CN106575499B - 用于噪声衰减的麦克风布置的系统和方法 - Google Patents

用于噪声衰减的麦克风布置的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于衰减噪声的方法和系统，包括标识在一个区域中的位置，在该位置处从一个或多个扬声器发射的声音具有声学特性，该声学特性在近似于该区域的乘员的耳朵附近的位置处在测量上大致相似于所发射声音的相应声学特性。可以是虚拟麦克风的麦克风设置在所标识的位置。麦克风检测在所标识的位置处的声音。响应于由麦克风检测到声音，该一个或多个扬声器发射适于衰减由麦克风检测到的声音中的一个或多个频率的噪声消除音频信号。

Description

用于噪声衰减的麦克风布置的系统和方法
背景技术
本说明书一般涉及噪声消除系统，更具体地，涉及在特定环境(诸如车辆的乘客舱)内的噪声衰减或消除(通常称为噪声消除)。
发明内容
以下提及的所有示例和特征可以以任何技术上可行的方式进行结合。
在一个方面，提供了一种用于衰减噪声的方法。该方法包括：标识在区域中的位置，在该位置处从一个或多个扬声器发射的声音在测量中具有在测量上与在该区域的乘员的耳朵附近的位置处的发射的声音的相应声学特性大致相似的声学特性。麦克风被置于标识的位置处。响应于由麦克风检测到声音，生成适于衰减由麦克风检测到的声音中的一个或多个频率的噪声消除音频信号。
该方法的实施例可以包括以下特征中的一个，或者其任意组合。
该方法的麦克风可以是由放置在该区域中的多个麦克风组成的虚拟麦克风。该区域可以是车辆的乘客舱。由多个麦克风产生的信号可以被组合以产生具有与发射声音在环境的乘员的耳朵附近的位置处的声学特性在测量上基本上相似的声学特性的复合响应。附加地，由一个或多个扬声器发射的声音的声学特性包括相位和幅度。
此外，识别从一个或多个扬声器发射的声音具有与在该区域中接近乘员的耳朵附近的位置处的声音的相应声学特性在测量上基本上相似的声学特性的位置可以包括：计算在该区域的乘员的耳朵附近的位置处来自一个或多个扬声器发射的声音的第一传递函数；计算在与耳朵附近的位置空间上分离的区域中的第二位置处来自一个或多个扬声器发射的声音的第二传递函数；将第一传递函数与第二传递函数进行比较；以及如果第二传递函数在测量上与第一传递函数基本相似，则将第二位置标识为用于放置麦克风的所标识的位置的候选。
该方法还可以包括：如果第二传递函数的相位分量在第一传递函数的相位分量的35度内，并且如果第二传递函数的幅度分量在第一传递函数的幅度分量的-8.5dB或+4.5dB内，则确定第二传递函数与第一传递函数在测量上大致相似。
在另一方面，噪声消除系统包括设置在环境内的发射声音的一个或多个扬声器，以及设置在环境内的一位置处的麦克风，在该位置处由一个或多个扬声器发射的声音具有从一个或多个扬声器到麦克风的传递函数，该传递函数与从一个或多个扬声器发射到环境的乘员的耳朵处的位置的声音的传递函数在测量上大致相似。
该系统的实施例可以包括以下特征中的一个，或者其任意组合。
麦克风可以是由放置在环境内的多个麦克风组成的虚拟麦克风。控制器可以接收由多个麦克风产生的信号，并且组合这些信号以产生具有声学特性的复合信号，这些声学特性基本上等效于在环境的乘员的耳朵附近的位置处发射的声音的声学特性。此外，每个传递函数可以具有幅度分量和相位分量。
此外，麦克风可以响应于检测到声音而产生信号，并且噪声消除还可以包括接收由麦克风产生的信号并且响应于该信号生成输出信号的控制器。响应于输出信号，一个或多个扬声器可以发射噪声消除音频信号，该噪声消除音频信号被设计为衰减由麦克风检测到的声音中的一个或多个频率。
此外，如果传递函数之一的相位分量在传递函数中的另一个传递函数的相位分量的35度内，并且如果传递函数之一的幅度分量在所述传递函数中的另一个传递函数的幅度分量的-8.5dB或+4.5dB内，则传递函数可以在测量上彼此大致相似。
噪声消除系统还可以包括放大器，该放大器接收和放大由控制器产生的输出信号，并将所放大的输出信号发送到一个或多个扬声器以用于发射。
在另一方面，一种车辆包括乘客舱和包括设置在乘客舱内的一个或多个扬声器的噪声消除系统。该一个或多个扬声器发射声音。噪声消除系统还包括麦克风，该麦克风设置在乘客舱内的位置处，在该位置处由一个或多个扬声器发射的声音具有从一个或多个扬声器到麦克风的传递函数，该传递函数在测量上与从一个或多个扬声器发射到环境的乘员的耳朵处的位置的声音的传递函数大致相似。
该系统的实施例可以包括以下特征中的一个，或者其任意组合。
噪声消除系统的麦克风可以是由放置在环境内的多个麦克风组成的虚拟麦克风。
控制器可以接收由多个麦克风产生的信号并组合这些信号以产生具有声学特性的复合信号，这些声学特性基本上等效于在环境的乘员的耳朵附近的位置处的发射声音的声学特性。
麦克风可以响应于检测到声音而产生信号；控制器可以接收由麦克风产生的信号，并且响应于该信号生成输出信号。响应于输出信号，一个或多个扬声器可以发射噪声消除音频信号，该噪声消除音频信号被适配为衰减由麦克风检测到的声音中的一个或多个频率。
此外，每个传递函数可以具有幅度分量和相位分量。此外，如果传递函数之一的相位分量在传递函数中的另一个传递函数的相位分量的35度内，并且如果传递函数之一的幅度分量在传递函数中的另一个传递函数的幅度分量的-8.5dB或+4.5dB内，则传递函数可以在测量上彼此大致相似。放大器可以接收和放大由控制器产生的输出信号，并将放大的输出信号发送到一个或多个扬声器用于发射。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以更好地理解上述和进一步的特征和优点，其中在各个附图中相同的附图标记表示相同的结构元件和特征。附图不一定是按比例的，重点在于示出特征和实施方式的原理。
图1是其中安装了噪声消除系统的环境的示图。
图2是示出在相对于乘员的环境中噪声消除系统的部署的示图。
图3是用于针对给定耳位置相对于扬声器来定位用于麦克风布置的候选位置的模型。
图4是用于通过在环境内的策略性位置故意放置一个或多个麦克风来降低特定环境的乘员所听到的噪声的过程的流程图。
具体实施方式
图1示出了其中安装有用于衰减或消除环境中的噪声的噪声消除系统12的环境10的一般化示例。本文描述的噪声消除技术可以扩展到各种特定环境，无论这样的环境是开放的还是封闭的。例如，噪声消除系统12的部署可以在车辆(例如，汽车、卡车、公共汽车、火车、飞机、船和舰)、客厅、电影院、礼堂中；通常，在任何地方，一个或多个麦克风的策略性布置可以实现用户这种环境的乘员的噪声消除，如下所述。在车辆中，例如，噪声消除系统12可以用于衰减低频道路噪声，有利地减少了为此目的对车辆的某些区域增加重量的任何需要。
在所示的示例中，噪声消除系统12包括一个或多个扬声器16、一个或多个麦克风18、放大器20和控制器22。控制器22可以实施在放大器20中。如本文所描述的，一个或多个麦克风18的策略性布置实现了在环境10内的乘员的耳朵处的噪声降低或消除。具体地，对于具有单个麦克风的噪声消除系统12，麦克风18被放置在环境10中，其中针对从一个或多个扬声器16辐射到麦克风18的声音的声传递函数基本上等于针对从一个或多个扬声器16到乘员耳朵的声音的声传递函数。在具有多个扬声器的示例中，扬声器16可以位于距离耳朵不同的距离处。
通常，声学传递函数对应于声音源(例如，扬声器)与给定位置处的声压之间的测量的响应。该测量的响应测量输出(即，在给定位置处检测到的声音)与来自声音源的输入(即，声音)之间的关系。测量的关系是频率的函数，并且具有幅度和相位分量。
对于具有两个或更多麦克风18的噪声消除系统12，麦克风18被组合以产生对由一个或多个扬声器16发射的声音的合成响应。麦克风18的组合实际上作为产生该组合响应的单个“虚拟”麦克风操作。这些多个麦克风18被策略性地布置在相对于一个或多个扬声器16的位置处的环境10中，使得它们的合成响应具有声传递函数，其基本上等于来自一个或多个扬声器16的声音到乘员的耳朵的声传递函数。这些麦克风18的这种策略性布置相当于单个“虚拟”麦克风的策略性布置，其中针对从扬声器16辐射到虚拟麦克风的声音的声传递函数基本上等于针对从一个或多个扬声器16到乘员耳朵的声音的声传递函数。此后，通常对麦克风做出的参考大体上包括单个“真实”麦克风和“虚拟”麦克风，除非该参考明确提及“真实”麦克风或“虚拟”麦克风。
用于产生具有与乘员耳朵处的真实麦克风的响应相似的响应的虚拟麦克风的技术的示例如下。首先，测量从一个或多个扬声器到耳朵位置的传递函数，表示为Tde(ω)，并且将被组合以形成虚拟麦克风的从一个或多个扬声器到麦克风的传递函数，表示为Tdsi(ω)，其中“i”表示在组合中使用的第i个麦克风。误差度量(误差)定义为：
误差＝||ΣiHi(ω)Tdsi(ω)-Tde(ω)||2 (等式1)
其中Hi(ω)表示应用于第i个麦克风的滤波器。然后，可以使用优化算法，例如Levenberg-Marquardt算法，从而通过调整滤波器Hi(ω)的参数来使误差函数最小化。
通过将麦克风放置为其中来自一个或多个扬声器的声音的声学特性(即幅度和相位)与耳朵处的声音的声学特性基本匹配，麦克风处于准确地检测耳朵听到什么的位置并且产生代表由乘员听到的声音的信号，尽管麦克风远离耳朵。因此，针对由麦克风检测到的声音的噪声消除在耳朵处产生对应的噪声消除。
通常，如图2所示，一个或多个扬声器16可以设置在环境内的乘员30的后面，例如安装在头枕、顶蓬、后面板或车辆的其他内表面上。一个真实麦克风18例如可以设置在包含一个或多个扬声器16中的一个扬声器的驱动器28上；另一个真实麦克风18(以虚线示出)可以设置在顶蓬32中。放大器20和控制器22例如可以设置在车辆的后备箱中或斜倚器的扶手中。控制器22与一个或多个真实麦克风18电通信以接收由每个真实麦克风产生的信号。
响应于从一个或多个真实麦克风18接收到信号，控制器22执行生成输出信号的算法。该算法的目的是实现信号中的噪声的显着减少(例如，至少4dB)。通常，所执行的算法将一个或多个滤波器应用于由每个真实麦克风18产生的信号。在多个真实麦克风18的情况下，所执行的算法可以对由每个真实麦克风18产生的信号应用不同的滤波器，并且组合这些结果以产生输出信号。应用的滤波器可以是数字或模拟的，线性或非线性的。
放大器20接收并放大来自控制器22的输出信号，并将放大的输出信号传递到一个或多个扬声器16。响应于放大的输出信号，一个或多个扬声器16产生具有声学特性的噪声降低或消除声音，这些声学特性基本上与由麦克风18所拾取的声音相反(即，大致相等且相位相差180度)。
图3示出了说明用于建议位置的原理的模型100，在该建议位置处传递函数基本上相似于在给定频率(例如100Hz)处由一个或多个扬声器16之一辐射的声音的标称耳位置的传递函数。模型100包括含扬声器16的扬声器驱动器(或箱)102。图3中的视图对应于叠加在具有X、Y和Z轴的三维(3D)坐标系上的通过扬声器驱动器102的垂直切片。该3D坐标系的原点104(0,0,0)被定义在扬声器16的前面。声音从该点向外辐射并且朝向标称耳位置106传播。在该示例中，标称耳位置106被定义为在y轴上相距坐标系原点(0,0,0)20cm的(0,20,0)处。耳位置106位于由从扬声器16辐射的声音产生的3D轮廓108上。表面轮廓108表示声音具有与到达耳朵的声音基本相等的声学特性的点的轨迹；也就是说，从扬声器16到该轮廓108上的任何给定点的声传递函数对于轮廓108上的每个点基本上相等。轮廓108可以被称为等压表面。更具体地，来自扬声器的声音的幅度和相位在该轮廓108上的所有点处基本上相等。
轮廓110表示点的另一轨迹，其中从扬声器16到轮廓110上的任何给定点的声传递函数对于轮廓110上的所有点基本上相同。对于该轮廓110，声传递函数具有从传递函数到轮廓108的较小的幅度差(例如，-8.5dB)、滞后相位差(例如，-35度)或两者。球面轮廓112上的点的轨迹表示另一组位置，其中来自扬声器的声音的传递函数基本上与轮廓112上的所有点相同。该传递函数具有从传递函数到轮廓108上的点的较大幅度差(例如，+4.5dB)、超前相位差(例如，+35度)或两者。这些轮廓110、112中的每一个轮廓表示分别比通过耳位置106的等压球更接近和更远离扬声器16的另一个等压球。
每个轮廓108、110和112与扬声器箱102的顶边缘相交。在该示例中，轮廓108在坐标114处与扬声器箱102的顶部相交，即，例如，沿着X轴或(10,0,0)与原点104相距10cm。因此，模型100建议放置在扬声器箱102的前边缘附近的坐标114处的麦克风预期具有如下频率响应(即，幅度和相位)，其基本上相等于在建模的频率处在标称耳位置106处经历的频率响应。在其他示例中，轮廓108可以与车辆的头枕或顶篷相交，建议用于麦克风布置的其他位置。
模型100的轮廓110、112可以建议用于麦克风的布置的边界，以产生与在标称耳位置106处经历的频率响应基本相等的频率响应。在虚拟麦克风的情况下，任何一个或多个真实麦克风18可以被放置在轮廓110、112的外部，只要它们的组合响应落在轮廓110、112之上或之间即可。
图4示出了用于在具有特定的预定环境的乘员的耳朵位置附近执行噪声消除的过程200的示例。在过程200的描述中，参考图1的元件。过程200包括设置阶段和操作阶段，在该设置阶段期间，麦克风布置的可能位置被识别，并且一个或多个麦克风被放置在该区域中，在该操作阶段期间噪声消除系统12执行噪声消除。设置阶段包括近似(步骤202)特定环境的预期乘员的耳朵位置。一个或多个扬声器16发射具有感兴趣的频率范围的声音(即，该音频信号的原始形式是预定的)。例如，噪声消除系统12的设计可以是衰减低频噪声(5-150Hz)，并且音频信号包含跨越期望频率范围的频率。对于发射的声音中的频率范围，从一个或多个扬声器到该估计的耳朵位置计算(步骤204)传递函数(即，其幅度和相位响应)。
在步骤206，将该区域中的一个或多个位置标识为麦克风布置的候选位置。每个候选位置对应于环境中的由一个或多个扬声器发射的声音的传递函数基本上等于为乘客耳朵的标称位置计算的传递函数的地点。为了标识每个候选位置，从一个或多个扬声器16发射的声音可以是与用于计算近似耳朵位置处的传递函数的声音相同的声音。临时设置在候选位置处的麦克风拾取来自一个或多个扬声器16的声音、产生信号、并将该信号发送到控制器或其他合适的电子设备。根据该信号，控制器22或其他合适的电子设备测量并比较频率响应与为估计的耳朵位置计算的频率响应。当与针对耳朵位置计算的频率响应相比时，满足特定准则的那些测量的频率响应被认为是匹配(例如，“等于”、“基本上等于”、“基本上相似”、“基本上等同于”、“等同于”、“足够相似”或“相同”)，并且被认为是麦克风布置的可接受的候选位置。
例如，可接受的匹配的一个准则可以是用于候选麦克风位置的频率响应的幅度分量在估计的耳朵位置处的频率响应的幅度的+4.5dB或-8.5dB内，并且潜在麦克风位置的频率响应的相位分量在估计的耳朵位置处的频率响应的相位的正或负35度内。可接受的匹配的另一示例是在候选麦克风位置和耳朵位置处的传递函数彼此足够相似，使得对由候选位置处的麦克风拾取的声音执行的噪声消除实现在耳朵位置处所测量的至少4dB的噪声降低。
用于标识候选位置的一个示例技术是执行在耳朵位置附近(尽管在空间上分离、远离或移除)的区域的有方法的3D映射。这种有方法的映射包括将麦克风保持在区域内的特定位置处，由麦克风检测从扬声器发射的声音，计算检测到的声音的频率响应(即，传递函数)，比较特定麦克风位置的频率响应与耳朵位置的频率响应，以及针对另一麦克风位置进行重复(如果需要)。每个测量到的频率响应可以联系到特定物理位置，在该物理位置处通过在利用相机的或者使用结构光或飞行时间传感器(例如，KINECTTM)的3D扫描装置的测量期间同时跟踪麦克风的位置而进行其测量。
将麦克风(虚拟的或真实的)放置在一个标识的候选位置(步骤208)，在该位置处传递函数基本上匹配为耳朵位置计算的传递函数。(虚拟或真实的)麦克风在该位置的布置对于目标频率范围在耳朵周围产生“安静区域”。
在操作阶段期间，设置在一个候选位置处的麦克风检测声音，该声音可以包括被认为是噪声的频率。响应于该声音，麦克风产生(步骤210)信号。响应于来自麦克风的信号，控制器22产生(步骤212)输出信号，该输出信号被设计为当由放大器20放大并且由扬声器16转换为声音时，消除由麦克风接收到的声音中的噪声。
上述系统和方法的示例包括对于本领域技术人员显而易见的计算机组件和计算机实现的步骤。例如，应当被本领域技术人员所理解的是，计算机实施的步骤可以作为计算机可读介质上的计算机可执行指令被存储，该计算机可读介质诸如举例而言是软盘、硬盘、光盘、闪存ROMS、非易失性ROM以及RAM。
此外，应当由本领域技术人员理解的，计算机可执行指令可以在各种处理器上被执行，该处理器诸如举例而言为微处理器、数字信号处理器、门阵列等。为了便于说明，不是以上描述的系统和方法的每个步骤或元件都在本文中被描述为计算机系统的一部分，但本领域技术人员将认识到，每个步骤或元件可以具有对应的计算机系统或软件构件。因此，这样的计算机系统和/或软件构件通过描述其对应的步骤或元件(即，它们的功能)而被启用，并且处于本公开的范围之内。
若干实施方式已经被描述。然而，将理解的是，可以做出附加的修改而不偏离本文描述的发明构思的范围，并且相应地，其它实施例也处于以下权利要求书的范围以内。

Claims (12)

1.一种衰减噪声的方法，包括：
标识在区域中的位置，在所述位置处从一个或多个扬声器发射的声音具有在测量上与在所述区域的乘员的耳朵附近的位置处的所述发射的声音的相应声学特性匹配的声学特性，所述标识包括：
计算针对在所述区域的乘员的耳朵附近的位置处从所述一个或多个扬声器发射的声音的第一传递函数；
计算在与所述耳朵附近的位置在空间上分离的所述区域中的第二位置处从所述一个或多个扬声器发射的声音的第二传递函数；
将所述第一传递函数与所述第二传递函数进行比较；以及
如果所述第二传递函数在测量上与所述第一传递函数匹配，则将所述第二位置标识为用于放置所述麦克风的所标识的位置的候选；
将麦克风放置在所标识的位置处；以及
响应于由所述麦克风检测到声音，生成适于衰减由所述麦克风检测到的声音中的一个或多个频率的噪声消除音频信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述麦克风是由放置在所述区域中的多个麦克风组成的虚拟麦克风。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括组合由所述多个麦克风产生的信号以产生复合响应，所述复合响应在测量上具有与在环境中的所述乘员的耳朵附近的位置处的所述发射的声音的所述声学特性匹配的声学特性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述声学特性包括从所述一个或多个扬声器发射的声音的相位和幅度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：如果所述第二传递函数的相位分量在所述第一传递函数的相位分量的35度内，并且如果所述第二传递函数的幅度分量在所述第一传递函数的幅度分量的-8.5dB或+4.5dB内，则确定所述第二传递函数与所述第一传递函数在测量上匹配。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述区域是车辆的乘客舱。
7.一种车辆，包括：
乘客舱；
噪声消除系统，包括：
设置在所述乘客舱内的一个或多个扬声器，所述一个或多个扬声器发射声音；以及
麦克风，设置在所述乘客舱内的位置处，在所述位置处由所述一个或多个扬声器发射的声音具有从所述一个或多个扬声器到所述麦克风的传递函数，所述传递函数在测量上与从所述一个或多个扬声器发射到所述乘客舱的乘员的耳朵处的位置的声音的传递函数匹配，所述麦克风响应于检测到声音而产生信号；以及
控制器，接收由所述麦克风产生的所述信号，并响应于该信号来生成输出信号，
其中，响应于所述输出信号，所述一个或多个扬声器发射噪声消除音频信号，所述噪声消除音频信号适配为衰减由所述麦克风检测到的声音中的一个或多个频率。
8.根据权利要求7所述的车辆，其中所述麦克风是由放置在环境内的多个麦克风组成的虚拟麦克风。
9.根据权利要求8所述的车辆，其中所述控制器接收由所述多个麦克风产生的所述信号、并组合这些信号以产生复合信号，所述复合信号具有与在所述环境的乘员的耳朵附近的位置处的所述发射的声音的所述声学特性大致等效的声学特性。
10.根据权利要求7所述的车辆，其中每个传递函数具有幅度分量和相位分量。
11.根据权利要求7所述的车辆，其中如果所述传递函数之一的相位分量在所述传递函数中的另一个传递函数的相位分量的35度内，并且如果所述传递函数之一的幅度分量在所述传递函数中的另一个传递函数的幅度分量的-8.5dB或+4.5dB内，则所述传递函数在测量上彼此匹配。
12.根据权利要求7所述的车辆，还包括放大器，所述放大器接收和放大由所述控制器产生的所述输出信号，并将所放大的输出信号发送到所述一个或多个扬声器以用于发射。
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