CN103026405A - 自适应有源噪声消除系统 - Google Patents

Abstract

一种系统包含经配置以识别声响信号中的非所要噪声分量的噪声检测器及经配置以分析所述所识别的非所要噪声分量且产生噪声能量分布图的噪声能量分布仪。在所述系统中，消除分布图产生器经配置以至少部分地基于所述噪声能量分布图中的信息而产生噪声消除分布图，且消除分布图效应器经配置以将所述噪声消除分布图转译为可编程电路的值。

Description

自适应有源噪声消除系统

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2010年3月15日申请的第61/314,128号美国临时申请案的权益，所述美国临时申请案的全部内容并入本文中。

技术领域

背景技术

传播通过电气系统的信号可包含所要的信号分量及非所要的信号分量。非所要分量可在电气系统外部产生或由电气系统自身产生。在声响系统中，一个此类非所要分量是环境声响噪声。

电路经常被并入声响系统中以有源地消除所预期的某些类型的环境声响噪声。然而，实际环境声响噪声可能很不同于预期环境声响噪声。

因此，有能力以检测实际环境声响噪声及自适应地配置声响系统以消除所检测到的噪声将是有益的。

发明内容

附图说明

图1说明用于在电气系统内处理信号的示范性系统。

图2说明用于在电气系统内处理信号的第一代表性示范性系统。

图3说明用于具有反馈的头戴式耳机的示范性系统模型。

图4说明用于在电气系统内处理信号的第二代表性示范性系统。

图5说明用于在电气系统内处理信号的第三代表性示范性系统。

图6说明可实施以识别环境声响噪声且调整可编程电路以至少部分消除噪声的示范性过程。

具体实施方式

示范性声响系统是声响头戴式耳机，其中消除周围环境中存在的声响噪声可为有益的。

一些头戴式耳机在制造时经调谐以消除某些频带中的噪声。例如，一些头戴式耳机经调谐以消除主要出现在200到300赫兹(Hz)频带中的飞机引擎噪声。当在飞机上佩戴此类头戴式耳机时，穿透头戴式耳机耳罩的环境声响噪声中的主要引擎噪声在头戴式耳机内被消除。当在其它地方佩戴此类头戴式耳机时，200到300Hz频带仍将被消除，但其它频率的环境声响噪声可能不会被消除，且头戴式耳机的佩戴者可听见穿透头戴式耳机耳罩的环境声响噪声。

一些头戴式耳机包含一种机构，头戴式耳机的佩戴者可通过所述机构在大体上两个或三个不同消除选项之间切换。例如，佩戴者可在飞机、汽车及火车噪声消除选项之间切换。此头戴式耳机的佩戴者没有能力来消除其它环境噪声，例如手提钻的噪声、哭泣婴儿的噪声及吱吱作响机器的噪声，仅举数例。头戴式耳机的佩戴者将仅有能力来尝试不同的可用消除选项。所提供的选项的数目可受限于切换机构的尺寸或感知的使用复杂性。

如下文描述的头戴式耳机动态地分析环境声响噪声且自适应地配置头戴式耳机以消除所述噪声的至少在主要频带中的噪声。噪声分析可包含确定噪声的主要部分的频带。噪声分析可替代地或额外地包含通过确定在不同频率处或在不同频带内的噪声的能量来剖析噪声能量。

消除可无源地或有源地执行。在无源消除中，仅使用声响噪声消除。在有源消除中，产生抗噪声信号且将其与施加到头戴式耳机内的扬声器的电信号组合，或通过头戴式耳机内的二级扬声器产生抗噪声声响信号。抗噪声是与待消除的噪声在量值上相等且在相位上相反的信号。有时把抗噪声的使用称为有源噪声消除。有源噪声消除可包含反馈及前馈信号处理的某一组合。

如本文中使用的术语“头戴式耳机”可表示一对头戴式耳机中的一个头戴式耳机、具有单一头戴式耳机的头戴式受话器中的一个头戴式耳机、耳塞式耳机、助听器或用于将来自输入的音频信号传输到扬声器的任何其它声响装置。另外，本文中针对头戴式耳机所描述的概念还适用于其它声响系统。

图1说明用于自适应消除非所要环境噪声的示范性系统100。

系统100可包含噪声检测器120、噪声能量分布仪125、消除分布图产生器130及消除分布图效应器135。图1所示的系统100的各种元件被呈现为说明性的而非限制性的。根据特定实施方案所需，图1可包含比展示的元件更多或更少的元件。

噪声检测器120可为执行在系统中识别噪声的功能的硬件、软件及固件中的任一者或组合。关于经识别噪声的信息被提供给噪声能量分布仪125。例如，信息可包含经识别噪声的模拟或数字表示。

噪声能量分布仪125可为执行剖析噪声中能量的功能的硬件、软件及固件中的任一者或组合。噪声能量分布仪125使用来自噪声检测器120的信息来产生所述噪声的分布图。例如，噪声能量分布图可包含噪声针对多个频率或频带的平均振幅。作为另一实例，噪声能量分布图可识别噪声的含有大部分能量的频带。噪声能量分布仪125可将分布图提供给消除分布图产生器130。

消除分布图产生器130可为执行产生用于消除噪声的分布图的功能的硬件、软件及固件中的任一者或组合。

在一些实施方案中，消除分布图产生器130产生代表固有地包含噪声消除的系统100的所要转移函数的分布图。在其它实施方案中，消除分布图产生器130产生代表所要抗噪声信号的分布图。

在一些实施方案中，噪声消除分布图可简单地为单一放大因数。在其它实施方案中，噪声消除分布图可为复杂方程组，或可包含(例如)描述抗噪声信号或所要频率响应的矩阵或其它组频率、振幅及相位信息。分布图可进一步为对所存储分布图的选择的指示符。消除分布图产生器130及分布图的一些示范性代表性实施方案在下文中加以详细描述。消除分布图产生器130将所产生的分布图提供给消除分布图效应器135。

消除分布图效应器135可为执行在电气系统内应用抗噪声分布图的功能的硬件、软件及固件中的任一者或组合。效应器135的实施方案取决于系统100的架构及所产生的抗噪声分布图的形式。因此，效应器135的特定实施方案在下文中关于消除分布图产生器130的相关联示范性实施方案加以详细描述。

噪声检测器120、噪声能量分布仪125、消除分布图产生器130及消除分布图效应器135可包含在一个或一个以上计算装置中。计算装置的实例包含但不限于计算机工作站、服务器、桌上型计算机、笔记本计算机、膝上型计算机或手持式计算机、智能电话、头戴式耳机、具有嵌入式处理器的装置或者一些其它已知的计算系统或装置。

计算装置通常包含计算机可执行指令。一般说来，计算装置(例如)从存储器、计算机可读媒体等接收指令，且执行这些指令，进而执行一个或一个以上过程。此些指令及其它数据可使用多种已知计算机可读媒体来存储及传输。

计算机可读媒体(也称为处理器可读媒体)包含任何非暂时(例如，有形)媒体，其参与提供可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)。此类媒体可采用许多形式，包含但不限制于非易失性媒体及易失性媒体。此些指令可通过一个或一个以上传输媒体来传输。

图2说明第一代表性示范性消除分布图产生器130及相关联的消除分布图效应器135，连同可编程电路205。在此示范性实施方案中，消除分布图产生器130分析噪声能量分布图且将代表噪声能量的一个或一个以上参数提供给消除分布图效应器135。效应器135将所述一个或一个以上参数转译为用于可编程电路205的寄存器设置以调整可编程电路的增益或转移函数，使得由可编程电路产生的抗噪声信号大量消除环境噪声。例如，如果头戴式耳机在制造时经调谐以消除特定预期量值的飞机噪声但实际飞机噪声显著地更响，那么反馈回路中的误差放大器可经编程以获得较高增益以便使得产生较高量值的抗噪声信号。

在其它实施方案中，消除分布图效应器135可将从消除分布图产生器130接收的所述一个或一个以上参数转译为用于可编程电路205的多个参数以使得增益被调整。在另外其它实施方案中，消除分布图产生器130可将代表多个频带中的噪声能量的多个值提供给消除分布图效应器135，且效应器135将所述多个值转译为用于多个可编程电路205的一个或一个以上可编程电路参数，使得可单独针对多个频带来调整增益。

在图2说明的实例中，消除分布图效应器135可使用所实施的编程协议将值编程到可编程电路205中。替代地，消除分布图效应器135可向另一组件(未图示)发送通知以执行可编程电路205的编程。

图3说明用于具有反馈的头戴式耳机的示范性系统模型以说明一个代表性有源噪声消除系统。在所述模型中，S(ω)代表去往头戴式耳机的耳罩中的扬声器的电输入信号，A(ω)代表输入信号S(ω)中的所要音频分量，且N(ω)代表通过听筒传到耳道的环境声响噪声。O(ω)代表所有到达耳道的声音。C(ω)将在下文中加以论述。

G(ω)代表头戴式耳机的耳罩305的频率响应，其中扬声器310接收输入信号S(ω)且发射声响信号。G1(ω)代表扬声器310的频率响应。麦克风315提供电信号作为反馈，其代表由扬声器310发射的声响信号及噪声N(ω)的组合。G2(ω)代表麦克风315的频率响应。Km是用于反馈麦克风315的放大器330的增益。

G^(ω)代表均衡器320的频率响应。Ka代表音频放大器325中的增益。G^(ω)及Ka的组合经设计以具有与G(ω)及Km的组合相同的转移函数。

Ke是误差放大器335的增益，且E(ω)是误差放大器335的输出处的误差信号。误差信号E(ω)代表由麦克风315接收的声响信号，其中所要的音频分量A(ω)被滤出。因此，在理想系统中，误差信号E(ω)将等于零。

H(ω)代表补偿滤波器340的频率响应，且C(ω)是补偿滤波器340的输出处的补偿信号。H(ω)经设计以产生信号C(ω)，使得扬声器310响应于信号S(ω)发射消除噪声N(ω)的声响信号，同时允许将所要的音频传送到耳道。因此，在理想情况中，随着噪声N(ω)完全被消除且G^(ω)与Ka完美匹配以平衡G(ω)与Km，去往放大器335的输入彼此相等且在放大器335的输出处的误差信号E(ω)是零。

信号O(ω)是由扬声器310发射的声响信号与噪声N(ω)的总和。信号O(ω)可作为A(ω)的函数来计算，暂时忽略噪声N(ω)，如方程(1)中所说明。

O(ω)＝(A(ω)＋(A(ω)×Kα×G^(ω)-O(ω)×Km×G(ω))×(Ke×H(ω)))×Gl(ω)

(1)

针对O(ω)对方程(1)进行求解得到方程(2)，O(ω)的分量与所要音频信号A(ω)相关。

$O\left(\mathrm{\ω}\right)=A\left(\mathrm{\ω}\right)\×G1\left(\mathrm{\ω}\right)\×\frac{1+(\mathrm{Ka}\×\mathrm{Ke}\×G^\left(\mathrm{\ω}\right)\×H\left(\mathrm{\ω}\right))}{1+(\mathrm{Km}\×\mathrm{Ke}\×G\left(\mathrm{\ω}\right)\×H\left(\mathrm{\ω}\right))}---\left(2\right)$

方程(2)指示Ka×G^(ω)应等于Km×G(ω)，如上文注释。

信号O(ω)也可作为N(ω)的开环函数来计算，忽略音频信号A(ω)，如方程(3)中所说明。

O(ω)＝N(ω)×Km×Ke×G(ω)×H(ω)    (3)

信号O(ω)也可作为N(ω)的闭环函数来计算，从而得到方程(4)中所展示的关系。

$O\left(\mathrm{\ω}\right)=N\left(\mathrm{\ω}\right)\×\frac{1}{1+(\mathrm{Km}\×\mathrm{Ke}\×G\left(\mathrm{\ω}\right)\×H\left(\mathrm{\ω}\right))}---\left(4\right)$

方程(4)指示为了在耳道处获得良好噪声衰减，如方程(3)中指示的O(ω)的开环响应应较大。

误差放大器335的增益Ke的值可从图3的模型来计算。例如，在方程(4)中，可见可增大增益Ke以补偿噪声N(ω)的振幅的增大。可由消除分布图效应器135响应于由消除分布图产生器130提供的值来计算增益Ke以补偿来自噪声能量分布仪125的噪声分布图中所描述的噪声。组件320、325、330、335及340的其它参数也可经改变以修改头戴式耳机的响应。

在图3说明的实例中，组件320、325、330、335及340经展示为独立函数，且描述(例如)组件335的增益Ke可基于噪声N(ω)振幅来调整。在其它实施方案中，组件320、325、330、335及340可实施为一个具有一个或一个以上可编程值的可编程电路，且已编程的电路实施如由消除分布图产生器130产生的分布图所指示的转移函数。

图4说明第二代表性示范性消除分布图产生器130及相关联的消除分布图效应器135，连同可编程电路205及数据存储装置405。数据存储装置405可包含用于存储、存取及检索各种数据的各种机构，包含分级数据库、文件系统中的一组文件、呈专有格式的应用数据库、关系数据库管理系统(RDBMS)等。

在图4说明的实施方案中，数据存储装置405包含一组能量分布图及一组预定消除分布图，其中每一消除分布图对应于一个能量分布图。消除分布图产生器130将来自噪声能量分布仪125的噪声能量分布图与数据存储装置405中的所述组能量分布图进行比较且选择最接近匹配。例如，如果大部分噪声能量在400到500Hz频带中，那么消除分布图产生器130可从数据存储装置405中选择其中大部分能量位于400到500Hz频带中的能量分布图。一旦选择了最接近匹配的能量分布图，便将对应的消除分布图提供给消除分布图效应器135。

继续第二代表性实例，消除分布图效应器135根据系统架构所需将消除分布图施加到系统。例如，在图3的头戴式耳机中，消除分布图效应器135可通过设置一个或一个以上可配置电路的参数来调整补偿滤波器340的参数。作为另一实例，在图3中所说明的所有组件320、325、330、335及340一起实施于可编程电路内的头戴式耳机中，消除分布图效应器135可根据分布图来调整电路的参数以实现系统转移函数用于消除噪声。

在图4说明的实例中，消除分布图效应器135可使用所实施的编程协议将参数编程到可编程电路205中。替代地，消除分布图效应器135可向另一组件(未图示)发送通知以执行可编程电路205的编程。

图5说明第三代表性示范性消除分布图产生器130，其包含分布图计算器505及相关联的消除分布图效应器135，连同可编程电路205。在此实施方案中，消除分布图产生器130使用分布图计算器505计算消除分布图，其包含(例如)用于补偿电路的所要消除信号或用于系统100或系统100的一部分的所要转移函数。消除分布图效应器135可接着将消除分布图转译为用以调整补偿电路或系统的可配置电路205的信息。

在图5说明的实例中，消除分布图效应器135可使用所实施的编程协议将参数编程到可编程电路205中。替代地，消除分布图效应器135可向另一组件(未图示)发送通知以执行可编程电路205的编程。

以上所论述的示范性实施方案并不详尽，且许多其它实施方案为可能的。

图6说明可在系统100中实施的示范性过程600。在框605处，噪声检测器120识别系统100内的噪声。例如，噪声检测器120可为一组带通滤波器及测量若干不同频带内的能量的一个或一个以上电路。

在框610处，噪声能量分布仪125分析在框605中识别的噪声。例如，可分析噪声以识别具有最高平均能量的频带，或可识别一组频带，其中每一频带均具有高于阈值的能量峰值。

在框615处，消除分布图产生器130确定噪声消除分布图。在一些实施方案中，噪声消除分布图可为系统100的所要转移函数。在其它实施方案中，噪声消除分布图可为可编程电路的所要转移函数，使得由可编程电路输出的信号为消除在框610处识别的噪声的至少一部分的抗噪声信号。

在框620处，消除分布图效应器135将在框615处确定的噪声消除分布图转译为用以施加到可编程电路的实际值。例如，噪声消除分布图可包含在某一频带内的消除，且用于带通滤波器的电路值可经计算以实现所要频带中的所要消除。

在框625处，通过根据所实施的编程协议将在框620处确定的值编程到可编程电路中来将噪声消除分布图施加到可编程电路。

在框625之后，过程600结束。

因此，描述了一种电气系统，其通过检测非所要信号分量且配置系统以补偿非所要信号分量来适应环境。在电气系统是头戴式耳机的情况中，对噪声进行检测、分析及消除。

结论

关于本文中描述的过程、系统、方法、启发等，应理解，虽然此些过程等的步骤已被描述为根据某一排定的顺序而发生，但是可借助按与本文中描述的次序不同的次序执行所描述的步骤来实践此些过程。进一步应理解，可同时执行某些步骤，可添加其它步骤，或可省略本文中所描述的某些步骤。换句话说，提供本文中对过程的描述以用于说明某些实施例的目的，且决不应解释为限制所主张的发明。

因此，应理解，以上描述既定为说明性的而不具限制性。在阅读以上描述之后，除了所提供的实例之外的许多实施例及应用将变得显而易见。本发明的范围不应参考以上描述来确定，而是应参考所附权利要求书连同所述权利要求书所具有的等效物的全部范围来确定。预期且希望将在本文所论述的技术中发生未来发展，且所揭示的系统及方法将并入此些未来实施例中。总之，应理解本发明能做出修改及变更。

如了解本文中描述的技术的人士所理解，权利要求书中使用的所有术语均应被给予其最宽广的合理解释及其一般意义，除非本文中明确指示相反情况。明确地说，例如“一”、“所述”等单数冠词的使用应解读为陈述一个或一个以上所指示的元件，除非权利要求陈述对相反情况的明确限制。

Claims (24)

1.一种设备，其包括：

噪声检测器，其经配置以识别声响信号中的非所要噪声分量；

噪声能量分布仪，其经配置以分析所述所识别的非所要噪声分量且产生噪声能量分布图；

消除分布图产生器，其经配置以至少部分地基于所述噪声能量分布图中的信息而产生噪声消除分布图；及

消除分布图效应器，其经配置以将所述噪声消除分布图转译为可编程电路的值。

2.根据权利要求1所述的设备，所述噪声消除分布图代表所述设备的反馈分量的所要增益，且所述可编程电路包含用于调整所述所要增益的至少一个可编程元件。

3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括数据存储装置，所述数据存储装置包含一群组预定义能量分布图，所述消除分布图产生器至少部分地基于由所述噪声能量分布仪产生的所述噪声能量分布图而从所述群组预定义能量分布图中选择预定义能量分布图。

4.根据权利要求3所述的设备，所述数据存储装置进一步包含一群组预定义消除分布图，其中每一预定义能量分布图对应于至少一个消除分布图，所述消除分布图产生器进一步选择对应于所述所选择的预定义能量分布图的预定义消除分布图。

5.根据权利要求4所述的设备，所述预定义消除分布图代表所述设备的反馈分量的所要增益，且所述可编程电路包含用于调整所述所要增益的至少一个可编程元件。

6.根据权利要求4所述的设备，所述预定义消除分布图代表包含所述可编程电路的信号路径的所要频率响应。

7.根据权利要求4所述的设备，所述预定义消除分布图代表由所述可编程电路产生的抗噪声信号的所要频率响应。

8.根据权利要求1所述的设备，所述消除分布图产生器包含经配置以计算消除分布图的分布图计算器。

9.根据权利要求8所述的设备，所述所计算的消除分布图代表包含所述可编程电路的信号路径的所要频率响应。

10.根据权利要求8所述的设备，所述消除分布图在振幅上与跨预定义频谱的所述噪声能量分布图大体上类似且在相位上与所述噪声能量分布图大体上相反，所述所计算的消除分布图代表由所述可编程电路产生的抗噪声信号的所要频率响应。

11.根据权利要求1所述的设备，其包含在头戴式耳机内。

12.根据权利要求1所述的设备，其包含在听觉放大装置内。

13.一种方法，其包括：

识别声响信号中的非所要噪声分量；

分析所述所识别的非所要噪声分量；

产生噪声能量分布图；

至少部分地基于所述噪声能量分布图中的信息而产生噪声消除分布图；及

将所述噪声消除分布图转译为可编程电路的值。

14.根据权利要求13所述的方法，所述噪声消除分布图代表设备的反馈分量的所要增益，且所述可编程电路包含用于调整所述所要增益的至少一个可编程元件。

15.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：

至少部分地基于所述噪声能量分布图从数据存储装置中的一群组预定义能量分布图中选择预定义能量分布图。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：

从所述数据存储装置中选择预定义消除分布图，所述预定义消除分布图对应于所述所选择的预定义能量分布图。

17.根据权利要求16所述的方法，所述预定义消除分布图代表设备的反馈分量的所要增益，且所述可编程电路包含用于调整所述所要增益的至少一个可编程元件。

18.根据权利要求16所述的方法，所述预定义消除分布图代表包含所述可编程电路的信号路径的所要频率响应。

19.根据权利要求4所述的方法，所述预定义消除分布图代表由所述可编程电路产生的抗噪声信号的所要频率响应。

20.根据权利要求13所述的方法，所述消除分布图产生器包含经配置以计算消除分布图的分布图计算器。

21.根据权利要求20所述的方法，所述所计算的消除分布图代表包含所述可编程电路的信号路径的所要频率响应。

22.根据权利要求20所述的方法，所述消除分布图在振幅上与跨预定义频谱的所述噪声能量分布图大体上类似且在相位上与所述噪声能量分布图大体上相反，所述所计算的消除分布图代表由所述可编程电路产生的抗噪声信号的所要频率响应。

23.根据权利要求13所述的方法，其包含在头戴式耳机内。

24.根据权利要求13所述的方法，其包含在听觉放大装置内。

Images