CN102340717A - 头戴式消噪耳机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用前馈式消噪的头戴式消噪耳机，其具有：安装在筐体上的驱动器单元，朝向外侧安装在筐体上、对外部噪音进行集音的麦克风单元，以及产生与经由头戴式耳机进来的噪音的相位相反的消噪信号的消除信号生成装置。本发明的头戴式消噪耳机包括：用于检测以前馈式未能完全消除的误差噪音的误差检测用麦克风单元，和产生用于消除误差噪音的误差补偿信号、并以反馈式进行噪音消除的误差噪音消除信号生成装置。

Description

头戴式消噪耳机

技术领域

本发明涉及一种头戴式消噪耳机，其通过反馈式误差信号补偿电路对现有的前馈式头戴式消噪耳机不能完全消除的噪音进行消除。

背景技术

头戴式消噪耳机构成为：对麦克风所集音的噪音进行分析，以与使用者通过头戴式耳机能够听到的噪音相反的相位生成相同音量的消除音，通过用消除音消除噪音来降低噪音。作为与本发明的技术思想比较接近的头戴式消噪耳机，例如在专利文献1中所述的发明中，公开了一种头戴式耳机，其具备由乐音信号驱动的扬声器单元，通过基于麦克风单元所检测出的噪音信号而生成的噪音消除信号来驱动扬声器单元的框架。

现有的头戴式消噪耳机中，作为噪音消除方式有反馈式、前馈式以及组合两者的特征得到消音效果的混合型。反馈式的优点在于，由于其是一种压缩外来噪音的方法，所以能够以较前馈式更宽的频带降低外来噪音。前馈式的优点在于，若能将消除音的相位和电平与噪音的相位和电平完全保持一致的话，则在理论上可以彻底消除噪音。

但是，前馈式有如下缺点：若要在一定带宽的频带上得到消音效果，则每个带宽的消音效果会下降。而反馈式中，在高频带宽中，或者由于佩戴人的耳朵的形状不同，可能产生啸叫等不稳定动作。此外，使用反馈式头戴式消噪耳机时，随着播放的乐音的频率发生变化，可能会导致播放音质下降。为此，有必要事先以有源电路对音质进行补偿，或者改良头戴式耳机的结构将其音质调整为可消除的音质，使之符合噪音消除的特性，而在多数情况下，关闭消噪功能后，其无法作为头戴式耳机使用。此外，在组合了前馈式与反馈式的混合型头戴式消噪耳机中，虽然提高了噪音消除的效果，但是存在音质恶化、引起啸叫等问题。亦即，尚未出现一种能够发挥前馈式与反馈式两者的优点以提高消噪性能，并弥补两者缺陷的头戴式消噪耳机。

另一方面，普通的头戴式耳机出于保护使用者耳朵的目的，设计有抵靠于使用者的耳朵或侧头部的弹性耳垫。耳垫为环状的形状，设置于头戴式耳机筐体的放音面一侧。通过该结构，头戴式耳机在使用时，形成由耳垫的环状围成的空间、使用者的外耳道以及头戴式耳机筐体所构成的空间，即所谓的“前气室”的空间。前馈式头戴式消噪耳机中，即使想通过朝向外部的麦克风消除噪音，上述前气室中也仍然残留有噪音，不易被消除。

专利文献1日本专利特开公报第2008-99127号

发明内容

本发明的目的在于提供一种头戴式消噪耳机，其为即使在关闭消噪的状态下，也能够发挥头戴式耳机的作用，消除残留于前气室里的噪音。

依据本发明的头戴式消噪耳机，具有：筐体、设置于上述筐体的驱动器单元、朝向外侧安装于上述筐体、对外部噪音进行集音的麦克风单元、及产生与经由头戴式耳机进来的噪音的相位相反的消噪信号的消除信号生成装置，其以前馈式消除上述噪音，其特征在于，包括：用于检测以上述前馈式未能完全消除的误差噪音的误差检测用麦克风单元，和产生用于消除上述误差噪音的误差补偿信号、并以反馈式进行噪音消除的误差噪音消除信号生成装置。

根据本发明所涉及的头戴式消噪耳机，对于以前馈式未能完全消除的噪音，能够以反馈式进行消除，可提高消音效果。同时，即便在关闭消噪功能的状态下，也能发挥头戴式耳机的作用。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的头戴式消噪耳机的实施例的剖面图。

图2是表示本发明所涉及的头戴式消噪耳机的控制系统的一例的方框图。

图3是表示本发明所涉及的头戴式消噪耳机的控制系统的另外一例的方框图。

图4是表示本发明所涉及的头戴式消噪耳机的控制系统的其他例的方框图。

图5是表示本发明所涉及的头戴式消噪耳机的消音性能测试结果的图。

附图标记说明

1麦克风单元

2麦克风放大器

3FFNC信号发生电路

4头戴式耳机单元

5头戴式耳机放大器

6误差检测用麦克风单元

7误差补偿电路

8加法器

9乐音输入端子

10乐音用头戴式耳机放大器

12前气室

14带宽限制滤波器电路

15比较器

16标准电压发生电路

17积分器

18自动增益控制放大器

19开关

20第二加法器

101头戴式消噪耳机

102误差噪音消除信号生成装置

具体实施方式

下面，参照附图对本发明所涉及的头戴式消噪耳机的实施例进行说明。

图1中，头戴式消噪耳机101具有筐体22、设置于筐体22的驱动器单元4以及朝向外侧安装在筐体22的麦克风单元1。头戴式消噪耳机101与普通的头戴式耳机的结构相同，具备作为整体的支持基板的隔音板25，在其一侧面的周边安装有覆盖使用者的耳朵24的耳垫23。

而且，筐体22内部(后述的后气室)的其他结构，除了上述的结构和利用图2至图4后述的结构以外，还可以基于适当的设计思想附加以下的结构。例如，为将其设计成为可通过与外部的通信实现听辩音的无线式耳机，也可具备用于通信的电子部件和电路，还可在内部设置电源。另外，虽未图示，头戴式消噪耳机101的构成与普通的头戴式耳机相同，亦通过耳机带以左右一对的方式构成并覆盖使用者的两耳或者戴在两耳的上方。上述驱动器单元4也被称作头戴式耳机驱动器，例如，其与电动式扬声器相同，具有振动膜、固定安装于该振动膜的音圈、基于输入到该音圈的声音信号驱动音圈的磁性电路以及支持该磁性电路和上述振动膜外周的框架。

驱动器单元4安装于隔音板25的背面(图1中的左侧面)的中央部，通过受声音信号驱动，从设置于隔音板25的中央部的放音孔朝向隔音板25的表面侧放音。驱动器单元4的放音面朝向使用者的外耳道21的方向。在隔音板25的背面侧固定有木碗状的筐体22，其覆盖着该驱动器单元4。如图1所示，头戴式消噪耳机101出于保护使用者的耳朵24的目的，在隔音板25的表面侧固定安装有环状弹性耳垫23。通过该结构，头戴式消噪耳机101在使用时形成由被环状耳垫23围成的空间、使用者的耳朵24以及隔音板25所构成的空间。将此空间称为“前气室12”。此外，将由隔音板25、筐体22以及间隔部件27所形成的空间称为“后气室”。如图所示，麦克风单元1设置为：由固定安装于筐体22内部、剖面为L字型且沿筐体22的内周面呈环状的间隔部件27、与筐体22的内侧面形成空间28，从设置于筐体22的孔将外部噪音集音至该空间28。

麦克风单元1将外部噪音集音后转换成声音信号。基于该声音信号生成相位相反的消噪信号，由消噪信号和乐音信号的合成信号驱动驱动器单元4。进入前气室12的噪音被消噪信号的播放音消除，使用者可只听到乐音信号的播放音。该消噪方式称为前馈式。

在隔音板25上配置有将集音部朝向前气室12的误差检测用麦克风单元6，用于检测以前馈式无法完全消除的前气室12内的误差噪音。

图1中，误差检测用麦克风单元6，配置在偏离驱动器单元4的中心轴A且靠近耳垫23的位置。误差检测用麦克风单元6可不直接受驱动器单元4播放的乐音的影响，对通过上述麦克风单元6以前馈式消噪方式没能完全消音的噪音进行检测，并可基于该检测信号，通过进行反馈式消噪，进行更高精度的消噪。此外，头戴式消噪耳机101的尺寸可根据适宜的设计思想而变化，但是如图所示，以耳垫23的尺寸恰好可以覆盖使用者的耳朵24为宜，可以减少漏音。当然，亦可使用所谓耳挂型头戴式耳机。

下面，使用方框图对适用于本发明所涉及的头戴式消噪耳机的控制系统的各种示例进行说明。

图2中，头戴式消噪耳机具有：用于检测外部噪音13的麦克风单元1、用于放大其信号的麦克风放大器2、作为生成与使用者通过头戴式耳机听到的噪音的相位相反的消噪信号的消除信号生成装置的前馈式噪音消除(以下，简称为FFNC)信号发生电路3、驱动器单元4、用于驱动驱动器单元4的头戴式耳机放大器5、误差检测用麦克风单元6、依据由误差检测用麦克风单元6所集音的误差噪音生成误差补偿信号的误差补偿电路7、以及用于将FFNC信号累加至上述误差补偿信号的加法器8。此外，还具备用于将播放乐音11等的电信号传送到驱动器单元4的乐音输入端子9以及乐音用头戴式耳机放大器10。头戴式耳机放大器5的输出端子连接于驱动器单元4的一侧的端子，乐音用头戴式耳机放大器10的输出端子连接于驱动器单元4的另一侧的端子。

外部噪音13被麦克风单元1集音并转换为电信号。该电信号在麦克风放大器2被放大。该放大的电信号在FFNC信号发生电路3转换为FFNC信号并输入到加法器8。由加法器8输入到头戴式耳机放大器5的信号在头戴式耳机放大器5被放大，头戴式耳机放大器5驱动驱动器单元4，将声音放音至前气室12。该被播放的FFNC信号实时抵消进入到前气室12内的噪音使其衰减。

进入前气室12内的噪音难以完全抵消，会有噪音残留于前气室12。残留于前气室12内的噪音被误差检测用麦克风单元6作为误差信号所集音，其在误差补偿电路7生成误差补偿信号，误差补偿信号与上述FFNC信号在加法器8中被累加，并被输入到头戴式耳机放大器5。进而，由头戴式耳机放大器5驱动驱动器单元4，由驱动器单元4将基于误差补偿信号的消除音放音至前气室12内，以使残留的噪音衰减。由此，误差补偿电路7发挥着误差噪音消除信号生成装置102的作用。

误差检测用麦克风单元6将已由误差补偿信号衰减的噪音同样视为误差信号继续予以检测，并以与前述相同的动作使残留于前气室12内的误差信号衰减，由此，误差补偿电路7即作为反馈式误差信号补偿电路运行。乐音11经由乐音输入端子9输入，通过乐音用头戴式耳机放大器10被提供给驱动器单元4。另外，由驱动器单元4放音的乐音11被误差检测用麦克风单元6所集音后，会经过误差补偿电路7被重新从驱动器单元4放音到前气室12内。但因该放音的量毕竟不多，上述反馈式消噪功能对于乐音11施加的影响有限。

这样，若能在设计为使误差补偿信号变得足够小的话，则无需进行音量调节以应对乐音用头戴式耳机放大器10所引起的外部噪音13。而且，该音量调节的调节量少量即可，并且仅需非常简单的电路即可进行该调节。因此，其对乐音11本来的音质造成的影响较小，能够以较低成本制得高音质的头戴式消噪耳机。另外，设计时不必拘泥于上述结构的限制，例如，还可采用将相位反转的误差信号输入到乐音用头戴式耳机放大器10的方案。

以上说明的头戴式消噪耳机的实施例中，在前气室12内配置有用于检测以前馈式未能完全消除的误差噪音的误差检测用麦克风单元6，且具有产生用于消除误差噪音的误差补偿信号并以反馈式进行噪音消除的误差噪音消除信号生成装置102。因此，能够减少反馈的音量，不易造成啸叫等，能够避免音质的变化或恶化。而且，即使在消噪功能处于关闭状态、即关闭图1中的麦克风单元1和误差检测用麦克风单元6的状态下，仍能发挥头戴式耳机的作用。

假如通过前馈式消噪功能使噪音衰减20dB，进而通过上述反馈式消噪功能使误差噪音衰减6dB，则总消音量达到-26dB，即便较大的外部噪音也能够被充分消除。播放音乐信号时，音乐信号也有6dB的衰减，但其对乐音11的影响非常小。如果需仅靠反馈式实现该消音特性，由于乐音11衰减至二十分之一，因而需要强大的乐音用音质补偿电路。与之相比，根据上述实施例所涉及的头戴式消噪耳机101，可将乐音11的衰减控制到二分之一。为了对乐音11的衰减进行补偿，可事先提高放大器10的放大幅度，以使音乐播放器的输出电平升高比如上述的6d左右。此外，若事先将乐音用头戴式耳机放大器10的放大幅度提高衰减了的频带带宽的量，也能将乐音11与外部噪音的SN比改善6dB左右。另外，误差噪音的衰减量大致以6dB至10dB左右为宜。

接下来，结合图3对可适用于本发明的控制系统的变形例进行说明。

图3所示的头戴式消噪耳机的控制系统，是在图2的头戴式消噪耳机的控制系统中的误差噪音消除信号生成装置102的结构中，增加了作为数字滤波器的带宽限制滤波器电路14。即，其基本结构与图2相同，但在连接加法器8与误差补偿电路7的信号通路上设置有仅允许规定的频率通过的带宽限制滤波器电路14。而且，带宽限制滤波器电路14也可设置在误差检测用麦克风单元6与误差补偿信号发生电路7的信号传送电路上，还可设置在作为消除信号生成装置的FFNC信号发生电路3与加法器8之间，或者麦克风放大器2与FFNC信号发生电路3之间。可以通过组合低通滤波器与高通滤波器，得到带宽限制滤波器电路14。

通过这些措施，带宽限制滤波器电路14对进行反馈式误差补偿的频带加以限制，故在上述效果以外，因其仅在必要频带提高消音效果，可以弥补前馈式误差补偿中“随着带宽的增加消噪功能下降”的缺点。而且，由于应用了上述反馈式消噪功能的误差补偿频带受到限制，其对乐音11产生的影响愈加受到限制。也就是说，能够同时发挥前馈式与反馈式两者的特长，克服两者的缺点，提高消噪功能。

图4表示可适用于本发明的控制系统的其他的变形例。图4中，头戴式消噪耳机的结构，在图2的头戴式消噪耳机的误差噪音消除信号生成装置102的结构上增加了自动增益控制放大器18、标准电压发生电路16、用于接通/断开误差检测用麦克风单元6的输出信号输入至自动增益控制放大器18的开关19、用于对误差检测用麦克风单元6的输出信号进行积分的积分器17、以及对该积分器17的输出信号与标准电压发生电路16的输出信号进行比较并对开关19实施切换的比较器15。并且，添加有第二加法器20，用于将自动增益控制放大器18的输出信号叠加至乐音信号。

图4中所示控制系统的误差噪音消除信号生成装置102的动作如下。首先，将规定的声压电平的外部噪音13设定为标准声压电平，使标准电压发生电路16生成对应于该标准声压电平的电压作为标准电压。积分器17将误差检测用麦克风单元6的输出进行积分并生成对应于积分值的电压。

其构成为当积分器17的积分值、即作为上述误差检测用麦克风单元6的输出电平的误差噪音的电平高于上述标准电压时，开关19关闭；并且，其电路构成为开关19接通时，误差检测用麦克风单元6的输出被输入到自动增益控制放大器18。比较器15对积分器17的输出电压与标准电压发生电路16的输出电压进行比较，若积分器17的输出电压高于标准电压发生电路16的输出电压，开关19关闭。并且，一旦开关9关闭，误差检测用麦克风单元6向自动增益控制放大器18的输出即被切断。另一方面，误差补偿电路7发挥作用，误差补偿电路7基于误差检测用麦克风单元6的输出以反馈式实施消噪，前馈式造成的消除误差得到补偿。

若积分器17中误差检测用麦克风单元6的输出电压的积分值低于标准电压发生电路16中设定的标准电压时，开关19接通，误差检测用麦克风单元6的输出由自动增益控制放大器18保持在一定的输出电平上。该一定的电平信号在第二加法器20中被叠加到从乐音输入端子9输入的乐音11的信号上，该叠加信号被输入至乐音用头戴式耳机放大器10。乐音用头戴式耳机放大器10基于上述叠加信号驱动驱动器单元4，乐音被从驱动器单元4放音至前气室12。

亦可在图4所示的控制系统的结构中设置图3所示实施例中用到的带宽限制滤波器14。

根据图4所示实施例，以反馈式对前馈式导致的噪音的消除误差进行补偿时，若前气室12内的误差噪音的声压低于标准声压电平，可将反馈式消除误差补偿的电平保持恒定。另外，若前气室12内的误差噪音的声压高于标准声压电平时，反馈式消除误差补偿的电平被控制为相应于误差检测用麦克风单元6的输出电平的电平，可得到显著的消音效果。

外部噪音13较小、前气室12内的误差噪音的声压低于标准声压电平时，为听到外部的声音，将其设计为可将反馈式消除误差补偿的电平调整为使用者所期望的电平即可。如此一来，想听到外面的声音时，不必进行摘下头戴式消噪耳机或关闭消噪功能等繁琐的操作，即能听到外部的声音。

进一步，还可配置音量可调阻尼器或切换开关等适当的操作装置，以便对外部噪音电平或乐音的声压电平进行任意调整。

再者，还可将标准电压发生电路16中设定的标准电压设计成可通过比如手动操作的调节措施进行调节。

图5示出了本发明所涉及的头戴式消噪耳机的消音特性。

图5是表示具有图2所示结构的头戴式消噪耳机101的消音特性测试结果的图。在该图中，横轴表示频率Hz，纵轴表示声压dB。粗线表示头戴式消噪耳机的消噪功能被关闭时的隔音特性，细线表示上述消除信号生成装置为有效时的隔音特性，虚线表示消除信号生成装置与误差噪音消除信号生成装置为有效时的头戴式消噪耳机的隔音特性。通过参照图5可知，本发明的头戴式消噪耳机尤其在低音域中可获得有效的消音特性。如本发明的头戴式消噪耳机那样，若将消除信号生成装置与误差噪音消除信号生成装置102设定为有效，则能够获得比现有的仅通过消除信号生成装置进行噪音消除的头戴式耳机更高的消音特性。

本发明并不局限于以上说明过的实施例的结构，可在不脱离专利请求范围所记载的技术思想的范围内进行设计变更。例如，也可以提高本发明的头戴式消噪耳机的防音功能作为耳罩使用，还可以作为具备用于使用者通话的麦克风的耳麦使用。

Claims (9)

1.一种头戴式消噪耳机，

具有：

筐体，

设置于上述筐体的驱动器单元，

朝向外侧安装于上述筐体、对外部噪音进行集音的麦克风单元，及消除信号生成装置，其产生与经由头戴式耳机进来的噪音的相位相反的消噪信号；其以前馈式消除上述噪音，

其特征在于：包括：

用于检测以上述前馈式未能完全消除的误差噪音的误差检测用麦克风单元，和

产生用于消除上述误差噪音的误差补偿信号、并以反馈式进行噪音消除的误差噪音消除信号生成装置。

2.根据权利要求1所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

上述前馈式所使用的上述消除信号生成装置或者上述反馈式所使用的上述误差噪音消除信号生成装置的至少一者中，使用数字滤波器。

3.根据权利要求1所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

上述误差噪音的特定频带被消除。

4.根据权利要求1所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

误差噪音消除信号生成装置包括：

误差补偿电路，其根据误差检测用麦克风单元集音的误差噪音生成误差补偿信号，以及

标准电压发生电路，其以规定的噪音电平作为标准声压电平，产生与该标准声压电平相当的标准电压；

上述误差检测用麦克风单元的输出电压高于上述标准电压时，上述误差补偿电路发生作用。

5.根据权利要求4所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

误差噪音消除信号生成装置具有将噪音消除量保持在一定程度的自动增益控制放大器，上述误差检测用麦克风单元的输出电压低于上述标准电压时，上述自动增益控制放大器发生作用。

6.根据权利要求4所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

具有开关，其用于在上述误差检测用麦克风单元的输出电压高于上述标准电压时，切断自上述误差检测用麦克风单元传送至上述自动增益控制放大器的信号。

7.根据权利要求4所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

具备可以对上述标准电压发生电路所产生的标准电压进行调节的调节装置。

8.根据权利要求1所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

上述误差检测用麦克风单元被设置为偏离驱动器单元的中心轴。

9.根据权利要求1所述的头戴式消噪耳机，其特征在于：

在头戴式消噪耳机的使用状态下，所述误差检测用麦克风单元被配置在形成于筐体与使用者的外耳道之间的前气室内。

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