有源降噪耳机的制作方法
【专利摘要】一种有源降噪听筒，包括扬声器、多个麦克风和反馈系统。每个麦克风从扬声器和其他麦克风移位，并且每个麦克风响应于接收到的声学噪声而生成麦克风信号。反馈系统接收麦克风信号的合并并且生成被应用到扬声器的反相噪声信号。扬声器生成反相声学噪声信号，其基本上消除在相对于扬声器和麦克风的预定位置处的声学噪声信号。反馈系统可以包括与麦克风联通的麦克风信号合并器。麦克风信号合并器生成可以是麦克风信号的求和或加权求和并且可以被用来生成反相噪声信号的信号。相对于常规听筒而言，该听筒具有增大的降噪带宽以及改进的消除能力。
【专利说明】有源降噪耳机
【背景技术】
[0001] 本公开涉及有源降噪，并且更具体地，涉及使用用于有源降噪的多个反馈麦克风 的耳机。
【发明内容】
[0002] 以下提及的所有示例和特征可以以任何技术上可行的方式进行结合。
[0003] 在一个方面，有源降噪听筒包括听筒主体、扬声器、多个麦克风和反馈系统。扬声 器被附接到听筒主体并且被配置为响应于扬声器输入信号而生成声学信号。麦克风被附接 到听筒主体。每个麦克风从扬声器的位置并且从其他麦克风的位置移位。每个麦克风被配 置为响应于在麦克风处接收到的声学噪声信号而生成麦克风信号。反馈系统与扬声器和麦 克风联通。反馈系统接收麦克风信号并且生成扬声器输入信号。扬声器输入信号包括反相 噪声信号以在扬声器处生成反相声学噪声信号。反相声学噪声信号基本上消除在相对于扬 声器和麦克风的预定位置处的声学噪声信号。
[0004] 有源降噪耳机的各个实施例可以包括以下特征中的一个，或者其任意组合。
[0005] 麦克风中的一个麦克风可以被置于与扬声器接近并且麦克风中的另一个麦克风 可以被置于与扬声器远离。麦克风中的一个麦克风被置于在其中由反相声学噪声信号导致 的声压与在耳道内由反相声学噪声信号导致的声压基本上相等的位置。
[0006] 扬声器输入信号可以包括音频信号和反相噪声信号。
[0007] 听筒主体可以是罩耳式(circumaural)听筒主体、贴耳式(supra-aural)听筒主体 或入耳式（intra-aural)听筒主体。
[0008] 反馈系统可以包括与麦克风联通的麦克风信号合并器。在一个示例中，麦克风信 号合并器生成作为由多个麦克风生成的麦克风信号的求和的信号。在另一不例中，麦克风 合并器向麦克风信号中的至少一个麦克风信号应用权重，使得麦克风信号的求和是加权的 求和。
[0009] 在另一方面，提供了一种用于主动降噪的方法。该方法包括响应于在声学腔体中 的第一位置处的声学噪声信号而生成第一信号，响应于在声学腔体中的第二位置处的声学 噪声信号而生成第二信号，并且合并第一信号与第二信号以形成合并信号。第二位置与扬 声器分开并与第一位置分开。该方法还包括响应于合并信号而生成反相噪声信号以及响应 于反相噪声信号而在声学腔体中生成反相声学噪声信号。反相声学噪声信号基本上消除在 声学腔体中的预定位置处的声学噪声信号。
[0010]该方法的各个实施例可以包括以上和/或以下特征中的一个，或者其任意组合。
[0011] 第一位置可以接近于扬声器。预定位置可以是耳道。
[0012] 合并第一信号与第二信号可以包括对第一信号与第二信号求和。在对第一信号与 第二信号求和之前可以向第一信号和第二信号中的至少一个信号应用权重。
[0013] 该方法还可以包括响应于在与扬声器分开并且与第一位置、第二位置和任何其他 附加信号被生成的任何其他位置分开的位置处的声学噪声信号而生成至少一个附加信号。 在该示例中，合并信号可以包括第一信号、第二信号和附加信号的合并。
【附图说明】
[0014] 图1是有源降噪耳机的实施例的图示。
[0015] 图2是用于在图1的耳机的听筒中使用的反馈环路的逻辑布置的框图。
[0016] 图3A和图3B是用于有源降噪耳机的听筒的相应的内部图和截面侧视图。
[0017] 图4是用于听筒的有源降噪的方法的实施例。
[0018] 图5是根据用于听筒的三个不同的麦克风配置布置的测量到的非最小相位的绘 图。
[0019] 图6是针对在听筒中的单个麦克风配置以及其中在听筒中设置两个麦克风的实施 例的测量到的传递函数的绘图。
[0020] 图7是可以根据针对具有单个麦克风的听筒以及针对具有双麦克风配置的听筒的 实施例的频率被实现的消除的绘图。
【具体实施方式】
[0021] 出于使用户的耳朵与不理想的环境声音隔离的目的的有源降噪(ANR)耳机和具有 围绕用户的耳朵穿戴的听筒的个人ANR设备的其他物理配置已经变得普遍。在其中不理想 的环境噪声声音被抗噪声音的主动生成抵消的ANR耳机已经变得流行，即使与仅采用无源 降噪技术的耳机或耳塞相比（其中用户的耳朵与环境噪声被简单地物理隔离）。
[0022] ANR耳机可以使用反馈控制系统或前馈控制系统或者这两者的组合。基于ANR耳机 的反馈通常利用反馈系统，其包括位于接近用户的耳朵并且也接近听筒扬声器的位置处的 麦克风。反馈电路尝试减小由于声学噪声而生成的麦克风信号中的能量至零。为了消除由 麦克风感应到的噪声信号，补偿信号被生成，其与感应到的噪声信号的相位呈180反。由于 在扬声器与麦克风之间的距离，在扬声器处的噪声信号与在麦克风处接收到的噪声信号之 间的相位差随频率增大而增大。因而，更高的频率可以基于麦克风与扬声器的分离而经受 显著的相位差，这导致在反馈系统上的带宽限制。较低的频率更容易被消除，而越来越高的 频率变得更难消除，直到在某频率之上消除就不再可能。
[0023] 声学信号可以根据听筒中的位置而变化，因此通常理想的是在接近耳朵的位置处 提供麦克风以更加精确地确定在耳朵处接收到的噪声。然而，在给定频率处的相位差根据 与扬声器的距离增大而增大，因而从将麦克风放置在接近耳朵带来的任何益处至少部分被 无效。麦克风在耳机中的位置通常被选择为平衡这两个竞争效应，并且该位置通常根据针 对不同类型的听筒的尺寸变化而改变。而且，ANR可以被有效实施的频率范围通常在不同类 型的听筒之间变化。
[0024] 如在附图中所示，现在将参照其各个实施例以更多细节描述现有的教导。在本说 明书中涉及的"一个实施例"或"实施例"意味着与该实施例相关描述的特定的特征、结构或 特性被包括在本教导的至少一个实施例中。对本说明书内的特定实施例的参考并不必全部 涉及相同的实施例。虽然本教导结合各个实施例和示例进行了描述，本教导并不旨在被限 制为这样的实施例。相反地，本教导包括各种可替代方式、修改和等同物，如将由本领域技 术人员所领会的。获取本文的教导的本领域技术人员将认识到附加的实施方式、修改方式 和实施例，以及其他使用领域，其在本文描述的本公开的范围内。
[0025] 在简要的概览中，本发明涉及一种方法和一种有源降噪听筒，其包括听筒主体、扬 声器、多个麦克风和反馈系统。每个麦克风从扬声器和其他麦克风移位，并且响应于接收到 的声学噪声而生成麦克风信号。反馈系统接收麦克风信号的合并并且生成被应用到扬声器 的反相噪声信号。扬声器生成反相声学噪声信号，其基本上消除在相对于扬声器和麦克风 的预定位置处的声学噪声信号。
[0026] 有利地，该方法和听筒例如通过增大降噪带宽而允许性能改进，并且在与基于采 用单个麦克风的噪声消除反馈系统的常规听筒相比时通常可以改进消除能力。
[0027] 图1示出了包括由头带18连接的两个听筒14的有源降噪耳机10。如图示的，每个听 筒14包括具有杯形壳22和垫26的听筒主体。头带18在如由箭头30表示的向内的方向上施加 力，使得垫26抵靠用户的头部并且环绕耳朵(通常被称为罩耳式）以包围声学腔体，该声学 腔体可包括外耳和耳道。在可替代配置中，听筒主体可以具有不同的形式并且可以被抵靠 用户的耳朵(通常称为贴耳式）以包围声学腔体，其可以包括外耳和耳道，或进入耳道(通常 称为入耳式）以限定可包括耳道的声学腔体。通过将听筒的一部分插入到耳道中，入耳式耳 机可以被实施为没有头带18。
[0028]参照图2,框图图示了在ANR耳机的实施例中反馈环路32的逻辑布置。信号合并器 34被耦合到端子38以接收可选的输入音频信号￥1并且与反馈前置放大器42和继而耦合到 功率放大器50的补偿器46联通。功率放大器50与在由点线58表不的腔体中的声学驱动器 (即扬声器)54联通。当ANR耳机的听筒中的一个听筒被压入、抵靠或围绕用户的耳朵时，腔 体58被形成。
[0029]在腔体58内呈现的合并器62并不是物理元件而是功能性地表示了从外部环境进 入腔体58的声学噪声Pi与从扬声器54福射到腔体58中的声学能量Ps的求和。该求和导致在 腔体58内的声学能量Po,针对在第一麦克风66A处接收到的声学能量被表示为P Q1，而针对在 第二麦克风66B处接收到的声学能量被表示为PQ2。在两个麦克风66处接收到的声学能量是 不同的，因为麦克风66在听筒内部处于不同位置。更具体地，在每个麦克风66处接收到的来 自扬声器54的声能是不同的并且在每个麦克风66处接收到的外部声学噪声能量是不同的。 麦克风66与麦克风信号合并器70联通。通过示例，如果麦克风66提供具有响应于接收到的 声学能量的幅度的大小的电流，麦克风信号合并器70可以是与两个麦克风66的输出共同的 阻性负载。因而，通过阻性负载的电流是来自两个麦克风66的电流的求和。在另一示例中， 如果每个麦克风66生成响应于接收到的声学能量的幅度的输出电压，麦克风信号合并器70 可以是单独阻性负载的串行配置。在又一示例中，如果麦克风66输出数字地表示接收到的 声学能量的幅度的数字信号，该麦克风信号合并器70可以是数字加法器，并且可以在DSP内 或其他微处理器内被实施。在一些实施例中，DSP或微处理器可以不简单地执行求和功能而 是可以根据可包括取决于频率的处理的一个或多个算法而处理麦克风信号。包括扬声器 54、两个麦克风66和腔体58的图2的声学元件被称为"声学框" 74。图2中的电子元件（即，34、 42、46、50和70)中的任意一个或所有的可以在模拟电路或数字电路中被实施，其包括数字 信号处理器，具有在需要处添加的适当的模数转换器和数模转换器。
[0030] 现在参照图3A和图3B，其示出了听筒14'的相应的端部视图和截面侧视图。麦克风 66A中的一个被置于与扬声器54的线圈接近，例如，其可以在扬声器54与耳朵之间被安装在 扬声器前面的一些机械特征上。其他麦克风66B被置于距扬声器54更大距离处，例如，离开 在接近壳22的内表面的侧面。在一些实施例中，第二麦克风66B被较远地放置使得其在耳机 由用户穿戴时更接近于耳朵，尽管并不要求如此。
[0031]再次参照图2,在操作中，放大的误差信号VE与在信号合并器34处的输入音频信号 h相减地合并，其继而向补偿器46提供差分求和的信号。如果没有输入音频信号被呈现，反 相误差信号-Ve被简单地提供到补偿器46。补偿器46提供相位和增益裕量以满足奈奎斯特 (Nyquist)稳定性判据。增大相位裕量可以延伸在其上系统保持稳定的带宽、可以增大被应 用到频率范围以增大有源降噪的反馈的大小或者两者皆有。包括应用大小随频率变化的模 式的补偿与被称为"均衡"的过程类似，并且针对本说明书的目的，在反馈环路32内被应用 的均衡与补偿等同。可以在环路32中有其他均衡;例如音频信号￥:可以在被应用到信号合 并器34之前被均衡。功率放大器50放大补偿的信号并且向扬声器54提供放大的信号。扬声 器54将放大的信号换能为声学能量，其与进入腔体58的噪声P〗合并以形成合并的声学能量 P〇。每个麦克风66A和66B将接收到的声学能量P〇dPPQ2相应地换能为对应的麦克风信号1!和 工2。两个麦克风信号Ιι和12例如在麦克风信号合并器70处被求和或合并为表不合并的麦克 风信号的电压％。合并的信号vdi过前置放大器42被放大并且被相减地呈现为误差信号Ve 至信号合并器34。
[0032]图2的电路的闭环传递函数是
[0033]
[0034] 其中E、B、D、M和A相应地表示补偿器46、功率放大器50、扬声器54、麦克风网络(麦 克风66A和66B，以及麦克风信号合并器70)和反馈前置放大器42的取决于频率的传递函数。 如果分母的EBDMA项是-1 ( 即，| EBDMA |的等价等于一且相位角度为-180°)，电路是不稳定 的。因此，理想的是布置电路以使得存在相位裕量(如以下所描述的），从而EBDMA的相位角 度针对| EBDMA |大于或等于一处的任何频率并不达到-180°。例如，如果电路被布置为使得 在| EBDMA |大于或等于一处的任何频率处相位角度不比-135°在负向上更大的话，相位裕量 至少是45° (即，180°-135°)。换言之，为了维持典型的理想相位裕量不小于45°，在交叉频率 处(EBDMA的增益是一或OdB处的频率）的EBDMA的相位角度应当小于或等于-135°。致使在交 叉频率的附近的传递函数EBDMA的相位在负向上更小可以允许交叉频率的增大，由此延伸 系统的有效带宽。
[0035] 根据频率改变相位角度是至少两个原因的结果:可以是取决于频率的、与传递函 数E、B、D、M和A的大小关联的相位偏移及时间延迟。时间延迟(例如，在由扬声器54的声能辐 射与声能在麦克风66A和66B中的每一个麦克风处的抵达之间的时间延迟）用作相位偏移， 其作为频率的函数是线性的。时间延迟的其他示例是在信号处理部件中的延迟。与传递函 数E、B、D、M和A关联的相位偏移通常相对于频率是可变的。理想的是减小时间延迟并且减小 或补偿与传递函数EBDMA关联的相位偏移，使得电路的相位角度针对EBDMA的大小超出单位 一（即，OdB)处的频率并不达到-180°并且优选地并不超出-135°。
[0036] 与在反馈环路中采用的单个麦克风以减小或排除外部声学噪声的常规听筒相对 的是，在墙体内布置两个或更多麦克风的听筒的实施例(诸如根据图2和图3A和3B的那些） 可以更好地管理在腔体内的声变化并且适应在用户的耳朵处的声场。麦克风的特定类型以 及麦克风相对于彼此和听筒主体的位置至少部分地根据听筒的几何形状和产生的声学腔 体而被选择为实现期望的性能水平。位于扬声器附近的麦克风具有小的时间延迟。相对而 言，距扬声器更大距离的麦克风将具有更大的时间延迟;然而，接近耳朵允许麦克风更加准 确地对在耳朵处接收到的声能进行采样。而且，使用两个或更多麦克风可致使听筒性能改 进。
[0037] 图4是有源降噪的方法100的实施例。该方法包括生成（110)响应于在声学腔体中 的第一位置处的声学噪声信号的第一信号，以及生成（120)响应于在声学腔体中的第二位 置处的声学噪声信号的第二信号。该第一位置和第二位置优选与彼此分开并且与腔体内的 声学扬声器分开。例如通过将对应于第一信号和第二信号的电流或电压求和，第一信号和 第二信号被合并（130)。在可选的进一步实施例中，作为合并过程的部分，不同的权重和/或 过程例如通过提供相异的增益、衰减或滤波器而被应用至第一信号和第二信号。响应于合 并信号，反相噪声信号被生成（140)。响应于反相噪声信号，反相声学噪声信号在声学腔体 中被生成（150)。反相声学噪声信号基本上消除在声学腔体中的预定位置处的声学噪声信 号。预定位置可以是用户的耳道的位置。
[0038] 在方法100的进一步实施例中，响应于在声学腔体内的附加位置处的声学噪声信 号，一个或多个附加信号被使用。在这样的实施例中，合并信号包括第一信号、第二信号和 一个或多个附加信号的合并。
[0039] 图5图示了根据频率的三个信号的角度上的测量到的非最小相位（Φ)。具有最小 的测量到的非最小相位的信号202和具有最大的测量到的非最小相位的信号204对应于来 自接近于扬声器54的单个麦克风66A的以及距扬声器54最远的单个麦克风66B相应的信号 (见图3A和图3B)。信号使用具有相同灵敏度的麦克风66而被测量。测量到的针对麦克风66A 的非最小相位在测量到的频率跨度上是几乎线性的，因为非最小相位变化主要由时间延迟 导致。使用并行负载耦合配置对来自两个麦克风66的信号的合并产生与针对来自最接近于 扬声器54的单个麦克风66A的信号的非最小相位在较低频率处几乎相等的非最小相位206， 并且#持高颇蜜々卜略微审女.田而.笛一砉克风的刺用#不?伸对非最小相位的实质 劣化1
)。
[0040] 图6图示了两种配置的传递函数。更具体地，附图示出了（1)单个麦克风66A相对于 扬声器54的输入电压的输出电压212,以及(2)两个麦克风66A和66B的合并信号相对于扬声 器54的输入电压的输出电压214。并行麦克风配置展现了在低于大约2kHz的频率处的更高 信号。
[0041] 图7图示了可以根据频率被实现的噪声消除。
[0042]在低于大约2kHz的频率处，两个麦克风配置（曲线224)相对于仅采用最接近于扬 声器54的单个麦克风66A的反馈系统（曲线222)产生实质上的性能改进。例如，在700Hz处大 约有15dB的改进并且在1kHz处大约有9dB的改进。针对大于约2kHz的频率，针对两种配置的 性能大约是相同的；然而，在这些更高的频率处，噪声消除的要求通常也被实质上减少，尤 其是在具有高无源降噪性能的听筒中。两个麦克风配置的实质上的性能改进致使有效ANR 带宽增大。例如，针对两个麦克风配置在大约2kHz处发生OdB最大消除，这与针对接近于扬 声器54的单个麦克风66A的在大约700Hz处的相对。
[0043]因而，两个麦克风配置的益处是在更低的频率处ANR系统的改进的带宽和性能而 没有在延迟上的显著影响。应当留意的是，如果使用接近于耳朵的单个麦克风66B而不是使 用接近于扬声器的单个麦克风66A，可以实现类似的性能改进;然而，相位延迟将被显著地 不利影响并且带宽将更窄。
[0044]在其他实施例中，三个或更多麦克风可以被使用并且与利用两个麦克风的实施例 相似的优点被实现。增大数量的麦克风提供了在附加位置处采样声能的能力，其可以在待 机模式存在时提供益处。麦克风信号可以被相等地合并。可替代地，麦克风信号可以被不同 地加权以实现期望的消除性能，或者甚至使用不同方法而被单独处理。换言之，N个麦克风 可以使用导致单个反馈误差信号Ve的Μ种方法而被处理。
[0045]若干实施方式已经被描述。然而，将理解的是，可以做出附加的修改而不偏离本文 描述的发明构思的范围，并且相应地，其他实施例也处于以下权利要求书的范围以内。
【主权项】
1. 一种有源降噪听筒，包括： 扬声器，所述扬声器被配置为响应于扬声器输入信号而生成声学信号； 多个麦克风，所述多个麦克风中的每个麦克风在位置上相对于所述扬声器并且相对于 其他麦克风中的每个麦克风被固定，所述麦克风中的每个麦克风被配置为响应于在所述麦 克风处接收到的声学噪声信号而生成麦克风信号；以及 反馈系统，所述反馈系统与所述扬声器和所述多个麦克风联通，所述反馈系统接收所 述麦克风信号并且生成所述扬声器输入信号，其中所述扬声器输入信号包括反相噪声信号 以在所述扬声器处生成反相声学噪声信号，所述反相声学噪声信号在相对于所述扬声器和 所述麦克风的预定位置处基本上消除所述声学噪声信号。2. 根据权利要求1所述的有源降噪听筒，其中所述麦克风中的一个麦克风被置于与所 述扬声器接近的位置并且所述麦克风中的另一个麦克风被置于远离所述扬声器的位置。3. 根据权利要求1所述的有源降噪听筒，其中所述扬声器输入信号包括音频信号和所 述反相噪声信号。4. 根据权利要求1所述的有源降噪听筒，进一步包括听筒主体。5. 根据权利要求4所述的有源降噪听筒，其中所述听筒主体包括罩耳式听筒主体、贴耳 式听筒主体和入耳式听筒主体之一。6. 根据权利要求1所述的有源降噪听筒，其中所述麦克风中的一个麦克风被置于如下 位置:在所述位置处由所述反相声学噪声信号导致的声压与在耳道内由所述反相声学噪声 信号导致的声压基本上相等。7. 根据权利要求1所述的有源降噪听筒，其中所述反馈系统包括与所述多个麦克风联 通的麦克风信号合并器。8. 根据权利要求7所述的有源降噪听筒，其中所述麦克风信号合并器生成作为由所述 多个麦克风生成的所述麦克风信号之和的信号。9. 根据权利要求8所述的有源降噪听筒，其中所述麦克风信号合并器向所述麦克风信 号中的至少一个麦克风信号应用权重，并且其中所述麦克风信号之和是加权和。10. -种用于有源降噪的方法，所述方法包括： 响应于在声学腔体中的第一位置处的声学噪声信号而生成第一信号； 响应于在所述声学腔体中的第二位置处的所述声学噪声信号而生成第二信号，所述第 二位置与扬声器分开并且与所述第一位置分开； 合并所述第一信号与所述第二信号以形成合并信号； 响应于所述合并信号而生成反相噪声信号；以及 响应于所述反相噪声信号而在所述声学腔体中生成反相声学噪声信号，所述反相声学 噪声信号在所述声学腔体中的相对于所述第一位置和所述第二位置的预定位置处基本上 消除所述声学噪声信号。11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述第一位置接近于所述扬声器。12. 根据权利要求10所述的方法，进一步包括响应于在与所述扬声器分开并且与所述 第一位置、所述第二位置和任何其他附加信号被生成的任何其他位置分开的位置处的声学 噪声信号而生成至少一个附加信号，其中所述合并信号包括所述第一信号、所述第二信号 和所述附加信号的组合。13. 根据权利要求10所述的方法，其中所述预定位置是耳道。14. 根据权利要求10所述的方法，其中合并所述第一信号与所述第二信号包括对所述 第一信号与所述第二信号求和。15. 根据权利要求14所述的方法，进一步包括，在对所述第一信号与所述第二信号求和 之前向所述第一信号和所述第二信号中的至少一个信号应用权重。
【文档编号】H04R1/10GK105900452SQ201480072614
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月25日
【发明人】M·林
【申请人】伯斯有限公司