CN102905209A - 噪声降低声音再现 - Google Patents

Abstract

公开了一种噪声降低声音再现的系统和方法，其中将输入信号提供至扬声器，通过所述扬声器来声辐射所述输入信号；通过麦克风来接收通过所述扬声器辐射的所述信号，所述麦克风通过第二路径声耦合至所述扬声器以及提供麦克风输出信号；所述麦克风输出信号减去有用-信号以产生滤波器输入信号；将所述滤波器输入信号在有源噪声降低滤波器中滤波以产生误差信号；和将所述有用-信号从所述误差信号中减去以产生所述扬声器输入信号；以及在从所述麦克风输出信号减去之前，将所述有用-信号通过一个或多个低通滤波器滤波。

Description

噪声降低声音再现

技术领域

本文公开噪声降低声音再现系统，以及特别为包括可使用户在降低周围噪声下享有例如再现音乐等的耳机的噪声降低系统。

背景技术

在有源噪声降低系统中，也称为有源噪声消除/控制(ANC)系统，相同扬声器，特别是布置在头戴受话器的两个耳机中的扬声器，通常用于诸如音乐或语音的期望的声音的噪声降低和再现。然而，由于相同噪声降低系统降低期望的声音至相同的某种程度的事实，在通过采用有源噪声减低的声印象和未采用有源噪声降低所产生的印象之间有显著的差别。相应地，取决于噪声降低打开或关闭，需要高级电信号处理以补偿该作用或者收听者必须接受不同的印象。因此，有改善噪声降低系统以克服该障碍的基本需求。

发明内容

在本发明的第一方面，公开的噪声降低声音再现系统包括：与扬声器输入路径连接的扬声器；通过第二路径声耦合至所述扬声器以及与麦克风输出路径连接的麦克风；与所述麦克风输出路径和第一有用-信号路径的下游连接的第一减法器；与所述第一减法器的下游连接的有源噪声降低滤波器；和在所述有源噪声降低滤波器和所述扬声器输入路径之间连接以及连接至第二有用-信号路径的第二减法器；其中两所述有用-信号路径都供给有用信号以被再现，并且所述第二有用-信号路径包括一种或多种电低通滤波器。

在本发明的第二方面，公开噪声降低声音再现方法，其中将输入信号提供至扬声器，通过所述扬声器来声辐射所述输入信号；通过麦克风来接收通过所述扬声器辐射的所述信号，所述麦克风通过第二路径声耦合至所述扬声器以及提供麦克风输出信号；将所述麦克风输出信号从有用-信号中减去以产生滤波器输入信号；将所述滤波器输入信号在有源噪声降低滤波器中滤波以产生误差信号；和将所述有用-信号从所述误差信号中减去以产生所述扬声器输入信号；以及在从所述麦克风输出信号减去之前，将所述有用-信号通过一种或多种低通滤波器滤波。

附图说明

基于附图所显示的示例性实施方案，各种具体实施方案更详细描述如下。除非另有说明，类似或相同组件以相同附图标记表示在所有图片中。

图1是通用反馈型有源噪声降低系统的框图，其中将有用信号提供至扬声器信号路径；

图2是通用反馈型有源噪声降低系统的框图，其中将有用信号提供至麦克风信号路径；

图3是通用反馈型有源噪声降低系统的框图，其中将有用信号提供至扬声器和麦克风信号路径；

图4是图3的有源噪声降低系统的框图，其中在麦克风路径通过低通滤波器来提供有用信号；

图5是可应用在图4的系统中的表示低通滤波器的传递特性的幅度频率响应(magnitude frequency response)图；

图6是可应用与图4的有源噪声降低系统连接的耳机的示意图，其中麦克风布置为在扬声器前以及装备有声低通滤波器；

图7是另一有源噪声降低系的框图，其中麦克风装备有声低通滤波器以及通过两个低通滤波器提供有用信号至麦克风路径；

图8是另一耳机的示意图，其中麦克风布置为在扬声器的后面以及装备有声低通滤波器；

图9是另一耳机的示意图，其中麦克风布置在扬声器的一侧以及装备有声低通滤波器；

图10是声低通滤波器的示意图，通过包括亥姆霍兹共振器(Helmholtzresonator)的管-状导管形成的声低通滤波器；

图11是具有开口的另一管-状导管的示意图；

图12是具有半封闭端的另一管-状导管的示意图；

图13是填充吸声材料的另一管-状导管的示意图；以及

图14是具有套管式结构的另一管-状导管的示意图。

具体实施方式

反馈ANC系统旨在通过在收听位置处提供随着时间理想地具有相同振幅但与噪声信号相反的相位的噪声降低信号来降低或甚至消除干扰信号，例如噪声。通过叠加噪声信号和噪声降低信号，所得信号，也称为误差信号理想地趋近于零。噪声降低的质量取决于所谓第二路径的质量，即，表示收听者耳朵的扬声器和麦克风之间的声路径。噪声降低的质量进一步取决于所谓ANC滤波器的质量，所述ANC滤波器是在麦克风和扬声器之间连接以及过滤通过麦克风提供的误差信号，使得当过滤的误差信号通过扬声器来再现时，它进一步降低误差信号。然而，当另外对于滤波的误差信号，在收听位置处提供诸如音乐或语音的有用信号，特别是通过也再现滤波的误差信号的扬声器时出现问题。然后，通过如前所述的系统可破坏有用信号。

为了简便，在本文中电和声信号在本文中没有区别。然而，通过扬声器所提供和通过麦克风所接收的所有信号实际上属于声性质。所有其它信号均是电性质。扬声器和麦克风可以是具有通过扬声器3所形成的输入级和通过麦克风所形成的输出级的声子-系统（例如，扬声器-房间-麦克风系统）的一部分；将电输入信号提供给所述子-系统，然后子-系统提供电输出信号。在这点中，“路径”意思是可进一步包括诸如信号传导构件、放大器、滤波器等的元件的电或声连接。频谱成形滤波器是输入和输出信号的频谱在频率上不同的滤波器，

现参照图1，其是图示通用反馈型有源噪声降低(ANC)系统的框图，其中通过主路径1干扰信号d[n]（也称为噪声信号）被传递（辐射）至诸如收听者耳朵的收听位置处。主路径1具有P(z)的传递特性。此外，通过第二路径2将输入信号v[n]从扬声器3递送至收听位置处。第二路径2具有S(z)的传递特性。位于收听位置处的麦克风4接收由扬声器3和干扰信号d[n]所引起的信号。麦克风4提供表示这些接收的信号的综合的麦克风输出信号y[n]。麦克风输出信号y[n]作为滤波器输入信号u[n]提供至ANC滤波器5，然后输出误差信号e[n]至加法器6。可以为自适应滤波器的ANC滤波器5具有W(z)的传递特性。加法器6也接收诸如使用频谱成形滤波器（未显示在图片中）的任选预-滤波的有用信号x[n]（例如音乐或语音）以及提供输入信号v[n]至扬声器3。

信号x[n]、y[n]、e[n]、u[n]和v[n]在不连续的时域中。考虑到以下内容，使用X(z)、Y(z)、E(z)、U(z)和V(z)表示它们的频谱。描述在图1中图示系统的微分方程式如下：

Y(z)=S(z)·V(z)=S(z)·(E(z)+X(z))                       (1)

E(z)=W(z)·U(z)=W(z)·Y(z)                              (2)

在图1的系统中，有用信号传递特性M(z)=Y(z)/X(z)因而是：

M(z)=S(z)/(1-W(z)·S(z))(3)

假使W(z)=1，则

$\lim [S\left(z\right)\→1]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→\∞---\left(4\right)$

$\lim [S\left(z\right)\→\±\∞]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→1---\left(5\right)$

$\lim [S\left(z\right)\→0]M\left(z\right)\⇒S\left(z\right)---\left(6\right)$

假使W(z)=∞，则

$\lim [S\left(z\right)\→1]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→0.---\left(7\right)$

如从等式(4)-(7)可见，当ANC滤波器5的传递特性W(z)增加时，有用信号传递特性M(z)接近0，但第二路径递送函数S(z)仍然中立(neutral)，即在1或0[dB]左右的水平。因为这个原因，必须使有用信号x[n]相应地自适应以确保当ANC打开或关闭时有用信号x[n]被收听者相同地理解。而且，有用信号传递特性M(z)也取决于第二路径2的传递特性S(z)，意思是，有用信号x[n]的自适应也取决于传递特性S(z)和由于老化、温度、收听者的改变等的它的波动，从而在“打开”和“关闭”之间的某些不同就会明显。

在图1的系统中，将有用信号x[n]在加法器6处提供至声子-系统（扬声器，房间，麦克风），与扬声器3连接，但在图2的系统中，将有用信号x[n]在麦克风4处提供。因此，在图2的系统中，省略加法器6，并且将加法器7布置至麦克风4的下游以将例如预滤波的有用信号x[n]和麦克风输出信号y[n]合计。相应地，扬声器输入信号v[n]是误差信号[e]，即,v[n]=[e]，并且滤波器输入信号u[n]是有用信号x[n]和麦克风输出信号y[n]的和，即,u[n]=x[n]+y[n]。

描述图2中图示的系统的微分方程式如下：

Y(z)=S(z)·V(z)=S(z)·E(z)                             (8)

E(z)=W(z)·U(z)=W(z)·(X(z)+Y(z))                      (9)

未考虑干扰信号d[n]的在图2的系统中有用信号传递特性M(z)因而是：

M(z)=(W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z))                       (10)

$\lim [(W\left(z\right)\·S\left(z\right))\→1]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→\∞---\left(11\right)$

$\lim [(W\left(z\right)\·S\left(z\right))\→0]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→0---\left(12\right)$

$\lim [(W\left(z\right)\·S\left(z\right))\→\±\∞]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→1.---\left(13\right)$

如从等式(11)-(13)中所见，当开口回路传递特性(W(z)·S(z))增加或减少时，有用信号传递特性M(z)接近1；以及当开口回路传递特性(W(z)·S(z))接近零时，则有用信号传递特性M(z)接近0。因为这个原因，必须将有用信号x[n]另外在更高的频谱范围中自适应，从而确保当ANC打开或关闭时，有用信号x[n]被收听者相同地理解。然而，在更高频谱范围的补偿很难，使得在“打开”和“关闭”之间的某些差别明显。另一方面，有用信号传递特性M(z)并不取决于第二路径2的传递特性S(z)及其由于老化、温度、收听者改变等的波动。

图3是图示通用反馈型有源噪声降低系统的框图，其中将有用信号提供给扬声器路径和麦克风路径。为了简便，尽管仍然存在噪声(干扰信号d[n])，以下省略主路径1。特别地，图3的系统是基于图1的系统，然而，具有将有用信号x[n]从麦克风输出信号y[n]中减去以形成ANC滤波器输入信号u[n]的另外的减法器8和具有替代加法器6以及将有用信号x[n]从误差信号e[n]中减去的减法器9。

描述图3中所图示的系统的微分方程式如下：

Y(z)=S(z)·V(z)=S(z)·(E(z)-X(z))                (14)

E(z)=W(z)·U(z)=W(z)·(Y(z)-X(z))                (15)

在图3的系统中有用信号传递特性M(z)因而是：

M(z)=(S(z)-W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z))(16)

$\lim [(W\left(z\right)\·S\left(z\right))\→1]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→\∞---\left(17\right)$

$\lim [(W\left(z\right)\·S\left(z\right))\→0]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→S\left(z\right)---\left(18\right)$

$\lim [(W\left(z\right)\·S\left(z\right))\→\±\∞]M\left(z\right)\⇒M\left(z\right)\→1.---\left(19\right)$

从等式(17)-(19)中可看到图3的系统的性能类似于图2的系统。唯一差别是当开口回路传递特性(W(z)·S(z))接近0时，有用信号传递特性M(z)接近S(z)。类似于图1的系统，图3的系统取决于第二路径2的传递特性S(z)及其由于老化、温度、收听者的改变等的波动。

在图4中，显示系统，其基于图3的系统并且另外包括连接减法器8的电低通滤波器10以滤波具有低-通递送函数H(z)的有用信号x[n]。

描述图5中图示的系统的微分方程式如下：

Y(z)=S(z)·V(z)=S(z)·(E(z)-X(z))                (23)

E(z)=W(z)·U(z)=W(z)·(Y(z)-H(z)·X(z))          (24)

假使H(z)≈S(z)，则

E(z)=W(z)·U(z)≈W(z)·(Y(z)-S(z)·X(z))         (25)

在图5的系统中有用信号传递特性M(z)因而是：

M(z)≈S(z)·(1+W(z)·S(z))/(1+W(z)·S(z))≈S(z)  (26)

从等式(26)中，能看到当ANC系统为有源的时，有用信号传递特性M(z)近似于第二路径传递特性S(Z)。当ANC系统不是有源的时，有用信号传递特性M(z)与第二路径传递特性S(Z)相同。因此，无论噪声降低是否有源，对于收听者在接近麦克风4的位置处的有用信号的听觉印象是类似的。

ANC滤波器5和低通滤波器10可以是具有恒定传递特性的固定的滤波器或者具有可控制的传递特性的自适应滤波器。在图片中，滤波器本身自适应结构通过各块下箭头表示，并且通过虚线表示自适应结构的任选性。

图5是表示在图4的系统中可应用的三种不同低通滤波器的传递特性a、b、c的幅度频率响应图，其具有范围为从0.1Hz至1kHz不同截止频率以及不同阶(order)，即，斜率，例如，6dB/倍频程(octave)(a)、12dB/倍频程(b)和24dB/倍频程(c)。低通滤波器是滤波器，低通滤波器是通过低-频率的信号但使具有比截止频率高的频率f[kHz]的信号变弱（降低其振幅A[dB]）的滤波器。对于各频率的衰减的实际量在滤波器与滤波器之间不同。

显示在图4中的系统是例如应用在头戴受话器中，其中诸如音乐或语音的有用信号根据噪声的不同条件被重现，并且收听者可以关闭ANC系统，特别是当没有噪声存在、未感受到ANC系统的有源和无源之间任何声音差别时。然而，本文所展示的系统不仅适应于头戴受话器，也适应于所有其它领域，其中期望偶尔噪声降低。

图6示出可应用本有源噪声降低系统的示例性耳机11。耳机11连同另一相同耳机可以是头戴受话器（未显示）的一部分，以及可以声耦合至收听者的耳朵12。在本例子中，通过主路径1将耳机12暴露至干扰信号d[n]，例如周围噪声。耳机11包括具有孔15的杯-状外壳14，所述杯-状外壳14可被声音可透过性盖子覆盖，例如，格栅、网格或任何其它可声音可透过性结构或材料。扬声器3辐射声音至耳朵12以及布置在外壳14的孔15处，两者形成耳机空腔13。空腔13可以通过任何方式气密或通气，例如通过端口、通气口、开口等。麦克风4位于扬声器3的前面。声路径17从扬声器3延伸至耳朵12，并且具有传递特性，其接近通过从扬声器3延伸至麦克风4的第二路径2的传递特性的声控制目的。可使麦克风4装备有声低通滤波器18。在本例子中，声低通滤波器18是与麦克风4连接的（声导向）管-状导管；将麦克风4布置在扬声器3的前面。

在诸如头戴受话器的移动装置中，从ANC系统中获得的空间和能量非常有限。数字电路太消耗空间和能量，所以在移动装置的ANC系统的设计中通常优选模拟电路。然而，模拟电路仅允许非常有限复杂的ANC系统，因而难于准确地单独通过模拟构件来建模第二路径。特别地，在ANC系统中使用的模拟滤波器通常为固定的滤波器或非常简单的自适应滤波器，因为它们容易构建，具有低能量消耗并且需要很少的空间。

因为对第二路径性能有较少的依赖性，当采用固定的模拟滤波器时，参照图4以上所示出的系统也提供良好结果。而且，基于形成通常只有较小波动的开口回路特性W(z)·S(z)的ANC滤波器传递特性W(z)以及第二路径滤波器特性S(z)，以及基于当连接至收听者的头时头戴受话器的声性能的评估，系统使对低通滤波器10的必要传递特性可良好评估。

ANC滤波器5通常具有倾向于随着频率增加增益至最大增益、在更低频率下具有更少增益的传递特性，随后为随着频率增益降低至环路增益。在ANC系统中固有的环路具有ANC滤波器5的高增益，这使得系统为频率范围例如低于1kHz的线性，因而使得在该频率范围内任何另外的滤波都多余。

参照图7，至少两种分离滤波器可用于低通滤波。图7显示与图4的系统相比的示例性ANC系统，所述示例性ANC系统采用（至少）两种低通滤波器20和21（子-滤波器）来替代形成路径19和具有传递特性S₁(z)的单一电低通滤波器10和声低通滤波器18。相应地，从扬声器3至麦克风4的第二路径2具有传递特性S(z)=S₁(z)·S₂(z)，其中S₂(z)是从扬声器3至声低通滤波器18的第二路径22的传递特性。电滤波器（例如，具有传递特性H₁(z)的低通滤波器20）的之一可接近传递特性S₁(z)以及电滤波器（例如，具有传递特性H₂(z)的低通滤波器21）的另一可接近传递特性S₂(z)。使用的滤波器的数量也可取决于许多其它方面，例如滤波器的花费、噪声性能；头戴受话器的声性能；系统的迟延时间；实施系统的可用空间等。

图8和9显示图6的耳机11的变化形式，其中取决于例如声滤波器18的尺寸，将麦克风4布置在扬声器3的后面或旁边。

形成声滤波器18的基部的管-状导管30可包括进一步影响如参照下图10-14所示出的导管的声性能的另外的构件。根据图10，声滤波器18可包括所谓亥姆霍兹共振器。亥姆霍兹共振器典型包括空气质量封闭腔(airmass enclosing cavity)，所谓小室、以及通风开口或管，例如使空气质量封闭腔连接外界的所谓端口或颈口。亥姆霍兹共振是在空腔中空气共振的现象。当将空气挤压至空腔时，在空腔内压力增加。当将挤压空气的外部压力去除时，内部更高压力空气将流出。然而，由于在颈部空气的惰性，流出空气的该冲击倾向于过度补偿(over-compensate)较低外部空气压力，并且使留下的空腔压力稍微低于外部压力，导致引入空气。将该过程重复，使每次压力变化幅度减小。在端口或颈部中空气具有质量。因为它是移动的，所以它具有一些动量(momentum)。

更长的端口补偿更大的质量。端口的直径影响在小室中空气的质量。对于小室容积来说面积太小的端口将“堵塞(choke)”流体，而对于小室容积来说面积太大的端口倾向于降低端口中空气的动量。在本例子中，采用分别具有颈部24和小室25的三种谐振器23。导管包括开口26，在此处颈部24附接导管30以使空气从导管30的外部流入小室25，然后回到导管。

在图11所显示的声滤波器18中，示例性导管30仅具有开口26，即，没有谐振器23和颈部24。在图10和11中所显示的开口26可被声音可透过性膜（通过虚线所指示）覆盖以使声音进一步调谐。参照图12所示出的示例性导管30在其末端处（或在两端之间任意处）具有截面缩小椎体（cross-section reducing taper）27。椎体27可具有不同的形状。在图13所显示的声滤波器中，导管30被诸如石棉、海绵、泡沫材料等的吸声材料28填充。然而，吸收材料可用作没有导管30的声滤波器。根据图14，在另一管29中可采用套管式结构，将所述另一管29布置为在导管30中，其中导管29在一端封闭并且具有比形成导管30的管子的直径和长度更小的直径和长度。管子29在导管30内形成亥姆霍兹共振器。

尽管已经公开实现本发明的各种例子，对于本领域的技术人员显而易见的是，在没有违背本发明的精神和范围下可进行各种改变和修改以达到本发明的一些优势。对本领域普通技术人员显而易见的是，具有相同功能的其它组件可适当地被替换。本发明原理的这些改变形式旨在通过所附权利要求来覆盖。

Claims (15)

1.一种噪声降低声音再现系统，包括：

扬声器，其与扬声器输入路径连接；

麦克风，其通过第二路径声耦合至所述扬声器以及与麦克风输出路径连接；

第一减法器，其与所述麦克风输出路径和第一有用-信号路径的下游连接；

有源噪声降低滤波器，其与所述第一减法器的下游连接；和

第二减法器，其是在所述有源噪声降低滤波器和所述扬声器输入路径之间连接以及连接至第二有用-信号路径；其中

两个所述有用-信号路径都供给有用信号以被再现；以及

所述第二有用-信号路径包括一个或多个电低通滤波器。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个电低通滤波器中的至少一个是固定的滤波器。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述电滤波器具有不超过1kHz的截止频率。

4.如权利要求1、2或3所述的系统，其中所述麦克风装备有声滤波器。

5.如前述权利要求中一项所述的系统，其中管-状导管包括至少一个具有开口的亥姆霍兹共振器。

6.如前述权利要求中一项所述的系统，其中所述管-状导管包括在其侧壁的至少一个开口。

7.如权利要求5或6所述的系统，其中所述开口被膜覆盖。

8.如前述权利要求中一项所述的系统，其中所述管-状导管包括至少一个截面缩小椎体。

9.如前述权利要求中一项所述的系统，其中所述管-状导管被吸声材料填充。

10.如权利要求4-9中一项所述的系统，其中所述声滤波器具有不超过1kHz的截止频率。

11.一种噪声降低声音再现方法，其中：

将输入信号提供至扬声器，通过所述扬声器来声辐射所述输入信号；

通过麦克风来接收通过所述扬声器辐射的所述信号，所述麦克风通过第二路径声耦合至所述扬声器以及提供麦克风输出信号；

所述麦克风输出信号减去有用-信号以产生滤波器输入信号；

将所述滤波器输入信号在有源噪声降低滤波器中滤波以产生误差信号；和

将所述有用-信号从所述误差信号中减去以产生所述扬声器输入信号；以及

在从所述麦克风输出信号减去之前，将所述有用-信号通过一个或多个低通滤波器滤波。

12.如权利要求11所述的方法，其中以恒定传递特性进行所述低通滤波。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述电滤波具有不超过1kHz的截止频率。

14.如权利要求13所述的方法，其中对通过所述扬声器辐射至所述麦克风的所述信号进行声低通滤波。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述声滤波具有不超过1kHz的截止频率。

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