反饋系統中的不穩定檢測和避免的制作方法
【專利摘要】在一個方面,通常,有源降噪系統通過檢測與潛在或實際不穩定行為(例如,振蕩)有關的系統的特性來檢測實際或潛在不穩定,并且適配系統特性以緩解這種不穩定。在一些示例中,該系統適配于具有或可能引起不穩定行為的反饋路徑的聲學部件的特性的變化,以改善用戶的聲學體驗。
【專利說明】反饋系統中的不穩定檢測和避免
【技術領域】
[0001]本發明涉及反饋系統,特別地反饋有源降噪系統中的不穩定檢測和避免。
【背景技術】
[0002]環境中的環境噪聲的存在能夠對人聽力具有廣泛影響。諸如噴氣式客機的客艙中的發動機噪聲的環境噪聲的一些示例可能引起對乘客的微小的打擾。諸如建筑工地上的電鉆的環境噪聲的其他示例可能引起永久的聽力損失。用于減少環境噪聲的技術是研究的活躍領域,提供了諸如更愉悅的聽力體驗和避免聽力損失的益處。
[0003]許多傳統的降噪系統利用有源降噪技術來減少用戶察覺到的噪聲的量。有源降噪系統通常使用前饋、反饋、或前饋和反饋方式的組合執行。基于反饋的系統一般測量期望降噪的區域(例如,在聲學腔諸如耳腔中)附近的有可能與其他聲波結合的噪聲聲波。通常,該測定的信號用于生成“抗噪信號”,其為所測量噪聲的倒相且比例縮放的版本。將抗噪信號提供到噪聲消除驅動器,其將信號換能為呈現給用戶的聲波。當由噪聲消除驅動器產生的抗噪聲波在聲學腔中與噪聲聲波結合時,兩個聲波由于相消干擾而彼此抵消。結果是在期望降噪的區域中用戶所察覺到的噪聲水平減少。
[0004]反饋系統通常具有不穩定并且產生基于不穩定的失真的潛在可能。例如,如基于反饋系統的經典分析所理解的,如果在反饋回路的相位為180°的頻率下,反饋回路的增益大于1,那么能夠在該頻率下生成振蕩的加性信號。這種情況能夠被描述為零或負值系統的相位裕度,即在增益為I的頻率下達到180°相位的裕度。
[0005]在聲學的有源降噪系統中,至少一部分反饋路徑能夠包括聲學部件。盡管能夠在有源降噪系統中直接控制反饋路徑的電氣或數字部件,但是聲學部件可能例如由于聲路徑的物理性質的變化的結果而受變化的影響。
【發明內容】
[0006]在一些情形中,聲路徑的變化可以引起系統的不穩定,這是由于所產生的反饋回路增益或傳遞函數的變化。例如,聲學部件能夠具有在聲學驅動器和反饋麥克風之間的聲學傳遞函數。聲學傳遞函數變化的情況的一個示例是,當入耳式耳機的佩戴者將耳機的耳塞插入耳道的時候。在插入過程期間,耳塞的順應式端部例如通過本身被擰擠(pinched)或折疊變為阻塞。這種阻塞端部能夠改變聲學傳遞函數,從而改變總的回路增益并可能引起系統中的不穩定。
[0007]存在對這樣的系統的需要,該系統能夠檢測反饋降噪系統中的不穩定的特性并且調整系統的回路增益以避免不穩定。
[0008]在一個方面,通常,有源降噪系統通過檢測與潛在或實際不穩定行為(例如,振蕩)有關的系統的特性來檢測實際或潛在不穩定,并且適配系統特性以緩解這種不穩定。
[0009]在一些示例中,該系統適配于具有或可以引起不穩定行為的反饋路徑的聲學部件的特性的變化,以改善用戶的聲學體驗。[0010]在一方面,通常,基于反饋的有源降噪系統包括反饋元件和不穩定檢測器,該不穩定檢測器用于檢測反饋元件中的不穩定狀況并基于檢測的結果形成控制參數。該反饋元件包括反饋輸入,用于從第一傳感器接受第一反饋信號;控制輸入,用于接受用來調整反饋元件的增益特性和相位特性的控制參數;和驅動器輸出,用于提供驅動信號給驅動器。該不穩定檢測器包括控制參數輸出,用于提供控制參數給反饋元件的控制參數輸入;和多個輸入,用于從包括第一傳感器的多個傳感器接受多個反饋信號。檢測不穩定狀況包括處理多個反饋信號以確定驅動器和第一傳感器之間的聲學路徑的特性。
[0011]多個方面可以包括一個或多個下列特征。
[0012]第一傳感器可以包括麥克風,并且驅動器可以包括揚聲器。該反饋元件可以被配置為在提供控制參數時使反饋元件的增益特性和相位特性的一個或兩者改變預定的量。該反饋元件可以被配置為在提供控制參數時,并行地修改的反饋濾波器、前饋濾波器和聲輸入濾波器的傳遞函數。
[0013]該反饋元件可以被配置為在提供控制參數時使反饋元件的帶寬改變預定的量。該反饋元件可以包括根據控制參數選擇性地適用于反饋元件的低通濾波器。多個傳感器可以包括第二傳感器,并且不穩定檢測器可以被配置為基于與第一傳感器關聯的第一反饋信號相對于與第二傳感器關聯的第二反饋信號的比值,來確定驅動器和第一傳感器之間的聲路徑的特性。
[0014]第一反饋信號比第二反饋信號的比值可以表示聲路徑的聲阻抗。第一傳感器可以包括壓力式麥克風,并且第二傳感器可以包括速率式麥克風。第一傳感器可以包括壓力式麥克風,并且第二傳感器可以包括壓力式麥克風。多個傳感器可以包括第三傳感器,其用于產生第三反 饋信號,并且不穩定檢測器可以被配置為基于第三反饋信號確定由不穩定檢測器檢測的不穩定狀況的有效性。
[0015]該反饋元件可以包括用于接受輸入信號的第一信號輸入,不穩定檢測器可以包括用于接受輸入信號的第二信號輸入和用于接受驅動信號的驅動器輸入,并且不穩定檢測器可以被配置為檢測反饋元件中的不穩定狀況,其包括基于輸入信號和驅動信號確定反饋元件的特性。該不穩定狀況可以包括在指定頻率沮圍中的振湯的存在。該指定頻率沮圍可以與有源降噪發生在頻率范圍互不相交。
[0016]不穩定檢測器可以被配置為分析輸入信號和驅動信號,以確定驅動信號中是否存在振湯,并且輸入?目號中不存在振湯。
[0017]在另一個方面,通常,一種用于檢測和避免基于反饋的有源降噪系統中的不穩定的方法包括檢測反饋元件中的不穩定狀況且基于檢測的結果形成控制參數。檢測不穩定狀況包括從包括第一傳感器的多個傳感器接受多個反饋信號,并且處理多個反饋信號,以確定驅動器和第一傳感器之間的聲學路徑的特性。該方法也包括提供控制參數給反饋元件、在反饋元件接受控制參數、在反饋元件從第一傳感器接受第一反饋信號、基于控制參數調整反饋元件的增益特性和相位特性、并從反饋元件輸出驅動器輸出信號給驅動器。
[0018]多個方面可以包括一個或多個下列特征。
[0019]第一傳感器可以包括麥克風,并且驅動器可以包括揚聲器。提供控制參數給反饋元件可以使反饋元件的增益特性和相位特性的一個或兩者改變預定的量。提供控制參數給反饋元件可以引起反饋濾波器、前饋濾波器和音頻輸入濾波器的傳遞函數的并行修改。提供控制參數給反饋元件可以使反饋元件的帶寬改變預定的量。提供控制參數給反饋元件可以使低通濾波器基于所提供的參數被可選擇地應用于反饋元件。
[0020]多個傳感器可以包括第二傳感器,并且確定驅動器和第一傳感器之間的聲路徑的特性可以包括計算與第一傳感器關聯的第一反饋信號相對于與第二傳感器關聯的第二反饋信號的比值。第一反饋信號與第二反饋信號的比值可以表示聲路徑的聲阻抗。第一傳感器可以包括壓力式麥克風,并且第二傳感器可以包括速率式麥克風。
[0021]第一傳感器可以包括壓力式麥克風,并且第二傳感器可以包括壓力式麥克風。多個傳感器可以包括第三傳感器,其用于產生第三反饋信號,并且檢測不穩定狀況可以包括基于第三反饋信號確定不穩定狀況的有效性。
[0022]該方法也可以包括在反饋元件接受輸入信號的步驟,其中檢測不穩定狀況還包括接受輸入信號、接受驅動信號、并基于輸入信號和驅動信號確定反饋元件的特性。
[0023]該不穩定狀況可以包括在指定頻率范圍中的振蕩的存在。該指定頻率范圍可以與有源降噪發生在頻率范圍互不相交。檢測不穩定狀況可以包括分析輸入信號和驅動信號,以確定驅動信號中是否存在振蕩,并且輸入信號中不存在振蕩。
[0024]實施例可以具有一個或多個下列優點。
[0025]實施例可以需要很少的電子部件,從而使得相對于包括通用數字信號處理(DSP)硬件的常規傳統而言成本降低。
[0026]實施例可以消耗非常少的功率(例如,微瓦),因為其不需要高速/低噪聲運算放大器。
[0027]實施例可以比需要長測量和計算時間的基于DSP的系統更快速地對干擾作出響應。在一些示例中,基于DSP的系統并沒有足夠快地作出響應,以防止由于耳機器件中的揚聲器驅動器緊密靠近于鼓膜所導致的大聲高音的聲音以延長的時間撞擊在鼓膜上。
[0028]實施例不受被單獨音頻信號觸發的影響,并且能夠可靠地檢測到音頻信號中存在的振蕩。
[0029]本發明的其他特征和優點從下列描述和權利要求中顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是包括振蕩檢測器的反饋降噪系統的方框圖。
[0031]圖2是振蕩檢測器。
[0032]圖3是示出增益和相位裕度的圖形。
[0033]圖4是被配置為減少環路增益的電路。
[0034]圖4A、4B、和4C提供了圖4的電路的詳細視圖。
[0035]圖5是示出增益和相位裕度的圖形。
[0036]圖6是被配置為減少環路增益和帶寬的電路。
[0037]圖7是具有阻塞端部的入耳式耳機。
[0038]圖8是用于未阻塞情形和阻塞情形的聲阻抗的圖形。
[0039]圖9是被配置為檢測阻塞端部的入耳式耳機。
[0040]圖10是包括組合的振蕩/阻塞端部檢測器的反饋降噪的方框圖。
[0041]圖11是組合的振蕩/阻塞端部檢測器。[0042]圖12是示出被用于計算組合的振蕩/阻塞端部檢測器的輸出的邏輯的真值表。
[0043]圖13是用于未阻塞情形和阻塞情形的聲阻抗量度的圖形。
【具體實施方式】
[0044]1.綜沭
[0045]本文中所述的系統檢測由于基于反饋控制的有源降噪系統中的過度反饋回路增益而導致的實際或潛在的反饋回路不穩定,并且緩解該不穩定,以使系統返回到穩定或更穩定的工作狀態。
[0046]該系統利用下列知識:
[0047]a)隨著在反饋回路的相位接近180°的頻率下反饋回路的增益接近1,反饋回路的增益的帶寬增加。這減少了系統中的相位裕度,最終導致不穩定的反饋回路,這能夠導致在該頻率下的振蕩或阻尼振蕩。
[0048]b)當耳塞的端部被阻塞時,聲阻抗發生顯著變化,這改變該反饋回路增益。
[0049]在檢測到反饋回路的不穩定時,該系統通過調整該反饋回路的增益來緩解該不穩定。
[0050]2.振蕩 檢測器
[0051]參考圖1,用于聲學有源降噪的系統200接收輸入信號(例如,聲學信號)x(t),并將該輸入信號的修改版本提供給聲學驅動器102。該聲學驅動器102在聲學腔104中將該輸入信號的修改版本換能為聲波y(t)。在聲學腔104中,y(t)經過聲學驅動器102和反饋麥克風108之間的聲學傳遞函數A106。y(t)經過A106的結果與噪聲聲波N(t)結合,以產
生i(t)。該反饋麥克風108測量_,將聲波換能為電信號e (t)。該信號通過反饋因子H210
沿著反饋路徑傳遞。
[0052]在正向路徑中,輸入信號x(t)被提供到第一傳遞函數塊仏112。然后,將反饋因子H210的輸出從第一傳遞函數塊112的輸出中減去。在一些示例中,AJ12的輸出只(或占據主導地)包括x(t)的在所期望的有源降噪帶寬內的頻率分量,而在所期望的有源降噪帶寬外的頻率被衰減。該減去的結果被提供到第一正向路徑增益元件GJ16。
[0053]并聯地,該輸入信號x(t)被提供到第二傳遞函數塊A2114。第一正向路徑增益元件G1116的輸出被加到第二傳遞函數塊114的輸出。在一些示例中,A2114的輸出只包括x(t)的在所期望的有源降噪帶寬外的頻率分量,而在所期望的有源降噪帶寬內的頻率被衰減。該加法的結果被提供到第二者正向路徑增益元件G2118。第二正向路徑元件G2118的輸出被提供到聲學驅動器102。
[0054]在一些示例中,將輸入信號x(t)的不同分量以不同的級注入正向路徑中的目的是,將較高增益應用到被認為更重要的輸入信號的分量。例如,圖1的系統將在有源降噪帶寬內的x(t)的頻率分量比在有源降噪帶寬外的x(t)的頻率分量更早地注入系統中。這導致更多增益(即,G1Iie和G2IlS兩者)被應用于有源降噪帶寬內的頻率分量以及更少增益(即,僅有G2IlS)被應用于有源降噪帶寬外的頻率分量。更高的反饋增益產生更大的降噪。
[0055]在一些示例中,x(t)=0 (即,未提供輸入信號)。在這些示例中,有源降噪系統減少在反饋麥克風處的環境噪聲,從而驅動在麥克風所檢測到的信號為零。
[0056]在圖1所示的系統中,e(t)是在反饋麥克風108的位置處的聲學腔中聲學信號的測量。在頻率域中,e(t)能夠被如下表達為Ε(ω):[0057]
【權利要求】
1.一種基于反饋的有源降噪系統,包括: 反饋元件,包括 反饋輸入,用于從第一傳感器接受第一反饋信號, 控制輸入,用于接受控制參數,所述控制參數用于調整所述反饋元件的增益特性和相位特性,以及 驅動器輸出,用于提供驅動信號給驅動器;以及 不穩定檢測器,用于檢測所述反饋元件中的不穩定狀況并且基于所述檢測的結果形成所述控制參數,所述不穩定檢測器包括 控制參數輸出,用于提供所述控制參數給所述反饋元件的所述控制參數輸入,以及 多個輸入,用于從包括所述第一傳感器的多個傳感器接受多個反饋信號, 其中檢測所述不穩定狀況包括處理所述多個反饋信號,以確定所述驅動器和所述第一傳感器之間的聲路徑的特性。
2.根據權利要求1所述的系統,其中所述第一傳感器包括麥克風并且所述驅動器包括揚聲器。
3.根據權利要求1所述的系統,其中所述反饋元件被配置為在提供所述控制參數時使所述反饋元件的所述增益特性和所述相位特性中的一個或兩個改變預定的量。
4.根據權利要求1所述的系統,其中所述反饋元件被配置為在提供所述控制參數時,并行地修改反饋濾波器、前饋濾波器和音頻輸入濾波器的傳遞函數。
5.根據權利要求1所述的系統,其中所述反饋元件被配置為在提供所述控制參數時使所述反饋元件的帶寬改變預定的量。
6.根據權利要求1所述的系統,其中所述反饋元件進一步包括根據所述控制參數可選擇地適合于所述反饋元件的低通濾波器。
7.根據權利要求1所述的系統,其中所述多個傳感器包括第二傳感器,并且所述不穩定檢測器被配置為基于與所述第一傳感器關聯的所述第一反饋信號相對于與所述第二傳感器關聯的第二反饋信號的比值,確定所述驅動器和所述第一傳感器之間的所述聲路徑的特性。
8.根據權利要求7所述的系統,其中所述第一反饋信號與所述第二反饋信號的所述比值表示所述聲路徑的聲阻抗。
9.根據權利要求7所述的系統,其中所述第一傳感器包括壓力式麥克風,并且所述第二傳感器包括速率式麥克風。
10.根據權利要求7所述的系統,其中所述第一傳感器包括壓力式麥克風,并且所述第二傳感器包括壓力式麥克風。
11.根據權利要求7所述的系統,其中所述多個傳感器包括用于產生第三反饋信號的第三傳感器,并且所述不穩定檢測器被配置為基于所述第三反饋信號確定由所述不穩定檢測器檢測的所述不穩定狀況的有效性。
12.根據權利要求1所述的系統,其中所述反饋元件進一步包括用于接受輸入信號的第一信號輸入,所述不穩定檢測器進一步包括用于接受所述輸入信號的第二信號輸入和用于接受所述驅動信號的驅動器輸入,并且所述不穩定檢測器被配置為檢測所述反饋元件中的所述不穩定狀況,這包括基于所述輸入信號和所述驅動信號確定所述反饋元件的特性。
13.根據權利要求12所述的系統,其中所述不穩定狀況包括在指定頻率范圍中振蕩的存在。
14.根據權利要求13所述的系統,其中所述指定頻率范圍與發生有源降噪的頻率范圍互不相交。
15.根據權利要求13所述的系統,其中所述不穩定檢測器被配置為分析所述輸入信號和驅動信號,以確定所述驅動信號中是否存在所述振蕩并且所述輸入信號中不存在所述振蕩。
16.一種用于在基于反饋的有源降噪系統中檢測并避免不穩定的方法,所述方法包括: 檢測反饋元件中的不穩定狀況并且基于所述檢測的結果形成控制參數,檢測所述不穩定狀況包括 從包括第一傳感器的多個傳感器接受多個反饋信號;以及 處理所述多個反饋信號,以確定所述驅動器和所述第一傳感器之間的聲路徑的特性; 提供所述控制參數給所述反饋元件; 在所述反饋元件接受所述控制參數; 在所述反饋元件從所述第一傳感器接受第一反饋信號; 基于所述控制參數,調整所述反饋元件的增益特性和相位特性;以及 從所述反饋元件輸出驅動器輸出信號給驅動器。
17.根據權利要求16所述的方法,其中所述第一傳感器包括麥克風并且所述驅動器包括揚聲器。
18.根據權利要求16所述的方法,其中提供所述控制參數給所述反饋元件使所述反饋元件的所述增益特性和所述相位特性中的一個或兩個改變預定的量。
19.根據權利要求16所述的方法,其中提供所述控制參數給所述反饋元件引起反饋濾波器、前饋濾波器和音頻輸入濾波器的傳遞函數的并行修改。
20.根據權利要求16所述的方法,其中提供所述控制參數給所述反饋元件使所述反饋元件的帶寬改變預定的量。
21.根據權利要求16所述的方法,其中提供所述控制參數給所述反饋元件使低通濾波器基于所提供的參數被可選擇地應用到所述反饋元件。
22.根據權利要求16所述的方法,其中所述多個傳感器包括第二傳感器,并且確定所述驅動器和所述第一傳感器之間的所述聲路徑的特性包括,計算與所述第一傳感器關聯的所述第一反饋信號相對于與所述第二傳感器關聯的第二反饋信號的比值。
23.根據權利要求22所述的方法,其中所述第一反饋信號與所述第二反饋信號的所述比值表示所述聲路徑的聲阻抗。
24.根據權利要求22所述的方法,其中所述第一傳感器包括壓力式麥克風,并且所述第二傳感器包括速率式麥克風。
25.根據權利要求22所述的方法,其中所述第一傳感器包括壓力式麥克風,并且所述第二傳感器包括壓力式麥克風。
26.根據權利要求22所述的方法,其中所述多個傳感器包括用于產生第三反饋信號的第三傳感器,并且檢測所述不穩定狀況包括基于所述第三反饋信號確定所述不穩定狀況的有效性。
27.根據權利要求16所述的方法,進一步包括: 在所述反饋元件處接受輸入信號, 其中檢測所述不穩定狀況進一步包括 接受所述輸入信號, 接受所述驅動信號,并且 基于所述輸入信號和所述驅動信號,確定所述反饋元件的特性。
28.根據權利要求27所述的方法,其中所述不穩定狀況包括在指定頻率范圍中振蕩的存在。
29.根據權利要求28所述的方法,其中所述指定頻率范圍與發生有源降噪的頻率范圍互不相交。
30.根據權利要求28所述的方法,其中檢測所述不穩定狀況進一步包括分析所述輸入信號和所述驅動信號,以確定所述驅動信號中是否存在所述振蕩并且所述輸入信號中不存在所述振湯。
【文檔編號】G10K11/16GK103843364SQ201280048628
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年9月26日 優先權日:2011年10月3日
【發明者】P·巴卡洛斯, A·帕薩薩拉希 申請人:伯斯有限公司