背景技术
世界上有许多人听力受损。在一些情况下,助听装置可以用于帮助人们提高他们的听力,尽管在高频区别方面有自然损耗。典型地,助听装置放大声音,使得用户可以更容易地听到声音。不幸地,许多传统助听装置会放大包括环境噪音在内的所有声音,使得很难区别预期的源(例如,人的话音)与其余的环境噪音。
针对放大的环境噪音问题的一种传统解决方案是使用耳内数字助听器。这样的助听器包括提供可调谐方向性的多个麦克风,使得助听器具有最优方向灵敏度,这些麦克风通常被面向前方调谐。这样,助听器增大了来自用户前面对话的声音,而不会增大所有背景噪音。
针对这种放大的环境噪音问题的另一传统解决方案利用用户所佩戴的眼镜来实现。眼镜合并了助听装置,因此有时也被称作“助听眼镜”。一个制造这种助听眼镜的公司是Varibel(www.varibel.nl)ofBrussels,Belgium。由Varibel制造的助听眼镜使用安装在眼镜臂上的端射式麦克风阵列。端射式麦克风阵列对于声波具有增加的灵敏度,声波源自与阵列的轴(即,用户前方)近似成直线的源。
利用Varibel的助听眼镜,来自前方的声音被放大,并且来自其他方向的扩散噪音相对于预期声音而减小。用于测量扩散噪音减小的技术术语被称作方向性指数(DI),该方向性指数等于:
DI=10log10(Q),其中
其中,φ,θ是标准球形坐标系统参数(分别为方位角、仰角),E是方向响应,以及观看方向由θ=π/2和φ=0给出。在使用端射式阵列配置的4个麦克风的特定示例中,Varibel的助听眼镜使用一阶和二阶超方向处理,以获得8.2dB的加权方向性指数。
其他传统助听眼镜使用被安装到眼镜的前部的垂射式(broadside)麦克风阵列。垂射式麦克风阵列对于声波具有增加的灵敏度,声波源自与阵列的轴近似垂直的源。然而,对于大于麦克风阵列的间隔的波长,方向性指数对于垂射式阵列较差。因此,典型地,端射式阵列对于这样的波长是优选的。不同的端射式和垂射式阵列的检测波束图案的特定特性取决于若干因素,包括单独麦克风的灵敏度以及麦克风之间的间隔。下文中,对于麦克风之间的间隔仅考虑小于感兴趣波长的距离。
在助听眼镜上不管使用端射式还是垂射式阵列,麦克风阵列的方向性典型地实质上在佩戴眼镜的人的前面。尽管这些传统阵列配置有助于沿着用户可以观看的一般方向增加用户的听力灵敏度,端射式和垂射式阵列配置对于抑制来自干扰噪音源的噪音不是最佳的,该干扰噪音源位于接近预期声音发生方的角度。具体地,利用端射式阵列,仅提高了方向性指数(针对来自所有方向的扩散噪音的减小)。也可以针对垂射式阵列提高方向性指数。然而,这种提高与针对端射式阵列的提高相比较低。此外,在行阵列以及二阶或高阶波束生成器中需要至少三个麦克风来获得这种提高。然而,二阶和高阶波束生成器在实际中很难实现。同样,对于这样的垂射式阵列很难抑制来自干扰源的噪音,该干扰源位于接近预期声音产生方的角度。作为一个示例,助听器用户很难区别来自和用户交谈(以及面对用户)的人的声音与在与用户交谈的人附近说话的另一人的噪音。换言之,很难抑制在传统端射式和垂射式阵列的检测波束图案内发起的噪音。
具体实施方式
容易理解,这里总体上所描述的且在附图中示意的实施例的组件能够按照各种不同配置来设置和设计。因此,如附图所示,各个实施例的以下更详细描述并不意在限制本公开的范围,而是仅代表不同的实施例。尽管在附图中示出了实施例的各个方面,但是附图不必按比例绘制,除非特别指出。
本发明在不背离其精神或实质特性的情况下可以以其他特定形式来实现。所描述的实施例在所有方面应被视为示意性的而非限制性的。因此,本发明的范围由所附权利要求指示而不是由该详细描述来指示。在权利要求等同物的意义和范围内的所有改变应包含在它们的范围内。
贯穿本说明书,对特征、优点或类似语言表达的引用并不意味着,可以利用本发明来实现的所有特征和优点应当在本发明的任何单个实施例中。而是,引用特征和优点的语言表达可以被理解为意味着,结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此,贯穿本说明书,特征和优点以及类似语言表达的讨论可以不必指代相同实施例。
此外,在一个或多个实施例中本发明中所描述的特征、优点和特性可以按照任何适合的方式来组合。本领域技术人员将认识到,根据这里的描述,无需具体实施例的一个或多个特定特征或优点,也可以实现本发明。在其他情况下,可以在特定实施例中认识到在本发明的所有实施例中没有出现的附加特征和优点。
贯穿本说明书,对“一个实施例”、“实施例”或类似语言表达的引用意味着,结合指定实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。因此,贯穿本说明书,短语“在一个实施例中”、“在实施例中”以及类似语言表达可以不必均指代相同实施例。
尽管这里描述了许多实施例,但是还描述了至少一些实施例功能来构造可变向(steerable)波束图案,其中,朝向点干扰方的角度发出空(non)响应,而同时保持对收听角的单位响应,并且还具有足够的扩散噪音减小。空-变向方案的类型允许拒绝来自在收听角附近的干扰方的噪音。同样,至少一些实施例实现具有平面麦克风阵列的助听眼镜,该助听眼镜提供超方向波束图案合成,以及即使干扰方接近收听角,也可以拒绝来自干扰方的噪音。
图1示出了收听布置100的一个实施例的示意图。所示的收听布置100示出了对话或其他收听环境中各个参与者的位置。具体地,所示收听布置100包括收听方102(表示为“L”)、声音产生方104(表示为“G”)、以及干扰声源106(表示为“I”)。为了方便起见,这里分别将收听方102、声音产生方106以及干扰声源106描述为(例如,在对话期间)产生或收听可听声音的人。然而,在一些实施例中,收听方102、声音产生方104、和/或干扰噪音源106可以是能够产生可听声音另一种类的动物或机器。
为了这里描述的方便起见,将收听方102视为尝试收听由声音产生方104所产生的声音(例如,语音)的人。声音产生方104所产生的声音作为声波108穿过空间,如声音发生方104与收听方102之间的箭头所示。同样,干扰声源106可以产生指定为干扰噪音的分离声音,这是由于收听方102将这样的声音视为干扰来自声音产生方104的声音。干扰声源106所产生的声音作为声波110通过空间传播,如干扰声源106与收听方102之间的箭头所示。相对于收听方102,声音产生方104与干扰声源106之间的角度β在这里被称作声音发生方104与干扰声源106之间的角度差。
图2示出了供图1的收听布置100使用的平面声音检测器阵列112的一个实施例的示意图。在一个实施例中,平面声音检测器阵列112与助听装置相结合,使得收听方102可以更容易收听和理解声音产生器104所产生的声音。在一个实施例中,助听装置是便携式助听装置。
仅供参考,声音检测器可以按照实质平面阵列112来布置,实质平面阵列112近似置于二维(2D)平面(如图2中形成四边形的虚线所示)中。在所示的实施例中,二维平面通过收听方102的位置和声音产生器104的位置延伸。二维平面还通过干扰声源106的位置延伸。尽管平面阵列112在这里被称作在二维平面内,但是其他实施例可以包括在二维平面之外的额外声音检测器。因此,声音检测器阵列不必受限于二维平面,只要声音检测器按照多维配置的一些形式来布置,而不是实质上在一行中,例如端射式或垂射式阵列。
电路(参照图4)处理由平面阵列112中的一些或全部声音检测器产生的声音信号,以便产生再现声音信号,再现声音信号允许收听方102更容易收听和理解来自声音产生器104的声音。在来自并非所有声音检测器的声音信号用于产生再现声音信号的情况下,起作用的声音检测器仍应当按照实质上平面、二维图案来布置。因此,至少两个声音检测器可以在一维行中,并且其他声音检测器中的至少一个可以置于二维平面内,而不是沿着一维行。
通常,电路将声音信号进行组合,从而在朝向声音产生器104的位置的收听角产生实质上的单位响应114。通常成特定收听角的单位响应意味着,成这种角度的响应等于成这种角度的单个全向麦克风的响应。电路还朝向干扰声源106的位置的干扰角产生实质上的空响应。成特定收听角的空响应意味着,该响应实质上小于(在理论上,无限地小于)成这种角的单个全向麦克风的响应。
在一些实施例中,可以使用平面阵列112中声音检测器的子集,而不是所有声音检测器,以便减轻超方向响应构造的传感器噪音问题。作为一个示例,电路使用来自至少三个声音检测器(例如,图5所示的声音检测器116a、116b和116c)的子集的声音信号。更具体地,电路将声音信号进行组合,从而基于一阶可变向全向响应来产生再现声音信号。
通过使用按照平面几何图形的至少三个全向声音检测器或传感器的环形阵列,以及信号处理技术的应用,能够构造一阶超方向(superdiretional)响应,一阶超方向响应可以根据其主(波)瓣被变向成任何期望的方位角,并且可以被调整为具有任何一阶方向性图案(心形线、增大心形线等)。这种构造经由所谓的零阶和一阶本征波束来执行。对于大于阵列尺寸的波长,并假定没有传感器噪音,本征波束的响应在频率上是不变的,并且理想地等于:
Em=1
其中,φ,θ是标准球形坐标角:仰角和方位角。
零阶本征波束E
m表示单极响应,而一阶本征波束
和
表示正交偶极响应。
可以通过以下正交偶极对的加权组合,将偶极响应变向成任何角度
可以经由以下公式对变向和缩放后的超方向麦克风响应进行构造:
其中,α≤1作为用于控制一阶响应的方向图案的参数,s作为任意缩放因子(也可以具有负值)。
应当注意,上述公式可以基于以下假定:对于来自任意方位角φ以及仰角θ=π/2的期望源,存在超方向麦克风的单位响应。
在一些实施例中,在以收听角
获得单位响应以及以干扰角
获得空响应的约束下,对方向性因子Q进行优化。针对一阶超方向响应的最佳图案合成可以使用以下公式来构造:
作为另一示例,电路使用来自至少四个声音检测器子集的声音信号。在该示例中,电路将声音信号进行组合,从而基于二阶可变向超方向响应来产生再现声音信号。然而,应当注意,二阶波束图案实际上很难构造,尤其是对于低频,其中,波长远长于阵列尺寸。这样的困难至少一部分是由于阵列的物理布置,阵列的物理布置在总体尺寸上受到安装了各个单独声音传感器的镜架的尺寸的限制。其他实施例可以使用声音传感器的其他组合,并且产生其他方向响应。
图3示出了供图1的收听装置100使用的声音检测器116的平面阵列112的另一实施例的示意图。与图1的示意图相比较,图3的示意图示出了图1的收听布置100的顶视图。
在所示的实施例中,声音检测器116耦接至可以由收听方102佩戴的镜架118。可以由用户佩戴的镜架118的一个示例如图5所示,并且以下进行更详细的描述。其他实施例可以使用其他类型的镜架118。
为了方便描述平面阵列112的操作的一个示例,图中所示声音检测器116中的4个声音检测器为黑色,而其余声音检测器为白色。在一个实施例中,所示的声音检测器116(即,黑色)表示电路使用其声音信号来产生再现声音信号的声音检测器116的子集。在一个实施例中,电路包括在耦接至镜架118的助听器120中。助听器120可以物理和/或电耦接至镜架118。通过对来自专用声音传感器116子集的声音信号进行处理,助听器120内的电路能够形成波束图案,该波束图案提供指向声音产生器104的单位响应114,而将空响应指向着干扰声源106。其他实施例可以使用其他组合和/或数目的声音检测器116。
图4示出了用于方向声音检测的设备130的一个实施例的示意框图。所示设备130包括(按照平面阵列布置的)多个声音检测器(M)116、模数转换器(ADC)132、数字信号处理器(DSP)134、数模转换器(DAC)136、以及音频扬声器138。所示设备130还包括控制器140和电源142。尽管使用特定组件和功能示出和描述设备130,但是设备130的其他实施例可以包括更少或更多的组件来实现更少或更多的功能。例如,设备130的一些实施例可以具有滤波器(未示出)、用户界面(未示出)等等。例如,一些实施例包括用户控制按钮或选择器(例如,与控制器集成在一起),来在端射式和平面阵列操作模式之间进行切换。这样,用户能够选择端射阵列操作模式,来用于改善或降低扩散噪音。备选地,用户能够选择平面阵列操作模式,来在有接近预期声音产生器104的扩散噪音和干扰噪音的情况下用于改善或最佳化性能。
在一个实施例中,模数转换器132将声音检测器116所产生的一个或多个模拟声音信号转换成相应数字信号。数字信号也可以被称作模拟信号的数字表示。尽管示出了单个模数转换器132,但是其他实施例可以包括多于一个模数转换器,以更快速地处理来自各个单独声音检测器116的声音信号。
数字信号处理器134接收来自模数转换器132的数字信号,并且产生要传送至收听方102的再现声音信号。在一个实施例中,数字信号处理器134根据来自控制器140的算法或指令,对声音信号进行处理。这样,控制器140可以基于来自声音检测器116的声音信号来控制超方向响应的方向角。此外,在一些实施例中,控制器114可以包括额外处理和/或存储资源。在其他实施例中,可以将控制器140的功能合并到数字信号处理器134或设备130的其他组件中。
数字信号处理器134将数字再现声音信号发送至数模转换器136,数模转换器136将再现声音信号转换成模拟信号。模拟信号也可以被称作数字再现声音信号的模拟表示。数模转换器136然后将模拟信号发送至音频扬声器138,音频扬声器138产生代表再现声音信号的可听声音。通过收听来自扬声器138的可听声音,收听方102能够收听到声音产生器104所产生的声音,而不会受到来自干扰声源106的明显干扰。
在一个实施例中,电源142向设备130的各个组件供电。在特定示例中,电源142包括至少一个电池,并且以适合的电压向各个组件提供直流(DC)电源信号。
图5示出了一副助听眼镜150的一个实施例的图,该副助听眼镜150具有耦接至助听眼镜150的镜架的平面声音检测器116阵列。通常,助听眼镜150可以类似于传统眼镜通过两个光学元件152来提供光学校正。传统上,光学元件被安装在镜架的前部分154。在前部分154两侧上的镜臂156使得用户能够佩戴助听眼镜150,并且相对于用户的头部(未示出)在适当位置支撑镜架。
在所示的实施例中,在镜架的前部分154和镜臂156的各个安装位置处示意性示出了若干声音检测器116。更具体地,至少一个声音检测器116耦接至镜架的前部分156。类似地,至少一个声音检测器耦接至镜臂156中的一个。尽管在助听眼镜150的镜架上的特定位置中示出了声音检测器116,但是其他实施例可以包括安装在镜架上的类似或不同位置中的更少或更多声音检测器116。
每个声音检测器116电耦接至电路158,电路158被安装到助听眼镜150的左镜臂156上。电耦接可以包括经由线的物理连接,经由射频(RF)通信的无线连接,或者其他类似类型的耦接。在另一实施例中,可以将电路158安装在镜架上的不同位置,或者在镜架上的多个位置分离安装,或者部分地或总体上置于远离镜架的位置。如上所述,电路158基于来自平面声音检测器116阵列(包括声音检测器116的一些(即,子集)或全部)的声音信号,产生再现声音信号。声音检测器116、电路158和音频扬声器138一同组成助听装置的一个实施例。在一个实施例中,音频扬声器138是个人音频扬声器,以产生具有声波特性的可听声音,这种声波特性使得能够主要在用户耳朵附近内听到可听声音。其他实施例可以使用其他类型的音频扬声器或多于一个音频扬声器。
图6示出了用于控制助听装置的方向性的方法160的一个实施例的流程图。尽管结合在前图所示的装置描述方法160,但是方法160的实施例也可以利用其他类型的助听装置来实现。
在方框162,助听装置在耦接至便携式助听装置的多个声音检测器116处检测声波。如上所述,声音检测器116按照平面阵列配置来布置。在方框164,电路158将至少来自声音检测器116的子集的声音信号进行组合,以产生再现声音信号。根据期望或指定的方向性的量,电路158可以根据算法或其他指令组合声音信号。在方框166,电路158产生代表再现声音信号的可听声音,并且在方框168,将可听声音传送至便携式助听装置的用户。在一些实施例中,例如,可以对产生和传送可听信号的操作进行组合,其中,在用户可以听到产生的可听信号的位置处产生可听信号。然后所示方法160结束。
在其他实施例中,方法160还可以包括对于便携式助听装置的操作更有利的附加操作。例如,在一个实施例中,方法160还包括将来自至少三个声音检测器的声音信号进行数字组合,并且基于一阶可变向超方向响应来产生再现声音信号。在另一实施例中,方法160还包括:对来自至少四个声音检测器的声音信号进行数字组合,并基于二阶可变向超方向响应来产生再现声音信号。在另一实施例中,对来自声音检测器的声音信号进行组合包括在朝向声音产生器位置的收听角产生实质上的单位响应,在朝向干扰声源位置的干扰角产生实质上的空响应,并且提高方向性指数(Q>1)。对于一阶可变向超方向响应,平面阵列112可以具有提高的方向性指数,甚至在抑制与收听角成近似45度角(例如,β≥45°)的干扰噪音的情况下也如此。相反,使用传统行阵列布置来成这种角度的干扰噪音会导致方向性指示下降(Q<1)。因此,传统行阵列不能够在实现对干扰噪音的良好抑制的同时保持方向性指示。对于二阶可变向超方向响应,平面阵列112可以呈现改进,甚至在抑制与收听角成近似30度角(例如,β≥30°)的干扰噪音的情况下也是如此。相反,使用传统行阵列布置来抑制成这种角度的干扰噪音会导致方向性指示下降(Q<1)。同样,传统行阵列不能在实现对干扰噪音的良好抑制的同时保持方向性指示。在这些示例中,响应的提高近似2dB。在其他实施例中,响应的提高可以更大或更小。此外,对于一阶和二阶可变向超方向响应干扰角明显更小。例如,尽管扩散响应提高可以随着干扰角的减小而显著变小,但是干扰角可以近似20、15、10或者甚至5度。
在以上描述中,提供了各个实施例的特定具体内容。然而,可以利用并非所有这些特定具体内容来实现一些实施例。在其他情况中,为了简要和清楚起见,仅详细描述实现本发明的各个实施例的特定方法、过程、组件、结构和/或功能。
尽管按照具体顺序示出和描述了这里的方法的操作,但是可以对每个方法的操作顺序进行改变,使得可以按照相反顺序来执行特定操作,或者使得至少部分与其他操作并发地执行特定操作。在另一实施例中,不同操作的指令或子操作可以以中间和/或备选方式来实现。
尽管已经描述和示意了本发明的特定实施例,但是本发明不限于特定形式或所描述和示意部件的布置。本发明的范围由所附权利要求及其等同物来限定。