CN109314819A - 佩戴在身体上的声学设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于佩戴在用户的身体上的声学设备。所述声学设备具有声换能器阵列，所述声换能器阵列包括至少三个声辐射表面，和适于提供阵列控制信号的控制器，所述阵列控制信号独立地控制所述换能器中的每个换能器的相对相位和振幅。

Description

佩戴在身体上的声学设备

背景技术

本公开涉及声学设备。

耳机通常位于耳部里、耳部上或耳部上方。一种结果是阻隔外界声音。这对佩戴者参与会话的能力有影响。这也对佩戴者的环境/情境意识有影响。因此，期望至少在一些情况下允许外界声音到达使用耳机的人的耳部。

耳机可被设计成放置在耳部外，以便允许外界声音到达佩戴者的耳部，并提高舒适度。然而，在这种情况下，耳机产生的声音可被他人听到。当耳机不位于耳部上或耳部里时，优选的是抑制耳机产生的声音被他人听到。

发明内容

本文所公开的声学设备具有声换能器阵列，每个耳部的声换能器合在一起具有至少三个辐射表面。辐射表面通常靠近耳部(例如，在耳部的100mm至200mm内)，但在耳部外，以提高舒适度，并且以便佩戴者可听到会话和其他环境声音。控制器向换能器提供控制信号。控制信号独立地控制换能器中的每个换能器的相对相位和振幅。这使得声学设备的输出相对于耳部处所期望的声压级(SPL)、声环境以及抑制辐射声功率的需要被定制以满足用户的要求。

下文提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。

在一个方面，一种适于佩戴在用户的身体上的声学设备包括声换能器阵列，该声换能器阵列包括至少三个声辐射表面。存在适于提供阵列控制信号的控制器，该阵列控制信号独立地控制换能器中的每个换能器的相对相位和振幅。换能器可包括“单极子”、“偶极子”或“四极子”换能器中的一者或多者，其中形容词(“单极子”、“偶极子”、“四极子”)是指低频率下辐射多极展开的主项。声辐射图可用数学方法被分解成多极展开，这在本领域中是众所周知的。例如，参见Pierce，Allan D.“声学：对其物理原理及应用的介绍(Acoustics:An introduction to its Physical Principles and Applications)”美国声学学会，1989，公式(4-4.12)，第170页。然后，“单极子换能器”是主要由于净体积位移(诸如，当可振荡结构的后部处于密封外壳中时)而辐射的换能器，“偶极子换能器”是基本上具有零净体积位移，使其辐射由多极展开的第二项主导的换能器，并且“四极子换能器”是其中甚至更高阶项主导频率下限中的辐射，即，当波长比换能器的尺寸特性(如圆形换能器的直径)长得多时的换能器。

实施方案可包括以下特征中的一个，或它们的任何组合。声换能器阵列可包括第一偶极子换能器和第二偶极子换能器，每个此类偶极子换能器包括具有相对的前侧和后侧的可振荡结构。第一偶极子换能器可比第二偶极子换能器更靠近用户的第一耳部的预期位置。控制信号可以是频率相关的。控制信号可在声学设备的至少第一频率范围内相对于第一偶极子换能器的振幅改变(例如，减小)第二偶极子换能器的振幅。第二偶极子换能器在尺寸上可不同于(小于或大于)第一偶极子换能器。控制信号可改变第一偶极子换能器和第二偶极子换能器相对于彼此的相位。声换能器阵列还可包括第三偶极子换能器，该第三偶极子换能器包括具有相对的前侧和后侧的可振荡结构。声学设备还可包括声学地耦合到至少一个偶极子换能器的辐射表面的管，以更靠近用户的耳部的预期位置承载声音。

实施方案可包括以下特征中的一个，或它们的任何组合。声换能器阵列可包括至少三个单极子换能器，该至少三个单极子换能器各自包括单个声辐射表面。声换能器阵列可包括通常沿轴线布置的四个单极子换能器，其中第一单极子换能器最靠近用户的第一耳部的预期位置，第二单极子换能器靠近第一单极子换能器，第三单极子换能器靠近第二单极子换能器，并且第四单极子换能器靠近第三单极子换能器。在声学设备的至少大部分工作频率范围内，控制信号可使得第一单极子换能器和第三单极子换能器的相位与第二单极子换能器和第四单极子换能器的相位相反。在声学设备的至少大部分工作频率范围内，控制信号可使得第二单极子换能器和第三单极子换能器各自具有比第一单极子换能器和第四单极子换能器的振幅更大的振幅。在声学设备的至少大部分工作频率范围内，控制信号可使得第二单极子换能器具有最高振幅，第三单极子换能器具有下一最高振幅，第一单极子换能器具有下一最高振幅，并且第四单极子换能器具有最低振幅。在一个具体的非限制性示例中，在约50Hz的频率下，控制信号致使第一单极子换能器、第二单极子换能器和第三单极子换能器具有相同的相位，并且第四单极子换能器具有相反的相位；在约120Hz的频率下，控制信号可使得第一单极子换能器和第二单极子换能器具有相同的相位，并且第三单极子换能器和第四单极子换能器具有相反的相位；在约300Hz的频率下，控制信号可使得第一单极子换能器和第四单极子换能器具有相同的相位，并且第二单极子换能器和第三单极子换能器具有相反的相位；并且在约1kHz的频率下，控制信号可使得第一单极子换能器和第三单极子换能器具有相同的相位，并且第二单极子换能器和第四单极子换能器具有相反的相位。

实施方案可包括以下特征中的一个，或它们的任何组合。第一辐射表面可比第二辐射表面更靠近用户的耳部的预期位置。阵列可包括至少一个偶极子换能器，该至少一个偶极子换能器包括具有相对的前侧和后侧的可振荡结构、和至少一个单极子换能器，该至少一个单极子换能器包括单个声辐射表面。该阵列可包括至少一个偶极子换能器和至少两个单极子换能器，该至少两个单极子换能器各自包括单个声辐射表面和后腔。后腔可声学地耦合在一起。声学设备还可包括声学地耦合到至少一个单极子换能器的辐射表面的管，以将辐射声音承载到另一个位置。

实施方案可包括以下特征中的一个，或它们的任何组合。控制信号可减少或消除频率范围内换能器阵列中的一个或多个换能器的贡献。例如，较小的换能器可用于仅在较高频率下减少溢出。控制信号可控制换能器的振幅和相位中的至少一者；这种控制可以但不必响应于环境噪声水平。阵列可包括不同尺寸的换能器。阵列可包括至少两个声换能器，其中第一声换能器在尺寸上小于第二声换能器。第一声换能器可比第二声换能器更远离用户的耳部的预期位置，或者第一声换能器可比第二声换能器更靠近用户的耳部的预期位置。可存在声学地耦合到换能器的辐射表面的管，以便承载通过辐射表面辐射的声音。该管可具有比辐射表面本身的位置更靠近用户的耳部的预期位置的开口。

实施方案可包括以下特征中的一个，或它们的任何组合。在第一频率范围内，控制信号可使得声换能器阵列大致地用作单极子；在高于第一频率范围的第二频率范围内，控制信号可致使声换能器阵列大致地用作偶极子；并且在高于第一频率范围和第二频率范围的第三频率范围内，控制信号可致使声换能器阵列大致地用作四极子。在高于第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围的第四频率范围内，控制信号可致使声换能器阵列大致地用作比四极子更高阶的多极子。

在另一方面，一种适于佩戴在用户的身体上的声学设备包括声换能器阵列，该声换能器阵列包括至少三个声辐射表面，阵列包括不同尺寸的换能器；以及适于提供阵列控制信号的控制器，阵列控制信号独立地控制换能器中的每个换能器的相对相位和振幅，其中控制信号可响应于环境噪声水平控制换能器的振幅和相位中的至少一者。

在另一方面，一种适于佩戴在用户的身体上的声学设备包括声换能器阵列，声换能器阵列包括通常布置在距耳部不同距离处的至少三个单极子换能器，并且其中第一单极子换能器最靠近用户的第一耳部的预期位置，第二单极子换能器靠近第一单极子换能器并且比第一单极子换能器更远离耳部，并且第三单极子换能器靠近第二单极子换能器并且比第二单极子换能器更远离耳部；以及适于提供阵列控制信号的控制器，该阵列控制信号独立地控制换能器中的每个换能器的相对相位和振幅，其中控制信号致使第二单极子换能器具有比第一单极子换能器和第三单极子换能器的振幅更大的振幅，并且其中控制信号进一步使得第二单极子换能器具有与第一单极子换能器和第三单极子换能器的相位相反的相位。

附图说明

图1为声学设备的示意图。

图2示出了用于声学设备的示例性换能器阵列。

图3A为相对于简单单极子辐射的功率，针对耳部处相同声级的若干换能器阵列的辐射功率的曲线图，并且图3B和图3C示出了在用于换能器阵列中的一个的滤波器中实现的换能器的相对振幅和相位。

图4A为针对耳部处相同声级的若干换能器阵列的相对辐射功率的曲线图，并且图4B和图4C示出了在用于换能器阵列中的一个的滤波器中实现的换能器的相对振幅和相位。

图5示出了用于声学设备的示例性换能器阵列。

图6A为针对耳部处相同声级的若干换能器阵列的相对辐射功率的曲线图，并且图6B和图6C示出了在用于换能器阵列中的一个的滤波器中实现的换能器的相对振幅和相位。

图7示出了用于声学设备的示例性换能器阵列。

图8A为针对耳部处相同声级的若干换能器阵列的相对辐射功率的曲线图，并且图8B和图8C示出了在用于换能器阵列中的一个的滤波器中实现的换能器的相对振幅和相位。

图9示出了用于声学设备的示例性换能器阵列。

图10A为针对耳部处相同声级的若干换能器阵列的相对辐射功率的曲线图，并且图10B和图10C示出了在用于换能器阵列中的一个的滤波器中实现的换能器的相对振幅和相位。

图11A为针对耳部处相同声级的若干换能器阵列的相对辐射功率的曲线图，并且图11B和图11C示出了在用于换能器阵列中的一个的滤波器中实现的换能器的相对振幅和相位。

图12示出了用于声学设备的示例性换能器阵列。

图13A为针对耳部处相同声级的若干换能器阵列的相对辐射功率的曲线图，并且图13B和图13C示出了在用于换能器阵列中的一个的滤波器中实现的换能器的相对振幅和相位。

图14示出了用于声学设备的示例性换能器阵列。

图15示出了用于声学设备的示例性换能器阵列。

图16为声学设备的示意框图。

具体实施方式

本公开描述了一种身体佩戴的声学设备，包括声换能器阵列，声换能器合在一起具有至少三个辐射表面。当用于向两个耳部提供声音时，该设备的两侧包括这种声换能器阵列。换能器相对靠近但不接触耳部。在非限制性示例中，该设备可佩戴在头部上(例如，具有诸如离耳式耳机中的头带所承载的换能器)，或者可佩戴在身体上，尤其是在其中换能器通常朝向一个或多个耳部向上指向的颈部/肩部区域中。

声学设备允许独立地控制换能器中的每个换能器的相对相位和振幅。这种布置能够最大化传递到耳部的SPL，同时最小化到归一化为耳部处的SPL的远场的总辐射声功率，本文也称为“溢出”。

通过这种布置，声学设备可位于耳部外，并且在抑制可被可能碰巧位于声学设备用户附近的他人听到的远场高频声音的同时，仍然能向耳部提供高质量的音频。因此，声学设备即使在安静的环境中也可以有效地作为开放式耳机操作。目的是允许用户有“个人”音频体验，诸如听音乐，同时保持耳部裸露。目标是在耳部处产生期望的声学信号(例如，音乐)，同时最小化辐射到环境中的声音。通过减少这种“声音溢出”，可以在更大环境范围中使用声学设备，减少对邻居的干扰并增加用户隐私。

存在多种类型和配置的声换能器，其可用于当前的声学设备，并且本公开不限于任何特定类型或配置的一个或多个换能器。作为换能器的类型的两个非限制示例，一种类型具有单个辐射表面，用密封体积覆盖可振荡结构(例如，“扬声器纸盆”)的后侧可实现这种单个辐射表面。在较低频率下，这种扬声器基本上作为单极子辐射，也就是说声音在所有方向上大致相等地辐射。在本文的一些附图中，单极子示意性地描述为具有顶部辐射表面的低矮圆柱。由于单极子在所有方向上辐射，所以辐射表面面向哪个方向通常并不重要。重要的是辐射表面空间上的位置。单极子的一个潜在问题是，如果后体积小，则系统在使用功率方面是刚性且低效的。

另一种类型的换能器包括具有两个辐射表面的可振荡结构。基本上，辐射结构(例如，纸盆)的相对的前侧和后侧均向大气开放。这些有时在本文附图中被示意地描述为宽又薄的圆柱。在较低频率下，这种换能器大致地作为偶极子辐射。这种换能器对于本文所述的应用非常有用，因为这些换能器具有很小的背压并且已经“少量溢出”到一阶。

为了将溢出减少到低于可利用单偶极子换能器或具有两个辐射表面的两个单极子换能器实现的溢出，其中两个辐射表面共享共同的后体积(从而像单偶极子一样有效地工作)，本文的声学设备优选地包括四极子声辐射器。通常，这种阵列位于每个耳部附近，但不在每个耳部上，尽管单耳设备可具有位于单个耳部附近的单个阵列。阵列控制信号用来独立地控制换能器中的每个换能器的相对相位和振幅。控制信号有效地在耳部处产生期望的声压信号，同时减少(优选地最小化)辐射到环境的声音。

图1的声学设备10包括声换能器阵列11，该声换能器阵列包括换能器12和14。换能器12具有面向F1侧的一个辐射表面以及面向R侧的相对的第二辐射表面。类似地，换能器14具有面向F2侧的一个辐射表面和面向R侧的相对的第二辐射表面。换能器12和14各自通常用作偶极子换能器。换能器阵列11由头带22承载，该头带通过支架24耦接到用户的头部H。头带22被构造和布置成使得换能器12和14靠近但不接触耳部E1。需注意，在大多数耳机中，会有靠近但不接触第二耳部E2的第二换能器阵列11。控制器20适于提供换能器阵列控制信号，该换能器阵列控制信号独立地控制换能器12和14中的每个换能器的相对相位和振幅。

可能将两个偶极子布置成大致实现四极子声辐射器，例如通过将两个相同的偶极子辐射器彼此相邻放置，使相同相位的面彼此面对，并且使相反相位的面彼此背离。图2示出了具有偶极子换能器32和34的位于耳部E附近的换能器阵列30的简化示例。需注意，在该图和示出换能器阵列的其他图中，至少在一个非限制性的示例中，换能器的相对相位用与换能器辐射表面正交指向的箭头指示。箭头指向的方向可指示一个相位(例如，+)，而相反的方向指示相反的相位(例如，-)。如果该近似四极子30位于空间中，附近没有表面或物体(例如，耳部或头部)，则该近似四极子会向远场辐射远小于偶极子的非常少的声能。

然而，头部的存在使上述自由空间场景变得复杂，因为声音从头部反射并在头部周围衍射。已经确定，为了获得更好的溢出减少，与更靠近耳部的内偶极子32的振幅相比，需要修改外偶极子34(更远离耳部的偶极子)的振幅。在大多数情况下，需要减小外偶极子34的振幅。此外，如本文其他地方进一步描述的，在更高频率下，可以通过改变两个偶极子的相对相位来进一步减少溢出。为了实现两个偶极子换能器的振幅和相位控制，控制器可以实现频率相关函数(即，滤波器)，其控制外偶极子相对于内偶极子的振幅和相位。通过实验或建模，可将适当的滤波器应用于外偶极子换能器、内偶极子换能器或这两种换能器。一般来讲，滤波器的目标是最小化期望频率下的溢出。

图3A的曲线图示出了相对于单极子换能器(曲线A)、对于单偶极子换能器(曲线B)、简单四极子阵列(即，如图2所示的两个相等偶极子)(曲线C)、以及具有优化滤波器的四极子阵列(曲线D)辐射的功率，其中在每种情况下，阵列均衡以在耳部处产生相同的声音。简单四极子(曲线C)具有与单偶极子(曲线B)类似的性能。具有优化滤波器的四极子阵列在大多数示出的频率下实现较少的溢出(即，减少辐射功率)。例如，具有优化滤波器的四极子阵列在100Hz时将溢出减少约10dB，在1kHz时减少约5dB，并且在甚至高于1kHz的频率下减少几个dB。图3B和图3C示出了给出图3A中曲线D结果的滤波器。图3B描述了偶极子32和34的相对振幅。可以看出，在大多数频率下，外换能器34(曲线B)的振幅减小到内换能器32(曲线A)的振幅的约60％。图3C描述了偶极子32和34的相对相位，其中曲线A是内换能器32的相位，并且曲线B是外换能器34的相位。可以优化四极子状阵列的振幅、相位或两者，以基于应用实现期望量的溢出减少。此外，可以修改换能器之间的尺寸和空间以及换能器的数量，以进一步减少溢出。一般来讲，可以通过使换能器更小，减小换能器之间的空间并增加换能器的数量来减少溢出。虽然图3B和图3C的曲线B最佳地减少了溢出，并且具有恒定相位和增益的更简单的滤波器将以降低的成本实现大部分可达到的溢出减少。

换能器阵列可具有多于两个的偶极子换能器。例如，如果在换能器34旁边但是更远离耳部E添加第三偶极子，则使用示例性的滤波器的结果在图4A至图4C中示出。图4A示出了相对于单极子(曲线A)、对于单偶极子(曲线B)、包括两个偶极子(如图3A)的优化的四极子状阵列(曲线C)和优化的三偶极子阵列(曲线D)辐射的功率。曲线D示出了约1kHz至2kHz频带中的实质改进。如下面进一步描述的，三偶极子阵列也可与声学地耦合到换能器的管组合。对于图4B和图4C中示出的滤波器，图4B示出了换能器的相对振幅，具有相对于中间换能器(曲线A)、针对内换能器(即，最靠近耳部的换能器)(曲线B)和外换能器(即，最远离耳部的换能器)(曲线C)的振幅，而图4C示出了换能器的相对相位，具有相对于中间换能器(曲线A)、针对内换能器(曲线B)和外换能器(曲线C)的相位。

本文描述的阵列中的换能器不必相同，并且可以是不同的尺寸。例如，由于阵列中的换能器中的一个可能需要比一个或多个其他换能器更小的振幅，因此使该换能器更小可能是有利的，以允许换能器的中心更靠近在一起。例如，在图2的阵列30中，外换能器34可具有为内换能器32的振幅的约60％的振幅。因此，换能器34可被制成比换能器32小。此外，当在阵列中使用不同类型的换能器时，换能器可具有不同的尺寸。下文进一步描述这些方面。

此外，换能器阵列的多个换能器不必直接与耳道对齐，或者在直接从头部出来的线上。特别地，换能器可位于耳部上方或耳部周围，如例如图5中所示。此外，换能器不必共享对称轴线，即，一个换能器可在另一个换能器之上，尽管换能器的轴线都指向水平方向，也如图5所示，其中换能器阵列40的偶极子换能器42靠近耳部E并且大致指向头部H，而阵列40的偶极子换能器44位于头部的较高位置并沿与换能器44的轴线大致平行的轴线指向。图6A至图6C示出了图5配置的结果和示例性滤波器，其中示出了单极子(曲线A)、单偶极子42(曲线B)和具有优化滤波器的两个偶极子42和44(曲线C)的相对辐射功率(图6A)。对于图6B和6C的滤波器，振幅曲线图(图6B)具有绘制为曲线A的换能器42振幅和绘制为曲线B的换能器44的振幅。同样，相位曲线图(图6C)具有绘制为曲线A的换能器42的相位和绘制为曲线B的换能器44的相位。在高达约2kHz的频率下，以换能器42振幅的约80％操作换能器44会导致在约5dB至约15dB范围内的实质溢出减少。

在针对图5的换能器布置的图6A至图6C的性能曲线图中，单偶极子辐射功率(图6A的曲线B)超过单极子结果(曲线A)，因为在该示例中，单极子位置(未示出)恰好位于耳道前方。曲线C绘制了包括偶极子42和44的阵列。

作为另一种替代的换能器阵列布置，换能器的轴线可竖直指向耳部上方或周围的各个位置。例如，图7示出了换能器阵列50，其中偶极子换能器52和54在耳部E的耳道上方竖直指向，并且一个在另一个之上。图8A至图8C示出了阵列50的相对辐射功率和示例性滤波器。图8A中曲线A表示也在图6A中绘出的单极子，曲线B表示单偶极子52，并且曲线C表示阵列50。图8B的曲线A(示出了换能器52和54的相对振幅)和8C的曲线A(示出了换能器52和54的相对相位)针对换能器52，而曲线B针对换能器54。这说明具有所示滤波器的竖直偶极子实现了高达约1kHz的溢出减少。

以上说明了用于主题声学设备的换能器阵列的换能器可位于相对靠近耳部的任何位置，其声轴指向任何方向。除了以上示出和描述的非限制性示例之外，其他配置也是可能的。例如，两个换能器可在耳部的相对侧(例如，一个在耳道上方并且一个在耳道下方)，或者并排地在耳部上方、耳部下方、耳部旁边、耳部后面或耳部前面。

偶极子换能器不是主题声学设备的声学阵列中使用的换能器的最一般情况。每个双侧声源由两个单侧声源来近似，其中这两个声源具有相反的相位，并且被分开等于偶极子圆盘的直径的距离。因此，作为至此所描述的偶极子换能器的替代，主题声学设备的声学阵列可具有一个或多个单极子声换能器。

例如，图2中所示的双偶极子布置在声学上等同于图9的四单极子换能器阵列60，其中四个四单极子换能器62、64、66和68全部位于耳部E附近并且大致沿轴线70放置，在该非限制性示例中，四单极子换能器与头部的侧面大致正交。与偶极子换能器一样，单极子换能器可围绕耳部以各种配置和取向定位，包括但不限于耳部的相对侧(例如，两个在耳道上方且两个在耳道下方)，或者并排地在耳部上方、耳部下方、耳部旁边、耳部后面或耳部前面。与偶极子换能器相比，具有多个单极子换能器提供了额外的可配置性，因为可以单独控制每个换能器的振幅和相位，以在耳部处实现更加定制化的SPL以及实现溢出减少结果。

单极子换能器阵列的滤波器可与偶极子的滤波器不同。在大约3kHz及以上的较高频率下，单偶极子的性能与单个单极子类似，但是具有适当滤波器的两个单极子(例如，单极子62和64)的阵列可减少偶极子在该频率下的溢出。因此，与单偶极子相比，滤波器和两个单极子可改善溢出。与本文所述的用于偶极子换能器的滤波器一样，设想应用于单极子阵列的滤波器给外单极子64提供与内单极子62不同的相对振幅和/或相位。

利用三个或更多个单极子换能器，可进一步降低辐射功率，以适应耳部处的固定压力。例如，图10A至图10C分别示出了具有三个单极子(例如，单极子62、64和66)的阵列的辐射功率和滤波器(振幅和相对相位)。与单个单极子(曲线A)相比，图10A包括单偶极子(例如，图2的偶极子32)(曲线B)，两个偶极子(例如，图2的偶极子32和34)(曲线C)和三个单极子(曲线D)。在较低的频率下，三个单极子增加了大约零体积位移，因此可以连接所有三个单极子的后体积以最小化背压。

因为具有多个单极子换能器，对阵列有更多的控制，与具有多个偶极子的阵列相比，通常可以更好地控制辐射功率。需注意，在三个单极子换能器的示例中，三个换能器中的中间换能器(换能器64，如图10B和图10C中曲线A绘制的)具有最大振幅，而另外两个换能器(内换能器62，曲线B，和外换能器66，曲线C)具有较低的振幅。图10C示出了相对相位。

图11A至图11C示出了图9中具有四个单极子的阵列60的类似结果，其中曲线A、曲线B和曲线C与图10中的曲线A、曲线B和曲线C相同，并且图11A中的曲线D针对四个单极子，而图11B和图11C中的曲线D针对外换能器68。图11B证实，在这种配置中，两个外源(曲线B和曲线D)具有比两个内源(曲线A和曲线C)更低的振幅，并且换能器相位与四极子的相位不同；在这种情况下，相位在低频率下交替(例如，-+-+)。

具有四个或更多个单极子的阵列可沿直线轴线或弯曲轴线竖直地、水平地或在其他方向上布置，其中内换能器最靠近耳部，外换能器最远离耳部，并且中间换能器在内换能器和外换能器之间。在这种阵列中，出现相同的图案：交替相位，其中中间换能器具有最高振幅，振幅朝着内换能器和外换能器渐缩。

从本文所列的数据中明显看出，主题声学设备中的一个或多个换能器部分地用于消除由其他换能器产生的SPL。因为耳部受到与其更靠近的换能器的影响最大，因而远场中的消除比耳部处的消除更大，因而溢出减少有净增益。但是，如果与仅使用一个换能器或彼此同相地操作所有换能器相比，耳部处的声音也更少。最终结果是，为了在耳部处产生期望的声级，需要更多的换能器体积位移。一如既往地，对于给定的SPL，在较低频率下需要更多的换能器位移。当这些因素与实际换能器限制组合时，使用具有使每个频率下的溢出最小化的滤波器的四单极子阵列，在低于某些频率时，在耳部处产生足够的声音变得很难。

然而，上述辐射功率曲线图也证实了利用本文所述的任何阵列，随着频率降低，溢出变得越来越少。在相对较低的频率下，溢出减少可能比特定使用情况下声学设备所预期需要的溢出减少更多。因此，在某些情况下可能不需要使用最有效的滤波器来减少溢出。相反，可使用相位和振幅的不同布置，该布置在减少溢出方面不是有效的，但是可以改善耳部处的SPL。

在一些示例中，在不同的频率范围内改变换能器的相对相位可能是有益的。在使用图9的四单极子换能器阵列60的一个示例中(结果汇总于下表1中)，发现在不同频率范围内切换相对相位会允许在传递到耳部的声功率和辐射到环境中的功率之间进行权衡，以便相对于不同频率下所需的溢出减少可以更好地利用换能器的可用体积位移。

表1

在一些示例中，可能有利的是，将溢出减少集中在某些频段，而不是其他频段上。例如，如果低频溢出的声音完全不存在而高频声音未衰减，则溢出的声音可能对声学设备附近的人更加刺耳—在较高的总体水平下，频谱不平衡的声音可能比频谱平衡的声音更刺耳。因此，可以设计用于换能器阵列的滤波器，使得溢出减少在所有频率上是一致的—换句话讲，放弃在最低频率处可用的一些溢出减少可能是有益的，以便更好地利用换能器可用体积位移或减少溢出的声音引起的刺激。

主题声学设备的声学阵列可使用双侧换能器和单侧换能器的任何组合，使得辐射表面的总数为至少三个，并且换能器控制信号的总数为至少两个。例如，图12的换能器阵列80包括偶极子换能器82，该偶极子换能器具有更靠近耳部E的单极子84和更远离耳部E的单极子86。三个换能器通常沿轴线90定位，但如上所述这不是必须的。图13A至图13C分别示出了溢出性能和示例性滤波器的相对振幅和相位。在图13A中，曲线A是单个单极子84的辐射功率，曲线B是单偶极子82的辐射功率，曲线C是优化(即，具有最佳滤波器)的两个偶极子(如图2所示)的辐射功率，并且曲线D是图12中阵列80的辐射功率，该阵列具有图13B和图13C中示出的滤波器。在图13B和图13C中，曲线A针对单极子84，曲线B针对偶极子82，并且曲线C针对单极子86。混合阵列诸如阵列80保留了偶极子的一些简单性和效率，同时增加了单极子阵列的一些灵活性。

在具有两个或更多个单极子的换能器阵列中，单极子共享后体积可能是有益的，以便当换能器异相时，后体积中压力减小，这减少了产生期望的SPL所需的功率量。共享的后体积可采用期望的物理形式，例如管或腔。图14示出了连接图12的单极子源84和86的后部的管108。用箭头表示三个换能器的示例性的相对相位。

如果辐射表面更靠近在一起，则用于主题声学设备的声学阵列能够在更高频率下实现溢出减少。为了利用换能器本身实现这一点，可以使换能器在物理上更小，以便换能器可更紧密地配合在一起。然而，较小的换能器实际上需要更大的位移，以便在耳部处获得期望的响度，因为换能器的面积较小，因此需要更大的运动来移动相同量的空气。这种约束是仅仅换能器尺寸减小是在较高频率下实现溢出减少的有限解决方案的一个原因。

实现位置相对更靠近在一起的声源的另一种方法是不涉及减小换能器的尺寸，而是使用更大的换能器，这些更大的换能器必须要更远离耳部，并且通过从更靠近耳部的辐射表面承载声音的管或波导将声音传导到更靠近耳部。图15示出了这一概念，其中换能器阵列110包括单极子换能器112、114、116和118，这些单极子换能器各自位于距耳部E的一定距离处。管121、123、125和127分别从换能器分别向管出口113、115、117和119承载声音，其中管出口用作单极子源。换能器的物理布置，以并排地或相对靠近在一起的其他布置形式，也允许使用共同的后体积120。

本文描述的换能器阵列的换能器可以具有彼此不同的尺寸。为了获得最佳的高频溢出减少，换能器应该很小并且靠得很近。然而，为了增加耳部处的声幅，换能器需要更大，这需要换能器距离更远。最小化声学溢出的滤波器通常需要来自不同换能器的不同的最大体积位移，因此减小需要较少输出的换能器的尺寸可能是有利的，以便允许换能器的中心尽可能地靠近在一起。

考虑到可从阵列的任何特定换能器获得的约束输出，可以基于耳部处的溢出减少和SPL两者的考虑来优化换能器阵列滤波器。因此，滤波器可能无法始终实现绝对最小溢出。优化滤波器可随频率而变化。例如，在第一频率范围内，控制信号可致使声换能器阵列大致地用作单极子；在高于第一频率范围的第二频率范围内，控制信号可致使声换能器阵列大致地用作偶极子；并且在高于第一频率范围和第二频率范围的第三频率范围内，控制信号可致使声换能器阵列大致地用作四极子。此外，在(高于第一频率范围、第二频率范围和第三频率范围的)第四频率范围内，控制信号可致使声换能器阵列大致地用作比四极子更高阶的多极子。

溢出减少的一个目的是避免打扰声学设备用户附近的其他人。令人烦恼的溢出的声音的量本身取决于环境中的噪声量—在非常安静的地方，即使少量的溢出也可能太多。并且，溢出量部分地取决于用户请求的总体声级。因此，声学设备可使用检测环境声音水平的传声器，并且可相应地调节换能器控制信号。例如，控制信号可以响应于环境噪声水平的增加和减少而自动地上下调节音量。此外，如果用户将音量调高到可能导致“过多”溢出的点，则声学设备能够产生警告(例如，声音警告)。可以预先设置产生这种警告的声级，或者潜在地可以由用户设置，这取决于用户的典型“邻居”的敏感性和耐受性。另选地，可基于在周围环境中检测到的噪声量自动建立声级。

图16中示出了单耳声学设备150的简化框图。对于每个耳部具有换能器阵列的更典型的声学设备，每个耳部会具有声学设备150。将音频信号输入到数字信号处理器(DSP)152，该数字信号处理器实现总体信号均衡154。然后，换能器170-172的通道1-3的信号将被提供至单独的滤波器156-158(例如，上述滤波器)，然后用于任何进一步所需的处理160-162(例如，本领域已知类型的处理，例如限制器、压缩器、动态EQ等)。信号在164-166中被放大，然后提供给换能器170-172。虽然图16中示出了三个换能器，但可使用额外的或更少的换能器和相应的信号路径，这取决于阵列中的换能器的数量。

图16的元件在框图中示出并描述为离散元件。这些元件可以实现为模拟电路或数字电路中的一者或多者。另选地或除此之外，元件可以用执行软件指令的一个或多个微处理器来实现。软件指令可包括数字信号处理指令。可由模拟电路或执行等效模拟操作的微处理器执行软件来这行这些操作。信号线可以实现为离散的模拟或数字信号线，具有能够处理单独信号的适当信号处理的离散数字信号线，和/或无线通信系统的元件。

当过程由框图表示或暗示时，步骤可由一个元件或多个元件执行。这些步骤可以一起执行或在不同时间执行。执行所述活动的元件可以是物理上彼此相同的或靠近的，或者可以是物理上分开的。一个元件可以执行多于一个块的动作。音频信号可以编码或不编码，并且可以数字形式或模拟形式传输。传统的音频信号处理设备和操作并未全部在附图中示出。

可以以许多不同的形状因子实现本公开的声学设备。以下是几个非限制性示例。换能器可位于头部每一侧上的壳体中，并通过带诸如与更常规耳机一起使用的那些连接，并且带的位置可以变化(例如，在头部顶部、头部后面或其他地方)。换能器可位于肩部/上部躯干上的颈部佩戴设备中，如2015年7月14日提交的美国专利申请14/799,265中所描述的，其公开内容以引用方式并入本文。换能器可以在柔性的并且缠绕在头部周围的带中。换能器可以与帽子、头盔或其他头戴式设备集成或耦接。本公开不限于这些或任何其他形状因子中的任何一种，并且可以使用其他形状因子。在不限制主题声学设备的换能器与头部的接近度的一般性的情况下，在头戴式设备中，换能器可以在耳部的大约100mm内，而在颈部或其他身体佩戴的设备中，换能器可以在耳部的大约200mm内。确切的距离根据具体应用而变化。

在标题为“Acoustic Device”，发明人Nathan Jeffery和Roman Litovsky，代理人案卷号22706-00126/HP-15-023-US的同一天提交的专利申请(并且全文以引用方式并入本文)中，公开了一种也被构造和布置为减少溢出的声学设备。以引用方式并入本文的专利申请中所公开的声学设备可以以任何合乎逻辑或期望的方式与本文公开的声学设备组合，以便实现另外的并且可能更广泛的带溢出减少。此外，为了使本公开的阵列在大约1kHz以上的频率下实现良好的溢出减少，换能器将可能相对较小。在可接受的SPL下，这种换能器可能无法移动足够的空气以产生低于约200Hz的低音。因此，在以引用方式并入的申请中所公开的声学设备可用于提供可能难以用本公开的声学设备实现的低音。

已描述了多个具体实施。然而，应当理解，在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下，可进行附加修改，并且因此，其他实施方案在以下权利要求书的范围内。

Claims (29)

1.一种适于佩戴在用户的身体上的声学设备，包括：

声换能器阵列，所述声换能器阵列包括至少三个声辐射表面；和控制器，所述控制器适于提供阵列控制信号，所述阵列控制信号独立地控制所述换能器中的每个换能器的相对相位和振幅。

2.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述声换能器阵列包括第一偶极子换能器和第二偶极子换能器，每个此类偶极子换能器包括具有相对的前侧和后侧的可振荡结构。

3.根据权利要求2所述的声学设备，其中所述第一偶极子换能器比所述第二偶极子换能器更靠近所述用户的第一耳部的预期位置。

4.根据权利要求3所述的声学设备，其中所述控制信号是频率相关的。

5.根据权利要求3所述的声学设备，其中所述控制信号在所述声学设备的至少第一频率范围内相对于所述第一偶极子换能器的振幅减小所述第二偶极子换能器的振幅。

6.根据权利要求5所述的声学设备，其中所述第一偶极子换能器和所述第二偶极子换能器在尺寸上是不同的。

7.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述控制信号在频率范围内相对于另一个换能器的振幅减小换能器的振幅。

8.根据权利要求2所述的声学设备，其中所述控制信号改变所述第一偶极子换能器和所述第二偶极子换能器相对于彼此的相位。

9.根据权利要求2所述的声学设备，其中所述声换能器阵列还包括第三偶极子换能器，所述第三偶极子换能器包括具有相对的前侧和后侧的可振荡结构。

10.根据权利要求9所述的声学设备，还包括声学地耦合到至少一个偶极子换能器的辐射表面的管，以更靠近所述用户的耳部的预期位置来承载声音。

11.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述声换能器阵列包括至少三个单极子换能器，所述至少三个单极子换能器各自包括单个声辐射表面。

12.根据权利要求11所述的声学设备，其中所述声换能器阵列包括通常沿轴线布置的四个单极子换能器，其中第一单极子换能器最靠近所述用户的第一耳部的预期位置，第二单极子换能器靠近所述第一单极子换能器，第三单极子换能器靠近所述第二单极子换能器，并且第四单极子换能器靠近所述第三单极子换能器。

13.根据权利要求12所述的声学设备，其中在所述声学设备的至少大部分工作频率范围内，所述控制信号致使所述第一单极子换能器和所述第三单极子换能器的相位与所述第二单极子换能器和所述第四单极子换能器的相位相反。

14.根据权利要求12所述的声学设备，其中在所述声学设备的至少大部分工作频率范围内，所述控制信号致使所述第二单极子换能器和所述第三单极子换能器各自具有比所述第一单极子换能器和所述第四单极子换能器的振幅大的振幅。

15.根据权利要求14所述的声学设备，其中在所述声学设备的至少大部分工作频率范围内，所述控制信号致使所述第二单极子换能器具有最高振幅，所述第三单极子换能器具有下一个最高振幅，所述第一单极子换能器具有下一个最高振幅，并且所述第四单极子换能器具有最低振幅。

16.根据权利要求1所述的声学设备，其中第一辐射表面比第二辐射表面更靠近所述用户的耳部的预期位置。

17.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述阵列包括至少一个偶极子换能器，所述至少一个偶极子换能器包括具有相对的前侧和后侧的可振荡结构、和至少一个单极子换能器，所述至少一个单极子换能器包括单个声辐射表面。

18.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述阵列包括至少两个单极子换能器，所述至少两个单极子换能器各自包括单个声辐射表面和后腔。

19.根据权利要求18所述的声学设备，其中所述后腔被声学地耦合在一起。

20.根据权利要求18所述的声学设备，还包括声学地耦合到至少一个单极子换能器的所述辐射表面的管，以将辐射声音承载到另一个位置。

21.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述控制信号响应于环境噪声水平来控制以下中的至少一者：所述换能器的所述振幅和所述相位。

22.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述阵列包括不同尺寸的换能器。

23.根据权利要求22所述的声学设备，其中所述阵列包括至少两个声换能器，其中第一声换能器在尺寸上小于第二声换能器。

24.根据权利要求23所述的声学设备，其中所述第一声换能器比所述第二声换能器更远离所述用户的耳部的所述预期位置。

25.根据权利要求1所述的声换能器，还包括声学地耦合到换能器的辐射表面的管，以便承载通过所述辐射表面辐射的声音，所述管具有比所述第一换能器更靠近所述用户的耳部的所述预期位置的开口。

26.根据权利要求1所述的声学设备，其中：

在第一频率范围内，所述控制信号致使所述声换能器阵列大致地用作单极子；

在高于所述第一频率范围的第二频率范围内，所述控制信号致使所述声换能器阵列大 致地用作偶极子；并且

在高于所述第一频率范围和所述第二频率范围的第三频率范围内，所述控制信号致使所述声换能器阵列大致地用作四极子。

27.根据权利要求26所述的声学设备，其中在高于所述第一频率范围、所述第二频率范围和所述第三频率范围的第四频率范围内，所述控制信号致使所述声换能器阵列大致地用作比四极子更高阶的多极子。

28.一种适于佩戴在用户的身体上的声学设备，包括：

声换能器阵列，所述声换能器阵列包括至少三个声辐射表面，所述阵列包括不同尺寸的换能器；和

控制器，所述控制器适于提供阵列控制信号，所述阵列控制信号独立地控制所述换能器中的每个换能器的相对相位和振幅，其中所述控制信号适于响应于环境噪声水平来控制所述换能器的所述振幅和所述相位中的至少一者。

29.一种适于佩戴在用户的身体上的声学设备，包括：

声换能器阵列，所述声换能器阵列包括至少三个单极子换能器，其中第一单极子换能器最靠近所述用户的第一耳部的预期位置，第二单极子换能器靠近所述第一单极子换能器并且比所述第一单极子换能器更远离所述耳部，并且第三单极子换能器靠近所述第二单极子换能器并且比所述第二单极子换能器更远离所述耳部；和

控制器，所述控制器适于提供阵列控制信号，所述阵列控制信号独立地控制所述换能器中的每个换能器的相对相位和振幅；

其中所述控制信号致使所述第二单极子换能器具有比所述第一单极子换能器和所述第三单极子换能器的振幅大的振幅，并且其中所述控制信号进一步致使所述第二单极子换能器具有与所述第一单极子换能器和所述第三单极子换能器的相位相反的相位。