在anr耳机中同时提供音频和环境声音的制作方法
【专利说明】在ANR耳机中同时提供音频和环境声音
【背景技术】
[0001] 本公开涉及在主动噪声降低（ANR)耳机中提供自然的透听（hear-through)， 与ANR耳机中的透听同时再现音频信号，并且排除ANR耳机中的闭塞效应（occlusion effect)〇
[0002] 噪声降低耳机被用来阻止环境噪声到达用户的耳朵。噪声降低耳机可以是主动 的，即ANR耳机，在其中电子电路被用来生成与环境噪声相消干涉从而消除它的抗噪声信 号，或者噪声降低耳机可以是被动的，在其中耳机物理地阻塞及减弱环境声音。大多数主动 耳机还提供被动噪声降低措施。用于通信或者用于收听娱乐音频的耳机可以包括主动和被 动噪声降低能力中的一者或两者。ANR耳机可以针对音频（其包括通信和娱乐两者）和消 除使用相同的扬声器，或者可以针对每个具有单独的扬声器。
[0003] 一些耳机提供了通常称为"透讲（talk-through) "或"监听（monitoring) "的特 征，在其中外部麦克风被用来检测用户可能想听见的外部声音。那些声音被耳机内部的扬 声器再现。在具有透讲功能的ANR耳机中，用于透讲的扬声器可以是与用于噪声消除的相 同的扬声器，或者可以是附加的扬声器。外部麦克风还可以被用于前馈主动噪声消除，用于 通信的目的拾取用户自己的嗓音，或者外部麦克风可以专用于提供透讲。典型的透讲系统 仅向外部信号应用最小信号处理，并且我们将这些称为"直接透讲"系统。有时直接透讲系 统使用带通滤波器以限制外部声音至嗓音带或感兴趣的一些其它带。直接透讲特征可以是 手动触发的或者可以被诸如嗓音或警报之类的感兴趣的声音的检测触发。
[0004] 一些ANR耳机包括临时地减弱噪声消除使得用户可以听见环境的特征，但它们并 不同时提供透讲，反而，它们依赖于被动地穿过耳机的足够声音以使得环境可听见。我们将 该特征称为被动监听。
【发明内容】
[0005] 通常，在一些方面，主动噪声降低耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义 包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，声耦合至外部 环境并且电耦合至前馈主动噪声消除信号路径的前馈麦克风，被声耦合至声体积并且被电 耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，经由耳杯以内的体积被声耦合至声体积 并且被电耦合至前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的输出换能器，以及被配置为应用 滤波器和控制前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的增益的信号处理器。该信号处理器 被配置为在提供环境声音的有效消除的第一操作模式向前馈信号路径应用第一前馈滤波 器并且向反馈信号路径应用第一反馈滤波器，并且在提供具有环境自然度的环境声音的主 动透听的第二操作模式向前馈信号路径应用第二前馈滤波器。
[0006] 各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。前馈滤波器可以致使耳机具有在佩 戴者的耳朵处的可以是平滑及分段线性的总系统响应。在第一操作模式与第二操作模式之 间的语音噪声的总噪声降低之差可以至少为12dBA。第二前馈滤波器可以具有被选择为致 使公式^ +KhtTnX< ffe与预定目标值大致相等的值Kht。信号处理器可以进一步被配 ^oea uoea 置为在第二操作模式期间向反馈信号路径应用与第一反馈滤波器不同的第二反馈滤波器。 反馈信号路径和耳杯的结合可以在100Hz与10kHz之间的所有频率处以最少8dB减小到达 耳道的入口的环境噪声。反馈信号路径可以在高于500Hz延伸的频率范围是操作的。第二 前馈滤波器可以致使总系统响应在延伸到高于3kHz的频率的区域中是平滑的及分段线性 的。第二前馈滤波器可以致使总系统响应在延伸到低于300Hz的频率的区域中是平滑的及 分段线性的。反馈信号路径可以在数字信号处理器中被实施并且可以具有小于250 y s的 时延。第二前馈滤波器定义在特征化前馈信号路径的传递函数中的非最小相位零点。
[0007] 信号处理器可以进一步被配置为在提供具有与可以在第二操作模式中提供的总 响应不同的总响应的环境噪声的主动透听期间向所述前馈信号路径应用第三前馈滤波器。 可以提供用户输入，使得信号处理器被配置为基于所述用户输入在第一、第二或第三前馈 滤波器之间进行选择。用户输入可以包括音量控制。信号处理器可以被配置为在第二和第 三前馈滤波器之间自动进行选择。信号处理器可以被配置为基于环境噪声的水平的时间平 均测量在第二和第三前馈滤波器之间进行选择。信号处理器可以被配置为当接收到用于激 活透听模式的用户输入调用时在第二和第三前馈滤波器之间做出选择。信号处理器可以被 配置为周期性地在第二和第三前馈滤波器之间做出选择。
[0008] 信号处理器可以是第一信号处理器并且前馈信号路径可以是第一前馈信号路径， 使得耳机包括被配置为耦合至佩戴者的第二耳朵以定义包括佩戴者的第二耳道以内的空 气的体积以及第二耳杯以内的体积的第二声体积的第二耳杯，声耦合至外部环境并且电耦 合至第二前馈主动噪声消除信号路径的第二前馈麦克风，被声耦合至第二声体积并且被电 耦合至第二反馈主动噪声消除信号路径的第二反馈麦克风，经由第二耳杯以内的体积被声 耦合至第二声体积并且被电耦合至第二前馈和第二反馈主动噪声消除信号路径两者的第 二输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制第二前馈和第二反馈主动噪声消除信号路 径两者的增益的第二信号处理器。该第二信号处理器可以被配置为在第一信号处理器的第 一操作模式期间向第二前馈信号路径应用第三前馈滤波器并且向第二反馈信号路径应用 第一反馈滤波器，并且在第一信号处理器的第二操作模式期间向第二前馈信号路径应用第 四前馈滤波器。第一和第二信号处理器可以是单个信号处理设备的部分。第三前馈滤波器 可以不与第一前馈滤波器相同。第一或第二信号处理器中的唯一一个可以在第三操作模式 期间向对应的第一或第二前馈信号路径应用相应的第二或第四前馈滤波器。第三操作模式 可以响应于用户输入被激活。
[0009] 第一信号处理器可以被配置为从第二前馈麦克风接收交叉信号，向该交叉信号应 用第五前馈滤波器，并且将滤波的交叉信号插入至第一前馈信号路径中。信号处理器可以 进一步被配置为在第二操作模式期间向第一前馈信号路径应用单通道噪声降低滤波器。信 号处理器可以被配置为检测在前馈信号路径中的高频信号，将检测到的高频信号的幅度与 指示正反馈回路的阈值比较，并且如果检测到的高频信号的幅度大于阈值则激活压缩限幅 器。信号处理器可以被配置为当检测到的高频信号的幅度不再高于阈值时逐渐减小由限幅 器应用的压缩的量，并且如果检测到的高频信号的幅度在减小压缩的量之后回到高于该阈 值的水平则增大压缩的量至检测到的高频信号的幅度保持低于该阈值的最低水平。信号处 理器可以被配置为使用监视在前馈信号路径中的信号的锁相回路检测高频信号。
[0010] 该耳杯可以提供包围前馈麦克风的体积，使得网屏覆盖介于包围前馈麦克风的体 积与外部环境之间的孔。在包围前馈麦克风的体积与外部环境之间的孔至少为1〇_ 2。在 包围前馈麦克风的体积与外部环境之间的孔至少为20_2。网屏和前馈麦克风可以分开至 少1. 5mm的距离。
[0011] 通常，在一个方面，主动噪声降低耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义 包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，被声耦合至声 体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，经由第一体积被声耦合至 声体积并且被电耦合至反馈信号路径的输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制反馈 信号路径的增益的信号处理器。信号处理器被配置为向反馈信号路径应用第一反馈滤波器 并且向反馈信号路径应用第二反馈滤波器，在第一操作模式期间第一反馈滤波器致使反馈 信号路径在第一增益水平操作（作为频率的函数），在第二操作模式期间第二反馈滤波器 致使反馈信号路径在某些频率处小于第一增益水平的第二增益水平操作，第一增益水平是 导致当耳杯被耦合至佩戴者的耳朵时传导通过或围绕耳杯并且穿过用户的头部进入声体 积的声音的有效消除的增益的水平，并且第二水平是当耳杯被耦合至佩戴者的耳朵时与传 导通过佩戴者的头部的典型的佩戴者的嗓音的声音水平匹配的增益的水平。
[0012] 各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。前馈麦克风可以被声耦合至外部环 境并且被电耦合至前馈主动噪声消除信号路径，使得输出换能器被电耦合至前馈信号路径 并且信号处理器被配置为应用滤波器及控制前馈信号路径的增益。在第一操作模式中，信 号处理器可以被配置为向前馈信号路径应用第一前馈滤波器，连同向反馈信号路径应用第 一反馈滤波器以实现环境声音的有效消除，并且在第二操作模式中，信号处理器可以被配 置为向前馈信号路径应用第二前馈滤波器，第二滤波器被选择为提供具有环境自然度的环 境声音的主动透听。第二反馈滤波器和第二前馈滤波器可以被选择以提供具有自身自然 度的用户自己嗓音的主动透听。被应用至前馈路径的第二前馈滤波器可以是非最小相位响 应。小于被动传导通过佩戴者的头部的第一频率的典型的佩戴者的嗓音的声音在耳杯被耦 合至佩戴者的耳朵时可以被放大，并且高于所述第一频率的声音在耳杯被如此耦合时可以 被衰减，使得反馈信号路径在延伸高于第一频率的频率范围是操作的。
[0013] 信号处理器可以是第一信号处理器并且反馈信号路径可以是第一反馈信号路径， 使得耳机包括被配置为耦合至佩戴者的第二耳朵以定义包括佩戴者的第二耳道以内的空 气的体积以及第二耳杯以内的体积的第二声体积的第二耳杯，被声耦合至第二声体积并且 被电耦合至第二反馈主动噪声消除信号路径的第二反馈麦克风，经由第二耳杯以内的体积 被声耦合至第二声体积并且被电耦合至第二反馈主动噪声消除信号路径的第二