降噪音频再现设备和降噪音频再现方法

专利名称：降噪音频再现设备和降噪音频再现方法
技术领域：
本发明涉及降噪音频再现设备和方法，利用这种降噪音频再现设备和 方法，即使在噪声环境下也能舒适地再现要收听的音频。
背景技术：
迄今为止，已经提出了一种降噪技术，作为用于通过抑制噪声以执行 音频强调来实现音频清晰度的改善的技术。在本说明书中，降噪在下文中
将被简称为NR。
例如，对于用户可用来在戴上头戴式耳机的情况下执行谈话的头戴式 耳机系统，以及对于具有助听器或助听功能(外部监视功能)的耳机系 统，可以设想如图25A所示的系统配置。
也就是说，虽然图中没有示出，但例如麦克风1L和1R被附接到诸如 耳罩之类的具有很强的声音隔离并且难以附接/拆离的头戴式耳机壳体(用 于左耳和用于右耳)的外部，作为声电转换器的示例。然后，当在麦克风 1L和1R处收集的音频信号在麦克风放大器2处被放大之后，音频信号在 A/D转换器3处被转换成数字音频信号，并且被提供给NR处理单元4。
NR处理单元4使得数字音频信号经历NR处理以抑制噪声，从而执行 音频强调。经历了音频强调的数字音频信号在D/A转换器5处被转回模拟 音频信号，并且通过功率放大器6被提供给扬声器或头戴式耳机驱动器单 元，并且被声学再现。
例如，"MATLAB multimedia signal processing, lower volume, audio, image, and communication " , collective writing of Masaaki IKEHARA, Tetsuya SHIMATANI， and Yukitoshi SANADA ， BAIFUKAN Co" Ltd issue, pp 67-74中记载的谱减去方法(以下简称为"SS方法")可用作 NR处理单元4处的NR处理，并且图25A所示的系统配置可被改写为如
7图25B所示的。也就是说，NR处理单元4被SS方法处理单元4A和音乐 噪声去除滤波器4B所替换。
SS方法是这样一种方法，其用于从添加了噪声的音频信号的功率谱中 减去单独估计的噪声的功率谱，使得该功率谱经历反向傅立叶变换，从而 恢复去除了噪声的音频信号。
要减去的噪声的功率谱被预先估计并存储在存储单元中。例如，在要 收听的音频的无声区间(section)中，在麦克风1L和1R处收集的音频可 被存储在存储单元中作为估计噪声。如果估计噪声的功率谱合适，则降噪 效果很好。然后，如果作为要减去的噪声的功率谱估计的噪声是稳定噪 声，则噪声通过SS方法被降低，而只有要收听的音频成分被强调。虽然 该SS方法是非常简单的算法，但却可以获得很高的噪声去除效果。
注意，在采用SS方法的情况下，会出现被称为音乐噪声的、由于缺 乏相位信息而引起的噪声，因此，希望采用一种配置，其中，在SS方法 处理单元4A的后级设置了音乐噪声去除滤波器4B。在"Musical Noise Reduction Using Morphology Process in Spectral Subtraction" ， Hideaki TOZAWA， Yukihiro NO而RA， Noritaka YAMASHITA, Jianming LU， Hiroo SEKIYA， Takashi YAHAGI， Graduate School of Science and Technology, Chiba University ， The 18th Workshop on Circuits and Systems in Karuizawa， April 25-26, 2005中记载了该音乐噪声的去除。

发明内容
顺便说一下，NR处理不是一种在音频信号的实际音频再现环境中消 去噪声的技术，而是一种通过对于音频信号的信号处理在计算机上获得降 噪效果的技术。本来，经历了 NR处理的音频必须被用户舒适地收听。但 是，在实际音频再现环境处于噪声中的情况下，经历了 NR处理的音频信 号本身被模糊在噪声中，音频的内容变得模糊，并且在一些情况下变得不 可听。
已经发现，希望即使实际音频再现环境是噪声环境，也能使用户可以 清楚地收听音频。根据本发明一个实施例的一种降噪音频再现设备包括消噪处理单 元，用于从由用于收集噪声的第一声电转换单元所收集和获得的噪声的音 频信号来生成消噪用音频信号以通过以声学方式合成消噪用音频信号和噪 声来消去噪声，并且使得电声转换单元在声学上再现消噪用音频信号以便 以声学方式合成消噪用音频信号和噪声；第二声电转换单元，用于收集要 收听的音频信号；音频强调单元，用于在由第二声电转换单元所收集的音
频信号中强调要收听的音频成分；合成单元，用于合成来自音频强调单元
的被强调了要收听的音频成分的音频信号和消噪用音频信号，以将该合成
的信号提供到电声转换单元；以及控制单元，用于执行控制以仅就基于控 制信号的区间向合成单元提供被音频强调单元强调了要收听的音频成分的 音频信号。
根据上述配置，通过消噪处理单元消去或降低了实际音频再现环境中 的噪声。但是，此时也同时降低了要收听的音频信号。另一方面，在要收 听的音频成分被音频强调单元所强调之后，要收听的音频成分被与消噪用 音频信号相合成并被提供到电声转换单元。从而，其噪声已被消噪处理单 元所降低的要收听的音频信号被与其音频成分已被音频强调单元所强调的 要收听的音频信号相合成，从而收听者可收听合成的音频。从而，要收听
的音频信号被转换成了用户可以舒适地收听的清晰度有所改善的音频。
根据本发明一个实施例的一种降噪音频再现设备包括消噪用音频信
号生成单元，用于从由用于收集噪声的声电转换单元所收集和获得的噪声 的音频信号来生成消噪用音频信号以通过以声学方式合成消噪用音频信号
和噪声来消去噪声；电声转换单元，用于在声学上再现消噪用音频信号以
便以声学方式合成消噪用音频信号和噪声；音频强调单元，用于在来自消 噪用音频信号生成单元的音频信号中强调要收听的音频成分；合成单元， 用于合成来自音频强调单元的被强调了要收听的音频成分的音频信号和消 噪用音频信号，以将该合成的信号提供到电声转换单元；以及控制单元， 用于执行控制以仅就基于控制信号的区间向合成单元提供被音频强调单元 强调了要收听的音频成分的音频信号。
根据上述配置，通过消噪处理单元消去或降低了实际音频再现环境中的噪声。此时也同时降低了要收听的音频信号。另一方面，在消噪用音频 信号的要收听的音频成分被音频强调单元所强调之后，要收听的音频成分 被与消噪用音频信号相合成并被提供到电声转换单元。从而，其噪声已被 消噪处理单元所降低的要收听的音频信号被与其音频成分已被音频强调单 元所强调的要收听的音频信号相合成，从而收听者可收听合成的音频。从 而，要收听的音频信号被转换成了用户可以舒适地收听的清晰度有所改善 的音频。
根据上述配置，其噪声已被消噪处理单元所降低的要收听的音频信号 被与其音频成分已被音频强调单元所强调的要收听的音频信号相合成，从 而收听者可收听合成的音频。从而，要收听的音频信号被转换成了用户可 以舒适地收听的清晰度有所改善的音频。


图1是示出根据本发明的降噪音频再现设备的第一实施例的硬件配置 示例的框图2是用于描述将被用于本发明的一个实施例的消噪系统的示例的示
图3是用于描述图2中的消噪系统的等效电路图4是示出用于描述用于本发明一个实施例的消噪系统的示例的表达 式的示图5是用于描述图2中的消噪系统的示图6是用于描述用于本发明一个实施例的消噪系统的另一示例的示
图7是用于描述图6中的消噪系统的等效电路图8是用于描述用于本发明一个实施例的消噪系统的示例的示图9是用于描述本发明的降噪音频再现设备的第一实施例的操作的示
图10是用于描述图1中的降噪音频再现设备的一部分的具体配置示 例的示图；图11是用于描述根据本发明的降噪音频再现设备的第一实施例的操 作效果的示图12是用于描述根据本发明的降噪音频再现设备的第一实施例的操 作效果的示图13是用于描述根据本发明的降噪音频再现设备的第一实施例的操 作效果的示图14是示出根据本发明的降噪音频再现设备的第二实施例的硬件配 置示例的框图15是用于描述根据本发明的降噪音频再现设备的第二实施例的操 作效果的示图16是用于描述根据本发明的降噪音频再现设备的第二实施例的操 作效果的示图17是用于描述根据本发明的降噪音频再现设备的第三实施例的硬 件配置示例的框图18是示出根据本发明的降噪音频再现设备的第四实施例的硬件配 置示例的框图19是用于描述根据本发明的降噪音频再现设备的第四实施例的操 作的示图20是示出根据本发明的降噪音频再现设备的第四实施例的主要组 件的配置示例的框图21是示出根据本发明的降噪音频再现设备的第五实施例的硬件配 置示例的框图22是示出根据本发明的降噪音频再现设备的第六实施例的硬件配 置示例的框图23是示出根据本发明的降噪音频再现设备的第七实施例的硬件配 置示例的框图24A和24B是示出根据本发明的降噪音频再现设备的另一实施例的 硬件配置示例的框图；并且
图25A和25B是用于描述NR处理的示图。
具体实施例方式
下面将参考附图描述根据本发明的降噪音频再现设备和方法的实施例。
在本发明中，除了上述NR功能之外，在实际音频再现环境中通过消 噪方法实现了噪声的降低，从而总地改善了在声电转换单元(麦克风)处 收集的要收听的音频的清晰度。
现在，将描述消噪(以下简称为NC)技术。NC技术是这样一种技
术，其中，根据在音频收听空间内在麦克风处收集和获得的噪声生成消噪 用音频信号，该消噪用音频信号在声学上与噪声相合成，从而消去噪声。 这是一种用于留下噪声空间中想要的声音并且消除不想要的声音的技术。
NC功能与NR功能相似但不相同，NR通过信号处理在计算机上获得 降噪效果，而NC通过在物理空间内生成具有大体上与输入音频信号相反 的波形的信号来执行消噪。在以下描述中，假定如上所述那样区分NR和 NC。
NC系统的描述
在描述根据本发明的降噪音频再现设备的实施例之前，将描述NC系 统。对于NC系统而言，存在反馈方法和前馈方法。注意，关于NC系统 的参考文献包括日本未实审专利申请公开No. 2008-122729。
反馈NC系统
首先，将描述反馈NC系统。图2是示出安装在反馈方法的NC功能 上的头戴式耳机设备的配置示例的框图。
为了帮助说明，图2仅示出关于头戴式耳机设备的收听者11的右耳 侧部分的配置。这对于描述下述的前馈方法的NC系统的情况也成立。注 意，左侧部分当然也以相同的方式配置。
图2示出了这样一种状态，即，根据一个实施例，通过收听者11戴 上头戴式耳机设备，收听者11的右耳被用于右耳的头戴式耳机壳体(外 壳部分)12所覆盖。在头戴式耳机壳体12的内侧设置了头戴式耳机驱动 器单元(以下称之为头戴式耳机驱动器)13，其充当电声转换单元，用于声学再现作为电信号的音频信号。
然后，例如，通过音频信号输入端子14传递的音频信号通过均衡器
电路15和加法电路16被提供到功率放大器17，通过功率放大器17传递 的音频信号被提供到头戴式耳机驱动器13，并且被声学再现。这样，音乐 信号的再现声音被发出到收听者11的右耳。
音频信号输入端子14由将被插入到便携式音乐再现设备的头戴式耳 机插孔中的头戴式耳机插头配置而成。在该NC系统中，设置了位于音频 信号输入端子14和用于左/右耳的头戴式耳机驱动器13之间的音频信号传 输线内的均衡器电路15、加法电路16、功率放大器17和NC功能单元 20。该NC功能单元20包括充当声电转换单元的麦克风21、麦克风放大 器22、以及用于降噪的滤波器电路23，等等。
虽然在图中没有示出，但该NC功能单元20通过连接线缆连接到头戴 式耳机驱动器13、麦克风21、以及构成音频信号输入端子14的头戴式耳 机插头。标号20a、 20b和20c表示连接线缆连接到头戴式耳机设备的连接 端子部分。
在图2的示例的NC系统中，从头戴式耳机壳体12外的噪声源18侵 入到收听者11的音乐收听位置中的噪声在收听者11的音乐收听环境中通 过反馈方法被降低。这样，收听者ll可以在舒适的环境中收听音乐。
在反馈NC系统中，在麦克风21处收集收听者11的音乐收听位置的 声学合成位置(消噪点Pc)处的噪声，其中在该声学合成位置处噪声和消 噪用音频信号的声学再现音频被合成。
从而，在反馈NC系统中，在头戴式耳机壳体(外壳部分)12的内侧 的消噪点Pc处设置了用于噪声收集的麦克风21 。麦克风21的位置处的声 音成为控制点，因此噪声衰减效果被考虑在内，并且消噪点Pc通常被认 为是接近耳朵的位置，即头戴式耳机驱动器13的振膜的正面，并且麦克 风21被设置在该位置处。
在NC系统中，在该麦克风21处收集的噪声的逆相位成分在消噪用音 频信号生成单元(以下称之为"NC用音频信号生成单元")处被生成， 作为消噪用音频信号(以下称为NC用音频信号)。然后，该所生成的NC用音频信号被提供到头戴式耳机驱动器13以被声学再现，从而降低从 外部侵入到头戴式耳机壳体12中的噪声。
在这里，噪声源18处的噪声和侵入到头戴式耳机壳体12中的噪声18' 不具有相同属性。但是，在反馈NC系统中，侵入到头戴式耳机壳体12中 的噪声18'，即作为降低目标的噪声18'，在麦克风21处被收集。
从而，在反馈方法中，NC用音频信号生成单元应当生成上述噪声18' 的逆相位成分以消去麦克风21在消噪点Pc处收集的噪声18'。
在图2的示例中，数字滤波器电路23被用作反馈方法的NC用音频信 号生成单元。在本实施例中，NC用音频信号是通过反馈方法生成的，因 此数字滤波器电路23在下文中将被称为FB滤波器电路23。
FB滤波器电路23由DSP (数字信号处理器)232、设置在其前级的 A/D转换电路231、以及设置在其后级的D/A转换电路233配置而成。
在麦克风21处收集和获得的模拟音频信号通过麦克风放大器22被提 供到FB滤波器电路23，并且被A/D转换电路231转换成数字音频信号。 然后，该数字音频信号被提供到DSP232。
在DSP 232中，配置了用于生成反馈方法的数字NC用音频信号的数 字滤波器。该数字滤波器从输入其中的数字音频信号生成上述数字NC用 音频信号，该数字NC用音频信号具有与充当对其设定的参数的滤波器系 数相对应的属性。预定的滤波器系数被设定为预先设定到DSP 232的数字 滤波器的滤波器系数。
但是，例如，可以进行一种布置，其中，与实际的多种类型的再现声 学环境相对应的滤波器系数被预先存储在存储器中，并且用户根据当时的 再现声学环境来选择滤波器系数以将其设定在数字滤波器中。
然后，在DSP 232处生成的数字NC用音频信号在D/A转换电路233 处被转换成模拟NC用音频信号。然后，该模拟NC用音频信号作为FB滤 波器电路23的输出信号被提供到加法电路16。
收听者11希望通过头戴式耳机收听的输入音频信号(音乐信号等 等)S通过音频信号输入端子14和均衡器电路15被提供到加法电路16。 均衡器电路15使输入音频信号经历声学校正。
14作为加法电路16的加法结果的音频信号通过功率放大器17被提供到
头戴式耳机驱动器13，并且被声学地再现。被声学再现并从头戴式耳机驱 动器13发出的音频包括在FB滤波器电路23处生成的NC用音频信号的 声学再现成分。在头戴式耳机驱动器13处声学再现并发出的音频中，NC 用音频信号的声学再现成分和噪声18'被声学合成，从而降低(消去)消 噪点Pc处的噪声18'。
将参考图3采用传递函数来描述上述反馈NC系统的消噪操作。具体 来说，在图3中示出通过用其传递函数来表示每个单元的、与图2所示的 框图相对应的框图。在图3中，A表示功率放大器17的传递函数，D表示 头戴式耳机驱动器13的传递函数，M表示与麦克风21和麦克风放大器22 相对应的部分的传递函数，并且-/3表示为反馈设计的滤波器的传递函数。 另外，H表示从头戴式耳机驱动器13到麦克风21的空间的传递函数，并 且E表示将被应用到作为收听目标的音频信号S的均衡器的传递函数。假 定上述传递函数是用复数表示法来指示的。
另外，在图3中，N表示从外部噪声源侵入到头戴式耳机壳体12内的 麦克风21的位置附近的噪声，并且P表示到达收听者11的耳朵的声压。 注意，外部噪声在头戴式耳机壳体12内传播的可设想原因的示例包括噪 声作为声压从耳垫部分的缝隙漏入的情况，以及由于头戴式耳机壳体12 接收声压并振动而使得声音在头戴式耳机壳体12内传播的情况。
当如图3所示那样表示时，图3中的框可利用图4中的(表达式1) 来表示。在该(表达式1)中，关注噪声N，可以发现，噪声N被衰减到 1 / (1 + ADHM的。但是，为了使得(表达式1)的系统在降噪目标频带上 以稳定的方式作为消噪机构操作，图4中的(表达式2)必须成立。
一般来说，与图4中的(表达式2)有关的系统的稳定性可结合反馈 NC系统中的每个传递函数的乘积的绝对值等于或大于1 (1 << IADHMPI)这一事实以及经典控制理论中的奈奎斯特稳定性判别来如下解 释。
在图3中，通过切断与噪声N有关的环路部分(从麦克风21到头戴 式耳机驱动器13的环路部分)的一部分来考虑传递函数的"开环"(-ADHM/3)。这具有如图5所示的波特图所表示的属性。
在该开环被当作目标的情况下，从奈奎斯特稳定性区别的角度来看，
必须满足图5中的以下两个条件。
当经过O度相位点时增益必须小于0 dB .当增益等于或大于OdB时，不得包括O度相位点。 在不满足上述两个条件的情况下，正反馈被施加到环路，因此导致振
荡(啸声)。在图5中，Pa和Pb表示相位裕量，Ga和Gb表示增益裕
量，并且当这些裕量较小时，由于头戴式耳机的佩戴的个体差异和不规则
性，振荡的风险增大了。
接下来，除了上述的降噪功能外，将描述从头戴式耳机的头戴式耳机
驱动器再现想要的声音的情况。
在图3中，作为收听目标的音频信号S是原本在头戴式耳机的头戴式
耳机驱动器处将要再现的信号的总括，例如壳体外部的麦克风的声音(用
作助听器)、通过通信的音频信号(用作头戴式送受话器)，等等，实际
上还有音频信号。
在上述(表达式1)中，声压P例如由图4中的(表达式4)表示， 注意到例如图4所示的(表达式3)那样的信号S (如果均衡器E被设定 的话)。
在这里，H表示从头戴式耳机驱动器13到麦克风21 (耳朵)的传递 函数，并且A和D分别表示功率放大器17和头戴式耳机驱动器13的属性 的传递函数。从而，如果假定麦克风21的位置非常接近耳朵位置，则可 以发现，根据此示例的头戴式耳机设备，可以获得与没有NC功能的头戴 式耳机相同的属性。注意，此时，均衡器电路15的传递属性E从频率轴 来看一般具有与开环属性相同的属性。
如上所述，在具有图2中的配置的头戴式耳机设备中，收听者可以在 降低噪声的同时没有任何问题地收听要收听的音频信号。但是，在此情况 下，为了获得充分的消噪效果，与从噪声源18传送到头戴式耳机壳体12 内侧的噪声的属性相对应的滤波器系数必须被设定到由DSP 232配置而成 的数字滤波器。前馈NC系统
图6是用于描述前馈NC系统的框图。在图6中，与图2的情况中相 同的部分用相同的标号来表示。图6的示例中的NC功能单元30被配置为 包括充当声电转换单元的麦克风31、麦克风放大器32、以及用于降噪的 滤波器电路33。
与上述反馈方法的NC功能单元20相同，NC功能单元30通过连接线 缆连接到头戴式耳机驱动器13、麦克风31和构成音频信号输入端子14的 头戴式耳机插头。标号30a、 30b和30c表示连接线缆连接到NC功能单元 30的连接端子部分。
在图6的示例中，从头戴式耳机壳体12外部的噪声源18侵入到头戴 式耳机壳体12内的收听者11的音乐收听位置中的噪声在收听者11的音乐 收听环境中通过前馈方法被降低，从而使得收听者11可以在舒适的环境 中收听音乐。
在前馈NC系统中，基本上，如图6所示，麦克风31被安装在头戴式 耳机壳体12之外。在该NC系统中，在麦克风31处收集的噪声18经历适 当的滤波处理以生成消噪用音频信号。然后，所生成的消噪用音频信号在 头戴式耳机壳体12内的头戴式耳机驱动器13处被声学再现，并且噪声 (噪声18')在接近收听者11的耳朵的位置处被消去。
在麦克风31处收集的噪声18和头戴式耳机壳体12内的噪声18'具有 与两者的空间位置的差异(包括头戴式耳机壳体12的外部和内部之间的 差异)相对应的不同属性。从而，在前馈方法中，在预期在麦克风31处 收集的来自噪声源18的噪声与消噪点Pc处的噪声18'之间的空间传递函数 的差异的同时生成NC用音频信号。
在本实施例中，滤波器电路33被用作前馈方法的NC用音频信号生成 单元。在本实施例中，NC用音频信号是通过前馈方法生成的，因此滤波 器电路33在下面将被称为FF滤波器电路33。
FF滤波器电路33完全与FB滤波器电路23相同，由DSP (数字信号 处理器)332、设置在其前级的A/D转换电路331、以及设置在其后级的 D/A转换电路333配置而成。
17然后，如图6所示，在麦克风31处收集和获得的模拟音频信号通过
麦克风放大器32被提供到FF滤波器电路33，并且被A/D转换电路331转 换成数字音频信号。然后，该数字音频信号被提供到DSP 332。
在DSP 332中，配置了用于生成前馈方法的数字NC用音频信号的数 字滤波器。该数字滤波器从输入其中的数字音频信号生成上述数字NC用 音频信号，该数字NC用音频信号具有与充当对其设定的参数的滤波器系 数相对应的属性。将要被设定到DSP 332的数字滤波器的滤波器系数的设 定方式与上述DSP 232的情况相同。
然后，在DSP 332的数字滤波器中，生成根据这样设定的滤波器系数 的数字消噪用音频信号。
然后，在DSP 332处生成的数字消噪用音频信号在D/A转换电路333 处被转换成模拟NC用音频信号。然后，该模拟NC用音频信号作为FF滤 波器电路33的输出信号被提供到加法电路16。
收听者11希望通过头戴式耳机收听的输入音频信号(音乐信号等 等)S通过音频信号输入端子14和均衡器电路15被提供到加法电路16。 均衡器电路15使输入音频信号经历声学校正。
作为加法电路16的加法结果的音频信号通过功率放大器17被提供到 头戴式耳机驱动器13，并且被声学地再现。被声学再现并从头戴式耳机驱 动器13发出的音频包括在FB滤波器33处生成的NC用音频信号的声学 再现成分。在头戴式耳机驱动器13处声学再现并发出的音频中，NC用音 频信号的声学再现成分和噪声18'被声学合成，从而降低(消去)消噪点 Pc处的噪声18'。
FF滤波器电路33的配置与FB滤波器电路23的相同，但是两者之间 的差异在于，将被提供给构成DSP 332的数字滤波器的滤波器系数是针对 反馈方法的或者针对前馈方法的。
接下来，将参考图7通过采用传递函数来描述前馈NC系统的消噪操 作。与图6所示的框图相对应的图7是通过采用其传递函数来表示每个单 元的框图。
在图7中，A表示功率放大器17的传递函数，D表示头戴式耳机驱动器13的传递函数，M表示与麦克风31和麦克风放大器32相对应的部分 的传递函数，并且-ce表示为前馈设计的滤波器的传递函数。另外，H表示 从头戴式耳机驱动器13到消去点Pc的空间的传递函数，并且E表示将被 应用到作为收听目标的音频信号S的均衡器的传递函数。另外，F表示从 外部噪声源18的噪声N的位置到收听者的耳朵的消去点Pc的位置的传递 函数。
当如图7所示那样表示时，图7中的框可利用图4中的(表达式5) 来表示。注意，F'表示从噪声源到麦克风位置的传递函数。假定上述传递 函数是用复数表示法来指示的。
现在，在考虑理想状态时，如果传递函数F被表示为例如图4中的 (表达式6)所示，则图4中的(表达式5)可利用图4中的(表达式7) 来表示，其中噪声被消去，并且只有音乐信号(或者作为收听目标的音 乐，等等)被留下。这样，可以发现，即使利用图6中的NC系统，收听 者也可以收听与普通头戴式耳机操作的声音相同的声音。此时的声压P被 表示为例如图4中的(表达式7)所示。
但是，实际上，具有使得图4中的(表达式6)完全成立的传递函数 的完整滤波器配置是很困难的。尤其，对于中频和高频，取决于个人的安 装状态和耳朵形状，个体差异是很大的，并且属性根据噪声位置和麦克风 位置而改变。根据这种原因，通常，对于中频和高频，不执行上述的主动 消噪处理，而经常在头戴式耳机壳体12处执行被动声音隔离。
注意，从数值表达式明显可见，图4中的(表达式6)意味着从噪声 源到耳朵位置的传递函数是用包括数字滤波器的传递函数a的电路来模拟 的。
注意，如图6所示，图6的示例的前馈型中的消去点可被设定到收听 者的任意耳朵位置，这与图2所示的反馈型是不同的。
但是，在通常情况下，a是固定的，并且是在设计阶段以某个目标属 性为对象来确定的。耳朵形状取决于个人而有所不同，从而，无法获得充 分的消噪效果，并且噪声成分被添加了非逆相位，从而发生出现异常噪声 的现象。一般来说，如图8所示，在前馈方法中，振荡的可能性较低，并且从 而稳定性较高，但是难以获得充分的衰减幅度。另一方面，在反馈方法 中，并不能够预期较大的衰减幅度，但是系统稳定性很重要。
注意，可以进行一种布置，其中，上述描述中的均衡器电路15被配
置在DSP 332内，音频信号S被转换成数字信号，并且被提供到DSP332 内的均衡器电路。
注意，已经描述了 FB滤波器电路23和FF滤波器电路33具有数字处 理电路配置的情况，但是也可具有模拟处理电路配置。 实施例的描述
当尝试通过上述NC技术在实际音频再现环境中执行降噪时，要收听 的音频信号在实际噪声环境下在充当声电转换单元的示例的麦克风处被收 集，因此要收听的音频信号也被该NC功能所降低。在以下实施例中，被 NC功能降低了的要收听的音频信号通过NR技术而经历音频强调。
第一实施例
硬件配置示例
图1是根据本发明的降噪音频再现设备的第一实施例的框图。第一实 施例是降噪音频再现设备己被应用到上述头戴式耳机设备的情况。从而， 与上述相同的部分将用相同的标号来表示。注意，为了简化说明，图1只 示出关于两个左右声道中的一个声道的配置示例。对于另一声道也可以通 过相同的方式来配置相同的配置。
根据第一实施例的头戴式耳机设备具有前馈方法NC系统(图6)的 配置。从而，包括在头戴式耳机壳体外部设置的麦克风31处收集的噪声 的音频信号被提供到前馈方法的NC用滤波器电路(FF滤波器电路)33。
然后，在NC用滤波器电路33处生成的NC用音频信号通过加法电路 16和功率放大器17被提供到头戴式耳机驱动器13。这样，如上所述，利 用前馈方法，实际音频再现收听环境中的噪声被降低了。
然后，在第一实施例中，例如，在收听音乐期间，作为要舒适地收听 的音频，诸如谈话音频之类的要收听的音频可在戴上头戴式耳机的状态中 从头戴式耳机驱动器13收听。
20在根据第一实施例的头戴式耳机设备中，在操作单元46上设置了音 频监视按钮。在第一实施例中，在音频监视按钮被按压的区间(以下称之 为"监视按钮ON区间")期间，要收听的谈话音频等等被强调，并且在
头戴式耳机驱动器13处被声学再现。
从而，在第一实施例中，从麦克风放大器32到麦克风31收集的外部 音频的音频信号通过非必要频带去除滤波器41被提供到NR处理单元 42，并且经历音频强调。
然后，来自NR处理单元42的经历了音频强调的音频信号通过用于收 听仅关于期望收听区间的要收听的音频的开关电路43被提供到加法电路 16。
注意，在本示例中，采用了前馈NC技术，因此可在麦克风31处收集 要收听的外部音频。从而，NC功能中的噪声收集和对要收听的外部音频 的收集共用麦克风31。但是，可以为NC功能中的噪声收集和对要收听的 外部音频的收集采用不同的麦克风。
非必要频带去除滤波器41用于去除除了要收听的音频成分之外的非 必要频带音频成分，并且不是必不可少的，而是可以不设置。在此示例 中，诸如谈话音频之类的语音音频被当作收听目标，因此非必要频带去除 滤波器41具有带通滤波器配置，例如，以300 Hz至3 kHz的频带作为通 带。
在第一实施例中，NR处理单元42执行上述SS方法的NR处理。具 体来说，从来自非必要频带去除滤波器41的音频信号的功率谱中减去估 计噪声的功率谱，从而降低噪声。
在第一实施例中，要减去的噪声的功率谱被当作实际音频再现环境下 的音频监视时的噪声的功率谱。因此，在第一实施例中，如图9所示，监 视按钮ON区间被划分成充当第一部分区间的噪声收集模式区间，以及随 后的降噪模式(NR模式)区间。
作为噪声收集模式区间的长度，可以取这样的长度，其中，生成实际 音频再现环境下的音频监视时的噪声的功率谱，并且可将所生成的功率谱 存储在存储单元中。
21在降噪模式区间中，在降噪模式区间即将开始之前的噪声收集模式区 间中存储的噪声的功率谱被从来自非必要频带去除滤波器41的音频信号 的功率谱中减去，从而降低噪声以强调要收听的音频。
控制单元44识别操作单元46的音频监视按钮的ON/OFF，以控制噪 声收集模式区间处的处理和降噪模式区间处的处理。具体来说，在噪声收 集模式区间中，控制单元44控制噪声的功率谱在噪声信息存储单元45中 的存储。另外，在降噪区间中，控制单元44执行以下控制，其中，噪声 的功率谱被从噪声信息存储单元45中读出，并且被提供到NR处理单元 42以便进行减法。
然后，控制单元44执行以下控制，其中，开关电路43仅在降噪模式 区间被接通。
图10示出了本示例的NR处理单元42的具体配置示例。具体来说， 来自非必要频带去除滤波器41的音频信号在A/D转换器401处被转换成 数字音频信号，然后被提供到FFT (快速傅立叶变换)处理单元402，并 且经历傅立叶变换。然后，在噪声收集模式区间中，来自FFT处理单元 402的每个频谱成分在谱平均处理单元403处被取平均，以生成噪声的功 率谱。
然后，在噪声收集模式区间中，来自谱平均处理单元403的噪声的功 率谱被传送到控制单元44。控制单元44把所获得的噪声的功率谱存储在 噪声信息存储单元45中。
另外，由来自FFT处理单元402的每个频谱构成的音频信号的功率谱 被提供到谱减法处理单元404。然后，控制单元44从噪声信息存储单元 45中读出噪声的功率谱，并将其提供给谱减法处理单元404。
谱减法处理单元404从来自FFT处理单元402的音频信号的功率谱中 减去上述噪声的功率谱。然后，谱减法处理单元404将减法结果的谱提供 给音乐噪声去除滤波器405。音乐噪声去除滤波器405从减法结果的谱中 执行音乐噪声去除处理以将该去除后的谱提供给IFFT (逆FFT)处理单元 406。 IFFT处理单元406将其中去除了音乐噪声的减法结果的谱返回到充 当时序信号的数字音频信号。然后，IFFT处理单元406将数字音频信号提供到D/A转换器407。 D/A转换器407将数字音频信号转换成模拟音频信号，并且将该模拟音频 信号输出到NR处理单元42作为输出信号。
第一实施例的操作
如图9所示，当操作单元46的音频监视按钮未被按压时，在图l的设 备中，开关电路43被控制单元44关断，这防止了 NR处理单元42的系统 激活。因此，根据第一实施例的降噪音频再现设备(头戴式耳机设备)成 为了其中只有NC功能单元为活动的正常NC模式。
在正常NC模式中，外部噪声被降低。然后，通过音频信号输入端子 14输入的音频信号通过均衡器电路15、加法电路16和功率放大器17被提 供到头戴式耳机驱动器13，并且在外部噪声被降低的状态中被舒适地再 现。
在正常NC模式的状态中，当用户按压操作单元46的音频监视按钮以 接通它以便收听例如另一方的语音时，控制单元44把根据第一实施例的 设备设定到噪声收集模式。然后，在该噪声收集模式中，如上所述，控制 单元44将NR处理单元42的谱平均处理单元403的输出存储在噪声信息 存储单元45中，作为此时刻外部环境中的噪声的功率谱。
在向噪声信息存储单元45中存储噪声的功率谱的操作完成后，控制 单元44把根据第一实施例的设备切换到降噪模式。在降噪模式中，控制 单元44接通开关电路43，并且还从噪声信息存储单元45中读出噪声的功 率谱，以将其提供给NR处理单元42的谱减法处理单元404。
从而，在NR处理单元42中，谱减法处理单元404从在麦克风31处 收集的音频信号的功率谱中减去噪声的功率谱。然后，该减法结果通过音 乐噪声去除滤波器405被提供到IFFT处理单元406，并且被转换成数字音 频信号，该数字音频信号是时间轴信号。该数字音频信号被D/A转换器 407转换成模拟音频信号，并且通过开关电路43被提供到加法电路16， 并且被添加到来自均衡器电路15的音频信号和NC用音频信号。该加法信 号通过功率放大器17被提供到头戴式耳机驱动器13，并且被声学再现。
将参考图11至图13的频率属性图来进一步描述降噪模式中的音频强200910151246.8
调操作。
现在，假定降噪模式中的外部环境音频例如是图11中的(A)和图
12中的(A)的情况。在图11中的(A)和图12中的(A)中，外部环境 是噪声环境，噪声水平较高，并且另一方的语音音频信号Sm处于被噪声 N所模糊的状态中。注意，图11中的(A)和图12中的(A)是完全相同 的图。
在这种外部环境中，对于根据第一实施例的降噪音频再现设备而言， 通过例如图11的(B)中的阴影部分中所示的NC功能的消噪效果来降低 噪声。但是，此时，要收听的音频信号Sm也成了被降低的音频信号 Sm'，例如图ll的(B)中的实线中所示。
另一方面，在NR处理单元42中，图12的(A)中所示的外部环境 的噪声N被降低，例如图12的(B)中的实线中的噪声N'所示，并且要 收听的音频信号Sm经历音频强调。
然后，在加法电路16中，如图11的(B)所示，由于消噪效果而被 降低的音频信号Sm'和如图12的(B)所示被降低了噪声并且经历了音频 强调的音频信号Sm被相加。因此，如图13所示，由于消噪效果而被降低 的音频信号Sm'和通过NR处理单元42而经历音频强调的音频信号Sm的 合成信号与经历了消噪和降噪的噪声相比得到了强调。
从而，来自头戴式耳机驱动器13的声学再现声音成为音频信号Sm'和 被NR处理单元42进行音频强调的音频信号Sm的合成声音，从而收听者 可以在音频清晰度改善的情况下收听音频信号。
第二实施例
在上述第一实施例中，对于来自麦克风31的音频信号，并行设置了 NC处理系统和NR处理单元42。也就是说，进行了一种布置，其中，来 自麦克风31的音频信号被提供到NC用滤波器电路33，并且还通过非必 要频带去除滤波器41被提供到NR处理单元42。
另一方面，在第二实施例中，如图14所示，来自NC用滤波器电路 33的NC用音频信号的逆相位的输出信号被提供到非必要频带去除滤波器 41。在这里，NC用音频信号的逆相位的输出信号是消噪信号的逆相 信号，因此包括同一相位的在麦克风31处收集的噪声和语音信号。其他配 置与上述第一实施例相同。
也就是说，在第二实施例中，来自NC用滤波器电路33的NC用音频 信号的逆相位信号中包括的音频信号在非必要频带去除滤波器41处经历 非必要频带去除，然后被NR处理单元42进行音频强调。然后，在降噪模 式中，该经过音频强调的音频信号通过开关电路43在加法电路16被添加 到NC用音频信号。
注意，在第二实施例中，在噪声收集模式中，来自NC用滤波器电路 33的NC用音频信号的逆相位信号中包括的噪声的功率谱被控制单元44 存储在噪声信息存储单元45中。然后，以与上述第一实施例中相同的方 式，在降噪模式中，所存储的噪声的功率谱被提供到NR处理单元42，并 且被用于SS方法处理。
第二实施例的操作
在第二实施例中，同样，噪声收集模式在音频监视按钮的按压区间的 第一区间是活动的，并且降噪模式在其随后区间是活动的，从而执行音频 强调，这与第一实施例完全相同。
第二实施例的降噪模式中的音频强调操作与第一实施例的情况不同。 将参考图11、图15和图16的频率属性图来描述第二实施例中的降噪模式 中的音频强调操作。
在第二实施例中，同样，假定外部环境是例如图11中的(A)所示的 噪声环境，噪声水平较高，并且另一方的语音音频信号Sm处于被噪声N 所模糊的状态中。
在这种外部环境中，对于根据第二实施例的降噪音频再现设备而言， 通过例如图11的(B)和图15的(A)中的阴影部分中所示的NC功能的 消噪效果来降低噪声。注意，图11中的(B)和图15中的(A)是完全相 同的图。然后，此时，要收听的音频信号Sm成了被降低的音频信号 Sm'，例如图11的(B)和图15的(A)中的实线中所示。
在第二实施例中，用于进行NC以获得例如图11的(B)和图15的 (A)中所示的NC效果的音频信号的逆相位信号在NR处理单元42处经
25历通过SS方法进行的降噪，从而音频强调得以执行。NR处理单元42的 处理结果的音频信号的频率属性图在图15的(B)中示出。也就是说，根 据NR处理，噪声如图15的(B)的实线中所示被降低，从而，音频信号 Sm'被强调。
然后，在加法电路16中，来自NC用滤波器电路33的NC用音频信 号和来自NR处理单元42的经过强调的音频信号被相加，并且该相加结果 的音频信号通过功率放大器17被提供到头戴式耳机驱动器13，并且被声 学再现。
从而，在第二实施例的情况中，如图16所示，经过音频强调的音频 信号Sm'被添加到通过NC功能降低的音频信号Sm'，并且两者的合成声 音被提供给收听者。从而，收听者可以在音频清晰度改善的情况下收听音 频信号Sm。
第三实施例
上述的第一和第二实施例可由单声道配置构成，但是第三实施例是由 左声道和右声道的双声道立体系统配置而成的降噪音频再现设备的情况。
图17示出根据第三实施例的降噪音频再现设备的硬件配置示例的框 图。图17的示例是立体声头戴式耳机设备的配置示例。如图17所示，根 据本实施例的降噪音频再现设备包括用于左耳和右耳的头戴式耳机驱动器 13L和13R。虽然图中没有示出，但这些头戴式耳机驱动器13L禾n 13R被 设置在头戴式耳机壳体内。另外，在第三实施例中，在用于左耳和右耳的 头戴式耳机壳体外侧分别设置了麦克风31L和31R。
然后，在麦克风31L和31R处收集和获得的音频信号分别通过麦克风 放大器32L和32R被提供到A/D转换器34L和34R，并且被转换成数字音 频信号。
在第三实施例中，NC处理单元和NR处理单元被实现为单个DSP (数字信号处理器)400内的功能配置单元。因此，来自A/D转换器34L 和34R的数字音频信号被输入到DSP 400。
在DSP 400中，来自A/D转换器34L和34R的数字音频信号分别被提 供到NC用滤波器电路33L和33R。 NC用滤波器电路33L和33R具有与
26根据上述第一和第二实施例的NC用滤波器电路33相同的配置，并且生成
用于左声道和右声道的NC用音频信号。
来自NC用滤波器电路33L和33R的用于左声道和右声道的NC用音 频信号分别被提供到加法电路16L和16R。
另外，在第三实施例中，来自A/D转换器34L和34R的数字音频信号 在合成单元421处被合成，然后被提供到为左右两个声道共同设置的NR 处理单元420。 NR处理单元420具有与根据上述第一和第二实施例的NR 处理单元42相同的配置，并且通过SS方法执行NR处理。
来自NR处理单元420的音频信号通过开关电路430被提供到加法电 路16L和16R，并且被添加到来自NC用滤波器电路33L和33R的NC用 音频信号。
然后，来自加法电路16L和16R的数字音频信号分别被提供到D/A转 换器35L和35R，作为DSP 400的输出信号。然后，数字音频信号在D/A 转换器35L和35R处被转换成模拟音频信号，并且该模拟音频信号分别通 过功率放大器17L和17R被提供到用于左耳和右耳的头戴式耳机驱动器 13L和13R。
与上述第一和第二实施例一样，在第三实施例中也设置了控制单元 44、噪声信息存储单元45和包括音频监视按钮的操作单元46。
另外，在第三实施例中，同样，音频监视按钮被接通的区间(监视按 钮ON区间)的第一区间被当作为噪声收集模式区间，并且其随后区间被 当作降噪模式区间(参见图9)。
以与上述实施例的情况相同的方式，在第三实施例中，同样，控制单 元44在噪声收集模式区间获得来自NR处理单元420的噪声的功率谱，并 将其存储在噪声信息存储单元45中。然后，控制单元44在降噪模式区间 读出存储在噪声信息存储单元45中的噪声的功率谱并将其提供给NR处理 单元420，并且还仅在该降噪模式区间接通开关电路430。第三实施例中 的音频监视按钮ON区间的音频强调操作与第一实施例中描述的情况相 同。
如上所述，在第三实施例中，在按压操作单元46的音频监视按钮后，收听者可在音频监视按压区间以清楚的方式收听在头戴式耳机驱动器
13L和13R处收集的谈话音频等等。
注意，在图17的示例中，进行了一种布置，其中，来自A/D转换器 34L和34R的数字信号被合成，然后被提供到NR处理单元420，但是也 可以进行一种布置，其中，只有左声道和右声道之一的数字音频信号被提 供到NR处理单元420。
但是，在要以强调方式收听的音频的生成源被放置在用户(收听者) 正面的情况下，希望合成来自A/D转换器34L和34R的数字信号，然后将 其提供给NR处理单元420。这是因为可以增大音频信号的S/N，并且在 NR处理单元中，在左声道和右声道减去完全不同频带的信号的情况下， 可以减小左声道和右声道之间的不适之感。通常，在与某人交谈的情况 下，可以设想另一方位于正面，因此图17中的实施例可以被当作适当的 示例。
注意，NR处理可通过利用正面位置处的立体声麦克风和音频并且还 通过采用诸如独立成分分析(ICA)之类的用于声音源分离技术的技术来 执行。
另外，在图17的示例中，第一实施例被应用到了关于立体声音频信 号的音频强调，但是第二实施例也可被应用于其上。在此情况下，NC用 滤波器电路33L的输出信号以及NC用滤波器电路33R的输出信号可被合 成，以将其提供给NR处理单元420，或者NC用滤波器电路33L或33R 之一的输出提供可被提供给NR处理单元420。
注意，虽然图17中没有示出，但在通过头戴式耳机来收听音乐信号 的情况下，音乐信号的左声道和右声道的音频信号应当分别被添加到来自 D/A转换器35L和35R的音频信号，这与第一和第二实施例一样。
第四实施例
第四实施例是由左声道和右声道的双声道立体声系统配置而成的降噪 音频再现设备的情况，这与第三实施例一样。第四实施例与第三实施例的 不同之处在于，采用了具有与采用SS方法的NR处理单元420不同配置的 音频强调电路。图18示出了根据第四实施例的降噪音频再现设备的硬件配置示例的 框图。图18中的示例是立体声头戴式耳机设备的配置示例。
在第四实施例中，如图18所示，来自A/D转换器34L和34R的数字 音频信号被提供到设置在DSP 400内的音频强调电路500。然后，来自音 频强调电路500的经过音频强调的音频信号通过开关电路430被提供到加 法电路16L和16R。
如下所述，根据第四实施例的音频强调电路500不采用其中执行通过 SS方法进行的NR处理的配置，噪声收集模式可被省略。从而，在第四实 施例中，没有设置噪声信息存储单元45。在操作单元46的音频监视按钮 被按压后，如图19所示，控制单元44立即从正常NC模式切换到降噪模 式，并且在音频监视按钮为ON的区间期间继续该降噪模式。然后，在音 频监视按钮被关断后，控制单元44从降噪模式切换到正常NC模式。
从而，在通过对操作单元46的音频监视按钮的按压检测到ON后，控 制单元44将开关电路430设定为ON，以进入对在麦克风31处收集的音 频信号进行强调的模式。
其他配置与第三实施例中的完全相同，因此对其的描述将被省略。
接下来，图20中示出了根据第四实施例的音频强调电路500的硬件 配置示例。来自A/D转换器34L和34R的数字音频信号分别被提供到频带 分割复信号分析单元501L和501R。频带分割复信号分析单元501L和 501R中的每一个例如是用于获得通过将音频信号频带划分成多个频带而获 得的每个划分频带的音频信号(复信号)的电路单元。
频带分割复信号分析单元501L和501R中的每一个例如可由多个用于 获得每个划分频带的信号的复数带通滤波器配置而成。或者，可以进行一 种布置，其中，为每个划分频带收集通过FFT处理获得的频谱信号，从而
获得其合成输出或平均输出。
来自频带分割复信号分析单元501L和501R的每一个相同划分频带的 复信号成分被各自提供到正面方向成分强调电路502。图20只示出一个正 面方向成分强调电路502，但实际上，正面方向成分强调电路502的数目 等于划分频带的数目，并且来自频带分割复信号分析单元501L和501R的每一个相同划分频带的复信号成分各自被提供给每个正面方向成分强调电
路502。
正面方向成分强调电路502是由加法器5021、放大器5022、增益乘 法器5023、相位比较器5024和增益生成器5025配置而成的。
来自频带分割复信号分析单元501L和501R的同一划分频带的复信号 在加法器5021处被相加，然后通过放大器5022被提供到增益乘法器 5023。另外，来自频带分割复信号分析单元501L和501R的同一划分频带 的复信号被提供到相位比较器5024以执行相位比较。
在第四实施例中，与第三实施例相同，谈话音频作为要收听的音频被 强调。因此，在第四实施例中，以具有相同相位的频率成分作为来自正面 方向的音频信号成分，对于左声道和右声道的音频信号，增大了增益。
相位比较器5024比较来自频带分割复信号分析单元501L和501R的 同一划分频带的复信号的相位，以判定左声道和右声道的相位是否匹配或 者是否近似从而能被判定为匹配。然后，在判定左声道和右声道的相位匹 配或者近似从而能被判定为匹配的情况下，与其他划分频带成分相比，增 大将要从增益生成器5025提供到增益乘法器5023的乘法系数(增益 值)。
来自增益生成器5025的乘法系数(增益值)被提供到增益乘法器 5023。然后，在增益乘法器5023中，来自放大器5022的音频信号被乘以 来自增益生成器5025的增益值。然后，来自增益乘法器5023的被乘以增 益值的音频信号(复信号)被提供到频带分割复信号合成单元503。
频带分割复信号合成单元503对于每个划分频带合成来自正面方向成 分强调电路502的音频信号(复信号)。在频带分割复信号分析单元501L 和501R包括FFT处理单元的情况下，频带分割复信号合成单元503包括 IFFT (逆FFT)处理单元。
然后，来自频带分割复信号合成单元503的频率合成信号通过开关电 路430被提供到加法电路16L和16R。
根据第四实施例，在音频强调电路500中，来自收听者11的正面方 向的另一方的音频信号被进行音频强调。从而，音频监视按钮被操作为ON,这样收听者即使在噪声环境下也能够在清晰可听的状态中收听谈话 音频。
注意，在第四实施例中，为了只强调正面方向的音频信号，进行了一
种布置，其中，在相位比较器5024处检测在左声道和右声道为相同相位 的频率成分，并且增大关于该频率成分的增益。但是，例如在诸如左斜45 度方向、右斜45度方向等等之类的倾斜方向取代正面方向被当作判定方 向并且这种方向上的频率成分被强调的情况下，在相位比较器5024处应 当检测左声道和右声道处的这种倾斜方向上的音频信号的相位差异。
另外，由多个麦克风构成的所谓的阵列麦克风取代单个麦克风被用作 麦克风31L和31R，从而在该阵列麦克风处也可以只收集以入射方向作为 判定方向的音频信号。
注意，频带分割复信号分析单元501L和501R可被配置为采用多相位 滤波器(polyphase filter)或OMF (正交镜像滤波器；4相镜像划分滤波 器)。
第五实施例
在根据上述的第一至第四实施例的降噪音频再现设备中，前馈NC处 理系统被用作NC处理系统。但是，反馈NC处理系统也可被用作NC处 理系统，其中麦克风被设置在头戴式耳机壳体内。但是，在此情况下，麦 克风充当输入到NR处理单元42和420的音频信号的收集单元，并且音频 强调电路500不充当NC处理系统，并且被单独设置在头戴式耳机壳体之 外。
第五实施例是NC处理系统采用反馈方法的情况。图21是示出根据第 五实施例的降噪音频再现设备的硬件配置示例的示图。图21中的示例是 与单声道相对应的配置，但图21中的配置是设置在左声道和右声道中的 每一个之中的，从而也可采用与立体声系统相对应的配置。在图21中的 示例中，同样，与上述实施例中相同的部分用相同的标号来表示。
具体来说，在第五实施例中，在设置于头戴式耳机壳体内的麦克风21 处收集的音频信号通过麦克风放大器22被提供到反馈方法的NC用滤波器 电路(FB滤波器电路)23。然后，来自NC用滤波器电路23的NC用音
31频信号被提供到加法电路16。
另一方面，来自附接到头戴式耳机壳体外部的麦克风31的音频信号
通过麦克风放大器32被提供到非必要频带去除滤波器41。然后，与上述 的第一和第二实施例中相同，非必要频带去除滤波器41的输出音频信号 被提供到NR处理单元42，并且通过经历例如SS方法的NR处理而被进 行音频强调。然后，经过音频强调的音频信号通过开关电路43被提供到 加法电路16，并且与NC用音频信号相加。然后，来自加法电路16的音 频信号通过功率放大器17被提供到头戴式耳机驱动器13。
在第五实施例中，执行了与上述的第一和第二实施例中相同的处理操 作，只不过NC处理是通过反馈方法来执行的，并且获得了相同的操作效 果。
第六实施例
第六实施例是NC处理系统采用反馈方法和前馈方法两者的情况。图 22是示出根据第六实施例的降噪音频再现设备的硬件配置示例的示图。图 22中的示例是与单声道相对应的配置，但图22中的配置是设置在左声道 和右声道中的每一个之中的，从而可以采用与立体声系统相对应的配置。 在图22中的示例中，同样，与上述实施例中相同的部分用相同的标号来 表示。
具体来说，在第六实施例中，在设置于头戴式耳机壳体内的麦克风21 处收集的音频信号通过麦克风放大器22被提供到反馈方法的NC用滤波器 电路(FB滤波器电路)23。然后，来自NC用滤波器电路23的NC用音 频信号被提供到加法电路16。
另外，来自附接到头戴式耳机壳体外部的麦克风31的音频信号通过 麦克风放大器32被提供到前馈方法的NC用滤波器电路(FF滤波器电 路)33。然后，来自NC用滤波器电路33的NC用音频信号被提供到加法 电路16。
另外，来自附接到头戴式耳机壳体外部的麦克风31的音频信号通过 麦克风放大器32被提供到非必要频带去除滤波器41。然后，与上述的第 一和第二实施例中相同，非必要频带去除滤波器41的输出音频信号被提供到NR处理单元42，并且通过经历例如SS方法的NR处理而被进行音 频强调。然后，经过音频强调的音频信号通过开关电路43被提供到加法 电路16，并且与NC用音频信号相加。然后，来自加法电路16的音频信 号通过功率放大器17被提供到头戴式耳机驱动器13。
在第六实施例中，执行了与上述的第一和第二实施例中相同的处理操 作，只不过NC处理是通过采用反馈方法和前馈法两者来执行的，并且获 得了相同的操作效果。
第七实施例
第七实施例是这样一个示例，即，NC处理系统是通过反馈方法执行 的，但是其NC用滤波器电路的滤波器系数是以自适应方式来控制的。
具体来说，在第七实施例中，来自附接到头戴式耳机壳体外部的麦克 风31的音频信号通过麦克风放大器32被提供到前馈方法的NC用滤波器 电路33。然后，来自NC用滤波器电路33的NC用音频信号被提供到加法 电路16。
另外，在设置于头戴式耳机壳体内的麦克风21处收集的音频信号通 过麦克风放大器22被提供到自适应处理生成单元61。自适应处理生成单 元61以自适应方式生成NC用滤波器电路33的滤波器系数，以将其提供 给NC用滤波器电路33。
具体来说，NC用音频信号被头戴式耳机驱动器13声学再现，从而消 去头戴式耳机壳体内的声学再现空间内的噪声。自适应处理生成单元61 以自适应方式控制NC用滤波器电路33的滤波器系数的生成，从而使得从 麦克风21获得的消噪后的音频信号中包括的噪声的残差变为零。
这样，在第七实施例中，实际音频再现环境中的噪声通常是以自适应 方式来消去的。
在第七实施例中，同样，来自附接到头戴式耳机壳体外部的麦克风31 的音频信号通过麦克风放大器32被提供到非必要频带去除滤波器41。然 后，与上述的第一和第二实施例中相同，非必要频带去除滤波器41的输 出音频信号被提供到NR处理单元42，并且通过经历例如SS方法的NR 处理而被进行音频强调。然后，经过音频强调的音频信号通过开关电路43被提供到加法电路16，并且与NC用音频信号相加。然后，来自加法电路
16的音频信号通过功率放大器17被提供到头戴式耳机驱动器13。
在第七实施例中，执行了与上述的第一和第二实施例中相同的处理操
作，只不过通过采用前馈方法来执行NC处理并以自适应方式来控制其滤
波器系数，并且获得了相同的操作效果。 其他实施例
在上述的实施例中，通过NR处理等等对某个时间点在麦克风处收集 的人类语音的音频信号进行了音频强调，但是，在对曾经记录的音频信号 进行再现时，也可强调再现的音频。
图24A和24B是用于描述IC记录器的情况下的配置示例的框图，图 24A示出了其记录系统的配置示例，图24B示出了其再现系统的配置示 例。
此示例中的IC记录器包括两个麦克风71L和71R，并且，如图24A 所示，在两个麦克风71L和71R处收集的音频的音频信号通过麦克风放大 器72在A/D转换器73处被转换成数字音频信号。
然后，来自A/D转换器73的数字音频信号在记录编码单元74处经历 包括数据压缩等等在内的记录编码处理，然后通过记录单元75被记录在 记录介质中，在此示例中该记录介质即为闪存76。记录编码单元74由 DSP配置而成。
这样记录在闪存76中的数字音频信号在例如图24B所示的再现系统 处被再现。具体来说，从闪存76中读出的数字音频信号在解码单元81处 被解码，然后被提供到NR处理单元82，在该处执行根据例如SS方法等 等的NR处理。例如，在记录时收集并记录在例如闪存76中的噪声的功率 谱可被用作将要用于根据SS方法的NR处理的噪声的功率谱。
被NR处理单元82进行音频强调的再现音频信号被提供到加法单元 83。另一方面，在麦克风71L和71R处收集的音频的音频信号通过麦克风 放大器72在A/D转换器73处被转换成数字音频信号。然后，来自A/D转 换器73的数字音频信号被提供到NC用滤波器电路84。
在此示例中，根据前馈方法的NC用滤波器电路被用作NC用滤波器电路84。 NC用滤波器电路84生成NC用音频信号，并且将所生成的NC 用音频信号提供给加法单元83。
来自加法单元83的NC用音频信号和经历了 NR处理和音频强调的再 现音频信号的加法信号在D/A转换器85处被转换成模拟音频信号。然 后，来自D/A转换器85的模拟音频信号分别通过功率放大器86L和86R 被提供到扬声器或头戴式耳机驱动器87L和87R。注意，在图24B中，以 虚线围绕的配置部分是由DSP配置而成的部分。
在上述配置中，实际音频再现环境中的噪声被来自NC用滤波器电路 84的NC用音频信号所消去。然后，再现的音频通过NR处理而被进行音 频强调，并且被声学再现。从而，再现的音频成为了清晰可听的音频。
其他实施例和修改
在除了上述第四实施例之外的其他实施例中，SS方法被用于NR处理 单元。从而，执行了控制，使得当音频监视按钮被按压时，首先，用于获 得噪声的功率谱的噪声收集模式被激活，然后，降噪模式被激活，但是噪 声收集模式也可在另外的定时区间执行。
例如，可以进行一种布置，其中，在电源被接通时，或者按预定的时 间间隔，自动激活噪声收集模式，并且将噪声的功率谱存储在噪声信息存 储单元中。
或者，可以进行一种布置，其中，当麦克风的输入变成大音量声音 时，或者当外部环境噪声改变时，等等，噪声收集模式被自动激活，并且 噪声的功率谱被存储在噪声信息存储单元中。外部环境噪声的改变例如可
通过下述方式来检测监视麦克风31的音频信号电平，以检测该音频信
号电平改变到超过阈值电平。
在这种情况下，音频监视按钮ON区间可以被设定成仅为降噪模式区 间，如图19所示。然后，在正常NC模式区间中，正常NC模式被适当切 换到噪声收集模式，在该模式中执行噪声的功率谱的收集和存储。
另外，除了音频监视按钮被按压时，降噪模式也可被自动激活。例 如，对于来自麦克风31的音频信号，判定人类语音音频信号是否被包括 在该音频信号中，并且当判定包括人类语音音频信号时，正常NC模式可被自动切换到降噪模式。
或者，可以进行一种布置，其中，设置了用于判定安静音频再现环境 改变到有噪音频再现环境的判定单元，并且根据该判定单元的判定结果， 当改变到有噪音频再现环境时，降噪模式被自动激活。在此情况下，希望 在检测到改变成有噪音频再现环境的第一定时区间激活噪声收集模式，并 且将这种环境下的噪声的功率谱存储在噪声信息存储单元中。
注意，NR处理单元当然不限于上述的SS方法，而是可以采用各种技术。
另外，在对上述实施例的描述中，将模拟音频信号用作将要被提供到
头戴式耳机驱动器的音频信号，并且相应地设置了 D/A转换器和功率放大
器。但是，在头戴式耳机驱动器可由数字音频信号驱动的情况下，希望设
置数字放大器而不是D/A转换器和功率放大器。
另外，在上述实施例中，设置了在降噪模式中接通并在其他模式中关
断的开关电路43和430。但是，可以进行一种布置，其中，控制单元44 控制NR处理单元42和420或者音频强调电路500的操作的开/关，或者 对NR处理单元42和420或音频强调电路500的输出音频信号执行消音控 制，从而省略开关电路。
另外，上述实施例是降噪音频再现设备被应用到头戴式耳机设备的情 况，并且描述了设置NC用滤波器电路、NR处理单元、音频强调电路、 控制单元等等的情况。但是，可以进行一种布置，其中，只有麦克风和头 戴式耳机驱动器被设置在头戴式耳机设备中，而诸如NC用滤波器电路、 NR处理单元、音频强调电路、控制单元等等被设置在与头戴式耳机设备 相连的音乐再现设备等等之中。
另外，本发明可应用到充当用于降低外部噪声的降噪设备的头戴式耳 机设备而不是用于音乐再现的头戴式耳机设备。另外，本发明可配置为助 听器。
本发明包含与2008年6月27日向日本专利局提交的日本在先专利申 请JP 2008-168373中公开的内容相关的主题，这里通过引用将该申请的全 部内容并入。本领域的技术人员应当理解，取决于设计要求和其他因素，可以进行 各种修改、组合、子组合和变更，只要它们处于权利要求或其等同物的范 围之内。
权利要求
1.一种降噪音频再现设备，包括消噪处理单元，用于从由用于收集噪声的第一声电转换单元所收集和获得的噪声的音频信号来生成消噪用音频信号以通过以声学方式合成所述消噪用音频信号和所述噪声来消去所述噪声，并且使得电声转换单元在声学上再现所述消噪用音频信号以便以声学方式合成所述消噪用音频信号和所述噪声；第二声电转换单元，用于收集要收听的音频信号；音频强调单元，用于在由所述第二声电转换单元所收集的音频信号中强调要收听的音频成分；合成单元，用于合成来自所述音频强调单元的被强调了所述要收听的音频成分的音频信号和所述消噪用音频信号，以将该合成的信号提供到所述电声转换单元；以及控制单元，用于执行控制以仅在基于控制信号的区间中，向所述合成单元提供被所述音频强调单元强调了所述要收听的音频成分的音频信号。
2. —种降噪音频再现设备，包括消噪用音频信号生成单元，用于从由用于收集噪声的声电转换单元所 收集和获得的噪声的音频信号来生成消噪用音频信号以通过以声学方式合 成所述消噪用音频信号和所述噪声来消去所述噪声；电声转换单元，用于在声学上再现所述消噪用音频信号以便以声学方 式合成所述消噪用音频信号和所述噪声；音频强调单元，用于在来自所述消噪用音频信号生成单元的音频信号 中强调要收听的音频成分；合成单元，用于合成来自所述音频强调单元的被强调了所述要收听的音频成分的音频信号和所述消噪用音频信号，以将该合成的信号提供到所 述电声转换单元；以及控制单元，用于执行控制以仅在基于控制信号的区间中，向所述合成 单元提供被所述音频强调单元强调了所述要收听的音频成分的音频信号。
3. 根据权利要求1所述的降噪音频再现设备，其中，所述第一声电转 换单元和所述第二声电转换单元是由共同的声电转换单元配置而成的。
4. 根据权利要求1或权利要求2所述的降噪音频再现设备，还包括 操作输入单元，用于接受指定一区间的操作输入，在该区间中，被强调了所述要收听的音频成分的音频信号被收听；其中，所述控制单元基于通过所述操作输入单元的所述操作输入来生 成所述控制信号，以仅在所述操作输入所指定的区间中将所述被强调的音 频信号提供给所述合成单元。
5. 根据权利要求2所述的降噪音频再现设备，其中，所述音频强调单元由用于通过从在所述第二声电转换单元处收集的所述包括噪声的音频信 号的功率谱中减去预先存储在存储单元中的噪声的功率谱来强调所述要收听的音频成分的单元配置而成。
6. 根据权利要求1所述的降噪音频再现设备，其中，所述音频强调单 元由用于通过从在所述第二声电转换单元处收集的包括噪声的音频信号的 功率谱中减去预先存储在存储单元中的噪声的功率谱来强调所述要收听的 音频成分的单元配置而成。
7. 根据权利要求2所述的降噪音频再现设备，其中，所述音频强调单元由用于通过从来自所述消噪用音频信号生成单元的音频信号的功率谱中 减去预先存储在存储单元中的噪声的功率谱来强调所述要收听的音频成分 的单元配置而成。
8. 根据权利要求6所述的降噪音频再现设备，还包括 用于从在所述第二声电转换单元处收集的所述音频信号获得所述噪声的功率谱成分以将该功率谱成分预先存储在所述存储单元中的单元。
9. 根据权利要求7所述的降噪音频再现设备，还包括 用于从来自所述消噪用音频信号生成单元的音频信号获得所述噪声的功率谱成分以将该功率谱成分预先存储在所述存储单元中的单元。
10. 根据权利要求6所述的降噪音频再现设备，还包括操作输入单元，用于接受指定一区间的操作输入，在该区间中，被强调了所述要收听的音频成分的音频信号被收听；其中，所述控制单元执行控制，使得在通过所述操作输入单元的所述 操作输入所指定的区间的第一部分区间中，从在所述第二声电转换单元处 收集的所述音频信号获得所述噪声的功率谱成分并将该功率谱成分存储在 所述存储单元中，并且在所述指定的区间中的第一部分区间之后的区间 中，通过从在所述第二声电转换单元处收集的所述包括噪声的音频信号的 功率谱中减去存储在所述存储单元中的噪声的功率谱来强调所述要收听的音频成分，并且在所述第一部分区间之后的区间中将所述经过强调的音频 信号提供到所述合成单元。
11.根据权利要求7所述的降噪音频再现设备，还包括 操作输入单元，用于接受指定一区间的操作输入，在该区间中，被强 调了所述要收听的音频成分的音频信号被收听；其中，所述控制单元执行控制，使得在通过所述操作输入单元的所述 操作输入所指定的区间的第一部分区间中，从来自所述消噪用音频信号生 成单元的所述音频信号获得所述噪声的功率谱成分并将该功率谱成分存储 在所述存储单元中，并且在所述指定的区间中的第一部分区间之后的区间 中，通过从来自所述消噪用音频信号生成单元的所述包括噪声的音频信号 的功率谱中减去存储在所述存储单元中的噪声的功率谱来强调所述要收听的音频成分，并且在所述第一部分区间之后的区间中将所述经过强调的音 频信号提供到所述合成单元。
12. 根据权利要求3所述的降噪音频再现设备，由作为所述电声转换单元的用于左耳和用于右耳的头戴式耳机构成，其中，设置所述两个共同 的声电转换单元来收集用于左耳和用于右耳的头戴式耳机壳体的外部音频，并且为左耳和右耳各自设置了所述消噪处理单元和所述合成单元；并且，其中，所述音频强调单元是一个共同的单元，来自用于左耳和 用于右耳的所述声电转换单元的音频信号之一或二者被提供到该一个共同 的单元。
13. 根据权利要求12所述的降噪音频再现设备，所述一个共同的音频强调单元包括用于将来自所述用于左耳的声电转换单元的音频信号和来自所述用于右耳的声电转换单元的音频信号中的每一个划分成多个频带信号的单元； 增益控制单元，用于检测所述用于左耳的音频信号和所述用于右耳的音频信号的多个频带信号之中具有相同频带的信号之间的相位差异，以增大表现出预定相位差异的频带信号的增益，从而执行音频强调；以及用于合成被所述增益控制单元进行增益控制的所述多个频带信号并且以合成的信号作为所述经过音频强调的信号以及将要与用于左耳和用于右耳的所述消噪用音频信号相合成的信号的单元。
14. 根据权利要求12所述的降噪音频再现设备，所述一个共同的音频 强调单元包括用于通过从来自所述用于左耳的声电转换单元的音频信号和来自所述 用于右耳的声电转换单元的音频信号中的一个音频信号或者两者的合成信 号的功率谱中减去预先存储在存储单元中的噪声的功率谱来强调所述要收 听的音频成分的单元。
15. —种降噪音频再现方法，包括以下步骤从所收集和获得的噪声的音频信号来生成消噪用音频信号以通过以声 学方式合成所述消噪用音频信号和所述噪声来消去所述噪声，在声学上再 现所述消噪用音频信号以便以声学方式合成所述消噪用音频信号和所述噪 声；在所收集的音频中强调要收听的音频成分；合成被强调了所述要收听的音频成分的音频信号和所述消噪用音频信 号，以将该合成的信号提供到电声转换单元；以及进行控制以仅在基于控制信号的区间中向合成单元提供被强调了所述 要收听的音频成分的音频信号。
16. —种降噪音频再现方法，包括从所收集和获得的噪声的音频信号来生成消噪用音频信号以通过以声 学方式合成所述消噪用音频信号和所述噪声来消去所述噪声；在声学上再现所述消噪用音频信号以便以声学方式合成所述消噪用音 频信号和所述噪声；在音频信号中强调要收听的音频成分；合成被强调了所述要收听的音频成分的音频信号和所述消噪用音频信 号，以将该合成的信号提供到电声转换单元；以及执行控制以仅在基于控制信号的区间中提供被强调了所述要收听的音 频成分的音频信号。
全文摘要
本发明提供了降噪音频再现设备和降噪音频再现方法。该降噪音频再现方法包括以下步骤从所收集和获得的噪声的音频信号来生成消噪用音频信号以通过以声学方式合成消噪用音频信号和噪声来消去噪声，在声学上再现消噪用音频信号以便以声学方式合成消噪用音频信号和噪声；在所收集的音频中强调要收听的音频成分；合成被强调了要收听的音频成分的音频信号和消噪用音频信号，以将该合成的信号提供到电声转换单元；以及进行控制以仅在基于控制信号的区间中向合成单元提供被强调了要收听的音频成分的音频信号。
文档编号H04R3/00GK101616351SQ20091015124
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月29日 优先权日2008年6月27日
发明者大栗一敦, 板桥彻德, 浅田宏平, 铃木志朗 申请人:索尼株式会社