CN106448645A - 噪声消除系统和技术 - Google Patents

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Abstract

用于噪声消除的技术包括一种自动化方法，其具有以下步骤：从在目标区域外面的扩音器阵列内定位的多个扩音器接收信号；在噪声到达目标区域之前从接收到的信号识别用于在目标区域外部的噪声的来源的噪声和位置信息；在噪声到达目标区域之前，基于该噪声和位置信息来确定用于噪声的消除声音；以及当噪声到达目标区域时播放消除声音，从而显著地消除目标区域内的噪声。

Description

噪声消除系统和技术
背景技术
人们需要安静且舒适的睡眠环境以便获得安静睡眠的全部益处。然而，实际的睡眠环境常常包括多种噪声—例如来自睡觉伙伴的打鼾或其它噪声；来自房屋的机器和通风噪声；以及来自外面的车辆和动物噪声。理想的睡眠环境将消除这些潜在干扰声音。
当前的噪声消除技术是相当有限的。常规的主动噪声消除技术当用户佩戴具有正好紧挨着耳朵的扬声器的头戴耳机时在非常紧密接近的范围内有效。为了使用户体验寂静，他们必须佩戴噪声消除头戴耳机，这常常是不舒服且不方便的。诸如耳塞或白噪声机器之类的其它解决方案并不完全有效，因为其减弱或压过噪声而不是将其消除。
因此需要真正地消除噪声而不会负面地影响用户的舒适度的噪声消除技术。
发明内容
根据所公开的主题，描述了用于多方向噪声消除的系统和方法。所公开的主题在一个方面包括一种用于噪声消除的自动化方法，包括：从在目标区域外面的扩音器阵列内定位的多个扩音器接收信号；在噪声到达目标区域之前从接收到的信号识别用于在目标区域外部的噪声的来源的噪声和位置信息；在噪声到达目标区域之前，基于该噪声和位置信息来确定用于噪声的消除声音；以及当噪声到达目标区域时播放消除噪声，从而显著地消除目标区域内的噪声。
在其它方面，波束形成算法可以用于识别用于噪声的来源的位置信息。可以选择波束形成算法以便使识别位置信息所需的时间最小化，使得在消除声音被确定、播放以及到达目标区域之前所需的总处理时间小于噪声到达目标区域所花费的时间。
在其它方面，确定消除声音可以包括确定消除声音的定向分量以在从目标区域附近布置的多个扬声器中选择的扬声器上进行播放以用于噪声消除。
在其它方面，确定消除声音可以包括针对目标区域内的多个预选空间点使用最小均方算法以便使预选点处的产生的声音最小化。
该自动化方法还可以包括步骤：从多个扩音器接收第二信号；从第二信号识别用于目标区域内的第二噪声的来源的第二噪声和第二位置信息；基于应用于第二噪声和第二位置信息的反馈等式来确定用于第二噪声的第二消除声音；以及播放消除声音以使第二噪声最小化。
在另一方面，所公开的主题包括一种用于噪声消除的系统，包括：扩音器阵列，其被定位成检测在目标区域外面的噪声；控制器，其被配置成从扩音器阵列接收数据，使用波束形成来识别所检测噪声的细节，并生成消除噪声；以及多个扬声器，其被配置成播放从控制器接收到的消除噪声。所述阵列、所述控制器以及所述多个扬声器被配置成使得与噪声到达扩音器、扩音器检测到在目标区域外面的噪声、控制器接收并处理表示那些噪声的数据并生成消除噪声、在扬声器上播放消除噪声以及消除噪声到达目标区域相关联的总时间延迟小于噪声到达目标区域的时间。
在其它方面，可以将阵列、控制器以及扬声器全部被布置在单个便携式设备中。在某些实施例中，该设备可以是枕头。枕头的表面之上的目标区域可以是枕头被成形并配置成接收头部的地方。
在仔细阅读以下附图、详细描述以及权利要求之后将更全面地理解公开主题的实施例的这些及其它能力。
附图说明
附图并不意图按比例描绘。各种图中的相同的附图标记指示相同元件。为了明了起见，在每个图中并未对每个部件加标签。
图1是示出如在本领域中已知的噪声消除的框图。
图2是示出根据本公开内容的实施例的噪声消除架构的框图。
图2A是示出根据本公开内容的实施例的具有冗余扩音器阵列的波束形成的示意图。
图3是示出根据本公开内容的实施例的用于参考波束形成的波束形成方法的示意图。
图4是描绘了根据本公开内容的实施例的多个指定点处的误差检测的示意图。
图5是示出根据本公开内容的实施例的冗余扩音器阵列可如何布置的示意图。
图6是描绘了根据本公开内容的实施例的枕头内的扬声器布置的示意图。
具体实施方式
本发明扩展了用于一对一噪声选择的已知技术，并且考虑到波束形成和各种声学原理，提供了用于多对多噪声消除的系统。围绕着目标区域放置扩音器阵列，使得其能够检测到源自于目标区域外面的噪声。在噪声到达目标区域之前，扩音器向被优化成能够计算并在目标区域内生成噪声消除信号的电路发送信号。
图1示出用于单源噪声消除、特别是用于主动噪声消除的现有技术系统。第一扩音器102产生参考信号r(n)，而第二误差扩音器104产生误差信号e(n)。在某些实施方式中，可向与自适应噪声消除公式相关联的模块馈送信号馈送r(n)、e(n)中的每一个：可向前馈ANC模块106馈送r(n)，同时使用e(n)作为用于反馈ANC模块108的输入。可将那些模块的输入馈送到合成模块110并使用输出来在一个或多个扬声器112处产生消除信号。
存在关于图1架构的变体，包括仅参考信号或仅误差信号的使用而没有另一个，但是这些变体共有在不考虑位置和方向的情况下将噪声源和噪声消除区域视为单个信号的缺点。
图2示出了用于解决噪声消除中的多对多信号情况的改进架构。在这里，使用冗余扩音器阵列202，其中扩音器间隔开并位于目标区域220周围以提供有意义的位置和方向信息。图2A示出扩音器阵列202如何从目标区域220和噪声源222两者接收声音和同一扩音器如何能够从超过一个源接收多个声音。
如图2所示，扩音器阵列202向参考模块204和误差模块206中的每一个发送数据。在某些实施方式中，参考模块204和误差模块206中的每一个包括波束形成等式，由此，可以使用可由扩音器阵列导出的位置和方向信息来确定一个或多个声音信号的源和方向。参考模块204对根据用波束形成来计算方向矢量的结果源自于目标区域220外面的声音进行隔离，而误差模块206对源自于目标区域220内部的声音进行隔离。产生的参考数据r(n)和误差数据e(n)可包括表示处理来自扩音器阵列的数据的结果的多个位置和振幅矢量。
产生的波束形成参考数据r(n)之后被传递到前馈ANC模块208，如上所述，其包括提供用于参考数据的消除的参数优化。同时，波束形成误差数据e(n)被传递至反馈ANC模块210，如上所述，其包括根据误差数据提供消除的参数优化。聚合模块212接收ANC模块208、210两者的结果，并形成消除信号y(n)，其再次地可包括定向分量。通过多个定位的定向扬声器214播放消除信号y(n)，所述多个定位的定向扬声器214相对于目标区域220被定位，从而适当地递送从模块204、206、208、210和212计算的定向消除信号。
图3是示出来自冗余扩音器阵列的波束形成的示例的数字逻辑图。针对冗余阵列中的每个扩音器302，基于诸如傅立叶变换之类的标准时间和空间相关技术将信号分解成许多相位分量S0、S1、S2、...、Sn。在将加权平均在用于该扩音器302的聚合模块304处求和之前，然后根据相应加权因数Wi对针对i＝1至n的每个分量Si进行加权，所述相应加权因数Wi针对用于每个扩音器的每个分量可不同。基于初始校准序列来确定加权因数Wi，并且系统的维护可涉及到周期性重新校准(其在某些实施方式中可以是自动化程序)。该信号还可通过滤波器306，其可对信号的某些特征进行平滑化，或者消除在阈值频率以下的信号分量作为静态的。另一聚合模块308接收已转换、已处理以及已清洁信号中的每一个，并将其组合成反映每个接收到的信号的数据。由于可同时地检测多个噪声源，所以系统可能能够在参考数据内一次对多个噪声进行隔离、轮廓描绘以及波束形成。
图4示出了在本发明的某些实施方式中如何可借助于如本文所述的反馈算法选择目标区域420中的特定点以实现噪声最小化。例如，如所示的来自x1的声音可由扩音器阵列402的多个扩音器检测到，并且额外点x2-xn中的每一个处的噪声也可由阵列402检测到。在一个实施方式中，等式可寻找在点x1-xn处产生的所有信号的最小均方，将这些点取作与所有点处的零声音的“真实”(期望)值的误差。
用于适当噪声消除的要求中的一个是必须使接收到噪声信号与用消除声音进行响应之间的全时间延迟最小化。必须考虑该时间延迟，并且超过某个阈值的时间延迟将不允许对环境噪声条件的及时响应。
用于架构的总时序要求是其大体上满足下式：
Tnm+TrefB+TSigP+Tst<＝Tnt
其中，Tnm是从噪声源到检测扩音器的最大时间延迟，TrefB是从由扩音器的检测和转换至波束形成参考信号的时间，TSigP是信号处理模块中的计算延迟，Tst是从扬声器到目标区域的声学延迟。所有这些元素共同地表示的总时间延迟必须小于或等于TnT，即用于声音从噪声源行进到目标的时间，以使系统能够有效地消除噪声。下面简要地论述这些元素中的每一个。
为了使TrefB最小化，可以使用多种不同算法来执行波束形成，但是在本公开内容的某些实施方式中，波束形成可局限于最小二乘方、最小均方、矩阵求逆、常数模数以及决策引导算法中的一个。针对在过程中引入过度延迟，对某些时间密集算法(诸如递归最小二乘方)不予考虑。
为了使TSigP最小化，可在基于那些算法的相对速度在信号响应的计算中针对某些模块选择某些算法。具有最小计算延迟的数字信号处理是优选的。在某些实施方式中，并行处理电路(诸如使用脉动阵列来从扩音器阵列的元件接收并操纵数据)可帮助使由数字信号处理引入的延迟最小化。在信号处理模块包括参数优化的使用的情况下，在某些实施方式中，可将在优化程序中使用的参数值直接地嵌入硬件中以避免与从存储器获取和读取变量相关联的延迟。可以实现如本领域中已知的对数字信号处理硬件的其它优化以满足系统的总体时序要求。
系统元件的定位对于使Tnm和Tst两者明显地小于TnT而言是关键的。扩音器阵列需要被配置成使得检测到特定噪声的那些扩音器明显地比目标区域更接近于该噪声。除使扩音器宽间隔以允许此操作之外，系统还应使此考虑局限于最清楚地满足此限制的选定数目的扩音器。在某些实施方式中，因此，系统将局限于处理对于扩音器的特定子集而言在扩音器的与目标区域相对的一侧的噪声。
为了使Tst最小化，扬声器应在切合实际的情况下尽可能接近于目标区域，同时仍提供所需的方向性以在不同的方向上准确地消除检测到的噪声。在某些实施方式中，系统可由于噪声源的方向和由每个扬声器引入的预期延迟而相比于其它扬声器选择某些扬声器。
在某些实施方式中，系统可包括周期性校准阶段，在该阶段中对用于波束形成和ANC模块的不同信号应用最佳加权。这些加权可在系统的标准噪声消除操作期间保持恒定，以便如上所述地减小等待时间并满足时间延迟准则。然而，如果误差信号e(n)超过确立的阈值，则系统可以自动地执行另一校准步骤以便适应于其中不可接受的噪声量穿透目标区域的环境。
图5和图6示出噪声消除枕头500形式的根据本公开内容的噪声消除系统的实施例。如图5所示，枕头500可包括大型扩音器阵列502，其具有覆盖枕头500的大部分上表面的数十个软扩音器元件。在某些实施方式中，用户可具有(优选地声音可透过)盖体，诸如用以放置在阵列502上的枕头套，但是如所示，用户可在使用枕头500时将头直接地放在阵列502上。
如图6所示，多个扬声器504在围绕着边缘散布的位置处位于枕头500的表面下面。虽然示出了三个扬声器504，但将理解的是根据本公开的不同实施例可使用更多或更少的扬声器。扬声器的声学性质(包括与坐在扬声器504之上和周围的枕头500相关联的任何软材料的声学性质)是已知的，并且被噪声消除处理考虑在内。如所示，数字处理在控制器506中发生，控制器506与阵列502和扬声器504中的每一个两者电连通。所有电气部件可以是电池供电的或者通过用插头插入电绳(未示出)中来供电。
应理解的是所公开的主题在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在图中示出的部件的布置和构造的细节。所公开的主题能够有其它实施例并以各种方式实施和执行。并且，应理解的是本文所采用的措辞和术语是用于描述的目的且不应被视为限制性的。
同样地，本领域的技术人员将认识到可容易地利用本公开所基于的概念作为用于设计用于执行所公开的主题的多个目的的其它结构、方法以及系统的基础。因此，重要的是将权利要求视为包括此类等价构造，只要其不脱离所公开的主题的精神和范围即可。
虽然在前述示例性实施例中已描述并举例说明了所公开的主题，但应理解的是本公开内容仅仅是以示例的方式实现的，并且在不脱离仅仅由随后的权利要求限制的所公开的主题的精神和范围的情况下可以实现所公开的主题的实施方式的细节方面的许多改变。
“应用”或“界面”本身并不是软件，并且包括被配置成执行计算机可读指令的至少某些有形的非临时硬件。另外，短语“基于”并不意味着排他性——例如，如果X是基于A，X也可以是基于B、C和/或D。

Claims (9)

1.一种用于噪声消除的自动化方法，包括：
从在目标区域外面的扩音器阵列内定位的多个扩音器接收信号；
在噪声到达目标区域之前从接收到的信号识别用于在目标区域外部的噪声的来源的噪声和位置信息；
在噪声到达目标区域之前，基于噪声和位置信息来确定用于噪声的消除声音；以及
当噪声到达目标区域时播放消除声音，从而显著地消除目标区域内的噪声。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，波束形成算法用于识别用于噪声的来源的位置信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，选择波束形成算法以便使识别位置信息所需的时间最小化，使得在消除声音被确定、播放以及到达目标区域之前所需的总处理时间小于噪声到达目标区域所花费的时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定消除声音还包括确定消除噪声的定向分量以在从目标区域附近布置的多个扬声器中选择的扬声器上进行播放以用于噪声消除。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定消除声音包括针对目标区域内的多个预选空间点使用最小均方算法以便使预选点处的产生的声音最小化。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从多个扩音器接收第二信号；
从第二信号识别用于目标区域内的第二噪声的来源的第二噪声和第二位置信息；
基于应用于第二噪声和第二位置信息的反馈等式来确定用于第二噪声的第二消除声音；以及
播放消除声音以使第二噪声最小化。
7.一种用于噪声消除的系统，包括：
扩音器阵列，其被定位成检测在目标区域外面的噪声；
控制器，其被配置成从扩音器阵列接收数据，使用波束形成来识别检测到的噪声的细节，并生成消除噪声；以及
多个扬声器，其被配置成播放从控制器接收到的消除噪声；
其中，所述阵列、所述控制器以及所述多个扬声器被配置成使得与噪声到达扩音器、扩音器检测到在目标区域外面的噪声、控制器接收并处理表示那些噪声的数据并生成消除噪声、在扬声器上播放消除噪声以及消除噪声到达目标区域相关联的总时间延迟小于噪声到达目标区域的时间。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述阵列、所述控制器以及所述扬声器全部被布置在单个便携式设备中。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述设备是枕头，并且其中，枕头的表面之上的目标区域是枕头被成形并配置成接收头部的地方。
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