CN106105257B

CN106105257B - 具有线性压力均衡端口的耳机

Info

Publication number: CN106105257B
Application number: CN201580013927.1A
Authority: CN
Inventors: R·萨派诸斯基; M·伯杰龙; M·D·谢特伊
Original assignee: Dr & Co Ltd
Current assignee: Dr & Co Ltd
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: CN106105257A; EP3120575A1; JP6336613B2; EP3120575B1; JP2017513356A; WO2015142630A1

Abstract

一种耳机，包括至少一个耳罩，该耳罩具有被驱动器隔开的前腔和后腔。该耳罩包括将该前腔耦合到该耳罩外部空间的压力均衡端口，该压力均衡端口具有大于2mm²的横截面面积，并且该压力均衡端口的长度明显比宽度更长，从而提供了主要为电抗性的声阻抗，使得包括该端口在内的前腔对经驱动器输入的信号的压力响应在该前腔内的宽范围的压力级上可以是有效地线性的。

Description

具有线性压力均衡端口的耳机

背景技术

本发明一般而言涉及耳机端口，并且更具体地涉及具有线性压力均衡端口的耳机，其特征在于具有非常低电阻分量的声阻抗。

背景技术请参考美国专利号4644581、5181252和6831984，将包括它们的历史文件通过引用并入本文。

发明内容

一般地，在一个方面，耳机包括至少一个耳罩，该耳罩具有被驱动器隔开的前腔和后腔。该耳罩包括将该前腔耦合到该耳罩外部空间的压力均衡端口，该压力均衡端口具有大于2mm²的横截面面积，并且该压力均衡端口的长度明显比宽度更长，从而提供了主要为电抗性的声阻抗，使得包括该端口在内的前腔的压力响应在所述前腔内的宽范围的压力级上可以是有效地线性的。

实现方式可以包括任意组合的一个或多个以下方式。前腔内压力级的范围可以包括约120dB SPL和150dB SPL之间的声压级。压力均衡端口可以包括大于约15mm长的管。压力均衡端口可以包括具有大于约1.75mm²的横截面面积的管。压力均衡端口可以包括具有约10：1和25：1之间的长度与内径纵横比的管。该压力均衡端口管可以由金属制成。该金属可包括不锈钢。该压力均衡端口管可以包括位于该前腔的壁内的金属管。耳罩可以由塑料制成，并且该压力均衡端口管可以被热熔到该塑料。主动降噪电路可以被耦合到该驱动器。

一般地，在一个方面，耳机包括至少一个耳罩以及高顺应性驱动器，该耳罩具有前腔和后腔，该前腔和后腔分别具有前腔顺应性和后腔顺应性，该高顺应性驱动器在前腔和后腔之间并且具有比该后腔顺应性更大的驱动器顺应性。该耳罩包括并联地连接到后腔的质量端口和阻性端口，以及连接到前腔的压力均衡端口，该压力均衡端口具有大于1.75mm²的横截面面积，并且该压力均衡端口的长度明显比可能的宽度更长，从而提供了主要为电抗性的声阻抗，使得包括该端口在内的前腔对于经驱动器输入的信号的压力响应在前腔内的宽范围的压力级上可以是有效地线性的。主动降噪系统被耦合到该驱动器。

一般地，在一个方面，一种装置，包括：头戴式耳机的第一耳罩外壳，头戴式耳机的第二耳罩外壳，设置在第一耳罩外壳和第二耳罩外壳之间的电声驱动器(使得第一耳罩外壳和驱动器的第一面限定前腔，并且第二耳罩外壳和驱动器的第二面限定后腔)，以及至少15mm长并且具有至少1.75mm²的横截面面积的内孔的金属管，该金属管位于第一耳罩外壳中并且将前腔耦合到该装置周围的空间。

从结合附图时阅读的以下描述中，其他特征、目的和优点将会变得清楚。

附图说明

图1是具有线性化的端口的头戴式耳机的耳罩的透视图；

图2是图1中的头戴式耳机的耳罩的部分分解图，示出了端口与头戴式耳机的耳罩的关系；

图3是图1中的头戴式耳机的耳罩的平面图；

图4是图1中的头戴式耳机的耳罩通过图3的截面A-A的截面图；

图5是图3中的头戴式耳机的耳罩的侧视图；以及

图6是表示实施本发明的主动降噪系统的逻辑布置的流程图。

图7、图8、图13和图14是头戴式耳机的耳罩响应于各种功率水平输入的曲线图。

图9和10是具有线性化的压力均衡端口的头戴式耳机的耳罩的截面示意图。

图11和图12是具有不同压力均衡端口设计的头戴式耳机的耳罩响应的曲线图。

具体实施方式

现在参照附图并且更具体地参照其中的图1和图2，示出了实施本发明的耳机罩的透视图。为了避免模糊本发明的原理，耳机的多数常规部件，包括耳罩部，未详细说明。耳机罩11包括由外壳12A部分地包围的前腔12和由第二外壳13A部分地包围的后腔13。这两个空腔由电声换能器或驱动器17隔开。前腔将由驱动器输出的声音耦合到用户的耳朵。由后腔封闭的空气为驱动器的运动提供受控的声阻抗，控制该驱动器的响应和耳机的声学性能。后腔13通过具有阻性端口盖15的阻性端口14和质量端口管16而耦合到其周围的空气。

两个端口均提供对具有电阻(resistive)分量和电抗(reactive)分量的气流的阻抗(impedance)。阻性端口14的长度可忽略不计，从而使端口的阻抗以端口盖的电阻为主。质量端口16的长度明显长于其宽度，从而使其阻抗以其电抗为主，这取决于在管内的空气体积的声质量。质量端口16的阻抗随着在后腔13中使得气流通过它们的声压的频率而变化。特别地，随着频率降低，质量端口的电抗分量对总阻抗的贡献降低，使得在较低频率时的阻抗以质量端口的阻抗的电阻分量为主，该电阻分量针对频率相对恒定。但是，该电阻分量随着该空腔内的声压级而变化，并且这个可变阻抗导致对于其中电阻分量占主导地位的频率上的压力的响应是非线性的。

在声学系统的响应中的非线性(即阻抗随着声压级增大)限制了ANR电路可以在其上工作的输出水平—更高的阻抗需要更大的力来移动空气，这需要更多的电流通过换能器的马达，可能超过换能器或放大器的容量。图7示出了使用常规端口的耳罩对各种输入功率水平的规范化的响应，但其中阻性端口(对应于图1中的14)受阻，因此只有质量端口可运行。第一点划线100示出了当施加1mW的功率时的响应。随着功率增加到10mW(实线102)和100mW(虚线104)，可以看到，在约30赫兹和150赫兹之间的响应随着增加功率而降低。在所测试的特定的耳机中，前腔被密封到平板上(而不是人耳)，这些功率水平在60赫兹被递送122至137dB SPL的输出水平。由完整产品递送的实际功率将会显著降低，因为这些测试没有使用任何压缩(如下面所讨论的)来避免使驱动器过载。为了在此频率范围中实现更高的SPL水平，将需要显著更多的功率。然而为了避免使换能器过载，ANR电路的最大输出功率被限制，例如，通过压缩或剪裁，限制ANR电路可以消除的声音水平。在常规的ANR耳机中，在正常操作中所经历的压力水平上非线性并不明显，输出功率的限制不会被大多数用户注意到。然而对于军事应用的耳机，可能经受显著更高的声压级，在该点处端口响应的非线性就成为一个问题。现有军事ANR耳机已被限制为消除约120dB SPL的声压级，以避免压缩该信号。

为了解决这个问题，质量端口相对于现有设计被修改，以减少其阻抗的电阻分量，延伸其中电抗部分占主导地位并且其中作为频率的函数的总阻抗基本上为线性的频率范围。通过增加质量端口16的直径来降低电阻。单独增加直径会降低端口的有效声学质量，因此会保持原有电抗，还增加了质量端口的长度。增加长度对声学质量比对电阻的影响更大，所以这不会破坏增加直径的好处。在一个示例中，端口管的横截面面积从常规耳机的2.25mm²增加到9.1mm²。为了保持电抗，长度从10mm增加到37mm(最终效果导致有效长度略微增加，这是直径增加的一个效果)。也就是说，面积增加4倍与长度增加4倍相匹配。图8示出了在与图7相同的测试中具有增大的质量端口的响应。点划线110示出了对1mW的响应，实线112示出了对10mW的响应，并且虚线114示出了对100mW的响应。如可以看到的，该响应在整个频率范围内更加的线性——对不同的功率水平有较小的变化——仅有少量的功率跌落并且在50～90赫兹的更窄范围内。这些标准化的曲线对应于在70赫兹峰值的125dB至143dB的SPL范围。在实际应用中(阻性端口开放，前腔到人头部泄漏密封)，耳机的ANR电路能够在高达135dB SPL的声压级、在大约60至100Hz之间的频率上有效工作。与此相反，体现在战术耳机中的现有设计将剪裁在相同的频率范围内的低于120dB SPL的声压级的ANR输出，以避免使该电路过载。增加端口尺寸还提高了在整个可听频率范围内的声学响应的一致性。

与质量端口16并联的阻性端口14还提供了电阻阻抗，并且期望这两个阻抗(电阻和电抗)保持并联而不是串联。纯阻性端口提高了在一些频率(其中只有纯电抗端口的后腔将有端口共振，显著地切割输出功率)上的性能，同时降低了在其他频率上的性能。在可控的纯阻性端口中提供这种电阻而电抗端口具有尽可能小的电阻会允许管理该降低，并且它的好处实现为整个系统的最佳优势。

因此，在高噪声环境中使用的头戴式耳机的性能是通过扩展工作频率范围来改善的，在所述工作频率上质量端口从后腔至周围环境的声学阻抗作为频率的函数是纯电抗的，使得总体后腔响应针对各个声压级保持有效地为线性。这是通过同时增加端口的直径和长度来实现的，但实际上制造这种端口呈现有额外的困难。如所指出的，在示例中对于长度与直径大致10倍纵横比，端口为37mm长，并且具有9.1mm²的横截面面积，或直径为3.4mm。考虑质量端口的尺寸的另一种方法是，管内的空气体积为337mm³，而后腔的体积(不包括被管自身占据的体积)为11100mm³，从而使得后腔体积与质量端口体积之比为约33：1。常规的质量端口具有显著更小的体积，因而后腔体积与质量端口体积之比显著更大。例如，对于以上所描述的具有2.25mm²面积及10mm长度的常规质量端口，其体积为22.5mm³，并且其比例(在相同尺寸的后腔中)是493：1。为端口体积和空腔体积施加百分之十的公差，本设计的比例可以在从约27：1到40：1之间变化，而使用现有端口尺寸的比例可以在从约400：1到600：1之间变化。申请人还发现，优选地是端口为均匀的横截面，以便提供各单元之间的响应一致性。端口还优选地是内部光滑，以避免引起湍流，这可能会向响应重新引入电阻分量。在用于制造耳机外壳12A和13A的ABS塑料中提供均匀横截面并且没有内部突起的长瘦管是极其困难的。无法在具有均匀的横截面时模塑具有这么长的拉伸的管，并且从多件组装端口将会引入粗糙的边缘，以及潜在的装配偏差。

为了解决这个问题，在图1-图5所示的实施例中，质量端口16由金属(诸如不锈钢)制成，并且具有在其整个长度上是均匀的横截面的孔，保留端口响应的电抗性质。此外，该金属端口提供不含会引入湍流的突起的平滑内表面，因此保持端口响应的电阻分量较低。除了递送所需的端口响应，金属质量端口提供额外的优点。端口管本身的高质量会防止管结构的鸣响(与管内的声学体积相反)。对于组件，该管的一端形成有粗糙表面(诸如滚花(图2和图4))，以允许金属管被热熔到外壳13A的ABS塑料中，提供部件之间的安全可靠的连接。延伸到后腔中的一部分管可以保持光滑，以便于插入并避免在后腔内引入湍流。如在几个附图中可以看到的，管16延伸出由后壳13A所包围的空腔13。这减小了该管结构本身占后腔的体积的量，带走可用于空气的体积。特别地，有纹理并固定到塑料的管的部分会延伸到后腔的外侧。

图2的分解图示出了质量端口管16从将其包围在后壳13A中的开口16A移除。后腔壳13A也从前壳12A移除以显示驱动器17。

参照图3，示出了图1的耳机的耳罩的平面图。

参照图4，示出了从图3的截面A-A的截面图，其示出了质量端口管16与后腔13的关系。

参照图5，示出了图1的耳机的耳罩的侧视图。

图1的耳机通常包括含有描述于前述美国专利第6831984号和本文描述的其他专利中的类型的电路的主动降噪耳机。

参照图6，其示出了一个流程图，其图示了包含大体对应于上述'581专利的图1和上述'252专利的图4的发明的一种系统的逻辑布置。信号合并器30在输入终端24上将期望由头戴式耳机复制的信号(如果有的话)与由麦克风前置放大器35提供的反馈信号代数地组合。信号合并器30将所组合的信号提供至压缩机31，其限制了高电平信号的电平。压缩机31的输出被施加到补偿器31A。补偿器31A包括补偿电路以确保开环增益满足奈奎斯特稳定性标准，从而当环路闭合时系统不会发生振荡。所示出的系统为左耳和右耳各重复一次。

功率放大器32放大来自补偿器31A的信号，并激励头戴式耳机驱动器17以在空腔12中提供声音信号，该声音信号与从表示为声学输入终端25的区域进入空腔12的外部噪声信号相组合，以在空腔12内产生表示为圆圈36的组合声压信号，从而提供适用于麦克风18并由麦克风18变换的组合声压信号。麦克风放大器35放大所变换的信号，并将其递送给信号合并器30。

已经描述了一种便携式耳机，其特征在于在高声级具有线性声阻抗，以允许在非常嘈杂的环境中改善降噪，其中的声级在60和100赫兹之间可以大于120dB SPL。本领域技术人员清楚的是，在不脱离发明构思的前提下，现在可以从本文的特定装置和技术做出多种用途以及修改和变更。因此，本发明将被解释为包含存在于或具备于本文公开的装置和技术的每个和所有的新颖性特征和特征的新颖性组合，并仅受所附权利要求的精神范围的限制。

如图9至图14所示，在降噪耳机中得益于线性化的另一个端口是压力均衡(PEQ)端口。不像上面所讨论的端口主要是为了控制耳机的声学响应，PEQ端口主要是为了允许耳罩前腔内的压力(例如，由压在耳罩上的外力引起)与耳罩外的压力实现均衡。穿过耳罩放置孔可能破坏耳机的噪声消除性能，因为目标是不从耳罩外向耳罩内转移声压。这通常是通过使PEQ端口尽可能小来平衡的，使得它仅在低频时均衡压力，即，它均衡稳态压力差，而非可听范围内的SPL差。

尽管如此，现有PEQ端口设计仍然导致降噪性能有所降低。另外，小PEQ端口也可能表现为它在高压下好像是闭合的，即便对于低频也是如此。这可以通过使端口面积增大从而允许在高压下有更多的空气流来改善，但是这样的较大的孔进一步破坏了被动降噪。以上述用于质量端口所讨论的相同方式使得PEQ端口更加电抗，恢复了因增加端口的面积所引起的无源衰减损失。使得PEQ端口更长会增加其电阻以及其电抗。该增加的电阻至少部分地被使端口面积更大而引起的电阻降低而抵消，因此净电阻增加不大到足以破坏较大的端口所改善的线性度。

图9和图10示意性地示出了现有技术的PEQ端口和改进的PEQ端口。在图9中，耳罩202包括短、小直径的PEQ端口204，基本上仅是穿过耳罩的塑料外壳的孔。在图10中，耳罩206具有更长、更宽的PEQ端口208，其是延伸到耳罩前体积的管的形式。在一个特定的示例中，两个耳罩的前体积均为100cm³，并且原来的PEQ端口204的直径是1mm，长度是1.5mm。改进的PEQ端口208的直径是1.7mm，长度是20mm。这表示有效面积有3倍增加(从0.78mm²到2.27mm²)和长度有13.3倍增加。至少，优选地是该端口的有效有效横截面面积至少为1.75mm²且长度至少为15mm。长度与直径的比例应在10：1至25：1的范围内。实际面积可沿着管的长度而变化，例如如果在一端或两端都提供了闪光(flare)时。有效面积对应于平均面积，或者可以通过测量管的声学效果来确定的并假设它是均匀的面积。

与上面的质量端口一样，增加PEQ端口的直径同时使其更长保持了其声阻抗的电阻分量，而增加其长度保持，并且在这种情况下增加电抗分量。如示出了模拟行为的图11所示，这种增加的效果是在100赫兹和700赫兹之间将被动传输损耗(PTL，即耳罩的被动衰减)提高约2dB。曲线302示出了原始设计的PTL，曲线304示出了新设计的改进的PTL。如图12所示，其示出了在实际的头戴式耳机原型上的测量，PTL从约200赫兹至约800赫兹明显地提高。曲线306示出了在原型耳罩中使用的现有PEQ端口的实际性能，曲线308示出了新的PEQ端口在相同的原型耳罩内的实际性能。

虽然不能直接可听，但是可能由耳罩的物理运动所引起的低于20赫兹的低频压力变化，可以导致在主动降噪系统中的可听效果，被称为抖振(buffet)。通过允许端口在更高的压级上保持线性，增加PEQ端口的直径会减少在ANR耳机内听到抖振。

图13和图14比较了分别在现有技术和改进的设计中响应于不同的输入信号电平的前耳罩内的压力。不同的输入信号电平对应于耳罩内不同的绝对压力级，因为较高的信号电平使驱动器产生更高的压力。因为响应被示为dB SPL每伏，因此曲线之间比较的是响应的形状，而不是它们的绝对电平。在图13中，对于改变输入信号电平，可见到响应的形状有显著地变化，特别是在低频率下，由虚线椭圆322突出显示。虚线310示出了在低输入信号电平下的预期响应。对于中等和较高的信号电平，曲线312和314这些曲线会示出耳罩内产生更高的压力。这个更高的压力，如上所提到的，可能会导致ANR系统故障。在图14中，利用更长更宽的端口，在不同的输入信号电平之间的响应的形状仅有非常小的变化，曲线316、318和320(特别是在所感兴趣的低频率上)由虚线椭圆324突出显示。这表明，无论什么样的输入信号，在耳罩内的压力是一致的，并且对ANR系统的干扰已被移除。

Claims

1.一种耳机，包括：

至少一个耳罩，具有被驱动器隔开的前腔和后腔，

所述耳罩包括压力均衡端口，所述压力均衡端口将所述前腔耦合到所述耳罩外部的空间，

所述压力均衡端口具有大于2mm²的有效横截面面积，并且所述压力均衡端口的长度明显比宽度更长，从而提供了电抗性的声阻抗，

使得包括所述端口的所述前腔的压力响应在所述前腔内的宽范围的压力级上是有效地线性的，

其中所述前腔被布置用于将由所述驱动器输出的声音耦合到用户的耳朵。

2.根据权利要求1所述的耳机，其中所述前腔内的所述压力级的范围包括在120dB SPL与150dB SPL之间的声压级。

3.根据权利要求1所述的耳机，其中所述压力均衡端口包括比15mm长更长的管。

4.根据权利要求1所述的耳机，其中所述压力均衡端口包括具有大于1.75mm²的有效横截面面积的管。

5.根据权利要求1所述的耳机，其中所述压力均衡端口包括长度与内径纵横比在10：1与25：1之间的管。

6.根据权利要求1所述的耳机，其中所述压力均衡端口管由金属制成。

7.根据权利要求6所述的耳机，其中所述金属包括不锈钢。

8.根据权利要求6所述的耳机，其中所述压力均衡端口管包括位于所述前腔的壁的内侧的金属管。

9.根据权利要求6所述的耳机，其中所述耳罩由塑料制成，并且所述压力均衡端口被热熔到所述塑料。

10.根据权利要求1所述的耳机，还包括耦合到所述驱动器的主动降噪电路。

11.一种耳机，包括：

至少一个耳罩，具有前腔和后腔，所述前腔和所述后腔分别具有前腔顺应性和后腔顺应性，

高顺应性驱动器，在所述前腔与所述后腔之间并且具有比所述后腔顺应性更大的驱动器顺应性，

所述耳罩包括并联地连接到所述后腔的质量端口和阻性端口，以及连接到所述前腔的压力均衡端口，

所述压力均衡端口具有大于1.75mm²的有效横截面面积，并且所述压力均衡端口的长度明显比宽度更长，从而提供了电抗性的声阻抗，

使得包括所述端口的所述前腔对于经由所述驱动器输入的信号的压力响应在所述前腔内的宽范围的压力级上是有效地线性的，

以及耦合到所述驱动器的主动降噪系统，

12.根据权利要求11所述的耳机，其中所述压力均衡端口包括长度与内径纵横比在10：1与25：1之间的管。

13.根据权利要求11所述的耳机，其中所述前腔内的所述压力级的范围包括在120dBSPL与150dB SPL之间的声压级。

14.根据权利要求11所述的耳机，其中所述压力均衡端口包括比15mm长更长的管。

15.根据权利要求11所述的耳机，其中所述压力均衡端口管由金属制成。

16.根据权利要求15所述的耳机，其中所述金属包括不锈钢。

17.根据权利要求15所述的耳机，其中所述压力均衡端口管包括位于所述前腔的壁的内侧的金属管。

18.根据权利要求15所述的耳机，其中所述耳罩由塑料制成，并且所述压力均衡端口被热熔到所述塑料。

19.一种耳机装置，包括：

头戴式耳机的第一耳罩外壳，

所述头戴式耳机的第二耳罩外壳，

设置在所述第一耳罩外壳与第二耳罩外壳之间的电声驱动器，使得所述第一耳罩外壳和所述驱动器的第一面限定前腔，并且所述第二耳罩外壳和所述驱动器的第二面限定后腔，以及

金属管，至少15mm长并且具有至少1.75mm²的有效横截面面积的内孔，

所述金属管位于所述第一耳罩外壳中并且将所述前腔耦合到所述装置周围的空间，

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述第一耳罩外壳包括塑料，并且所述金属管包括在一端处的粗糙外表面，所述粗糙外表面被锚固在所述第一耳罩外壳的塑料中。

21.根据权利要求19所述的装置，其中所述管的内孔的横截面是均匀的。

22.根据权利要求19所述的装置，其中所述管的内孔是平滑的。

23.根据权利要求19所述的装置，其中所述金属管由不锈钢制成。

24.根据权利要求19所述的装置，其中所述金属管包括长度与内径纵横比在10：1与25：1之间的管。

25.根据权利要求19所述的装置，还包括耦合到所述电声驱动器的主动降噪电路。