專利名稱：主動降噪系統的制作方法
技術領域：
本文揭示了一種降噪系統，其包括用于允許使用者欣賞，例如，已降低了環境噪聲的再現音樂等的頭戴式耳機。
背景技術：
通常可以獲得的是被結合在頭戴式耳機中的主動降噪系統，也稱為主動噪聲消除 (ANC)系統。目前實際使用的降噪系統被分為兩種類型，包括反饋型和前饋型。在戴在使用者耳朵上的反饋型降噪頭戴式耳機中，麥克風被設置在一種聲管中。 進入聲管的外部噪聲通過麥克風被收集、相位反轉并從布置在麥克風和噪聲源之間的揚聲器發出，從而減少外部噪聲。在前饋型的降噪頭戴式耳機中，當該耳機被戴到使用者的頭上時，第一麥克風位于揚聲器和耳道之間，即，在耳朵附近。第二麥克風被設置在噪聲源和揚聲器之間，并且被用于收集外部聲音。第二麥克風的輸出被用于使得從第一麥克風到揚聲器的路徑的傳輸特性與沿著外部噪聲到達耳道的路徑的傳輸特性相同。進入聲管并通過第一麥克風收集的外部噪聲被相位反轉，并從布置在第一麥克風和噪聲源之間的揚聲器發出，以減少外部噪聲。在這兩種類型中，麥克風都必須被布置在揚聲器前方并靠近使用者的耳朵，這樣做一方面使得使用者很不舒適，另一方面可能會導致麥克風的嚴重損壞，因為在該位置上對麥克風的機械保護被減弱。因此，存在著用于頭戴式耳機的改善的降噪系統的普遍需求。
發明內容
本文描述的主動降噪系統的一個實施例包括，當暴露于環境噪聲時，聲學上耦合到使用者耳朵上的耳機。該耳機包括帶有孔徑的杯狀外殼；將電信號轉換成被輻射給使用者耳朵的聲信號并被布置在杯狀外殼的孔徑處從而形成耳機空腔的發送換能器；以及將聲信號轉換成電信號，被布置在耳機空腔內的接收換能器。該系統進一步包括從發射換能器向耳朵延伸并具有第一傳遞特性的第一聲學路徑；從發射換能器向接收換能器延伸并具有第二傳遞特性的第二聲學路徑；以及被電連接到接收換能器和發送換能器，并通過生成被提供給發射換能器的降噪電信號來補償環境噪聲的控制單元。降噪電信號是通過用第三傳遞特性濾波接收_換能器信號而得到的，并且其中第二和第三傳遞特性一起模擬(model) 第一傳遞特性。
下面基于附圖中示出的示范性實施例更加具體地描述了各種具體實施例。除非另外說明，在所有附圖中同樣的組件被標注為相同的參考數字。圖1是公知的反饋主動降噪系統的示意圖；圖2是公知的前饋降噪系統的示意圖；圖3是本文揭示的反饋主動降噪系統的一個實施例的示意圖4是本文揭示的主動降噪系統的一個實施例中采用的耳機的示意圖； 圖5是在公知的主動降噪系統中信號流的示意圖；圖6是本文揭示的具有閉環結構的主動降噪系統的一個實施例中的信號流的示意圖；圖7是本文揭示的具有閉環結構的主動降噪系統的一個可替代實施例中的信號流的示意圖；圖8是圖7中示出的系統之下的基本原理的示意圖；圖9是本文揭示的采用濾-χ最小均方(FxLMS)算法的主動降噪系統的一個實施例的示意圖；圖10是本文揭示的具有開環結構的主動降噪系統的一個實施例的示意圖；圖11是說明在擴散噪聲場中且麥克風距離為2cm的MSC函數的示意圖；以及圖12是說明在擴散噪聲場中且麥克風距離為2cm的阻尼函數的示意圖。
具體實施例方式圖1是公知的具有聲管1的反饋型的主動降噪系統的示意圖，在聲管1的第一端處，噪聲(所謂的主噪聲2)從噪聲源3被引入聲管1中。主噪聲2的聲波經過管1傳播到管1的第二端，例如，在聲管被戴在使用者頭上時，該聲波從聲管的第二端被輻射到使用者的耳朵中。為了在管中降低或消除主噪聲2，揚聲器(例如，擴音器4)將消除聲音5引入管 1中。該消除聲音5具有至少對應于外部噪聲、但優選地與外部噪聲相同的幅度，然而相位相反。進入管1的外部噪聲2通過誤差麥克風6被收集，并且通過反饋ANC處理單元7被相位反轉，然后從擴音器4被發射以降低主噪聲2。誤差麥克風6被布置在擴音器4的下游，并且因此，與到擴音器4的距離相比，更加靠近管1的第二端，S卩，在以上的實例中，誤差麥克風6更靠近使用者的耳朵。為了建立如圖2所示的公知的前饋型的主動降噪系統，如圖1所示，附加的參考麥克風8被設置在系統中的噪聲源3和擴音器4之間，并且反饋ANC處理單元7被前饋ANC 處理單元9代替。參考麥克風8收集主噪聲2，并且參考麥克風8的輸出被用于調整從擴音器4到誤差麥克風6的路徑的傳輸特性，使其與主噪聲2到達管1的第二端，即，使用者的耳朵，所沿的路徑的傳輸特性相匹配。使用從擴音器4到誤差麥克風6的信號路徑的調整后的傳輸特性，將由誤差麥克風6收集的主噪聲2的相位反轉，并從布置在兩個麥克風6 和8之間的擴音器4發射，以降低外部噪聲。信號的反轉和傳輸路徑調整是由前饋ANC處理單元9執行的。圖3中示出了本文揭示的反饋主動降噪系統的一個實施例。圖3的系統與圖1的系統不同，因為誤差麥克風6被實際布置在管1的第一端和擴音器4之間，而不是被布置在擴音器4和管1的第二端之間。而且，濾波器10被連接在誤差麥克風6和反饋ANC處理單元7之間。濾波器10被調整成使得麥克風6虛擬地位于擴音器4的下游，即，在擴音器4 和管1的第二端之間，模擬(modeling)虛擬誤差麥克風6’。圖4是本文揭示的主動降噪系統的一個實施例中采用的耳機11的示意圖。耳機 11可以是頭戴式耳機(未示出)的一部分，并且可以被聲學耦合到使用者13的耳朵12上。 在該實例中，耳朵12被暴露于環境噪聲，環境噪聲形成了從噪聲源3發出的主噪聲2。耳機11包括帶有孔徑15的杯狀外殼14。該孔徑可以被柵、網格、或任意其他聲音可透過的結構或材料覆蓋。將電信號轉換成被輻射到耳朵12的聲學信號且在該實例中由揚聲器16形成的發送換能器被布置在外殼14的孔徑15處，從而形成耳機空腔17。揚聲器16可被密封地安裝到外殼14上，以提供氣密的空腔17，即，創建密封容積。可替代地，根據具體情況，可將空腔 17 通風(vented)。將聲學信號轉換成電信號的接收換能器，例如，誤差麥克風18被布置在耳機空腔 17內。據此，誤差麥克風18被布置在揚聲器16和噪聲源2之間。聲學路徑19從揚聲器 16延伸到耳朵12，并且其傳遞特性為Hse(Z)。聲學路徑20從揚聲器16延伸到誤差麥克風 18，并且其傳遞特性為Hsm(Z)。圖5是公知的主動降噪系統(例如，圖1的系統)中的信號流的示意圖，該系統進一步包括信號源21，用于提供由揚聲器22聲學輻射的期望信號x[n]。該揚聲器還起到例如圖1的系統中的擴音器4的消除擴音器的作用。由揚聲器22輻射的聲音 經由傳遞特性為Hsm(Z)的(次)路徑24被傳遞給誤差麥克風23 (如，圖1的麥克風6)。麥克風23接收來自揚聲器22的聲音和來自噪聲源(未示出)的噪聲N[n]，并由此生成電信號e[n]。信號e[n]被提供給減法器25，減法器25從信號e[n]減去濾波器26 的輸出信號以生成信號N* [η]，信號N* [η]是噪聲Ν[η]的電表達形式。濾波器26的傳遞特性為H*sm(z)，該傳遞特性H*sm(Z)是次路徑24的傳遞特性Hsm(Ζ)的估計值。信號N*[n]由濾波器27濾波，其中濾波器27的傳遞特性與傳遞特性H*sm(z)的反相相等，然后被提供給減法器28，減法器28從期望信號χ [η]減去濾波器27的輸出信號以生成將要提供給揚聲器 22的信號。濾波器26被提供了與揚聲器22相同的信號。在以上參考圖5描述的系統中， 使用了所謂的閉環結構，如以上已經看到的那樣。圖6示出了本文揭示的閉環主動降噪系統的一個實施例中的信號流。在該系統中，具有傳遞特性Hsc(ζ)的附加濾波器29被連接在誤差麥克風23和減法器25之間。其傳遞特性Hsc(Z)如下Hsc (z) = Hse (ζ)-Hsm (ζ).據此，實際的(物理的、真實的)次路徑24和濾波器29的傳遞特性Hsm(Z) ,Hsc(Ζ) 一起模擬在揚聲器22和在期望信號位置處(例如，在使用者的耳朵12處)的麥克風(以下也稱為“虛擬麥克風”)之間的虛擬(期望)信號路徑30的傳遞特性Hse(Z)。當將上述應用到例如圖4的系統時，麥克風18可以從其在噪聲源3和揚聲器16之間的真實位置被虛擬地移到使用者耳朵12 (圖示為耳朵麥克風12)處的(期望)位置上。在圖3的系統中，期望的信號路徑從擴音器4延伸到虛擬麥克風6’。物理的(真實的)信號路徑從麥克風6延伸到擴音器4。依靠麥克風6下游的濾波器29，真實的麥克風6的位置被虛擬地移到麥克風6’的位置。圖7示出了本文揭示的閉環主動降噪系統的一個可替代實施例中的信號流。再一次地，信號源21將期望信號χ [η]提供給揚聲器22，揚聲器22不僅對信號χ [η]進行聲學輻射，而且有效地起到降噪作用。被揚聲器22輻射的聲音經由具有傳遞特性Hsm(Z)的(次) 路徑24傳播到誤差麥克23。麥克風23從揚聲器22接收聲音和噪聲Ν[η]，并且由此生成電信號e[n]。信號e[n]被提供給加法器31，加法器31將濾波器26的輸出信號加到信號e[n]上，以生成信號 N* [η]，該信號N* [η]是噪聲N [η]的電表達方式(在該實例中為估計值)。濾波器26具有傳遞特性H*sm(z)，該傳遞特性H*sm(Z)對應于次路徑24的傳遞特性Hsm(Z)。信號N*[n]被濾波器32濾波，其中濾波器32的傳遞特性與傳遞特性H*sm(z)的反相相等，然后被提供給減法器28，減法器28從期望信號x[n]減去濾波器32的輸出信號，以生成將要提供給揚聲器22的信號。從濾波器32的輸出信號減去信號x[n]的減法器33的輸出信號被提供給濾波器26。圖8是圖7示出的系統的基本原理的示意圖，其中噪聲源34經由傳輸特性為P (ζ) 的主(傳輸)路徑36向誤差麥克風35發送噪聲信號d [η]，在誤差麥克風35的位置處產生噪聲信號d’ [η]。誤差信號e [η]被提供給加法器40，加法器40從信號e [η]減去濾波器41的輸出信號以生成信號d~ [η]，該信號(Γ [η]是噪聲信號d’[n]的估計表達式。濾波器41具有傳遞特性S" (ζ)，該傳遞特性S" (ζ)是次路徑39的傳遞特性S (ζ)的估計值。信號(Γ [η]被具有傳遞特性W(Z)的濾波器42濾波，然后被提供給減法器43，減法器43從期望信號χ [η]， 如，由信號源37供給的音樂或語音，中減去濾波器42的輸出信號，以生成將要提供給擴音器38的信號，用于經由傳輸特性為S(Z)的次(傳輸)路徑39傳輸到誤差麥克風35。從期望信號x[n]中減去濾波器42的輸出信號的來自減法器43的輸出信號被提供給濾波器 41。可使用如下面參考圖9描述的適應算法對圖8的系統進行增強。在這種系統中，濾波器42是由適應控制單元44控制的可控濾波器。適應控制單元44從減法器40接收由濾波器45濾波的信號(Γ [η]，并從誤差麥克風35接收誤差信號e [η]。濾波器45具有和濾波器41相同的傳輸特性，S卩，S" (ζ)0可控濾波器41和控制單元44 一起形成自適應濾波器， 該自適應濾波器可用于調整，例如，所謂的最小均方(LMS)算法，或者，如在本實施例的情況下，濾波-χ最小均方(FxLMS)算法。然而，其它算法也可能是適用的，例如，濾波_e LMS 算法或類似算法。通常，如那些在圖8和9中示出的反饋ANC系統估計純噪聲信號d’ [η]，并將該估計噪聲信號cf[n]輸入ANC濾波器，S卩，在該實例中的濾波器42。為了估計純噪聲信號 d’ [η]，對從擴音器38到誤差麥克風35的聲學次路徑39的傳輸特性S(Z)進行估計。在濾波器41中使用估計的次路徑39的傳輸特性S" (ζ)，以電濾波被提供給揚聲器38的信號。通過從誤差信號e [η]中減去濾波器41的信號輸出，獲得估計噪聲信號(Γ [η]。如果估計次路徑S~(z)與實際次路徑S(z)完全相同，則估計噪聲信號(Γ [η]與實際的純噪聲信號d’ [η] 完全相同。 估計噪聲信號d~ [η]在傳輸特性為W(z)的(ANC)42中被濾波，其中W(Z) = P (ζ)/S(Z)，然后從期望信號χ [η]中被減去。信號e[n]可以表示如下當且僅當S" (z) = S(Z)，并且同樣地(Γ [n] = d，[η]時，e [η] = d [η] · P (ζ) +χ [η] · S (ζ) -d" [η] · (P (ζ) /S" (ζ)) · S (ζ) = χ [η] · S (ζ)。估計噪聲信號(Γ [η]如下當且僅當S" (ζ) = S(Z)時，d"[n] = e[n]-(x[n]-d' [η] · (P(ζ)/S" (ζ)) .S" (ζ)) = d' [η] ·Ρ(ζ) =d[n]。
由此，估計噪聲信號(Γ [η]模擬實際噪聲信號d[n]。
諸如以上公式等描述的閉環系統的目標是，通過在將期望信號提供給揚聲器之前從期望信號中減去估計的噪聲信號來減少期望信號的不希望的降低。在開環系統中，為了獲得降噪效果，通過特殊濾波器來供給誤差信號，在該特殊濾波器中，誤差信號經過低通濾波(例如，低于IkHz)并且被控制增益以獲得穩定的適度的環路增益和相位調整(例如，反轉)。然而，由此可見，開環系統可導致期望信號被降低。另一方面，開環系統比閉環系統復雜性低。圖10中示出了本文揭示的類型的開環ANC系統。信號源51將諸如音樂信號等的有用信號提供給加法器46，加法器46的輸出信號經由適當的信號處理電路(未示出)被提供給揚聲器47。加法器46還接收由誤差麥克風48提供并由串聯連接的濾波器49和濾波器 50濾波的誤差信號。濾波器50的傳遞特性為Ha(Z)，并且濾波器49的傳遞特性為Hs。(z)。 傳遞特性Ha(ζ)是普通開環系統的特性，傳遞特性Hs。(z)是用于補償誤差麥克風48的虛擬位置和實際位置之間差異的特性。普通閉環ANC系統在誤差麥克風被安裝成盡量接近耳朵，S卩，在耳朵里時，展現其最佳性能。然而，將誤差麥克風置于耳朵里對于收聽者來說將極為不方便，并且將劣化收聽者感受到的聲音。將誤差麥克風置于耳朵外將使ANC系統的質量惡化。為解決這種兩難的問題，多系統(numerous system)已經被引入，但是這些系統主要依靠機械結構的調整，即， 已經嘗試了在揚聲器和誤差麥克風之間提供緊湊型的封裝(enclosure)，理想地不會被例如一個人或不同使用者佩戴頭戴式耳機的方式打亂。盡管這樣的機械調整的確能夠在一定程度上解決穩定性問題，但是由于它們位于揚聲器和收聽者耳朵之間，它們仍會導致聲學性能失真。為克服上述的兩難問題，本文提出一種系統，其采用模擬或數字(或兩者都有)信號處理，以允許一方面將誤差麥克風置于遠離耳朵處，另一方面保證了持續穩定的性能。本文揭示的系統通過將誤差麥克風放置在揚聲器的后面，即，在耳機和揚聲器之間，解決了穩定性問題。這提供了限定封裝，該限定封裝不以任何方式使聲學性能失真。在這種系統中， 誤差麥克風被布置成稍微遠離收聽者的耳朵，不可避免地導致ANC性能的惡化。該問題通過利用直接放置在使用者耳朵里的“虛擬麥克風”被克服。“虛擬麥克風”意味著麥克風實際上被布置在一個位置，但是通過適合的信號濾波看來相是出現在另一個“虛擬”的位置。以下實例是基于數字信號處理使得所有被使用的信號和傳遞特性均在離散的時間和譜域(n， ζ)中。對于模擬處理，使用連續的時間和譜域(t，s)中的信號和傳遞特性，這意味著在所考慮的實例中，η只需要被t代替，而ζ被s代替。再次參考圖6 ；為了造成“虛擬的”誤差麥克風，評估理想傳遞特性Hse(Z)，即，在從揚聲器到耳朵的信號路徑(期望的次路徑)上的傳遞特性，并且確定從揚聲器到誤差麥克風的信號路徑(真實的次路徑)上的實際的傳遞特性Hsm(Z)。為了確定在虛擬麥克風位置處提供理想聲音接收和最佳噪聲消除的濾波器特性W(Z)，濾波器特性W(Z)被設置為W(Z) =1/Hse(z)0虛擬誤差麥克風接收的總信號χ [η] · Hse(Z)為 NM + ((xM -* Hse (z) = x[n\ * Hse (ζ) 其中，形成ANC系統的輸入信號的估計噪聲信號N[n]為
權利要求
1.一種主動降噪系統，包括被聲學耦合到被暴露于噪聲的使用者耳朵的耳機，該耳機包括帶有孔徑的杯狀的外殼；發送換能器，其將電信號轉換成被輻射到使用者耳朵的聲學信號，并且所述發送換能器被布置在所述杯狀外殼的孔徑處，從而定義耳機空腔；以及接收換能器，其將聲學信號轉換成電信號，并且被布置在耳機空腔內；第一聲學路徑，其從所述發送換能器延伸到耳朵，并且具有第一傳遞特性；第二聲學路徑，其從所述發送換能器延伸到所述接收換能器，并且具有第二傳遞特性；以及控制單元，其被電連接到所述接收換能器和所述發送換能器，并且通過生成提供給所述發送換能器的降噪電信號來補償所述環境噪聲，其中所述降噪電信號是從用第三傳遞特性濾波的接收換能器信號得出的，并且其中所述第二傳遞特性和所述第三傳遞特性一起模擬所述第一傳遞特性。
2.如權利要求1所述的系統，其中，隨著時間的過去，所述降噪信號與環境噪聲信號相比，具有相同的幅度但相反的相位。
3.如前述權利要求中的任一項所述的系統，進一步包括信號源，其提供通過所述發送換能器輻射的期望信號。
4.如權利要求3所述的系統，其中所述控制單元包括第一濾波器，其具有與所述第一傳遞特性反相的第四傳遞特性，并且提供了第一濾波信號。
5.如權利要求3或4所述的系統，其中所述控制單元進一步包括第二濾波器，其具有與所述第二傳遞特性相等的第五傳遞特性，并且提供了第一濾波信號。
6.如權利要求3、4或5中的任一項所述的系統，其中所述控制單元進一步包括 減法單元，其被連接到所述第一濾波器和所述信號源，并且所述減法單元從所述期望信號減去所述第一濾波信號以生成輸出信號，其中所述輸出信號被提供給所述發送換能器，并且反轉的輸出信號被提供給所述第二濾波器；以及加法單元，其被接連到所述第二濾波器和所述接收換能器，并且所述加法單元將所述第二濾波信號加到所述接收換能器的信號輸出上以生成電噪聲信號，所述電噪聲信號被提供給所述第一濾波器。
7 如前述權利要求中的任一項所述的系統，其中所述第一和第二濾波器中的至少一個是自適應濾波器。
8.如前述權利要求中的任一項所述的系統，其中所述控制單元包括模擬電路或數字電路或者兩者都包括。
9.如前述權利要求中的任一項所述的系統，其中所述發送換能器被安裝到密封的容積上。
10.如權利要求9所述的系統，其中所述發送換能器被密封地安裝到所述外殼上以形成所述密封的容積。
全文摘要
本發明提出了一種主動降噪系統，其包括被聲學耦合到暴露于噪聲的使用者耳朵的耳機。耳機具有帶孔徑的杯狀外殼；用于將電信號轉換成要被輻射到使用者耳朵的聲學信號的發送換能器，其被布置在杯狀外殼的孔徑處，從而定義了耳機空腔；以及將聲學信號轉換成電信號的接收換能器，其被布置在耳機空腔內；從發送換能器延伸到耳朵并具有第一傳遞特性的第一聲學路徑；從發送換能器延伸到接收換能器并具有第二傳遞特性的第二聲學路徑；以及電連接到接收換能器和發送換能器的控制單元，其通過生成將要提供給發送換能器的降噪電信號來補償環境噪聲。降噪電信號是從用第三傳遞特性濾波的接收換能器信號得出的，并且第二和第三傳遞特性一起模擬第一傳遞特性。
文檔編號H04R3/02GK102170602SQ20111004430
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年2月25日
發明者邁克爾·沃姆, 邁克爾·珀克曼, 馬庫斯·克里斯托夫 申請人:哈曼貝克自動系統股份有限公司