DE102008050425A1 - Device for active reduction of external noise - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall vorgesehen. Die Vorrichtung weist mindestens einen Schallwandler (3) zum Empfangen eines Nutzsignals (u), zum Abgeben eines Nutzschalls (7), der bei der Überlagerung mit vorhandenem Fremdschall (6) zur Reduzierung des Fremdschalls (6) führt, und zum gleichzeitigen Ausgeben eines ersten Signals, das die Wirkung des an dem Schallwandler (3) eintreffenden Fremdschalls (6) in Überlagerung mit der Wirkung des an den Schallwandler (3) angelegten Nutzsignals (u) abbildet. Das erste Signal wird zur Erzeugung des Nutzsignals (u) verarbeitet. Die Vorrichtung weist ferner einen ersten Filter (FuiM) zum Empfangen des Nutzsignals (u), zum Nachbilden des Verhaltens des Schallwandlers (3) bei Betrieb ohne Fremschall und zum Ausgeben eines zweiten Signals (iuM) auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Subtraktionseinheit zum Subtrahieren des zweiten Signals (iuM) von dem ersten Signal auf, so dass das Differenzsignal (idM) den Fremdschall (6) abbildet, der am Schallwandler (3) eintrifft. Die Vorrichtung weist ferner ein zweites Filter (Fcomp) zum Empfangen des Differenzsignals (idM) und zum Erzeugen des Nutzsignals (u) auf, das dem Schallwandler (3) zur Erzeugung von Gegenschall zugeführt wird.A device is provided for reducing external noise. The device has at least one sound transducer (3) for receiving a useful signal (u), for outputting a useful sound (7), which leads to the reduction with external noise (6) to reduce the external sound (6) in the superimposition, and for simultaneously outputting a first Signal which images the effect of the external sound (6) arriving at the sound transducer (3) in superposition with the effect of the useful signal (u) applied to the sound transducer (3). The first signal is processed to generate the useful signal (u). The device further comprises a first filter (FuiM) for receiving the useful signal (u), for simulating the behavior of the sound transducer (3) when operating without sound and for outputting a second signal (iuM). The device further comprises a subtraction unit for subtracting the second signal (iuM) from the first signal, so that the difference signal (idM) images the external sound (6) arriving at the sound transducer (3). The device further comprises a second filter (Fcomp) for receiving the difference signal (idM) and for generating the useful signal (u) which is supplied to the sound transducer (3) for generating counter-sound.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall durch einen Gegenschall, wobei ein enthaltener Schallwandler gleichzeitig sowohl zur Erfassung des Fremdschalls als auch zur Abgabe des Gegenschalls verwendet wird. Eine bevorzugte Anwendung ist ein Kopfhörer, der entsprechende Komponenten zur aktiven Reduktion von Umgebungsstörschall enthält.The The present invention relates to a device for reducing of extraneous sound through a counter sound, with a contained sound transducer at the same time both for the detection of external noise and for Release of the counter sound is used. A preferred application is a headphone, the corresponding components to the active Contains reduction of ambient noise.
Um in einer lärmerfüllten Umgebung den Störschall, welcher die Ohren einer Person erreicht, zu verringern, besteht neben der Verwendung von passiven Lärmschutzvorrichtungen die Möglichkeit, den Störschall aktiv zu kompensieren. Hierzu wird mit einem aktiven Schallgeber ein Gegenschall zu dem Störschall erzeugt. Am Ohr der Person findet eine Überlagerung von dem Stör- und dem Gegenschall statt. Der Schallgeber ist dabei so anzusteuern, dass der am Ohr entstehende Gegenschall möglichst genau dem am Ohr ankommenden Anteil des Störschalls entspricht, jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen besitzt. Eine typische Anwendung für die Umsetzung dieses Ansatzes findet sich in Kopfhörern.Around in a noisy environment the background noise, which reaches the ears of a person to reduce exists in addition to the use of passive noise protection devices the possibility to actively compensate the background noise. For this purpose, with an active sounder a counter sound to the background noise generated. At the ear of the person finds an overlay of the noise and the counter sound instead. The sounder is To control it so that the counter sound produced at the ear as possible exactly corresponds to the incoming at the ear portion of the noise, but has the opposite sign. A typical application for the implementation of this approach can be found in headphones.
Am
Eingang des Ohrs
Die
Prinzipien einer aktiven Lärmkompensation sind durch
Ein
entscheidendes Merkmal der vorbekannten Lösungen besteht
darin, dass ein oder mehrere Mikrofone
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den akustisch/mechanischen Aufbau einer Vorrichtung zur aktiven Lärmkompensation gegenüber dem Stand der Technik zu vereinfachen und die Wirkung der aktiven Lärmkompensation zu verbessern.A Object of the present invention is the acoustic / mechanical Construction of a device for active noise compensation opposite to simplify the prior art and the effect of the active Improve noise compensation.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 5 gelöst.These Task is achieved by a device according to claim 1 and solved according to claim 5.
Somit wird eine Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall vorgesehen. Die Vorrichtung weist mindestens einen Schallwandler zum Empfangen eines Nutzsignals zum Abgeben eines Nutzschalls, der bei der Überlagerung mit vorhandenem Fremdschall zur Reduzierung des Fremdschalls führt, und zum gleichzeitigen Ausgeben eines ersten Signals, das die Wirkung des an dem Schallwandler eintreffenden Fremdschalls in Überlagerung mit der Wirkung des an den Schallwandler angelegten Nutzsignals abbildet. Das erste Signal wird zur Erzeugung des Nutzsignals verarbeitet. Die Vorrichtung weist ferner einen ersten Filter zum Empfangen des Nutzsignals, zum Nachbilden des Verhaltens des Schallwandlers bei Betrieb ohne Fremdschall und zum Ausgeben eines zweiten Signals auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Subtraktionseinheit zum Subtrahieren des zweiten Signals von dem ersten Signal auf, so dass das Differenzsignal den Fremdschall abbildet, der am Schallwandler eintrifft. Die Vorrichtung weist ferner ein zweites Filter zum Empfangen des Differenzsignals und zum Erzeugen des Nutzsignals auf, das dem Schallwandler zur Erzeugung von Gegenschall zugeführt wird.Thus, a device for reducing external noise is provided. The device has at least one sound transducer for receiving a useful signal for outputting useful sound, which leads to the reduction of the extraneous sound when superimposed with existing external sound, and for simultaneously outputting a first signal which superimposes the effect of the extraneous sound arriving at the sound transducer with the effect of the applied to the sound transducer useful signal maps. The first signal is processed to generate the wanted signal. The device further comprises a first filter for receiving the useful signal, for simulating the behavior of the sound transducer when operating without external sound and for outputting a second signal. The device further comprises a subtraction unit for subtracting the second signal from the first signal so that the difference signal depicts the extraneous sound arriving at the sound transducer. The device further comprises a second filter for receiving the difference nals and for generating the useful signal, which is supplied to the sound transducer for generating counter-sound.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Nutzsignal, das dem Schallwandler zugeführt wird, so ausgelegt, dass die Reduzierung des Fremdschalls ihre größte Wirkung im Ohrkanal des Nutzers entfaltet.According to one Aspect of the present invention is the useful signal supplied to the sound transducer is designed so that the reduction of external noise their largest Effect unfolds in the ear canal of the user.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung einen Kopfhörer, einen In-Ear Hörer oder einen Gehörschutz darstellen.According to one Aspect of the present invention, the device may include a headphone, an in-ear earpiece or hearing protector.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung mit einem Schallwandler zum Empfangen eines Nutzsignals, zum Ausgeben eines Nutzschalls, der bei der Überlagerung mit vorhandenem Fremdschall zur Reduzierung des Fremdschalls führt. Die Vorrichtung weist ferner eine Kontrolleinheit zum Bilden des Nutzsignals, zum Empfangen des Signals einer oder mehrerer Mikrofone, zum Auswerten des Signals einer oder mehrerer Mikrofone, welche den zu reduzierenden Störschall oder einen Anteil davon oder eine Überlagerung von Stör- und Nutzschall empfangen und/oder zum Auswerten eines oder mehrerer Signale, die von einer Störschallquelle direkt zur Verfügung gestellt wird. Die Kontrolleinheit wertet ein erstes Signal zur Erzeugung von Gegenschall aus, das an dem Schallwandler erfasst wird und das die Wirkung des an dem Schallwandler eintreffenden Fremdschalls in Überlagerung mit der Wirkung des an dem Schallwandler angelegten Nutzschalls abbildet.The The invention also relates to a device with a sound transducer for receiving a useful signal, for outputting useful sound, in the overlay with existing external sound to Reduction of external noise leads. The device has a control unit for forming the desired signal, for receiving the signal of one or more microphones, to evaluate the signal one or more microphones, which reduce the noise to be reduced or a proportion thereof or an interference superposition and useful sound received and / or to evaluate one or more signals, The directly provided by a source of noise becomes. The control unit evaluates a first signal for generation from counter sound, which is detected at the transducer and the the effect of impinging on the transducer extraneous sound in overlay with the effect of the sound transducer applied Nutzschalls maps.
Die Erfindung betrifft den Gedanken, den Schallgeber, der zur Erzeugung des Nutzschalls dient, gleichzeitig zur Erfassung des Störschalls zu verwenden und das so erfasste Signal für eine aktive Lärmkompensation zu verwenden. Hierbei erfolgt eine Auslöschung von Stör- und Gegenschall insbesondere im Ohrkanal eines Trägers des Kopfhörers. Grundsätzlich ist bekannt, dass ein akustischer Wandler sowohl als Aktor (Schallgeber) als auch als Sensor (Mikrofon) einsetzbar ist. Als Schallgeber werden in Kopfhörern meist sogenannte ”dynamische Wandler” verwendet. Der Schall wird hier von einer Membran abgegeben, auf welche eine Spule aufgebracht ist. Die Spule befindet sich in einem Magnetfeld. Wird nun an diese Spule eine elektrische Spannung angelegt, so fließt ein Strom in der Spule. Durch das Magnetfeld entsteht eine Kraft auf die stromdurchflossene Spule, welche die Spule und somit auch die Membran in Bewegung versetzt, was zur Schallabgabe führt. In diesem Fall arbeitet der Wandler als Schallgeber. Wird hingegen die Membran von einem eintreffenden Schall in Bewegung versetzt, so führt dies dazu, dass in der Spule, die dabei in dem Magnetfeld bewegt wird, eine Spannung induziert wird. In diesem Fall arbeitet der Wandler als Mikrofon. Auch akustische Wandler, die nach anderen Prinzipien arbeiten, wie z. B. ”elektrostatische” Wandler oder Piezo-Elemente, sind sowohl als Sensor als auch als Aktor einsetzbar.The Invention relates to the idea of the sounder used to produce the useful sound serves, at the same time to detect the noise and the thus detected signal for active noise compensation to use. In this case, an extinction of disturbance and counter sound especially in the ear canal of a wearer of the headphones. Basically, it is known that an acoustic transducer both as an actuator (sounder) and can be used as a sensor (microphone). As sounders are in Headphones mostly used so-called "dynamic transducers". The sound is emitted here by a membrane on which a Coil is applied. The coil is in a magnetic field. If an electrical voltage is applied to this coil, then flows a current in the coil. The magnetic field creates a force on the current-carrying coil, which the coil and thus also the membrane is set in motion, which leads to the sound emission. In this case, the transducer works as a sounder. Will, however the membrane is set in motion by an incoming sound, So this causes that in the coil that is in the magnetic field is moved, a voltage is induced. In this case works the transducer as a microphone. Also acoustic converters that follow other principles work, such as B. "electrostatic" transducer or piezo elements, can be used both as a sensor and as an actuator.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.advantages and embodiments of the invention will be described below explained in more detail with reference to the drawings.
In
Die
weitere Aufgabe besteht nun darin, den gemessenen Strom
In
- • Fdi(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Störanregungssignal d zu dem Stromsignal i ergibt.
- • Fde(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Störanregungssignal d zu dem Mikrofonsignal e ergibt.
- • Fui(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Spannungssignal u zu dem Stromsignal i ergibt.
- • Fue(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Spannungssignal u zu dem Mikrofonsignal e ergibt.
- • Fdi (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which results from the disturbance excitation signal d to the current signal i in this structure.
- • Fde (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which in this structure results from the interference signal d to the microphone signal e.
- • Fui (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which results in this structure from the voltage signal u to the current signal i.
- • Fue (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which in this structure results from the voltage signal u to the microphone signal e.
In
der komplexen Darstellung der Übertragungsfunktionen ergeben
sich die messbaren Signale i(f) und e(f) somit als Funktion der
Anregungssignale d(f) und u(f) zu:
Das
Stromsignal i(f) aus Gleichung (1) setzt sich also aus einem Anteil
Da das Signal iuM eine Näherung für das Signal i darstellt, heben sich die Anteile iu und iuM aus dem Signal idM heraus, sodass mit dem Signal idM eine gute Näherung für den im normalen Betrieb nicht allein messbaren Anteil id zur Verfügung steht.Since the signal i uM represents an approximation of the signal i, the components i u and i uM are removed from the signal i dM , so that the signal i dM is a good approximation for the component i d that can not be measured alone in normal operation Available.
Zur
Auslegung des Filters FuiM(f) in
Für
die aktive Lärmkompensation muss nun ein Übertragungsverhalten
bestimmt werden, das ein Filter aufweisen muss, damit es aus der
Näherung für id ein Signal
u erzeugt, welches zu einem Gegenschall führt, der am Ohr
des Nutzers zur Reduzierung des Störschalls führt.
Die Bestimmung dieses Soll-Übertagungsverhaltens erfolgt
anhand der in
Für
die Anordnung in
Trotzdem
lässt sich anhand des Aufbaus aus
Für die resultierende Übertragungsfunktion (Fde(f)/Fdi(f)) wird also das Signal id als Eingangs- und das Signal e als Ausgangssignal angesehen und die Messung liefert als Ergebnis direkt den Quotienten (Fde(f)/Fdi(f)) nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f.For the resulting transfer function (Fde (f) / Fdi (f)), therefore, the signal i d is regarded as the input signal and the signal e as the output signal, and the measurement directly yields the quotient (Fde (f) / Fdi (f) ) by magnitude and phase as a function of the excitation frequency f.
Anschaulich
lässt sich die Gleichung (6) so interpretieren, dass mit
1/Fdi(f)·id(f) ein ”virtuelles” Signal
d bestimmt wird, das in der Anordnung nach
Durch
Zusammenführung von Gleichung (2) und (6) lässt
sich das Signal e des Mikrofons 18 im normalen Betrieb – also
unter der Einwirkung von Störschall und bei Anlegen eines
Signals u an den Schallwandler
Das Übertragungsverhalten
Fue(f) kann direkt nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz
f gemessen werden, indem in dem Aufbau aus
Das
Signal e, welches das Mikrofon
Gemäß der
Anordnung aus
Eine
optimale Reduzierung des Störschalls am Eingang des Ohrs
Da Fsoll(f) nicht das direkte Resultat der Vermessung eines realen Systems ist, sondern der Verlauf durch Verrechnung verschiedener Anteile entstanden ist, ist im allgemeinen allerdings nicht davon auszugehen, dass sich der vollständige Verlauf nach Betrag und Phase mit einem realisierbaren Filter Fcomp(f) nachbilden lässt. Ein real aufgebautes Filter ist stets ”kausal” (es kann eine Reaktion nicht vor Eintreffen einer Anregung zeigen) und für eine reale Anwendung muss das Filter selbst ”stabil” sein (bei Ausbleiben einer Anregung muss der Ausgang gegen einen endlichen konstanten Endwert streben). Aus diesen beiden Voraussetzungen ergeben sich zwingende Zusammenhänge zwischen dem Verlauf des Betrags und der Phase der Übertragungsfunktion des Filters als Funktion der Frequenz f. Da sich der Betrags- und der Phasenverlauf von Fcomp(f) somit nicht unabhängig voneinander einstellen lassen, wird Fcomp(f) im allgemeinen nur eine Annäherung an Fsoll(f) darstellen können. Für einen eingeschränkten Frequenzbereich ist es auch mit einem kausalen stabilen Filter meist möglich, einen vorgegebenen Verlauf nach Betrag und Phase gut anzunähern. Eine sinnvolle Annäherung ergibt sich daher durch Auswahl eines Frequenzbereichs, in dem Fcomp(f) dem Verlauf von Fsoll(f) nach Betrag und Phase gut folgen kann. In diesem Frequenzbereich entsteht letztendlich die gewünschte Lärmkompensationswirkung, da der Gegenschall im Ohrkanal nach Betrag und Phase korrekt erzeugt wird. Außerhalb des gewählten Frequenzbereichs sollte der Betrag von Fcomp(f) möglichst gering gewählt werden, da aufgrund der nicht definierten Phasenbeziehung zwischen Stör- und Kompensationsschall sonst sogar Überhöhungen des Störschalls auftreten können. Wird diese Bedingung eingehalten, so unterliegt der Phasenverlauf von Fcomp(f) außerhalb des gewählten Frequenzbereichs keinen Restriktionen, woraus sich die notwendigen Freiheitsgrade ergeben, welche die Auslegung eines kausalen stabilen Filters ermöglichen.Since Fsoll (f) is not the direct result of the measurement of a real system, but the course has developed by offsetting different shares, it is generally not to be assumed that the complete course of magnitude and phase with a feasible filter Fcomp (f ). A real filter is always "causal" (it can not show a response before a stimulus hits), and for a real application, the filter itself must be "stable" (in the absence of excitation, the output must aim for a finite constant end value). From these two conditions, there are compelling relationships between the course of the magnitude and the phase of the transfer function of the filter as a function of the frequency f. Thus, since the magnitude and phase history of Fcomp (f) can not be independently set, Fcomp (f) will generally only approximate Fsoll (f). For a limited frequency range, it is usually possible with a causal stable filter to approximate a given course in terms of magnitude and phase. A reasonable approximation is thus obtained by selecting a frequency range in which Fcomp (f) can well follow the course of Fsoll (f) in terms of magnitude and phase. In this frequency range, ultimately, the desired noise compensation effect, since the counter sound in the ear canal is generated correctly according to amount and phase. Outside of the selected frequency range, the amount of Fcomp (f) should be chosen as low as possible, because due to the undefined phase relationship between noise and compensation sound otherwise even increases in noise can occur. If this condition is adhered to, the phase characteristic of Fcomp (f) outside the selected frequency range is not subject to any restrictions, which results in the necessary degrees of freedom permitting the design of a causally stable filter.
Optional
besteht die in
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirkung
von Vorrichtungen zur aktiven Lärmkompensation mit einem
akustisch/mechanischen Aufbau gemäß dem Stand
der Technik zu verbessern. Ein entscheidendes Merkmal der vorbekannten Lösungen
besteht darin, dass ein oder mehrere Mikrofone verwendet werden,
um den Störschall oder einen Anteil des Störschalls
oder die Überlagerung von Störschall mit einem
Nutzschall zu messen und zusätzlich mindestens ein Schallgeber zur
Erzeugung des Gegenschalls enthalten ist. Alternativ oder zusätzlich
zu den Mikrofonsignalen werden gemäß dem Stand
der Technik in einigen Fällen Signale zur Erzeugung des
Gegenschallsignals herangezogen, welche von einer Störschallquelle
direkt zur Verfügung gestellt werden. Die Erzeugung des Gegenschallsignals
beruht nach dem Stand der Technik auf einer Verarbeitung des Signals
von dem oder den enthaltenen Mikrofonen oder auf Signalen, welche
von einer Störschallquelle zur Verfügung gestellt
werden oder einer Kombination der genannten Signale. Erfindungsgemäß lässt
sich die Lärmkompensationswirkung solcher Vorrichtungen
dadurch verbessern, dass zusätzlich an dem Schallgeber
ein Signal erfasst wird, das die Wirkung des am Schallgeber eintreffenden
Fremdschalls in Überlagerung mit der Wirkung des an den
Schallgeber angelegten Nutzsignals abbildet, und dieses Signal zusätzlich zur
Erzeugung des Gegenschalls verarbeitet wird. Als Beispiel für
eine entsprechende akustisch/mechanische Vorrichtung nach dem Stand
der Technik dient in
Erfindungsgemäß wird
in Abgrenzung zum Stand der Technik in
Bei
dem Aufbau aus
In the construction off
Bei
einem Kopfhörer nach dem Stand der Technik gemäß
Anders
als in
Des
Weiteren sind nach dem Stand der Technik auch ”adaptive” Verfahren
bekannt, bei denen das Übertragungsverhalten der Filter
zur Erzeugung des Gegenschallsignals im laufenden Betrieb an veränderliche
Gegebenheiten der akustischen Aufbauten und des Störschalls
angepasst wird. Auch bei derartigen Aufbauten kann erfindungsgemäß das Signal
i, das am Schallwandler
Die oben beschriebene Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall kann in einem Kopfhörer, in einem In-Ear Hörer oder in einem Gehörschutz implementiert werden. Ein In-Ear Hörer gemäß der Erfindung weist einen geringeren Platzbedarf auf, da ein zusätzliches Mikrofon zum Aufzeichnen des Störsignals entfallen kann.The Abnormal noise reduction device described above in a headphone, in an in-ear listener or be implemented in an ear protection. An in-ear listener according to the invention has a smaller footprint on, as an additional microphone for recording the interference signal can be omitted.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - US 5862234 [0007, 0007] US 5862234 [0007, 0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - S. M. Kuo and D. R. Morgan in Active Noise Control Systems Algorithms and DSP Implementations. Wiley-Interscience Publication, New York, 1996 [0005] - SM Kuo and DR Morgan's Active Noise Control Systems Algorithms and DSP Implementations. Wiley-Interscience Publication, New York, 1996 [0005]
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