CN108540895A - 智能均衡器设计方法及具有智能均衡器的降噪耳机 - Google Patents

智能均衡器设计方法及具有智能均衡器的降噪耳机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了智能均衡器设计方法及具有智能均衡器的降噪耳机，涉及音频处理领域，该方法包括：获取次级声源传声特性传递函数；针对环境噪声特性与声腔特性，获取反馈滤波器的传递函数；基于次级声源传声特性传递函数、反馈滤波器的传递函数以及预定的补偿函数，获取均衡器的传递函数。本发明可以基于不同环境声与声腔特性，设计相应的反馈滤波器，并进一步获取与反馈滤波器对应的均衡器，在播放音频时，该均衡器依据用户的音质需求，实现音质的动态在线补偿，有效提高音频播放的音质水平，改善用户体验，实现音质调节的智能化。

Description

智能均衡器设计方法及具有智能均衡器的降噪耳机
技术领域
本发明涉及音频处理技术领域，尤其是涉及智能均衡器设计方法及具有智能均衡器的降噪耳机。
背景技术
主动降噪技术是通过次级声源发出与噪声声波幅值相等、相位相反的消噪声波，消噪声波与噪声声波发生干涉，实现噪声的消除。对于主动降噪耳机，除了具备主动降噪功能，为满足用户全方位需求，还需具备音频播放功能，即在消除环境噪声的同时播放音频，无需放大音频信号的音量就能提高音频信号的信噪比，能有效减小用户的听力损伤，起到保护听力的作用。由于消噪声波在消除噪声声波的同时，还会将与噪声声波处于同一频段的其他声波一并消除，这会使得音频信号在降噪时受到损害，降低了播放音频的质量。
针对上述音质受损的情况，现有技术中，针对主动降噪耳机标定的滤波器，离线设计均衡器，这种均衡器能够有效的补偿音频信号的音质，但是当滤波器自适应变化时，上述固定参数的均衡器无法在所有情况下补偿滤波器造成的音质损失。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供智能均衡器设计方法及具有智能均衡器的降噪耳机，可以依据用户的音质需求，实现音质的动态在线补偿，有效提高音频播放的音质水平，改善用户体验，实现音质调节的智能化。
第一方面，本发明实施例提供了智能均衡器设计方法，包括：
获取次级声源传声特性传递函数；
针对环境噪声特性与声腔特性，获取反馈滤波器的传递函数；
基于所述次级声源传声特性传递函数、所述反馈滤波器的传递函数以及音质补偿频响曲线，获取均衡器的传递函数。
进一步的，所述获取次级声源传声特性传递函数，包括：
分别获取发声点的声测量数据与补偿点的声测量数据；
基于所述发声点的声测量数据与所述补偿点的声测量数据，利用最小二乘法确定所述次级声源传声特性传递函数。
进一步的，所述针对环境噪声特性与声腔特性，获取反馈滤波器的传递函数，包括：
确定所述反馈滤波器的基础传递函数；
针对所述环境噪声特性与所述声腔特性，确定所述反馈滤波器的修正传递函数；
基于所述基础传递函数和所述修正传递函数，确定所述反馈滤波器的所述传递函数。
进一步的，所述基于所述次级声源传声特性传递函数、所述反馈滤波器的传递函数以及音质补偿频响曲线，获取均衡器的传递函数，包括：
基于所述次级声源传声特性传递函数、所述反馈滤波器的所述传递函数以及所述音质补偿频响曲线，获取所述均衡器的频响曲线；
针对所述均衡器的所述频响曲线，利用线性拟合方法确定所述均衡器的所述传递函数。
进一步的，所述线性拟合方法包括：最小二乘法和高丝-牛顿迭代法。
第二方面，本发明实施例提供了具有智能均衡器的降噪耳机，包括如上所述的智能均衡器设计方法设计的均衡器，还包括:主动降噪系统；所述均衡器与所述主动降噪系统相连接；
所述主动降噪系统，用于消除环境噪声。
进一步的，所述主动降噪系统包括：反馈麦克风、反馈滤波电路、控制电路、第一加法器以及扬声器；
所述反馈麦克风分别与所述反馈滤波电路和所述控制电路相连接，所述反馈滤波电路分别与所述第一加法器和所述控制电路相连接，所述第一加法器分别与所述扬声器和所述均衡器相连接。
进一步的，所述主动降噪系统还包括前馈麦克风、前馈滤波电路和第二加法器；
所述前馈麦克风与所述前馈滤波电路相连接，所述前馈滤波电路分别与所述控制电路和所述第二加法器相连接，所述第二加法器与所述扬声器和所述第一加法器相连接。
进一步的，所述反馈滤波电路和所述前馈滤波电路均为数字滤波电路。
本发明实施例提供了智能均衡器设计方法及具有智能均衡器的降噪耳机，涉及音频处理领域，该方法包括：获取次级声源传声特性传递函数；针对环境噪声特性与声腔特性，获取反馈滤波器的传递函数；基于次级声源传声特性传递函数、反馈滤波器的传递函数以及预定的补偿函数，获取均衡器的传递函数。与现有技术相比，本发明提出的智能均衡器设计方法能够基于不同环境声与声腔特性，设计相应的反馈滤波器，并进一步获取与反馈滤波器对应的均衡器，在播放音频时，该均衡器依据用户的音质需求，实现音质的动态在线补偿，有效提高音频播放的音质水平，改善用户体验，实现音质调节的智能化。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例一提供智能均衡器的设计方法流程图；
图2为本发明实施例一提供的智能均衡器的设计方法原理示意图；
图3为本发明实施例一提供的两种不同线性拟合法的频响曲线差异示意图；
图4为本发明实施例二提供的具有智能均衡器的降噪耳机的一种结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的具有智能均衡器的降噪耳机的另一种结构示意图；
图6为本发明实施例二提供的入耳式降噪耳机音频信号补偿前后频响对比曲线；
图7为本发明实施例二提供的耳罩式降噪耳机音频信号补偿前后频响对比曲线示意图；
图8为本发明实施例二提供的入耳式降噪耳机在两种环境噪声下的补偿前后频响对比曲线示意图。
图标：
100-均衡器；200-主动降噪系统；210-反馈麦克风；220-反馈滤波电路；230-控制电路；240-第一加法器；250-扬声器；260-前馈麦克风；270-前馈滤波电路；280-第二加法器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
实施例一：
如图1示出了本发明实施例提供的智能均衡器的设计方法步骤流程图，参照图1，该智能均衡器的设计方法包括如下步骤：
S100：获取次级声源传声特性传递函数S(s)；
S200：针对环境噪声特性与声腔特性，获取反馈滤波器的传递函数G(s)；
S300：基于次级声源传声特性传递函数S(s)、反馈滤波器的传递函数G(s)以及音质补偿频响曲线L(w)，获取均衡器的传递函数Q(s)。
其中，s表示微分算子，w表示频率。
对于不同的环境噪声和声腔特性，同一组滤波器参数对应的反馈滤波器的降噪性能不同，在各频段对音质损害的情况也各不相同，需要对上述音质损害进行补偿的均衡器的频响特性也将不同。如果采用频响特性不变的均衡器，其音质补偿效果的一致性差，且补偿性能也无法达到最优。
在一个实施方式中，上述步骤S100包括如下步骤：
S110：分别获取发声点与补偿点的声测量数据；
S120：基于发声点与补偿点的声测量数据，利用最小二乘法确定次级声源传声特性传递函数S(s)。
假设发声点的声测量数据为X，补偿点的声测量数据为Y，分别将X、Y作为输入数据、输出数据，采用最小二乘法计算并得到次级声源传声特性传递函数S(s)。
在一个实施方式中，上述步骤S200包括如下步骤：
S210：确定反馈滤波器的基础传递函数G0(s)；
S220：针对环境噪声特性与声腔特性，确定反馈滤波器的修正传递函数Gd(s)；
S230：基于基础传递函数G0(s)和修正传递函数Gd(s)，确定反馈滤波器传递函数G(s)。
具体地，针对标定的声腔特性并在具有白噪声环境下，设计反馈滤波器的基础传递函数G0(s)，具体参照公式(1)：确定使得式(1)值最小的G0(s)即为最优的基础传递函数G0(s)。
为减小计算量，提高方法在硬件实现的实时性，可分别在几种典型的噪声环境下，针对几种典型的声腔特性，在G0(s)的基础上设计修正传递函数库，即GD(s)＝{Gd1(s),Gd2(s),…Gdn(s)}，其中，n表示修正传递函数库中传递函数的个数。假设有m1种典型噪声环境和m2种典型声腔特性，则n＝m1×m2，分别针对1至n种情况计算修正传递函数，具体参照公式(2)：确定使得式(2)值最小的最优修正传递函数Gdi(s)。
因此，Gdi(s)为第i种修正情况的修正传递函数。通过检测外部环境声特性和声腔特性，确定当前的修正类型，即可从修正传递函数库GD(s)中确定修正函数Gd(s)，反馈滤波器传递函数G(s)＝G0(s)×Gd(s)。
在一个实施方式中，上述步骤S300包括如下步骤：
S310：基于次级声源传声特性传递函数S(s)、反馈滤波器传递函数G(s)以及音质补偿频响曲线L(jw)，获取均衡器的频响曲线E(jw)；
S320：针对均衡器的频响曲线E(jw)，利用线性拟合方法确定均衡器的传递函数Q(s)。
如图2示出了本发明实施例提供的智能均衡器的设计方法原理示意图，音频信号经过均衡器生成补偿信号，噪声信号经过反馈滤波器生成消噪信号，消噪信号与补偿信号叠加生成最终消噪信号，该信号经过次级声源播放后生成消噪声波。为保证补偿后的音质满足音质补偿曲线，应满足公式(3)。
其中，j表示复数的虚部,即可求取均衡器的频响曲线E(jw)，基于该频响曲线E(jw)利用线性拟合方法确定均衡器的传递函数表达式Q(s)。将频响曲线转换成相应的传递函数表达式有利于工程实现。进一步地，音质补偿频响曲线L(jw)可以依据用户的音质补偿需求确定。
在一个实施方式中，如图3示出了本发明实施例中两种不同线性拟合法的频响曲线差异图，步骤S320中的线性拟合方法包括最小二乘法和高丝-牛顿迭代法。即针对均衡器的频响曲线E(jw)，利用最小二乘法或高丝-牛顿迭代法得到均衡器的传递函数式表达式。具体地，可分别利用最小二乘法、高丝-牛顿迭计算获取均衡器的传递函数Q1(s)和Q2(s)，则Q1(s)、Q2(s)对应的频响曲线记为E1(jw)、E2(jw)，分别计算E1(jw)、E2(jw)和E(jw)方差，方差小的频响曲线对应的传递函数即为均衡器的传递函数，例如，E1(jw)和E(jw)方差小于E2(jw)和E(jw)方差，则Q1(s)为均衡器的传递函数。
本发明提出的智能均衡器设计方法能够基于不同环境声与声腔特性，设计相应的反馈滤波器，并进一步获取与反馈滤波器对应的均衡器，在播放音频时，该均衡器依据用户的音质需求，实现音质的动态在线补偿，有效提高音频播放的音质水平，改善用户体验，实现音质调节的智能化。
实施例二：
如图4示出了本发明实施例提供的具有智能均衡器的降噪耳机的结构示意图，包括利用实施例1中提供的智能均衡器设计方法设计的均衡器100，还包括主动降噪系统200，均衡器100与主动降噪系统200连接；主动降噪系统200用于消除环境噪声，均衡器100针对主动降噪系统损害的中低频段的音质进行补偿。本实施例提出的降噪耳机具有主动降噪功能，同时还能保证播放音频的音质。
在一个实施方式中，主动降噪系统200包括：反馈麦克风210、反馈滤波电路220、控制电路230、第一加法器240以及扬声器250；
反馈麦克风210分别与反馈滤波电路220和控制电路230相连接，反馈滤波电路220分别与第一加法器240和控制电路230相连接，第一加法器240分别与扬声器250和均衡器100相连接。
通过在主动降噪系统200中接入均衡器100，使得音频信号经过反馈降噪链路而被损害的部分音频得到补偿，并且均衡器100与控制电路230连接，使得控制电路230可以根据当前的环境噪声特性和耳机的声腔特性对均衡器进行调节，使得均衡器100对音频信号的补偿动态性和实时性，与现有的离线设计的均衡器或在线手动调节的均衡器相比，上述均衡器100音质补偿效果更优异，均衡器100的降噪耳机在降低环境噪声的同时也能拥有优异的音频音质，用户体验感极大改善。
具体地，根据实施1中提出的智能均衡器的设计方法获取的智能均衡器的传递函数，该传递函数可通过递归滤波器实现。
在一个实施方式中，如图5示出了本发明实施例提供的另一种具有智能均衡器的降噪耳机的结构示意图，主动降噪系统200还包括前馈麦克风260、前馈滤波电路270和第二加法器280，前馈麦克风260与前馈滤波电路270相连接，前馈滤波电路270分别与控制电路230和第二加法器280相连接，第二加法器280与扬声器250和第一加法器240相连接。具有前馈滤波电路270和反馈滤波电路220的主动降噪系统200具有很好的降噪效果，即实现宽频深度降噪。
在一个实施方式中，前馈滤波电路270和反馈滤波电路220可分别设计。前馈滤波电路270和反馈滤波电路220均为数字滤波电路，具体的设计方法在相关文献中已有描述，此处不再一一赘述。
具体地，上述主动降噪系统200，除去麦克风，包括前馈麦克风260、反馈麦克风210和扬声器250，其他组成部分均可通过MCU芯片和DSP芯片搭建实现。
如图6、7、8分别示出了入耳式降噪耳机音频信号补偿前后频响对比曲线、耳罩式降噪耳机音频信号补偿前后频响对比曲线以及入耳式降噪耳机在两种环境噪声下的补偿前后频响对比曲线示意图。其中，横轴表示频率，纵轴表示分贝。在图8中，频响曲线表示原始音频的频响曲线1；频响+降噪曲线表示降噪后音频的频响曲线；频响+降噪曲线+EQ表示针对降噪后的音频，采用均衡器补偿后的频响曲线；频响+降噪曲线-1表示入耳式降噪耳机在第一种噪声环境下，经过降噪后的音频的频响曲线2；频响+降噪曲线-2表示入耳式降噪耳机在第二种噪声环境下，经过降噪后的音频的频响曲线3；频响+降噪曲线+EQ-1表示在第一种噪声环境下针对降噪后的音频，采用均衡器补偿后的频响曲线4；频响+降噪曲线+EQ-2表示在第二种噪声环境下针对降噪后的音频，采用均衡器补偿后的频响曲线5。设计针对不同降噪耳机、相同降噪耳机不同环境噪声的情况，验证智能均衡器的音质补偿效果。由图6、图7可知，对于不同的降噪耳机，即耳机的声腔特性完全不同，采用智能均衡器补偿后的音频与原音频基本保持一致；由图8可知，对于相同的降噪耳机不同的环境噪声，采用智能均衡器补偿后的音频均能与原音频保持一致，智能均衡器具有良好的补偿效果和补偿一致性。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例提供的智能均衡器设计方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例的智能均衡器设计方法的步骤。
本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种智能均衡器设计方法，其特征在于，包括：
获取次级声源传声特性传递函数；
针对环境噪声特性与声腔特性，获取反馈滤波器的传递函数；
基于所述次级声源传声特性传递函数、所述反馈滤波器的传递函数以及音质补偿频响曲线，获取均衡器的传递函数。
2.根据权利要求1所述的智能均衡器设计方法，其特征在于，所述获取次级声源传声特性传递函数，包括：
分别获取发声点的声测量数据与补偿点的声测量数据；
基于所述发声点的声测量数据与所述补偿点的声测量数据，利用最小二乘法确定所述次级声源传声特性传递函数。
3.根据权利要求1所述的智能均衡器设计方法，其特征在于，所述针对环境噪声特性与声腔特性，获取反馈滤波器的传递函数，包括：
确定所述反馈滤波器的基础传递函数；
针对所述环境噪声特性与所述声腔特性，确定所述反馈滤波器的修正传递函数；
基于所述基础传递函数和所述修正传递函数，确定所述反馈滤波器的所述传递函数。
4.根据权利要求1所述的智能均衡器设计方法，其特征在于，所述基于所述次级声源传声特性传递函数、所述反馈滤波器的传递函数以及音质补偿频响曲线，获取均衡器的传递函数，包括：
基于所述次级声源传声特性传递函数、所述反馈滤波器的所述传递函数以及所述音质补偿频响曲线，获取所述均衡器的频响曲线；
针对所述均衡器的所述频响曲线，利用线性拟合方法确定所述均衡器的所述传递函数。
5.根据权利要求4所述的智能均衡器设计方法，其特征在于，所述线性拟合方法包括：最小二乘法和高丝-牛顿迭代法。
6.一种具有智能均衡器的降噪耳机，其特征在于，包括采用权利要求1至5任一项所述的智能均衡器设计方法设计的均衡器，还包括主动降噪系统；所述均衡器与所述主动降噪系统相连接；
所述主动降噪系统，用于消除环境噪声。
7.根据权利要求6所述的具有智能均衡器的降噪耳机，其特征在于，所述主动降噪系统包括：反馈麦克风、反馈滤波电路、控制电路、第一加法器以及扬声器；
所述反馈麦克风分别与所述反馈滤波电路和所述控制电路相连接，所述反馈滤波电路分别与所述第一加法器和所述控制电路相连接，所述第一加法器分别与所述扬声器和所述均衡器相连接。
8.根据权利要求7所述的具有智能均衡器的降噪耳机，其特征在于，所述主动降噪系统还包括前馈麦克风、前馈滤波电路和第二加法器；
所述前馈麦克风与所述前馈滤波电路相连接，所述前馈滤波电路分别与所述控制电路和所述第二加法器相连接，所述第二加法器与所述扬声器和所述第一加法器相连接。
9.根据权利要求8所述的具有智能均衡器的降噪耳机，其特征在于，所述反馈滤波电路和所述前馈滤波电路均为数字滤波电路。
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