CN104871557A - 在anr耳机中同时提供音频和环境声音 - Google Patents

Abstract

在主动噪声降低耳机中，信号处理器应用滤波器并且控制前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的增益。该信号处理器被配置为在提供环境声音的有效消除的第一操作模式期间向前馈信号路径应用第一前馈滤波器并且向反馈信号路径应用第一反馈滤波器，并且在提供具有环境自然度的环境声音的主动透听的第二操作模式期间向前馈信号路径应用第二前馈滤波器。

Description

在ANR耳机中同时提供音频和环境声音

背景技术

本公开涉及在主动噪声降低(ANR)耳机中提供自然的透听(hear-through)，与ANR耳机中的透听同时再现音频信号，并且排除ANR耳机中的闭塞效应(occlusion effect)。

噪声降低耳机被用来阻止环境噪声到达用户的耳朵。噪声降低耳机可以是主动的，即ANR耳机，在其中电子电路被用来生成与环境噪声相消干涉从而消除它的抗噪声信号，或者噪声降低耳机可以是被动的，在其中耳机物理地阻塞及减弱环境声音。大多数主动耳机还提供被动噪声降低措施。用于通信或者用于收听娱乐音频的耳机可以包括主动和被动噪声降低能力中的一者或两者。ANR耳机可以针对音频(其包括通信和娱乐两者)和消除使用相同的扬声器，或者可以针对每个具有单独的扬声器。

一些耳机提供了通常称为“透讲(talk-through)”或“监听(monitoring)”的特征，在其中外部麦克风被用来检测用户可能想听见的外部声音。那些声音被耳机内部的扬声器再现。在具有透讲功能的ANR耳机中，用于透讲的扬声器可以是与用于噪声消除的相同的扬声器，或者可以是附加的扬声器。外部麦克风还可以被用于前馈主动噪声消除，用于通信的目的拾取用户自己的嗓音，或者外部麦克风可以专用于提供透讲。典型的透讲系统仅向外部信号应用最小信号处理，并且我们将这些称为“直接透讲”系统。有时直接透讲系统使用带通滤波器以限制外部声音至嗓音带或感兴趣的一些其它带。直接透讲特征可以是手动触发的或者可以被诸如嗓音或警报之类的感兴趣的声音的检测触发。

一些ANR耳机包括临时地减弱噪声消除使得用户可以听见环境的特征，但它们并不同时提供透讲，反而，它们依赖于被动地穿过耳机的足够声音以使得环境可听见。我们将该特征称为被动监听。

发明内容

通常，在一些方面，主动噪声降低耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，声耦合至外部环境并且电耦合至前馈主动噪声消除信号路径的前馈麦克风，被声耦合至声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，经由耳杯以内的体积被声耦合至声体积并且被电耦合至前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的增益的信号处理器。该信号处理器被配置为在提供环境声音的有效消除的第一操作模式向前馈信号路径应用第一前馈滤波器并且向反馈信号路径应用第一反馈滤波器，并且在提供具有环境自然度的环境声音的主动透听的第二操作模式向前馈信号路径应用第二前馈滤波器。

各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。前馈滤波器可以致使耳机具有在佩戴者的耳朵处的可以是平滑及分段线性的总系统响应。在第一操作模式与第二操作模式之间的语音噪声的总噪声降低之差可以至少为12dBA。第二前馈滤波器可以具有被选择为致使公式与预定目标值大致相等的值K_ht。信号处理器可以进一步被配置为在第二操作模式期间向反馈信号路径应用与第一反馈滤波器不同的第二反馈滤波器。反馈信号路径和耳杯的结合可以在100Hz与10kHz之间的所有频率处以最少8dB减小到达耳道的入口的环境噪声。反馈信号路径可以在高于500Hz延伸的频率范围是操作的。第二前馈滤波器可以致使总系统响应在延伸到高于3kHz的频率的区域中是平滑的及分段线性的。第二前馈滤波器可以致使总系统响应在延伸到低于300Hz的频率的区域中是平滑的及分段线性的。反馈信号路径可以在数字信号处理器中被实施并且可以具有小于250μs的时延。第二前馈滤波器定义在特征化前馈信号路径的传递函数中的非最小相位零点。

信号处理器可以进一步被配置为在提供具有与可以在第二操作模式中提供的总响应不同的总响应的环境噪声的主动透听期间向所述前馈信号路径应用第三前馈滤波器。可以提供用户输入，使得信号处理器被配置为基于所述用户输入在第一、第二或第三前馈滤波器之间进行选择。用户输入可以包括音量控制。信号处理器可以被配置为在第二和第三前馈滤波器之间自动进行选择。信号处理器可以被配置为基于环境噪声的水平的时间平均测量在第二和第三前馈滤波器之间进行选择。信号处理器可以被配置为当接收到用于激活透听模式的用户输入调用时在第二和第三前馈滤波器之间做出选择。信号处理器可以被配置为周期性地在第二和第三前馈滤波器之间做出选择。

信号处理器可以是第一信号处理器并且前馈信号路径可以是第一前馈信号路径，使得耳机包括被配置为耦合至佩戴者的第二耳朵以定义包括佩戴者的第二耳道以内的空气的体积以及第二耳杯以内的体积的第二声体积的第二耳杯，声耦合至外部环境并且电耦合至第二前馈主动噪声消除信号路径的第二前馈麦克风，被声耦合至第二声体积并且被电耦合至第二反馈主动噪声消除信号路径的第二反馈麦克风，经由第二耳杯以内的体积被声耦合至第二声体积并且被电耦合至第二前馈和第二反馈主动噪声消除信号路径两者的第二输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制第二前馈和第二反馈主动噪声消除信号路径两者的增益的第二信号处理器。该第二信号处理器可以被配置为在第一信号处理器的第一操作模式期间向第二前馈信号路径应用第三前馈滤波器并且向第二反馈信号路径应用第一反馈滤波器，并且在第一信号处理器的第二操作模式期间向第二前馈信号路径应用第四前馈滤波器。第一和第二信号处理器可以是单个信号处理设备的部分。第三前馈滤波器可以不与第一前馈滤波器相同。第一或第二信号处理器中的唯一一个可以在第三操作模式期间向对应的第一或第二前馈信号路径应用相应的第二或第四前馈滤波器。第三操作模式可以响应于用户输入被激活。

第一信号处理器可以被配置为从第二前馈麦克风接收交叉信号，向该交叉信号应用第五前馈滤波器，并且将滤波的交叉信号插入至第一前馈信号路径中。信号处理器可以进一步被配置为在第二操作模式期间向第一前馈信号路径应用单通道噪声降低滤波器。信号处理器可以被配置为检测在前馈信号路径中的高频信号，将检测到的高频信号的幅度与指示正反馈回路的阈值比较，并且如果检测到的高频信号的幅度大于阈值则激活压缩限幅器。信号处理器可以被配置为当检测到的高频信号的幅度不再高于阈值时逐渐减小由限幅器应用的压缩的量，并且如果检测到的高频信号的幅度在减小压缩的量之后回到高于该阈值的水平则增大压缩的量至检测到的高频信号的幅度保持低于该阈值的最低水平。信号处理器可以被配置为使用监视在前馈信号路径中的信号的锁相回路检测高频信号。

该耳杯可以提供包围前馈麦克风的体积，使得网屏覆盖介于包围前馈麦克风的体积与外部环境之间的孔。在包围前馈麦克风的体积与外部环境之间的孔至少为10mm²。在包围前馈麦克风的体积与外部环境之间的孔至少为20mm²。网屏和前馈麦克风可以分开至少1.5mm的距离。

通常，在一个方面，主动噪声降低耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，被声耦合至声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，经由第一体积被声耦合至声体积并且被电耦合至反馈信号路径的输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制反馈信号路径的增益的信号处理器。信号处理器被配置为向反馈信号路径应用第一反馈滤波器并且向反馈信号路径应用第二反馈滤波器，在第一操作模式期间第一反馈滤波器致使反馈信号路径在第一增益水平操作(作为频率的函数)，在第二操作模式期间第二反馈滤波器致使反馈信号路径在某些频率处小于第一增益水平的第二增益水平操作，第一增益水平是导致当耳杯被耦合至佩戴者的耳朵时传导通过或围绕耳杯并且穿过用户的头部进入声体积的声音的有效消除的增益的水平，并且第二水平是当耳杯被耦合至佩戴者的耳朵时与传导通过佩戴者的头部的典型的佩戴者的嗓音的声音水平匹配的增益的水平。

各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。前馈麦克风可以被声耦合至外部环境并且被电耦合至前馈主动噪声消除信号路径，使得输出换能器被电耦合至前馈信号路径并且信号处理器被配置为应用滤波器及控制前馈信号路径的增益。在第一操作模式中，信号处理器可以被配置为向前馈信号路径应用第一前馈滤波器，连同向反馈信号路径应用第一反馈滤波器以实现环境声音的有效消除，并且在第二操作模式中，信号处理器可以被配置为向前馈信号路径应用第二前馈滤波器，第二滤波器被选择为提供具有环境自然度的环境声音的主动透听。第二反馈滤波器和第二前馈滤波器可以被选择以提供具有自身自然度的用户自己嗓音的主动透听。被应用至前馈路径的第二前馈滤波器可以是非最小相位响应。小于被动传导通过佩戴者的头部的第一频率的典型的佩戴者的嗓音的声音在耳杯被耦合至佩戴者的耳朵时可以被放大，并且高于所述第一频率的声音在耳杯被如此耦合时可以被衰减，使得反馈信号路径在延伸高于第一频率的频率范围是操作的。

信号处理器可以是第一信号处理器并且反馈信号路径可以是第一反馈信号路径，使得耳机包括被配置为耦合至佩戴者的第二耳朵以定义包括佩戴者的第二耳道以内的空气的体积以及第二耳杯以内的体积的第二声体积的第二耳杯，被声耦合至第二声体积并且被电耦合至第二反馈主动噪声消除信号路径的第二反馈麦克风，经由第二耳杯以内的体积被声耦合至第二声体积并且被电耦合至第二反馈主动噪声消除信号路径的第二输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制第二反馈主动噪声消除信号路径的增益的第二信号处理器。该第二信号处理器可以被配置为向第二反馈信号路径应用第三反馈滤波器，第二反馈滤波器在第一信号处理器的第一操作模式期间致使第二反馈信号路径在第一增益水平操作，并且在第一信号处理器的第二操作模式期间向第二反馈信号路径应用第四反馈滤波器以在第二增益水平操作。第一和第二信号处理器可以是单个信号处理设备的部分。第三反馈滤波器可以不与第一反馈滤波器相同。

通常，在一个方面，描述了一种用于配置主动噪声降低耳机的方法，该耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，声耦合至外部环境并且电耦合至前馈主动噪声消除信号路径的前馈麦克风，被声耦合至声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，经由耳杯以内的体积被声耦合至声体积并且被电耦合至前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的增益的信号处理器。该方法包括，针对至少一个频率，测量比率其中耳机的主动噪声降低电路是不活动的，其中G_cev是当耳机被佩戴时在用户的耳朵处的对环境噪声的响应，并且G_oev是当耳机不存在时在用户的耳朵处的对环境噪声的响应，针对反馈路径选择滤波器K_on，其具有导致反馈回路在至少一个频率处具有与确定的比率相等的倒灵敏度量级；针对前馈信号路径选择将提供环境自然度的滤波器K_ht；向反馈路径和前馈路径相应地应用选择的滤波器K_on和K_ht；在至少一个频率处，测量比率其中耳机的主动噪声降低电路是活动的；并且修改K_ht的相位而不改变其量级以最小化测量到的的值与一的偏差。

各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。选择K_on和K_ht，应用所选择的滤波器，并且测量比率的步骤可以被重复，并且K_ht的相位进一步被调节，直到达到环境相应和自身嗓音响应的目标平衡。针对前馈信号路径选择滤波器可以包括选择致使公式 与预定目标值大致相等的K_ht的值。

通常，在一个方面，主动噪声降低耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，声耦合至外部环境并且电耦合至前馈主动噪声消除信号路径的前馈麦克风，被声耦合至声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，用于接收输入电子音频信号和被电耦合至音频回放信号路径的信号输入，经由耳杯以内的体积被声耦合至声体积并且被电耦合至前馈和反馈主动噪声消除信号路径和音频回放信号路径的输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的增益的信号处理器。该信号处理器被配置为在提供环境声音的有效消除的第一操作模式向前馈信号路径应用第一前馈滤波器并且向反馈信号路径应用第一反馈滤波器，在提供具有环境自然度的环境声音的主动透听的第二操作模式期间向前馈信号路径应用第二前馈滤波器，并且在第一和第二操作模式两者期间经由音频回放信号路径向输出换能器提供输入电子音频信号。

各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。在第一操作模式期间由于在耳机中存在的外部噪声导致的在耳朵处的残留声音可以比在第二操作模式期间由于在耳机中存在的相同的外部噪声导致的在耳朵处的残留噪声小12dBA。耳机的再现输入音频信号的总音频水平在第一和第二操作模式两者中可以是相同的。耳机的频率响应在第一和第二操作模式两者中可以是相同的，并且信号处理器可以被配置为改变在第一和第二操作模式之间的被应用至音频回放信号路径的增益。信号处理器可以被配置为：相对于在第一操作模式期间被应用至音频回放信号路径的增益，减小在第二操作模式期间被应用至音频回放信号路径的增益。信号处理器可以被配置为：相对于在第一操作模式期间被应用至音频回放信号路径的增益，增大在第二操作模式期间被应用至音频回放信号路径的增益。

耳机可以包括用户输入，使得信号处理器被配置为在提供具有环境自然度的环境声音的主动透听的第三操作模式期间向前馈信号路径应用第二前馈滤波器，在第三操作模式期间不经由音频回放信号路径提供输入电子音频信号至输出换能器，并且根据在第一操作模式期间接收到来自用户输入的信号，转换至第二操作模式或者第三操作模式中所选择的一个。是否转换至第二操作模式或第三操作模式的选择可以基于信号从用户输入被接收的持续时间。是否转换至第二操作模式或第三操作模式的选择可以基于耳机的预确定的配置设置。耳机的预确定的配置设置可以由开关的位置而确定。耳机的预确定的配置设置可以由被耳机从计算设备接收到的指令而确定。根据进入第三处理模式，信号处理器可以被配置为通过向输入电子音频信号的源传输命令以暂停多媒体源的回放而停止提供输入电子音频信号。

音频回放信号路径和输出换能器可以在没有功率被应用至所述信号处理器时是操作的。信号处理器还可以被配置为根据信号处理器的激活而断开音频回放信号路径与输出换能器的连接，并且在时延之后经由被信号处理器应用的滤波器将音频回放信号路径重新连接至输出换能器。信号处理器还可以被配置为根据信号处理器的激活而最初维持音频回放信号路径至输出换能器，并且在时延之后，断开音频回放信号路径与输出换能器的连接并且经由被信号处理器应用的滤波器同时将音频回放信号路径连接至输出换能器。当信号处理器不活动时耳机再现输入音频信号的总音频响应可以被第一响应特征化，并且信号处理器可以被配置为在时延之后应用导致耳机再现输入音频信号的总音频响应保持与第一响应相同的均衡滤波器，并且在第二时延之后，应用导致与第一响应不同的总音频响应的第二均衡滤波器。

通常，在一个方面，主动噪声降低耳机具有主动噪声消除模式和主动透听模式，并且耳机基于检测到用户触摸所述耳机的壳体而在主动噪声消除模式与主动透听模式之间改变。通常，在另一方面，主动噪声降低耳机具有主动噪声消除模式和主动透听模式，并且耳机基于从外部设备接收到命令信号而在主动噪声消除模式与主动透听模式之间改变。

各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。光学检测器可以被用于接收命令信号。射频接收器可以被用于接收命令信号。命令信号可以包括音频信号。耳机可以被配置为通过整合在耳机中的麦克风接收命令信号。耳机可以被配置为通过用于接收输入电子音频信号的耳机的信号输入而接收命令信号。

通常，在一个方面，主动噪声降低耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，声耦合至外部环境并且电耦合至前馈主动噪声消除信号路径的前馈麦克风，被声耦合至声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，经由耳杯以内的体积被声耦合至声体积并且被电耦合至前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的增益的信号处理器。信号处理器被配置为在提供环境声音的有效消除的第一操作模式中以及在提供环境声音的主动透听的第二操作模式中操作耳机，并且基于来自前馈麦克风和反馈麦克风的信号的比较在第一和第二操作模式之间改变。

各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。信号处理器可以被配置为当来自前馈麦克风和反馈麦克风的信号的比较指示耳机的用户正在说话时从第一操作模式改变至第二操作模式。信号处理器可以被配置为在来自前馈麦克风和反馈麦克风的信号不再指示耳机的用户正在说话的预定的时间量之后从第二操作模式改变至第一操作模式。信号处理器可以被配置为当来自反馈麦克风的信号在与由闭塞作用放大的人类语音的部分相一致的频率带以内与来自前馈麦克风的信号相关并且在指示用户正在说话的阈值水平之上时，从第一操作模式改变至第二操作模式。

通常，在一个方面，主动噪声降低耳机具有主动噪声消除模式和主动透听模式，并且包括当耳机处于主动透听模式时被激活的指示器，该指示器仅从耳机的正面在有限的观看角度是可见的。通常，在另一方面，主动噪声降低耳机包括被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义包括佩戴者的耳道以内的空气的体积以及耳杯以内的体积的声体积的耳杯，声耦合至外部环境并且电耦合至前馈主动噪声消除信号路径的前馈麦克风，被声耦合至声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径的反馈麦克风，经由耳杯以内的体积被声耦合至声体积并且被电耦合至前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的输出换能器，以及被配置为应用滤波器和控制前馈和反馈主动噪声消除信号路径两者的增益的信号处理器。信号处理器被配置为在提供环境声音的有效消除的第一操作模式和在提供环境声音的主动透听的第二操作模式操作耳机。在第二操作模式期间，信号处理器被配置为检测在前馈主动噪声消除信号路径中的高频信号超过指示输出换能器到前馈麦克风的异常高的声耦合的阈值水平，响应于该检测而向前馈信号路径应用压缩限幅器，并且一旦高频信号不再于高于阈值的水平处被检测到，则从前馈信号路径移除压缩限幅器。

通常，在一个方面，主动噪声降低耳机具有噪声消除模式和主动透听模式，并且包括右前馈麦克风、左前馈麦克风和用于从所述右和左前馈麦克风提供至外部设备的信号输出。通常，在另一方面，用于提供双耳遥现的系统包括第一通信设备和能够从第一通信设备接收信号的第二通信设备，具有主动噪声消除模式和主动透听模式的第一组主动噪声降低耳机被耦合至第一通信设备并且被配置为提供第一左和第一右前馈麦克风信号至第一通信设备，并且具有主动噪声消除模式的第二组主动噪声降低耳机被耦合至第二通信设备。第一通信设备被配置为向第二通信设备传输第一左和右前馈麦克风信号。第二通信设备被配置为提供第一左和右前馈麦克风信号至第二组耳机。第二组耳机被配置为当再现第一左和第一右前馈麦克风信号时激活它们的噪声消除模式使得第二组耳机的用户听见来自第一组耳机的环境的环境噪声，并且对第一左和第一右前馈麦克风信号进行滤波使得第二组耳机的用户听见来自具有环境自然度的第一组耳机的环境噪声。

各个实施方式可以包括以下中的一个或多个。第二组耳机可以被配置处于第一操作模式以提供第一右前馈麦克风信号至第二组耳机的左耳杯，并且提供第一左前馈麦克风信号至第二组耳机的右耳杯。第二组耳机可以被配置处于第二操作模式以提供第一右前馈麦克风信号至第二组耳机的右耳杯，并且提供第一左前馈麦克风信号至第二组耳机的左耳杯。第一和第二通信设备还可以被配置为提供它们的用户之间的视觉通信，并且所述第二组耳机可以被配置为当视觉通信活动时在第一操作模式操作，并且当视觉通信不活动时在第二操作模式操作。第一通信设备可以被配置为记录第一左和第一右前馈麦克风信号。第二组耳机可以具有主动透听模式，并且被配置为向第二通信设备提供第二左和第二右前馈麦克风信号，其中第二通信设备被配置为向第一通信设备传输第二左和第二右前馈麦克风信号，该第一通信设备被配置为向第一组耳机提供第二左和第二右前馈麦克风信号，并且第一组耳机被配置为当再现第二左和第二右前馈麦克风信号时激活它们的噪声消除模式，使得第一组耳机的用户听见在第二组耳机的环境中的环境噪声并且对第二左和第二右前馈麦克风信号进行滤波，使得第一组耳机的用户听见来自具有环境自然度的第二组耳机的环境噪声。第一和第二通信设备可以被配置为协调第一和第二组耳机的操作模式，使得两个组的耳机的用户通过将第一和第二组耳机中所选择的一组耳机置于其主动透听模式，并且将另一组耳机置于其噪声消除模式同时复制来自所选择组的耳机的前馈麦克风信号，而听见第一和第二组耳机中所选择的一组耳机的环境中的环境噪声。

优点包括在耳机中提供环境和自身自然度，允许用户在主动透听模式期间享受音频内容，减小耳机的闭塞效应，并且提供双耳遥现。

从说明书中以及从权利要求书中，其它特征和优点将显而易见。

附图说明

图1示出了主动噪声降低(ANR)耳机的示意图。

图2A至2C示出了通过ANR耳机的信号路径。

图3、6和8示出了具有主动透听能力的ANR耳机的框图。

图4示出了从人类喉咙到内耳的声信号路径的示意图。

图5A示出了闭塞效应量级的图表。

图5B示出了噪声降低电路的插入损耗的图表。

图7示出了麦克风壳体的示意图。

具体实施方式

图1示出了典型的主动噪声降低(ANR)耳机系统10。单个听筒100被示出；大多数系统包括一对听筒。耳杯102包括输出换能器或扬声器104，反馈麦克风106(也被称为系统麦克风)以及前馈麦克风108。扬声器102将耳杯分为前体积110和后体积112。系统麦克风106通常位于前体积110中，其通过衬垫114被耦合至用户的耳朵。ANR耳机的前体积的配置的方面在美国专利6,597,792中进行了描述，通过引用的方式结合到本文。在一些示例中，后体积112通过一个或多个端口116被耦合至外部环境，如在美国专利6,831,984中描述的，通过引用结合到本文。前馈麦克风108被容纳在耳杯102的外部，并且可以如美国专利申请2011/0044465中描述的被包围，通过引用结合到本文。在一些示例中，使用了多个前馈麦克风，并且它们的信号被结合或被单独使用。本文对前馈麦克风的引用包括具有多个前馈麦克风的设计。

麦克风和扬声器全都被耦合至ANR电路118。ANR电路可以从通信麦克风120或音频源122接收附加的输入。在数字ANR电路的情况下，例如在美国专利8,073,150中描述的，通过引用结合到本文，用于ANR电路的软件或配置参数可以从存储装置124中获得。ANR系统由功率源126供电，该功率源例如可以是电池、音频源122的部分或者通信系统。在一些示例中，ANR电路118、存储装置124、功率源126、外部麦克风120和音频源122中的一个或多个被置于耳杯102的内部或被附接至耳杯102，或者当提供两个听筒100时在两个耳杯之间分配。在一些示例中，诸如ANR电路之类的一些部件在听筒之间被复制，而诸如功率源之类的其它部件被置于仅仅一个听筒中，如美国专利7,412,070中描述的，通过引用结合到本文。待由ANR耳机系统消除的外部噪声被表示为声噪声源128。

当反馈ANR电路和前馈ANR电路两者在相同的耳机中被提供时，它们通常被调谐以在不同的但互补的频率范围操作。当描述反馈或前馈噪声消除路径是操作的的频率范围时，我们指的是环境噪声被减小的范围；在该范围之外，噪声并不被改变或者可以被略微放大。在它们的操作范围重叠之处，电路的衰减可以有意地被减小以避免创建消除比在其它地方更大的范围。即，ANR耳机的衰减可以在不同的频率范围中被修改以提供比本将通过在所有频率处简单地最大化稳定性或者基本声学限制以内的衰减而实现的更加一致的响应。理想地，在反馈路径、前馈路径继而耳机的被动衰减之间，在整个可听范围提供噪声降低的一致的量。我们将这样的系统称为提供环境声音的有效消除。为了提供以下描述的主动透听的特征，理想的是反馈路径在至少500Hz以上具有高频交叉频率(衰减降到0dB以下)。前馈回路通常将在延伸至高于反馈路径的频率范围操作。

该申请涉及通过主动噪声降低系统的复杂操纵实现的透听的改进。不同的透听拓扑在图2A至2C中被图示。在图2A所示的简易版本中，ANR电路被关闭，允许环境声音200穿过或者围绕耳杯，提供被动监听。在图2B所示的版本中，如以上所讨论的直接的透讲特征使用由ANR电路或一些其它电路被耦合至内部扬声器104的外部麦克风120以直接地在耳杯内部再现环境声音。ANR系统的反馈部分保留为未修改，将透讲麦克风信号当作待被再现的普通的音频信号，或者将ANR系统的反馈部分关闭。透讲信号通常是被限制为嗓音带的频带。出于该原因，直接的透讲系统趋向于听起来人工的，如同用户正在通过电话收听其周围的环境。在一些示例中，前馈麦克风提供双功能用作透讲麦克风，使得其检测到的声音被再现而不是被消除。

我们定义主动的透听以描述改变耳机的主动噪声消除参数的特征，使得用户可以听见环境中的一些或所有环境声音。主动透听的目标是让用户如同他们根本并未佩戴耳机一样而听见环境。即，当如在图2B中的直接透讲趋于听起来人工的时，并且如在图2A中的被动监听通过耳机的被动衰减使得环境声音含混不清，主动透听很难使得环境声音听起来完全自然。

如图2C所示，通过使用一个或多个前馈麦克风108(仅示出一个)以检测环境声音而提供了主动透听(HT)，并且针对至少前馈噪声消除回路调节ANR滤波器以允许环境声音200的受控量穿过耳杯102，其具有比本会在普通噪声消除(NC)操作中应用的较少的消除。疑问中的环境声音可以包括所有环境声音、仅仅是他人的嗓音、或者佩戴者自己的嗓音。

环境声音的自然的透听。

提供环境声音的自然的透听(我们称之为“环境自然度”)通过对主动噪声消除滤波器的修改被完成。在具有反馈和前馈噪声消除电路两者的系统中，消除电路中的一者或两者可以被修改。如在美国专利8,155,334中解释并结合到本文的，以数字信号处理器实施的前馈滤波器可以被修改以通过不完全消除所有环境噪声或环境噪声的子集而提供透讲。在该申请的示例中，前馈滤波器被修改为与在人类语音带之外衰减声音相比，在人类语音带以内较少地衰减声音。该申请还简易提供并行的模拟滤波器作为数字滤波器的替代物，一个模拟滤波器用于全衰减，另一个用于在语音带中的减小的衰减。

为了使得被允许通过的声音听起来更加自然，补偿由被动衰减造成的声音的改变，并且在音频频率的整个范围上提供自然的透听，前馈滤波器可以以更复杂的方式被修改。图3示出了用在像图2C的示例中的ANR电路和相关的部件的框图。我们将各种部件对在系统中各个点之间移动的声音的作用称之为响应或者传递函数。一些感兴趣的响应被定义如下：

a)G_oea：从噪声到耳朵的响应，没有耳机

b)G_pfb：从噪声通过耳机到耳朵的响应，并且反馈ANR是活动的

c)G_nx：从噪声到外部(前馈)麦克风的响应

d)G_ffe：反馈滤波器的输出以及通过驱动器104的与其相加至耳朵的任何信号的响应，并且反馈ANR是活动的

ANR电路的各种电子信号通路应用以下滤波器，我们可以将这些滤波器称为通路的增益：

K_fb：反馈补偿滤波器的增益

K_ff：前馈补偿滤波器的增益

K_ht：主动透听滤波器(在图3中，K_ff和K_ht可替代地应用到相同的通路)的增益

我们定义目标透听插入增益为T_htig，即，总系统应当如何对环境声音进行滤波。如果T_htig＝1(0dB)，那么用户应当听见与他们不佩戴耳机相比相同的围绕他们的世界。实际中，除了0dB以外的目标值通常是期望的。例如，在诸如低于100Hz的低频率处的消除在主动透听模式期间仍然是有用的，因为这样的声音趋于是不舒适的并且不包含有用的信息。然而，延伸至覆盖至少300Hz至3kHz的范围的T_htig通带(pass-band)对于使得围绕用户的那些嗓音清晰易懂而言是必要的。优选地，通带从140Hz延伸至5kHz以实现自然度的感觉。通带可以被成形为改进在主动透听模式中的自然度的感知，例如，轻微的高频滚降可以补偿由耳机的存在导致的空间听见的变形。最终，滤波器应当被设计为提供平滑的和分段线性的总系统响应。通过“平滑的和分段线性”，我们在dB/对数频率刻度上提及系统响应的绘图的一般形状。

结合这些因数，当佩戴耳机时在耳朵处的对环境噪声的总响应是G_pfb+G_nx*K_ht*G_ffe。期望的响应是G_oea*T_htig。即，被动和反馈响应G_pfb与实际的透听响应G_nx*K_ht*G_ffe的结合应当听起来像目标透听插入增益T_htig被应用至开放耳朵的响应G_oea。系统被调谐为通过测量各种实际的响应(那些G_xx项)和并且定义滤波器K_ht(在可实现性的限制以内)而传送期望的响应以使得实际的系统响应与目标尽可能近，其基于等式：

$\begin{array}{c}{T}_{htig}=\frac{G_{pfb}}{G_{oea}}+\\ \frac{K_{ht}*G_{nx}*G_{ffe}}{G_{oea}}\end{array}---\left(1\right)$

针对K_ht解等式(1)导出：

$\begin{array}{c}{K}_{ht}=\frac{G_{oea}}{G_{nx}{G}_{ffe}}(T_{htig}-\\ \frac{G_{pfb}}{G_{oea}})\end{array}---\left(2\right)$

为了最佳地实现期望的T_htig，在前馈信号路径中实施的滤波器K_ht可以是非最小相位，即其可以具有在右半平面中的零值。例如，这可以允许当消除由于加热和冷却系统而出现在许多建筑物中的环境隆隆声(rumble)时主动透听传递人类语音。通过设计K_ht使得T_htig仅在主动透听通带中接近0dB而提供这样的结合。在主动透听通带之外，K_ht被设计为使得T_htig接近并且理想地相等于由导致显著衰减的前馈滤波器(即，通常的K_ff)实现的插入增益(事实上是插入损耗)。针对有效的衰减(K_ff)和主动透听(K_ht)所需的前馈滤波器的符号通常是与透听通带相反的。设计在通带的低频边缘处滚降并且转换至有效的K_ff响应的K_ht可以通过在该转换附近包括至少一个右半平面零值而被实现。

在总体上，利用主动透听滤波器K_ht替换前馈滤波器K_ff同时维持反馈回路K_fb使得ANR系统能够与通过耳机的被动声路径结合，从而在听起来与没有耳机相同的耳朵处创建自然的感受。为了允许K_ht传递外面世界所意图的声音，反馈回路与通过耳机的被动声路径的结合应当提供在所有感兴趣的频率处的至少8dB的衰减。即，当反馈回路是活动的但前馈路径不是活动的时在耳朵处听见的噪声水平应当比当根本并不佩戴耳机时在耳朵处的噪声水平小至少8dB(注意“小至少8dB”指的是水平的比率，而不是在相同外部尺度上的若干分贝)。当G_pfb小于或等于-8dB时，当期望的T_htig＝0dB时，其对实际的透听插入增益的作用小于3dB误差。如果反馈回路能够处理更多增益，衰减可以高得多，或者被动衰减更大。为了在一些情况下实现该自然度，如以下讨论的，还可以期望的是从其最大能力减小反馈回路的增益K_fb。

在普通ANR模式与主动透听模式之间的耳朵处的总噪声降低之差应当为最少12dBA。这提供了从具有安静的背景音乐的主动透听模式到导致剧烈变化的噪声降低的切换的环境噪声水平的足够的改变。这是因为当切换模式时存在音乐遮蔽，感知到的环境噪声的响度快速减小。在透听模式中背景中安静地存在的音乐可以使得噪声事实上在噪声降低模式中听不见，只要在透听与噪声降低模式之间存在至少12dBA的噪声降低变化。

在一些示例中，像在美国专利8,184,822中描述的并通过引用被结合到本文的数字信号处理器有利地将反馈回路与通过前馈麦克风的路径相加，避免了可能导致K_ht具有通常是音质ADC/DAC结合的通常为数百微秒的时延的结合(在结合的信号中的深零点)。优选地，系统使用具有小于250μs的时延的DSP而被实施，使得结合的(其将是具有250μs时延的2kHz)第一电势零点比在G_pfb的典型的最小插入损耗频率高一个八度，其通常是大约1kHz。在引用的专利中描述的可配置的处理器也允许主动穿过听见滤波器K_ht容易替换前馈滤波器K_ff。

一旦环境自然度被实现，附加的特征可以通过在多于一个前馈滤波器K_ht之间进行选择而被提供，提供不同的总响应特性。例如，一个滤波器可以是期望的以用于在飞机中提供透听，在飞机中响的、低频声音趋向于遮蔽会话，所以在该频率中的一些消除应当被维持，而嗓音带信号应当被尽可能自然地传递。另一滤波器在总体更安静的环境中可以是期望的，其中用户希望或需要准确地听见环境声音，诸如以当在街上走时提供情景感知。在主动透听模式之间进行选择可以通过使用用户界面被完成，该界面诸如按钮、开关或与该耳机配对的智能电话上的应用程序。在一些示例中，用于选择透听模式的用户界面是音量控制，使得不同的透听滤波器基于由用户所选的音量设定而被选择。

透听滤波器选择还可以响应于环境噪声频谱或者水平是自动的。例如，如果环境噪声通常是安静的或通常是宽频谱的，可以选择宽频谱透听滤波器，但如果环境噪声在诸如飞行器引擎或地铁的呼啸之类的特定频率范围处具有高信号内容，比起提供环境自然度将要求的而言，该范围可以被更多地消除。滤波器还可以被选择以提供宽频谱透听，但在减小的音量水平处提供。例如，设定T_htig＝0.5将提供在宽频率范围上的6dB的插入损耗。环境声音用于自动选择透听滤波器的测量可以是频谱或水平的时间平均测量，其可以被周期性地或连续地更新。可替代地，测量可以在用户激活透听模式的时间处即刻被做出，或者立即在用户做出选择之前或之后的采样时间的时间平均可以被使用。

用于主动透听滤波器的自动选择的一个示例是工业听力保护。具有反馈和前馈的主动噪声降低加上给出20dB衰减的被动衰减的耳机可以被用来在高至105dBA的噪声水平(即，其从105dBA减小20dB到85dBA)保护听力(至可接受的标准)，其覆盖工业噪声污染的大部分。然而，在噪声水平随时间改变或随地点改变的工业环境中，当相对安静时(例如，小于70dBA)，由于其阻碍了工人之间的通信，不希望全部20dB的衰减。多模式主动透听耳机可以作为动态噪声降低听力保护器工作。这样的设备将监听在前馈麦克风处的环境水平，并且如果水平小于70dBA，应用滤波器K_ht至创建T_htig＝0dB的前馈路径。随着噪声水平升高至高于70dBA，耳机检测到此和通过K_ht滤波器参数的多个集合(诸如从查找表中)的步骤以逐渐减小插入增益。优选地，耳机将具有许多可能的滤波器集合以应用，并且环境水平的检测以长时间常数被完成。可听作用将是在围绕用户的实际噪声水平从70到105dBA的缓慢增长压缩到从70到仅仅85dBA的感知的增长，同时继续传递语音和噪声的短期动态。

以上的附图和描述考虑单个耳杯。通常，主动噪声降低耳机具有两个耳杯。在一些示例中，对两个耳杯应用相同的透听滤波器，但在其它示例中，可以应用不同的滤波器，或者透听滤波器K_ht可以被应用至仅仅一个耳杯，同时前馈消除滤波器K_ff在其它耳杯中被维持。这在多个示例中可以是有利的。如果耳机是用于与其它车辆或控制中心通信的驾驶员的耳机，仅在一个耳杯中打开透听可以允许驾驶员与不佩戴耳机的机组成员说话，同时通过保持在其它耳杯中的噪声消除活动而维持通信信号或警告的知觉。

如果每个耳杯的前馈麦克风信号与其它耳杯共享，主动透听性能可以被增强，并且使用滤波器K_xo的另一集合被插入到每个相反的耳杯的信号路径。这可以提供到透听信号的导向性，所以佩戴者最好能够在他们的环境中确定声音的源。这样的改进还可以增大与佩戴者的前方同轴的人的嗓音相对于扩散的环境噪声的感知的相对水平。能够提供交叉前馈信号的系统在美国专利申请公布2010/0272280中被描述，通过引用结合到本文。

除了使用主动噪声消除技术以提供ANR和透听两者之外，主动透听系统还可以在透听模式期间包括前馈信号路径中的单通道噪声降低滤波器。这样的滤波器可以清理透听信号，例如改进语音的可理解性。这样的通道内噪声降低滤波器使用在通信耳机中是已知的。为了最佳的性能，这样的滤波器应当在以上描述的时延约束以内被实施。

当前馈麦克风被用来提供环境声音的主动透听时，保护麦克风免受风噪声(即由空气快速移动通过麦克风所导致的噪声)影响可以是有利的。在诸如飞行器之类的室内使用的耳机通常并不需要风噪声保护，但是可以在室外被使用的耳机可以是易受影响的。如在图7中概略示出的，保护前馈麦克风108免受风噪声影响的有效方式是在麦克风上提供网屏302并且在网屏和麦克风之间提供一些距离。特别地，在网屏与麦克风之间的距离应当是至少1.5mm，同时被网屏302覆盖的、在耳杯外壳304中的孔应当尽可能地大。考虑到在入耳式耳机中匹配这样的部件的实际考虑，网屏面积应当至少为10mm²，优选为20mm²或更大。由网屏和围绕麦克风108的腔308的侧壁306包围的总体积并不重要，所以围绕麦克风的空间可以是锥形的，使得麦克风在顶点并且锥形的角度被选择为提供与其它封装约束允许的相等大的网屏面积。网屏应当具有一些相当可观的声阻，但并不大到减小麦克风的敏感度至无用地低的水平。具有在20与260瑞利(MKS)之间的比声阻的声阻布已经被发现为有效的。如果耳机待被用在有风环境中，通过防止风噪声使前馈消除路径饱和，这样的保护还可以是对于一般的噪声降低有价值的。

用户嗓音的自然的透听

当人听见他们自己的嗓音听起来是自然的时，我们称其为“自身自然度”。如刚刚描述的，环境自然度通过对前馈滤波器的修改被完成。自身自然度通过修改前馈滤波器和反馈系统而被提供，但改变并不必须与当环境自然度本身是期望的时使用的那些相同。通常，在主动透听中同时实现的环境自然度和自身自然度要求改变前馈和反馈滤波器两者。

如图4中所示，人通常通过三个声路径听见他自己的嗓音。第一路径402是通过头部400附近的空气从嘴404到耳朵406并进入耳道408以到达耳鼓膜410。在第二路径412，声能量行进通过脖子和头部的软组织414，从喉咙416到耳道408。声音随后通过耳道壁的振动进入耳道内部的空气体积，加入第一路径以到达耳鼓膜410，但也通过耳道开口离开到头部之外的空气中。最终，在第三路径420中，声音也从喉咙416行进穿过软组织414，以及通过将喉咙连接至中耳422的咽鼓管，并且其直接进入中耳422和内耳424，绕开耳道，加入从前两个路径通过耳鼓膜进来的声音。除了提供信号的不同水平之外，三个路径贡献用户听见作为他自己的嗓音的不同的频率分量。通过软组织到耳道的第二路径412是在低于1.5kHz的频率处的支配的身体传导路径，并且在人类嗓音的最低频率处，可以与空气传导的路径一样重要。在1.5kHz以上，直接到中耳和内耳的第三路径420是支配的。

当佩戴耳机时，第一路径402以某种程度被阻挡，所以用户不能听见他自己的嗓音的部分，改变信号的混合到达内耳。除了来自第二路径的贡献由于第一路径的损耗而提供到达内耳的总声能量的更大的份额之外，第二路径本身在耳朵被阻挡时变得更加有效率。当耳朵是开放的时，通过第二路径进入耳道的声音可以通过耳道的开口离开耳道。阻挡耳道开口改进了将耳道壁振动耦合到耳道的空气中的效率，其增加了耳道中的压力振动的幅度，并且继而增大了在耳鼓膜上的压力。这通常被称为闭塞效应，并且其可以放大在男性嗓音的基本频率处的声音多至20-25dB。作为这些改变的结果，用户感知他们的嗓音具有过分强调的较低频率和强调不足的较高频率。除了使得嗓音声音较低之外，较高频率声音从人类嗓音移除还使得嗓音较不可理解。用户对他们自己的嗓音的感知的该改变可以通过修改前馈滤波器以准许用户嗓音的空气传导的部分，并且修改反馈滤波器以抵消闭塞效应而被解决。如以上讨论的，如果闭塞效应可以被减小，针对环境自然度的前馈滤波器的改变通常也足以提供自身自然度。减小闭塞效应可以具有超过自身自然度的益处，并且将在以下以更多细节讨论。

闭塞效应的减小

当耳机刚刚被戴上时，即通过直接阻挡耳道的入口但不伸入远至耳道中时，闭塞效应特别地强。较大体积的耳杯提供了更多空间以用于声音离开耳道并且驱散，并且深耳道听筒阻挡一些声音首先从软组织传递到耳道中。如果耳机或耳塞延伸地足够远到耳道中，经过肌肉和软骨到头骨的骨上非常薄的皮肤处，闭塞效应远离，因为很小的声压通过骨进入封闭的体积，但将耳机延伸那么远进入耳道中是困难的、危险的并且可能是疼痛的。对于任意类型的耳机，产生减小闭塞效应的任意量用于提供在主动透听特征中的自身自然度和用于移除闭塞效应的非嗓音元素是有利的。

佩戴耳机的体验通过排除闭塞效应被改进，使得当提供主动透听时用户自然地听见他们自己的嗓音。图6示出了头部耳机系统和穿过它的各种信号路径的示意图。图3中的外部噪声源200和相关的信号路径并未示出，但可以结合用户的嗓音一起出现。反馈系统麦克风106和补偿滤波器K_fb创建了检测和消除由耳机102、耳道408和耳鼓膜410限制的体积502以内的声压的反馈回路。这是与在路径412的端部处导致闭塞效应的放大的声压存在之处的相同的体积。作为减小在该压力(即声音)中的振荡的幅度的反馈回路的结果，通过反馈系统的正常操作减小或排除了震荡效应。

减小或甚至排除震荡效应的负面影响可以被完成而并不完全消除声压。一些基于反馈的消除耳机比起所需的能够提供更多消除以减弱闭塞效应。当目标仅仅是移除闭塞效应时，反馈滤波器或增益被调节为提供仅仅足够的消除以移除闭塞效应，而并不进一步消除环境声音。我们将此表示为应用滤波器K_on代替全反馈滤波器K_fb。

如图5A所示，闭塞效应在低频处最为明显，并且随着频率增大而减小，在介于500Hz与1500Hz之间的中频率范围中的某处变得感觉不到(0dB)，这取决于耳机的特定设计。图5A中的两个示例是耳罩式耳机(曲线452)，对于其的闭塞效应在500Hz终止，以及入耳式耳机(曲线454)，对于其的闭塞效应延伸至1500Hz。反馈ANR系统通常在低到中频率范围中是有效的(即，它们可以减小噪声)，在闭塞效应终止处的相同范围中的某处失去它们的有效性，如图5B所示。在图5B的示例中，插入损耗(即，声音从耳杯外部到内部的减小)曲线456由于ANR电路，在10Hz附近交叉高于0dB并且在500Hz附近交叉回低于0dB。如果在给定的耳机中的反馈ANR系统到高于其在该耳机中闭塞效应终止的频率是有效的，诸如在图3中的曲线452，反馈滤波器的量级可以被减小并且仍然整体地移除闭塞效应。另一方面，如果反馈ANR系统在小于其针对该耳机的闭塞效应终止的频率处停止提供有效的噪声降低，诸如图5A中的曲线454，那么反馈滤波器的全量级将被需要，并且一些闭塞效应将保持。

正如前馈系统，通过尽可能排除闭塞效应实现自身自然度的针对反馈系统的滤波器参数可以从图6中所示的头部耳机系统中的各种信号路径的响应找到。除了与图3中相同的那些，以下响应也被考虑：

a)G_ac：从嘴到耳朵(未被耳机阻挡的，如图4所示)的空气传导路径402的响应

b)G_bcc：身体传导路径412到耳道(当耳道不被耳机阻挡时)的响应

c)G_bcm：身体传导路径420到中耳和内耳的响应

身体传导响应G_bcc和G_bcm在不同的频率范围处是显著的，通常相应地低于和高于1.5kHz。这三个路径结合以形成没有耳机的在耳道处的用户嗓音的净开放耳朵响应，G_oev＝G_ac+G_bcc+G_bcm。相反，当存在耳机时净封闭耳朵嗓音响应被定义为G_cev。

净响应G_oev或G_cev不能具有任何可重复性或精确度被直接测量，但它们的比率G_cev/G_oev可以通过在耳道悬挂微型麦克风(而不阻挡耳道)被测量并且发现当对象佩戴耳机讲话时测量的频谱与当对象没有佩戴耳机讲话时测量的频谱的比率。在两个耳朵上执行测量，其中一个被耳机阻塞并且另一个开放，防止由测量之间的人类语音的可变性导致的错误。这样的测量是图5A中的闭塞效应曲线的来源。

为了找到使用的K_on的值以仅仅消除闭塞效应，我们考虑耳机和ANR系统随着它们结合以形成G_cev对响应的影响。合理的估计是G_ac与空气传导环境噪声相同的方式被影响，所以其对G_cev的贡献是G_ac*(G_pfb+G_nx*K_ht*G_ffe)。耳机具有对第三路径直接到中耳和内耳的可忽略的影响，所以G_bcm保持不变。对于第二路径412，进入耳道的身体传导的声音与通过耳杯的环境噪声不能区别，所以反馈ANR系统利用反馈回路闭塞滤波器K_on消除它，提供G_bcc/(1-L_fb)的响应，其中回路增益L_fb是反馈滤波器K_on与驱动器到系统麦克风响应G_ds之积。在总体上，随后，

$\begin{array}{c}{G}_{cev}=G_{ac}*(G_{pfb}+G_{nx}*\\ K_{ht}*G_{ffe})+\frac{G_{bcc}}{(1-L_{fb})}+G_{bcm}\end{array}---\left(3\right)$

以及

$\begin{array}{c}\frac{G_{cev}}{G_{oev}}=\\ \frac{G_{ac}*(G_{pfb}+G_{nx}*K_{ht}*G_{ffe})+\frac{G_{bcc}}{(1-L_{fb})}+G_{bcm}}{G_{ac}+G_{bcc}+G_{bcm}}\end{array}---\left(4\right)$

对于自身自然度，希望G_cev/G_oev＝1(0dB)。与针对自身自然度的较早的等式(1)结合，这允许平衡透听体验的这两个方面。环境声音的人类感知对相位是非常不敏感的(假设相位并不非常快地改变)，所以被选择为估计T_htig的K_ht的值导致的相位响应并不显著。针对K_ht解等式(1)关键的是匹配量级|T_htig|。然而，G_pfb+G_nx*K_ht*G_ffe的相位影响被覆盖的耳朵G_ac路径(由K_ht影响)如何与被覆盖的耳朵G_bcc路径(由K_on影响)相加。设计过程分解为以下步骤：

a)通过使得所有的ANR关闭测量G_cev而测量闭塞效应(在G_cev/G_oev中低频提升)。

b)设计ANR反馈回路以平衡测量的闭塞效应。如果测量显示在400Hz提升闭塞效应10dB，那么某人将会出于第一估计在该频率处想要10dB的反馈回路倒灵敏度(1-Lfb)。针对并不具有足够反馈ANR增益以全部消除闭塞效应的耳机，K_on将简单地等于优化的反馈回路的K_fb。针对在反馈回路中具有足够的动态余量(headroom)，K_on将会是小于K_fb的一些值。

c)如以上所述地针对环境自然度设计K_ht。

d)向前馈回路应用K_ht滤波器并且向反馈回路应用K_on并且再次测量G_cev/G_oev。

e)调节K_ht的相位而不通过添加全通滤波器级或将零值移动进右半平面而改变量级，从而最小化G_cev/G_oev与1(透明度)的任何偏离。

f)在该过程中调节K_on也可以是有利的。K_on和K_ht的更新的值被重复已找到期望的环境响应和自身嗓音响应的最佳平衡。

减小闭塞效应并且允许佩戴者自然地听见自己的嗓音具有鼓励用户在对另外某人讲话时在普通音量讲话的进一步益处。当人们正在耳机上收听音乐或其它声音时，他们趋向于过于大声地讲话，因为他们讲话足够大声才能超出他们听见的其它声音而听见他们自己，即使没有其它人能听见该声音。相反地，当人们正在佩戴噪声消除耳机但并未收听音乐时，他们趋向于过于轻柔地讲话从而在嘈杂环境中的其它人不能理解，明显是因为在该情况下他们容易听见他们自己的嗓音超出他们听见的安静的残留环境噪声。人们响应于他们相对于其它环境声音怎样听见他们自己的嗓音而调节他们自己的讲话音量的方式被称为朗伯德反射(Lombard Reflex)。允许用户经由主动透听准确地听见他自己的嗓音的音量使得他正确地控制该音量。在耳机中播放音乐的情况下导致用户过于响地讲话，当切换至透听模式时减弱音乐还可帮助用户正确地听见他自己的嗓音并控制其音量。

在主动透听期间保持娱乐音频

提供直接透讲或通过减弱ANR电路的被动监听的耳机并且或者再现外部声音或者允许外部声音被动地移动经过耳机的耳机还减弱它们可正在再现的诸如音乐之类的任何输入音频。在以上所述的系统中，主动噪声降低和主动透听可以被独立地提供再现娱乐音频。图8示出了像在图3和图5中的框图，其被修改为也示出音频输入信号路径。处于清楚的目的，并不示出外部噪声和相关的声信号。在图8的示例中，音频输入源800被连接至信号处理器，被均衡信号滤波器K_eq滤波，并且与待被递送至输出换能器104的反馈和前馈信号路径结合。在源800与信号处理器之间的连接可以是通过在耳杯上或其它地方上的连接件的有线连接，或者它可以是无线连接，使用诸如蓝牙Wi-Fi或专有RF或IR通信之类的任何可用的无线接口。

针对输入音频提供单独的路径允许耳机被配置为调节主动ANR以提供主动透听，但同时间保持播放娱乐音频。在一些减小的音量或保持在全音量处可以播放输入音频。这使得用户与彼此相互作用，诸如空中乘务员，而不错失他们正在收听的诸如电影的对白之类的无论什么。附加地，其使得用户收听音乐而不从他们的环境隔离开，如果那样是他们所期望的。这使得用户佩戴耳机以用于背景收听，同时维持情景感知并且保持与它们的环境连接。情景感知是有价值的，例如，在城市设置中某人在街上走时希望意识到他们周围的人和交通但例如可能希望收听音乐以增强他们的情绪或者收听播客(podcasts)或无线电以获取信息。他们可能甚至佩戴耳机以发出“请勿打扰”的社交信号，同时实际上希望清楚他们周围正在发生什么。即使情景感知没有价值，例如，用户正在没有其它干扰的家中收听音乐，一些用户可能希望清楚环境，并且不具有即使被动耳机通常也提供的隔离。保持主动的透听同时收听音乐提供了该体验。

前馈和输入音频信号路径滤波器的特性将影响主动透听如何与输入音频信号的再现相互作用以产生总系统响应。在一些示例中，系统被调谐使得总音频响应在噪声消除模式与主动透听模式两者中是相同的。即，由输入音频信号再现的声音在两种模式中听起来相同。如果K_on≠K_fb，那么K_eq通过在倒灵敏度从1-G_dsK_fb改变到1–G_dsK_on而必须在两种模式中不同。在一些示例中，频率响应被保持为相同，但被应用至输入音频和前馈路径的增益被修改。在一个示例中，K_eq的增益在主动透听模式期间被减小，使得输入音频的输出音量被减小。这可以具有保持总输出音量在输入音频是唯一听得见的主动噪声消除模式与输入音频与环境噪声结合的透听模式之间是恒定的。

在另一个示例中，K_eq的增益在主动透听模式期间被增大，使得输入音频的输出音量被增大。提高输入音频信号的音量减小了环境噪声在主动透听期间被插入的环境噪声遮蔽输入音频信号的程度。这可以具有通过将输入音频信号保持为比背景噪声大声而保留输入音频信号的可理解性的效果，其当然在主动透听模式期间增大。当然，如果期望的是在主动透听模式期间减弱输入音频，这可以通过简单地设定K_eq的增益至零或者通过关闭输入音频信号路径(在一些实施方式中这可以是相同的事)而被完成。

通过单独的信号路径提供ANR和音频回放也允许音频回放即使在ANR电路完全不被供电时也被维持，完全不被供电或者是因为用户已经关闭它或者是因为功率供应不可用或者被耗尽。在一些示例中，在被动电路中实施的具有不同的均衡滤波器K_np的第二音频路径被用来向输出换能器递送输入音频信号，绕过信号处理器。被动滤波器K_np可以被设计为尽可能接近地再现当系统被供电时经历的系统响应而不过度地妥协敏感度。当这样的电路可用时，信号处理器或其它主动电子器件在主动系统被供电时将断开被动路径的连接并且利用主动输入信号路径替换它。在一些示例中，由于主动系统现在正在操作的到用户的信号，系统可以被配置为延迟输入信号路径的重新连接。主动系统还可以根据接通功率淡入输入音频信号，既作为正在操作的到用户的信号也作为提供更加平缓的转变。可替代地，主动系统可以被配置为做出从被动到主动音频的尽可能平缓的转变而不跌落音频信号。这可以通过以下而被完成：保持被动信号路径直到主动系统准备好接管，应用滤波器的集成以将主动信号路径与被动路径匹配，从被动路径切换至主动路径，并且随后淡入期望的主动K_eq滤波器。

当主动透听和音频再现同时可用时，用户界面变得比在典型的ANR耳机中的更加复杂。在一个示例中，音频在主动透听期间在默认情况下被保持，并且被按压以在噪声降低与透听模式之间切换的顺时开关被保持以当激活透听时附加地减弱音频。在另一示例中，是否在进入透听时减弱音频的选择是耳机根据用户的喜好被配置的设置。在另一示例中，当主动透听被使能时，被配置为控制诸如智能电话之类的回放设备的耳机可以向设备发送信号以暂停音频回放以取代减弱耳机内的音频。在相同的示例中，这样的耳机可以被配置为无论何时音乐被暂停而激活主动透听模式。

其它的用户界面考虑

通常，具有主动透听特征的耳机将包括一些用户控制以用于激活诸如按钮或开关之类的特征。在一些示例中，该用户界面可以采用更加复杂的界面的形式，诸如耳杯中的加速度计或者电容传感器，其检测用户何时以被解释为要求主动透听模式的特定方式接触耳杯。在一些情况下，提供了附加的控制。针对除了用户以外的某人可能需要激活透听模式的情况，诸如空中乘务员需要乘客的注意或者老师需要学生的注意，外部远程控制可以是期望的。这可以利用任何常规的远程控制技术被实施，但由于这种设备的可能的使用情况存在一些考虑。

在飞行器中，将假设多个乘客正在佩戴兼容的耳机，但并未将他们对这些产品的选择与彼此或者航空公司协调，使得空中乘务员将不具有需要用来特定哪个耳机要激活其透听模式的诸如独特的设备ID之类的信息。在该情况下，可能期望的是提供诸如具有窄光线的红外线控制之类的视线远程控制，其必须被直接瞄准在耳机的给定集合以激活它们的透听模式。然而，在另一情况下，诸如在预飞行公告期间或者在紧急情况中，机组人员可能需要激活在所有兼容的耳机上的透听。针对该情况，多个宽光线红外发射器可被置于整个飞行器，被定位为确保每个座位均被覆盖。适用于飞行器使用情形的远程遥控的另一源是叠加控制在音频输入线上的信号。在该方式中，被插入到飞行器的娱乐音频的耳机的任何集合可以被提供信号，并且这可以提供广播和座位特定的信号提供装置两者。在教室、军事或商业环境中，另一方面，可能的情况是所有耳机被购买或者至少通过单一实体被协调，所以独特的设备识别器可以是可用的，并且诸如无线电之类的远程控制的广播类型可以被用来在个人特定的耳机处打开及关闭主动透听。

具有主动电路的耳机通常包括它们状态的可见指示，通常是简单的开/关光。当提供主动透听时，附加的指示器是有利的。在最简单的水平，第二光可以向用户指示主动透听模式是活动的。针对用户可能使用主动透听模式以与诸如机组人员或办公室环境中的同事之类的其它人通信的情况，附加的指示器可能是有价值的。在一些示例中，对其它人可见的光在ANR活动单主动透听不活动时照明为红色，并且当主动透听时活动的时该光改变至绿色，向其它人指示他们现在可以对耳机的用户讲话。在一些示例中，指示器光被结构化使得其仅从诸如用户的直接前方之类的窄范围的角度可见，使得仅有实际上面对用户的某人将知道他们的耳机所处的状态。这允许佩戴者仍然使用耳机，所以向他们并不正在面对的其它人社交地发送“请勿打扰”的信号。

在讲话时的自动透听

在一些示例中，反馈系统也被用来自动地打开主动透听。当用户开始讲话时，如以上所述，在他耳道内部的低频压力变化的幅度通过经过软组织从喉咙到耳道移动的声压而被增大。反馈麦克风将检测该增大。除了消除作为发生的闭塞效应补偿的一部分的增大的压力之外，系统还可以使用压力幅度中的该增大以识别用户正在讲话，并因此打开全主动透听模式以提供用户的嗓音的自身自然度。对反馈麦克风信号的带通滤波器，或者在反馈和前馈麦克风信号之间的相关性可以被用来确信主动透听仅响应于嗓音而不响应诸如血流或身体移动之类的其它内部压力源而被打开。当用户正在讲话时，前馈和反馈麦克风两者将检测用户的嗓音。前馈麦克风将检测用户的嗓音的空气传导的部分，其可覆盖人类语音的整个频率范围，同时反馈麦克风将检测传输通过头部的语音的该部分，其碰巧被闭塞效应所放大。这些信号的包络因此将在用户正在讲话时由闭塞效应所放大的带以内被关联。如果另一人正在接近用户讲话，前馈麦克风可以检测到与当用户正在讲话的那些相似的信号，同时反馈麦克风检测到该语音的任何残留的声音将在音量上显著更低。通过检查针对与用户讲话一致的值的信号的相关性和音量，耳机可以确定用户何时正在讲话，并且相应地激活主动透听系统。

除了允许用户自然地听见他自己的嗓音之外，主动透听特征的自动激活也允许用户听见他正在朝任何人讲话的响应。在这样的示例中，在用户停止讲话之后，透听模式可以被保持一些时间量。

当耳机被连接至诸如不提供侧音(即用户自己的嗓音在近端输出上的再现)的无线电话之类的通信设备时自动主动透听模式也是有利的。通过在用户正在讲话时或者在耳机电子地检测到呼叫正在进行时打开透听，用户自然地听见他自己的嗓音并且将以合适的音量向电话中讲话。如果通信麦克风是相同耳机的一部分，在麦克风信号与反馈麦克风信号之间的相关性可以被用来进一步确认用户正在讲话。

稳定度保护

主动透听特征具有在ANR耳机中引入新的失效模式的潜力。如果输出换能器以比在普通操作下应当存在的更大的程度被声耦合至前馈麦克风，正反馈回路可以被创建，导致高频振铃，其对于用户可能是不悦的或使人不愉快的。例如，当使用具有端接或开放至环境的后腔的耳机时如果用户将手罩在耳朵上，或者当主动透听系统被激活时如果耳机从头部移去，使得从输出换能器的前面自由空间耦合至前馈麦克风，这可能发生。

该风险可以通过在前馈信号路径中检测到高频信号，并且如果那些信号超出指示存在这样的正反馈回路的音量或幅度阈值则激活压缩限幅器而被减弱。一旦反馈被排除，限幅器可以被撤销。在一些示例中，限幅器被逐渐撤销，并且如果反馈再一次被检测到，其升回到没有检测到反馈的最低水平。在一些示例中，监视前馈补偿器的输出K_ff的相锁回路被配置为在预定义的频率跨度锁定相对纯的音调。当相锁回路实现锁定状态时，这将指示将随后沿前馈信号路径触发压缩器的不稳定性。在压缩器处的增益以规定的速率被减小，直到增益足够低以用于停止振荡状况。当振荡停止时，相锁回路失去锁定状况并且释放压缩器，其允许增益恢复到普通操作值。因为振荡在其可以被压缩器抑制之前必须首先发生，如果物理状况(例如，手的位置)被维持，用户将听见重复的啁啾声(chirp)。然而持续的响的尖叫声比短的重复的安静啁啾声要令人不愉快得多。

双耳遥现

通过主动透听的可用性可能做出的另一特征是共享的双耳遥现(binaural telepresence)。针对该特征，来自耳机的第一集合的右耳杯和左耳杯的前馈麦克风信号被传输至耳机的第二集合，其基于耳机的第二季和的声学特性使用其自身的均衡滤波器再现它们。传输的信号可以被滤波以补偿前馈麦克风的特定频率响应，向远程耳机提供更归一化的信号。在耳机的第二集合中回放耳机的第一集合的前馈麦克风信号允许耳机的第二集合的用户听见耳机的第一集合的环境。这样的布置可以是相互的，使得耳机的两个集合均向彼此传输它们的前馈麦克风信号。用户可以活着选择每个听见另一个的环境，或者为他们两者选择听见一个环境。在后者的模式中，两个用户“共享”源用户的耳朵，并且远程用户可以选择处于待被沉浸在源用户的声环境中的全噪声消除模式。

这样的特征可以更加沉浸地在两个人之间做出简单的通信，并且其还可以具有工业应用，诸如允许远程技师听见本地同事或客户试图设计或诊断音频系统或问题处的设施的环境。例如，在新的礼堂安装音频系统的音频系统工程师可能希望关于由音频系统产生的声音咨询位于他们家庭办公室的另一系统工程师。通过使双方佩戴这样的耳机，由于主动透听滤波器，远程工程师可以以足够的清晰度听见安装者所听见的已给出有质量的简易如何调试该系统。

这样的双耳遥现系统要求用于通信的一些系统，以及向通信系统提供麦克风信号的方式。在一个示例中，可以使用智能电话或平板电脑。耳机的提供远程音频信号的至少一个集合从常规设计修改以提供两个耳朵的前馈麦克风信号作为输出到通信设备。针对智能电话和电脑的耳机音频连接通常仅包括三个信号路径——到耳机的立体声音频，以及从耳机到电话或电脑的单声道麦克风音频。来自耳机的双耳输出附加任何通信麦克风输出可以通过现有的协议的非标准应用被完成，诸如通过使得耳机作为蓝牙立体声音频源和电话接收器操作(与常规布置相反)。可替代地，附加的音频信号可以通过具有比通常的耳机接口更多的连接件的有线连接而被提供，或者专有的无线或有线数字协议可以被使用。

然而信号被递送至通信设备，其随后向远程通信设备传输音频信号对，其将它们提供至第二耳机。在最简单的配置中，两个音频信号可以作为标准立体声音频信号被递送至接收耳机，但将它们单独从普通立体声音频输入递送至耳机可以是更有效率的。

如果用在该系统的通信设备还提供视频会议，使得用户可以看见彼此，翻转左和右前馈麦克风信号也可以是理想的。该方式，如果一个用户对他们左边的声音做出反应，另一个用户在他们的右耳听见该声音，匹配看见注视视频会议显示器的远程用户的方向。信号的该保留可以在系统中的任何点处被完成，但如果通过接收通信设备被完成则可能是最有效率的，因为该设备直到在该端的用户是否正在接收视频会议信号。

通过提供前馈麦克风信号作为来自耳机的输出而可能做出的另一特征是具有回放的环境自然度的双耳录音。即，使用来自前馈麦克风的原始或麦克风滤波的信号做出的双耳录音可以使用回放耳机的K_eq被回放，使得人收听在原始环境中感到完全沉浸的录音。

其它实施方式处于以下权利要求以及申请人可能赋予的其它权利要求的范围以内。

Claims (17)

1.一种主动噪声降低耳机，包括：

耳件，所述耳件被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义声体积，所述声体积包括在所述佩戴者的耳道以内的空气的体积以及在所述耳件以内的体积；

前馈麦克风，所述前馈麦克风被声耦合至外部环境并且被电耦合至前馈主动噪声消除信号路径；

反馈麦克风，所述反馈麦克风被声耦合至所述声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径；

信号输入，所述信号输入用于接收输入电子音频信号并且被电耦合至音频回放信号路径；

输出换能器，所述输出换能器经由在所述耳件以内的所述体积被声耦合至所述声体积，并且被电耦合至所述前馈主动噪声消除信号路径和所述反馈主动噪声消除信号路径以及所述音频回放信号路径；以及

信号处理器，所述信号处理器被配置为应用滤波器并且控制所述前馈主动噪声消除信号路径和所述反馈主动噪声消除信号路径两者的增益；

其中所述信号处理器被配置为：

在提供环境声音的有效消除的第一操作模式期间向所述前馈信号路径应用第一前馈滤波器并且向所述反馈信号路径应用第一反馈滤波器；

在提供具有环境自然度的环境声音的主动透听的第二操作模式期间向所述前馈信号路径应用第二前馈滤波器；以及

在所述第一操作模式和所述第二操作模式两者期间，经由所述音频回放信号路径向所述输出换能器提供所述输入电子音频信号。

2.根据权利要求1所述的耳机，其中在所述第一操作模式期间由于在所述耳机中存在的外部噪声所导致的在所述耳朵处的残余声音比在所述第二操作模式期间由于在所述耳机中存在的相同的外部噪声所导致的在所述耳朵处的残留声音小12dBA。

3.根据权利要求1所述的耳机，其中所述耳机的在再现所述输入音频信号中的总音频水平在所述第一操作模式和所述第二操作模式两者中是相同的。

4.根据权利要求3所述的耳机，其中所述耳机的频率响应在所述第一操作模式和所述第二操作模式两者中是相同的，并且

所述信号处理器被配置为在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间改变被应用至所述音频回放信号路径的增益。

5.根据权利要求4所述的耳机，其中所述信号处理器被配置为：相对于在所述第一操作模式期间被应用至所述音频回放信号路径的增益，减小在所述第二操作模式期间被应用至所述音频回放信号路径的增益。

6.根据权利要求4所述的耳机，其中所述信号处理器被配置为：相对于在所述第一操作模式期间被应用至所述音频回放信号路径的增益，增大在所述第二操作模式期间被应用至所述音频回放信号路径的增益。

7.根据权利要求1所述的耳机，进一步包括用户输入，并且

其中所述信号处理器被配置为：

在提供具有环境自然度的环境声音的主动透听的第三操作模式期间向所述前馈信号路径应用所述第二前馈滤波器；

在所述第三操作模式期间，不经由所述音频回放信号路径向所述输出换能器提供所述输入电子音频信号；

当在所述第一操作模式期间从所述用户输入接收到信号时，转换至所述第二操作模式或者所述第三操作模式中选择的一个操作模式。

8.根据权利要求7所述的耳机，其中对转换至所述第二操作模式还是所述第三操作模式的所述选择基于所述信号从所述用户输入被接收的持续时间。

9.根据权利要求7所述的耳机，其中对转换至所述第二操作模式还是所述第三操作模式的所述选择基于所述耳机的预定配置设置。

10.根据权利要求9所述的耳机，其中所述耳机的所述预定配置设置由开关的位置来确定。

11.根据权利要求9所述的耳机，其中所述耳机的所述预定配置设置由被所述耳机从计算设备接收到的指令来确定。

12.根据权利要求7所述的耳机，其中所述信号处理器被配置为：

当进入所述第三处理模式时，向所述输入电子音频信号的源传输命令以暂停媒体源的回放。

13.根据权利要求1所述的耳机，其中所述音频回放信号路径和所述输出换能器在没有功率被应用至所述信号处理器时是操作的。

14.根据权利要求13所述的耳机，其中所述信号处理器进一步被配置为：

当激活所述信号处理器时，将所述音频回放信号路径从所述输出换能器断开连接，以及

在时延之后，经由被所述信号处理器应用的滤波器将所述音频回放信号路径重新连接至所述输出换能器。

15.根据权利要求13所述的耳机，其中所述信号处理器进一步被配置为：

当激活所述信号处理器时，最初维持所述音频回放信号路径至所述输出换能器，以及

在时延之后，将所述音频回放信号路径从所述输出换能器断开连接，并且同时经由被所述信号处理器应用的滤波器将所述音频回放信号路径连接至所述输出换能器。

16.根据权利要求15所述的耳机，其中当所述信号处理器不活动时所述耳机的在再现所述输入音频信号中的总音频响应由第一响应被特征化，并且所述信号处理器被配置为：

在所述时延之后，应用导致所述耳机的在再现所述输入音频信号中的所述总音频响应保持与所述第一响应相同的第一均衡滤波器，以及

在第二时延之后，应用导致与所述第一响应不同的总音频响应的第二均衡滤波器。

17.一种操作主动噪声降低耳机的方法，所述耳机包括：

耳件，所述耳件被配置为耦合至佩戴者的耳朵以定义声体积，所述声体积包括在所述佩戴者的耳道以内的空气的体积以及在所述耳件以内的体积；

前馈麦克风，所述前馈麦克风被声耦合至外部环境并且被电耦合至前馈主动噪声消除信号路径；

反馈麦克风，所述反馈麦克风被声耦合至所述声体积并且被电耦合至反馈主动噪声消除信号路径；

信号输入，所述信号输入用于接收输入电子音频信号并且被电耦合至音频回放信号路径；

输出换能器，所述输出换能器经由在所述耳件以内的所述体积被声耦合至所述声体积，并且被电耦合至所述前馈主动噪声消除信号路径和所述反馈主动噪声消除信号路径以及所述音频回放信号路径；以及

信号处理器，所述信号处理器被配置为应用滤波器并且控制所述前馈主动噪声消除信号路径和所述反馈主动噪声消除信号路径两者的增益；

所述方法包括：在所述信号处理器中，

在用于提供环境声音的有效消除的第一操作模式期间，向所述前馈信号路径应用第一前馈滤波器并且向所述反馈信号路径应用第一反馈滤波器；

在用于提供具有环境自然度的环境声音的主动透听的第二操作模式期间，向所述前馈信号路径应用第二前馈滤波器；以及

在所述第一操作模式和所述第二操作模式两者期间，经由所述音频回放信号路径向所述输出换能器提供所述输入电子音频信号。