CN108235207B - 用于确定有用信号源的方向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过声学系统(4)确定有用信号源(6，8)的至少一个方向的方法(10)，该声学系统包括至少一个第一输入转换器(16)和第二输入转换器(18)，其中，第一输入转换器(16)由环境的声音信号产生第一输入信号(20)，并且第二输入转换器(18)由声音信号产生第二输入信号(22)，其中，根据第一输入信号(20)和第二输入信号(22)形成多个与角度有关的、具有相应地固定的中心角(αj)和相应地给出的角度扩展(Δ)的方向特征(34)，其中，关于来自有用信号源(6，8)的有用信号的存在，对关于各个方向特征(34)的信号部分进行检查，以及其中，对在特定的方向特征(34)中确定的有用信号源(6，8)分配相应的中心角(αj)作为有用信号源(6，8)的方向。

Description

用于确定有用信号源的方向的方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过声学系统确定有用信号源的至少一个方向的方法，该声学系统包括至少一个第一输入转换器和第二输入转换器，其中，第一输入转换器由环境的声音信号产生第一输入信号，而第二输入转换器由声音信号产生第二输入信号。

背景技术

对于助听器的运行，通常依据相应的听力情况选择用于进行特定于使用者的放大和一般用于进行与从环境声音中获得的助听器的输入信号的声音匹配的算法。各个听力情况在此作为经常重复的有用信号声音与干扰噪声或一般的噪声的叠加的模式给出，其中，除了别的之外，根据出现的噪声的类型、信噪比、有用信号声音的频率特性以及所提到的参量的时间变化和平均值对模式进行标准化。

由此尤其可以根据识别的听力情况以有效且节约资源的方式改善输入信号中的信噪比，因为在此噪声的降低借助其在标准化过程中作为听力情况在统计上可预计的特征来实现。

但是，正是在例如具有还产生高的总噪声水平的多个噪声源的特别复杂的实际声学环境中，为了改善音质，可以提出对有用信号源、例如交谈中的说话者的位置直接进行定位的要求。

目前，在双耳助听器中通过测量运行时间差定位有用信号源是公知的，该运行时间差由声音信号至双耳助听器的分别在使用者的两个耳朵上佩戴的听力设备的不同传播时间产生。但是这样的测量一方面需要高计算开销，另一方面需要信号分量从一个听力设备至另一个听力设备的尽可能快速、然而仍然详细的传输，以用于分析。提到的这两个要求对听力设备的能量消耗产生负面影响。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，对于声学系统提供一种方法，其以尽可能小的计算和系统开销对有用信号源进行尽可能精确的定位。

根据本发明，所提到的技术问题通过用于通过声学系统确定有用信号源的至少一个方向的方法来解决，该声学系统包括至少一个第一输入转换器和第二输入转换器，其中，第一输入转换器由环境的声音信号产生第一输入信号，而第二输入转换器由声音信号产生第二输入信号，其中，根据第一输入信号和第二输入信号形成多个与角度有关的、具有相应地给定的中心角和相应地相同的角度扩展的方向特征，其中，检查关于各个方向特征的信号部分是否存在来自有用信号源的有用信号，并且其中，对在特定的方向特征中确定的有用信号源分配相应的中心角作为有用信号源的方向。部分本身视为具有创造性的有利构造是下面的描述的内容。

输入转换器在此一般包括由声音信号产生电信号的任意声电转换器、也就是特别是还有麦克风。

优选地，各个方向特征在其各自的中心角处关于来自于相应的角度方向的测试信号具有灵敏度的相应的最小值或相应的最大值。作为方向特征，在此尤其包括定向锥角(Richtkegel)，其在其相应的中心角的方向上具有最大灵敏度，其中，分别随着与中心角的角距离的增加，灵敏度降低。灵敏度随着与中心角的角距离的增加而降低的程度在该情况下可以作为方向特征的角度扩展的度量。作为其替换，各个方向特征相应地也可以在各自的中心角处关于给定的测试信号具有最小灵敏度，其中，随着与中心角的角距离的增加，关于测试信号的灵敏度提高。灵敏度随着与中心角的角距离的增加而提高的程度于是可以作为角度扩展的度量。优选地，每两个相邻的方向特征的中心角相对于彼此具有固定的角距离。这意味着，借助各个方向特征对一个角度区域进行一种扫描，其中，在从一个方向特征过渡到其相邻的方向特征时，中心角相应地改变了相同的量。

特别是可以根据信号水平或根据由信号水平导出的一个或多个参量，在各个方向特征中检查信号部分是否存在来自有用信号源的有用信号。

分配方向特征的中心角作为在相应的方向特征中确定的有用信号源的方向现在具有如下优点，即，由此，例如当对于已经存在的具有相应的有用信号的有用信号源增加了新的另一个有用信号源时，在存在另外的有用信号源时，也可以定位有用信号源，该另一个有用信号源在空间上与已经存在的第一有用信号源明显分开。各个有用信号源的检测或定位在此不受另外的有用信号源的存在影响，在通过相位测量进行定位时可能会出现这种情况，其中每个另外的有用信号源至少作为噪声使信噪比变差，由此会影响定位的鲁棒性和角分辨率。特别地在此可以通过持续应用或以短的时间间隔重复应用定位，来实现有用信号源的定位的时间分辨。由此，因此也可以在空间上跟踪运动的有用信号源。作为本方法的结果确定的有用信号源的方向尤其可以用于在声学系统的输入转换中将定向锥角对准有用信号源，以借助定向锥角相对于背景噪声改善有用信号源的信噪比。

优选地，两个关于其中心角相邻的方向特征的角距离相应于半个角度扩展。特别地，在此，两个相邻的方向特征具有相同的角度扩展。对于各个方向特征通过灵敏度在中心角的方向上最大并且随着与中心角的角距离的增加而减小的定向锥角形成的情况，这尤其意味着，对于每个单个的方向特征可以给出一个角度，对于该角度，关于测试信号的灵敏度相对于中心角处的最大值下降特定的因数、例如6dB或10dB。这样的角度现在作为半个角度扩展被分配给相应的方向特征，并且相应地在半个角度扩展的角距离中选择相邻的方向特征的中心角。对于作为各个方向特征相应地选择在中心角处具有最小值的灵敏度的切口形状的衰减的情况，相应的内容也可以适用，其中，对于角度扩展的定义，替代灵敏度相对于中心角处的最大值的衰减，考虑灵敏度相对于中心角处的最小值的提高。由此对于期望的更宽的角度区域，可以通过各个方向特征实现尽可能完整的覆盖，而由于各个方向特征的重叠，直到相应地下一个中心角，总是可以清楚地给有用信号源分配至少一个方向特征，其中，通过重叠，两个相邻的中心角之间的角位置也是可分辨的。

有利地，对于各个方向特征，相应地通过至少两个条件来确定方向特征的中心角和角度扩展。特别地，可以相应地按照“线性约束最小方差(linearily constrainedminimum variance)”方法根据所述条件形成方向特征。这能够实现所述条件例如以灵敏度的相对衰减的形式指向特定的角度方向，由此能够直接形成相应的方向特征。

分别通过切口形状的灵敏度特征预先给定各个方向特征证明是具有优势的，切口形状的灵敏度特征通过至少两个条件来确定，从而通过该至少两个条件相应地确定灵敏度特征的中心角和角度扩展。切口形状的灵敏度特征在此理解为关于具有给定音量的测试信号在中心角处具有灵敏度的最大衰减的方向特征，其中，灵敏度随着与中心角的角距离的增加而增大。依据与中心角的角距离的灵敏度的该增大的程度于是定义角度扩展。如果有用信号源处于这样的方向特征的中心角的方向上，或在紧邻中心角的角分辨率的范围内、也就是在灵敏度特征的“切口”内，则有用信号的信号部分通过方向特征明显衰减，而处于围绕所述方向特征的中心角的角度扩展外部的另外的有用信号源的信号部分在很大程度上保持。现在，这一点可以用于确定在相应的方向特征的区域中有用信号源的存在。

合适地，对于各个方向特征，分别由信号部分形成声学特征参量，其中，方向特征的声学特征参量用于确定至少一个方向特征中的有用信号。在此，特别地，在合适的时间窗上最大的信号水平或在该时间窗上求平均的信号水平可以被用作声学特征参量，其中，特别地也可以仅使用特定频带中的信号部分用于形成声学特征参量。

优选地，在此，将方向特征的声学特征参量与第一输入信号和/或第二输入信号的相应的特征参量的总值相比较，由此形成方向特征的相对特征参量，其中，由方向特征的相对特征参量确定在至少一个方向特征中有用信号的存在。这意味着，首先，对于各个方向特征分别形成声学特征参量、例如时间平均的信号水平，随后将每个方向特征的声学特征参量关于由第一输入信号和/或由第二输入信号导出的相应的特征参量归一化。通过归一化于是对于每个方向特征形成相对特征参量，其最终被用作对于在方向特征中有用信号的存在的度量。作为用于归一化的特征参量，例如可以考虑第一输入信号或第二输入信号的参考水平，或者也可以考虑第一输入信号和第二输入信号的总水平。通过归一化，可以实现在相应的声音水平或各个有用信号源的数量可能变化的听力情况下，由此产生的总水平的变化对有用信号源的定位的分辨能力没有影响。

在此，优选地，将相对特征参量相应地彼此和/或与预先给定的边界值相比较，由此确定在至少一个方向特征中有用信号的存在。相对特征参量的彼此比较如下被证明是具有优势的，即，由此按照方向特征的特性，可以根据相对特征参量的极值(最大值或最小值)直接推断出在相应的方向特征中有用信号的存在。但是为了定位多个有用信号源，还具有优势的是，将相对特征参量与预先给定的边界相比较，超过或低于其可以推断出有用信号源的存在。

证明具有优势的是，相应地使用信号水平的时间平均值作为特征参量，并且根据衰减确定在方向特征中有用信号的存在，关于总水平的时间平均值归一化的、方向特征中的信号水平的时间平均值由于相应的灵敏度特征而经历该衰减。用于形成平均值的时间窗在此尤其可以与预计的有用信号源的特性有关。例如，如果至少一个有用信号源是交谈对象，则时间窗优选地选择为，使得足够强地激励特定频率范围、例如共振峰频率(Formatenfrequenzen)。

在优选的实施中，另外的输入转换器由声音信号产生另外的输入信号，其中，根据第一输入信号、第二输入信号和该另外的输入信号形成方向特征。优选地，在此，另外的输入转换器与第一输入转换器并且与第二输入转换器在空间上分离。通过增加另外的输入信号，增加了可使用的关于声音信号的总相位信息，从而通过方向特征可以实现更高的角分辨率。

在此证明特别具有优势的是，各个方向特征分别通过多个条件给出，这些条件的数量等于输入信号的数量，从而通过该多个条件至少相应地确定中心角和角度扩展。这意味着，例如在四个输入信号来自在空间上彼此分开的四个输入转换器的情况下，可以相应地通过多达四个的条件来确定各个方向特征。由此可以实现特别窄的角度扩展，由此实现特别高的角分辨率。

本发明还涉及一种声学系统，包括至少一个用于由环境的声音信号产生第一输入信号的第一输入转换器、用于由声音信号产生第二输入信号的第二输入转换器和信号处理单元，信号处理单元构造为用于执行上面描述的方法。特别地，声学系统构造为助听器。对于方法及其扩展提到的优点在此可以相应地转用到声学系统。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。在此分别示意性地：

图1a和1b以俯视图示出了双耳助听器的使用者的听力情况，其中，其交谈对象的数量改变，

图2以框图示出了用于确定有用信号源的方向的方法的流程，

图3以俯视图示出了具有给定的中心角和给定的角度扩展的根据图1的助听器的方向特征，和

图4相对于时间轴对于根据图1的听力情况示出了用于定位说话者的相对特征参量的曲线。

在所有附图中，分别对彼此对应的部分和参量设置相同的附图标记。

具体实施方式

图1以俯视图示意性地示出了听力情况1。在图1中的左图中，在当前情况下构造为双耳助听器的声学系统4的使用者2处于与第一交谈对象6交谈中，该第一交谈对象相对于使用者2关于其视线方向位于正前方，也就是相对于使用者2处于0度角度。双耳助听器已经针对该听力情况1在其分辨能力范围内定位了交谈对象6的位置。在交谈一定时间之后，现在增加了第二交谈对象8，由此得到新的听力情况1'。第二交谈对象8位于相对于使用者2的视线方向大约-45度的角度处。现在，如果在双耳助听器中例如为了更好地放大原始信号、也就是第一交谈对象6的信号而形成对准第一交谈对象6的方向特征，则第二交谈对象8的交谈部分被这样的方向特征抑制或不能充分采集。现在，为了能够在改变后的听力情况1'中对背景噪声执行与方向有关的抑制，并且还为了相对于第一交谈对象6的交谈份额不显著地抑制第二交谈对象8的交谈份额，尽可能精确地定位第二交谈对象8的位置是极其有利的。

图2以框图示出了通过声学系统4确定有用信号源的方向的方法10的流程。在当前情况下，由根据图1的两种听力情况1、1'中的一种情况下的第一交谈对象6或第二交谈对象8给出有用信号源。在当前情况下，声学系统4由双耳助听器构成。双耳助听器包括第一局部单元12和第二局部单元14，其按照双耳助听器的常规用途分别佩戴在使用者2的左耳和右耳上。第一局部单元12和第二局部单元14具有第一输入转换器16和第二输入转换器18，其分别由输入的环境的声音信号产生第一输入信号20和第二输入信号22。在当前情况下，分别由麦克风给出第一输入转换器16和第二输入转换器18。必要时还可以设置另外的输入转换器19，其产生另外的输入信号23。

对于从0度出发在两个方向上以15度的步长覆盖使用者2的前半球的多个中心角αj，现在分别根据两个条件B1,B2定义第一滤波参数F1(αj)和第二滤波参数F2(αj)。第一滤波参数F1(αj)和第二滤波参数F2(αj)在此使得其以将要描述的方式利用与第一输入信号20或第二输入信号22的卷积形成切口形状的灵敏度特征24。也就是，如果分别利用第一滤波参数F1(αj)或第二滤波参数F2(αj)对第一输入信号20和第二输入信号22进行滤波，则与信号源处于另一个方向上的信号相比，信号源处于灵敏度特征24的中心角αj的方向上的信号部分的得到的信号的总和具有明显更低的灵敏度。对于由所描述的滤波得到的信号26，现在，通过在预先给定的时间间隔上对得到的信号26的信号水平取平均，形成声学特征参量28。将由平均信号水平形成的声学特征参量28关于参考水平30归一化，由此形成相对特征参量32。在当前情况下，参考水平30通过第一输入信号16的水平的时间平均值给出。替换地，也可以考虑总水平、也就是由第一输入信号16和第二输入信号18的总和形成的水平的时间平均值作为参考水平30。现在，分别彼此比较由此关于每个中心角αj形成的相对特征参量32。现在，在进行比较34时，将灵敏度特征24具有带有最小值的相对特征参量32的每个中心角αj确定为有用信号源的方向。

图3以俯视图示出了具有中心角αj＝-10度和预先给定的扩展Δ的方向特征34。方向特征在此通过灵敏度特征24形成，灵敏度特征24的中心角αj由具有最小灵敏度的方向定义。借助概念“线性约束最小方差”方向特征(LCMV)，可以分别通过信号部分在中心角αj本身处以及在另外的角度处的给定衰减来定义中心角αj和扩展Δ。在当前情况下，通过在为-10度的中心角αj处信号水平衰减了20dB，并且在正面方向上、也就是在0度处信号水平衰减了6dB，来确定角度扩展Δ。由此定义切口形状灵敏度特征24，其对于信号源处于中心角αj的区域中的信号具有明显更低的灵敏度，并相应地抑制这样的信号。

现在，如果首先在图2中示出的方法，对于信号源处于中心角αj＝-10度的方向上的信号、也就是例如相应地所在的交谈对象的信号，根据灵敏度特征24形成时间平均的信号水平，则该信号水平作为声学特征参量28，对于所有与角度有关的灵敏度特征24的当前信号源具有尽可能小的值。现在，将如此获得的声学特征参量28关于时间平均总水平或两个输入信号20,22中的一个的时间平均水平归一化。这使得在中心角αj的区域中不存在说话者、也就是有用信号源的情况下，基本上也在不衰减的情况下在声学特征参量28中采集所有份额，以进行归一化。仅当在中心角αj的区域中存在有用信号源时，通过灵敏度特征24极大地抑制有用信号对声学特征参量28的贡献，而相反有用信号对归一化的贡献得到保留。然后，可以通过相对特征参量32的相应的减小，可靠地推断出在中心角αj的方向上存在有用信号源。

图4相对于时间轴t分别关于三个不同的中心角示出了相对特征参量32a至32c，其对应于图2所示的听力情况1,1'。直至大约4.5秒的时间点，使用者2仅处于与第一交谈对象6的交谈中。按照上面描述的方式对于具有-30度(32a)、-45度(32b)以及-60度(32c)的中心角的灵敏度特征形成的相对特征参量32a至32c，逻辑上在相应的角度区域中根本没有针对有用信号源的证据。现在，在大约4.5秒时从听力情况1过渡至听力情况1'，第二交谈对象8加入并且在此提供交谈份额，其现在作为声音信号进入前面描述的处理中。由于第二交谈对象8的交谈份额以及还存在第一交谈对象6，首先对于所示出的三个相对特征参量32a至32c，归一化相应地改变。按照预期，由于具有在45度处的中心角的灵敏度特征，第二交谈对象8的份额的衰减最明显，从而为此相对特征参量32b也相应地取最小值。对于另外两个-30度和-60度的中心角，通过相应的灵敏度特征，第二交谈对象8的语音活动仍然发生一定的衰减。但是该衰减不再与在关于-45度的灵敏度特征下一样明显。相应地，在相对特征参量32a和32c中识别出值的下降，但是其不接近对于-45度(32b)的下降。由此，现在可以得出在大约4.5秒时在-45度的角度处增加了第二交谈对象8的结论。

虽然本发明在细节上通过优选的实施例详细阐述并描述，但是本发明不限于该实施例。本领域技术从员可以从中导出其它变形，而不脱离本发明的保护范围。

附图标记列表

1 听力情况

2 使用者

4 声学系统

6 第一交谈对象

8 第二交谈对象

10 方法

12 第一局部单元

14 第二局部单元

16 第一输入转换器

18 第二输入转换器

19 另外的输入转换器

20 第一输入信号

22 第二输入信号

23 另外的输入信号

24 灵敏度特征

26 得到的信号

28 声学特征参量

30 参考水平

32 相对特征参量

32a-c 相对特征参量

34 方向特征

B1,B2 条件

F1 第一滤波参数

F2 第二滤波参数

αj 中心角

Δ 扩展

Claims (10)

1.一种用于通过声学系统(4)确定有用信号源(6，8)的至少一个方向的方法(10)，该声学系统包括至少一个第一输入转换器(16)和第二输入转换器(18)，

其中，第一输入转换器(16)由环境的声音信号产生第一输入信号(20)，并且第二输入转换器(18)由声音信号产生第二输入信号(22)，

其中，根据第一输入信号(20)和第二输入信号(22)形成多个与角度有关的、具有相应地固定的中心角(αj)和相应地给出的角度扩展(Δ)的方向特征(34)，

其中，对于各个方向特征(34)，通过至少两个条件(B1，B2)分别预先给定方向特征(34)的中心角(αj)和角度扩展(Δ)，

其中，分别通过切口形状的灵敏度特征(24)预先给定各个方向特征(34)，该切口形状的灵敏度特征通过至少两个条件(B1，B2)来确定，从而通过至少两个条件(B1，B2)分别确定灵敏度特征的中心角(αj)和角度扩展(Δ)，

其中，至少两个条件(B1，B2)中的一个定义中心角(αj)处的衰减的值，并且至少两个条件(B1，B2)中的另一个定义另外的角度处的衰减的值，由此确定角度扩展(Δ)，

其中，关于来自有用信号源(6，8)的有用信号的存在，对关于各个方向特征(34)的信号部分进行检查，和

其中，对在特定的方向特征(34)中确定的有用信号源(6，8)分配相应的中心角(αj)作为有用信号源(6，8)的方向。

2.根据权利要求1所述的方法(10)，其中，两个关于其中心角(αj)相邻的方向特征(34)的角距离相应于半个角度扩展(Δ)。

3.根据权利要求1或2所述的方法(10)，其中，关于各个方向特征(34)，分别由信号部分形成声学特征参量(28)，其中，方向特征(34)的声学特征参量(28)用于确定方向特征(34)中的至少一个中的有用信号。

4.根据权利要求3所述的方法(10)，其中，将方向特征(34)的声学特征参量与第一输入信号(20)和/或第二输入信号(22)的相应的特征参量(30)的总值相比较，由此对于方向特征(34)形成相对特征参量(32)，并且其中，由方向特征(34)的相对特征参量(32)确定在方向特征(34)中的至少一个中有用信号的存在。

5.根据权利要求4所述的方法(10)，其中，将相对特征参量(32)分别彼此和/或与预先给定的边界值相比较，由此确定在方向特征(34)中的至少一个中有用信号的存在。

6.根据权利要求3所述的方法(10)，其中，相应地使用信号水平的时间平均值作为声学特征参量(28)，并且其中，根据衰减确定在方向特征中有用信号的存在，关于总水平的时间平均值归一化的方向特征(34)中的信号水平的时间平均值由于相应的灵敏度特征(24)而经历该衰减。

7.根据权利要求1或2所述的方法(10)，其中，另外的输入转换器(19)由声音信号产生另外的输入信号(23)，并且其中，根据第一输入信号(20)、第二输入信号(22)和所述另外的输入信号(23)形成方向特征(34)。

8.根据权利要求7所述的方法(10)，其中，各个方向特征(34)分别通过多个条件(B1，B2)给出，这些条件的数量等于输入信号(20，22)的数量，从而通过所述多个条件至少相应地确定灵敏度特征(24)的中心角(αj)和角度扩展(Δ)。

9.一种声学系统(4)，包括至少一个用于由环境的声音信号产生第一输入信号(20)的第一输入转换器(16)、用于由声音信号产生第二输入信号(22)的第二输入转换器(18)和信号处理单元，信号处理单元构造为用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法(10)。

10.根据权利要求9所述的声学系统(4)，所述声学系统构造为助听器。

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