噪声降低的耳的制造方法
【专利摘要】本发明涉及噪声降低的耳机，该耳机适于根据耳机音频信号将声音输出信号提供至佩戴者的耳朵并在操作位置中设置在佩戴者的头部，使头部与耳机之间的前腔室与周围空间分离，耳机包括：外壳，具有壁，该壁使具有声顺的后腔室与前腔室分离并且与周围空间分离；耳垫，被设置为在耳机处于操作位置中时衰减从周围空间中进入前腔室的声音信号；第一膜片，越过在前腔室与后腔室之间的外壳壁中的第一通孔被往复地悬置并适于有源地驱动以提供声音输出信号的至少一部分；第二膜片，越过在后腔室与周围空间之间的外壳壁中的第二通孔往复地悬置，使第二膜片和后腔室构成在共振频率处声音共振的声音共振系统，其中，声音共振系统被配置为使共振频率低于500Hz。
【专利说明】噪声降低的耳机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种噪声降低的耳机，S卩，一种适于衰减接近佩戴者耳朵的噪声的耳机。本发明可有利地应用于头戴式耳机、耳机、听力保护器以及其他听力装置中。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，已知各种耳机，这些耳机采用无源降噪(PNR)来减少到达佩戴者的耳朵的噪声量。通常通过在结构元件(例如，耳机外壳和耳垫)中抑制声音，来实现PNR。还已知将PNR与有源地抵消接近佩戴者耳朵的噪声的有源降噪(ANC)相结合，从而试图消除并从而从到达耳朵的声音中去除噪音。通常通过控制在耳机中的驱动器的输出从而抵消PNR没有消除的残余噪声，来实现ANC。
[0003]在频率高于大约1kHz时，PNR通常有效，而该效果朝着更低的频率减小，并且在频率低于大约100Hz时，该效果实际上不存在。相反，ANC通常在低于大约1kHz的频率范围内有效，而对于更高的频率，其难以获得良好的结果。因此，原理上，使用PNR和ANC的组合的降噪在整个音频频率范围内是有效的。然而，同时，很多耳机旨在再生整个音频频率范围内的音频，包括低频声音的再生。这对耳机设计师提出了挑战，由于以低频输出的声音通常需要声学开放耳机，而有效的PNR需要声学封闭耳机。
[0004]美国专利6，831，984B2公开了在头戴式耳机中的这种问题的解决方案。头戴式耳机包括封闭由分隔器分离的前腔室和后腔室的耳杯。具有膜片的驱动器安装在位于前腔室和后腔室之间的分隔器内。头戴式耳机进一步包括被构造和设置为有效地将前腔室密封至人的头部的头戴护耳式密封垫。端口和电阻开口通过后腔室的壁平行地互相耦接外壳的内部和外部。将端口的声音量和后腔室的顺应性调谐为大约300Hz的共振频率。这使得后腔室在高于300Hz时关闭并且在低于该频率时打开。电阻开口抑制端口共振，该共振造成在输出至耳朵的声音中在300Hz处小幅降低。所公开的解决方案的缺点在于，由于端口中的自然的共振，频率高于共振频率的声波仍然可以通过端口和电阻开口进入后腔室，这降低了由耳杯提供的PNR的效果。该结果是在整个噪声降低中的降低，主要在从PNR过渡到ANC的大约以及高于1kHz的宽频区域中。
[0005]美国专利5，497，427公开了在相似的耳机中的替换解决方案，其允许用户在打开和关闭配置之间手动切换。替代端口和电阻开口，没有驱动器的膜片被设置为覆盖在后腔室的壁中的窗口孔。膜片被调谐为在大约1300Hz处共振。盖体部件可被手动附接以关闭窗口孔，或者被去除以打开窗口孔。随着去除盖体部件，声音在低调的声音范围内未被衰减，并且也可听见外部声音。因此，在室外做运动或者散步时，用户可听见音乐等的再生声音。通过使用盖体部件关闭窗口孔，耳机还可用作一般的封闭式耳机。在这种情况下，存在在低调的声音范围内声音的一些衰减，同时几乎听不到外部声音。显然，所公开的替换解决方案不允许同时实现高电平低频声音和有效的PNR。
[0006]日本专利4826399公开了该替换解决方案的变形，这允许用户在“关闭”位置与“打开”位置之间手动移动制动元件，在“关闭”位置中，制动元件与膜片接触，并因此防止膜片振动，在“打开”位置中，制动元件与膜片不接触，从而允许膜片振动。膜片被调谐为在大约1 - 2kHz的频率处共振。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目标在于，提供一种耳机，该耳机没有现有技术的耳机的缺点。
[0008]通过在独立权利要求中限定的并且在以下描述中进一步解释的发明，实现本发明的这个和其他目标。通过在从属权利要求中以及在本发明的详细描述中限定的实施方式，实现本发明的另外的目标。
[0009]在该文档内，术语“耳机”表示一种装置，该装置被配置为佩戴在个人(佩戴者)的一只耳朵处、上或内，并且能够将可听见的声音输出信号提供给佩戴者。耳机本身可构成听力装置，或者可由听力装置构成，例如，头戴式耳机、耳机、听力保护器或助听器。例如，听力装置可用于将音频信号以可听格式传递给个人，用于增强听力正常的人的听力能力，以在允许个人听周围环境的声音的同时，保护个人的听力能力和/或用于补偿听力受损的人的听力能力损失。
[0010]例如，耳机可被配置为佩戴在耳朵之上(头戴护耳地)，即，从而完全覆盖耳廓，佩戴在耳朵上(耳挂式)，即，从而覆盖一部分耳廓，或者佩戴在耳朵内，即，从而一部分耳机朝着耳道突出或者突出到耳道内。可通过其他已知的方式配置耳机，包括在上述两个或多个配置之间的组合和折中。耳机可通过佩戴装置(例如，头带、颈带、耳钩等)优选地保持在耳朵处、上或内的位置处。佩戴装置可为耳机和/或听力装置的主要部分。例如，耳栓或耳塞耳机的外壳可具有适于外耳的形状，从而允许外壳本身用作佩戴装置。作为另一个实例，包括例如电子部件的听力装置部分可适于设置在耳朵的后面并且被连接至适于设置在耳朵中的耳栓或耳塞耳机，因此，耳后部分可用作耳钩。耳机优选地被配置为发出声音信号，从而声音信号可进入佩戴者的耳道内，从而可被佩戴者听到。
[0011]通常，听力装置被配置为至少部分佩戴在佩戴者头部处或上，通常包括一个或两个耳机，并且能够将一个或多个可听见的声音输出信号提供给佩戴者的至少一个耳朵。因此，听力装置可为单耳式或双耳式。一个或多个声音输出信号优选地以所发出的空气传播的声音信号的形式提供，以便可到达佩戴者的一个或两个外耳。听力装置可包括一个或多个振动装置，每个振动装置能够提供机械振动信号并且适于通过佩戴者头部的骨结构，将作为可听见的声音输出信号的机械振动信号听力耦接至佩戴者的一个或两个内耳。
[0012]听力装置可根据一个或多个音频输入信号，例如，电接收的音频信号、从佩戴者周围接收的声音信号和/或在听力装置中储存或生成的音频信号，提供一个或多个声音输出信号。听力装置可包括用于电接收一个或多个音频输入信号的一个或多个接收器。接收器可包括电连接器，例如，该电连接器设置在听力装置的外壳部分中或者从听力装置延伸的电缆的远端处，另一个装置可与该电连接器电连接，以提供一个或多个音频输入信号。接收器可适于使用任何已知的无线传输信号，例如，射频信号、光学信号或听力信号，无线地接收一个或多个音频输入信号。接收器可被配置为接收作为模拟信号和/或作为数字信号的有线或无线信号，并且可包括用于从一个或多个调制的和/或编码的有线或无线传输信号中获得一个或多个音频输入信号的解调器和/或解码器。
[0013]听力装置可包括一个或多个输入换能器(transducer)，用于从佩戴者周围接收一个或多个声音输入信号并且提供相应的音频输入信号。听力装置可包括一个或多个信号处理电路，所述电路适于在接收一个或多个音频输入信号并且根据一个或多个音频输入信号提供一个或多个声音输出信号的一个音频信号路径中或者在多个音频信号路径中应用已知的信号处理(例如，放大、衰减、降噪、频率过滤、空间过滤、声反馈减少、电平压缩等)的任何组合。
[0014]听力装置可包括:一个或多个自定声音麦克风(own-voice microphone),其被设置为接收佩戴者的声音并且适于提供一个或多个相应的声音音频信号；以及一个或多个发送器，其适于将一个或多个声音音频信号发送给与听力装置连接的另一个装置，例如，基站、移动电话、计算机等。
[0015]通常，耳机包括用于根据音频输出信号将可听见的声音输出信号提供给佩戴者的输出换能器。耳机可包括听力装置的一个或多个接收器、和/或听力装置的一个或多个输入换能器、和/或听力装置的一个或多个信号处理电路、和/或听力装置的一个或多个自定声音麦克风、和/或听力装置的一个或多个发送器。因此，接收、提供和/或处理一个或多个音频输入信号的功能以及接收和/或发送声音音频信号的功能可完全位于耳机内，或者可通过任何合适的方式分布在耳机与包括耳机的听力装置的其他部分之间。耳机可从另一个装置中接收音频输出信号。可选地或者此外，耳机可接收一个或多个可能预先处理的音频输入信号，并且处理一个或多个音频输入信号和/或预先处理的音频输入信号，以提供音频输出信号。在下文中，由耳机接收的任何音频信号被称为“耳机音频信号”。因此，耳机音频信号可包括例如声音输入信号、音频输入信号、预先处理的音频输入信号和/或音频输出信号。例如，耳机可将一个或多个所接收的耳机音频信号直接提供给输出换能器，或者可转换和/或处理一个或多个所接收的耳机音频信号并且将一个或多个经转换的和/或处理的耳机音频信号提供给输出换能器。
[0016]术语“听力系统”表示包括多个装置，至少一个装置是听力装置的系统。听力系统可包括多个听力装置和/或一个或多个辅助装置。辅助装置是与一个或多个听力装置通信并且影响和/或受益于听力装置的功能的装置。辅助装置可为例如基站、遥控装置、音频网关装置、移动电话、有线广播系统、车载音频系统、个人电脑和/或音乐播放器。
[0017]在该文档内，单数形式“一个(a) ”、“一个(an) ”以及“所述(the) ”旨在也包括复数形式(即，具有“至少一个”的意思)，除非另有明确规定。相应地，术语“具有(has)”、“包括(includes) ”、“包含(comprises) ”、“具有(having) ”、“包括(including) ” 以及“包含(comprising) ”指定存在各个特征、操作、部件和/或元件，但是不排除另外的实体的存在或添加。而且，在部件被称为被“连接”或“耦接”至另一个部件时，这包括直接连接/耦接以及经由中间部件进行连接/耦接，除非另有明确规定。术语“和/或”包括一个或多个相关项目的任意和所有组合。本文中公开的任何方法的步骤或操作没必要以所公开的精确的顺序被执行，除非另有明确规定。序数特征(例如，“初级”、“次级”、“主要”以及“辅助”)旨在让读者区分不同的部件，并且不应理解为表示任何部件层次结构或从属关系，除非另有明确规定。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合优选的实施方式并且参照示图，更详细地解释本发明，其中:
[0019]图1示出了根据本发明的耳机的第一实施方式；
[0020]图2示出了根据本发明的耳机的第二实施方式；
[0021]图3示出了图2的耳机的电子阻尼电路的实施方式；
[0022]图4示出了根据本发明的耳机的第三实施方式；
[0023]图5示出了图4的耳机的电子阻尼电路的实施方式；
[0024]图6示出了根据本发明的耳机的第四实施方式；
[0025]图7示出了图6的耳机的电子阻尼电路的实施方式；以及
[0026]图8示出了图1、图2、图4以及图6的耳机的示例性频率-噪声衰减曲线。
[0027]这些示图是示意性,并且为了清晰起见,简化这些示图，这些示图仅仅示出了对于理解本发明必不可少的细节，而省略了其他细节。在实际情况下，相似的参考数字和/或名称用于相同的或相应的部件。
【具体实施方式】
[0028]图1示出了设置在耳机1的用户或佩戴者的头部2上的操作位置中的耳机1。耳机1包括具有环形耳垫4的外壳3。在耳机1处于操作位置中时，外壳3和耳垫4 一起使在头部2与耳机1之间的前腔室5与周围空间6分离。耳机1适于根据耳机音频信号将声音输出信号提供给佩戴者的耳朵7，并且操作位置优选地被选择为使得前腔室5包括耳朵7的耳道8。耳垫4被设置为并且适于在耳机1处于操作位置中时衰减从周围空间6进入前腔室5中的声音信号。由耳垫4以高于1kHz的频率提供的衰减可优选地例如大于20dB、大于10dB或者大于6dB。耳垫4可通过任何已知的方式，例如，通过粘合剂、螺丝、快速联轴节和/或卡口式联结器)永久地或可拆卸地连接至外壳3。
[0029]外壳3具有壁9，该壁使后腔室10与前腔室5以及与周围空间6分离。在一些实施方式中，前腔室5可充分地大于后腔室10，在其他实施方式中，前腔室5和后腔室10的尺寸可比较，并且在进一步的实施方式中，后腔室10可充分地大于前腔室5。电动初级驱动器12的初级膜片11越过位于前腔室5与后腔室10之间的外壳壁9中的通孔被往复地悬置，并且适于被有源地驱动，以提供至少一部分声音输出信号。因此，初级驱动器12用作耳机1的输出换能器。在该文档中，在壁中的“通孔”指的是穿过壁的流动连接壁的两个对侧的通道，或者在膜片越过通孔悬置并且从而阻塞流动通道的情况下，如果该膜片不存在，那么该通道流动连接壁的两个对侧。在耳机1中，初级膜片11通过通孔阻塞流动通道，否则该通道流动连接前腔室5和后腔室10。初级膜片11和后腔室10 (更确切地说:后腔室10内的空气或气体)一起构成初级声音共振系统10、11。在下文中，初级声音共振系统10、11的最低共振被称为初级系统共振，并且共振的频率被称为初级系统共振频率。初级系统共振频率主要由初级膜片11的声音量以及后腔室10内的空气或气体的、前腔室5内的空气的以及初级膜片11的悬置的组合的声顺来控制。
[0030]次级膜片13越过位于后腔室10与周围空间6之间的外壳壁9中的第二通孔被往复地悬置，从而次级膜片13和后腔室10 —起构成次级声音共振系统10、13。因此，次级膜片13通过通孔阻塞后腔室10与周围空间6之间的流动连接。在下文中，次级声音共振系统10、13的基本共振被称为次级系统共振，并且共振的频率被称为次级系统共振频率。次级系统共振频率主要由次级膜片13的声音量以及后腔室10内的空气或气体的和次级膜片13的悬置的组合的声顺来控制。次级膜片13的悬置的顺应性(compliance)被优选为使得在自由空气中的次级膜片13的最低共振频率充分地低于次级系统共振频率，例如，低于次级系统共振频率的30%、低于次级系统共振频率的50或者低于次级系统共振频率的70*%。而且，初级驱动器12优选地被配置为使初级系统共振频率充分地低于次级系统共振频率，例如，低于次级系统共振频率的30%、低于次级系统共振频率的50%或者低于次级系统共振频率的70%。次级声音共振系统10、13优选地被配置为使次级系统共振频率低于500Hz，更优选地在200Hz与400Hz之间，更优选地在200Hz与300Hz之间。这确保了次级系统共振频率很好地低于PNC通常有效的频率范围。
[0031]要注意的是，初级声音共振系统10、11的实际共振频率可能受到次级膜片13的往复运动的影响，并且次级声音共振系统10、13的实际共振频率可能受到初级膜片11的往复运动的影响。因此，为了确定特定耳机的初级系统共振频率，应防止次级膜片13的往复运动，并且为了确定特定耳机的次级系统共振频率，应防止初级膜片11的往复运动。
[0032]次级I旲片13裳减以闻于次级系统共振频率的频率从周围空间6进入后腔室10内的声音信号，同时实际上以低于次级系统共振频率的频率增大了后腔室10的声顺(acoustic compliance)。因此，耳机1在高于次级系统共振频率的频率处用作声学封闭耳机，即，驱动器的背面朝着周围空间6关闭的耳机，并且在低于次级系统共振频率的频率处用作声学开放耳机即，驱动器的背面朝着周围空间6打开的耳机。由于相对低的次级系统共振频率，次级膜片13有效地阻断中高频声音，从而提高了降噪，同时允许低频声音通过，从而还提高了初级驱动器12的低频声音输出。因此，次级膜片13对中高频声音构成有效的障碍。次级膜片13的材料、尺寸以及悬置被优选为使得进一步支持次级膜片13的衰减效果。
[0033]如果让次级膜片13以所有的频率自由地往复运动，那么次级膜片13将会由来自初级膜片11的背面的声音信号激励。接近次级系统共振频率的信号频率将会引起次级膜片13以相对大的振幅并且以相对于初级膜片11的相位来往复运动，这实际上会降低后腔室10的顺应性。后腔室10的顺应性的这种降低可造成来自初级驱动器12在次级系统共振频率附近的声音输出信号下降。因此，期望抑制次级膜片13以次级系统共振频率的往复运动，以便减小或防止声音输出信号中的上述降低。在耳机1中，声阻孔14被设置在位于后腔室10与周围空间6之间的外壳壁9中的另一个通孔内，作为适于抑制次级膜片13以次级系统共振频率的往复运动的阻尼装置。同样，次级膜片13可由频率接近次级系统共振频率的外部噪声激励，并且声阻孔14还抑制由这种噪声激励的往复运动。然而，声阻孔14不提供次级膜片13的以低于次级系统共振频率的往复运动的实质抑制。
[0034]耳机1可包括信号处理电路15，例如，该电路包括接收器16，适于接收耳机音频信号，例如，包括音频输入信号的有线或无线信号。信号处理电路15可适于处理所接收的耳机音频信号并且根据经处理的耳机音频信号将音频输出信号提供给初级驱动器12。信号处理电路15可优选地包括输出放大器17，该放大器放大音频输出信号，以提供驱动初级驱动器12所需要的信号电压和电流。信号处理电路15和/或输出放大器17可以被连接，以通过输出电缆18或另一个合适的电连接将音频输出信号提供给初级驱动器12。
[0035]耳机1可进一步包括初级ANC系统，该系统包括:初级噪声麦克风19，该麦克风被设置为接收前腔室5内的初级噪声信号并且适于提供相应的初级音频噪声信号；以及初级ANC控制器20，被连接以接收初级音频噪声信号并且以适于减少到达佩戴者耳朵7的噪声量的方式，根据初级音频噪声信号修改音频输出信号，同时允许佩戴者听到耳机音频信号或经处理的耳机音频信号。因此，初级ANC系统19、20可抵消由耳机1利用同样发出可听见的声音输出信号的初级驱动器12而提供的避开PNR的残留噪声。初级ANC控制器20可被信号处理电路15包含。在图1中所示的初级ANC系统19、20通常用作反馈ANC系统。可选地，初级噪声麦克风19可被设置为接收周围空间6内的初级噪声信号，并且初级ANC系统19、20可用作前馈ANC系统(feed-forward ANC system)。可选地，初级ANC系统19、20可用作组合的前馈和反馈ANC系统，在这种情况下，优选设置两个初级噪声麦克风19以分别接收前腔室5内以及周围空间6内的初级噪声信号，并且适于将各个相应的初级音频噪声信号提供给初级ANC控制器20，该控制器优选地适于接收初级音频噪声信号并且根据初级音频噪声信号修改音频输出信号。
[0036]通常，通过评估噪声应该被去除的空间内的位置处的声音信号并控制换能器的声音输出，ANC系统去除噪声，从而使得所评估的信号和期望的声音信号之间的相关性增大。在初级ANC系统19、20中，用于评估的优选的空间位置处于佩戴者的中耳内。初级噪声麦克风19被设置为使其声音入口设置在前腔室5内，以允许声音信号的良好的评估位于佩戴者的中耳内，并且提供初级音频噪声信号作为测量信号，初级ANC控制器20可从该测量信号中获得评估信号。初级ANC控制器20还接收经处理的耳机音频信号作为参考信号，初级ANC控制器20可从该参考信号中获得期望的信号。可选地或此外，参考信号可包括耳机音频信号或取决于耳机音频信号的任何音频信号，例如，部分处理的耳机音频信号，即，在耳机音频信号与经处理的耳机音频信号之间的任何地方，从耳机1的一个或多个信号路径中分接的信号。
[0037]初级ANC控制器20根据测量的信号并根据参考信号修改音频输出信号，并且信号处理电路15通过输出电缆18将修改的音频输出信号提供给初级驱动器12。初级ANC控制器20可选地可根据测量信号并根据参考信号将噪声消除信号提供给另一个驱动器(未显示)，该另一个驱动器被设置为并且适于将相应的噪声消除信号发射到前腔室5内。在这种情况下，信号处理电路15优选地将处理的音频输入信号作为音频输出信号提供给初级驱动器12。后者还适用于没有初级ANC系统19、20的耳机1的实施方式。
[0038]初级ANC控制器20可以执行用于有源消除噪声的任何已知的方法。简单的ANC方法可包括将误差信号确定为测量信号与参考信号之间的差值，并且从提供给初级驱动器12的音频输出信号中递归地减去误差信号。很多其他合适的ANC方法在本领域中是已知的。在任何ANC方法中，例如通过适当地过滤初级ANC控制器20中的信号，可补偿初级驱动器12的、初级噪声麦克风19的、初级驱动器12与初级噪声麦克风19之间的声音路径的、初级噪声麦克风19的声音入口与佩戴者的中耳之间的声音路径的和/或在耳机1中的信号路径的另外元件的已知的非同式增益(non-unity gain)以及频率依赖传递函数。这种补偿在现有技术中也是众所周知的。优选地，在初级ANC控制器20中实现的ANC方法包括根据初级音频噪声信号评估在前腔室5内的声音信号，根据耳机音频信号确定期望的声音信号，并且通过适于增大在评估的声音信号与期望的声音信号之间的相关性的方式，以适于增大评估的声音信号和期望的声音信号之间的相关性的方式适应性地控制初级驱动器12或另外的驱动器。ANC方法可以优选地被限制为在预定的频带内操作，例如，10Hz-lkHz。初级噪声麦克风19的声音入口可优选地设置为接近初级膜片11，例如，在与初级膜片11相距1cm内、5mm内或2mm内，以便允许实现声音信号的可靠的评估。
[0039]图2示出了耳机201，该耳机可与图1的耳机1相同或相似，然而，下面描述不同之处。在耳机201中，省略了声阻孔14,并且次级膜片13由电动次级驱动器(electrodynamicsecondary driver) 22包含，该电动次级驱动器还包括具有电端子24的驱动线圈23。驱动线圈23悬置在永磁场内，并且机械地连接至次级膜片13，从而使得次级膜片13的往复运动可在电端子24上产生振荡电压和/或反之亦然。在本领域中容易找到合适的驱动器。电端子24被电连接至电子阻尼电路225，该电路适于抑制次级膜片13以次级系统共振频率进行往复运动。
[0040]电子阻尼电路225可优选地包括一个或多个无源电子元件，例如，电感器L、电容器C和/或电阻器R(见图3)，电感器L、电容器C和/或电阻器R共同用作滤波器，该滤波器对驱动线圈23表现出频率依赖的电荷并且抑制次级膜片13以次级系统共振频率的往复运动，同时允许以低于次级系统共振频率的频率的往复运动。由电子阻尼电路225提供的在次级系统共振频率处的阻尼可优选地超过在次级系统共振频率的一半处提供的阻尼，例如，20dB以上、10dB以上或者6dB以上。因此，电子阻尼电路225可以被用来抑制电共振，而取代或除了任何声音阻尼装置，诸如，设置在图1的耳机1内的声阻孔14。
[0041]图3示出了在图2中所示的耳机201的电子阻尼电路225的示例性配置。电子阻尼电路225包括串联连接在次级驱动器22的端子24之间的电感器L、电容器C以及电阻器R。电感器L的电感和电容器C的电容被选择为使得电子阻尼电路225和次级驱动器22具有等于次级系统共振频率的电共振频率。在电共振频率处，由电子阻尼电路225提供的滤波器的阻抗最小，并且电子阻尼电路225提供次级膜片13的往复运动的最大阻尼。然而，在分别高于和低于电共振频率的频率处，由滤波器225提供的电载荷不能提供次级膜片13的往复运动的大幅阻尼。
[0042]电阻器R的电阻可以被选择为次级膜片13的以次级系统共振频率的往复运动的期望的阻尼量。可选地，可省略电阻器R，即，以短路代替，以增大由电子阻尼电路225提供的阻尼。而且，可省略电感器L，即，由以短路代替，在这种情况下，电子阻尼电路225提供也高于次级系统共振频率的阻尼。然而，通常期望允许次级膜片13以低于次级系统共振频率的频率自由地往复运动，从而耳机1在该频率范围内可用作声学开放耳机(acousticallyopen earphone)。
[0043]图4示出了耳机401，该耳机可与图2的耳机201相同或相似，然而，下面描述不同之处。在耳机401中，通过输出电缆18的支路，进一步将来自信号处理电路15的音频输出信号提供给电子阻尼电路425，与在图2和图3中所示的电子阻尼电路225不同地配置该电子阻尼电路425。
[0044]图5示出了在图4中所示的耳机401的电子阻尼电路425的示例性配置。电子阻尼电路425包括电感器L和电容器C。电容器C连接在次级驱动器22的端子24上。电感器L连接在次级驱动器22的端子24与输出电缆18的一个导线之间，所述输出电缆将来自信号处理电路15的音频输出信号引导至电子阻尼电路425。另一个导线18连接至次级驱动器22的另一个端子24。因此，电感器L和电容器C (以及因此电子阻尼电路425)用作输出电缆18与次级驱动器22之间的低通滤波器，在将音频输出信号提供给次级驱动器22之前，该滤波器低通过滤音频输出信号。提供给次级驱动器22的信号的极性以及低通滤波器425的截止频率被选择为使得由驱动线圈23提供的力抵消次级膜片13的以次级系统共振频率的自由往复运动。它们优选地被进一步选择为使得次级膜片13支持和/或不抵消初级膜片11的以低于次级系统共振频率的往复运动。
[0045]在信号处理电路15未通电时，或者在由用于从另一个装置中接收耳机音频信号的简单连接器代替的情况下，如果这另一个装置断电或断开，那么电容器C将继续抑制次级膜片13以等于或高于次级系统共振频率的频率的往复运动。因此，在这种情况下，次级膜片13还可提高耳机1的降噪。在电子阻尼电路425的可选的实施方式中，电感器L可由电阻器(未显示)代替，然而，改变低通滤波器425的截止斜率。在其他实施方式中，滤波器425可被配置为带通滤波器，该带通滤波器以次级系统共振频率为中心并且具有滤波器带宽。例如，可使滤波器带宽等于次级系统共振的带宽。例如，滤波器425可实施为无源滤波器、模拟有源滤波器或者有源数字滤波器。由电子阻尼电路425在次级系统共振频率处提供的阻尼可优选地超过在次级系统共振频率的一半处提供的阻尼，例如，20dB以上、10dB以上或者6dB以上。
[0046]根据提供给初级驱动器12的音频输出信号将信号提供给次级驱动器22，允许实现改进的初级和次级驱动器12、22的往复运动的控制。这可进一步提高提供给佩戴者的声音输出信号的感知质量，并且还可提高初级ANC系统19、20的稳定性和效果。在图4中所示的实施方式中，音频输出信号通过输出电缆18被分支进入电子阻尼电路425。在其他实施方式中，可以通过在从耳机音频信号引入音频输出信号的一个或多个路径中，分接从其他点输入至电子阻尼电路425中的信号来实现相同或相似的结果，假设(如果需要的话)电子阻尼电路425被修改为考虑在分接点之后的发生在至音频输出信号的信号路径或多个路径中的信号处理，从而使得音频输出信号与应用于次级驱动器22的信号之间的关系基本上如上所述。通常，因此，电子阻尼电路425可根据耳机音频信号将输出信号提供给次级驱动器22。
[0047]图6示出了耳机601，该耳机可与图4的耳机401相同或相似，然而，下面描述不同之处。耳机601包括次级噪声麦克风62，该麦克风被配置为接收后腔室10内的次级噪声信号并且适于将相应的次级音频噪声信号提供给电子阻尼电路625，与在图4和图5中所示的电子阻尼电路425不同地配置该电子阻尼电路。
[0048]图7示出了在图6中所示的耳机601的电子阻尼电路625的示例性配置。电子阻尼电路625包括电感器L、电容器C以及次级ANC控制器72。与在图4中所示的电子阻尼电路425类似，电感器L和电容器C用作低通滤波器，该滤波器低通过滤来自信号处理电路15的音频输出信号。然而，并未将低通过滤的信号提供给次级驱动器22，低通滤波器L、C将低通过滤的信号作为参考信号提供给次级ANC控制器72。次级ANC控制器72还从次级噪声麦克风62接收次级音频噪声信号作为参考信号，并且根据参考信号，S卩，低通过滤信号和测量信号，即，次级音频噪声信号将输出信号提供给次级驱动器22的端子24。
[0049]次级ANC控制器72和次级噪声麦克风62由可以以类似于初级ANC系统19、20方式运行的次级ANC系统62、72包含，从而可以以适于增大评估的声音信号与期望的声音信号之间的相关性的方式，适应性地控制次级驱动器22。次级ANC控制器72优选地从后腔室10内的次级噪声信号中获得评估的信号，并且优选地从低通过滤的信号中获得期望的信号，因此，次级ANC系统可控制次级驱动器22，从而使得由驱动线圈23提供的力抵消次级膜片13的以等于和高于次级系统共振频率的自由往复运动，同时允许次级膜片13以低于次级系统共振频率的频率进行往复运动，因此，支持和/或不抵消初级模块11的往复运动。因此，次级ANC系统62、72可进一步提高由耳机1提供的降噪，同时允许初级驱动器12以良好的质量再生低频声音。
[0050]通过至少在次级系统共振频率处，并且优选地还在高于次级系统共振频率的频率处，将期望的信号设置等于0，通常可实现次级ANC系统62、72的上述效果。在低于次级系统共振频率的频率处，优选地将期望的信号设置为等于提供给初级驱动器12的音频输出信号，尽管具有使次级膜片13支持和/或不抵消主要模块11的往复运动的信号相位。以上关于初级ANC系统19、20的进一步的考虑做必要的修正可适用于次级ANC系统62、72。例如，在次级ANC系统62、72中，声音信号评估的优选的空间位置靠近后腔室10内部的次级膜片13。而且，次级ANC控制器72可以可选地从包括耳机音频信号的参考信号或取决于耳机音频信号的任何音频信号，例如，完全或部分处理的耳机音频信号中获得期望的信号。在次级ANC控制器72中，可优选地实施由电感器L和电容器C提供的过滤和/或任何其他所需要的或期望的过滤，例如，作为由次级ANC控制器72执行的ANC方法的一部分。在这种情况下，可省略过滤L、C，并且次级ANC控制器72可直接从信号处理电路15中接收参考信号，例如，通过输出电缆18。而且，次级ANC控制器72可执行用于有源消除噪声的任何已知方法，例如，上述简单的ANC方法。在任何ANC方法中，例如，可以通过适当地过滤次级ANC控制器72中的信号，补偿次级驱动器22的、次级噪声麦克风62的、位于次级驱动器22与次级噪声麦克风62之间的声音路径的、和/或在耳机1中的信号路径的另外的元件的非同式增益以及频率相关的传递函数。
[0051]优选地，在次级ANC控制器72中实现的ANC方法包括根据次级音频噪声信号评估后腔室10内的声音信号，根据耳机音频信号确定期望的声音信号，并且以适于允许由驱动线圈23提供的力抵消次级膜片13的以次级系统共振频率的自由往复运动同时允许次级膜片13以低于次级系统共振频率的频率进行往复运动因此，支持和/或不抵消次级膜片11的往复运动的方式，适应性地控制次级驱动器22。优选地，ANC方法进一步包括以适于允许由驱动线圈23提供的力抵消次级膜片13的以高于次级系统共振频率的频率的自由往复运动的方式，控制次级驱动器22。ANC方法可优选地被限制为在预定的频带内操作，例如，lOHz-lkHz。次级噪声麦克风62的声音入口可优选地设置为接近次级膜片13，例如，在与次级膜片13相距1cm内、5mm内或2mm内，以便允许实现声音信号的可靠的评估。
[0052]图8以在没有初级ANC系统19、20的不同的耳机配置中从周围空间6进入前腔室5的噪声的示例性频率-噪声衰减曲线81、84、87、88示出了简化图80。在任何频率f处，噪声衰减G被定义为在刚好位于耳机外壳3的外面的周围空间6内的噪声水平减去在前腔室5内的噪声水平。
[0053]第一噪声衰减曲线81示出了一种噪声衰减G，其在简单的声学封闭的现有技术的耳机内可实现，该现有技术的耳机具有流动地连接后腔室10和周围空间6并相当好的低频再生的开口(vent opening),然而,没有次级膜片13。噪声衰减G大约500Hz的第一频率82以下实际上未0，并且以每倍频程大约6dB从第一频率82朝着更高的频率增大，直到达到大约35dB的最大衰减83。最大衰减83是主要由通过耳机的耳垫和/或机械结构的泄漏造成的极限。第一噪声衰减曲线81用作用于示出根据本发明的耳机的实施方式1、201、401,601的实施方式中可实现的噪声衰减G的参考。
[0054]第二噪声衰减曲线84示出了可以在图1中所示的耳机1内实现的噪声衰减G。噪声衰减G在第二频率85以下实际上为0。次级膜片13使得噪声衰减G以每倍频程大约12dB从第二频率85增大至第三频率86，在第三频率以上，通过声阻孔14的泄露开始占优势，从而，从第三频率86开始，噪声衰减G以每倍频程大约6dB增大，直到达到最大衰减83。可以看出，图1中所示的耳机1在高于第二频率85的频率范围内可以提供比由第一噪声衰减曲线81示出的现有技术耳机更大的噪声衰减G。
[0055]第三噪声衰减曲线87示出了可以在图2和图4中所示的耳机201、401内实现的噪声衰减G。而且，噪声衰减G在第二频率85以下实际上为0。由于由各个电子阻尼电路225、425提供的次级膜片13的电子阻尼，所以可省略声阻孔14，因此，噪声衰减G在高于第二频率85时以每倍频程大约12dB增大，直到达到最大衰减83。可以看出，在图2和4中所示的耳机201、401在高于第三频率86的频率范围内可提供比在图1中所示的耳机1更大的噪声衰减G。
[0056]第四噪声衰减曲线88示出了在图6中所示的耳机601内可实现的噪声衰减G。除了提供次级膜片13的改进的阻尼之外，由耳机601包含的次级ANC系统62、72可有源地抵例如，通过耳垫4、通过外壳4的结构元件和/或通过次级膜片13消进入前腔室5的噪声。由次级ANC系统62、72引起的额外的噪声衰减主要在高于10-20HZ和低于大约1kHz的频率处有效。可以看出，因此，在图6中所不的耳机601可在该频率范围内提供比图2和图4中所示的耳机201、401更大的噪声衰减G。在包括初级ANC系统19、20的耳机601的实施方式中，次级ANC系统62、72因此帮助初级ANC系统19、20，因此，可与现有技术的耳机不同地配置该系统。例如，初级ANC系统19、20可被配置为具有例如减小的最大工作频率和/或在规定频率范围内的减少的环路增益，这允许提高耳机601的总噪声消除效果，没有初级ANC系统19、20不稳定的风险。
[0057]在耳机1、201、401、601的任何实施方式中，任何初级ANC控制器20和次级ANC控制器72可实施为本领域中已知的ANC控制器。在任何实施方式中，可省略初级ANC系统19、20。在没有初级ANC系统19、20的耳机601的实施方式中，可包括次级ANC系统62、72。
[0058]在图1和图2中所示的耳机1、201的实施方式中，次级膜片13仅仅由声能驱动，在这些实施方式中，次级膜片13可因此被归类为无源辐射器。在图4和图6中所示的耳机401,601的实施方式中，次级膜片13可至少部分由电能驱动，因此，在这些实施方式中，至少在提供给次级驱动器22的信号是非零的那些频率范围内，即，大约为系统共振频率，并且可选地大于系统共振频率，次级膜片13可被归类为有源辐射器。在耳机1、201、401、601的任何实施方式中，初级驱动器12和/或次级驱动器22可选地被实施为例如静电驱动器或者在现有技术中已知的其他类型的合适的电声输出换能器。
[0059]在耳机1、201、401、601的任何实施方式中，优选地配置或调谐阻尼装置14、225、425、62、625的性能，例如，声阻孔14的尺寸、L、C、R的元件值、滤波器截止频率、滤波器带宽等，以便耳机1、201、401、601在耳机音频信号与由初级驱动器12提供的音频输出信号之间具有期望的传递函数，或者至少具有接近这种期望的传递函数的传递函数。在设计特定的耳机类型期间和/或在制造耳机装置期间，可优选地进行这种配置或调谐，并且这种配置或调谐可包括执行已知的调谐方法，包括例如实验和模拟以及自动或手动调谐所涉及的电子、机械和/或声音电路。
[0060]在耳机1、201、401、601的任何实施方式中，可省略和/或通过其他已知的信号处理装置代替信号处理电路15的一部分,例如,接收器16和/或输出放大器17。在耳机1、201,401,601的任何实施方式中，可省略和/或由例如连接器代替整个信号处理电路15，该连接器用于接收耳机音频信号并且将未修改的音频信号提供给初级驱动器12。耳机1、201,401,601的任何实施方式可适于接收两个或多个耳机音频信号，并且根据这两个或多个耳机音频信号中的一个或多个提供声音输出信号。耳机1、201、401、601的任何实施方式可包括用于提供至少一部分声音输出信号的两个或多个输出换能器12，例如，在不同的频率范围内进行操作。耳机1、201、401、601的任何实施方式可包括一个或多个电池或者蓄电池，用于将电力提供给信号处理电路15以及由耳机1、201、401、601包括的其他电子电路。要注意的是，在图中不必示出所需要的电源和接地连接。
[0061]在耳机1、201、401、601的任何实施方式中，耳垫4可具有适于在头部2与耳机1之间提供声音密封而不限制声音从初级膜片11中流入耳道8任何形状、质地以及材料性能。合适的形状包括环形(例如，圆环形)、接近环形(例如，椭圆形、卵形或圆角正方形)、或扭曲的圆环形、碗状形等。耳垫4或至少一部分耳垫优选地具有弹力，并且例如可包括泡沫、橡胶和/或硅树脂以及在本领域中已知的其他合适的材料。例如，耳机1、201、401、601和耳垫4适于头戴护耳式或耳挂式使用。可选地，耳机1、201、401、601可设置为耳栓或耳塞耳机，并且耳垫4可成形为并且适于朝着外耳和/或耳道壁提供密封。
[0062]上述任何耳机1、201、401、601可进一步包括上述特征(通常是耳机可能的特征)的任何合适的组合。任何耳机1、201、401、601可包含在听力装置(未示出)内，例如，头戴式耳机、耳机、听力保护器或助听器。听力装置可进一步包括上述特征(通常是听力装置可能的特征)的任何合适的组合，并且可进一步包括作为已知的听力装置的一部分的其他特征的任何合适的组合。在适当的地方，耳机1、201、401、601可包括这样的特征。
[0063]初级和/或次级ANC控制器20、72以及电子阻尼电路225、425、625优选被实施为以模拟信号运行的模拟电路，但是其任何部分可实施为以数字信号运行的数字电路。信号处理电路15的其他部分以及在耳机1、201、401、60中和/或在听力装置中的其他电子电路优选地被实施为以数字信号运行的数字电路，但是其任何部分可实施为以模拟信号运行的模拟电路。必要时，信号处理电路15和其他电子电路可包括模数和/或数模转换器。数字电路的功能模块可以硬件、固件或软件或其任意组合来实施。数字电路可以平行和/或交错的顺序执行多个功能模块的功能，并且功能模块可以任何合适的方式分布在多个硬件单元，例如，信号处理器、微控制器以及其他集成电路之中。
[0064]在本文中提供的详细描述以及表示本发明的优选实施方式的具体实例旨在使得本领域的技术人员能够实践本发明，因此，应主要被视为本发明的说明。通过该描述，在不背离本发明的范围的情况下，本领域的技术人员能够容易地预计本发明的进一步应用以及有利变化和修改。在本文中提及的任何这种变化和修改旨在不限制本发明的范围。
[0065]本发明不限于在本文中描述的实施方式，并且可在以下权利要求中限定的主题内通过其他方式体现本发明。作为实例，所描述的实施方式的特征可任意地组合，例如，以使根据本发明的系统、装置和/或方法适于具体要求。
[0066]在由相应的工序适当地代替时，在本文中公开的系统和/或装置的结构特征进一步地旨在可与方法相结合。方法的实施方式通常具有与相应的系统和/或装置相同的优点。
[0067]在权利要求中的任何参考数字和名称旨在不限制其范围。
【权利要求】
1.一种耳机(1、201、401、601),其适于根据耳机音频信号将声音输出信号提供至佩戴者的耳朵(7)，并且进一步适于在操作位置中设置在佩戴者的头部(2)，从而使得所述头部(2)与所述耳机(1、201、401、601)之间的前腔室(5)与周围空间(6)分离，所述耳机(1、201,401,601)包括: 外壳(3)，具有壁(9)，所述壁使具有声顺的后腔室(10)与所述前腔室(5)分离并且与周围空间(6)分离； 耳垫(4)，被设置为并且适于在所述耳机(1、201、401、601)处于操作位置中时衰减从周围空间(6)中进入所述前腔室(5)的声音信号； 第一膜片(11)，越过在所述前腔室(5)与所述后腔室(10)之间的外壳壁(9)中的第一通孔被往复地悬置并适于有源地驱动以提供所述声音输出信号的至少一部分；以及 第二膜片(13)，越过在所述后腔室(10)与周围空间(6)之间的所述外壳壁(9)中的第二通孔被往复地悬置，从而使得所述第二膜片(13)和后腔室(10)构成在共振频率处声音共振的声音共振系统(10、13)， 其特征在于: 所述声音共振系统(10、13)被配置为使得所述共振频率低于500Hz。
2.根据权利要求1所述的耳机，其中，所述声音共振系统(10、13)被配置为使得所述共振频率在200Hz与400Hz之间。
3.根据权利要求1或2所述的耳机，其中，所述第二膜片(13)适于衰减以高于所述共振频率的频率从周围空间(6)中进入所述后腔室(10)内的声音信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的耳机，其中，所述第二膜片(13)适于以低于所述共振频率的频率实际上增大所述后腔室(10)的声顺。
5.根据前述权利要求中任一项所述的耳机，并且进一步包括阻尼装置(14、23、225、425、62、625)，其适于抑制所述第二膜片(13)以所述共振频率的往复运动，同时允许所述第二膜片(13)以低于所述共振频率的频率进行往复运动。
6.根据权利要求5所述的耳机，其中，所述阻尼装置(14、23、225、425、62、625)包括声阻孔(14)，其设置在所述后腔室(10)与周围空间(6)之间的外壳壁(9)中的第三通孔内。
7.根据权利要求5或6所述的耳机，其中，所述第二膜片(13)被机械地连接至悬置在磁场中的驱动线圈(23)，并且其中，所述阻尼装置(14、23、225、425、62、625)包括电连接至所述驱动线圈(23)的电子阻尼电路(225、425、625)。
8.根据权利要求7所述的耳机，其中，所述电子阻尼电路(225、425、625)包括适于提供低通滤波器或带通滤波器的一个或多个无源电子元件(L、C、R)。
9.根据权利要求7或8所述的耳机，其中，所述电子阻尼电路(225、425、625)被连接为接收取决于所述耳机音频信号的第一音频信号并且根据所述第一音频信号将第二音频信号提供给所述驱动线圈(23)。
10.根据权利要求9所述的耳机，并且进一步包括信号处理电路(15)，所述信号处理电路适于处理所述耳机音频信号并且根据处理的耳机音频信号提供用于驱动所述第一膜片(11)的输出音频信号，并且其中，所述第一音频信号取决于所述输出音频信号。
11.根据权利要求9或10所述的耳机，其中，所述电子阻尼电路(225、425、625)包括第一 ANC控制器(72),所述第一 ANC控制器适于根据在所述后腔室(10)内接收的声音信号，控制所述第二膜片(13)的往复运动。
12.根据权利要求11所述的耳机，其中，所述第一ANC控制器(72)被连接为接收取决于所述第一音频信号的参考信号，并且进一步适于根据所述参考信号控制所述第二膜片(13)的往复运动。
13.根据前述权利要求中任一项所述的耳机，并且进一步包括第二ANC控制器(20)，所述第二 ANC控制器适于根据在所述前腔室(5)内接收的声音信号，有源地抵消从周围空间(6)中进入所述前腔室(5)的噪声。
14.一种听力装置，其包括根据前述权利要求中任一项所述的一个或两个耳机(I)并且适于根据一个或多个音频输入信号将耳机音频信号提供给所述一个或两个耳机(I)中的每个。
【文档编号】H04R3/00GK104301838SQ201410341845
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】雅各布·赖默特 申请人:Gn奈康有限公司