噪声降低装置、方法、程序以及噪声降低音频输出装置的制作方法

专利名称：噪声降低装置、方法、程序以及噪声降低音频输出装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及噪声降低装置、噪声降低方法、用于噪声降低处理的 程序以及噪声降低音频输出装置。
背景技术：
随着便携式音频播放器的流行， 一种用于便携式音频播放器的耳 机或耳塞的噪声降低系统开始流行，该系统用于降低外部环境的噪 声，因而对听者提供降低了外部噪声的良好的再现声场空间。
这种噪声降低系统的 一个示例是有源型噪声降低系统，其进行有
源噪声降低，并基本上具有以下结构。外部噪声由作为声电转换装置
的麦克风收集。从所收集噪声的音频信号产生在声学上与噪声相位相 反的噪声降低音频信号。产生的噪声降低音频信号由作为电声转换装
置的扬声器来声学地再现，由此使噪声降低音频信号和噪声在声学上 -故合成。因而噪声,皮降低(见日本专利No. 2778173，下面称为专利 文件l)。
在这种有源型噪声降低系统中，按照常规，用于产生噪声降低音 频信号的部分由模拟电路(模拟滤波器)构成，并被固定为可以在任 何噪声环境中进行某种程度的噪声降低的滤波电路。
此外，已经提出了包括噪声降低系统的耳机装置，所述噪声降低 系统采用利用自适应处理的自适应滤波器，甚至在具有高级别的外部
噪声环境中也能在噪声降低的状态下再现音乐(见日本专利No. 2867461，下面称为专利文件2)。
在专利文件2中描述的噪声降低耳机的噪声降低系统利用自适 应信号处理把自适应滤波器自动地设置为最佳滤波器。在耳机壳体外 部上提供有用于收集外部噪声的麦克风，在耳机壳体的内部提供有用 于收集作为基于自适应信号处理的声音合成结果的残余(误差)分量 的声音的麦克风。
在利用自适应处理的噪声降低系统中，来自耳机壳体内提供的麦 克风的残余信号被分析，自适应滤波器被更新，由此对外部噪声进行 自适应噪声降低。

发明内容
一般地说，即使在噪声环境特性被视为频率特性时，按照场所(例 如机场、火车站的站台、工厂等)的环境，噪声环境特性十分不同。 因此，期望正常地使用针对每个噪声环境特性调整的最佳滤波器特 性，作为用于噪声降低的滤波器特性。
然而，如上所述，现有的有源型噪声降低系统被固定于具有单个 滤波器特性的滤波电路，例如在任何噪声环境中可以进行某种程度的 噪声降低的滤波电路。常规的有源型噪声降低系统具有如下问题，其
因而，代替具有单个滤波器特性的滤波电路，可以提供具有各种 滤波器特性的多个滤波电路，从而通过切换来选择适应于一个场所的 噪声环境特性的滤波电路。在这种情况下，因为滤波电路在传统上是 模拟电路配置，所以硬件电路本身必须被改变。
然而，由此提供多个滤波电路并通过切换来选择一个滤波电路的 结构的问题存在增加硬件配置的规模并且增加成本的问题。因此，这 种结构作为用于便携式装置的噪声降低系统是不实际的。
在另 一方面，使用自适应处理的噪声降低系统自适应地更新自适
应滤波器，以使得自适应滤波器适应于要使用噪声降低系统的场所。 因此，不需要提供多个滤波电路。
因而，在专利文献、学术团体出版物等中提出了许多利用自适应 信号处理降低(消除)噪声的方法。然而，这些方法没有解决包括下
述问题，包括系统稳定性问题、处理规模的增加、仅仅对于周期噪 声波形的适应性、成本有效性(成本性能)等。因此，这些方法在目 前情况下实际上未被商业化。
本发明是基于上述情况作出的。期望提供一种噪声降低装置，其 可以正确地对应于噪声环境进行噪声降低，同时采用不使用自适应处 理的有源型噪声降低系统。
按照本发明的一个实施例，提供一种噪声降低装置，包括声电 转换部分，用于收集噪声并输出模拟噪声信号；模数转换部分，用于 把所述模拟噪声信号转换成数字噪声信号；数字处理部分，用于基于 所述数字噪声信号和所需参数，产生数字噪声降低信号；保持部分， 用于保持对应于多种噪声特性的多个参数；设置部分，用于将所述多 个参数中的一个设置为所述数字处理部分的所述所需参数；数模转换 部分，用于把所述数字噪声降低信号转换成模拟噪声降低信号；以及 电声转换部分，用于基于所述模拟噪声降低信号，输出噪声降低声音。
上述配置的噪声降低装置进行有源型噪声降低。噪声降低音频信 号由数字处理部分产生。保持部分保持与对应于各种噪声环境的噪声 特性相对应的多个参数。数字处理部分可以使用所述多个参数中的合 适噪声特性的参数来产生噪声降低音频信号。因此能够正确地对应于 各种噪声环境进行噪声降低。
在这种情况下，只需下述的硬件配置便足够了其只在保持部分 中保持对应于多种噪声特性的多个参数，并具有选择和设置部分，用 于选择多个参数中的一个。因此，与使用模拟滤波电路的情况相比， 硬件配置的规模不会变大。即，即使当多种噪声特性要被处理时，只 要保持对应于多个噪声特性的多个参数便足够了。因而，与提供大量 模拟滤波电路并在这些模拟滤波电路之间进行转换的情况相比，该配
置更为简单，并且在成本方面更为有利。
按照本发明，即使在使用有源型噪声降低方法时，也能够进行正 确地对应于各种噪声环境的噪声降低，并防止电路规模变大。因而可 以实现在成本方面实用的噪声降低装置。


图1是表示采用按照本发明第一实施例的噪声降低装置的耳机
装置示例的方框图2是使用传递函数表示按照本发明第一实施例的噪声降低装 置的结构的图3是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的实施例的图； 图4是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的第一实施例的图； 图5是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的实施例中的主要
部分的操作的流程图6是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的实施例的图7是表示采用按照本发明的噪声降低装置的第二实施例的耳
机装置示例的方框图8是使用传递函数表示按照本发明的噪声降低装置的第二实
施例的结构的图9是帮助说明前馈型和反馈型噪声降低系统的衰减特性的图IOA和IOB是帮助说明第三实施例和第四实施例的图IIA、 IIB和IIC是帮助说明第三实施例和第四实施例的图12A和12B是帮助说明第三实施例和第四实施例的图13A和13B是帮助说明第三实施例和第四实施例的图14是表示采用按照本发明的噪声降低装置的第三实施例的耳
机装置的示例的方框图15是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的第三实施例的特
性的图16是表示釆用按照本发明的噪声降低装置的第四实施例的耳
机装置的示例的方框图17是表示釆用按照本发明的噪声降低装置的第五实施例的耳 机装置的示例的方框图18是表示采用按照本发明的噪声降低装置的第五实施例的耳 机装置的另 一示例的方框图19是表示图18的方块的一部分的详细结构示例的图20是表示采用按照本发明的噪声降低装置的第六实施例的耳 机装置的示例的方框图21是表示采用按照本发明的噪声降低装置的第七实施例的耳 机装置的示例的方框图22是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的第七实施例中的 主要部分的操作的流程图23是表示在图21的第七实施例的配置示例中的方框图一部分 的配置的具体示例的图24是表示在图21的第七实施例的配置示例中的方框图一部分 的配置的具体示例的图25是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的第七实施例中的 主要部分的操作的图26是帮助说明按照本发明的噪声降低装置的第七实施例中的 主要部分的操作的流程图27是表示按照第八实施例的耳机装置的配置的方框图28是帮助说明第八实施例中的主要部分的操作的流程图；以
及
图29是表示按照第九实施例的耳机装置的配置示例的方框图。
具体实施例方式
下面参照

按照本发明的噪声降低装置的几个实施例。在 下面要说明的每个实施例中，按照本发明的噪声降低装置被应用于作 为按照本发明的噪声降低音频输出装置的实施例的耳机装置。
进行有源噪声降低的系统包括反馈系统(反馈型)和前馈系统(前 馈型)。本发明可应用于这两种噪声降低系统。
有两种用于按照噪声环境改变噪声降低装置的特性的系统按照 用户的选择指令改变所述特性的手动选择系统以及按照噪声环境自 动地改变所述特性的自动选择系统。
在上述的第七实施例或第八实施例中，在开始定时并且在通过强 制中断再现的音频信号而创建静音部分时或者在再现音频信号S本身 具有静音部分时，进行自动选择最佳滤波系数的处理操作。第九实施 例通过从由麦克风31收集声音而获得的音频信号中除去再现音频信 号S的分量而只提取噪声，并分析提取的噪声。因而，可以以良好的 精度进行噪声测量，同时允许再现声音流过。
下面说明按照第九实施例的耳机装置的结构的示例被应用于前 馈系统的噪声降低装置的情况。图29是表示在这种情况下的耳机装 置的结构示例的方框图。
如图29所示，将H设为从耳机壳体2内的驱动器ll到耳机壳 体2外部的麦克风31的传递函数。通过预先进行测量，可以使传递 函数H是已知的传递函数。
传递函数H本身通常是复杂的，包括许多谐振和在耳机壳体2 内的许多反射。实际上，因为计算量的问题，使用近似于传递函数H 的特性的传递函数H，。在许多情况下，当使用传递函数H执行操作 时，传递函数H的脉沖响应h被技能型FIR (有限脉沖响应)操作。 然而，由DSP进行的FIR操作消耗大量的计算机资源。因此，传递 函数H的特性被近似为传递函数H，，并将这个传递函数实现为IIR (无限脉冲响应)滤波器。
如图29所示，在第九实施例中的DSP332包括数字滤波电路 3321;包括上述的噪声分析单元3322和最佳滤波系数估计单元3323 的噪声分析和估计单元3324;数字均衡电路3325;传递函数H，乘法 单元3326;减法电路3327;以及加法电路3328。
在图29的示例中，经由输入端12的音频信号S在A/D转换电 路37中被转换成数字音频信号。然后把数字音频信号提供给FF滤波 电路33的DSP 332中的数字均衡电路3325。
数字均衡电路3325的输出信号经由加法电路3328被提供给D/A 转换电路333,还被提供给传递函数H，乘法单元3326。传递函数H， 乘法单元3326由传递函数H，乘以数字均衡电路3325的输出信号，然 后把结果提供给减法电路3327。
减法电路3327被提供有包括由麦克风31收集的噪声3的音频信 号S的再现声音信号，这个再现声音信号是从A/D转换电路331经由 扩音放大器32提供的。从包括噪声3的音频信号S中减去来自传递 函数H，乘法单元3326的音频信号。
因为传递函数H，是从耳机壳体2内的驱动器11到耳机壳体2外 部上的麦克风31的传递函数，所以来自传递函数H，乘法单元3326 的音频信号对应于音频信号S的再现声音信号，该再现声音信号是通 过麦克风31收集声音而获得的。因而，从减法电路3327只获得噪声 3的分量。减法电路3327的输出信号被提供给噪声分析和估计单元 3324。
在噪声分析和估计单元3324中，如上所述，作为输入信号的噪 声分量在噪声分析单元中被分析，把噪声分析的结果提供给最佳滤波 系数估计单元。如上所述，最佳滤波系数估计单元确定最佳滤波系数， 然后把确定结果提供给存储器控制器35。基于最佳滤波系数的确定结 果，存储器控制器35从存储器34中读出最佳滤波系数，然后在数字 滤波电路3321中设置最佳滤波系数。
在数字滤波电路3321中产生的噪声降低音频信号被提供给加法 电路3328，以便与来自数字均衡电路3325的音频信号相加。把相加
输出信号提供给D/A转换电路333。
如上所述，在第九实施例中，利用图29所示的结构，可以获得 在通过估计在麦克风31进行声音收集的位置处的音频信号S的再现 声音的时间波形而获得的值与来自麦克风31的声音收集音频信号之 间的差，由此只提取实际噪声分量而不中断音频信号S的再现声音。
[其它实施例和自动选择系统的改进的示例I
在上述的第七到第九实施例中，分析由麦克风21或31收集的噪 声，使用分析结果来选择最佳滤波系数。然而，可以不经分析噪声而 自动地选择最佳滤波系数。
具体地说，在反馈系统的噪声降低装置中，在噪声消除点Pc的 声音由麦克风21收集，因此从麦克风21收集的声音的音频信号中可 以确定噪声是否被降低(消除)。
因而，在反馈系统的噪声降低装置中，当达到开始定时时，存储 器控制器25或35在预先设置的预定时间段内在数字滤波器中逐个地 按顺序设置来自存储器24或34的多个滤波系数，在每个滤波系数时 收集在噪声消除点Pc处的剩余噪声，然后估计该剩余噪声。然后， 对应于最低剩余噪声的滤波系数被确定为最佳滤波系数。
此外，在这种情况下，当进行估计时，音频信号S被静音，或者 音频信号S的静音部分被检测，以便消除音频信号S的影响。此外， 如图29的实施例，可以从来自麦克风21的音频信号中减去由传递函 数H，乘以音频信号S的结果，并检测剩余的噪声，并基于减法输出 对剩余的噪声进行估计。
附带说明，在前馈系统的情况下，如上所述，通过提供用于在噪 声消除点Pc收集声音的麦克风，能够在噪声消除点Pc处估计剩余噪 声，并自动地确定最佳滤波系数。
显然，在使用反馈系统和前馈系统的情况下，利用用于在噪声消 除点Pc处收集声音的麦克风，能够估计在噪声消除点Pc处的剩余噪 声，并自动地确定最佳滤波系数。
[其它实施例以及改进的示例
在每一个以上实施例的说明中，在FB滤波电路和FF滤波电路 中的数字滤波电路通过使用DSP被构成。然而，可以通过使用微型计 算机(或微处理器)代替DSP，利用软件程序进行数字滤波电路的处 理。
当使用微型计算机(或微处理器)代替DSP时，存储控制器的 部分也可以由软件程序构成。相反地，可以在DSP中构成存储器控制 器的部分。
在上述的第一到第四以及第七和第八实施例中，均衡电路13被 构成为模拟电路。然而，均衡电路13可以如第五实施例、第六实施 例和第九实施例那样被构成为DSP内的数字均衡电路，或者由微型计 算机的软件程序构成。
关于在分析噪声并自动地选择滤波系数的情况下用于收集噪声 的麦克风，在如图17所示的第五实施例中使用麦克风21和麦克风31 的情况下，可以使用麦克风21和麦克风31中的一个，或者使用麦克 风21和麦克风31两者。
附带说明，在第七实施例和第八实施例中，分析噪声，然后选择 最佳滤波系数。然而，当可以精确地进行噪声分析时，期望能够基于 噪声分析结果估计衰减曲线，并计算可以提供估计的衰减曲线的滤波 系数。此时，不需要在存储器中存储多个滤波系数。
然而，用于估计这种衰减曲线的噪声分析可能需要复杂且昂贵的 结构，这是因为可能需要精细的FFT或者需要使用大量带通滤波器。 在这方面，可以简单而廉价地构成上述实施例，因为不需要精确的衰 减曲线，并且只要能够基于预先准备的多个滤波系数在衰减曲线中确 定最佳衰减曲线便足够了。
虽然在上面的实施例中对按照本发明实施例的噪声降低音频输 出装置是耳机装置的情况进行了说明，但上述实施例可应用于具有麦 克风的耳机装置、耳机装置和通信终端，例如便携电话终端等。此外， 按照本发明实施例的噪声降低音频输出装置可应用于与耳机、耳塞或 听筒组合的便携式音乐再现装置。
虽然上述实施例中的噪声降低装置部分被提供在耳机装置的一 侧上，但该噪声降低装置部分也可以被提供在耳机装置插入其中的便 携式音乐再现装置中，或者被提供在用于具有麦克风的耳机或耳塞的 便携式音乐再现装置的 一侧上。
本领域技术人员应当理解，可以在所附权利要求或其等价物的范 围内，基于设计要求和其它因素进行各种修改、组合、子组合以及替 代。
权利要求
1.一种噪声降低装置，包括声电转换部分，用于收集噪声并输出模拟噪声信号；模数转换部分，用于把所述模拟噪声信号转换成数字噪声信号；数字处理部分，用于基于所述数字噪声信号和所需参数，产生数字噪声降低信号；保持部分，用于保持对应于多种噪声特性的多个所述参数；设置部分，用于将所述多个参数中的一个设置为所述数字处理部分的所述所需参数；数模转换部分，用于把所述数字噪声降低信号转换成模拟噪声降低信号；以及电声转换部分，用于基于所述模拟噪声降低信号，输出噪声降低声音。
2. 如权利要求1所述的噪声降低装置，其中所述设置部分基于操作输入从所述多个参数中顺序地选择 要提供给所述数字处理部分的参数。
3. 如权利要求1所述的噪声降低装置，还包括噪声特性分析部分，用于分析由所述声电转换部分收集的噪声的特性，其中所述设置部分基于所述噪声特性分析部分的分析结果，将所 迷多个参数中的一个设置为所述所需参数。
4. 如权利要求1所述的噪声降低装置，还包括估计部分，用于估计在使用所述多个参数中每一个时的降低所述 噪声的效果，其中所述设置部分基于所述估计部分的估计结果，将所述多个参 数中的一个设置为所述所需参数。
5. 如权利要求3所述的噪声降低装置，其中在电源被接通的时间、进行预定操作输入的时间、以及在经过了每个固定时间间隔之后的时间这几个时间中的至少 一 个时间所述噪声特性分析部分分析所述噪声的特性，并且， 所述设置部分基于所述噪声特性分析部分的分析结果，将所述多 个参数中的一个设置为所述所需参数。
6. 如权利要求3所述的噪声降低装置，其中所述电声转换部分基于所述模拟噪声降低信号和预定音频 信号输出声音，在所述预定音频信号代表静音时，所迷噪声特性分析部分分析所 述噪声的特性，以及所述设置部分基于所述噪声特性分析部分的分析结果，将所述多 个参数中的一个设置为所述所需参数。
7. 如权利要求3所述的噪声降低装置，其中当由所述声电转换部分收集的噪声的改变等于或大于预定 幅值时，所述噪声特性分析部分分析所述噪声的特性，以及 所述设置部分基于所述噪声特性分析部分的分析结果，将所述多 个参数中的一个设置为所述所需参数。
8. 如权利要求4所述的噪声降低装置，其中在电源被接通的时间、进行预定操作输入的时间、以及在经 过了每个固定时间间隔之后的时间这几个时间中的至少一个时间所述估计部分估计降低所述噪声的效果，以及所述设置部分基于所述估计部分的估计结果，将所述多个参数中 的一个设置为所述所需参数。
9. 如权利要求4所述的噪声降低装置，其中所述电声转换部分基于所述模拟噪声降低信号和预定音频 信号输出声音，在所述预定音频信号代表静音时，所述估计部分估计降低所述噪 声的效果，以及所述设置部分基于所迷估计部分的估计结果，设置所述多个参数中的一个作为所述所需参数。
10. 如权利要求4所述的噪声降低装置，其中当由所述声电转换部分收集的噪声的改变等于或大于预定 幅值时，所述估计部分估计所述噪声，以及所述设置部分基于所述估计部分的估计结果，将所述多个参数中 的一个设置为所述所需参数。
11. 如权利要求3所述的噪声降低装置，其中所述电声转换部分基于所述模拟噪声降低信号和预定音频 信号输出声音，以及在电源被接通的时间、进行预定操作输入的时间、以及在经过了 每个固定时间间隔之后的时间这几个时间中的至少一个时间内，在所 述预定音频信号代表静音时所述噪声特性分析部分分析所述噪声的特性，以及所述设置部分基于所述噪声特性分析部分的分析结果，将所述多 个参数中的一个设置为所述所需参数。
12. 如权利要求4所述的噪声降低装置，其中所述电声转换部分基于所述模拟噪声降低信号和预定音频 信号输出声音，以及在电源被接通的时间、进行预定操作输入的时间、以及在经过了 每个固定时间间隔之后的时间这几个时间中的至少一个时间内，在所 述预定的音频信号代表静音时所述估计部分估计降低所述噪声的效果，以及所述设置部分基于所述估计部分的估计结果，设置所述多个参数 中的一个作为所述所需参数。
13. 如权利要求3所述的噪声降低装置，其中所述声电转换部分在所述噪声与所述噪声降低声音的合成 的位置，收集合成的声音，以及当所述噪声特性分析部分分析所述噪声的特性时，所述电声转换部分停止基于所述模拟噪声降低信号输出所述噪声降低声音。
14. 如权利要求1所述的噪声降低装皇，还包括 模拟处理部分，用于基于所述模拟噪声信号产生另 一个模拟噪声降低信号，其中所述电声转换部分基于所述模拟噪声降低信号和所述另一个模拟噪声降低信号，输出噪声降低声音。
15. 如权利要求1所述的噪声降低装置，其中所述声电转换部分包括第一声电转换部分，用于收集所述 噪声与所述噪声降低声音的合成声音；以及第二声电转换部分，用于 收集所述噪声，所述第二声电转换部分被设置在与所述第一声电转换 部分不同的位置，所述数字处理部分基于通过对由所述第一声电转换部分输出的 第一模拟噪声信号进行数字化所获得的第一数字噪声信号和用于产 生所述第 一数字噪声降低信号的第 一参数，产生第 一数字噪声降低信 号，并且基于通过对由所述第二声电转换部分输出的第二模拟噪声信 号进行数字化所获得的第二数字噪声信号和用于产生所述第二数字 噪声降低信号的第二参数，产生第二数字噪声降低信号，所述保持部分保持对应于所述噪声的特性的多个所述第一参数 和多个所述第二参数，所述数模转换部分把通过合成所述第一数字噪声降低信号和所 述第二数字噪声降低信号而获得的合成数字噪声降低信号转换成合 成模拟噪声降低信号，以及所述电声转换部分基于所述合成模拟噪声降低信号，输出所述噪 声降低声音。
16. —种噪声降低方法，包括输出步骤，由声电转换部分收集噪声并输出模拟噪声信号； 模数转换步骤，把所述模拟噪声信号转换成数字噪声信号； 数字处理步骤，基于所述数字噪声信号和对应于多种噪声特性的 多个所述参数之中的一个所需参数，产生数字噪声降低信号，所述多个参数由保持部分保持；设置步骤，把所述多个参数中的一个设置为所述所需参数； 数模转换步骤，把所述数字噪声降低信号转换成模拟噪声降低信号；以及输出步骤，由电声转换部分基于所述模拟噪声降低信号，输出噪 声降低声音。
17.—种计算机可读的记录介质，其上记录有程序，所述程序使 计算机执行输出步骤，由声电转换部分收集噪声并输出模拟噪声信号； 模数转换步骤，把所述模拟噪声信号转换成数字噪声信号； 数字处理步骤，基于所述数字噪声信号和对应于多种噪声特性的多个所述参数之中的一个所需参数，产生数字噪声降低信号，所述多个参数由保持部分保持；设置步骤，把所述多个参数中的一个设置为所述所需参数； 数模转换步骤，把所述数字噪声降低信号转换成模拟噪声降低信号；以及输出步骤，由电声转换部分基于所述模拟噪声降低信号，输出噪 声降低声音。
全文摘要
本发明提供了噪声降低装置、方法、程序以及噪声降低音频输出装置。一种噪声降低装置，包括声电转换部分，用于收集噪声并输出模拟噪声信号；模数转换部分，用于把模拟噪声信号转换成数字噪声信号；数字处理部分，用于基于所述数字噪声信号和所需的参数产生数字噪声降低信号。该装置还包括保持部分，用于保持对应于多种噪声特性的多个参数；设置部分，用于设置所述多个参数之一作为数字处理部分的所述所需的参数；数模转换部分，用于把数字噪声降低信号转换成模拟噪声降低信号；以及电声转换部分，用于基于所述模拟噪声降低信号输出噪声降低声音。
文档编号H04R3/00GK101184345SQ200710170100
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月13日 优先权日2006年11月14日
发明者浅田宏平 申请人:索尼株式会社