具有轻敲控制的声学噪声降低音频系统的制作方法

本申请要求于2015年12月18日提交的美国专利申请序列号14/973,892的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本说明书一般涉及控制音频设备的模式，并且更具体地涉及可以通过用户的轻敲或触摸来控制的声学噪声降低(anr)耳机或耳麦。

技术实现要素：

在一方面，具有轻敲控制的anr音频系统包括第一anr模块、第一电流传感器、第一信号调节器模块以及音频和模式控制模块。第一anr模块具有接收第一音频输入信号的第一anr输入、接收来自电源的第一电源电流的第二anr输入以及提供具有降低的声学噪声的第一音频输出信号的anr输出。第一个电流传感器具有传感器输出，并被配置为与电源通信。第一电流传感器在传感器输出处提供对第一电源电流的特性进行响应的信号。第一信号调节器模块具有与第一电流传感器的传感器输出通信的输入并且具有第一信号调节器输出。第一信号调节器模块响应于对第一电源电流的特性进行响应的信号而在第一信号调节器输出处提供第一调节信号。音频和模式控制模块具有接收源音频信号的第一输入，与第一信号调节器输出通信的第二输入以及与第一anr模块的第一anr输入通信的第一输出。音频和模式控制模块响应于第一调节信号来控制耳机系统的操作模式和第一音频输入信号的属性中的至少一个。

示例可以包括一个或多个以下特征：

调节信号可以是逻辑电平信号。

第一电流传感器可以包括用于接收电源电流的电流感测电阻器和放大器，该放大器具有与电流感测电阻器的一端通信的第一输入、与电流感测电阻器的相对端通信的第二输入以及响应于横跨电流感测电阻器的电压而提供电压信号的放大器输出。

第一信号调节器模块可以包括与第一电流传感器的放大器输出通信的带通滤波器和低通滤波器中的至少一个，并且带通或低通滤波器可以具有大约10hz的最大通过频率。

音频和模式控制模块可以包括电压检测器，其被配置为与电源进行通信并且响应于电源电压相对于阈值电压的转变来生成逻辑信号。音频和控制模块可以包括幅度阈值模块，其被配置为接收第一音频输入信号并且生成指示峰值电压的信号；并且还包括比较器，该比较器具有用于接收指示峰值电压的信号的第一输入、用于接收阈值电压的第二输入和用于响应于指示峰值电压的信号与参考电压的比较而提供逻辑信号的输出。音频和控制模块可以包括具有多个输入的逻辑元件，以接收逻辑信号，其中每个逻辑信号可以指示错误条件的状态。逻辑元件具有提供逻辑信号的输出，如果存在至少一个错误条件，则逻辑信号具有第一状态，如果没有错误条件存在则逻辑信号具有第二状态。错误条件可以包括通过第一电流传感器的过电流幅度，过电源电压和源音频信号的过峰值电压中的一个或多个。音频和模式控制模块可以控制音频源、音量、平衡、静音、暂停功能、前向回放功能、反向回放功能、回放速度和通话功能中的至少一个。

anr音频系统还可以包括第二anr模块、第二电流传感器和第二信号调节器模块。第二anr模块具有接收第二音频输入信号的第一anr输入和接收来自电源的第二电源电流的第二anr输入，以及提供具有降低的音频噪声的第二音频输出信号的anr输出。第二电流传感器具有传感器输出并被配置用于与电源进行通信。第二电流传感器在传感器输出处提供对第二供电源电流的特性进行响应的信号。第二信号调节器模块具有与第二电流传感器的传感器输出通信的输入并具有第二信号调节器输出。第二信号调节器模块响应于对第二电源电流的特性进行响应的信号而在第二信号调节器输出处提供第二调节信号。音频和模式控制模块可以具有与第二信号调节器输出通信的第三输入和与第二anr模块的第一anr输入通信的第二输出。音频和模式控制模块可以响应于第二调节信号来控制第二音频输入信号的属性。

第一和/或第二电源电流的特性可以包括电源电流的幅度、表示电源电流的波形和电源电流的持续时间中的至少一个。

anr音频系统可以进一步包括与第一anr模块的anr输出通信的第一耳机扬声器以及与第二anr模块的anr输出通信的第二耳机扬声器。

根据另一方面，一种用于控制音频系统的方法包括：感测提供给第一anr模块的第一电源电流，其中第一电源电流响应于第一anr耳机中的声压变化。轻敲事件发生从感测到的第一电源电流来确定。轻敲事件具有包含一个或多个耳机轻敲的轻敲序列。响应于轻敲事件的轻敲序列，音频系统的操作模式和音频输入信号的属性中的至少一个被改变。

示例可以包括一个或多个以下特征：

第一电源电流的感测可以包括感测第一电源电流的幅度、表示第一电源电流的波形和第一电源电流的持续时间中的至少一个。

该方法可以包括：通过感测提供给第二anr模块的第二电源电流，并且根据感测的第一和第二电源电流确定错误条件是否存在，来确定错误条件的状态。该方法可以包括：通过比较电源电压相对于阈值电压并且从比较来确定错误条件是否存在，来确定错误条件的状态。该方法可以包括：通过感测音频信号的峰值电压，将感测的峰值电压与阈值电压进行比较并且根据比较来确定错误条件是否存在，来确定错误条件的状态。

根据另一方面，一种耳机包括：用于检测耳机的第一腔体中的压力变化的第一扩音器。第一腔体包括耳机佩戴者的耳道。耳机还包括：耦合到第一扩音器的第一anr电路，用于生成噪声消除信号以消除由第一扩音器检测到的噪声；耦合到第一anr电路并向第一anr电路提供第一电源电流的电源；监视第一电源电流的第一电流传感器；以及处理器。处理器被配置为确定第一电源电流是否指示引起由第一扩音器检测的、耳机的第一腔体中的压力变化的轻敲事件。如果处理器确定轻敲事件已经发生，则处理器进一步被配置为响应于轻敲事件来改变耳机的操作模式和音频输入信号的属性中的至少一个。

示例可以包括以下中的一个或多个：

轻敲事件可以包括一个或多个耳机轻敲的轻敲序列。轻敲事件可以导致耳机的第一腔体中的亚音速压力变化。

音频输入信号的属性可以包括音频源、音量、平衡、静音、暂停功能、前向回放功能、回放速度和反向回放功能中的至少一个。

处理器可以被配置成通过检测提供给第二anr电路的第二电源电流并根据检测到的电源电流确定是否存在错误条件，来确定错误条件的状态。处理器可以被配置为通过比较电源电压相对于阈值电压，并且根据比较来确定错误条件是否存在，来确定错误条件的状态。处理器可以被配置为通过感测音频信号的峰值电压，将感测到的峰值电压与阈值电压进行比较并且根据比较来确定错误条件是否存在，来确定错误条件的状态。

耳机可以包括第二扩音器、第二anr电路和第二电流传感器。第二扩音器检测耳机的第二腔体中的压力变化，其中第二腔体包括耳机佩戴者的耳道。第二anr电路被耦合到第二扩音器并且生成噪声消除信号以消除由第二扩音器检测到的噪声。第二电流传感器监测第二电源电流。处理器还被配置为确定第二电源电流是否指示导致由第二扩音器检测的、耳机的第二腔体中的压力变化的轻敲事件。如果处理器确定轻敲事件已经发生，则处理器进一步被配置为响应于轻敲事件来改变耳机的操作模式和音频输入信号的属性中的至少一个。

附图说明

本发明构思的示例的上述和进一步的优点可以通过结合附图参考以下描述被更好地理解，在附图中，相似的附图标记在各个附图中指示相似的结构元件和特征。附图不一定是按比例绘制的，重点在于说明特征和实现的原理。

图1是具有轻敲控制的anr音频系统的电路的示例的功能框图。

图2是具有轻敲控制的anr音频系统的电路的示例的功能框图。

图3是用于控制具有轻敲控制的anr音频系统的方法的示例的流程图表示。

图4是可以用于实现图1和图2的信号调节器模块以及音频和模式控制模块中的一个的电路的功能框图。

具体实施方式

下面描述的各种实施方式允许用户轻敲或触摸耳机或耳麦的外部，作为指示执行期望的功能的手段。如本文所使用的，anr耳机是可被佩戴在耳朵内或耳朵周围以将声学音频信号传递给用户或保护用户的听力的任何耳机或耳麦组件，其提供声学噪声降低或消除且具有可由用户轻敲的暴露表面。例如，anr耳机可以是被佩戴在用户耳朵上或耳朵上方的耳罩，具有作为声学密封件围绕通向耳朵的开口的周边延伸的衬垫部分以及硬外壳。本文使用的anr耳机还包括anr耳塞，其通常至少部分地插入耳道，并具有用户可以轻敲的暴露表面。

在短暂时间段(例如，几秒)内连续出现的轻敲在本文中被定义为“轻敲事件”。如本文所使用的，“轻敲序列”是指轻敲事件的内容，即轻敲事件中的各个轻敲的数目。轻敲序列可以是单次轻敲或可以是两次或多次轻敲。

轻敲事件可以被用于改变耳机或与anr音频系统集成的其他组件的操作模式。例如，轻敲事件可以被用来将耳机从音频回放模式改变为电话通信模式。备选地，轻敲事件可以被用来更改一个模式中可用的特征，该特征在其他模式下可能不可用。因此，具体轻敲序列到相关联功能的映射根据anr音频系统的特定操作模式来定义。轻敲事件是根据当前模式来解释的。例如，在回放期间通过单次轻敲定义的轻敲序列可以被解释为暂停当前音频回放的指令。相反，在电话通信期间的单次轻敲可以被解释为使电话呼叫暂停的指示。其他示例包括在回放期间轻敲耳机一次或多次以改变音频信号的音量，以跳到播放列表或录制序列中的后续音频记录，以暂停音频回放，以及例如使用蓝牙通过无线通信将耳机与另一设备配对。有利的是，anr耳机的外部部分的轻敲的检测使用anr耳机内的现有功能。此外，轻敲可以被可靠地检测到并且可以被用来控制耳机的特定操作模式内可用的特征并且改变到不同的模式。

在anr耳机中，噪声由反馈扩音器检测，并且anr电路生成补偿信号以消除该噪声。传统的anr电路不区分由反馈扩音器检测到的压力变化的各种源源。例如，压力变化可以是声学噪声或者可以是触摸耳机的暴露表面的结果，该结果导致声学或亚音速压力变化。无论哪种情况，anr电路都会生成补偿信号。本文所述的anr耳机和anr系统的示例基于anr电路所消耗的电流的差异来利用一般声学噪声和轻敲耳机之间的差异。更具体地，电流检测电路被用来区分由于声学噪声而消耗的电流与轻敲事件消耗的电流。轻敲事件导致耳机内部的高压，并且通常从电源汲取比用于产生声学噪声消除信号的电流更多的电流。当电流检测电路感测到对应于轻敲事件发生的电流特性(诸如幅度和/或波形或持续时间)时，指示轻敲事件的轻敲序列的信号被提供给微控制器用于解释。例如，微控制器可以是音频和模式控制模块的一部分，该模块启动对anr系统的音频特征和操作模式的改变。在单个轻敲序列中的连续轻敲之间发生的时间可以被定义为小于预定的持续时间，或者轻敲序列可以要求所有轻敲在预定时间间隔内发生，例如几秒。有利的是，轻敲耳机以引起模式或音频信号属性的改变的能力避免了使用控制按钮来实现类似的功能。控制按钮对于用户而言常常是有问题的，尤其是在按钮位于可能处于口袋中或处于用户的手臂上的系统的一部分，或者位于耳机的较小区域或难以到达的区域上时更是如此。例如，在飞机驾驶员使用的耳机的情况下，搜索位于周边区域或难以到达的区域的按钮可能会分散对周围环境的关注和飞行员的主要任务。

图1是具有轻敲控制的anr音频系统的电路10的示例的功能框图。电路10包括anr模块12、电流传感器14、信号调节器模块16、音频和模式控制模块18以及电源20。电路10被配置为提供信号以驱动耳机腔体24中的至少一个声学驱动器(“扬声器”)22，并且从耳机腔体24中的扩音器26接收扩音器信号。尽管被单独示出，但是根据以下说明应理解，信号调节器模块16以及音频和模式控制模块18的某些元件可以是共享元件。

anr模块12包括接收来自音频和模式控制模块18的音频输入信号的第一输入28和接收来自电源20的电源电流is的第二输入30。举例来说，电源可以是一个或多个电池、由音频源提供的dc电力、或者可以是电力转换器，诸如使用交流(ac)电力并且以期望的电压水平提供直流(dc)电力的设备。anr模块12包括向扬声器22提供音频输出信号的anr输出32。在所示电路10中，anr模块12还包括各种其他组件，包括本领域已知的放大器50、反馈电路52和求和节点54。虽然示出为使用反馈补偿，但anr模块12可以可替代地至少部分地基于扩音器26响应于接收到的声能而生成的扩音器信号使用前馈校正或反馈校正和前馈校正的组合。在前馈实现中，附加扩音器(未示出)可以被用来检测耳机外部的噪声，并提供消除该噪声的信号。当前馈和反馈校正两者都被使用时，在前馈系统已经起作用以消除在耳机外部检测到的噪声之后，反馈扩音器26检测耳机腔体24中的残留噪声。

电流传感器14具有用于接收来自电源20的电源电流is的传感器输入34和提供响应于电源电流is的特性(例如，幅度和/或波形或持续时间)的信号的传感器输出36。信号调节器模块16包括与电流传感器14的输出36通信的输入38和向音频和模式控制模块18提供调节信号的输出40。调节信号是根据在传感器输出36处提供的信号而生成的逻辑电平信号(例如，低或高逻辑值数字脉冲)。如图所示，电流传感器14包括“感测”电阻器56和具有差分输入以感测横跨电阻器56的电压的放大器58。

音频和模式控制模块18包括用于从音频源44接收信号的输入42、用于接收调节信号的另一输入46以及与anr模块12的第一输入28通信的输出48。耳机的音频源可以不同于第二耳机(未示出)的音频源。例如，一个音频源可以提供左声道音频信号，而另一个音频源可以提供右声道音频信号。音频和模式控制模块18被用于响应于调节信号来控制anr音频系统的操作模式、音频输入信号的属性或两者。模式的示例包括但不限于音乐回放、电话模式、通话模式(例如，检测到的语音的暂时通过)、期望的anr的电平以及音频源选择。音频输入信号的属性的示例包括但不限于音量、平衡、静音、暂停、正向或反向回放、回放速度、音频源的选择以及通话模式。

在典型操作期间，来自anr模块12的音频输出信号在扬声器22处被接收，并导致产生声学信号，该声学信号显著降低或消除了耳机腔体24内的声学噪声。音频输出信号还可以在耳机腔体24内产生期望的声学信号(音乐或语音通信)。

anr耳机通常以独立地减少每个耳机中的声学噪声的方式操作。因此，除了可以与每个耳机“共享”的音频和模式控制模块18和电源20之外，每个anr耳机还包括图1中所示的所有部件。图2是包括用于实现耳机系统的anr的电路的电路60的示例的功能框图。电路60包括两个类似于图1的电路10的电路。图中附有“a”的附图标记指示与用于一个耳机(例如，左耳机)的电路相关联的元件，并且附有“b”的附图标记指示与用于另一个耳机(例如，右耳机)的电路相关联的元件。缺少“a”或“b”的附图标记通常与共享电路组件相关联，尽管在一些示例中，它们可以在每个耳机中被单独提供。

还参考图3，其示出了用于控制具有轻敲控制的anr音频系统的方法100的示例的流程图表示。在操作期间，每个耳机的电源电流is的幅度和/或波形或持续时间通过监测横跨感测电阻器56的电压降来感测(步骤110)。当耳杯(或耳塞)被用户轻敲时，由耳杯和用户的耳道限定的腔体的体积由于垫子和用户的皮肤的顺应性而改变。结果是由扩音器26感测到的、耳杯和耳道内的压力变化。anr模块12通过向扬声器26发送电信号来进行响应，扬声器26在腔体内产生旨在消除由轻敲引起的压力变化的声学信号。在anr模块12的输出32处提供的电信号源自放大器50，其又消耗来自电源20的电源电流is。因此，用户施加到耳机的轻敲可以被识别为电源电流is的幅度和/或波形或持续时间的显著变化。

用户可以简单地轻敲耳机单次或可以快速连续地进行多次轻敲，以改变anr系统的操作模式或改变从音频源44接收的音频信号的属性。确定(步骤120)包括单次轻敲或多次轻敲的耳机轻敲序列已经发生了。响应于序列中的轻敲，anr系统的操作模式或音频输入信号的属性被改变(步骤130)。方法100的步骤使用电流传感器14、信号调节器模块16和音频和控制模块18来执行。由于每个耳机具有电流传感器14和信号调节器16，所以耳机中的任一个可以被轻敲来改变操作模式或音频输入信号属性。此外，如下面更详细描述的那样，针对每个耳机的电源电流is的同时监测允许根据步骤120的确定包括有效用户轻敲和否则可能被错误地解释为用户轻敲的不同事件之间的区分。举例来说，两个耳机共有的干扰(诸如掉落耳机组、从音频系统断开耳机组或响亮的“外部声音事件”的发生)可能导致确定两个耳机均已被用户轻敲。如果看起来两个耳机几乎同时被轻敲，则anr音频系统忽略干扰，并且模式和音频信号属性保持不变。

各种电路元件可以被用来实现呈现于图2的电路60中的模块。例如，图4示出了可被用于实现用于左耳机的信号调节器模块16a(类似电路可被用于右耳机)以及音频和模式控制模块18的电路70的功能框图。参照图2和图4，电路70包括带通滤波器(bpf)72，其对由电流传感器14中的放大器58提供的信号进行滤波。在其他示例中，滤波器可以是低通滤波器。作为一个非限制性示例，带通滤波器72可以具有大约0.1hz的最小通过频率，并且在另一个示例中，带通滤波器72(或低通滤波器)可以具有大约10hz的最大通过频率。非零最小通过频率防止近dc事件被解释为轻敲事件，近dc事件诸如为缓压应用，其中耳机相对于诸如椅子之类的物体被缓慢按压。经滤波的信号在比较器76的第一输入74处被接收，并且参考电压源78被耦合到比较器76的第二输入80。举例来说，参考电压源78可以是耦合到稳压电源的分压器电阻网络。当第一输入74处的电压超过施加于第二输入80的“阈值电压”时，比较器输出82处的比较器输出信号指示可能的轻敲事件的逻辑值(例如，hi)，否则是互补逻辑值(例如，lo)。

当处于逻辑hi值时指示可能的轻敲事件的比较器输出信号被施加到单稳态振动器96的时钟输入98。可能会出现这种情况：具有足够频率和幅度的信号会导致通过电流传感器14的过电流，并因此在比较器输出82处产生肯定信号(其不是由有效的对耳机的轻敲导致的)。例如，用户附近的巨大噪声可能足以导致比较器输出信号指示轻敲事件。电路70提供进一步的组件以防止无效事件被解释为有效的轻敲事件。比较器输出信号还被施加到与门86的输入端子84，并且来自用于另一个(例如，右)耳机声道的配对比较器(例如，右声道比较器，未示出)的比较器输出信号被提供给另一个输入端子88。因此，如果左和右耳机声道两者的比较器输出信号都是逻辑hi，则施加到或非门92的输入90的与门86产生逻辑值(例如，hi)。接下来，或非门92将逻辑hi信号反转为施加到单稳态振荡器96的使能输入94的逻辑lo信号，由此禁止施加到单稳态振动器96的时钟输入98的比较器输出信号出现在输出100处。因此，在左右耳机中均产生可能被误认为轻敲事件(例如，用户附近的巨大噪声)的压力变化的发生不被解释为轻敲事件。

用于导致轻敲事件的错误确定的另一可能手段是电源瞬态事件，例如电源开启或电源关闭瞬态状况。电压检测器102与电源进行通信并且在其输出104处提供逻辑信号(例如，hi)，其指示过电源电压，即所施加的电压已经从小于阈值电压转变到大于阈值电压。相反，当所施加的电压从大于阈值电压转变到小于阈值电压时，输出104处的逻辑信号将变为互补逻辑值(例如，lo)。延迟模块106接收来自电压检测器102的逻辑hi信号并保持该逻辑值直到设定的时间段(例如，0.5s，尽管其他时间段可以被使用)到期。该信号被施加到或非门92的第二输入110，其反过来又禁止单稳态振动器96以防止轻敲事件的错误指示。

另外，在耳机的音频通道中可能存在不希望的瞬变。例如，如果耳机插孔被插入到音频设备中或者如果发生静电放电，则由于音频信号中的过峰值电压，可能会出现诸如“爆破”或“爆裂”的巨大噪声，如果未被正确处理，其可能足以触发轻敲事件的错误指示。幅度阈值模块112接收左声道音频信号并且在输出端子114处提供具有对应于音频信号的电压电平中的峰值的值的延迟输出信号。比较器116在第一输入端子118处接收来自延迟模块112的输出信号，并且来自参考电压源126的电压被施加到第二输入端子120。参考电压被选择为对应于这样的电压值，在该电压值以上，延迟输出信号被认为指示不是有效的轻敲事件的音频发生。因此，如果第一输入端子118处的信号超过第二输入端子120处的信号，则逻辑hi信号在比较器输出端122处被生成并被施加到或非门92的输入124。结果，或非门92将逻辑lo信号施加到单稳态振荡器96的使能输入94，以禁止单稳态振荡器96的时钟输入98处的比较器输出信号出现在输出100处。

在上述错误条件的检测中，或非门92是包括多个输入的逻辑元件，其中每个输入接收指示特定错误条件的逻辑信号。逻辑元件的输出提供逻辑信号，如果至少一个错误条件存在，则该逻辑信号具有第一状态，如果没有错误条件存在，则该逻辑信号具有第二状态。输出处的逻辑信号被用于防止针对与轻敲事件无关的情况确定轻敲事件。因此，上述的电路70提供确定各种错误条件的状态，错误条件为可以导致确定轻敲事件而用户实际上没有轻敲耳机的条件。电路70防止这些条件引起anr耳机或anr音频系统的音频属性或操作模式的改变。

在一个替代配置中，比较器76替代地被实现为使用两个阈值而不是单个阈值来确定有效轻敲事件的鉴别器。两个阈值可以被选择为使得如果电压超过较低阈值电压并且不超过较高阈值电压，则来自带通滤波器72的经滤波的信号被解释为指示有效的轻敲事件。以这种方式，“通过”较低阈值电压要求但不由用户轻敲启动的极端幅度事件被阻止被解释为有效的轻敲事件。作为一个示例，从用户的头部移除单个耳机可能导致这样的高幅度事件。

图1、2和4的电路可以利用分立电子器件，通过在数字信号处理器(dsp)或者在单个耳机或多个耳机内或与之通信的任何其他合适的处理器上运行的软件代码来实现。

上述系统和方法的实施例包括对于本领域技术人员来说显而易见的计算机组件和计算机实现的步骤。例如，本领域技术人员应该理解，计算机实现的步骤可以作为计算机可执行指令被存储在计算机可读介质上，诸如软盘，硬盘，光盘，闪存rom，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上执行，例如微处理器、数字信号处理器、门阵列等等。为了便于阐述，并不是上述的系统和方法的每个步骤或元件都在本文中被描述为计算机系统的一部分，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组件。这样的计算机系统和/或软件组件因此通过描述其相应的步骤或元件(即，其功能)而被实现，并且在本公开的范围内。

多个实施方式已经被描述。然而，应该理解的是，前面的描述旨在说明而不是限制由权利要求书的范围限定的发明构思的范围。其他示例在以下权利要求书的范围内。