CN108847250B - 一种定向降噪方法、系统及耳机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种定向降噪方法、系统及耳机，涉及主动降噪领域，该方法包括：利用声音定向方法，获取某一方向的噪声信号；利用主动降噪方法，消除所述噪声信号。与现有技术相比，本发明提出的定向降噪方法能够在多个噪声源的情况下，获取其中某一噪声源的声信号，并对其进行降噪处理，实现在多个噪声源情况下，对某一噪声源发出的噪声进行定向降噪。上述降噪方法能够根据噪声源的方向性，对不同噪声源的噪声加以区分，使得用户能够根据个人需要进行噪声的消除，在消除噪声的同时保留有用的环境噪声和语音，提高用户与外界沟通的效率，降低由于环境声缺失导致的危险性。且该方法简单，易于实施。

Description

一种定向降噪方法、系统及耳机
技术领域
本发明涉及信号处理和主动降噪领域，具体而言，涉及一种定向降噪方法、系统及耳机。
背景技术
主动降噪技术通过设计滤波电路，利用滤波电路控制次级声源，使得次级声源发出与噪声声波幅值相等、相位相反的消噪声波，消噪声波与次级声波发生干涉，实现噪声的消除。在上述噪声消除的过程中，不同噪声源发出的噪声信号以及与噪声信号处在同频段的其他声音信号也被一并消除掉了，这些被消除的噪声信号和非噪声信号可能包含了有用的环境声信息和语音信息，错失这些信息会给用户与外界的交流造成很大不便，严重时甚至会威胁用户的生命安全。
在现有技术中，为克服上述问题，一方面，采用语音增强技术，对语音所在频段不进行降噪，同时增强该频段所有信号的强度进而增强语音信号的强度，另一方面，利用环境监听技术，在用户需要依赖环境声作判断时，放弃主动降噪功能，利用声音检测装置拾取包含噪声的环境声，并将环境声播放给用户。上述方法均无法解决针对不同噪声源，对某一噪声源发出的噪声信号进行降噪，对另一噪声源发出噪声信号进行保留。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种定向降噪方法、系统及耳机，以解决定向消除不同噪声源中的某一噪声源的噪声信号问题。
第一方面，本发明提出一种定向降噪方法，包括：
利用声音定向方法，获取某一方向的噪声信号；
利用主动降噪方法，消除所述噪声信号。
进一步地，所述声音定向方法包括：
获取第一声音信号和第二声音信号；
基于所述第一声音信号和所述第二声音信号，利用声强法确定噪声信号。
进一步地，所述声强法包括：
计算所述第一声音信号和所述第二声音信号互相关函数；
基于所述互相关函数，确定所述第一语音信号的强度谱。
进一步地，所述主动降噪方法包括：
确定第一传声特性传递函数和第二声特性传递函数；
基于所述第一声特性传递函数和所述第二声特性传递函数，确定滤波器传递函数。
第二方面，本发明提出一种定向降噪系统，用于实现第一方面提出的定向降噪方法，包括声音定向模块和主动降噪模块，所述声音定向模块与所述主动降噪模块连接；
所述声音定向模块用于获取需要消除的噪声信号；
所述主动降噪模块用于消除所述的噪声信号。
进一步地，所述声音定向模块包括第一声检测装置、第二声检测装置以及声定向电路；
所述第一声检测装置与所述第二声检测装置均与所述声定向电路连接；
所述第一声检测装置用于获取第一声音信号；
所述第二声检测装置用于获取第二声音信号；
所述声定向电路用于生成所述某方向的噪声信号。
进一步地，所述主动降噪模块包括：主动降噪电路与发声装置；所述主动降噪电路与所述发声装置连接；
所述主动降噪电路用于生成消噪信号；
所述发声装置用于将所述消噪信号转换成消噪声波。
第三方面，本发明提出一种耳机，包括第二方面提出的定向降噪系统，还包括第三声检测装置，所述第三声检测装置安装在发声装置附近，用于检测所述发声装置发出的声音信号。
进一步地，所述第一声检测装置和所述第二声检测装置保持平行，且放置在耳机后腔壁内侧。
进一步地，所述发声装置安装在耳机的前腔与后腔的连接处。
本发明提出一种定向降噪方法、系统及耳机，涉及主动降噪领域，该方法包括：利用声音定向方法，获取某一方向的噪声信号；利用主动降噪方法，消除所述的噪声信号。与现有技术相比，本发明提出的定向降噪方法能够在多个噪声源的情况下，获取其中某一噪声源的声信号，并对其进行降噪处理，实现在多个噪声源情况下，对某一噪声源发出的噪声进行定向降噪。上述降噪方法能够根据噪声源的方向性，对不同噪声源的噪声加以区分，使得用户能够根据个人需要进行噪声的消除，在消除噪声的同时保留有用的环境噪声和语音，提高用户与外界沟通的效率，降低由于环境声缺失导致的危险性。且该方法简单，易于实施。
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的介绍，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示出了本发明实施例中提出的一种定向降噪方法步骤流程图；
图2示出了本发明实施例中提出的一种定向降噪系统结构示意图；
图3示出了本发明实施例中提出的一种耳机结构示意图。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”及“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。除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”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。
实施例1
如图1示出了本发明实施例提供的定向降噪方法的步骤流程图，参照图1，该定向降噪方法包括如下步骤：
S100：利用声音定向方法，获取某一方向的噪声信号；
S200：利用主动降噪方法，消除噪声信号。
上述降噪方法通过声音定向确定需要消除的噪声信号，并利用主动降噪方法产生消除信号，利用消噪信号消除噪声信号。
在一个实施方式中，上述步骤S100包括如下步骤：
S110：获取第一声音信号和第二声音信号；
S120：基于第一声音信号和第二声音信号，利用声强法确定噪声信号。
在一个实施方式中，上述步骤S120中声强法包括如下步骤：
S121：计算所述第一声音信号和所述第二声音信号互相关函数；
S122：基于互相关函数，确定第一语音信号的强度谱。
假设第一声音信号为x(r),第二声音信号为y(r+n),其中r表示时间序列，n表示延迟时间序列。则第一声音信号为x(r)与第二声音信号为y(r+n)的互相关函数Rxy(n)可表示为式(1)，其中N表示第一声音信号x(r)与第二声音信号y(r+n)的长度。
Figure BDA0001727497330000051
对互相关函数Rxy(n)进行快速傅里叶变换，得到第一声音信号x(r)与第二声音信号y(r+n)的互谱函数Sxy(n)，则通过第一声音信号x(r)与第二声音信号y(r+n)确定的定向声音信号的声强可表示为式(2)：其中，Δr表示声音在延迟时间序列n的下传播的距离，ρ表示空气的密度，ω表示频率，Im(Sxy)表示互谱函数Sxy(n)的虚部。
Figure BDA0001727497330000061
通过上述计算可估计某一噪声源发出的噪声信号强度谱。
在一个实施方式中，上述步骤S200包括如下步骤：
S210：确定第一声特性传递函数和第二声特性传递函数；
S220：基于第一声特性传递函数和第二声特性传递函数，确定滤波器传递函数。
第一声特性传递函数为声音从拾声处到声补偿处的传声特性传递函数。分别测量拾声处声音信号x1和声补偿处的声音信号y1，将x1和y1作为输入输出信号，利用最小二乘法可得第一声特性传递函数P(s)，其中，s表示微分算子。
第二声特性传递函数为声音从次级生源处到声补偿处的传声特性传递函数。分别测量次级声源处声音信号x2和声补偿处的声音信号y2，将x2和y2作为输入输出信号，利用最小二乘法可得第二声特性传递函数G(s)，其中，s表示微分算子。
与现有技术相比，本发明提出的定向降噪方法能够在多个噪声源的情况下，获取其中某一噪声源的声信号，并对其进行降噪处理，实现在多个噪声源情况下，对某一噪声源发出的噪声进行定向降噪。上述降噪方法能够根据噪声源的方向性，对不同噪声源的噪声加以区分，使得用户能够根据个人需要进行噪声的消除，在消除噪声的同时保留有用的环境噪声和语音，提高用户与外界沟通的效率，降低由于环境声缺失导致的危险性。且该方法简单，易于实施。
实施例2
如图2示出了本发明实施例提供的定向降噪系统结构示意图，参照图2，该定向降噪系统可用于实现实施例1提出的定向降噪方法，包括：声音定向模块100和主动降噪模块200，声音定向模块100与主动降噪模块200连接；声音定向模块100用于获取某一方向的噪声信号；主动降噪模块200用于消除噪声信号。通过声音定向模块100确定某方向需要消除的噪声信号，并将给信号传输至主动降噪模块，主动降噪模块根据该噪声信号计算并输出消噪声波。
在一个实施方式中，继续参考图2，声音定向模块100包括第一声检测装置110、第二声检测装置120以及声定向电路130；第一声检测装置110和第二声检测装置120保持平行，第一声检测装置110与第二声检测装置120均与声定向电路130连接。
第一声检测装置110用于获取第一声音信号，第二声检测装置120用于获取第二声音信号，声定向电路130用于生成所述某方向的噪声信号。具体地，第一声检测装置110和第二声检测装置120均为麦克风，声定向电路130为DSP芯片。两个麦克风一前一后平行放置，两个麦克风均能接受来自各个方向的声音信号，在多个噪声源的情况下，用户初步判断需要消除的噪声的噪声源所在位置，并人为转动两个麦克风，使这两个麦克风接收噪声的方向与噪声源传播噪声的方向大致相同，将两个麦克风接收到的噪声信号作为DSP芯片的输入信号，DSP芯片根据两个输入的噪声信号，计算并输出当前需要消除的噪声信号，将该噪声信号传输至主动降噪模块200从而实现在多个噪声源的情况下，定向确定某一噪声源的噪声信号。
在一个实施方式中，继续参考图2所述，主动降噪模块包括：主动降噪电路210与发声装置220；主动降噪电路210与发声装置220连接。
具体地，主动降噪电路210包括：模数转换电路，控制电路，滤波电路以及数模转换电路，可利用DCP芯片结合MCU芯片实现。模数转换电路将接受到的噪声模拟电信号转化为数字噪声电信号后分别传输至控制电路和滤波电路，控制电路根据数字噪声信号确定当前的降噪模式，并将该降噪模式对应的滤波器参数传输至滤波电路，滤波电路根据输入的数字噪声信号和滤波器参数，计算并输出数字消噪电信号，该数字消噪信号经过数模转换电路转换成模拟消噪信号，该模拟消噪电信号传输至发声装置220。
发声装置220用于将消噪信号转换成消噪声波。具体地，发声装置为扬声器。
实施例3
如图3示出了本发明实施例提供的耳机结构示意图，参照图3，耳机包括实施例2提出的定向降噪系统，还包括第三声检检测装置300，第三声检测装置300安装耳机前腔、在发声装置220附近，用于检测发声装置220发出的声音信号。具体地，第三声检测装置300为麦克风。
在一个实施方式中，继续参考图3，声音定向模块100放置在耳机后腔壁内侧。具体地，声音定向模块100可与耳机后腔壁保持平行并安装在后腔壁，需对声音定向模块安装所在的后腔壁打孔，使得声音信号能够进入耳机并被声音定向模块中的声检测装置采集到。声音定向模块100也可垂直安装于耳机后腔壁上。
在一个实施方式中，继续参考图3，发声装置220安装在耳机的前腔与后腔的连接处。
将第一声检测装置110所在位置定为拾音处，第一发声装置220定为发生处，第三声检测装置300所在位置定为声补偿补。可利用实施例1中给出的主动降噪方法，确定耳机的第一声特性传递函数P(s)(主通道传递函数)和第二声特性传递函数G(s)(次级通道传递函数),基于P(s)和G(s),可分被设计前馈滤波电路和反馈滤波电路。前馈滤波电路和反馈滤波电路相互独立。前馈滤波电路用于消除中高频段的噪声，反馈滤波电路用于消除低频段的噪声。前馈滤波电路和反馈滤波电路结合的复合式滤波电路可实现宽频、深度降噪。
本发明实施例所提供的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述装置实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims (7)

1.一种定向降噪方法，其特征在于，包括：
利用声音定向方法，获取某一方向的噪声信号；
利用主动降噪方法，消除所述噪声信号；
所述声音定向方法包括：
获取第一声音信号和第二声音信号；
基于所述第一声音信号和所述第二声音信号，利用声强法确定噪声信号；
所述声强法包括：
计算所述第一声音信号和所述第二声音信号互相关函数；
基于所述互相关函数，确定所述噪声信号的强度谱；
使用如下公式，计算所述第一声音信号和所述第二声音信号互相关函数：
Figure FDA0002547827020000011
其中，第一声音信号为x(r),第二声音信号为y(r+n),其中r表示时间序列，n表示延迟时间序列，Rxy(n)为第一声音信号与第二声音信号的互相关函数，N为第一声音信号与第二声音信号的长度；
使用如下公式，基于所述互相关函数，确定所述噪声信号的强度谱：
Figure FDA0002547827020000021
其中，对互相关函数Rxy(n)进行快速傅里叶变换，得到第一声音信号与第二声音信号的互谱函数Sxy(n)，I为通过第一声音信号与第二声音信号确定的噪声信号的强度谱，Δr表示声音在延迟时间序列n的下传播的距离，ρ表示空气的密度，ω表示频率，Im(Sxy)表示互谱函数Sxy(n)的虚部。
2.根据权利要求1所述的定向降噪方法，其特征在于，所述主动降噪方法包括：
确定第一传声特性传递函数和第二声特性传递函数；其中，第一声特性传递函数为声音从拾声处到声补偿处的传声特性传递函数；第二声特性传递函数为声音从次级生源处到声补偿处的传声特性传递函数；
基于所述第一声特性传递函数和所述第二声特性传递函数，确定滤波器传递函数。
3.一种定向降噪系统，用于是实现权利要求1至2所述任一项的定向降噪方法，其特征在于，包括：声音定向模块和主动降噪模块，所述声音定向模块与所述主动降噪模块连接；
所述声音定向模块用于获取需要消除的噪声信号；
所述主动降噪模块用于消除所述噪声信号；
所述声音定向模块包括第一声检测装置、第二声检测装置以及声定向电路；
所述第一声检测装置与所述第二声检测装置均与所述声定向电路连接；
所述第一声检测装置用于获取第一声音信号；
所述第二声检测装置用于获取第二声音信号；
所述声定向电路用于生成所述某一方向的噪声信号；其中，所述声定向电路接收某一方向的所述第一声音信息和所述第二声音信息，根据所述第一声音信息和所述第二声音信息计算并输出某一方向的噪声信号。
4.根据权利要求3所述的定向降噪系统，其特征在于，所述主动降噪模块包括：主动降噪电路与发声装置；所述主动降噪电路与所述发声装置连接；
所述主动降噪电路用于生成消噪信号；
所述发声装置用于将所述消噪信号转换成消噪声波。
5.一种耳机，包括权利要求3-4中任一项的定向降噪系统，其特征在于，包括：第三声检测装置，所述第三声检测装置安装在发声装置附近，用于检测所述发声装置发出的声音信号。
6.根据权利要求5所述的耳机，其特征在于，第一声检测装置和第二声检测装置保持平行，且放置在耳机后腔壁内侧。
7.根据权利要求5所述的耳机，其特征在于，所述发声装置安装在耳机的前腔与后腔的连接处。
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