频噪声(5-150Hz),并且音频信号包含跨期望的频率范围的频率。测量(步骤106)从放大器20的输入到测试麦克风50中的每一个麦克风的传递函数(即,它的幅度和相位响应)。优化例程调整(步骤108)驱动扬声器16的阵列扬声器控制器26的某些参数以在参数值的集上收敛,这些参数值跨期望的频率范围在幅度和相位方面产生从扬声器16到所有测试麦克风50的大致相同的频率响应。优化例程所获得的解决方案实现了由扬声器生成与消除区内基本平坦的噪声场紧密匹配的基本平坦的驱动器场。阵列扬声器控制器26被配置(步骤110)以优化例程所获得的参数值(例如,增益和延迟),以用于在运行阶段期间驱动扬声器16。

图6示出了用于提供结合图5的描述进行限定的噪声消除区54内的噪声消除的过程150的示例。在过程150的描述中,参考图1的元件。在噪声消除系统12的运行期间,设置在待被占用的区域附近的至少一个系统麦克风18检测(步骤152)声音,该声音可以包括被认为是噪声的频率分量。响应于该声音,每个麦克风18产生(步骤154)信号。

响应于来自至少一个系统麦克风18的(多个)信号,系统控制器22的补偿器24执行(步骤156)生成命令信号27的算法。该算法的目标是在占用者的耳朵处实现显著的降噪(例如,至少4dB)。一般而言,所执行的算法对每个系统麦克风18产生的信号施加一个或多个滤波器。在多个麦克风18的情况下,所执行的算法可以对由每个麦克风18产生的信号施加不同的滤波器,并且将结果组合以产生命令信号。施加的滤波器可以是数字的或模拟的、线性的或非线性的。

系统控制器22的阵列扬声器控制器26接收命令信号27,并且响应于命令信号27产生(步骤158)驱动器信号集。每个驱动器信号25与扬声器16中的一个不同的扬声器相关联。利用阵列扬声器,扬声器中的至少两个扬声器接收不同的驱动器信号25(例如,不同的增益、延迟或它们两者)。通常,所有扬声器都接收到不同的驱动器信号25。阵列扬声器控制器26将驱动器信号25发送到放大器20。放大器20根据与该扬声器相关联的驱动器信号来驱动(步骤160)每个扬声器16。由扬声器16发出的声音共同产生与基本平坦的噪声场相反(即,近似地,幅度相等并且相位差180度)的基本平坦的声压场,该基本平坦的噪声场对应于由至少一个系统麦克风18所检测到的噪声。

图7示出了适于在阵列扬声器配置与同相扬声器配置之间来回转换的噪声消除系统12'的示例。噪声消除系统12'包括与放大器20通信的系统控制器22'。放大器20与如结合图1所描述的那样定位的多个扬声器16-1、16-2和16-3进行通信。

系统控制器22'包括与开关170(也被认为是信号引导器模块)通信的补偿器24。补偿器24基于从一个或多个系统麦克风18接收的一个或多个信号23来产生命令信号27。开关170与阵列扬声器控制器26和同相扬声器控制器172通信。在第一状态中,开关170将从补偿器24接收的命令信号27整体传递到阵列扬声器控制器26;同相扬声器控制器172不接收命令信号27的任何部分。在第二状态中,开关170将命令信号27整体传递到同相扬声器控制器172;阵列扬声器控制器26不接收命令信号27的任何部分。

响应于接收命令信号27,阵列扬声器控制器26产生用于每个扬声器16的单独的驱动器信号25(如先前结合图1所描述的),以便产生平坦的声压场。放大器20接收驱动器信号25,并根据用于该扬声器的驱动器信号25来驱动每个扬声器。

施加到驱动器信号25以产生平坦声压场的增益174-1的示例包括:用于左侧扬声器16-1的增益1、用于中心扬声器16-2的增益-1(以及延迟),用于右侧扬声器16-3的增益1。这些增益的净和等于一个扬声器(1+(-1)+1)。

消除具有较大压力幅值的噪声事件需要来自扬声器16的同样大的压力;当放大器输出电压达到其极限时,阵列扬声器对驱动器电压的相对较低的压力响应导致削波。因为阵列配置模式可能过驱动(overdrive)放大器,所以当那些特定噪声相关事件发生时,噪声消除系统12'转换到同相配置模式。以同相配置模式驱动三个扬声器16-1、16-2、16-3增加了三倍的声增益。相应地,与扬声器处于阵列配置模式相比,当扬声器处于同相配置模式时,放大器20需要更小的输出电压来驱动扬声器16,以实现补偿器24所期望的噪声消除输出。响应于命令信号27,同相扬声器控制器172产生发送到所有扬声器16的共同同相驱动器信号175,其中同相扬声器控制器172为每个扬声器16施加1/3增益。与阵列配置模式一样,增益的净和是一个扬声器(1/3+1/3+1/3),但是实现噪声消除扬声器输出所需的电压是阵列配置模式下所需电压的三分之一。相应地,当在同相配置模式下运行时,放大器20不削波。应当理解,由阵列扬声器控制器26和同相扬声器控制器172产生的增益以及增益的净和是为了说明原理而提供的示例值。

系统控制器22'还包括信号幅度监视器176,其耦合到阵列扬声器控制器26的输出和同相扬声器控制器172的输出,并且耦合到开关170。信号幅度监视器176响应于检测到可能导致阵列扬声器控制器26过驱动放大器20并导致削波的噪声相关事件,使得开关170将命令信号27引导到同相扬声器控制器172。信号幅度监视器176监视阵列扬声器控制器26的输出,将驱动器信号25的幅度与阈值进行比较,并且当幅度超过阈值时,启动从阵列配置到同相配置的转换。响应于经过了预定时间段或者同相扬声器控制器172的所监视的输出降到预定阈值以下,信号幅度监视器176使得开关170转换回来,以将命令信号27整体引导到阵列扬声器控制器26。

图8是噪声消除系统12”的另一示例的框图,该噪声消除系统12”适于响应于噪声相关事件在阵列扬声器配置和同相扬声器配置之间转换,以避免过驱动放大器。噪声消除系统12”包括系统控制器22”,系统控制器22”被配置为消除两个噪声消除区54-1、54-2中的噪声。用于消除噪声消除区54-2中的噪声的部件以虚线示出,以表示这些特征是可选的,并且结合图8所描述的原理适用于仅在单个噪声消除区中的噪声消除。通常,噪声消除系统12”在阵列扬声器配置模式和同相扬声器配置模式之间分配命令信号27,而不是如图7所描述的那样,将命令信号27整体地分配给一个配置模式或另一个配置模式。

系统控制器22”与第一放大器20-1以及可选地与第二放大器20-2通信。每个放大器20-1、20-2分别与一组扬声器16A、16B通信。系统控制器22”包括补偿器24,其与第一信号划分器180-1以及可选地与第二信号划分器180-2通信。基于从与第一噪声消除区54-1相关联的一个或多个系统麦克风18(未示出)接收的一个或多个信号23,补偿器24产生命令信号27-1,以及可选地,基于从与第二噪声消除区54-2相关联的一个或多个系统麦克风18(未示出)接收的一个或多个信号23,补偿器24产生命令信号27-2。命令信号27-1传递到信号划分器180-1,并且可选地,命令信号27-2传递到信号划分器180-2。

在一个示例实施方式中,信号划分器180-1包括带宽调制滤波器,该带宽调制滤波器从命令信号27提取阵列扬声器信号183-1,并将阵列扬声器信号183-1传递到阵列扬声器控制器26-1,并且高通滤波器的截止频率由信号引导器模块188的输出来调制。信号划分器180-1可以使用高通滤波器将命令信号27的较高频率传递给阵列扬声器控制器26-1。信号划分器180-1创建互补的高通和低通滤波器,用于将较高频率发送到阵列扬声器控制器26-1,并将较低频率发送到同相扬声器控制器172-1。信号划分器180-1可以具有其他的实施方式,诸如独立于频率的增益调整,其中信号的一定比例被发送到阵列扬声器控制器26-1,而其余被发送到同相扬声器控制器172-1。

阵列扬声器控制器26-1将预先配置的参数值施加到阵列扬声器信号183-1,以生成驱动器信号集25(对每个扬声器生成一个驱动器信号),其被设计为产生平坦的驱动器场,如图1所描述。

信号划分器180-1还从命令信号27-1产生同相扬声器信号185-1。同相扬声器控制器172-1将1/3增益施加到同相扬声器信号185-1,以产生用于每个扬声器16的同相驱动器信号175(相同的驱动器信号175),如图7所述。

加法器184-1将来自阵列扬声器控制器26-1的驱动器信号集25与同相驱动器信号175组合,从而产生用于每个扬声器16的混合命令信号187。这些混合命令信号的总和187-1等于由补偿器24产生的命令信号27-1。

消除第二噪声消除区54-2中的噪声的部件(即信号划分器180-2、加法器184-2、阵列扬声器控制器26-2以及同相阵列控制器172-2)之间的连接以及操作,与消除第一噪声消除区54-1中的噪声所涉及的它们的对应连接以及操作类似。

系统控制器22”还包括与信号引导器模块188通信的信号幅度监视器186。与加法器184-1的输出,以及可选地与加法器184-2的输出进行通信,信号幅度监视器186基于传递到放大器20-1的混合命令信号187-1,以及可选地还基于传递到放大器20-2的混合命令信号187-2计算幅度。在一个示例实施方式中,信号幅度监视器186对混合命令信号187-1的幅度求平方。在另一示例实施方式中,信号幅度监视器186通过将混合命令信号187-1的幅度和混合命令信号187-2的幅度相乘来计算幅度。所计算的幅度传递到信号引导器模块188。

响应于所计算的幅度,信号引导器模块188确定命令信号27-1的哪个部分传递到阵列扬声器控制器26-1,并且命令信号27-1的哪个部分传递到同相扬声器控制器172-1。一般而言,因为所计算的幅度接近放大器的极限,以在不削波的情况下驱动扬声器,所以命令信号的更大部分被引导到同相扬声器控制器。信号引导器模块188可以使用所计算的幅度来调整转角频率(corner frequency),例如,通过信号划分器180-1使用该转角频率来在阵列配置模式和同相配置模式之间分配命令信号。例如,为了将整个命令信号引导到阵列扬声器控制器26-1,转角频率可以降低到0Hz;相反,为了将命令信号的整体引导到同相扬声器控制器172-1,转角频率可以升高到信号划分器180-1的最大值(例如,200Hz)。相应地,信号引导器模块188实施“滑动标尺”以确定命令信号27-1的哪个频率范围传递到同相扬声器控制器172-1,并且哪个频率范围传递到阵列扬声器控制器26-1。

图9示出了用于在阵列扬声器配置模式和同相扬声器配置模式之间转换的示例过程190。在过程190的描述中,参考图7和图8的元件。作为描述过程190的方便起点,考虑系统控制器(22'或22”)正在以阵列配置模式驱动(步骤192)一组扬声器。噪声相关的某个事件被检测(步骤194)。在图7的噪声消除系统12'中,信号幅度监视器176可以确定驱动器信号25的幅度超过与放大器20的极限对应的阈值,以在不削波的情况下驱动扬声器。作为另一个示例,该噪声相关的事件的检测可以对应于:图8的噪声消除系统12”的信号引导器模块188从信号幅度监视器186接收增加的所计算的幅度值。

响应于噪声相关事件的检测,系统控制器实时调整(步骤196)扬声器配置模式。例如,在图7的噪声消除系统12'中,系统控制器22'响应于检测到的噪声事件切换为以同相配置模式驱动所有扬声器。作为另一个示例,在图8的噪声消除系统12”中,系统控制器22”增加发送到同相扬声器控制器172-1的命令信号的比例,同时相反地减小传递到阵列扬声器控制器26-1的命令信号的比例。

在噪声相关的事件结束之后,系统控制器转换回(步骤198)以阵列配置模式驱动扬声器。例如,在图7的噪声消除系统12'中,在同相驱动器信号175的幅度下降到阈值以下后(或者在经过预定时间段之后),系统控制器22'切换回以阵列配置模式驱动所有扬声器。作为另一个示例,在图8的噪声消除系统12”中,实时响应于由信号幅度监视器所计算的幅度值的减小,系统控制器22”可以降低传递到同相扬声器控制器的命令信号的比例,同时相反地提高传递到阵列扬声器控制器的命令信号的比例。

通常,在低频率处(0-350Hz之间),用于同相扬声器配置的从命令信号到系统麦克风的传递函数与用于阵列扬声器配置的传递函数(在相位和幅度上)紧密匹配。这种紧密匹配有效地对补偿器24(即命令信号的生成器)隐藏了在同相和阵列扬声器控制器之间命令信号的分配。无论在同相扬声器控制器与阵列扬声器控制器之间命令信号的具体划分如何,到系统麦克风的传递函数实际上是相同的;系统控制器可以有效地看到相同的性能指标(plant)。

在改变分配给阵列扬声器控制器的命令信号的比例和分配给同相扬声器控制器的命令信号的比例来改变传递函数(即,大意是:系统控制器现在看到不同的性能指标)的实施方式中,调整模块(例如,线性滤波器或非线性滤波器)可放置在阵列扬声器控制器之前,同相扬声器控制器之前,或两者之前,以确保比例变化不会如此不利地改变传递函数。

图10示出了其中可以部署噪声消除系统的环境10'的示例。在该示例中,多个扬声器16(仅示出一个)可以布置在环境10'内占用者200的头部后面,例如安装在车辆的头靠、顶篷、后板或其他内表面上。如本文所述,只要扬声器是阵列布置的,扬声器的其他示例位置可以位于顶篷202中,以及在头靠204的朝后侧上。

一个系统麦克风18可以设置在例如包含扬声器16的单元30上;另一个系统麦克风18(以虚线示出)可以设置在顶篷202中。放大器20和系统控制器22(具有补偿器、阵列扬声器控制器、同相扬声器控制器等)可以设置在例如车辆的行李箱中。控制器22与一个或多个系统麦克风18电通信以接收由每个系统麦克风产生的信号。

上述系统和方法的示例包括计算机部件和计算机实现的步骤,其对于本领域技术人员将是明显的。例如,本领域技术人员应当理解,计算机实现的步骤可以作为计算机可执行指令存储在计算机可读介质上,诸如软盘、硬盘、光盘、闪存ROMS、非易失性ROM和RAM。

此外,本领域技术人员应该理解,计算机可执行指令可以在各种处理器(诸如微处理器、数字信号处理器、门阵列等)上执行,为了便于说明,并不是上述系统和方法的每个步骤或元件都在本文中作为计算机系统的一部分被描述,但是本领域技术人员将认识到,每个步骤或元件可以具有对应的计算机系统或软件部件。这样的计算机系统和/或软件部件因此通过描述其相应的步骤或元件(即它们的功能)而被启用,并且在本公开的范围内。

许多实施方式已经被描述。然而,应当理解,在不脱离本文描述的发明构思的范围的情况下可以做出另外的修改,并且相应地,其他实施例在所附权利要求的范围内。例如,在不是阵列布置的情况下,等距围绕占用者的扬声器环可以产生基本均匀的声压场。

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