环境降噪系统的制作方法

专利名称：环境降噪系统的制作方法
环境降噪系统
本发明涉及改善的环境降噪系统，其用于诸如耳机和头戴耳机之 类的耳戴装置，以及用于诸如移动电话听筒之类的佩戴在耳朵上或紧 邻耳朵使用的其它装置(为方便起见，所有这些装置在下文中个别地
和共同地被称为"近耳扬声器携带装置(Ear-proximal Speaker-carrying Devices)"或者简化为"ESD")，本发明具体地 (但不排他地)涉及与诸如个人音乐播放器和蜂窝电话之类的移动电 子装置联合使用的耳戴装置。应注意的是，任意给定ESD携带的扬声 器的尺寸和特性将根据所讨论的装置要求的性能来选择，因此本文中 使用的术语"扬声器""激励器(driver )"或"扩音器(loudspeaker )" 涉及任何被或者能够被电信号激励以产生声音的换能器。
特别地，本发明提供了对一种已知的被称为"前馈"降噪的环境 降噪方式的改善，在这种已知的"前馈"降噪中，在听ESD的个体周 围产生的环境声学噪声被与该ESD关联的麦克风(microphone)检测 到、被电学地反相并被添加到那被施加于ESD所携带的扩音器上的电 学激励信号上，以建立声学信号，原则上，该声学信号在到达听者耳 朵时与进入的环境噪声的大小相等但极性相反。因此，在进入的声学 噪声和其经由ESD的扩音器产生的反转对象之间发生相消性波干涉， 由此减小被听者感知的环境声学噪声水平
一些ESD经由短导线和连接器直接连线到它们的输入装置(诸如 个人音乐播放器或手机)， 一些则经由无线链路使用诸如"蓝牙"形 式之类的协议耦合到这种输入装置。本发明可以以有线和无线两种形 式使用。
此外，在当前的使用中存在一些不同类型或族的耳戴ESD，它们 既可以作为单独的单耳装置，也可以作为立体声对，本发明可适用于 所有这些类型。
这些不同类型和族的耳戴ESD包括
(a)所谓的"耳塞(ear-bud)",其包括具有由橡胶或其它柔
5型耳机；
(b) 耳内型耳机(未密封)，其相对松地配合到耳朵中，从而导 致了显著的声学泄漏通道；
(c) 垫耳(pad-on-ear)耳机或头戴耳机，其具有紧靠耳廓(外 耳瓣)平放的泡沫或其它柔性盘式衬垫；
(d) "贴耳式(suptra-aural )，，耳上头戴耳机，其具有周缘声 学密封，该密封和(c)一样，但是围绕边缘具有较厚的周缘声学密封， 从而能实现对从外界渗入耳朵的较高频率一定程度的声学削弱；以及
(e) "罩耳式"头戴耳机，其使用了较大的外壳，该外壳略大于 耳廓本身，使得当该外壳被定位在紧靠头部侧面的位置时，围绕外壳 边缘的大的、衬垫型密封(由橡胶或其它柔性材料制成)在环境和此 时存在于耳朵与头戴耳机壳体内表面之间的内腔之间形成基本的声学密封。
如前所述，本发明特别涉及前馈降噪法，其基本形式在图l中被 描绘，并且其可用于上述所有不同的耳戴ESD，以及用于被持在耳朵 附近的ESD,诸如蜂窝电话听筒。
现在参见

图1,至少一个麦克风10被置于ESD 14的外壳或壳体 12的外部；麦克风10由此与ESD 14关联，以检测环境噪声并生成指 示所检测到的环境噪声的电学输出信号；该电学输出信号在前置放大 器和反相器电路16中被反相，并通过加法电路18被添加到进入的音 乐(或语音)输入信号，所述输入信号得自例如诸如个人音乐播放器 或手机之类的输入装置(未示出)，并在终端20被接收以通过緩冲放 大器22应用于加法电路18。
加法电路18通过激励放大器26馈给ESD 14的扩音器24，使得 该扩音器生成具有两个基本组分的声学信号，所述基本组分即为包括 从输入装置接收到的、听者想听到的音乐或语音的所需组分，以及代 表由麦克风10检测到的环境噪声的反转对象的"抵消信号"。抵消信 号和直接接收到的进入的环境声学噪声之间的相消性波抵消发生在壳 体12 (连同其关联的泡沫衬垫28)和外耳之间的腔内的邻近ESD 14 的扩音器出口端，外耳示意性地示于30。为了让这发生至一有意义的 程度，该抵消信号原则上必须与输入噪声信号大小相等且极性相反(即，被反相，或者在相位上相对于该噪声信号转变180° )。
前馈理论构成了各种环境降噪ESD系统的基础，所述系统目前可 购得。然而，在这种系统中，即使当抵消信号被优化地调整和平衡， 仍留有相当的残留噪声。因此通常观察到，多数商业系统仅要求在低 于大约lkHz工作，即使如此，也只能提供相对中等的降噪能力。
前馈途径效率低下的原因至今没有完全被认识，虽然已有许多改 善它的尝试，例如通过使用与之关联的电子滤波，或通过很复杂的方 法，诸如使用自适应滤波器来"调除(tune out)"周期性噪声。
这方面的目前技术水平最近被概括在一篇文章(作者W S Gan， S Mitra 和 S M Kuo， 发表于 IEEE Transactions on Consumer Electronics, 51， (3)， 2005年8月)中，该文章描述了这样的尝试 使用数字信号处理器(DSP )对进入的噪声一一主要对重复性噪声一一 的各种分量进行分析和识别，然后实时地修改电子滤波器以提供优化 的抵消信号。然而，尽管作出了相当多的数学和工程努力，但是该途 径仅获得了有限的成功。例如，可以从"模拟主动噪声控制"(作者M Pawelczyk，发表于Applied Acoustics, 63, (2002) ， 1193-1213页) 的图15中看到，目前技术水平的自适应系统的降噪带宽局限于低于大 约500Hz的频率。同样，Pawelczyk记录了这种系统不能用于抑制冲 激性的、非重复性的噪声。
因此，需要具有改善的性能的环境噪声抑制系统，本发明目的在 于提供这种系统，以及设计和构建该改善的系统的方法。
因此，根据本发明，提供了一种位于前馈降噪系统中或用于前馈 降噪系统的、用于减小被使用至少一个近耳扬声器携带装置("ESD") 的人感知的环境噪声的方法。该系统包括用于检测环境噪声并用于 产生指示所检测到的噪声的电信号的麦克风装置；用于使该电信号反 相，并用于通过含有所述ESD的扬声器的装置将该被反相的信号转换 为意在与环境噪声进行相消性的声学结合的输出声音的装置；以及信 号处理装置，其用于将预定的滤波器参数施加于所述电信号； 一种确 定所述参数的方法，其包括以下步骤
(a )测量指示近ESD耳对选定环境噪声的响应的相位和振幅响应数据；
(b )测量指示麦克风装置对选定环境噪声的响应的相位和振幅响 应数据；
(c )测量指示耳朵对ESD的响应的相位和振幅响应数据； (d)利用测得的响应数据来预测所述滤波器参数的工作值；以及 (e )在使该系统降低具有一个或多个给定特性的环境噪声的意义 上来调整所述预测值，由此生成所述预定的滤波器参数。
在本发明的一个优选实施方案中，该ESD包括贴耳式垫耳头戴耳 机，这种装置优选地纳有围绕头戴耳机封壳(capsule)边缘布置的多 个麦克风。在其它优选实施方案中，该ESD包括耳塞或蜂窝电话听筒。
进一步优选地，该ESD纳有一个具有相对平坦的依赖于频率的振 幅响应、良好的低频性能，以及带开口的后腔的高声顺扩音器。
在这种实施方案中，信号处理装置优选地被配置为提供充分的电 子滤波，以将环境噪声的振幅和相位特性分别与所述耳朵处的输出声 音的振幅和相位特性校准。
优选地，针对高声顺扩音器的低频频响跌落的电子补偿是由一对 一阶低通滤波器提供的，所述一对一阶低通滤波器串联布置以形成倾 在+滤波器(shelf-filter )。
优选地，通过将该装置放置在人造头测量系统上来测量指示近ESD 耳和麦克风装置对选定环境噪声的响应以及耳朵对ESD的响应的相位 和振幅响应数据，进一步优选地，这些测量在消声室腔内进行。
在优选实施方案中，待测量的环境噪声由参考级扩音器产生，所 述扩音器被置于到人造头或人耳一预定距离和方位角处，并位于和人 造头或人耳同一水平面内。优选地，使用扫频正弦波或脉冲方法、使 用基于计算机的声学测量设备来进行环境噪声测量。
每个测量包括依赖于频率的振幅响应和关联的依赖于频率的相位 响应。
残留噪声信号可以通过从噪声信号中矢量减去噪声抵消信号来计 算，并可以作为振幅谱显示，所述噪声信号为该降噪系统未激活时在 耳朵处呈现的噪声。
为了为预定种类的环境噪声最小化残留噪声信号，信号处理器装置施加的、用于将预定滤波器参数施加到所述电信号的控制优选地被 数学地建模，所述预定滤波器参数诸如选定滤波器级的增益和截止频
率；所述模型可被实时地调整，该调整是响应预测残留噪声振幅谱的 图形显示的用户解释而作出的，所述预测残留噪声振幅谱是响应测量 过程而被提供的。
有效地，这允许用户检查所预测的残留噪声水平振幅谱，并迭代 地调整滤波器参数，以获得当前环境中的优化结果(最小残留噪声)。 当用户对该残留噪声频谱的品质满意时，该滤波器参数被转化为适当 的电子组分值，以在信号处理装置中使用。此外，以这种方式，降噪 可以被"调节(tune)"或"调形(profile)"从而满足特定需要。
代替由用户手动进行，该迭代调整可以在计算机控制下使用已知 的数据拟合方法和/或神经网络来自动化并实现。
本发明还包含设有降噪系统的ESD，该降噪系统纳有滤波器装置， 该滤波器展现出由上述任一方法限定的预定滤波器参数。
为了使本发明可以清被楚地理解和容易地实现，将讨论一些有用 的背景材料，然后将参照附图、仅以实例的方式描述本发明的特定实 施方案，附图中
图1已被提及；
图2指示了一个典型地布置在耳朵旁边的ESD，并示出了四个主 要的传输函数(transfer function) 5
图3以示意性方框图的形式示出了图2中所示的传输函数之间的 连接关系；
图4为示出了降噪效果对振幅和相位变化的灵敏度的图形表示； 图5 (a)和5 (b)示出了对本发明有益的垫耳头戴耳机的结构； 图6示出了用于实施根据本发明的一个实施方案的方法的示例性 系统；
图7示出了低频补偿电路；
图8为示出了用于本发明特定实施方案的典型信号连接的框图； 图9用图表示出了垫耳系统的环境到耳朵传输函数； 图10用图表示出了垫耳系统的环境到麦克风传输函数；图11用图表示出了垫耳系统的激励器到耳朵传输函数； 图12用图表示出了使用没有信号处理的基本降噪下的残留噪声 水平(RNL )频语；
图13用图表示出了与补偿降噪关联的残留噪声水平(RNL)频镨，
其中针对通用用途进行了优化的信号处理；
图14用图表示出了与补偿降噪关联的残留噪声水平(RNL )频镨， 其中针对100Hz的点频率进行了优化的信号处理；
图15用图表示出了与补偿降噪关联的残留噪声水平(RNL)频语， 其中针对语音频带进行了优化的信号处理；
图16示出了用于在耳塞结构中实施根据本发明第二实施方案的 方法的示例性系统；
图17示出了具有附加的高频补偿的低频补偿电路；以及
图18用图表示出了与耳塞的补偿降噪关联的残留噪声水平(RNL ) 频谱，其中针对通用用途进行了优化的信号处理。
本发明的发明人已认识到，要提供改善的前馈环境降噪装置，需 优化特定的关键因素，包括下列各项
(a )—些物理通道进入的环境声学能量和通过转化那些原则上 指示了环境声学能量的反相对象的电学信号而产生的声音所沿循 的物理通道；
(b)环境能量和被转化的声音的结合方式；以及 (c )这两个声学组分在最终结合之前被该系统的电学特性和声学 特性修改的方式。
本发明的实施方案考虑了这些关键因素，以便能根据任意特别优 选的降噪标准提供有效的处理手段。
上述物理通道示于图2,并可以有效地表现在图3的框图中；每
个通道具有分别与之关联的传输函数。这些传输函数中的每个不仅包 括(依赖频率的)振幅特性，而且包括与之关联的(依赖频率的)相 位特性。如图2和3所示，这些主要传输函数中有四个，如下 1:环境到耳朵；在下文中表示为AE。
这表示声学泄漏通道，通过该通道外部环境噪声直接到达耳朵，该通道包括围绕壳体12并穿过ESD 14的泡沫衬垫30的传输。 2:环境到麦克风；在下文中表示为AM。
这表示外部麦克风10 (或多个麦克风)在其工作模式下使用时的 声-电响应，包括局部声学效应(例如，听者头部的声学效应)。 3:激励器到耳朵；在下文中表示为DE。
这表示为激励单元(小的、高声顺的扩音器24)和听者鼓膜之间 的电-声耦合。其强烈地受其所激励的声学负载的性质影响，所述 负载的关键部分是耳朵到激励器的腔和外部环境之间的声学泄漏 通道AE。
4:电子放大；在下文中表示为A。
这是放大器的电学传输函数。虽然提供一个针对频率具有"平坦" (即，相对恒定的)的振幅特性的放大器是常用的，但是在实践 中其通常必须或适宜纳有一个或多个AC耦合级(AC coupling stage),这些AC耦合级用作一阶低截止(高通)滤波器。虽然这 些滤波器可以被实施为使得它们的特征截止频率远落在所关注的 频率范围以外——诸如10Hz或以下——以用于噪声的消除，但本 发明的发明人已观察到这些固有的AC耦合级对总体相位响应有 显著影响，从而有必要重点考虑它们。
这些传输函数导致进入的环境噪声和由ESD的扩音器24生成的信 号两者都经历由各种现象一一诸如ESD外壳腔中的声学共振——造成 的转换。例如，在US 5,138,664 (此后被称为"US664")中记录了， 这些转换将修改这些信号各自的振幅响应，这将阻碍总体抵消的出现。 然而，对这两个信号的相位没有类似的意义，并且没有给出相位处理 或相位响应的细节。在理论上提出，如果这些不同的传输函数被数学 地结合，那么可以建立理想的电子滤波器以考虑并预测所有这些效应。 然后这种滤波器可以被纳入电子放大器，以在麦克风信号和扩音器之 间进行工作。然而，没有公开这种滤波器的细节，仅公开了环境到耳 朵泄漏(US664图4)、麦克风特性(US664图5)的振幅响应以及两者 之比率(US664图6)的标绘图，以便示出，因为比率相对平坦，所以 仅需要通过滤波器(被称为"控制电路")对扩音器进行"微小修正"。
因此，虽然US664的原理是有效的，但是在该公开文本中信息不足，使得不能建立合适的滤波器以对各种函数进行补偿。
各种测量本身的进行也存在不确定性。在实践中，测量这些函数 的已知和优选手段是人造头系统，尽管它可能不能真实地模拟任意人 类个体的属性。测量典型地通过在消声腔内使用离人造头大约1米远
处且相对于该人造头处在特定方向(例如，在水平面中90°方位角处) 的参考扩音器来实施。该人造头系统配有相应的降噪ESD单元，使用 已知方法——诸如使用扫频正弦波或通过馈入扬声器的脉冲一一来测 量传递函数(包括振幅和相位数据)。通过在人造头(AE; DE )和在ESD 单元本身(AM)中的麦克风测量响应。然而，在测量和定量这三个声 学相关的传输函数AE、 AM以及DE以将它们结合以形成必备的4务正滤 波器函数上，存在一些主要实践难点，如下。
1. ESD在人造头上的物理位置变化导致了耳腔和环境之间的声学 泄漏的实验变化以及由此引起的测量不确定性。当几个函数一起 使用时，这些变化显著加剧。
2. AE和AM传输函数是依赖方向的；方向是之前既没有祐J現察也 没有被描述的因素。当从不同方向进行测量时，由于外耳的声学 不对称性，测得的响应可以不同，因此将在一个特定方位角测得 的传输函数用在其它不同角度是不正确的。该局限最近已被克服， 如我们的共同未决的英国专利申请GB 0601536. 6中所描述并要求 保护的，通过使用时间校准的信号和关联的多麦克风阵列，提供 了 AE和AM函数之间一定程度的方向匹配。
最后，US664利用这多个传输函数为滤波器("控制块")P限定 了一个方程，该方程可以提供理论上完美的噪声抵消。
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这里，项F、 A" H以及M分别相应于上文限定的AE、 A、 DE以及AM。
然而，这种简单的限定该方程的行为并不意味着可以在实践中设
计出这种滤波器。例如，理论推导可能要求该滤波器包含负的时延，
而这显然是不可行的。当然它也不能通过相对延迟法来分析，因为进
入的声学噪声到达就是到达，而不能被延迟。该电子滤波器必须实时
运行。考虑到传输函数的广泛变化属性，不可能设想这种方程可以被解出以在大的频率范围上提供完美的环境噪声抵消。
本发明承认该局限，并提供一种实用的方法以使在期望的频率范 围上的残留噪声最小化，而非提供为使所有频率上的残留噪声信号降 为零的理论上正确但不切实际的概念。
通过转换抵消信号而生的声音相对于环境噪声的相对相位是一个 和它们的相对振幅同等重要的因素。这两个因素对于获得有效的环境 降噪同等重要。虽然这可能表面看来显而易见，但是观察到，虽然多 种有关环境降噪的现有技术公开涉及使用电子滤波器来修改振幅响
应，但不存在关于处理相位响应的清楚描述。例如，US 6， 069， 959描 述了一种复合的、用于前馈降噪系统的滤波布置，并公开了许多描绘 振幅响应的图表。然而，未论述或提及该相位响应。
境噪声的相位响应的重要性。此外，不正确地匹配这两者的振幅(以 及相对相位)所导致的效应尚未被量化。为了纠正这个错误并探索该 降噪过程对同时发生的、在最优值之上和之下的振幅和相位变化有多 敏感，本发明的发明人已进行了大量分析，以根据分数(百分比)形 式的剩余(未抵消的)噪声的量一一即"残留"噪声信号一一以及根 据以dB为单位的噪声压力水平(SPL)的对数减小来确定该降噪过程 的效力。
有些意外地，该分析显示，即使对于中等的降噪量，也需要相对 严格的容限。如果需要获得65%的降低(-9dB)(残留噪声信号=35%), 那么，假定有完美的相位匹配，由上述"抵消信号"转换而成的声音 的振幅必须与与其关联的实际环境噪声的振幅匹配到± 3dB以内。类 似地，即使它们的振幅完美匹配，它们的相对相位还必须在± 20° (0. 35弧度)以内。
图4描述了一个三维表面，其示出了随着振幅和相位偏离于完美 匹配而变化的残留噪声分数，由此该关系的关键本质一清二楚。抵消 程度大于50% (-6dB或者更佳)的区域用中间递减至该标绘图底面34 的狭窄漏斗形的最低区域32表示。与该理想区域的任何背离都会使该 系统的效力明显打折。
为了进一步量化这一点，在2kHz，上述20。相位匹配要求对应仅28jas的时间段，其表示仅10mm的声学路径长度。因此，该环境噪声 和其由抵消信号转换而成的反相配对对象必须于空间上被校准到比 10mm更佳，以在2kHz实现最佳-9dB的抵消。
除此以外，本发明还提供了一种用于确定在前馈环境降噪系统中 使用的一个或多个电子信号处理滤波器的优化特性的方法。在一个实 施方案中，本发明利用计算机程序将一些来自降噪ESD的物理声学测 量与数学推导的电子滤波器特性相结合，由此得到结果残留噪声信号 的频率-依赖特性，该特性视觉上显示为噪声谦。通过数学滤波器参数 的迭代调整，用户可以优化该残留噪声谱，以满足一个或一组优选的 标准。该所得的滤波器特性然后被嵌入电子硬件并被纳入相应的降噪 ESD。
要重点注意的是，利用矢量代数进行计算，从而在数学运算过程 中正确地兼顾考虑相位和振幅。
为了描述的清楚，以及为了在一些附图中的简明，仅描述一个单 独的麦克风系统，尽管应该注意到，时间校准的多麦克风布置是优选 的，因为其在使用中更有效。而且，虽然以下描述和附图涉及模拟电 路实现，但是应意识到，环境降噪信号处理可以替代地或附加地在数 字域中进行；本发明对模拟和数字处理渠道两者同等有效，在任何情 况下，也可以使用混合的模拟和数字技术，如果这是优选的话。
在本发明的特定实施方案的以下实施例中，为两种不同的ESD类 型——即(a)垫耳头戴耳机系统以及(b)耳塞型耳机——建立了最 优信号处理方法。
实施例1:垫耳开放型降噪头戴耳机
这种头戴耳机系统已在前述UK专利申请GB 06015 36. 6中^皮描述， 并包括围绕60mm直径的头戴耳机封壳46的边缘的五个麦克风36、38、 40、 42以及44的阵列，如图5所示。 一个高声顺的扩音器48裙J吏用， 其具有相对平坦的响应和良好的低频性能(例如，具有低于100Hz的 共振频率)。该扩音器腔的后部体积50向环境开放(在52),该扩音 器的前部体积通过泡沫衬垫54耦合到耳朵，该泡沫衬垫是相对声学透 明的。因此，在耳朵到耳机腔和环境之间存在相当大的泄漏。i殳计这些因素的组合，以将各种传输函数中的任意声学共振最小化，从而要 求最小的电子滤波，以便将在耳朵处的噪声信号和抵消信号的振幅和 相位特性校准。这种滤波被纳入放大电子器件，例如作为串处理块
(serial processing block )， 如图6中的56所示。
然而，扩音器48的低频频响跌落(roll-off )特性使得其振幅响 应在低于其共振频率的频率区域中降低，同时其相位特性升高。在降 噪方面，即使在高于共振频率一个数量级的频率处，这些与理想目标 的偏离都是显著的，如果要获得有效的降噪，那么必须进行电学补偿。 理论上，在自由场条件下， 一个动圈式扩音器具有每倍频程12dB的低 频频响跌落因子，虽然这依赖于阻尼条件，并且当该扩音器被耦合到 声学负栽时所述因子还可进一步被改变，如当使用垫耳系统，在其关 联的声顺和泄漏下所发生的。
本发明的发明人观察到，对扩音器低频频响跌落的电子修正的需 要对所有类型的前馈降噪系统一一包括耳塞型耳机一一都非常重要。 这种修正不以任何方式涉及扩音器48与头或耳朵的接近度，因为这本 质上是扩音器本身的固有属性，如在被声学负载所调制的自由场中可 以被测得的。发明人还发现，被布置为形成倾斜滤波器(也即，趋于 在截止频率之上的一个恒定增益值)的一对一阶低通滤波器能够为扩 音器的低频振幅和相位属性提供有效的补偿。
图7示出了该实施方案的一个模拟实现方式的示意图，该实现方 式运行如下。首先，来自麦克风緩冲放大器的信号被馈入节点Nl，从 该节点，该信号被馈给放大器XI和X2，每个放大器都被配置为一阶 低通滤波器并串联布置。放大器X2的输出(经由R5)通过加法放大器 X3与原始信号(经由R6)加到一起。加法放大器X3的输出通过分压 器(potentiometer) Al从节点N2被馈到头戴耳机激励放大器，所述 分压器允许整个系统增益被修整为正确值。XI和X2级的低频增益分 别通过(R2/R1 )和(R4/R3)的比率设置，而由于Cl和C2分别在其 反馈回路中的存在，高频增益趋于零。由于这两个放大器依次使该信 号反相，所以该双重反相导致非反相输出，该输出被添加到原始的、 平坦响应的麦克风信号。这两个滤波器的截止频率K通过反馈组件R2 和C1 (用于X1)以及R4和C2 (用于X2)的值借助以下关系确定
15Fc = (1 / 2tiRC ),。
因此，如果通过将R5、 R6以及R7全部设置为相等的值来将X3设 置为单位增益配置，那么在高频处，图7的从Nl到N2的整个电路为 单位增益(因为X1和X2的高频增益趋于零)；在低频处，其增益趋近 于一个由下式确定的值 GainLF = 1 + {(R2/R1) x (R4/R3)} (其中，"1"代表来自Nl的经由R6的贡献部分)。
将认识到，当残留噪声水平被算出时，这些滤波器的属性借助于 其复数属性被算出，从而使得相应的信号矢量被正确地结合。
在该实施方案中，这三个声学相关的传输函数AE (环境到耳朵)、 AM (环境到麦克风)以及DE (激励器到耳朵)是通过将该降噪头戴耳 机系统放置到装有型号为4158的耳朵模拟器或其等价物的人造头测 量系统——诸如布鲁尔和夏尔(Bruel & Kjaer )型5930或4128—— 中来测量的。优选地，这些测量在消声腔中进行。 一个参考水平的扩 音器(例如，坦诺伊墨丘利(Tannoy Mercury ) F2 )便利地用作声源， 其以预定距离和方位角(典型地，分别为1米和45。)被放置在与人 造头同一水平面内。使用已知的扫频正弦波或者脉冲方法、使用基于 计算机的声学测量设备——例如CLIO系统(意大利佛罗伦萨的 Audiomatica科学研究实验室)——来进行该测量。
每个传输函数测量包括(a)依赖频率的振幅响应；以及(b)关 联的依赖频率的相位响应。
这些传输函数的实例示于图9、 lO以及ll,其分别示出了由测量 得到的AE、 AM以及DE函数，所述测量是使用高声顺38mm扩音器、在 图5和6所示类型的5麦克风垫耳头戴耳机系统上进行的。在图9到 11中，实线代表振幅数据，虚线代表相位数据，分别利用左边和右边 的y轴进行标定。图9和10中的AE和AM标绘图的振幅和相位数据是 相对于直接邻近头戴耳机壳体放置的参考麦克风(B&K型4006 )来提 供的，以便从外部扩音器到耳朵和头戴耳机系统中减去外部扩音器特 性以及飞行时间延迟(time-of-f light delay )(其可显著扭曲相位数 据)。在使用中，如下文所述，不要求这个补偿；如此只是为了阐明图 片的内容。显著特征如下文。示于图9的环境到耳朵函数中在1. 5kHz附近的大振幅峰(以及关 联的大相位变化)由外耳腔到耳机的接口产生。示于图IO的环境到麦 克风传输函数高至大约4kHz — 一当在麦克风阵列中的相位差引入一 些梳状滤波(comb filtering)时——都是相对平坦的。然而，这些 效应处在有效噪声抵消范围以上，并不是非常重要。示于图ll的激励 器到耳朵传输函数是这三个函数中最有影响力的，其特征在于(a) 扩音器的固有、低频频响跌落，其在这里低于大约100Hz;以及(b) 共振峰，其与AE函数的共振峰在某种程度上相似，因为它也有相同的 共振腔。
当观察这三个函数的复杂性和量级，并考虑他们对头戴耳机硬件 的物理特性的敏感度依赖性时，毫不意外地发现，与它们的影响有关 的多种现有技术7>开在实用和商业方面似乎都仍无法实现。然而本发 明的实施方案提供了 一种快速且用户可优化的手段来利用相关传输函 数数据，从而为前馈噪声抵消建立有效且实用的信号处理手段。
这些测量作为数据文件被储存，并传输至计算机。应该注意，环 境到耳朵(AE)和环境到麦克风(AM)函数固有地包括参考扩音器的 传输特性，并且它们的相位特性包括由于在扩音器和测量麦克风之间 的飞行时间距离而产生的时延要素。然而，这两个影响在之后的数学 处理中被精确抵偿，留下纯粹的响应数据。接着，使用相同的系统和 方法测量放大器传输函数(A)(虽然这在放大器内部和外部都纯粹地 是电学测量)。
现在可针对图l所示类型的"反相和相加，，系统计算残留噪声谱， 该计算不使用任何附加的信号处理。该环境噪声信号被定义为N(频 率的函数)。该残留噪声信号能通过从降噪系统未激活时出现在耳朵处
的噪声信号中矢量减去噪声抵消信号来计算，如下
残留噪声"N承AE)-(N沐AM * A*DE) (D
其中，代数算子代表矢量运算，使用复数记法和算法来计算振幅谱和
相位谦。
为了避免疑问，依赖频率的传输函数X(f)被表示为分别具有实部
Xr和虚部Xi (以及虚部单位j)的矢量(Xr+jXi)，其中该矢量的模M (信号振幅)以及其相位角9具有以下关系。
17因此，从Y中矢量减法函数X服从下式。
(Yr + jY。-(Xr + jXi) = (Yr-Xr) + j(Yi-jXi) (5)
类似地，函数X和Y的矢量乘积(上文表示为X,Y)服从下式。 (Yr + jYi)*(Xr + jXi) = (YrXr —YiXj) + j(YrXi + YiXr) (6)
残留噪声信号借助于这些程序来计算，并可以被显示为振幅谱(残 留噪声矢量的模)，此处，相位在最后这级中是不重要的。
为了使残留噪声信号最小化，要求一个电子补偿级与该放大器关 联，或者作为围绕该放大器本身设计的整体滤波器，或者简单地作为 串联级，如图6中在56处以简化形式所示。因此，该滤波器的数学传 输函数"SP"(信号处理)现在应该作为电学域中的信号通道部分被提 出，如图8所示，因此对残留噪声的计算现在如下。
残留噪声"N承AE)-(N * AM* A*SP *DE) (7)
降噪程度可以被表示为"残留噪声分数"RNF，即残留噪声与原始
环境噪声信号N的比率，如下。
RNF =(残留噪声/N) = ( AE ) - ( AM*A*SP*DE ) (8)
当以分贝为单位被表达为指示噪声抑制量的"残留噪声水平，，RNL
时，这提供了一种便利的表示降噪过程效力的方法，如下。
RNL(dB) - 20logl0{(AE)-(AM*A*SP*DE)} (9)
信号处理参数——例如选定滤波器级的增益和截止频率——可实 时地被调整，并作为计算机程序的一部分^t图形显示控制。有用地， 这允许用户检查残留噪声水平语，并迭代调整滤波器参数，以获得在 所检查的环境中的最优结果(最小的残留噪声)。当用户对残留噪声频 谱的品质质量满意时，滤波器参数被转化为合适的电子组分值，以用 在一个或多个信号处理滤波器中。
因此，本发明最有用地允许一个或多个最优或优选方案被确定。 由于任何真实的这类声学系统的物理复杂性，所以不存在完美的方案。 不可避免地，时延差异和寄生振荡，加之扩音器的有限频率响应，导 致整个频语的不完美噪声抵消。通过在迭代求最小值的过程中将残留噪声谱表示为视觉显示，用户可以选择在滤波器优化过程中以该频谱 的哪部分为优先，并以该频谙中其它部分的噪声抵消为代价优化这些 优先区域。因此，降噪可以被"调节"或"调形"从而符合特定需要，
例如如下
1. 通用调形。
残留信号在整个频谱中以均等加权被最小化，以提供通用的降噪 系统。
2. 低频加权调形。
残留信号被最小化为在低频处(即，低于200Hz)优化降噪，用 于低频起支配作用的应用，诸如用于地铁运输工具或工厂作业。
3. 点频率调形。
残留信号在一个(或多个)特定频率被最小化，在该特定频率处 存在已知的噪声峰，例如在螺旋桨飞机中，桨叶旋转频率已知为 特定地80Hz或者120Hz。
4. 频带优化调形。
在重在特定频率范围内降噪的情况下，残留信号可以被相应地最 小化。例如，在话语通信应用中，有利的是将残留噪声信号在语 音频带(270Hz到5600Hz)中最小化，以优化清晰度指数。 图12到15提供了该过程的实例，其从上述图9、 10以及11的三 个传输函数测量得到。在这些图中，虚线表示预计的、数学建模的ML 谱，由其可以获得滤波器特性，实线表示在电子信号处理的物理实现 之后在头戴耳机系统上进行的随后测量。正如可以看到的，所测得的 数据密切匹配所建模的数据。
图12示出了由不进行任何信号处理的上述测量法、简单地通过使 用图1的"反相和相加"方法获得的残留噪声水平(RNL)。在噪声和 抵消信号的相位和振幅都惊喜地相似(特别是在450Hz)之处，确实 实现了抵消，其中，也得益于扩音器的平坦响应和图5的多麦克风阵 列的时间校准，但是低频性能非常差。通过根据本发明的一个实施方 案使用如图7所示布置的一对一阶低通滤波器来最小化残留噪声，可 产生一些大为改善的抵消形态，如下。
图13示出了对于通用调形，RNL的优化结果，其中残留噪声水平
19在整个频谱以同等加权被最小化。与图12的未处理RNL镨比较，在 100Hz的抵消水平从约为-3dB增加到-15dB。抵消水平大于-10dB的频 率范围从250-1100Hz增加到70-1300Hz。而且，在150-1000Hz的范 围内，具有大于-20dB的抵消水平。
图14示出了对于点频率调形，RNL优化的结果，此处的RNL优化 意在用于其中推进器频率为100Hz且要求降噪在该频率处最有效的航 空应用。
图15示出了对于270Hz和5600Hz之间的语音频带，RNL优化的 结果，以提供优化的清晰度指数并由此改善语音交流的可理解性。 与这些结果关联的两个低通滤波器的参数在表1中给出，如下
表1:用于具有不同噪声抵消指数形态的三种噪声抵消方案的滤波器参数
NCI调形类型LPF1 增益LPF1 截止频率LPF2 增益LPF2 截止频率
NCI调形1 (通用)1. 0884Hz14. 356. 1Hz
NCI调形2 (80Hz)1. 0884Hz14. 356. 1Hz
NCI调形3 (语音频带)1. 0482Hz1. 4486.8Hz
为了清楚的阐释，上述实例基于相对简单的声学系统，但是也应 意识到，本发明可以同等好地应用到更加复杂的声学系统，只要可以 确定一种合适的信号处理方案，如下文描述。
实施例2:耳内"耳塞"型噪声抵消耳机
本发明已被成功地应用于流行的"耳塞"型耳机形式的ESD，特 别是那些具有薄橡胶凸缘密封、以为佩戴者提供尤其在高频处的声学 隔离方法的耳机。图16示出了这种耳塞的结构，以及其在使用中在耳 道外部的位置。该橡胶凸缘能提供相对良好的声学密封，并用作声学 高截止滤波器。然而，由于该薄橡胶的柔顺性，它们不削弱大约500Hz 以下的较低频率。因此，环境到耳朵函数(AE)展现出始自在数百Hz 频率处的高频频响跌落，这在之前的垫耳实施例中是不存在的。另一
20结果为，AE函数的相位在低频处展现出负偏移。
然而，AE、 AM以及DE传输函数可以使用类似于图16的人造耳道 系统来测量，信号处理方案可以针对所讨论的耳塞而被优化并实现。 在这种特定情况下，该人造耳道模拟器系统具有直径llmm、深6mm的 耳道入口部分一一以适应标准尺寸为12mm的耳塞密封凸缘，并结合了 直径为7. 5mm、长22mm的耳道模拟器元件，以及具有泡沫阻尼和最终 的参考麦克风(B&K型号4190 )。
本发明的发明人已发现，用于垫耳系统的这一对低通滤波器布置 (图7)同等适合于补偿耳塞微型扬声器(microspeaker )的低频频 响跌落。另外，他们已发现，由橡胶凸缘密封导致的高频频响跌落可 以通过添加一个单独的一阶高频截止滤波器——其基于放大器X4—— 到所述布置而被补偿，如图17所示。为了实验便利，该高频截止滤波 器被配置为反相高通滤波器，使得其(被反相的)高通输出被添加到 末放大器的对输入进行反相的求和点处的主信号通道中。其被反相的 高通输出因此被从主信号中减去，从而提供了高频截止功能。然而， 该高频截止滤波器也可以以一些等效替代方式被配置，如将认识到的。
参见图17，来自麦克风緩冲放大器的信号被馈入节点Nl,从节点 Nl，该信号被馈给被配置为一阶高通滤波器的放大器X4，放大器X4 的输出(经由R10)通过加法放大器X3与原始信号(经由R6)加到一 起。如以前一样，X3的输出从节点N2经由分压器Al被馈给头戴耳机 激励器放大器，该分压器允许整个系统增益被修正，以得到正确值。 级X4的高频增益通过比率(R9/R8)设置，低频增益由于输入馈给处 的C3而趋于零。该放大器将被添加到原始的平坦响应的麦克风信号的 信号反相。该滤波器的截止频率Fe由R9和C3的值确定，根据如下关
系
Fc=(l /2兀RC)。 因此，如果通过将R5、 R6以及R7全部设置为相等的值来将X3设 置为单位增益配置，那么在高频处，图17的从N1到N2的整个电路的 增益将非常小(因为X4的高频增益趋于R9/R8)。如以前一样，在低
频处，低频增益趋近于一个由下式确定的值
GainLF = 1 + {(R2/R1) x (R4/R3)}(其中，"1"代表来自Nl的经由R6的贡献部分)。
通过将合适的高频截止级添加到之前所述的数学模拟，可进行信 号处理滤波器的迭代优化，以得到最优结果(最小的残留噪声水平)， 然后该滤波器参数可被转化为合适的电子组分值，以用于一个或多个 信号处理滤波器。
这种过程的物理结果用图表示于图18,该图示出了 (a)人造耳 道系统的响应(作为参考；细实线)；(b)插入耳塞之后的响应(虚线)； 以及(c)当噪声抵消系统被激活时的响应(粗实线)。这里，这些响 应没有被绘制成RNL值，而是被绘制成实际声音压力水平的测量值。 可以看到，当耳塞被插入时，对于大于350Hz的频率，(耳道模拟器的) 耳朵响应被橡胶密封凸缘削弱，但是对于低于该值的频率，橡胶密封 凸缘几乎没有或没有效果。然而，当噪声抵消被打开时，如粗实线所 示，下至45Hz都可以获得多于-15dB的抵消。在这些测量中，该高频 截止滤波器(图17 )的截止频率为498Hz。
应认识到，本发明的复杂性可以远超出这里所提供的实施例；主 要的实用限制在于，确定适用于所讨论的ESD的声学特性的补偿信号 处理方案。例如，已发现一个特定头戴耳机系统的激励器到耳朵(DE) 响应要求在lkHz处具有11。的小相位调整以优化在该频率的抵消。 这通过一个与R6并联的小的电容性阻抗——以相位微调电容器 (phase-trimmer )而非滤波器的方式——来实现，这^皮数学地添加到 残留噪声抵消，使得能够改善优化。
还应认识到，该迭代优化规程可以作为计算机算法、使用广为人 知的数据拟合方法被自动化并实现，所述数据拟合算法例如，在指定 范围上的一系列频率处最小化残留噪声值之和。在这类基础算法中， 各种滤波器参数在一个值范围内被依次迭代地调整，所模拟出的结果 残留噪声谙是通过在每个迭代时将一 系列频率值处的残留噪声分数加 到一起来分析的。当该总和处于其最小值时，出现最优的噪声抵消。 该算法使用这个标准来寻找最优点并提供与之关联的滤波器参数。
本发明有助于产生不同频谱的降噪形态以满足不同的标准，如前 面所记录的，使得降噪可以被"调节"或"调形"从而符合特殊需要。 这可以通过在个体残留噪声分数被加到 一起之前以适当方式对它们进
22行"加权，，来实现。例如，对通用调形(例l),不要求加权。然而，
对于在低频处的优化，频率F处的每个个体残留噪声分数可乘以1/F 的权重因数，等等。该途径也容易被修改，以用于点频率和频带加权 优化。
替代或附加于在人造头上的测量，可通过使用位于耳道中的探管 麦克风在人类个体上进行类似测量。虽然这较不精确，因为存在更多 的实验变化和噪声，但这原则上是确定耳塞特性的好方法，其中出现 骨传导和皮肤传导过程，这些过程很难利用麦克风适配器来物理地模 拟。
权利要求
1.一种位于前馈降噪系统中或用于前馈降噪系统的、用于减小被使用至少一个近耳扬声器携带装置(“ESD”)的人感知的环境噪声的系统，该系统包括用于检测环境噪声并用于产生指示所检测到的噪声的电信号的麦克风装置；用于使该电信号反相，并用于通过含有所述ESD的扬声器的装置将该被反相的信号转换为意在与环境噪声进行相消性的声学结合的输出声音的装置；以及信号处理装置，其用于将预定的滤波器参数施加于所述电信号；一种确定所述参数的方法，其包括以下步骤(a)测量指示佩戴ESD的耳朵对选定环境噪声的响应的相位和振幅响应数据；(b)测量指示麦克风装置对选定环境噪声的响应的相位和振幅响应数据；(c)测量指示耳朵对ESD的响应的相位和振幅响应数据；(d)利用测得的响应数据来预测所述滤波器参数的工作值；以及(e)在使该系统降低具有一个或多个给定特性的环境噪声的意义上来调整所述预测值，由此生成所述预定的滤波器参数。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述ESD包括贴耳式垫耳头戴耳机。
3. 根据权利要求1的方法，其中所述ESD包括蜂窝电话听筒。
4. 根据权利要求2或3的方法，其中所述ESD纳有多个麦克风， 所述麦克风围绕ESD的边缘布置以接收进入的环境噪声。
5. 根据权利要求1的方法，其中所述ESD包括耳塞。
6. 根据前述权利要求之任一的方法，其中所述信号处理装置被配 置为提供充分的电子滤波，以将环境噪声的振幅和相位特性分别与耳 朵处的所述输出声音的振幅和相位特性校准。
7. 根据前述权利要求之任一的方法，其中所述ESD纳有一个具有 相对平坦的依赖于频率的振幅响应的高声顺扩音器，其展现出具备预 定可接受度的低频性能，并具有带开口的后腔。
8. 根据权利要求7的方法，其中针对高声顺扩音器的低频频响跌 落的电子补偿是由一对一阶低通滤波器提供的，所述一对一阶低通滤 波器串联布置以形成倾斜滤波器。
9. 根据前述权利要求之任一的方法，其中通过将该装置放置在人 造头测量系统上来测量指示近ESD耳和麦克风装置对选定环境噪声的 响应以及耳朵对ESD的响应的相位和振幅响应数据。
10. 根据权利要求1到8之任一的方法，其中通过将ESD放置到人 耳附近来测量指示近ESD耳和麦克风装置对选定环境噪声的响应以及 耳朵对ESD的响应的相位和振幅响应数据。
11. 根据权利要求9或10的方法，其中待测量的环境噪声由参考 级扩音器产生，所述扩音器被置于到人造头或人耳一预定距离和方位 角处，并位于和人造头或人耳同一水平面内。
12. 根据权利要求9到ll'之任一的方法，其中使用扫频正弦波或 脉冲方法、使用基于计算机的声学测量设备来进行环境噪声测量。
13. 根据前述权利要求之任一的方法，其中每个测量包括依赖于频 率的振幅响应和关联的依赖于频率的相位响应。
14. 根据前述权利要求之任一的方法，其中残留噪声信号可以通过 从噪声信号中矢量减去噪声抵消信号来计算，并可以作为振幅谱显示， 所述噪声信号为该降噪系统未激活时在耳朵处呈现的噪声。
15. 根据权利要求14的方法，其中，为了为预定种类的环境噪声 最小化残留噪声信号，信号处理器装置施加的、用于将预定滤波器参 数施加到所述电信号的控制被数学地建模，所述预定滤波器参数诸如 选定滤波器级的增益和截止频率；所述模型可被实时地调整，该调整 是响应预测残留噪声振幅谙的图形显示的用户解释而作出的，所述预 测残留噪声振幅谱是响应测量过程而被提供的，从而允许滤波器参数 向期望的性能特性迭代地调整。
16. 根据权利要求1到14之任一的方法，其中，为了为预定种类 的环境噪声最小化残留噪声信号，信号处理装置施加的、用于将预定 滤波器参数施加到所述电信号上的的控制被数学地建模，所述预定滤 波器参数诸如选定滤波器级的增益和截止频率；在计算机的控制下使 用已知的数据拟合方法和/或神经网络，根据对指示所预测的残留噪声振幅谦的预定响应，所述模型可迭代地调整，所述预测残留噪声振幅 谙是响应测量过程而被提供的，从而促进滤波器参数向期望的性能特 性自动地迭代地调整。
17. 根据前述权利要求之任一的方法，其基本如本文参照本发明的 附图3到18之任一所述，和/或如本发明的附图3到18之任一所杀。
18. —种设有降噪系统的近耳扬声器携带装置("ESD")，该降噪系 统纳有展现出预定滤波器参数的滤波器装置，所述预定滤波器参数由 在前述任一权利要求中所述的方法确定。
19. 一种用于具有薄橡胶凸缘的耳塞的噪声抵消系统，所述橡胶 凸缘在用户的耳中提供声学密封，该系统包括滤波器，该滤波器包括串联连接的第一和第二一阶低通滤波器，其被连接以接收输入噪 声信号；一阶高频截止滤波器，其被连接以接收所述输入噪声信号；以及 加法放大器，其用于形成所述输入噪声信号、第一和第二低通滤 波器的输出、以及高频截止滤波器的输出的总和。
20. 根据权利要求19的噪声抵消系统，其中所述加法放大器和高 频截止滤波器使得高通输出被有效地从所述输入噪声信号以及第一和 第二低通滤波器的输出的总和中减去。
21. 耳塞扬声器装置，其具有在用户耳中提供声学密封的薄橡胶凸 缘，并包括如权利要求19或20所述的噪声抵消系统。
全文摘要
本发明提供了改善的环境降噪系统，其用于诸如耳机和头戴耳机之类的耳戴装置，以及用于诸如蜂窝电话听筒之类的佩戴在耳朵上或紧邻耳朵使用的其它装置，特别地，本发明提供了对“前馈”环境降噪系统的改善。多数前馈降噪系统至今意图仅在大约1kHz以下工作，尽管如此，也只能提供相对中等的降噪能力。根据本发明，诸如在降噪处理中使用的选定滤波器级的增益和截止频率之类的预定滤波器参数被数学地建模，该模型被实时地调整，该调整是响应所预测的残留噪声振幅谱的图形显示的用户解释而作出的。这允许用户检查所预测的残留噪声水平振幅谱并迭代地调整该滤波器参数以最小化选定环境中的残留噪声。代替由用户手动进行，该迭代调整可以在计算机控制下使用已知的数据拟合方法和/或神经网络来自动化并执行。
文档编号H04R3/00GK101589628SQ200880003054
公开日2009年11月25日 申请日期2008年1月23日 优先权日2007年1月25日
发明者A·西贝鲍尔德, M·豪利 申请人:沃福森微电子股份有限公司