CN102164326A - 耳机麦克风 - Google Patents

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Abstract

一种耳机麦克风，由以L形状成为一体的主单元和插入部分构成。两个接收器附接至主单元的外表面并且暴露在用户耳外，同时一个接收器附接至插入用户的外耳道的所述插入部分的末端，并且置于与用户的鼓膜相反的位置处。信号处理器产生两个暴露于用户耳外的接收器的输出信号之间的差别信号。所述差别信号经过高通滤波并随后累加至置于用户外耳道内侧的接收器的输出信号，从而产生表示用户声音的声音信号。所述声音信号包括用于分辨用户声音所必需的足够数量的频率成分(例如高于3kHz的频率成分)。

Description

耳机麦克风
技术领域
本发明涉及电声接收器/发射器，具体而言涉及接收和发射声音的耳机/麦克风。
本发明要求日本专利申请第2010-39296号和第2010-263676号的优先权，其内容通过引用并入本文。
背景技术
耳机/麦克风(或耳机麦克风)已被开发并广泛用作移动电话(或蜂窝电话)的可选装置，其允许用户与对方进行无需手持的通话。耳机麦克风可以设计为将微型麦克风嵌入在插入用户耳朵的外耳道中的听筒中，其中所述微型麦克风接收通过颅骨传输到外耳道内部的声音(见专利文献1)。当把听筒插入外耳道以封闭外耳孔时，在外耳孔外部出现的环境噪声几乎不会传输到外耳道中。这些耳机麦克风能够传输排除了出现在用户耳朵外部的环境噪声的声音。
专利文献1：日本专利申请公开第2007-281916号
在声带产生的声音通过颅骨传输至外耳道时，用于分辨人类语音的辅音所必需的特定频率范围(如3kHz或更高的频率成分)会被消除/衰减。即使在讲话者的外耳道内侧传输的讲话者的声音通过电话传输至对面的接听者/讲话者，也会由于用于分辨人类语音所必需的频率成分的损失而导致难以进行流畅的通话。
发明内容
本发明的目的是提供一种并入在移动电话中的耳机麦克风，该耳机麦克风能够将用户的语音精确地转换成声音信号以通过电话实现流畅的通话，其中所述声音信号包括用于分辨辅音和元音所必需的足够数量的频率成分。
本发明的耳机麦克风由以L形状成为一体的主单元和插入部分构成。当用户将所述耳机麦克风附接至用户耳朵时，所述插入部分插入用户的外耳道(EAC)。第一接收器附接至所述插入部分的末端，并且当所述插入部分插入用户的外耳道时，所述第一接收器置于与用户的鼓膜相反的位置处。第二接收器附接至主单元的外表面。第二接收器暴露并且外置于所述插入部分插入其中的用户的外耳道。信号处理器将所述第二接收器的输出信号累加至所述第一接收器的输出信号，以产生表示用户声音的声音信号。
优选地，第二接收器由两个接收器构成，所述两个接收器以其间预定的距离置于平面内，所述平面与所述插入部分插入其中的用户的外耳道的中心线垂直交叉。
此外，所述信号处理器包括减法器和加法器，其中所述减法器产生所述两个接收器的输出信号之间的差别信号，所述加法器将所述差别信号累加至所述第一接收器的输出信号，以产生表示用户声音的声音信号。
另外，所述信号处理器还包括介于所述减法器和所述加法器之间的高通滤波器。所述高通滤波器对从所述减法器输出的差别信号中的低频成分进行衰减。
如上文所述，从用户的口中发出以通过外部空间到达第二接收器的外部声音对高于3kHz的频率成分进行补偿，其中在用户的声带产生的内部声音通过用户的颅骨传输至外耳道时会损失所述高于3kHz的频率成分。这使得有可能生成包含用于分辨用户声音所必需的足够数量的频率成分的声音信号。由此，能够通过电话在人们之间进行流畅的通话。
附图说明
将参照以下附图对本发明的这些及其它目的、方面和实施例进行详细说明。
图1示出了根据本发明的第一实施例的耳机麦克风的机械/电气构造，其中该耳机麦克风具有一个内部接收器和两个外部接收器。
图2A是沿图1中的方向A对耳机麦克风进行观察的主视图。
图2B是沿图1中的方向B对耳机麦克风进行观察的侧视图。
图3示出了第一实施例中附接至用户耳朵的耳机麦克风的正常位置。
图4是示出了相对附接至用户耳朵的耳机麦克风的声源定位的平面图，其中进入声音/噪声到达外部接收器的角度为θ。
图5是示出了表示从用户的声带到达安装在用户外耳道中的内部接收器的内部声音的幅度特征曲线RIN表示以θ＝0°到达外部接收器的进入声音的幅度特征曲线R0、表示以θ＝90°到达外部接收器的进入声音的幅度特征曲线R90的示图。
图6示出了根据本发明第二实施例的耳机麦克风的机械/电气构造。
图7示出了根据本发明的第一实施例的一个变型的耳机麦克风的机械/电气构造。
具体实施方式
将参照附图以示例的方式对本发明进行更详细的说明。
1.第一实施例
图1示出了根据本发明第一实施例的耳机麦克风10的机械/电气构造。图2A是沿图1中的方向A对耳机麦克风10进行观察的主视图，而图2B是沿图1中的方向B对耳机麦克风10进行观察的侧视图。
耳机麦克风10输入从移动电话(或蜂窝电话，未示出)通过电缆11接收的声音信号SRCV，从而将对应的声音输出(或发射)至用户耳朵的外耳道中。另外，耳机麦克风10接收内部声音和外部声音两者，其中内部声音由声带产生并且通过颅骨传输至外耳道中，外部声音从口输出并通过外部空间传输至外耳道中。通过颅骨传输至外耳道中的内部声音具有低于3kHz的频率范围。耳机麦克风10生成发射声音信号SSND以使得外部声音对内部声音进行补偿。发射声音信号SSND被提供至移动电话。作为用于接收通过口的外部空间传输至外耳道中的外部声音的装置，其能够提供具有单一接收声音方向性的单向接收器和具有双向接收声音方向性的双向接收器。第一实施例被设计为使用双向接收器。
插入部分13从耳机麦克风10的主单元12的内表面14凸出，如图1、2A和2B所示。当耳机麦克风10附接至用户耳朵时，插入部分3插入用户的外耳道。如图2B所示，插入部分13以L形方式与内表面14相交，其中相交角度是略大于直角的钝角。接收器15附接至插入部分13的末端。接收器15接收由用户声带产生并且通过颅骨传输至外耳道中的内部声音。另外，两个接收器17、18附接至主单元12的外表面16(其布置为平行于内表面14)。接收器17、18接收从用户口输出并通过外部空间传输至外耳道中的外部声音。在接收器17、18之中，接收器17在主单元12的外表面16上位于插入部分13的背后。另一个接收器18在主单元12的延长方向的外表面16上略微远离接收器17，其中接收器17和18之间具有距离D。
如图3所示，用户将耳机麦克风10附接至他/她的外耳，使得从主单元12的内表面14向内凸出的插入部分13插入用户的外耳道EAC中。在附接至用户外耳的耳机麦克风10的正常位置，接收器17、18位于经过用户的口和耳朵的假想平面内。
如上文所述，耳机麦克风10包括三个接收器15、17和18。在耳机麦克风10的正常位置处，附接至安装在外耳道EAC内侧的插入部分13的末端的接收器15位于与鼓膜DRM相对的位置，而接收器17、18暴露在用户外耳的外侧。由用户的声带产生的声音S传输通过用户的颅骨和外耳道EAC以到达接收器15。另外，声音S从用户的口向用户的脸颊和面部区域环绕以传播至接收器17、18。接收器15、17和18接收声音S的这些各自的成分以生成声音信号SIN、SOUT1和SOUT2。
在声音S的全部频率成分中，接收器15的声音信号SIN的3kHz或更低的频率成分受到衰减。这是因为在声音S传输通过颅骨和外耳道EAC时3kHz或更低的频率成分会损失。此外，接收器17、18的声音信号SOUT1和SOUT2除了包含声音S以外还包含出现在用户周围空间中的噪声N。
在图1中，信号处理单元20由数字信号处理器(DSP)构成。信号处理单元20由减法器21、高通滤波器(HPF)22、放大器23和加法器24构成。减法器21接收从接收器17、18输出的声音信号SOUT1和SOUT2。减法器21从接收器18的声音信号SOUT2中减去接收器17的声音信号SOUT1，从而输出声音信号SOUT。这种包括减法器21和接收器17、18的构造实现如下两种功能。
(a)以高于在其它方向传输的声音的灵敏度接收从用户口中传输的声音。
(b)在3kHz或更低的频率成分被充分衰减时接收声音。
下面对为何包括减法器21和接收器17、18的构造需要实现功能(a)和(b)进行说明。
在耳机麦克风10处于用户外耳的正常位置处，布置在主单元12的外表面16上的接收器17、18分别位于用户面部的前面和用户头部的背面。图4示出了耳机麦克风10的正常位置，其中将参考方向设置为从接收器18到接收器17的方向(即从用户的外耳到用户面部的方向)，而声源AS的方向设置在经过用户的口和耳朵的假想平面内。这里，鉴于用户的耳朵，声源AS的方向和参考方向之间形成角度θ(0°≤θ≤180°)。环绕用户脸颊的声音S以θ＝0°的方向到达接收器17、18。
当声源AS位于9＝90°的方向(即用户头部的侧面方向)上时，声音从声源AS向接收器17传播的第一距离近似等于声音从声源AS向接收器18传播的第二距离。即，接收器17的声音信号SOUT1在相位和电平上近似等于接收器18的声音信号SOUT2，于是减法器21的声音信号SOUT近似等于零电平。当考虑到用户的耳朵使得声源AS的方向显著偏离θ＝90°的方向时，在(声源AS和接收器17之间的)第一距离和(声源AS和接收器18之间的)第二距离之间会产生相对大的距离差ΔL。这导致在接收器17的声音信号SOUT1和接收器18的声音信号SOUT2之间出现由距离差ΔL导致的相位差Δ
Figure BSA00000438085600051
考虑到被接收器17、18接收到的声音的整个频率范围，减法器21的声音信号SOUT在电平上随着鉴于用户耳朵的声源AS方向从θ＝90°的方向偏转到θ＝0°的方向或者θ＝180°的方向而增大。结果，包括减法器21和接收器17、18的构造起到双向接收器的作用，其针对在用户头部的正面(θ＝0°)和用户头部的背面(θ＝180°)进入的声音具有强的接收灵敏度。具体来说，声音信号SOUT1和SOUT2之间的相位差Δ
Figure BSA00000438085600061
取决于距离差ΔL和从包括在声音信号SOUT1、SOUT2的频率成分中选择的特定频率成分的波长γ。在本实施例中，确定接收器17、18之间的距离D以减小从包括减法器21和接收器17、18的构造输出的声音信号SOUT在以下频率范围上的电平(或接收灵敏度)。
(a)在声音信号SOUT的整个频率范围(从低频范围到高频范围)中降低特定的电平，其中在接收器17、18接收在θ＝90°的方向进入的声音时输出所述声音信号SOUT。
(b)在声音信号SOUT的低于3kHz的低频范围中降低3dB或更多，其中在接收器17、18接收在θ＝0°以及θ＝180°的方向进入的声音时输出所述声音信号SOUT。
理论上，等式(1)是针对频率fc(其中在θ＝0°的方向上进入的声音以及在θ＝180°的方向上进入的声音的接收灵敏度降低3dB)和距离D而建立，其中v表示声速：
fc = v 2 D . . . ( 1 )
本实施例根据等式(1)设置距离D为D＝12mm，其中随着接收声音的频率增加超过3kHz，相位差Δ
Figure BSA00000438085600063
接近π，从而减法器21的声音信号SOUT的电平显著增大。由此，从包括减法器21和接收器17、18的构造输出的声音信号SOUT的电平(或接收灵敏度)在低于3kHz的低频范围内减小，而在高于3kHz的频率范围内增大。
在图1中，减法器21的声音信号SOUT输入到HPF 22。提供HPF22用于当包含减法器21和接收器17、18的构造没有充分衰减声音S的低频范围时，充分衰减声音S的低频范围。在接收声音信号SOUT时，HPF 22将声音信号SOUT’输出至放大器23。放大器23放大声音信号SOUT’以输出放大的声音信号SOUT”，其具有较优的适合于在进行通话的移动电话之间进行传输的电平。加法器24将接收器15的声音信号SIN和放大器23的声音信号SOUT”累加以产生发射声音信号SSND。发射声音信号SSND通过电缆11提供至移动电话并发射至对方的移动电话。
如上文所述，本实施例设计为将接收器15附接至插入在用户外耳道EAC中的插入部分13的末端。另外，本实施例将位于用户面部的正面和用户头部的背面的两个接收器17、18布置在用户耳外的耳机麦克风10的正常位置。信号处理单元20产生发射声音信号SSND从而使声音信号SOUT(表示从接收器17、18输出的声音信号SOUT1和SOUT2之间的差别)对低于3kHz的低频成分进行补偿，所述低频成分不包括在接收器15的声音信号SIN中。于是，能够将包括用于精确分辨声音S(特别是声音S的辅音)所需的足够数量的频率成分的发射声音信号SSND发送至对方的接听者/讲话者。
为了确认本实施例的效果，发明人已对两个采样进行了测量，所述两个采样即耳机麦克风10-D12(其中接收器17和18直角的距离D被设置为D＝12mm)和配备有单一接收器(即接收器17、18中的接收器17)耳机麦克风10-singl。首先，发明人测量了当接收器17、18接收从θ＝0°方向上的声源AS发出的声音时从耳机麦克风10-D12的放大器23输出的声音信号SOUT”-D12，以及当接收器17接收从θ＝0°方向上的声源AS发出的声音时从耳机麦克风10-singl的放大器23输出的声音信号SOUT”-singl。然后，发明人针对500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz和8000Hz计算声音信号SOUT”-D12对声音信号SOUT”-singl的比值(dB)(见表1的第一行)。另外，发明人测量了当接收器17、18接收从θ＝90°方向上的声源AS发出的声音时从耳机麦克风10-D12的放大器23输出的声音信号SOUT”-D12，以及当接收器17接收从θ＝90°方向上的声源AS发出的声音时从耳机麦克风10-singl的放大器23输出的声音信号SOUT”-singl。随后，发明人针对500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz和8000Hz计算声音信号S0UT”-D12对声音信号SOUT”-singl的比值(dB)(见表1的第二行)。
表1
  频率(Hz)  500   1000   2000   4000   8000
  0°   -21.6   -18.6   -11.7   -13.3   -2.0
  90°   -25.6   -29.8   -26.5   -30.3   -27.9
表1示出了在接收器17和18之间具有距离D＝12mm的耳机麦克风10-D12在从500Hz到8000Hz的整个频率范围内使得θ＝90°的进入声音受到20dB或更多的衰减。相反，耳机麦克风10-D12在从500Hz到1000Hz的频率范围内使得θ＝0°的进入声音受到近似20dB的衰减，而在高于2000Hz的频率范围内使得θ＝0°的进入声音受到15dB或更少的衰减。
图5示出了针对在接收器17和18之间具有距离D＝12mm的耳机麦克风10-D12的幅度特征曲线，其中RIN表示沿着从用户声带经过用户外耳道EAC到达接收器15的内部传输路径传输的内部声音的幅度特征曲线，R0表示沿着从接收器17、18到放大器23的外部传输路径传输的θ＝0°的进入声音的幅度特征曲线，R90表示沿着外部传输路径传输的θ＝90°的进入声音的幅度特征曲线。这里，幅度特征曲线R0在低于3kHz的频率范围内减小，而幅度特征曲线R90在整个频率范围(从低频到高频)内减小。尽管幅度特征曲线RIN在高于3kHz的频率范围内减小，θ＝0°的进入声音(即用户的声音S)对高于3kHz的频率成分幅度上的这种减小进行补偿。
2.第二实施例
图6示出了根据本发明第二实施例的耳机麦克风10A的机械/电气构造，其中与图1所示的部件等同的部件由相同的附图标记指示。与其中将两个接收器17、18布置在主单元12的外表面16上的第一实施例的耳机麦克风10相比，第二实施例的耳机麦克风10A配备有一个接收器17，其由布置在主单元12的外表面16上的单向麦克风构成。在耳机麦克风10A中，接收器17接收外部声音以生成提供至HPF 22的声音信号SOUT。HPF 22对声音信号SOUT中低于3kHz的低频成分进行衰减，从而产生包含高于3kHz的频率成分的声音信号SOUT’。声音信号SOUT’在放大器23中放大，从而输出放大的声音信号SOUT”。声音信号SOUT’包含高于3kHz的频率成分，这些频率成分适用于对用户声音S进行语言理解。“可语言理解”的声音信号SOUT’被放大并累加至表示由接收器15所接收的内部声音的声音信号SIN。加法器24累加声音信号SOUT和SIN以产生声音信号SSND1。由此，耳机麦克风10能够将声音信号SSND通过电话发送至对方的接听者/讲话者，其中适用于理解用户声音S的高于3kHz的频率成分被累加至接收器15所接收的内部声音。
第二实施例的特征在于，布置在主单元12的外表面16上的一个接收器17接收声音S以产生通过HPF 22进行滤波的声音信号SOUT。滤波后的声音信号SOUT’包含当声音S经过用户的颅骨和外耳道EAC时损失的频率成分。另外，通过减小主单元12的尺寸，第二实施例的耳机麦克风10A与耳机麦克风10相比能够减小尺寸。
3.变型
本发明不必限定于第一和第二实施例，还可以通过多种方式进行修改。
(1)可以将第一实施例的耳机麦克风10修改成图7所示的耳机麦克风10B，其中延迟单元50介入在外表面16的接收器17、18中的至少一个(例如接收器17)与减法器21之间。在耳机麦克风10B中，延迟单元50对接收器17的声音信号SOUT1进行延迟以输出提供至减法器21的延迟后的声音信号SOUT1”。减法器21从接收器18的声音信号SOUT2中减去延迟后的声音信号SOUT1”，以输出声音信号SOUT。这种变型的优点在于，包括减法器21和接收器17、18的构造能够将期望频率设置为低于接收灵敏度的频率范围的上限频率。
(2)布置在主单元12的外表面16上的接收器的数量不必限制为一个或两个。可以在耳机麦克风10的主单元12的外表面16上布置三个或更多接收器。
(3)可以修改耳机麦克风10，使得用实现朝向用户口的高定向性的定向麦克风替换接收器17、18。
(4)可以修改耳机麦克风10和10A，使得将HPT 22和放大器23统一为单个电路。
(5)可以修改耳机麦克风10，使得用加法器替换减法器21。设计包括加法器和接收器17、18的构造来增强针对声音的期望频率范围的接收灵敏度。
(6)可以修改耳机麦克风10A，使得采用实现朝向用户口的高定向性的定向麦克风来作为主单元12的外表面16上的接收器17。在这种情况下，调整定向麦克风的频率特性使得可以直接将接收器17的声音信号SOUT提供至放大器23，而无需使用不必要地介入在接收器17和放大器23之间的HPF 22。
最后，本发明不必限制于这些实施例和变型，在由权利要求所限定的本发明范围内可以做出进一步的修改。

Claims (4)

1.一种耳机麦克风，包括：
插入部分，其插入用户耳内；
第一接收器，其附接至所述插入部分的末端，其中当所述插入部分插入用户的外耳道时，所述第一接收器置于与用户的鼓膜相反的位置处；
第二接收器，其附接至这样的外表面：该外表面暴露并且外置于所述插入部分插入其中的用户的外耳道；以及
信号处理器，其将所述第二接收器的输出信号累加至所述第一接收器的输出信号，以产生表示用户声音的声音信号。
2.根据权利要求1的耳机麦克风，其中所述第二接收器包括两个接收器，其中所述信号处理器包括减法器和加法器，其中所述减法器产生所述两个接收器的输出信号之间的差别信号，所述加法器将所述差别信号累加至所述第一接收器的输出信号，以产生表示用户声音的声音信号。
3.根据权利要求2的耳机麦克风，其中所述信号处理器还包括介于所述减法器和所述加法器之间的高通滤波器，其中所述高通滤波器对从所述减法器输出的差别信号中的低频分量进行衰减。
4.根据权利要求2的耳机麦克风，其中所述两个接收器以其间预定的距离置于平面内，所述平面与所述插入部分插入其中的用户的外耳道的中心线垂直交叉。
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