CN104581477B - 具有象限声音定位的电子听力保护器 - Google Patents

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Abstract

一种电子听力保护器包括耳机总成，所述耳机总成包括提供前扩音器信号的前外部扩音器和提供后扩音器信号的后外部扩音器。处理器接收并数字化所述前扩音器信号和所述后扩音器信号，且提供分别指示所述前扩音器信号及所述后扩音器信号的前通道信号和后通道信号。滤波器接收所述后通道信号，且具有提供高频滚降的截止频率值和小于所述截止频率值的陷波滤波器频率值的陷波，其中所述滤波器提供滤波信号。将指示所述前通道信号的第一信号和指示所述滤波信号的第二信号求和，且将指示所述求和信号的信号提供给耳机内的扬声器，所述扬声器在第一耳机内提供指示所述求和信号的音频信号。

Description

具有象限声音定位的电子听力保护器
技术领域
本发明涉及电子听力保护的领域，且尤其涉及包括象限声音定位的电子听力保护器。
背景技术
人类(和其它动物)使用两只耳朵来定位从左到右和从前到后的声音。成给定角度的声源将较早且通常以较强强度到达较近的耳朵，且将较晚且通常以较弱强度到达较远的耳朵。这些双声道提示被称为耳间时差(ITD)和耳间强度差(IID)。当声源直接位于听者的前方时，强度和到达时间相等。
这种简化(称为“二元学说”)容许定位听者前方的水平面中的声源，但如果来自后方的声音也受到关注，那么会有一些含糊。举例来说，源自直接位于听者前方的点的声音将具有与源自相同距离处的直接位于听者后方的点的声音大体上相同的ITD和IID。事实上，使前方和后方中的声源向左移位30度将导致类似含糊性。换言之，二元学说不足以用于声音的前后定位，且也不足以用于定位高度。对于每个偏轴角，存在类似于具有穿过两只耳朵的轴的锥体的一组点(称为“锥形干扰区”)，其中无法在所述锥体内分辨来自所述椎体上的任何位置的声音。
除由二元学说识别的因素之外的额外因素容许更好地定位声音。归因于围绕及沿头部、躯干和外耳(耳廓)的反射和折射的声音的频谱成形可用来推断与声音的定位有关的信息。举例来说，源自听者后方的声音必须行进穿过及围绕外耳或耳廓的组织，所述组织将充当声音滤波器。这种滤波器将使原声的频谱成形，所述频谱可由头部用作声源定位的提示。通过听者的头部、躯干和耳朵编码成声音的各种频谱提示的特性被称为与头部相关的转移函数(HRTF)，且因人而异。
经由HRTF来模型化空间提示已用于将周围声音内容转化为立体声，使得来自游戏或电影的空间信息被编码在两个通道内。然而，因为HRTF因人而异，所以针对一个听者所测量及编码的给定HRTF始终无法针对不同听者重新产生正确空间感。
当听筒具有直接位于其上(例如安装在听力保护器耳机上)的扩音器时，可简化定位问题，因此，听者可以听到环境，而不是录音或广播。因为听者的头部已经空间上过滤了进来的声音，所以需要HRTF的更少部分，其将需要更少处理。左/右平移仍然可分辨。然而，听筒的使用仍然会更改听者的HRTF，因为当将扩音器放置于听力保护耳机的外部时，正常耳廓过滤被绕过了。
通过降低所需分辨率可进一步简化定位问题。研究已聚焦于分辨紧密间隔角(例如5°到10°)的能力。一些声音定位应用需要更低角分辨率。象限定位试图通过自然的对人脑进行前对后以及左对右的声源定位来解决其困惑，如图1中所见。
凭经验去检测个人的HRTF已经作出了些许努力。由AKG和IRCAM作出的这种努力的结果可在线获得。参见2003年现代音乐声学整合研究学会的“听力HRTF数据库(“ListenHRTF Database”)，网址为http://recherche.ircam.fr/equips/salles/listen/。上一次访问是在2013年10月23日。这个数据库包括约50个测试对象的与头脑相关的脉冲响应(HRIR)。数据分析证实了HRTF特定于每个个体的事实，但它也表明在大部分HRTF之间有一些共同因素。
提供的数据包括每位测试对象在187种方位和高度角组合下的HRIR。前后定位问题仅关注对应于水平面(即，高度角＝0)中和身体同侧(更靠近声源的耳朵)上的声源的HRIR。对于每只耳朵，有13种相等地隔开15°的这种HRIR。假定听者头部固定，让0°代表直接位于头部前方的一点。类似的，90°就代表直接位于头部左方的一点，180°就代表直接位于头部后方的一点。为简单起见，假定头部是对称的，且如同是一只左耳来指所有耳朵。换言之，90°将始终代表了同侧的点；左耳和右耳之间没有区别。
享有相同的ITD和IID的水平面上的任意两点被称为“方位角对”。这样的方位角对出现在公式的角对下，其中是远离耳朵的任意角度。在数据库中可得到6种可能的方位角对：0°-180°、15°-165°、30°-150°、45°-135°、60°-120°和75°-105°。
针对受关注的13种HRIR中的每一种，可使用Welch(威尔奇)方法计算声谱强度的估值。参见威尔奇博士发表的题为“The Use of Fast Fourier Transform for theEstimation of Power Spectra:A Method Based on Time Averaging Over Short,Modified Periodograms”的论文，所述论文在电气和电子工程师协会电声学栏目(IEEETrans.Audio Electroacoustics)第AU-15(1967年6月)卷，第70页到73页。从HRIR的功率谱强度减去试验刺激的声谱示出声谱形成是头部几何学作用的结果。假定补偿试验刺激具有平坦的频率响应，然而刺激信号的增益是未知的。这个信息对于确定哪些频率是通过系统变小或放大而言非常重要。没有参考信号，只可以看到某些频率对其它频率的相对功率。分析表明，参考信号在30分贝时被选择为白色信号，在某种程度上是任意的。
图2A至图2F示出了与听者正前方声源相对应的六个方位角(例如0度、15度、30度、45度、60度和75度)中每一个下，听者耳朵的平均功率谱密度的图。图3示出了六个前向方位角下的功率谱密度的加权平均值。应用的加权曲线强调了角度更靠近0°。图4A至图4F示出了与听者正后方声源相对应的六个方位角(例如180度、165度、150度、135度、120度和105度)中每一个下，听者耳朵的平均功率谱密度的图。图5示出了六个后方位角下的功率谱密度的加权平均值。应用强调角度更靠近180°的加权曲线。
这个研究的目的之一就是水平面的象限定位。二元学说对于确定声源的方位角位置是有益的。鉴于二元学说在双声道信号上的优势，后到前的区分很大程度上依靠单声道信号。通过单只耳朵就可以检测到用来定位声音的声谱信号，且不需要两耳的同步信息。为消除“锥形干扰区”，锥体内两点之间的声谱差就明确地求出来了，在所述点处锥形干扰区横切水平面。编码到这些差值中的信息为象限定位提供了手段。
图6A至图6F示出了六个方位角对中每一个的声谱差。线82至线87代表了全部对象耳朵的平均声谱差。线88、89代表了高于或低于平均关联值的一个标准偏差，且每个图中的个别点代表了逐点最大值和最小值。可以看到，当角度差增加时，差值就非常显著。图7示出了全部对象耳朵和线92上全部方位角对上的平均声谱差，且线94、95分别代表偏高和偏低的一个标准偏差。
存在对一种具有声音定位的改进型电子听力保护器的需要。
发明内容
电子听力保护器包括耳机总成，所述耳机总成包括提供前扩音器信号的前外部扩音器和提供后扩音器信号的后外部扩音器。处理器接收前扩音器信号和后扩音器信号，且提供前通道信号和后通道信号。具有截止频率值的第一滤波器接收后通道信号并提供第一滤波信号。具有陷波频率值的第二滤波器接收第一滤波信号并提供第二滤波信号。求和器接收指示前通道信号的第一信号和指示第二滤波信号的第二信号，并将求和信号提供给换能器，所述换能器在第一耳机内提供指示求和信号的音频信号，其便于电子听力保护器佩戴者定位声音。
第一滤波器可包括第一双二阶滤波器，其被配置并布置成低通滤波器，且第二滤波器可包括第二双二阶滤波器，其被配置并布置成陷波滤波器。
第一双二阶滤波器可具有约12kHz的截止频率，且第二双二阶滤波器可具有位于约4.9kHz的陷波频率。
处理器也可接收第二前扩音器信号和第二后扩音器信号，并提供第二前通道信号和第二后通道信号。低通滤波器接收第二后通道信号并提供第二低通滤波信号。陷波滤波器接收第二低通滤波信号并提供第二陷波滤波信号。第二求和器接收指示第二前通道信号的第三信号和指示第二陷波滤波信号的第四信号，且将第二求和信号提供给第二换能器，所述第二换能器在第二耳机内提供指示第二求和信号的第二音频信号。
电子听力保护器也可包括前通道处理，其包括前通道架滤波器(shelf filter)，所述前通道架滤波器接收第一前通道信号并提供前通道滤波信号。前通道陷波滤波器接收前通道滤波信号并提供第一信号。
前通道架滤波器可包括具有约为1.9kHz的截止频率的双二阶滤波器。前通道陷波滤波器可包括具有约为8.1kHz的陷波的第二双二阶滤波器。
在另一实施方案中，电子听力保护器包括耳机总成，所述耳机总成包括提供前扩音器信号的前外部扩音器和提供后扩音器信号的后外部扩音器。处理器接收且数字化前扩音器信号和后扩音器信号，且提供指示其的前通道信号和后通道信号。滤波器接收且过滤后通道信号，且具有提供高频滚降的截止频率值和呈小于截止频率值的陷波滤波器频率值的陷波，其中滤波器提供滤波信号。将指示前通道信号的第一信号和指示滤波信号的第二信号求和，且将指示所得求和的信号提供给换能器，所述换能器在第一耳机内提供指示求和信号的音频信号。
应理解上文提到的和以下解释的这些特征不但可以呈指示的各自组合，也可以呈其它组合或单独使用。
根据如附图中图示的本发明实施方案的具体实施方式将显而易见本发明的这些和其它目的、特征以及优点。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下实施方案的具体实施方式将更显而易知实施方案的前述和其它特征。在图式中，相似或相同参考数字指相似或相同元件。
图1是图示了听者头部周围的四个象限的图示说明；
图2A至图2F图示了对应于听者前方声源的六个不同方位角的平均功率谱密度的图；
图3图示了图2A至图2F所示的6个前向方位角下的功率谱密度的加权平均值；
图4A至图4F图示了对应于听者后方声源的六个不同方位角的听者耳朵的平均功率谱密度的图；
图5图示了图4A至图4F所示的6个后方位角下的功率谱密度的加权平均值；
图6A至图6F图示了图2A至图2F和图4A至图4F所示的六个方位角对中每一个的声谱差；
图7示出全部对象耳朵和全部方位角对的平均声谱差；
图8A和图8B是具有象限声音定位的电子保护器的透视立体说明图；
图9是与图8A至图8B所示的电子听力保护器的至少一个耳机总成关联的信号处理的方块图；以及
图10图示了可与图8A至图8B所示的电子听力保护器的至少一个耳机总成关联的信号处理的另一实施方案。
具体实施方式
图8A和图8B是电子听力保护器/头戴耳机100的透视立体说明图，其包括第一耳机总成102、第二耳机总成104以及与第一和第二耳机总成102、104互连的头带106。第一耳机总成102包括第一前扩音器总成107和第一后扩音器总成108。第二耳机总成104包括第二前扩音器总成和第二后扩音器总成(未示出)。每个扩音器总成可包括阵列式扩音器，其包括多个全向扩音器。替代地，还可以使用定向扩音器。
图9是与耳机总成102、104(图8A和图8B)中的至少一个相关联的信号处理110的方块图。前扩音器总成在线112上提供前扩音器信号且后扩音器总成在线114上提供后扩音器信号。阵列处理器116处理前和后扩音器信号且在线118上提供前通道信号且在线120上提供后通道信号。一般来说，阵列处理器被配置并布置成延迟和减波束形成器。为在线118上提供前通道信号，在线114上的后扩音器信号被延迟的时间等于前和后扩音器的传播时间(通常是数十微秒)，然后从在线112上的前扩音器信号中减去。所得差值将在线118上提供为前通道信号。为了在线120上提供后通道信号，在线112上的前扩音器信号被延迟的时间等于前和后扩音器的传播时间，且延迟的前扩音器信号从线114上的后扩音器信号中减去。所得差值将在线120上提供为后通道信号。
在这个实施方案中，第一滤波器122在线120上接收后通道信号且在线124上提供第一滤波信号。在一个实施方案中，第一滤波器122可被配置成低通滤波器，其具有截止频率值fc1。第一滤波器122可实施成双二阶滤波器结构。然而，预期在其它数字滤波器实施方案中，可实施第一滤波器，其包括例如1,024抽头FIR滤波器。普通的技术人员将了解第一滤波器的滤波实施将主要基于处理功率和有效存储。此外，不是或除FIR滤波器之外，预期还可使用替代滤波器结构。
在线124上的第一滤波信号输入到第二滤波器126，其在线128上提供第二滤波信号。第二滤波器可被配置成陷波滤波器，其具有陷波滤波值fn1。在一个实施方案中，第二滤波器还可以双二阶方式来实施。然而，根据前面关于第一滤波器提出，第二滤波器126可通过很多不同方法来实施，其基于所需信号处理(包括滤波)和设计者可用的处理功率和有效存储。还可预期第一和第二滤波器的处理可结合到单个滤波器中，其提供类似于图9所示的串联连接的第一和第二滤波器的输出。
在线118上的前通道信号和在线128上的第二滤波信号可通过求和器130求和，且指示求和信号的信号输出到位于耳机内的扬声器132。通过扬声器132的输出提供具有足够信号的增强音频，其为头戴式耳机佩带者提供了声音定位(例如象限声音定位)。
在一个实施方案中，第一滤波器122被配置成低通滤波器，其具有位于约12kHz的截止频率。第二滤波器126被配置成陷波滤波器，其陷波值约为4.9kHz。这个实施方案提供了声谱信号，其允许头戴式耳机佩带者确定前到后的声音定位。第一滤波器H1和第二滤波器H2可以双二阶滤波器实施如下：
在另一实施方案中，耳机102、104(图8A至图8B)中每一个包括前和后扩音器，且头戴式耳机将图9所示的关联信号处理从每个耳机提供给扩音器信号来提供增强的定位。
还预期额外处理可位于求和器130与扬声器132之间。例如，额外处理可包括减噪、动态处理、等量化、混音和/或音量控制等等。
图10图示了信号处理133的另一实施方案，其可与耳机总成102、104(图10)中的至少一个关联。这个实施方案和图9的实施方案大体上相同，但主要除了前通道信号路径134包括处理来增强定位和重新存储一些人类的自然听力。在这个实施方案中，前通道信号路径包括第一前通道滤波器H3136，其接收在118线上的前通道信号并将在线138上的第一前通道滤波信号提供给第二前通道滤波器H4140。在这个实施方案中，求和器142将线128上的信号和从第二前通道滤波器140的输出求和。
在实施方案中，第一前通道滤波器H3136可被配置成高架滤波器且第二前通道滤波器H4140可被配置成陷波滤波器。因为处理功率和存储将溢价，所以第一和第二前通道滤波器136、140以双二阶来实施。当然，滤波器的实施将委托给滤波器设计者，其基于所需系统信号处理和有效处理以及可用于实施滤波器的有效存储。
在一个实施方案中，第一前通道滤波器H3136可以是中心频率fc＝1.9kHz的高架滤波器，且第二滤波器H4140可以是陷波频率fn＝8.1kHz的陷波滤波器，且两者均可以双二阶滤波器实施如下：
为了模拟一个与头部相关的转移函数，滤波器实现对头部和躯干声音效果的模仿。这些滤波器施加到扩音器阵列的输出端，其中波束成形用来产生前向输入和后向输入。由于可用于头戴式耳机应用中的有限计算能力，滤波器可以数字双二次滤波器实施。这提供了计算复杂性和可定制性两者间的平衡。
尽管在时域处理的背景下讨论，但预期滤波还可在频域范围中得到实施。此外，本领域的一般技术员当然会了解可使用较高阶滤波器。不同于图9和图10中图示的串联连接的滤波器，每个通道可使用单一滤波器结构。例如，不同于使用图10所示的串联连接的第一和第二滤波器122、126，具有约4.9kHz的陷波和约12kHz的高频滚降的单一滤波器也可使用。单一滤波器可以时域或频域运转，且可被配置成如FIR或IIR滤波器。陷波可具有约2.0的品质因数Q。
图9和图10的信号处理110和133可分别通过微处理器和存储在微处理器中执行的可执行程序的互补存储器来实施。一般技术员将了解信号处理可通过ASIC或门阵列来实施，而不是微处理器或DSP。存储器可包括主存储器、静态存储器或动态存储器。存储器可包括但不仅限于计算机可读存储介质，如各种类型的易失性存储介质和非易失性存储介质，包括但不限于随机存取存储器、只读存储器、可编程只读存储器、电子可编程只读存储器、电子可擦只读存储器、闪存、磁带或磁盘、光学媒体等等。在一个实例中，存储器包括用于处理器的高速缓存或随机存取存储器。在替代的实例中，存储器和处理器分离，例如处理器的高速缓存、系统存储器或其它存储器。存储器可包括或是用于存储数据的外部存储设备或数据库。存储器可被操作来存储由处理器执行的指令。图中所示的或描述的功能、动作或任务可通过编程处理器执行存储在存储器中的指令来实施。功能、动作或任务独立于特定类型的指令集、存储介质、处理器或处理策略且可通过软件、硬件、集成电路、固件、微码等等来实施，可单独操作或组合操作。同样地，处理策略可包括多重处理、多任务处理、并行处理等等。虽然滤波的优选实施方案是数字化，但预期还可使用模拟滤波。
电子听力保护器100(图8A和图8B)可应用到诸如射击场、打猎、建设、重型设备操作和制造。关于例如射击场的应用，电子听力保护器头戴式耳机保护佩戴者使其听不见脉冲声，如枪声，并允许佩戴者听到和定位靶场的低强度声音，例如来自靶场指挥员的指令。此外，为提供声音定位，针对图9和图10所示的信号处理可预期电子听力保护器还可包括额外信号处理来减弱脉冲声。此外，每个耳机可包括被动脉冲噪声衰减部件来进一步保护佩戴者使其免受脉冲噪声的损害。还预期每个耳机可包括独立的音量控制，使佩戴者可独立地调整每个耳机中的扬声器音量。
虽然已结合本发明的若干优选实施方案来说明和描述本发明，但在不脱离本发明的精神和范围下，可在其中对其形式和细节做出各种修改、省略和添加。

Claims (13)

1.一种电子听力保护器，其包括：
耳机总成，其包括提供第一前扩音器信号的第一前外部扩音器和提供第一后扩音器信号的第一后外部扩音器；
处理器，其接收所述第一前扩音器信号和所述第一后扩音器信号，且通过将所述第一后扩音器信号延迟等于第一前外部扩音器和第一后外部扩音器之间的传播时间的时间并且从所述第一前扩音器信号中减去延迟后的第一后扩音器信号来提供第一前通道信号，和通过将所述第一前扩音器信号延迟等于第一前外部扩音器和第一后外部扩音器之间的传播时间的时间并且从所述第一后扩音器信号中减去延迟后的第一前扩音器信号来提供第一后通道信号；
第一滤波器，其接收所述第一后通道信号，具有截止频率值，且提供第一滤波信号；
第二滤波器，其接收所述第一滤波信号，具有陷波滤波器值，且提供第二滤波信号；和
求和器，其接收所述第一前通道信号和所述第二滤波信号且将求和信号提供给换能器，所述换能器在所述耳机总成内提供基于所述求和信号的音频信号。
2.根据权利要求1所述的电子听力保护器，其中所述第一滤波器包括被配置成低通滤波器的第一双二阶滤波器。
3.根据权利要求2所述的电子听力保护器，其中所述第二滤波器包括被配置成陷波滤波器的第二双二阶滤波器。
4.一种电子听力保护器，其包括：
第一耳机总成，其包括提供第一前扩音器信号的第一前外部扩音器和提供第一后扩音器信号的第一后外部扩音器；
处理器，其接收所述第一前扩音器信号和所述第一后扩音器信号，且通过将所述第一后扩音器信号延迟等于第一前外部扩音器和第一后外部扩音器之间的传播时间的时间并且从所述第一前扩音器信号中减去延迟后的第一后扩音器信号来提供第一前通道信号，和通过将所述第一前扩音器信号延迟等于第一前外部扩音器和第一后外部扩音器之间的传播时间的时间并且从所述第一后扩音器信号中减去延迟后的第一前扩音器信号来提供第二后通道信号；
第一滤波器，其接收所述第一后通道信号且提供低通滤波信号；
第二滤波器，其接收所述低通滤波信号且提供陷波滤波信号；
前通道架滤波器，其接收所述第一前通道信号且提供前通道滤波信号；
前通道陷波滤波器，其接收所述前通道滤波信号且提供第一信号；和
求和器，其接收所述第一信号和所述陷波滤波信号且将求和信号提供给换能器，所述换能器在所述耳机总成内提供基于所述求和信号的音频信号。
5.根据权利要求4所述的电子听力保护器，其中所述第一滤波器包括具有约12kHz的截止频率的第一双二阶滤波器。
6.根据权利要求5所述的电子听力保护器，其中所述第二滤波器包括具有约4.9kHz的陷波频率的第二双二阶滤波器。
7.根据权利要求4所述的电子听力保护器，其中所述前通道架滤波器包括具有约1.9kHz的截止频率的双二阶滤波器。
8.根据权利要求7所述的电子听力保护器，其中所述陷波滤波器包括具有约8.1kHz的陷波的第二双二阶滤波器。
9.一种电子听力保护器，其包括：
耳机总成，其包括提供第一前扩音器信号的第一前外部扩音器和提供第一后扩音器信号的第一后外部扩音器；
处理器，其接收并数字化所述第一前扩音器信号和所述第一后扩音器信号，且通过将所述第一后扩音器信号延迟等于第一前外部扩音器和第一后外部扩音器之间的传播时间的时间并且从所述第一前扩音器信号中减去延迟后的第一后扩音器信号来提供第一前通道信号，和通过将所述第一前扩音器信号延迟等于第一前外部扩音器和第一后外部扩音器之间的传播时间的时间并且从所述第一后扩音器信号中减去延迟后的第一前扩音器信号来提供第一后通道信号；
滤波器，其接收所述第一后通道信号且具有截止频率值和小于所述截止频率值的陷波滤波器频率值，其中所述滤波器提供滤波信号；和
求和器，其接收基于所述第一前通道信号的第一信号和所述滤波信号且将求和信号提供给换能器，所述换能器在所述耳机总成内提供基于所述求和信号的音频信号。
10.根据权利要求9所述的电子听力保护器，其还包括：
前通道架滤波器，其接收所述第一前通道信号且提供前通道滤波信号；和
前通道陷波滤波器，其接收所述前通道滤波信号且提供所述第一信号。
11.根据权利要求10所述的电子听力保护器，其中所述截止频率值约为12kHz，且所述陷波滤波器频率值约为4.9kHz。
12.根据权利要求11所述的电子听力保护器，其中所述前通道架滤波器具有约1.9kHz的截止频率值，并且所述前通道陷波滤波器具有陷波滤波器频率值约为8.1kHz。
13.根据权利要求9所述的电子听力保护器，其中所述第一信号包括所述第一前通道信号。
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