CN102177730A - 用于拾取用户语音的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于拾取用户的语音的系统，包括被至少部分佩戴在所述用户的耳道(18)中的耳机(10)，所述耳机(10)包括外壳(12)、细长的C形弓状保持元件(14)以及耳内麦克风(16)，所述保持元件(14)附接到所述外壳上，用于将所述外壳保持在所述用户的耳朵(18，66，68)内，所述耳内麦克风16被取向为在声学上向内朝向所述用户的耳道，用于拾取所述用户的语音，其中所述保持元件的材料和尺寸被选择为使得所述保持元件能够由所述用户通过手工塑料变形来与所述用户的外耳(68)啮合。

Description

用于拾取用户语音的系统
技术领域
本发明涉及用于通过使用包括麦克风的耳机来拾取用户语音的系统。
背景技术
为了通信，特别是暴露于噪声环境中的人员(比如是工厂的工人、警察、战士、消防员等)之间的或来自所述人员的无线电子通信，期望具有声音拾取系统，该声音拾取系统能够在至少一定程度上将用户的语音与环境噪声或者通常的环境声音分开，从而提高听众对该人员语音的可懂度，所述听众可以是暴露于所述噪声环境的其他人员、或者远处人员。
实现人的语音的这种分离的通常方案是使用由该人员所佩戴的受话器(headset)、头盔或任何其他设备所携带的悬挂式麦克风，即靠近嘴部放置的麦克风。这种麦克风选择性地加强嘴部周围的近场。
另一方案是振动拾取设备，所述振动拾取设备与喉部直接接触，用于拾取声带的振动，或者与道口外壁(meatus wall)或外耳道直接接触，用于拾取头部组织的振动(即，“骨传导”麦克风)，或者与颧骨直接接触。
这些类型的设备对掩蔽所述语音的噪声相当敏感，或者特定语音声音(特别是良好的理解度所必需的高频辅音)的传输差。此外，对于工业应用，悬挂式麦克风的缺点在于其限制用户移动的自由度，以及当与听力保护设备组合时，其将影响稳定性，并且因此影响所述听力保护设备的衰减量。骨传导麦克风的缺点在于其具有非常受限的音频带宽，所述音频带宽限制所述语音的可懂度，并且其经常必须被相当大地按压，这导致用户不舒适。
US 6,661,901 B1涉及包括耳塞的有源听力保护系统，所述耳塞具有外部麦克风和内部麦克风，所述外部麦克风用于拾取环境声音，所述内部麦克风相对于环境声音是密封的但朝向用户耳道的内部是开放的。在期望将用户的语音与环境噪声分离的操作模式下，仅仅所述内部麦克风被激活，而所述外部麦克风未被激活，其中来自所述内部麦克风的信号由集成在所述耳塞内的电子单元处理，以便使得用户语音对于用户自身或者他的外部通信伙伴而言高度自然和可懂。
另一方案基于所谓的“盲源分离”(BSS)算法，以便通过对应的音频信号处理来将人的语音与背景噪声分离。在这方面，US 2003/0055535 A1涉及使用BSS算法来通过使用麦克风阵列将具有语音音频接口的车辆车轮对齐系统的操作者的语音与背景噪声分离，以便避免必需使用受话器。US 2005/0060142 A1以更为一般的方式涉及使用两个分隔开的麦克风来在音频应用中将语音与背景噪声分离，所述两个分隔开的麦克风利用BSS算法操作且间隔开。EP 1 509 065 A1涉及双耳助听系统，其中右耳助听器的麦克风以及左耳助听器的麦克风所捕获的音频信号经历BSS算法处理，随后进行其他信号处理，以便通过使用所述助听系统来增加语音在背景噪声下的可懂度。
EP 1 640 972A1和EP 1 969 335A1涉及包括耳机的语音拾取系统，所述耳机包括被取向为在声学上向外朝向环境的第一麦克风以及被取向为在声学上向内朝向用户耳道的第二麦克风，其中音频信号处理单元被提供来将BSS算法应用于由所述第一和第二麦克风捕获的音频信号，以便将用户的语音与环境声音分离。如果第二麦克风是通过与用户耳道的侧壁(wall)直接接触来拾取用户语音的骨传导麦克风，则这种系统工作得尤为好。当使用这种系统时，将所述耳机可靠地保持在用户耳朵中是关键。
例如，从DE 297 18 483U1、EP 1 448 014B1或WO 2007/147416A1中可知，提供C形弓状弹性元件作为佩戴或部分佩戴在耳道中的助听器的保持元件。所述保持力由所述保持元件的弹性变形来提供，当被用户佩戴时，所述弹性元件与耳壳啮合。在EP 1 364 553B1和DE 10 2004 048 214B3中可以找到这种可弹性变形的耳壳弓(concha bow)的其他示例。
EP 1 299 988 B1涉及包括悬挂式麦克风的受话器，其中通过与用户的耳廓(pinna)啮合的保持带将携带有所述悬挂式麦克风的耳机保持在合适的位置，弓可以是可弹性变形，或者根据非优选实施例，所述弓可以是可塑性变形。
EP 1 377 113A2涉及包括耳机的受话器，所述耳机被插入到用户的耳壳中。所述耳机携带悬挂式麦克风，并且包括用于与用户耳壳啮合的C形弓状保持元件，所述保持元件由位于由塑料材料制成的套管内的线缆构成。根据一个实施例，所述保持元件具有高抗弯性而没有弹性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于拾取用户的语音的系统，所述系统包括耳机，所述耳机至少部分地佩戴在用户的耳道中，并且包括被取向为在声学上向内朝向用户的耳道的麦克风，其中应该在不需要提供定制外壳的情况下实现可靠地保持所述耳机。
根据本发明，这个目的由权利要求1中限定的系统实现。
本发明的一个益处在于，通过提供具有细长的C形弓状保持元件的耳机，其中所述保持元件的材料和尺寸被选择为使得所述保持元件可以由用户利用塑料变形来与用户的耳壳啮合，可以在使用通用耳机时，通过使得用户能够根据外耳(尤其是耳壳)的具体形状来单独地弯曲所述保持元件，来在一定程度上模拟定制耳机的保持功能。所述保持元件的这种塑料变形(即弯曲)替代了现有技术中的弹性耳壳保持元件的弹簧效应。
优选地，耳内麦克风是当用户佩戴耳机时紧靠在耳道的侧壁上的骨传导麦克风。
为了实现背景噪声下的最佳语音拾取能力，耳机设置有被取向为在声学上向外朝向外界环境的环境麦克风，其中系统包括音频信号处理单元，用于利用适合于将用户的语音与环境声音分离的BSS算法，对来自耳内麦克风和环境麦克风的音频信号进行处理。
为了实现全无线通信，耳机优选包括扬声器，用于向用户的耳道提供外部音频信号，其中系统适合于可拆卸地连接到无线通信设备，比如无线电设备或移动电话。
优选地，耳机机械且电气地连接到线缆组件，线缆组件被设计为形成在耳廓的上部周围的挂环，用于在耳壳中啮合保持元件之前，预固定耳机。
优选地，保持元件包括被由塑料材料制成的套筒(sleeve)包围的线芯。
本发明的其他优选实施例在从属权利要求中限定。
附图说明
本发明的示例将参照附图例示，其中：
图1示出了根据本发明的系统的实施例的示意图，其中所述系统被插入到人的耳道中，所述示意图包括最相关的电子组件的方框图；
图2是当与无线电设备一起使用时的根据本发明的系统的实施例的示图；
图3是图2的系统中的耳机的放大图；和
图4A到4D示出当将图3中的耳机固定在人耳上时的不同步骤。
具体实施方式
图1的系统包括耳机10，所述耳机10包括外壳12、保持元件14、耳内麦克风16、环境麦克风20以及扬声器22，其中保持元件14附接到外壳12上，用于将外壳12保持在用户的耳朵内，耳内麦克风16被取向为在声学上向内朝向用户的耳道18，用于拾取用户的语音，环境麦克风20被取向为在声学上向外朝向环境，用于拾取环境声音，扬声器22用于将外部音频信号提供给用户的耳道18。耳机的外壳12是一体适用型，即它具有标准形状(与定制外壳相反，所述定制外壳根据用户耳朵的形状而单独成形)。
耳内麦克风16是骨传导麦克风，即，它适于经由来自用户头骨24的骨传导来拾取用户的语音。为此，当用户佩戴耳机时，耳内麦克风16紧靠在耳道18的侧壁26上。耳内麦克风16和耳道的侧壁26之间的所需接触力由保持元件14与用户的耳壳间的啮合提供，在下文中将对此进行描述。
环境麦克风20经由终止于外壳12的外端的声音通道28向环境开放。扬声器22经由声音通道30向外壳12的内端开放。
耳机机械和电气地连接到线缆组件32，所述线缆组件32引导致包含音频信号处理单元36的壳体34。音频信号处理单元36在功能上包括用于将BSS算法应用于麦克风16和20所提供的音频信号的单元38。优选地，将BSS算法应用于频域。
通常，盲源分离(也称为“独立分量分析”(ICA))是用于分离在统计上被假定彼此独立的混合的源信号(分量)的技术。在其简化形式，盲源分离将加权的“未混合”矩阵应用于混合的信号，例如，将矩阵与混合的信号相乘，以产生分离后的信号。加权被分配初始值，并且随后被调整以最大化信号的联合熵，以便最小化信息冗余。重复这种加权调整和熵增加过程，直到信号的信息冗余被减少为最小。因为这种技术不需要关于每个信号的源的信息，所以它被称为“盲源分离”。例如，在US 2005/0060142A1中可以找到对盲源分离的介绍。
在最简单的情况下，将BSS应用于两个(声学)源的两个不同矩阵，其中两个不同矩阵通过使用两个间隔开的麦克风获得。所述两个源的混合可以利用矩阵A表示，其中BSS算法在数学上对应于找到A的逆矩阵，而除了知道源在统计上彼此独立之外，无需知道关于矩阵或关于源的任何信息。在人的语音与背景噪声混合的情况下，后一个假设通常是有效的。对于两个源的幅度和/或相位，两个源的混合可以不同。换言之，通过利用两个取向不同的麦克风拾取声音信号，这些麦克风中的每个的信号将相对于在两个声学源(即，一方面是用户的语音，另一方面是环境噪声)的幅度和/或相位的差异方面不同的混合。通过将麦克风中的一个取向为向外朝向环境，以及将另一个麦克风取向为向内朝向耳道，可以以简单且特别舒适的方式获得两个混合之间的特别大的差异，简单且特别舒适的方式即是不需要使用将造成用户不舒适的悬挂式麦克风或骨传导麦克风。
音频信号处理单元36经由线缆40和接口42连接到通常是无线电设备或移动电话的无线通信设备44的音频输入端，所述无线通信设备44包括发射器/接收器46和天线48。通常，接口42提供到通信设备44的可拆卸连接，并且被设计为插塞式连接器。通信设备44用于经由无线链路52与远程设备50通信。
所述系统还包括即按即讲(PTT)按钮54，所述按钮54经由线缆56连接到壳体34并且从壳体34连接到接口42，以便控制通信设备44的发射器/接收器46。
BSS单元38用于将用户的语音与环境声音分离，以便将用户的语音发送到远程设备50。所述通信设备44从远程设备50接收到的音频信号经由扬声器22提供给耳道18。
通常，系统通过通信设备44供电，即所述系统不包括电池。
保持元件14被设计为使得它可以由用户利用塑料变形来与用户的耳壳啮合。这个功能通过相应地选择保持元件14的材料和尺寸/几何形状来实现。由此，保持元件14可以被用户变为最适合用户耳朵的个体形状的形状，从而在一定程度上模拟定制外壳(即，单独成形的外壳)的保持功能。因此，在本示例中，保持功能主要由保持元件的塑料变形(即，永久性变形)提供，所述保持元件仅仅具有非常小的残余弹性，并且因此与使用被设计为通过弹性弹簧效应来提供保持的保持元件的一般方案相比，仅仅具有非常小的残余弹性弹簧效应。
优选地，保持元件14包括金属线芯58，该金属线芯58被由塑料材料制成的套筒60包围。优选地，金属线芯由钛制成，并且其直径为0.6mm到1mm。线芯58的材料的抗拉强度优选为从300N/mm2到900N/mm2，更为优选地，为从400N/mm2到600N/mm2，以及屈服强度Rp 0.2(也被标为0.2％屈服强度)为从200N/mm2到800N/mm2，更为优选地，为从300N/mm2到500N/mm2。塑料套筒60优选用硅树脂(silicone)制成。通常，保持元件14应该由生物兼容(biocompatible)且耐腐蚀材料制成。保持元件14的自由端优选由塑料材料PA 6.6覆盖。对于给定材料，线芯的直径需要被选择为使得，一方面，它可以通过用户施加的典型手工弯曲力而塑料变形(这个需求隐含了直径的上限)，以及另一方面，只要用户不施加手工弯曲力，当固定在耳壳上时，在塑料变形位置上它保持稳定(这个要求隐含直径的下限)。
根据图2和图3，线缆组件32包括电缆62，该电缆62在面对耳机10的末端部分处利用具有弯曲形状且由塑料材料制成的加固套筒64包围。加固套管64可以沿着电缆62移动，参见图3，以便使得用户能够找到加固套管64的最佳位置。加固套管64被设计为形成在用户耳廓的上部周围的挂环，用于在用户的耳壳中啮合保持元件14之前，预固定耳机10。线缆组件32还包括夹子65，用于将线缆组件32固定在用户衣服上的某处。
图4A到4D示出如何将图2和图3中的耳机10固定在用户的耳朵上。
首先，耳机10尽可能远地插入到耳道18中(参见图4A和4B)。然后，在用户的耳廓66的上缘上方移动加固套管64，从而使得加固套管64悬挂在耳廓66和头骨2之间(参见图4C)。由此，预固定耳机10。
最后，用户通过塑料变形将保持元件14手工弯曲为C状形状，并且与用户的耳壳68啮合，以便最终将耳机10固定在使用位置(参见图4D)，从而提供耳内麦克风16和耳道18的侧壁26之间的必需接触力。

Claims (26)

1.一种用于拾取用户的语音的系统，包括被至少部分地佩戴在所述用户的耳道(18)中的耳机(10)，所述耳机(10)包括外壳(12)、细长的C形弓状保持元件(14)和耳内麦克风(16)，所述保持元件(14)附接到所述外壳上，用于将所述外壳保持在所述用户的耳朵(18，66，68)内，所述耳内麦克风(16)被取向为在声学上向内朝向所述用户的耳道，用于拾取所述用户的语音，其中所述保持元件的材料和尺寸被选择为使得所述保持元件能够由所述用户通过手工塑料变形来与所述用户的耳壳(68)啮合。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述耳内麦克风(16)用于从所述用户的头骨经由骨传导来拾取所述用户的语音。
3.如权利要求2所述的系统，其中，当所述用户佩戴所述耳机(10)时，所述耳内麦克风(16)紧靠在所述耳道(18)的侧壁(26)上，并且其中所述保持元件(14)被设计为当已经与所述用户的耳壳(68)啮合时，提供在所述耳内麦克风和所述耳道的所述侧壁之间的需要的接触力。
4.如前述任何一个权利要求所述的系统，其中，所述保持元件(14)包括被由塑料材料制成的套筒(60)包围的线芯(58)。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述线芯(58)由钛制成。
6.如权利要求4和5中的任何一个所述的系统，其中，所述线芯(58)的直径为0.6mm到1mm。
7.如权利要求4到6中的任何一个所述的系统，其中，所述线芯的材料的抗拉强度为从300N/mm2到900N/mm2。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述线芯的材料的抗拉强度为从400N/mm2到600N/mm2。
9.如权利要求4到8中的任何一个所述的系统，其中，所述线芯的材料的屈服强度Rp 0.2为从200N/mm2到800N/mm2。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述线芯的材料的屈服强度Rp0.2为从300N/mm2到500N/mm2。
11.如权利要求4到10中的任何一个所述的系统，其中，所述塑料套管(60)由硅树脂制成。
12.如前述任何一个权利要求所述的系统，其中，所述保持元件(14)由生物兼容材料制成。
13.如前述任何一个权利要求所述的系统，其中，所述保持元件(14)由耐腐蚀材料制成。
14.如前述任何一个权利要求所述的系统，其中，所述耳机(10)机械且电连接到线缆组件(32)，所述线缆组件(32)被设计为在耳廓(66)的上部周围形成挂环，用于在所述耳壳(68)中啮合所述保持元件(14)之前，预固定所述耳机。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述线缆组件(32)包括电缆(62)，所述电缆(62)在面对所述耳机的末端部分处被具有弯曲形状的加固套筒(64)包围。
16.如前述任何一个权利要求所述的系统，其中，所述耳机(10)还包括环境麦克风(20)，所述环境麦克风(2)被取向为在声学上向外朝向外界环境，并且其中，所述系统包括音频信号处理单元(26，38)，用于利用适合于将所述用户的语音与环境声音分离的盲源分离算法，对来自所述耳内麦克风(16)和所述环境麦克风(20)的音频信号进行处理。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述音频信号处理单元(36，38)位于与所述耳机(10)分离的壳体(34)中，并且经由线缆连接(32)连接到所述耳内麦克风(16)和所述环境麦克风(20)。
18.如前述任何一个权利要求所述的系统，其中，所述耳机(10)包括扬声器(22)，所述扬声器(22)用于将外部音频信号提供给所述用户的耳道(18)。
19.如前述任何一个权利要求所述的系统，其中，所述系统包括输出插头(42)，所述输出插头(42)用于将所述系统可拆卸地连接到无线通信设备(44)。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述系统被设计为通过所述无线通信设备(44)供电。
21.如权利要求19和20中的任何一个权利要求所述的系统，其中，所述无线通信设备(44)是无线电设备或移动电话。
22.如权利要求21所述的系统，其中，所述系统包括即按即讲(PTT)按钮(54)。
23.如前述任何一个权利要求所述的系统的应用，包括：由所述用户通过手工塑料变形将所述保持元件(14)与所述用户的耳壳(68)啮合。
24.如权利要求15所述的系统的应用，包括：将所述耳机(10)插入所述耳道(18)的外端，将所述加固套管(64)插入所述耳廓(66)和所述头骨之间的空间中，以及由所述用户通过手工塑料变形将所述保持元件(14)与所述用户的耳壳(68)啮合。
25.如权利要求16所述的系统的应用，包括：由所述用户通过手工塑料变形将所述保持元件(14)与所述用户的耳壳(68)啮合；通过所述耳内麦克风(16)拾取声音以创建第一音频信号，以及通过所述环境麦克风(20)拾取声音以创建第二音频信号；并且利用盲源分离算法处理所述第一和第二音频信号，以便产生经过处理后的音频信号，其中，所述用户的语音与环境声音分离。
26.如权利要求23到25中的任何一个所述的应用，其中，通过将所述系统连接到诸如无线电设备或移动电话之类的无线通信设备(44)，将所述经过处理后的音频信号提供给另一人。
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