CN102572646A - 一种在耳机听音乐状态下的消噪方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种在耳机听音乐状态下的消噪方法及设备，该方法及设备基于环境噪声采集模块、音乐播放模块、噪声处理模块、音量选取模块和噪声-音量控制模块，噪声-音量控制模块根据噪声的等级来换算出相对应的音乐音量的等级环境噪声采集模块对外界环境的噪声进行检测和采集，并将噪声波转换为模拟信号；噪声量化模块将模拟信号经傅里叶变换为频域噪声信号，并通过处理和分析对噪声信号等级估量，将噪声通过等级量化；音量选取模块读取该噪声的量化值，根据噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制音乐播放模块输出音乐信号音量的变换；音乐播放模块根据音量选取模块选取的音量播放出音乐。
Description
技术领域
本发明涉及消噪方法，特别涉及一种在耳机听音乐状态下的消噪方法及设备。
背景技术
在手机行业，消噪技术按照处理对象的不同分为两个方面：一是降低噪声；二是提升信号，最终目的都是提高信噪比。前者是业内常见的消噪技术，后者为叫法比较多，笔者称为类智能消噪技术。
消噪技术按内容一般分为两类：一是语音通话中的消噪技术；二是耳机状态听音乐中的消噪技术。
对于前者，现在很多厂家都在提供相应功能的IC，比如美国的ForteMedia、Audience、ON等等，有的处理上行通信噪声，有的处理下行通信噪声，有的上、下行都可以处理，笔者也曾经成功预研了ForteMedia的消噪技术方案----Beamforming，它主要是针对上行通信的，即用户A在吵杂的环境中用带这种技术的手机与异地的用户B通话，B听不到A身边环境的噪声，只听到A的通话声，最终整体效果良好，由于其技术原理的原因，该方案对MIC的灵敏度、结构布局的要求较为苛刻。后两个方案的效果笔者也都接触过，效果不分伯仲，但是硬件成本较高。综上，造成这种技术在手机中批量应用的限制条件主要有二：一是手机功能的多样化造成PCB板空间的日益紧张；二是语音消噪技术需要的高额的附加成本。
对于后者，主要应用在现在的MP3市场，例如SONY的高端MP3就到有这种技术，他们采用的方法是在MP3上设置了一个快捷键，当用户觉得外界的噪声比加大时，就可以按一下这个键，然后用户就可以在吵杂的环境中听到纯净的音乐了，不过这种技术还是要靠用户自己感知，然后才做出反应，这种属于半智能型消噪，并且这种技术只能被动的消除外界的噪声，更重要的是，由于其是利用反相原理进行消噪，处理不好，例如相位延时如果不是相差严格的180度，就会造成噪声的叠加，恶化声音的信噪比，而且处理后的声音也有些许失真，从消费者的角度考虑不是最优的，要实现人性化还需要跟进一步的研究和优化。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的技术中消噪效果不好，不人性化，并且对技术的附加成本高的问题，本发明提出一种新的技术方案，这种新技术方案可以实现用户A在从安静区域1进入吵杂区域2时自动实现提高音乐音量，也可以实现用户A在从吵杂区域2进入安静区域1时自动实现适当降低音量。这种双向考虑可以给用户带来极大的方便和人性关怀。
为实现上述发明目的，本发明提出一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，该方法基于环境噪声采集模块、音乐播放模块、噪声处理模块、音量选取模块和噪声-音量控制模块，实现满足用户在不同噪声等级环境下对音量需求自动变化；
所述噪声-音量控制模块，用于根据噪声的等级来换算出相对应的音乐音量的等级
所述环境噪声采集模块对外界环境的噪声进行检测和采集，并将噪声波转换为模拟信号；
所述噪声量化模块将模拟信号经傅里叶变换为频域噪声信号，并通过处理和分析对噪声信号等级估量，将噪声通过等级量化；
所述音量选取模块读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制音乐播放模块输出音乐信号音量的变换；
所述音乐播放模块根据音量选取模块选取的音量播放出音乐。
更优选地，该方法还包括存储模块；所述存储模块对所述噪声处理模块获得的量化噪声信息存储。
更优选地，所述映射模块中的噪声能量一音乐音量映射表是基于Sweet Point函数与人耳等响曲线函数之间的关系建立的；其中，Sweet Point函数表示SP＝F(V，N)，SP0＝F(V0，N0)，N为环境噪声等级，V为音乐播放音量，V和N的是成同向性的，即一个增大，另一个就要跟着增大，反之亦然；人耳等响曲线函数为L＝G(F，SPL)，F是频率，SPL是声压级，L是响度。
更优选地，还包括噪声持续时间检测模块，所述噪声持续时间检测模块对所述环境噪声采集模块检测到的噪声的噪声能级比噪声能级阈值W大且持续时间大于时间阈值T时，启动所述噪声-音量控制模块；其中，T≥从检测噪声到处理再到给出音量调整的整个过程需要的时间。
更优选地，所述噪声能级阈值W为8dB～15dB。
更优选地，所述噪声能级阈值W为10dB。
更优选地，所述噪声-音量控制模块先判断当前环境噪声量化值是否高/低于前一环境噪声量化值的值超过设定的阈值B；如果是，则所述音量选取模块将音乐信号音量在现有的基础上相应地增加或减少ΔV；否则，所述音量选取模块读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制输出音乐信号音量的变换；其中，B和ΔV为多次实验确定。
为实现上述发明目的，本发明还提出一种在耳机听音乐状态下的消噪设备，其特征在于，该设备包括环境噪声采集模块、音乐播放模块、噪声处理模块、音量选取模块和噪声-音量控制模块；
所述噪声-音量控制模块，用于根据噪声的等级来换算出相对应的音乐音量的等级；
所述环境噪声采集模块，用于对外界环境的噪声进行检测和采集，并将噪声波转换为模拟信号；
所述噪声量化模块，用于将模拟信号经傅里叶变换为频域噪声信号，并通过处理和分析对噪声信号等级估量，将噪声通过等级量化；
所述音量选取模块，用于读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制音乐播放模块输出音乐信号音量的变换；
所述音乐播放模块，用于根据音量选取模块选取的音量播放出音乐。
更优选地，该设备还包括存储模块；所述存储模块对所述噪声处理模块获得的量化噪声信息存储。
更优选地，所述噪声-音量控制模块先判断当前环境噪声量化值是否高/低于前一环境噪声量化值的值超过设定的阈值B；如果是，则所述音量选取模块将音乐信号音量在现有的基础上相应地增加或减少ΔV；否则，所述音量选取模块读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制输出音乐信号音量的变换；其中，B和ΔV为多次实验确定。
本发明的优点在于，该发明的原始驱动来源于消费者的实际需求，当用户在不同环境中听歌或者从一个环境变换到另一个环境，设备可以自动根据外界噪声，选择设定对应的音量，满足用户需求的同时，简化了用户的手动操作，人性化的设计方向决定其应用前景广阔。并且消噪效果好，不增加额外的成本，具有广泛的推广使用价值。
附图说明
图1为本发明提出的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法流程图；
图2为本发明提出的一种在耳机听音乐状态下的消噪设备框图；
图3为听觉区域和人耳等响曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。
如图1所示，图1为本发明提出的本发明主要提出的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法流程图。从图1可以看出，该方法基于环境噪声采集模块、音乐播放模块、存储模块、噪声处理模块、音量选取模块和噪声-音量控制模块，实现满足用户在不同噪声等级环境下对音量需求自动变化；
环境噪声采集模块对外界环境的噪声进行检测和采集，并将噪声波转换为模拟信号。噪声量化模块将模拟信号经傅里叶变换为频域噪声信号，并通过处理和分析对噪声信号等级估量，将噪声通过等级量化。存储模块对所述噪声处理模块获得的量化噪声信息存储。音量选取模块读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制输出音乐信号音量的变换。
如图2所示，图2为本发明提出的一种在耳机听音乐状态下的消噪设备框图。该设备包括环境噪声采集模块、音乐播放模块、噪声处理模块、存储模块、音量选取模块和噪声-音量控制模块。环境噪声采集模块分为L-环境噪声采集模块和R-环境噪声采集模块
噪声-音量控制模块，用于根据噪声的等级来换算出相对应的音乐音量的等级；
环境噪声采集模块分为L-环境噪声采集模块和R-环境噪声采集模块，均安装在耳机外侧的两颗高灵敏的MIC组成，其功能是采集耳机以外的环境噪声，将其转换为模拟噪声信号。
噪声量化模块，用于将模拟信号经傅里叶变换为频域噪声信号，并通过处理和分析对噪声信号等级估量，将噪声通过等级量化；
存储模块，用于对所述噪声处理模块获得的量化噪声信息存储。
音量选取模块，用于读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制音乐播放模块输出音乐信号音量的变换；
音乐播放模块，用于根据音量选取模块选取的音量播放出音乐。
本发明的工作原理如下：
首先，由两颗高灵敏度的MIC检测外界的噪声，将噪声波转换为模拟的电信号；其次，将噪声模拟信号经过傅立叶变换，转换为噪声频域信号，以便后续的处理；然后，通过相关频域算法和分析工具对噪声频域信号进行分析处理和等级估量，将噪声的值量化；接着，将分析处理后的值存到寄存器中；同时，音量选取模块读取该值的大小，根据噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级；最后，音量选取模块控制输出音乐信号音量的变化，从而实现根据外界的噪声等级实现自动改变音乐播放的音量的功能。
在本发明的技术方案中，最重要的就是噪声能量-音乐音量映射表的建立，如何使其更科学、更合理是需要做深入研究，做实验验证的，在此给出一种方案。
首先，要有一个基准对比功能，就是在一定的噪声能量NO环境下，音乐的音量V0为多少分贝(或V)为最优，可以采用如下方法：在一个中等噪声环境下(60-70分贝)的地方，调节至适合的音量，找到一个Sweet Point，这个点要满足两个条件，一不能明显听到外界的噪声；二是不能让用户觉得音乐的音量太大，这个值建议由一定数量的样本人员通过实验来确定，那么，Sweet Point函数可以这样表示SP＝F(V，N)，其中，SP0＝F(V0，NO)；
这个函数具有如下特征：
1)函数的具体形式待定，可以确定的是V和N的是成同向性的，即一个增大，另一个就要跟着增大，反之亦然。
2)这个函数比较特殊，是常数函数，值就是SP0，即“听觉甜点”，而不同的参数V和N组合，都可以找到这个甜点。
3)由于声音信号最终要经过人耳这一非线性器件，考虑到人的耳朵对于不同频率的声音敏感性是不同的，所以Sweet Point函数与人耳等响曲线函数有关，人耳等响曲线可以定义为：L＝G(F，SPL)，其中F是频率，SPL是声压级，L是响度，如图3所示，图3为听觉区域和人耳等响曲线图。
有了这个Sweet Point函数，就可以针对每一个环境噪声等级N，求出对应的音乐播放音量V，这样很容易生成一个噪声能量-音乐音量映射表。
其次，讨论一下噪声的检测处理，一般情况，由MIC检测后再按照前文中的技术流程一步一步处理即可，此处说一下关于特殊情况的处理。特殊情况的由来是从外界噪声的不可控性和对人的影响来考虑，比如，当一个人在基本稳定的噪声环境下耳机听音乐，突然来了一个瞬态的尖叫，这时算法该如何处理，如果要处理，肯定来不及，因为从检测噪音，到处理，再到计算出对应的音量控制，是需要时间的，对于这么一个瞬态的噪声的处理结果很可能是：噪声来临的瞬间由于不能及时给出反馈而致使听者明显感觉到这个尖叫，当尖叫消失后音量控制调节才起作用，导致音量过大，给听者带来不悦，为了避免这种声音呼大呼小的现象，笔者建议在噪声的检测处理算法中添加一个噪声存在(或持续)时间的监测模块，当检测到噪声能级比上个检测的值高很多(比如大于10dB)且持续时间大于2T时，才启动相应的噪声-音量控制模块，否则，不做处理，其中T＝整个算法从检测噪声到处理再到给出音量调整整个过程需要的最长时间。
然后，要考虑音量的渐变性，如果用户从环境A进入进入环境B，二者的环境噪声等级分别为NA和NB，如果NB比NA高很多或低很多，可以设定一阈值，这个时候不能直接将音量由VA调到对应的VB，否则，人耳会明显感觉到音量的剧增或骤减，而应采取渐变的方式逐渐过渡，变化的步进ΔV需要实验确定，要考虑两方面：
1)以用户感觉不到音量的急剧变化为标尺；
2)不能因为变化太慢，而让外界增加的噪声影响到用户，否则这个技术也就失去了价值；要在这二者之间寻找一平衡点，处理不好可能会引起用户的投诉。
噪声量化模块采用数字频域噪声信号的处理算法比较多，而且技术方案比较成熟。并可以将数字信号的能量量化为不同的等级，本发明不再详细说明。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，该方法基于环境噪声采集模块、音乐播放模块、噪声处理模块、音量选取模块和噪声-音量控制模块，实现满足用户在不同噪声等级环境下对音量需求自动变化；
所述噪声-音量控制模块根据噪声的等级来换算出相对应的音乐音量的等级
所述环境噪声采集模块对外界环境的噪声进行检测和采集，并将噪声波转换为模拟信号；
所述噪声量化模块将模拟信号经傅里叶变换为频域噪声信号，并通过处理和分析对噪声信号等级估量，将噪声通过等级量化；
所述音量选取模块读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制音乐播放模块输出音乐信号音量的变换；
所述音乐播放模块根据音量选取模块选取的音量播放出音乐。
2.根据权利要求1所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，该方法还包括存储模块；所述存储模块对所述噪声处理模块获得的量化噪声信息存储。
3.根据权利要求1或2所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，所述映射模块中的噪声能量-音乐音量映射表是基于Sweet Point函数与人耳等响曲线函数之间的关系建立的；其中，Sweet Point函数表示SP＝F(V，N)，SP0＝F(V0，N0)，N为环境噪声等级，V为音乐播放音量，V和N的是成同向性的，即一个增大，另一个就要跟着增大，反之亦然；人耳等响曲线函数为L＝G(F，SPL)，F是频率，SPL是声压级，L是响度。
4.根据权利要求1或2所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，还包括噪声持续时间检测模块，所述噪声持续时间检测模块对所述环境噪声采集模块检测到的噪声的噪声能级比噪声能级阈值W大且持续时间大于时间阈值T时，启动所述噪声-音量控制模块；其中，T≥从检测噪声到处理再到给出音量调整的整个过程需要的时间。
5.根据权利要求1或2所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，所述噪声能级阈值W为8dB～15dB。
6.根据权利要求5所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，所述噪声能级阈值W为10dB。
7.根据权利要求1或2所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪方法，其特征在于，所述噪声-音量控制模块先判断当前环境噪声量化值是否高/低于前一环境噪声量化值的值超过设定的阈值B；如果是，则所述音量选取模块将音乐信号音量在现有的基础上相应地增加或减少ΔV；否则，所述音量选取模块读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制输出音乐信号音量的变换；其中，B和ΔV为多次实验确定。
8.一种在耳机听音乐状态下的消噪设备，其特征在于，该设备包括环境噪声采集模块、音乐播放模块、噪声处理模块、音量选取模块和噪声-音量控制模块；
所述噪声-音量控制模块，用于根据噪声的等级来换算出相对应的音乐音量的等级；
所述环境噪声采集模块，用于对外界环境的噪声进行检测和采集，并将噪声波转换为模拟信号；
所述噪声量化模块，用于将模拟信号经傅里叶变换为频域噪声信号，并通过处理和分析对噪声信号等级估量，将噪声通过等级量化；
所述音量选取模块，用于读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制音乐播放模块输出音乐信号音量的变换；
所述音乐播放模块，用于根据音量选取模块选取的音量播放出音乐。
9.根据权利要求8所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪设备，其特征在于，该设备还包括存储模块；所述存储模块对所述噪声处理模块获得的量化噪声信息存储。
10.根据权利要求8或9所述的一种在耳机听音乐状态下的消噪设备，其特征在于，所述噪声-音量控制模块先判断当前环境噪声量化值是否高/低于前一环境噪声量化值的值超过设定的阈值B；如果是，则所述音量选取模块将音乐信号音量在现有的基础上相应地增加或减少ΔV；否则，所述音量选取模块读取该噪声的量化值，根据所述噪声-音量控制模块中的噪声能量-音乐音量映射表查出对应的音量等级，依据对应的音量等级来控制输出音乐信号音量的变换；其中，B和ΔV为多次实验确定。
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