CN105187993B - 一种三维立体声耳机装置及还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维立体声耳机装置及还原方法，所述耳机装置包含一对耳罩杯，每个所述耳罩杯包含至少一个扬声器、至少一个外置传声器和至少一个内置传声器，所述耳机装置还包含集成电路单元，所述集成电路单元设置在其中一个所述耳罩杯内，所述耳罩杯的扬声器、外置传声器和内置传声器均与所述集成电路单元连接，所述集成电路单元对现场声音进行建模、录音、还原以及播放等步骤来还原现场双耳所听到的声音。本发明能够满足人们对现场的声音进行录音并且还原现场双耳听到的声音感受的需求，能够给人们带来很好的现场临场声音体验和感受，耳机装置成本低廉，方便携带。

Description

一种三维立体声耳机装置及还原方法

技术领域

本发明涉及电声技术领域，具体涉及一种三维立体声耳机装置及还原方法。

背景技术

在很多应用场景中，人们希望能够对现场的声音进行录音并且还原现场双耳听到的声音感受，重放时能使人身临其境。现有技术中有专业的设备可准确录制双耳所听到的声音，通过计算机编程进行离线信号处理并重放，能够还原现场双耳所听到的声音，但专业的设备昂贵并且不方便随身携带；而目前市场中便携设备(如手机或者平板电脑)利用自身传声器可以方便地对现场的声音进行录音，但音质差，没有三维立体声效果，不能满足人们对现场的声音进行录音并且还原现场双耳听到的声音感受的需求。

发明内容

为了解决人们对现场的声音进行录音并且还原现场双耳听到的声音感受的需求，本发明提供一种三维立体声耳机装置及还原方法。

本发明的技术方案如下：

一种三维立体声耳机装置，所述耳机装置包含一对耳罩杯，每个所述耳罩杯包含至少一个扬声器、至少一个外置传声器和至少一个内置传声器，所述耳机装置还包含集成电路单元，所述集成电路单元设置在其中一个所述耳罩杯内，所述耳罩杯的扬声器、外置传声器和内置传声器均与所述集成电路单元连接，所述集成电路单元包含有：

建立次级通道传递函数模块，用于在集成电路单元发出信号驱动扬声器发出声音、并拾取内置传声器的声音信号之后，对所述扬声器和内置传声器的次级通道传递函数建模；

立体声录音模块，用于控制外置传声器录音原始声音信号；

立体声还原模块，通过运用次级通道传递函数，实现对外置传声器录音的原始声音信号进行还原；

立体声播放模块，用于控制扬声器对还原后的声音信号进行播放。

进一步的，所述集成电路单元包含数字处理模块，功率放大电路，外置传声器放大电路，内置传声器放大电路和存储模块，所述数字处理模块与功率放大电路、外置传声器放大电路、内置传声器放大电路和存储模块分别连接；

所述数字处理模块用于控制整个集成电路单元；

所述外置传声器放大电路用于对外置传声器采集的声音信号进行处理；

所述内置传声器放大电路用于对内置传声器采集的声音信号进行处理；

所述功率放大电路用于对数字处理模块中的声音信号进行放大处理；

所述存储模块用于存储所述处理后的声音信号和所述还原后的声音信号。

进一步的，所述数字处理模块包含D/A转换器、数字处理芯片和A/D转换器，所述数字处理芯片为DSP或者CPU。

优选的，所述集成电路单元包括接口模块或通讯模块，所述耳机装置可通过接口模块或通讯模块与终端设备相互传输信号。

优选的，所述集成电路单元包括按键模块，用户可以通过所述按键模块对所述耳机装置进行建模、录音、还原和播放操作。

一种三维立体声还原方法，用于上述所述的耳机装置，所述方法包括步骤如下：

A)建立次级通道传递函数过程，包括：在集成电路单元发出信号驱动扬声器发出声音、并拾取内置传声器的声音信号之后，对所述扬声器和内置传声器的次级通道传递函数建模；

B)立体声录音过程，包括：外置传声器采集原始声音信号，经过外置传声器放大电路模块处理后输出给数字处理模块，数字处理模块将所述处理后的声音信号保存在存储模块；

C)立体声还原过程，包括：数字处理模块运用次级通道传递函数，对存储模块保存的所述处理后的声音信号进行还原处理，即可获得还原后的声音信号，数字处理模块将还原后的声音信号保存在所述存储模块；

D)立体声播放过程，包括：数字处理模块驱动扬声器播放保存在所述存储模块的还原后的声音信号。

一种三维立体声还原方法，用于上述所述的耳机装置，所述方法包括步骤如下：

A)建立次级通道传递函数过程，包括：在集成电路单元发出信号驱动扬声器发出声音、并拾取内置传声器的声音信号之后，对所述扬声器和内置传声器的次级通道传递函数建模；

B)立体声录音过程，包括：外置传声器采集原始声音信号，经过外置传声器放大电路模块处理后输出给数字处理模块，数字处理模块将所述处理后的声音信号保存在存储模块；

C)立体声还原过程，包括：数字处理模块运用次级通道传递函数，对存储模块保存的所述处理后的声音信号进行还原处理，即可获得还原后的声音信号，并控制扬声器播放还原后的声音信号。

其中，所述次级通道传递函数是通过比较数字处理模块发出的用于驱动扬声器发声的输入信号与经过功率放大电路和内置传声器放大电路的输出信号得到。

优选的，所述建立次级通道函数过程采用的算法是自适应滤波算法。

优选的，所述建立次级通道函数过程可用于不同用户分别建立不同的次级通道函数。

一种三维立体声播放装置，包含：

接收模块，用于接收上述所述的耳机装置还原后的声音信号；

播放模块，用于对接收模块接收的还原后的声音信号进行播放。

本发明的有益效果：本发明提供一种三维立体声耳机装置及还原方法，所述耳机装置包含一对耳罩杯，每个所述耳罩杯包含至少一个扬声器、至少一个外置传声器和至少一个内置传声器，所述耳机装置还包含集成电路单元，所述集成电路单元设置在其中一个所述耳罩杯内，所述耳罩杯的扬声器、外置传声器和内置传声器均与所述集成电路单元连接，所述集成电路单元对现场声音进行建模、录音、还原以及播放等步骤来还原现场双耳所听到的声音。本发明能够满足人们对现场的声音进行录音并且还原现场双耳听到的声音感受的需求，能够给人们带来很好的现场临场声音体验和感受，耳机装置成本低廉，方便携带。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种三维立体声耳机装置的示意图；

图2是本发明一种三维立体声耳机装置的集成电路单元组成示意图；

图3是本发明一种三维立体声还原方法的次级通道建模过程示意图；

图4是本发明一种三维立体声还原方法的录音过程示意图；

图5是本发明一种三维立体声还原方法的播放过程示意图；

图6是本发明一种三维立体声还原方法的信号处理流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明一种三维立体声耳机装置的示意图。

本发明提供一种三维立体声耳机装置1，所述耳机装置1包含一对耳罩杯2，即左耳罩杯21和右耳罩杯22，左耳罩杯21和右耳罩杯22之间由头带3连接，每个所述耳罩杯2包含至少一个扬声器11、至少一个外置传声器12和至少一个内置传声器13，即左耳罩杯21包含至少一个扬声器111、至少一个外置传声器121和至少一个内置传声器131，相同的，右耳罩杯22包含至少一个扬声器112、至少一个外置传声器122和至少一个内置传声器132。每个所述耳罩杯2可以包含一个或多个扬声器，例如高音扬声器、中音扬声器、低音扬声器等，每个所述耳罩杯2可以包含一个或多个外置传声器，例如指向性传声器和全向性传声器等，每个所述耳罩杯2可以包含一个或多个内置传声器，例如指向性传声器和全向性传声器等。传声器数量增加可增加功能和提升性能，例如，多个外置传声器形成传声器阵列，可设计来获得不同的指向性，也可提升信噪比，多个内置传声器形成阵列，可提升信噪比。外置传声器和内置传声器数量越多，传声效果越好。所述耳机装置1还包含集成电路单元14，所述集成电路单元14设置在其中一个所述耳罩杯2内，所述集成电路单元14可以设置在左耳罩杯21内，显而易见的，所述集成电路单元14也可以设置在右耳罩杯22内，所述耳罩杯2的扬声器11、外置传声器12和内置传声器13均与集成电路单元14连接，即左耳罩杯21的扬声器111、外置传声器121和内置传声器131均与集成电路单元14连接，右耳罩杯22的扬声器112、外置传声器122和内置传声器132也均与集成电路单元14连接，连接线(图未示)可从头带3内部穿过，所述集成电路单元14包含有：

建立次级通道传递函数模块，用于在集成电路单元14发出信号驱动扬声器11发出声音、并拾取内置传声器13的声音信号，对所述扬声器11和内置传声器13的次级通道传递函数建模。

立体声录音模块，用于控制外置传声器12录音原始声音信号。

立体声还原模块，通过运用次级通道传递函数，实现对外置传声器12录音的原始声音信号进行还原。

立体声播放模块，用于控制扬声器11对还原后的声音信号进行播放。

本发明提供的一种三维立体声耳机装置1由于设有内置传声器13，在集成电路单元14发出信号驱动扬声器11发出声音、并拾取内置传声器13的声音信号之后，对所述的扬声器11和内置传声器13的次级通道传递函数建模，通过运用次级通道传递函数，实现对外置传声器12录音的原始声音信号进行还原，能够满足人们对现场的声音进行录音并且还原现场双耳听到的声音感受的需求，能够给人们带来很好的现场临场声音体验和感受，耳机装置1成本低廉，方便携带。

具体而言，请参阅图2，图2是本发明一种三维立体声耳机装置的集成电路单元组成示意图。

其中，所述集成电路单元14包含数字处理模块401，功率放大电路402，外置传声器放大电路404，内置传声器放大电路403和存储模块405，所述数字处理模块401与功率放大电路402、外置传声器放大电路404、内置传声器放大电路403和存储模块405分别连接。

所述数字处理模块401用于控制整个集成电路单元14，其中所述数字处理模块401是整个集成电路单元14的核心模块，包含D/A转换器、数字处理芯片和A/D转换器，用于计算和控制整个集成电路单元。

所述外置传声器放大电路404用于对外置传声器121和外置传声器122采集的声音信号进行处理，处理方式为放大处理，并至数字处理模块401进行AD采样处理。

所述内置传声器放大电路403用于对内置传声器131和内置传声器132采集的声音信号进行处理，处理方式为放大处理，并至数字处理模块401进行AD采样处理。

所述功率放大电路402用于数字处理模块401中的声音信号进行放大处理。所述数字处理模块401中的声音信号包括：保存在存储模块405中的声音信号、通过接口模块连接的播放设备的声音信号以及次级通道建模时需要的噪声信号等等。

所述存储模块405用于存储所述处理后的声音信号和所述还原后的声音信号。

具体的，所述处理后的声音信号包括外置传声器放大电路404放大处理后送至数字处理模块401进行AD采样处理后的声音信号，也包括内置传声器放大电路403放大处理后送至数字处理模块401进行AD采样处理后的声音信号。所述还原后的声音信号包括立体声还原模块还原后的信号。

进一步的，所述数字处理模块401包含D/A转换器、数字处理芯片和A/D转换器，所述数字处理芯片为DSP或者CPU。

在其他实施例中，所述集成电路单元14还包括接口模块或通讯模块(图未示)，所述接口模块可以是USB接口，所述通讯模块可以是WIFI、蓝牙、以太网卡等模块。所述耳机装置1与移动终端设备(如手机、Ipad等)通过接口模块或通讯模块相互传输信号，所述信号可以是次级通道传递函数信号、外界原始声音信号放大采样处理后的声音信号、还原后的声音信号以及移动终端设备的声音信号等。

在其他实施例中，所述集成电路单元14还包括按键模块(图未示)，用户可以通过所述按键模块对所述耳机装置1进行建模、录音、还原和播放操作。例如，可设置4～6个按键，包括建模、录音、还原、播放、上一曲和下一曲，通过按键操作组合下达指令，对耳机装置1进行操作指挥。

具体而言，请参阅图3～6，是本发明一种三维立体声还原方法的次级通道建模过程、录音过程、播放过程、以及信号处理流程的示意图。

本发明提供另一种具体实施方式，一种三维立体声还原方法，用于上述所述的耳机装置1，所述方法包括步骤如下：

A)建立次级通道传递函数过程，包括：用于在集成电路单元14发出信号驱动扬声器11发出声音、并拾取内置传声器13的声音信号，对所述扬声器11和内置传声器13的次级通道传递函数建模。

其中，次级通道为一个通道，该通道按照顺序包括：功率放大电路、扬声器、扬声器到内置传声器的声学路径(包括整个耳罩腔体的效应)、内置传声器以及内置传声器放大电路。

B)立体声录音过程，包括：外置传声器12采集原始声音信号X，经过外置传声器放大电路模块404放大处理后输出给数字处理模块401进行AD采样处理，数字处理模板401将所述处理后的声音信号Y保存在存储模块405。

C)立体声还原过程，包括：数字处理模块401运用次级通道传递函数C，对存储模块405保存的所述处理后的声音信号Y进行还原处理，即可获得还原后的声音信号Z，数字处理模块401将还原后的声音信号Z保存在所述存储模块405。

D)立体声播放过程，包括：数字处理模块401驱动扬声器11播放保存在所述存储模块405的还原后的声音信号Z,在内置传声器13处能产生原始声音信号X，相应地在人耳处也还原了现场声音。

本发明还提供另外一种具体实施方式，一种三维立体声还原方法，用于上述所述的耳机装置1，所述方法包括步骤如下：

A)建立次级通道传递函数过程，包括：用于在集成电路单元14发出信号驱动扬声器11发出声音、并拾取内置传声器13的声音信号，对所述扬声器11和内置传声器13的次级通道传递函数建模。其中，次级通道为一个通道，该通道按照顺序包括：功率放大电路、扬声器、扬声器到内置传声器的声学路径(包括整个耳罩腔体的效应)、内置传声器以及内置传声器放大电路。

B)立体声录音过程，包括：外置传声器12采集原始声音信号X，经过外置传声器放大电路模块404放大处理后输出给数字处理模块401进行AD采样处理，数字处理模板401将所述处理后的声音信号Y保存在存储模块405。

C)立体声还原过程，包括：数字处理模块401运用次级通道传递函数C，对存储模块405保存的所述处理后的声音信号Y进行还原处理，即可获得还原后的声音信号Z，并控制扬声器11播放还原后的声音信号Z，即还原后的声音信号Z不保存在所述存储摸405就直接播放，在内置传声器13处能产生原始声音信号X，相应地在人耳处也还原了现场声音。

具体的，设X为在外置传声器12处的现场声音，外置传声器12到内置传声器13的距离约1～2厘米，对于绝大多数可听声而言，可视为同一个点，因此，还原双耳所听到的声音感受的目标是在用耳机装置1播放声音信号时，在耳罩杯2中内置传声器13位置产生同样为X的声音信号。若将X信号直接通过耳机播放，由于次级通道传递函数的影响，此时耳朵听到的声音与现场听到的声音还有一定误差，并不能满足人们对现场的声音进行录音并且还原现场双耳听到的声音感受的需求。利用次级通道传递函数进一步处理，使用该耳机装置1播放还原后的录音信号，可以达到身临其境的效果。一种三维立体声还原方法的原理过程如下：

在立体声录音过程中，现场声音信号X经外置传声器12及对应的外置传声器放大电路404输入数字处理模块401，得到信号Y并储存为处理后的声音信号，保存在存储模块405中，外置传声器12及对应的外置传声器放大电路404的传递函数设为Pout，即：

Y＝X·Pout (1)

在立体声还原过程中，处理后的声音信号Y经数字处理芯片中的T函数转换得到声音信号Z并储存为还原后的声音信号，即：

Z＝Y·T (2)

在立体声播放过程中，还原后的声音信号Z经功率放大电路402驱动扬声器11发声传递到内置传声器13，得到声音信号X’，功率放大电路402和扬声器11到内置传声器13的传递函数设为S，即：

X’＝Z·S (3)

在次级通道传递函数建模过程中，数字处理模块401发出的用于驱动扬声器11发声的输入信号Mo(一般为白噪声信号)，输入信号Mo经过功率放大电路402和内置传声器放大电路403之后，得到输出信号Mi，输出信号Mi输入给数字处理模块401，其中功率放大电路402和扬声器11到内置传声器13的传递函数为S，内置传声器13及对应的内置传声器放大电路403的传递函数设为Pin，即：

Mi＝Mo·S·Pin (4)

由于次级通道传递函数C＝Mi/Mo，故得：

C＝S·Pin (5)

由式(1)～式(5))，可得：

X’＝X·Pout·T·C/Pin (6)

目标为准确还原现场声，即使X’＝X，得：

T＝Pin/(Pout·C) (7)

令Pin＝Pout，即令外置传声器12和内置传声器13的频率响应函数一致(由于同一批生产的传声器一致性很好，故很容易实现)，同时令外置传声器放大电路404与内置传声器放大电路403频响相同(可采用同一种形式和参数的电路轻易实现)，可得：

T＝1/C (8)

因此，数字处理模块401将原始录音信号经过一个1/C的滤波器，即可产生还原后的现场声音信号，函数T是数字处理模块401的软件实现的。

其中，所述次级通道传递函数是通过比较数字处理模块401发出的用于驱动扬声器11发声的输入信号Mo与经过内置传声器放大电路403的输出信号Mi得到，即次级通道函数为C，公式如下：

C＝Mi/Mo (9)

优选的，所述建立次级通道函数过程采用的算法是自适应滤波算法。

优选的，所述建立次级通道函数过程可用于不同用户分别建立不同的次级通道函数C。所述次级通道传递函数包括：功率放大电路、扬声器、扬声器到内置传声器的声学路径(包括整个耳罩腔体的效应)、内置传声器、内置传声器放大电路。其中，对于同一只耳机，功率放大电路、扬声器、内置传声器和内置传声器放大电路都一样，仅扬声器到内置传声器的声学路径由于人耳、佩戴习惯的不同，有差异。因此不同的用户依据各自的人耳和佩戴习惯的不同建立不同的次级通道函数C。

本发明还提供另外一种具体实施方式，一种三维立体声播放装置，包含：接收模块，用于接收根据上述所述的耳机装置还原后的声音信号，播放模块，用于对接收模块接收的还原后的声音信号进行播放。所述三维立体声播放装置可以是手机、平板电脑、MP3、MP4、数码音频设备等，将上述实施例的三维立体声耳机装置生成的还原声音信号Z通过接收模块进行接收传输，接收传输方式包括但不限于WIFI、蓝牙、USB、以太网卡等传输方式，播放模块将接收模块接收的还原后的声音信号进行播放，就可以完整的播放还原后的三维立体声。

以上对本发明实施例所提供的一种三维立体声耳机装置及还原方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，因此，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种三维立体声耳机装置，其特征在于，所述耳机装置包含一对耳罩杯，每个所述耳罩杯包含至少一个扬声器、至少一个外置传声器和至少一个内置传声器，所述耳机装置还包含集成电路单元，所述集成电路单元设置在其中一个所述耳罩杯内，所述耳罩杯的扬声器、外置传声器和内置传声器均与所述集成电路单元连接，所述集成电路单元包含有：

建立次级通道传递函数模块，用于在集成电路单元发出信号驱动扬声器发出声音、并拾取内置传声器的声音信号之后，对所述扬声器和内置传声器的次级通道传递函数建模；

立体声录音模块，用于控制外置传声器录音原始声音信号；

立体声还原模块，通过运用次级通道传递函数，实现对外置传声器录音的原始声音信号进行还原；

立体声播放模块，用于控制扬声器对还原后的声音信号进行播放。

2.根据权利要求1所述的耳机装置，其特征在于，所述集成电路单元包含数字处理模块，功率放大电路，外置传声器放大电路，内置传声器放大电路和存储模块，所述数字处理模块与功率放大电路、外置传声器放大电路、内置传声器放大电路和存储模块分别连接；

所述数字处理模块用于控制整个集成电路单元；

所述外置传声器放大电路用于对外置传声器采集的声音信号进行处理；

所述内置传声器放大电路用于对内置传声器采集的声音信号进行处理；

所述功率放大电路用于对数字处理模块中的声音信号进行放大处理；

所述存储模块用于存储所述处理后的声音信号和所述还原后的声音信号。

3.根据权利要求2所述的耳机装置，其特征在于，所述数字处理模块包含D/A转换器、数字处理芯片和A/D转换器，所述数字处理芯片为DSP或者CPU。

4.根据权利要求1所述的耳机装置，其特征在于，所述集成电路单元包括接口模块或通讯模块，所述耳机装置可通过接口模块或通讯模块与终端设备相互传输信号。

5.根据权利要求1所述的耳机装置，其特征在于，所述集成电路单元包括按键模块，用户可以通过所述按键模块对所述耳机装置进行建模、录音、还原和播放操作。

6.一种三维立体声还原方法，其特征在于，用于权利要求1-5任一项所述的耳机装置，所述方法包括步骤如下：

A)建立次级通道传递函数过程，包括：在集成电路单元发出信号驱动扬声器发出声音、并拾取内置传声器的声音信号之后，对所述扬声器和内置传声器的次级通道传递函数建模；

B)立体声录音过程，包括：外置传声器采集原始声音信号，经过外置传声器放大电路模块处理后输出给数字处理模块，数字处理模块将所述处理后的声音信号保存在存储模块；

C)立体声还原过程，包括：数字处理模块运用次级通道传递函数，对存储模块保存的所述处理后的声音信号进行还原处理，即可获得还原后的声音信号，数字处理模块将还原后的声音信号保存在所述存储模块；

D)立体声播放过程，包括：数字处理模块驱动扬声器播放保存在所述存储模块的还原后的声音信号。

7.一种三维立体声还原方法，其特征在于，用于权利要求1-5任一项所述的耳机装置，所述方法包括步骤如下：

A)建立次级通道传递函数过程，包括：在集成电路单元发出信号驱动扬声器发出声音、并拾取内置传声器的声音信号之后，对所述扬声器和内置传声器的次级通道传递函数建模；

B)立体声录音过程，包括：外置传声器采集原始声音信号，经过外置传声器放大电路模块处理后输出给数字处理模块，数字处理模块将所述处理后的声音信号保存在存储模块；

C)立体声还原过程，包括：数字处理模块运用次级通道传递函数，对存储模块保存的所述处理后的声音信号进行还原处理，即可获得还原后的声音信号，并控制扬声器播放还原后的声音信号。

8.根据权利要求6或7所述的还原方法，其特征在于，所述次级通道传递函数是通过比较数字处理模块发出的用于驱动扬声器发声的输入信号与经过内置传声器放大电路的输出信号得到。

9.根据权利要求6或7所述的还原方法，其特征在于，所述建立次级通道函数过程采用的算法是自适应滤波算法。

10.根据权利要求6或7所述的还原方法，其特征在于，所述建立次级通道函数过程可用于不同用户分别建立不同的次级通道函数。

11.一种三维立体声播放装置，其特征在于，包含：

接收模块，用于接收根据权利要求1至5任一所述的耳机装置还原后的声音信号；

播放模块，用于对接收模块接收的还原后的声音信号进行播放。