CN103141119A - 用于噪声抑制和噪声测量的单传声器 - Google Patents
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Abstract
一种传声器包括：传感元件，具有两个相对侧；以及外壳，包括：第一声端口，具有由位于第一外壳侧上的第一孔径部分地限定的面向外部的部分以及由该外壳内的第一腔体部分地限定的面向内部的部分，该第一腔体耦合到该元件的第一侧；以及第二声端口，其具有由位于第一外壳侧上的第二孔径部分地限定的面向外部的部分以及由该外壳内的第二腔体部分地限定的面向内部的部分，该第二腔体耦合到该元件的第二侧。所述端口间隔开一段距离，使得该元件对50dB-A加权声压级处的环境声噪声的电气响应的电平超过该元件的内部电气噪声电平。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年3月30日递交的第13/075,732号美国申请的权益，该申请要求于2010年9月28日递交的第61/387,289号美国临时申请和于2010年10月15日递交的第61/393,558号美国临时申请的权益，其内容通过引用的方式整体并入于此。
本申请涉及与本申请同时递交的、标题为“Dynamic GainAdjustment based on Signal to Ambient Noise Level”的第13/075,536号美国专利申请(代理人案卷编号30073-006001/N-10-032-US2)、标题为“Fine/Coarse Gain Adjustment”的第13/075,583号美国专利申请(代理人案卷编号30073-007001/N-10-038-US2)以及标题为“NoiseLevel Estimator”的第13/075,635号美国专利申请(代理人案卷编号30073-009001/N-10-036-US2)。这些申请的内容通过引用的方式整体并入于此。
背景技术
支持BluetoothTM的电子设备通过被称为个人局域网(PAN)的短程、自组织网络来进行无线连接和通信。
发明内容
通常，在一个方面，本发明特有一种传声器，其包括：传声器传感元件，其具有两个相对侧；以及外壳。该外壳包括：第一声端口，其具有由位于外壳的第一侧上的第一孔径部分地限定的面向外部的部分以及由该外壳内的第一腔体部分地限定的面向内部的部分，该第一腔体耦合到该传声器传感元件的第一侧；第二声端口，其具有由位于该外壳的第一侧上的第二孔径部分地限定的面向外部的部分以及由该外壳内的第二腔体部分地限定的面向内部的部分，第二腔体耦合到该传声器传感元件的第二侧，其中第一声端口和第二声端口间隔开一段距离使得该传声器传感元件对50dB-A加权声压级处的环境声噪声的电气响应的电平超过该传声器传感元件的内部电气噪声电平。
本发明的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
传声器传感元件的噪声抑制，如通过该传声器传感元件对近语音信号的灵敏度与该传声器传感元件对环境声噪声信号的灵敏度的相对偏差所限定的，可以处于在第一声端口和第二声端口的相应最佳间距处的最大噪声抑制的2dB内。第一声端口和第二声端口可以具有在6mm至7mm的范围内的间距。
通常，在另一个方面，本发明特有一种无线通信设备，其包括双端口速率式传声器，其具有传声器传感元件，该传声器传感元件具有两个相对侧；以及外壳。该外壳包括：第一声端口，其具有由位于外壳的第一侧上的第一孔径部分地限定的面向外部的部分以及由该外壳内的第一腔体部分地限定的面向内部的部分，第一腔体耦合到该传声器传感元件的第一侧；第二声端口，其具有由位于该外壳的第一侧上的第二孔径部分地限定的面向外部的部分以及由该外壳内的第二腔体部分地限定的面向内部的部分，第二腔体耦合到该传声器传感元件的第二侧，其中第一声端口和第二声端口间隔开一段距离使得该传声器传感元件对50dB-A加权声压级处的环境声噪声的电气响应的电平超过该传声器传感元件的内部电气噪声电平。
本发明的实施方式可以包括以下特点中的一个或多个。
该设备还可以包括噪声突发电路，其耦合到该传声器；以及环境噪声估计电路，其可操作以忽略在估计环境噪声电平中被识别为噪声突发的时间间隔期间来自该传声器的信号。该设备还可以包括动态噪声补偿电路，其耦合到该噪声突发电路，该动态噪声补偿电路可操作以至少部分地基于该噪声突发电路的输出产生增益调节信号。该增益调节信号可以包括增益粗调分量以及增益细调分量。该设备还可以包括电子模块，以无线接收携带远端语音的音频信号以及无线发射携带近端语音的音频信号。该设备还可以包括音频模块，该音频模块包括声驱动器以将音频信号转换成声能。该设备可以包括入耳式部件，该入耳式部件具有尺寸被设计为并且被布置为装入用户的耳道的出口部分；以及通道，用于将声能从音频模块传导至该出口部分的开口。该设备还可以包括多孔构件，该多孔构件布置在该传声器之上以减小风噪声。多孔构件可以布置在距离该传声器至少1mm处。
根据以下描述并且根据权利要求，容易理解本发明的其他特点和优点。
附图说明
图1和图2示出了入耳式头戴式耳机的若干视图。
图3A、图3B和图3C示出了具有多个声端口的传声器的若干视图。
图4示出了传声器产生的电信号电平作为对于从50dB(A)至70dB(A)的噪声电平范围的环境噪声电平的函数的图。
图5示出了入耳式头戴式耳机的一种实施方式的逻辑框图。
图6示出了增益曲线。
图7示出了入耳式头戴式耳机的另一种实施方式的框图。
具体实施方式
本文件描述支持蓝牙的头戴式耳机的实施方式，其具有封装在双端口物理结构中的单传声器。该头戴式耳机提供优等的近端语音通信质量(即，听到远端通信伙伴所说何事的能力)以及远端语音通信质量(即，被远端通信伙伴听到的能力)。
图1示出了入耳式头戴式耳机10的若干视图。头戴式耳机10包括主体12(见视图F)、声驱动器模块14，其可以机械耦合到电子模块16。主体12可以具有出口部分15，该出口部分15正好放入耳道。下面将确认其他附图标记。该头戴式耳机可以是无线的，即，可以没有将耳机机械地或电子地耦合到任何其他设备的电线或电缆。头戴式耳机10的一些元件在一些视图中可能未示出。
在一个实施方式中，如图2所示，电子模块16封装在具有平面壁的基本上为盒形的外壳中。电子模块16包括在电子模块16的一端18处的具有两个声端口的单传声器。电子模块16还包括用于(例如使用BluetoothTM协议)无线接收和发射信号的电子电路(图2中未示出)；用于向声驱动器模块14发射音频信号并且用于控制该声驱动器模块14的操作的电子电路(图2中未示出)；以及其他电路。
另外参照图3a、图3b和图3c，传声器20具有两个声端口22、24(即，耦合到膜或其他形式的传声器传感元件的相应不同侧的每个端口)，借此使其一般地对其端口间的声压差响应，以在一般称为“压力梯度”或“速率”模式下作用。传声器20具有如下物理结构，该物理结构提供环境声噪声信号的方向性和抑制使得当抑制环境噪声的时候优先对用户的语音敏感。
在一种实施方式中，两个声端口22，24之间的中心至中心间距约为6.5mm，在传声器的主体中的凹槽中形成端口。该传声器间距影响：与对于环境噪声(可以被认为是从远离该传声器的所有方向辐射)的增益相比，对于声源附近信号(尤其是用户语音)的传声器的相对增益。在某些假设下(例如，将近源建模为辐射球面波)，为了提供与环境信号相比对于近信号的最大相对增益，该传声器端口的间距应该尽可能小。然而，随着间距减小，近信号和环境信号两者的绝对增益均下降。在本实施例中，选择6.5mm间距以当维持足够的对环境噪声的响应(例如，在本底噪声之上的响应)以控制传声器的噪声补偿特点的时候尽可能地接近。
该传声器具有直径在3mm至10mm的范围内的中央双向(即，一个端口向每一侧提供声路)元件。在一些实施例中，该传声器元件的尺寸限制该传声器的最小厚度或其他尺寸，因此更小直径的元件可能是优选的。要注意的是一般而言，具有更小直径的元件的传声器可能具有导致大量噪声处于低声级的噪声特性(例如，信噪比在57db至62db的范围内)。因此，通常，随着直径减小，其灵敏度降低，从而该传声器感测或鉴别低环境噪声电平处的变化的能力减弱。使用小直径元件的一种替代方案为使用较大直径的或被放大的传声器，然而，这样的替代方案可能需要不可接受地增大传声器总体尺寸。
单传声器20向入站(inbound)音频信号路径(包括噪声补偿电路，其使用该信号来估计噪声电平)和出站(outbound)音频信号路径(用于所发射的语音信号)两者都提供信号输入。通常，该信号补偿电路控制入站音频信号路径中的增益，用于向头戴式耳机用户的耳朵提供所接收的语音信号，其具有至少部分响应于所估计的噪声电平的增益。
传声器20的结构在环境噪声抑制与环境噪声灵敏度之间提供一种平衡，借此使得单传声器20既适合于提供用于出站音频路径的音频信号又适合于估计环境噪声电平。在一些实施方式中，动态噪声补偿电路优选地响应低达50dB(A)SPL的环境噪声电平。传声器20生成其电平超过由低电平声输入所产生的电信号的电噪声电平。因此，为了向动态噪声补偿电路提供适合的输入，传声器20的结构得以优选地选择，使得来自50dB(A)环境声噪声(例如，中心在125Hz的一倍频程噪声频带)的电信号电平超过传声器20的电噪声电平。
参照图4，由传声器生成的电信号电平作为环境噪声电平的函数，在从50dB(A)至70dB(A)的噪声电平范围上得以示出。上部曲线代表6.5mm的端口间距并且示出了随着噪声电平下降至50dB(A)具有小于1dB的偏差的相对线性的关系。下部曲线表示约为2.5mm的较为不利的端口间距，该端口间距提供环境声噪声的方向性和抑制但是显著偏离该传声器的输入噪声电平与输出信号电平之间的线性关系，其在60dB(A)噪声处偏离超过1dB，并且在54dB(A)噪声电平以下对于噪声电平的差(例如，0.5dB/1dB输出电平/输入电平)相对不敏感。因此，将该传声器被构造为提供上部曲线，从而向噪声补偿电路提供适合的输入。注意，提供相对于对空间漫射噪声的灵敏度而言对语音信号(其源相对靠近并且指向该传声器)的最大相对灵敏度的技术问题可以通过2.5mm间距而不是6.5mm间距得以更好地实现。然而，在提供对环境噪声的近似线性响应的同时提供相对于环境噪声的对语音的近似最优的相对灵敏度的技术问题通过选择6.5mm间距得以最好地匹配。使用单个双端口传声器还提供胜过使用两个分开的压敏传声器(其信号可以电气结合以提供出站信号)的技术优势，包括更小，而且可以比使用两个分开的传声器更便宜。
多孔膜(未示出)，诸如电阻屏或布，可以安装在端口22、24上以通过在风湍流冲击传声器20之前将来自这样的风湍流的能量发散来帮助减小风噪声。在一些实施方式中，多孔膜安装在距端口22、24至少1mm的距离处。因为语音信号的质点速度通常小于微风的质点速度，所以该多孔膜不会负面地影响传声器20的语音场灵敏度。
通常，该传声器的用户可以处于具有高的和/或变化的环境噪声电平的环境中，并且入站语音的电平可以变化。因此，可能有时(如通过传声器所放入的耳朵以及在相对的耳朵中所听到的)环境噪声干扰入站语音的可懂度(或其他所期望的品质)。在未使用自动噪声补偿技术的情况下，虽然用户可以能够当入站语音变得更弱或者当环境噪声增加时调节(即增大)音量，但是当该电平再次改变时，用户将不得不重新调节音量，否则会忍受耳中的音量增大，这可能是不愉快的和/或不舒适的。
如上面所介绍的，该传声器提供音频信号用于出站音频路径以及用来估计环境噪声电平。通常，该头戴式耳机实施动态噪声补偿(DNC)方法，其中入站信号路径上的增益以响应如该传声器所感测的估计环境噪声电平的方式得以控制。在如下面描述的一些实施方式中，此增益对相对于估计噪声电平的、在入站信号路径中的估计语音信号电平的相对电平进行响应，例如，具有考虑根据该传声器的灵敏度和声驱动器呈现给用户的声压电平和/或考虑由于该传声器的耳机所导致的耳中环境噪声的任何衰减的相对电平。在一些实施方式中，在入站信号路径上，还至少逻辑上提供用户可选增益，其中在对环境噪声电平应用用户选择的增益之后，DNC控制增益对相对语音信号电平进行响应。
图5示出了头戴式耳机10的一种实施方式的逻辑框图。入站音频信号SR，其携带远端谈话者的语音(以及非语音和/或远端噪声或相对于这种噪声相对弱的语音的时段)，在无线通信链路(例如，至所配对的移动电话的BluetoothTM链路)上被接收。头戴式耳机10包括增益调节控制，其允许用户选择增益设置。在一些实施方式中，增益调节控制使得能够向上/向下控制增益，例如，允许以正3dB或负3dB的增量改变。通过头戴式耳机10的增益调节电路502来将用户选择的增益GUSER应用于入站音频信号SR，以产生用户增益调节的入站音频信号SUGA。由语音电平估计器电路504进一步处理用户增益调节的入站音频信号SUGA以产生语音电平估计SE(以dB为单位)。
该传声器提供用于出站信号路径以及输入音频信号NR两者的信号，该信号携带经由传声器20接收的本地噪声。例如，此音频信号可以包括不包括用户语音而包括接收自远处的噪声的时段。此外，该音频信号可以包括其中用户语音相对于噪声相对弱的时段，例如，当阵风引起高电平的噪声突发时。如下面进一步描述的，此输入信号由噪声电平估计器电路506处理以计算A加权噪声电平估计NE(以dB为单位)。在下面的讨论中，语音电平估计与噪声电平估计的比(即，入站语音电平与环境噪声比)被认为是信噪比SNR＝SE-NE(以dB为单位)，其表示：相对于经由环境(即，直接地到达没有声驱动器的耳朵，以及经由通过用户的一只耳朵中的声驱动器的物理结构限制的声路)抵达用户双耳的环境噪声电平，经由到另一只耳朵的声驱动器呈现给用户的耳朵的语音信号的相对电平。在一些示例中，匹配该信号电平，使得SNR＝0对应具有与呈现给用户耳朵的语音信号相同的电平的抵达用户耳朵的环境噪声。在一些示例中，SNR未考虑通过用户耳朵中的物理结构的环境噪声的衰减，因此耳朵中的相等声级对应于SNR＜0。
参照图5中所示的逻辑信号流程图可以理解用户选择的增益和DNC控制的增益的应用。在应用用户选择的增益GUSER之前，信噪比为SNR(1)。在用户选择的增益GUSER应用于入站音频信号SR之后，信噪比为SNR(2)＝SNR(1)+GUSER。通常，用户被期望设置用户选择的增益以使呈现到他们耳朵的声信号是“舒适的”。然而，如果入站语音电平或环境噪声电平变化，尽管具有用户选择的增益，结果SNR可能有时导致难以听到或理解入站语音或者入站语音太响。增大用户选择的增益有时可能导致呈现给用户耳朵的信号是不舒适的。DNC方法所解决的技术问题是适配入站信号的总增益以在高环境噪声和/或低入站语音电平的时段期间在维持可懂度的同时获得对于用户而言舒适的电平。通常，如下面所描述的，一种方法是除了用户选择的增益之外应用另一个增益，该增益根据估计的SNR而变化，例如，在高SNR时段期间提供很小的增益或者不提供增益，而随着环境噪声电平上升和/或入站语音电平下降提供逐渐增加的增益以维持至少最小的SNR。
信噪比估计SNR(2)基于语音电平估计SE和A加权噪声电平估计NE计算得出。语音电平估计是在正如由语音活动检测器所确定的语音的时段期间经平滑和平均处理的信号电平。因此，其中入站信号没有检测到的语音信号的时间间隔对语音电平估计没有贡献。在一些示例中，该平均处理的时间常数约为2秒。
噪声电平估计NE基于传声器信号的时间间隔，该传声器信号既不包括正如由第二语音活动检测器所确定的语音，也不包括正如可能由风所引起的突发噪声。剩余的时间间隔用于周期性地计算信号电平，例如，每8ms(“噪声分析帧”)。噪声电平估计通过以6dB/s的向上压摆率和9dB/s的向下压摆率的限制跟踪计算得出的信号电平来形成。由此方法解决的一个技术问题是该传声器可能对室外环境中的风敏感，其造成对环境噪声电平的过高估计，从而导致增益升高至高于所期望的或舒适的电平。例如，由风所引起的噪声电平可以比由DNC增益调节所解决的噪声电平高出多达20dB。
噪声突发检测器基于阈值以及时间常数。将未被语音活动检测器宣告为语音的输入信号间隔与噪声突发阈值进行比较。噪声突发间隔当电平超过阈值时开始，并且继续，直到输入电平处于阈值之下持续连续数个持续时间等于时间常数的非语音噪声分析帧。
由目标增益计算电路508将信噪电平估计SNR(2)应用于增益曲线(图6中示出了其一个示例)以确定目标增益调节GTGT。在所描绘的图5的示例中，由增益调节电路502将目标增益调节GTGT结合用户选择的增益(即，通过将增益值分贝相加)应用于入站音频信号SR，以产生系统增益调节的音频信号SSGA，其继而被输出到该头戴式耳机用户的耳朵。在应用两个增益值后，结果信噪电平本质上是SNR(3)＝SNR(2)+GTGT。一般而言，结果SNR(3)在低信噪电平(例如，直至约SNR(2)＝-12dB)处保持在最小电平(例如-2dB)之上，并且进行相对平滑的转换使得在高信噪电平处，SNR(3)接近SNR(2)。
在所描绘的图6的示例中，对于需要很小的增益调节的高SNR的情况，增益曲线具有远小于1dB/dB的斜率；对于适中的至差的SNR的情况(例如，在-12dB与12dB之间)，增益曲线具有在-0.2dB/dB与-1dB/dB之间的斜率；当SNR很差(例如，小于-12dB)时，增益曲线具有-1dB/dB或更大的斜率。图6中描绘的增益曲线的形状提供输出舒适的收听电平的音量调节，并且实质上模仿了传统头戴式耳机用户根据远端谈话者的语音电平和/或环境噪声电平中的变化来调节头戴式耳机的手动音量控制的方式。
如上面所介绍的，一些集成的支持BluetoothTM的设备中的音量控制框架可以支持每步长3dB的最小音量变化增量。如果图5的增益调节电路502使用这样的音量控制框架来实施，增大该音量控制框架以提供比由音量控制所提供的增量小的增益变化增量可能是期望的。以这种方式，可以减少可听见的增益调节的人为痕迹，从而可以实现头戴式耳机用户优越的(即便不是最佳的)体验。
图7示出了头戴式耳机10的一个实施方式的框图。表示远端谈话者语音的入站音频信号SR通过无线通信链路(例如，至所配对的移动电话的BluetoothTM链路)被接收。通过头戴式耳机10的增益粗调电路712将用户选择的增益GUSER应用到入站音频信号SR以产生用户增益调节的入站音频信号SUGA。语音电平估计SE、A加权噪声电平估计NE以及目标增益调节GTGT以类似于图5中所描述的方式产生。目标增益调节GTGT被增强的增益调节电路710的信号分解电路712分解为增益粗调分量GTGTCoarse以及增益细调分量GTGTFine。增益粗调分量GTGTCoarse和增益细调分量GTGTFine在其应用到入站音频信号SR中是同步的。增益粗调分量GTGTCoarse与用户选择的增益GUSER一起应用到入站音频信号SR，以产生系统增益粗调信号SSGACoarse。增益细调分量GTGTFine应用到增益粗调的音频信号SR，以产生系统增益调节的音频信号SSGA，其继而被输出到头戴式耳机用户的耳朵。在一些实施方式中，入站信号具有数字表示直至应用增益细调为止。在一些实施方式中，增益细调通过修改应用到数字模拟转换器(DAC)的参考信号来实现，该数字模拟转换器将增益粗调的音频信号的数字表示转换为系统增益调节的音频信号的模拟表示。
可以通过分解为增益粗调所讨论的技术优势在于使用已有的数字电路用于实现增益粗调可以(例如，通过限制可以应用的增益范围)简化或改善增益细调电路的特性(例如，噪声)。例如，实施用于入站音频路径的增益粗调，以及还可以包括一些或所有无线电接口和/或出站音频路径的商业上可获得的电路可以与来自基于所感测的环境噪声电平的增益细调的电路结合在传声器封装中。
需要理解的是，前述说明书旨在举例说明而非限制本发明的范围，由所附权利要求的范围限定本发明的范围。其他实施例在以下权利要求书的范围内。
Claims (12)
1.一种传声器，包括：
传声器传感元件，具有两个相对侧；以及
外壳，包括：
第一声端口，具有由位于所述外壳的第一侧上的第一孔径部分地限定的面向外部的部分以及由所述外壳内的第一腔体部分地限定的面向内部的部分，所述第一腔体耦合到所述传声器传感元件的第一侧；
第二声端口，具有由位于所述外壳的所述第一侧上的第二孔径部分地限定的面向外部的部分以及由所述外壳内的第二腔体部分地限定的面向内部的部分，所述第二腔体耦合到所述传声器传感元件的第二侧；
其中所述第一声端口和所述第二声端口间隔开一段距离，使得所述传声器传感元件对50dB-A加权声压级处的环境声噪声的电气响应的电平超过所述传声器传感元件的内部电气噪声电平。
2.根据权利要求1所述的传声器，其中所述传声器传感元件的噪声抑制，如通过所述传声器传感元件对近语音信号的灵敏度与所述传声器传感元件对环境声噪声信号的灵敏度的相对偏差所限定的，处于在所述第一声端口和所述第二声端口的相应最佳间距处的最大噪声抑制的2dB内。
3.根据权利要求1所述的传声器，其中所述第一声端口和第二声端口具有在6mm至7mm的范围内的间距。
4.一种无线通信设备，包括：
双端口速率式传声器，包括：
传声器传感元件，具有两个相对侧；以及
外壳，包括：
第一声端口，具有由位于所述外壳的第一侧上的第一孔径部分地限定的面向外部的部分以及由所述外壳内的第一腔体部分地限定的面向内部的部分，所述第一腔体耦合到所述传声器传感元件的第一侧；
第二声端口，具有由位于所述外壳的所述第一侧上的第二孔径部分地限定的面向外部的部分以及由所述外壳内的第二腔体部分地限定的面向内部的部分，所述第二腔体耦合到所述传声器传感元件的第二侧；
其中所述第一声端口和所述第二声端口间隔开一段距离，使得所述传声器传感元件对50dB-A加权声压级处的环境声噪声的电气响应的电平超过所述传声器传感元件的内部电气噪声电平。
5.根据权利要求4所述的设备，还包括：
噪声突发电路，耦合到所述传声器；以及
环境噪声估计电路，可操作以忽略在估计环境噪声电平中被识别为噪声突发的时间间隔期间来自所述传声器的信号。
6.根据权利要求5所述的设备，还包括：
动态噪声补偿电路，耦合到所述噪声突发电路，所述动态噪声补偿电路可操作以至少部分基于所述噪声突发电路的输出产生增益调节信号。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述增益调节信号包括增益粗调分量以及增益细调分量。
8.根据权利要求4所述的设备，还包括：
电子模块，用于无线接收携带远端语音的音频信号以及无线发射携带近端语音的音频信号。
9.根据权利要求4所述的设备，还包括：
音频模块，包括声驱动器以将音频信号转换成声能。
10.根据权利要求4所述的设备，其中所述设备包括入耳式部件，所述入耳式部件包括：
出口部分，尺寸被设计为并且被布置为装入用户的耳道；以及
通道，用于将声能从音频模块传导至所述出口部分的开口。
11.根据权利要求4所述的设备，还包括：
多孔构件，布置在所述传声器之上以减小风噪声。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述多孔构件布置在距离所述传声器至少1mm处。
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