CN109327789B - 一种增强声音的再现的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明包含一种用于评估头戴式耳机组合件的性能的设备，其具备基座和具有从所述基座延伸的近端的支撑件。所述支撑件包含适合于支撑头戴式耳机组合件的远端，且所述支撑件包含横向间隔开的一对相对侧。所述设备还包含一对板和至少两个麦克风。每一板安装到所述支撑件的所述相对侧中的一者，且包含具有形成于其中的至少两个孔口的中心部分。所述中心部分的大小用于收纳所述头戴式耳机组合件的头戴式耳机。每一麦克风安置在所述孔口中的一者内，且布置成使得所述麦克风的外表面定向成大体上平行于所述板的外表面，且适合于接收从所述头戴式耳机发出的声音。

Description

一种增强声音的再现的方法和系统
本申请是申请号为201410306857.6，申请日为2014年6月30日，发明名称为“头戴式耳机响应测量和均衡”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
一个或多个实施例涉及用于测量音频信号的测试设备，以及用于增强经由头戴式耳机的声音再现的系统。
背景技术
记录产业中的进步包含从多通道声音系统再现声音，例如从环绕声系统再现声音。通常，记录环绕声或双通道立体声记录，且接着对其进行处理以经由扩音器再现，这限制了经由头戴式耳机再现时此些记录的质量。举例来说，立体声记录通常既定经由扩音器再现，而不是经由头戴式耳机重放。这导致立体声全景在耳朵之间或听者的头部内前后出现，这可为不自然且令人厌倦的收听体验。
为了解决经由头戴式耳机再现声音的问题，设计者已得出用于头戴式耳机的立体声和环绕声增强系统；然而，在多数情况下，这些增强系统已引入了不想要的效应，例如不想要的染色、共振、混响和/或音质或声源角度和/ 或位置的失真。
音色或音质是区分不同类型的声音产生(例如，话音、乐器和声音系统 (例如，扩音器和头戴式耳机))的音符或声音或音调的质量。声音的决定音质感觉的物理特性包含频谱和包络。通常，音质使特定音乐声音不同于另一者，甚至在其具有相同音高和响度时。
Horbach的第2013/0236023号美国专利申请公开案描述一种用于使用“等响度方法”来进行头戴式耳机均衡的系统，其将不想要的效应从头戴式耳机所提供的音频信号过滤掉。所述系统包含所存储的一组预定音调突发参考信号以及所存储的一组预定音调突发测试信号，其形成在用户特定音频测试中用来形成头戴式耳机校正滤波器的频率范围。预定音调突发参考信号和预定音调突发测试信号可间歇地且循序地驱动包含于头戴式耳机中的换能器。预定音调突发参考信号的响度可为固定的，且预定音调突发测试信号的响度可随增益设定而变。增益设定可用来产生头戴式耳机校正滤波器。
发明内容
在一个实施例中，本发明包含一种用于评估头戴式耳机组合件的性能的设备，其具备基座和具有从所述基座延伸的近端的支撑件。所述支撑件包含适合于支撑头戴式耳机组合件的远端，且所述支撑件包含横向间隔开的一对相对侧。所述设备还包含一对板和至少两个麦克风。每一板安装到所述支撑件的相对侧中的一者，且包含具有形成于其中的至少两个孔口的中心部分。所述中心部分的大小用于收纳头戴式耳机组合件的头戴式耳机。每一麦克风安置在所述孔口中的一者内，且布置成使得麦克风的外表面定向成大体上平行于板的外表面，且适合于接收从头戴式耳机发出的声音。
在另一实施例中，一种系统具备头戴式耳机组合件，所述系统包含至少一个音频换能器和处理器。所述处理器经配置以接收音频输入信号，且使用基于具有弧形响应的目标函数的均衡滤波器来对音频输入信号进行滤波。所述处理器还经配置以将经滤波的音频输出信号提供给所述至少一个音频换能器。
在又一实施例中，提供一种用于增强声音的再现的方法。接收音频信号。使用对应于具有弧形响应的目标函数的均衡滤波器，基于音频信号产生经滤波音频信号。将所述经滤波音频信号提供给头戴式耳机换能器。
由此，所述测试设备通过提供不具有任何模拟耳廓和人类耳道的简化结构来提供优于现存测试设备的优点。现存测试设备中的此模拟结构影响头戴式耳机的所感知声音，且产生难以解译且具有用于准确头戴式耳机均衡 (EQ)的受限值的测量数据。另外，一种头戴式耳机组合件包含具有均衡滤波器的处理器，所述均衡滤波器经设计以基于使用测试设备从测试数据得出的目标函数来对音频输入进行滤波。所述目标函数具有弧形响应，如与具有平坦响应的现存目标函数形成对比。基于此目标函数来均衡音频信号提供优于现存目标函数的来自头戴式耳机组合件的改进的所感知声音。
附图说明
图1是说明根据一个或多个实施例的用于增强声音的再现的系统的示意图，将所述系统说明为连接到头戴式耳机组合件且向用户产生声波；
图2是图1的系统的一部分的控制图；
图3是说明根据一个或多个实施例的用于增强声音的再现的方法的流程图；
图4是根据一个或多个实施例的用于测量由耳上头戴式耳机组合件产生的声音的第一测试设备以及用于测量由耳内头戴式耳机组合件产生的声音的第二测试设备的俯视透视图；
图5是结合耳上头戴式耳机组合件说明的图4的第一测试设备的正视图；
图6是结合耳内头戴式耳机组合件说明的图4的第二测试设备的截面图；
图7是说明由第一头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备测量的声音测量数据的频率响应的曲线图；
图8是图7的声音测量数据的空间平均的曲线图；
图9是说明由第二头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备测量的声音测量数据的频率响应的曲线图；
图10是图9的声音测量数据的空间平均的曲线图；
图11是说明由第三头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备测量的声音测量数据的频率响应，且还说明与所述测量数据和第一空间目标函数相关联的经均衡经滤波数据的曲线图；
图12是说明由第三头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备测量的声音测量数据的频率响应，且还说明与所述测量数据和第二空间目标函数相关联的经均衡经滤波数据的曲线图；
图13是说明由第二头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备测量的声音测量数据的频率响应，且还说明使用与所述测量数据和第二空间目标函数相关联的有限脉冲响应(FIR)滤波器来滤波的数据的曲线图；
图14是说明在时域中的图13的声音测量数据的曲线图；
图15是说明在时域中的图13的经滤波声音测量数据的曲线图；
图16是说明由第四头戴式耳机组合件产生且由第二测试设备测量的声音测量数据的频率响应，且还说明与所述测量数据和第二空间目标函数相关联的经均衡经滤波数据的曲线图；
图17是说明由第四头戴式耳机组合件产生且由第二测试设备测量的声音测量数据的频率响应，且还说明与所述测量数据和主观目标函数相关联的经均衡经滤波数据的曲线图；
图18是说明由三个头戴式耳机组合件产生的声音测量数据的频率响应以及常见主观目标函数的曲线图；
图19是说明由第二头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备测量的声音测量数据的频率响应，且还说明由等响度方法确定的所感知频率响应的曲线图；
图20是说明由第二头戴式耳机组合件产生且由第三测试设备测量的声音测量数据的频率响应的曲线图；
图21是说明由等响度方法滤波的图20的声音测量数据的频率响应的曲线图；
图22是说明第二头戴式耳机组合件在不同负载下的电阻抗的曲线图；
图23是说明一组五个不同耳内头戴式耳机组合件的响应之间、由等响度方法产生的数据与由第二测试设备产生的数据之间的差异的平均值的曲线图；
图24是基于图23的平均值的校正滤波器的曲线图；
图25是说明由第四头戴式耳机组合件产生且由第二测试设备测量的经补偿声音测量数据的频率响应，且还说明与经补偿测量数据相关联且由等响度方法校正的经滤波数据的曲线图；
图26是说明由第八头戴式耳机组合件产生且由第二测试设备测量的经补偿声音测量数据的频率响应，且还说明与经补偿测量数据相关联且由等响度方法校正的经滤波数据的曲线图；
图27是说明由第九头戴式耳机组合件产生且由第二测试设备测量的经补偿声音测量数据的频率响应，且还说明与经补偿测量数据相关联且由等响度方法校正的经滤波数据的曲线图；以及
图28是说明由第十头戴式耳机组合件产生且由第二测试设备测量的经补偿声音测量数据的频率响应，且还说明与经补偿测量数据相关联且由等响度方法校正的经滤波数据的曲线图。
具体实施方式
按照要求，本文揭示本发明的具体实施例；然而，将理解，所揭示的实施例仅示范可以各种及替代形式体现的本发明。图不一定是按比例绘制的；可能夸大或最小化一些特征以展示特定组件的细节。因此，本文所揭示的特定结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而是仅解释为用于教示所属领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。
参考图1，根据一个或多个实施例说明用于增强声音的再现的系统，且其大体上由数字100指代。系统100连接(例如，通过有线或无线连接)到头戴式耳机组合件102。头戴式耳机组合件102包含一个或多个换能器，其定位在用户的耳朵附近。头戴式耳机组合件102可定位在用户的耳朵之上(贴耳式)，环绕用户的耳朵(环耳式)或在耳朵内(耳内式)。系统100将音频信号提供给头戴式耳机组合件102，所述音频信号用于驱动换能器以向用户提供可听声音。
系统100可实施为各种装置或并入到各种装置中，例如个人计算机 (PC)、平板PC、个人数字助理(PDA)、移动装置、掌上型计算机、膝上型计算机、桌上型计算机、通信装置、无线电话、音频装置，或能够执行指定将由机器进行的动作的一组指令(循序或以其它方式)的任何其它机器。音频装置的实例包含放大器、压缩光盘播放器、电视机、交通工具头部单元、无线电、家庭影院系统、音频接收器、MP3播放器、音频头戴式耳机、电话，或能够产生音频信号和/或由收听者感知的可听声音的任何其它装置。在特定实例中，可使用提供话音、音频、视频或数据通信的无线电子装置(例如，智能电话)来实施系统100。另外，虽然说明单个系统100，但术语“系统”还将被视为包含个别地或联合地执行一组或多组指令以实施一个或多个计算机功能的系统或子系统的任何集合。
系统100包含多个模块。可将术语“模块”定义为包含多个可执行模块。如本文所述，将所述模块界定为包含软件、硬件或硬件与由处理器(例如，数字信号处理器(DSP))执行的软件的组合。软件模块可包含存储在存储器中的可由所述处理器或另一处理器执行的指令。硬件模块可包含可由处理器执行、指导且/或控制执行的各种装置、组件、电路、门、电路板等。
参看图2，根据一个或多个实施例，系统100包含双耳渲染模块200和均衡模块202，其增强经由头戴式耳机的音乐再现的自然性。双耳渲染模块 200包含左输入204和右输入206，其连接到音频源(未图示)用于接收音频信号。双耳渲染模块200和均衡模块202对音频信号进行滤波，如下文详细描述。均衡模块202包含左输出208和右输出210，其用于提供音频信号以驱动头戴式耳机组合件102(图1中所示)的换能器将可听声音提供给用户。模块200、202可与其它音频信号处理模块组合，以在将音频信号提供到头戴式耳机组合件102之前对其进行滤波。
根据一个或多个实施例，双耳渲染模块200包含左通道头部相关滤波器 (HRTF)214，以及右通道HRTF 216。每一HRTF 214、216分别包含对应于前额声源的耳间交叉函数(Hcfront)218、219和耳间时间延迟(Tfront)220、 221，从而模仿在收听者前面的一对扩音器(例如，相对于收听者处于+/-30°或+/-45°)。在其它实施例中，双耳渲染模块200还包含对应于侧声源和后声源的HRTF。双耳渲染模块的设计在Horbach的第13/419,806号美国申请案中详细描述，所述申请案以全文引用的方式并入本文中。
均衡模块202包含均衡滤波器，其用于改进头戴式耳机类型和构造所特定的所感知频谱平衡。均衡模块202包含：第一均衡滤波器222，其连接到左通道HRTF 214的输出；以及第二均衡滤波器224，其连接到右通道HRTF 216的输出。通常，均衡滤波器222、224用于两个目的：通过消除由来自空腔或膜破裂的共振导致的从平滑曲线的局部偏差来增加头戴式耳机的频率响应的平滑度；以及形成所述响应的全局形状以改进频谱平衡，目的是近似表示典型空间中的扩音器收听。均衡滤波器222、224包含使用测量数据配置的参数，所述测量数据是使用下文参考图4到6所述的测试设备中的一者而针对特定头戴式耳机获得的。在一个或多个实施例中，均衡滤波器222、 224的参数可由用户使用等响度方法进一步调整，如Horbach的第13/415,536 号美国申请案中所述，所述申请案以全文引用的方式并入本文中。根据一个或多个实施例，将均衡滤波器222、224实施为线性均衡滤波器，例如有限脉冲响应(FIR)滤波器，或最小相位FIR滤波器。在其它实施例中，将均衡滤波器222、224实施为级联双二次均衡滤波器，例如无线脉冲响应(IIR) 滤波器。在另一实施例中，将均衡滤波器222、224实施为低频倾斜型滤波器和高频截止滤波器。
参看图3，系统100包含用于增强声音再现的一个或多个算法或方法。可个别地(例如，作为一模块)或与一个或多个其它方法组合(例如，作为多个模块)来实施这些方法。系统100包含任何数目的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，FLASH、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)，其与软件代码共同作用以执行所述方法的操作。
参考图2和3，在操作302处，系统100接收指示左输入204处的左音频信号和右输入206处的右音频信号的输入信号。
在操作304处，系统100使用双耳渲染模块200对输入信号进行滤波。
在操作306处，系统100使用测量数据来均衡指示头戴式耳机的频率响应的经滤波信号，所述测量数据是使用下文参考图4到6所述的测试设备中的一者针对特定头戴式耳机而获得。根据一个或多个实施例，系统100接着进一步根据等响度方法来均衡头戴式耳机的频率响应。
在操作308处，系统100将经均衡的经滤波信号提供给头戴式耳机组合件102的换能器，以将可听声音提供给用户。
用于测量由头戴式耳机产生的音频信号的现存测试设备通常包含根据 IEC60711(例如，GRAS 43AG)的标准耳朵模拟器。这些模拟器含有模拟耳廓和人类耳道，使得所得响应被声称类似于“普通”人的耳鼓膜处的声压。然而，耳朵(即，耳廓和耳道)的轮廓在每一用户之间不同，且还显著影响头戴式耳机的所感知声音。因此，由此些测试设备测量的测量数据(双耳数据)难以解译，或具有用于准确头戴式耳机均衡(EQ)的有限值，因为所测得头戴式耳机数据并不考虑个别感知的频率响应和收听者之间的变化。
参看图4到6，根据一个或多个实施例说明第一测试设备和第二测试设备，且其分别由数字402和404表示。测试设备402、404的大小大体具有对应于人类解剖学的总体尺寸，然而，测试设备402、404形成有简化轮廓。参考图4和5，第一测试设备402适于测量由贴耳式(即，耳上)头戴式耳机组合件或由环耳式(即，耳朵周围)头戴式耳机组合件(例如，头戴式耳机组合件502)产生的声音。第一测试设备402包含基座504以及支撑件505，支撑件505具有沿纵轴“A-A”从基座504横向延伸的近端506。支撑件505 还包含中间部分508和远端510。中间部分508和远端510的尺寸对应于普通人类头部的总体尺寸。中间部分508包含各自相对于垂直轴“B-B”以角度(β)形成的相对横向侧509。开口512形成于中间部分508的每一横向侧中。角度β近似等于五到十度，其对应于普通人类头部的形状，如图1中所示。
左板514和右板515各自安装到中间部分508的相对横向侧。板514、 515可由金属(例如，铝)形成，且可用由弹性材料(例如，记忆海绵)形成的涂层516覆盖。涂层516吸收高频声波，类似于人类皮肤。
将包含两个或多个麦克风的麦克风阵列518(图4中展示)安装到每一板514、515的中心部分，使得所述麦克风邻近于对应开口512横向安置。在一个或多个实施例中，每一麦克风阵列518包含两个麦克风，包含第一麦克风520和第二麦克风521，其以介于20mm与30mm之间的距离彼此间隔开。麦克风520和521与每一板514、515的外表面齐平安装，使得每一麦克风520、521的外表面大体上平行于对应板514、515的外表面。麦克风 520、521的电布线(未图示)延伸穿过板，且路由穿过对应的开口512。麦克风520、521相对于参考(例如，必凯(Bruel&Kjaer)型4190)而校准，且将校正滤波器应用于所测得数据，以补偿从平坦响应的偏差，通常仅高于 10kHz。所说明的实施例描绘耳上头戴式耳机502，其包含带522以及一对耳垫524，其各自安置在换能器(未图示)周围。第一测试设备502经配置以使得带522搁置在远端510上，且每一耳垫524围封对应麦克风阵列518 的麦克风520、521。
参考图4和6，第二测试设备404适合于测量由耳内头戴式耳机组合件 (例如，头戴式耳机组合件602)产生的声音。第二测试设备404包含耦合器604和板606。根据一个实施例，耦合器604以圆柱形形状形成，且包含突出穿过耦合器604的纵向高度的孔口608。耦合器604的大小对应于每一空腔的大小，以便准确地确定头戴式耳机组合件602的所感知频率响应。第二测试设备404还包含一个或多个麦克风610，其安装到板606，且定向在孔口608的第一纵向端处。头戴式耳机组合件602定向在孔口608的第二纵向端处，且与麦克风相对。
图7到10是说明由第一测试设备402测得的头戴式耳机组合件的频率响应的曲线图。图7是说明由第一头戴式耳机组合件(“头戴式耳机1”)产生的声音数据的曲线图700。根据一个实施例，第一头戴式耳机组合件为较大的耳上(环耳式)背部封闭头戴式耳机。标记为“LEFT_m1”的第一曲线说明由左板514(图4和5中展示)的第一麦克风520记录的数据。标记为“LEFT_m2”的第二曲线说明由左板514的第二麦克风521记录的数据。标记为“RIGHT_m1”的第三曲线说明由右板515的第一麦克风520记录的数据。标记为“RIGHT_m2”的第四曲线说明由右板515的第二麦克风521记录的数据。
由第一头戴式耳机产生的数据的声音等级在低频下相对较高，其可称为“低音加强”，且由数字702和704表示。在介于200Hz到3kHz的中频间隔内，所述数据大体上恒定或“平坦”，如由曲线的斜率说明且大体上由数字706和708表示。在高频下，数据的声音等级变为“较粗糙”，如由曲线的振荡且由曲线之间的在空间上的间隔(左相比于右)(其大体上由数字710 表示)表示。另外，曲线在常见阵列的第一与第二麦克风之间有偏差(如大体上由数字712和714表示)。
图8是图7中所示的数据的空间平均的曲线图800。空间平均是指麦克风阵列的所有麦克风所记录的数据的平均值。标记为“LEFT_avg”的第一曲线说明由左板514的第一和第二麦克风520、521记录的数据的空间平均。标记为“RIGHT_avg”的第二曲线说明由右板515的第一和第二麦克风520、 521记录的数据的空间平均。由不同头戴式耳机(右和左)产生的声音等级之间存在显著差异，其大体上由数字802表示。所述曲线说明近似5kHz下的声音等级的减小，其大体上由数字804和806表示，其可使用峰值滤波器来滤波或“升高”，以获得在中频范围内大体上始终平坦的响应。
图9和10是说明由第二头戴式耳机组合件(“头戴式耳机2”)产生且由第一测试设备402测量的声音数据的曲线图。根据一个实施例，第二头戴式耳机组合件为耳上(环耳式)背部开放头戴式耳机。图9是包含第一曲线(标记为“LEFT_m1”)和第二曲线(标记为“LEFT_m2”)的曲线图900，所述曲线说明分别由左板514的第一麦克风520和第二麦克风521记录的数据。曲线图900还包含第三曲线(标记为“RIGHT_m1”)和第四曲线(标记为“RIGHT_m2”)，其说明分别由右板515的第一麦克风520和第二麦克风521 记录的数据。参看图10，曲线图1000说明图9的数据的空间平均。标记为“LEFT_avg”的第一曲线说明由左板514的第一和第二麦克风520、521记录的数据的空间平均。标记为“RIGHT_avg”的第二曲线说明由右板514的第一和第二麦克风520、521记录的数据的空间平均。与图7和8的曲线相比，图9和10中所说明的曲线的频率响应较一致。然而，使用较高阶滤波器来获得整个中频范围内的总平坦响应。
系统100(图1和2中所示)提供接近地类似于房间中的扩音器所提供的收听体验的头戴式耳机收听体验。为了提供此收听体验，系统100校正个别头戴式耳机所产生的声音的音调平衡。
图11和12是说明由第三头戴式耳机组合件(“头戴式耳机3”)产生的声音测量数据的频率响应以及与所述测量数据相关联的经均衡经滤波数据的曲线图。根据一个或多个实施例，经均衡经滤波数据由图1和2中所示的系统100产生，其中不使双耳渲染模块200活动，且使均衡模块202活动。另外，曲线图1100和1200还包含“目标”频率响应数据，如通常在具有扩音器的收听房间中的收听座椅处所观察到。
图11是曲线图1100，其包含标记为“HEADPHONE3_avg”的第一曲线，所述第一曲线说明由第三头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备402测量的声音数据的平均值。根据一个实施例，第三头戴式耳机组合件为耳上(环耳式)头戴式耳机。标记为“TARGET1”的第二曲线说明对均衡的一个优选目标响应。第三曲线“EQ_filter1”说明与TARGET1相关联的第一均衡滤波器的频率响应。根据一个或多个实施例，均衡滤波器是无限脉冲响应(IIR) 滤波器(未图示)，包含级联双二次峰值/陷波滤波器。标记为“HEADPHONE3_after_EQ1”的第四曲线说明由EQ_filter1均衡的 HEADPHONE3数据。
第三头戴式耳机组合件在低频(例如，介于0到200Hz之间)下展现出低音加强，如由HEADPHONE3_avg曲线说明且由数字1102表示。在声音数据均衡之前，低音加强导致令人不愉悦的嗡嗡声。并且，返回参看图7 到11，第三头戴式耳机组合件(1102，图11中展示)的低音加强显著大于第一头戴式耳机组合件(702和704，图7中展示)和第二头戴式耳机组合件(图9和10中所示)的低音加强。
图12是包含来自图11的HEADPHONE3_avg曲线的曲线图1200。标记为“TARGET2”的第二曲线说明对均衡的另一优选目标响应。标记为“EQ_filter2”的第三曲线说明与TARGET2相关联的均衡滤波器(未图示) 的频率响应。根据一个或多个实施例，均衡滤波器是IIR滤波器，其包含级联双二次峰值/陷波滤波器。标记为“HEADPHONE3_after_EQ2”的第四曲线说明由EQ_filter2均衡的HEADPHONE3数据。
图13到15是说明由第二头戴式耳机组合件产生且使用与测量数据相关联的有限脉冲响应(FIR)滤波器滤波的声音测量数据的频率响应和脉冲响应的曲线图。一般来说，与IIR(级联双二次)均衡滤波器相比，FIR滤波器提供较准确的补偿。然而，FIR滤波器仅在头戴式耳机测量数据展现出频率响应形状的较少空间变化时适用。展现出较少空间变化的此声音测量数据的实例由头戴式耳机2产生且在图9中说明。
图13是曲线图1300，其包含从第二头戴式耳机组合件获得的LEFT_m1 和LEFT_m2曲线。标记为“FIR”的第三曲线说明具有n值512的FIR滤波器的频率响应，其中n值对应于滤波器的长度。标记为“LEFT_m1_after_FIR”的第四曲线说明由FIR滤波的LEFT_m1数据，标记为“LEFT_m2_after_FIR”的第四曲线说明由FIR滤波的LEFT_m2数据。第六曲线说明来自图12的 TARGET2。
参考图14和15，FIR滤波器(其为线性相位均衡滤波器)还减少时间分散性。图14是曲线图1400，其包含标记为“LEFT_m1_time”的曲线，所述曲线说明在时域中的图13的未经滤波脉冲响应数据(LEFT_m1)。存在于脉冲响应测量数据上且由LEFT_m1_time曲线说明的后振铃特征大体由数字 1402表示。
图15是曲线图1500，其包含标记为“LEFT_m1_time_after_FIR”的曲线，所述曲线说明在时域中的图13的经滤波声音数据(LEFT_ m1_after_FIR)。存在于经滤波声音数据(LEFT_m1_after_FIR)上的后振铃大体由数字1502表示，且比存在于图14中的未经滤波曲线上的后振铃特征 1402短得多。图14和15中所示的数据与图11和12中所示的数据的比较说明低阶IIR滤波器并不同样地改进时间分散性。非常高阶IIR将减少时间分散性，如最小相位FIR滤波器(其也可在我们的申请案中使用)。
图16到18说明与耳内头戴式耳机组合件相关联的数据。如下文详细描述，耳内头戴式耳机的校正不像大头戴式耳机那样直接，因为其需要经修改的主观目标函数。
图16和17说明由第四头戴式耳机组合件产生且由第二测量设备404(图 4和6中所示)测量的声音测量数据的频率响应。图16是说明由第四头戴式耳机组合件产生且与优选房间目标函数进行比较的声音数据的曲线图1600。根据一个实施例，第四头戴式耳机组合件为耳内头戴式耳机。标记为“HEADPHONE4_after_C”的第一曲线说明由安装在耦合器604(图4和6 中所示)的空腔608内的麦克风610记录且在应用校正滤波器(例如，下文参考图25到28所述的滤波器)之后的数据。所述曲线显著偏离平坦响应。标记为“TARGET2”的第二曲线说明优选房间目标函数。标记为“EQ_filter2”的第三曲线说明与TARGET2相关联的均衡滤波器的频率响应且包含双二次滤波器的级联。标记为“HEADPHONE4_after_EQ2”的第四曲线说明由 EQ_filter2均衡的HEADPHONE4_after_C数据。
图17是说明由头戴式耳机4产生且与主观目标函数进行比较的声音数据的曲线图1700。曲线图1700包含来自图16的曲线 HEADPHONE4_after_C。标记为“EQ_filter5”的第二曲线说明已通过主观地修改EQ_filter2而得出的经修改均衡滤波器的频率响应。标记为“HEADPHONE4_after_EQ5”的第三曲线说明由EQ_filter5均衡的 HEADPHONE4_after_C数据。中频范围内的频率响应大体由数字1702表示，且与图16中的HEADPHONE4_after_EQ4的频率(大体由数字1602表示) 相当。然而，与6KHz下的HEADPHONE4_after_EQ4的频率响应(如由数字1606表示)相比，所述频率响应增加约6KHz，其大体由数字1706表示，因此可减小滤波器的增益。
图18是说明由三个不同耳内头戴式耳机组合件(“HEADPHONES5到 7”)产生的频率响应数据以及常见主观目标函数的曲线图1800。针对不同的耳内头戴式耳机组合件重复上文参考图17所描述的实验。从此数据，基于与头戴式耳机5到7相关联的主观EQ滤波器的平均值确定常见目标函数，标记为“TARGET_in-ear”。可将TARGET_in-ear用作各种耳内头戴式耳机组合件的目标函数。
在Horbach的第13/415,536号美国申请案中描述用以确定头戴式耳机的所感知频率响应的方法。所述方法包含：接收窄带、脉冲样信号，其逐对呈现给对象；以及调整所述脉冲中的一者的电平，直到两者同样响为止。所述方法可称为“等响度方法”。用增加的中心频率在若干步骤中重复此过程，直到覆盖整个可听范围为止。可使用测试数据来设计EQ滤波器。
图19是说明由第二头戴式耳机组合件产生且由第一测试设备402测量且与如由等响度方法确定的所感知频率响应相比的声音测量数据的频率响应的曲线图1900。标记为“EL_filter”的第一曲线说明通过将等响度方法用于第二头戴式耳机组合件而产生的均衡滤波器的频率响应。标记为“LEFT_m1”的第二曲线说明由安装到左板514(图4和5中展示)的第一麦克风520记录的数据。标记为“LEFT_m2”的第三曲线说明由安装到左板 514的第二麦克风521记录的数据。标记为“HEADPHONE_after_EL”的第四曲线说明由EL_filter均衡的头戴式耳机数据。标记为“HEADPHONE_EQ”的第五曲线说明由从头戴式耳机测量数据确定的均衡滤波器均衡的头戴式耳机数据。已针对不同头戴式耳机组合件和测试人员重复了实验，且测试数据指示等响度方法产生趋向于均衡如由板测量的响应的滤波器。这确认了板测量对确定头戴式耳机的所感知频率响应的有效性。
通常，根据IEC 60711(例如GRAS 43AG)的标准耳朵模拟器用以表征头戴式耳机频率响应。这些模拟器含有模拟耳廓和人类耳道，使得所得响应被声称类似于“普通”人的耳鼓膜处的声压。
图20和21说明由第二头戴式耳机组合件产生且由包含市售耦合器(未图示)的常规测量设备测量的声音测量数据的频率响应。图20是曲线图 2000，其包含标记为“headphone2”的曲线，所述曲线说明未经滤波的频率响应数据。图21是曲线2100，其包含标记为“headphone2_filtered”的曲线，所述曲线说明图20的由等响度滤波器均衡的第二头戴式耳机测量数据。headphone2_filtered曲线说明尽管已均衡一些声音特征，但曲线的大体形状仍以耦合器的响应为主。为了界定均衡滤波器的有意义目标函数，必须详细知晓耦合器对“理想头戴式耳机”的频率响应。然而，实践显示此响应随被测试的头戴式耳机的确切位置而变化，因此经受不确定性且无法清楚地界定。
使用第一测试设备402测得的频率响应与等响度方法密切匹配的事实得出以下结论。耳鼓膜响应由大脑进一步处理，直到能够以较高准确度识别外部声源为止。这意味着身体特征(例如，在个人之间动态地变化的耳道或耳廓形状)在大脑中补偿。我们已学会通过将其与自然声音进行比较来以较高准确度判断扩音器的频率响应的质量。头戴式耳机无异。大脑尝试将其声音解译为外部来源。因此，应直接测量其频率响应，而无任何模拟身体部分。
图22说明由第一测试设备402测量的额外声音数据。图22是曲线图 2200，其包含说明头戴式耳机2在不同测试条件下(例如，无负载 (“HEADPHONE2_no-load”)、在人头上(“HEADPHONE2_head”)，以及使用第一测试设备(“HEADPHONE2_apparatus”))的电阻抗的曲线。曲线中存在最小差异，其指示不同测试条件期间的阻抗保持相同，与负载无关，这意味着不存在与声学负载阻抗的显著交互。因此，声学负载的准确建模是不必要的。
并且，使用噪声消除头戴式耳机(其中耳朵与换能器膜之间的区域中的声压被麦克风捕获)的体验展示所述声压并不显著取决于所附接的耦合器的类型(板或人头)，只要保证良好密封即可。耳廓的添加用作阻尼器。举例来说，频率响应中的陷波较浅，但其大体形状保持相同。
图23说明用于校准第二测试设备404的耦合器604的过程。多个耳内头戴式耳机组合件(未图示)使用第二测试设备404来测试，且使用等响度方法来校正。图23是曲线图2300，其包含各自说明每一头戴式耳机组合件的经校正响应的多个曲线。所述响应的平均值经计算且由标记为“AVERAGE”的曲线来说明，其可用以预均衡5kHz以上的耦合器响应。图24的曲线图2400中展示所得校正滤波器，且标记为“FILTER”。
图25到28说明由四个不同耳内头戴式耳机组合件产生的经补偿数据的实例，所述数据各自由第二测试设备404测量，且由使用等响度方法产生的均衡滤波器均衡。
图25是说明由第四头戴式耳机组合件(“头戴式耳机4”)产生且由第二测试设备404测量的声音数据的曲线图2500。标记为“COMPENSATED”的第一曲线说明由第二测试设备404(在其如上文参考图23和24所述校准之后)测量的数据。标记为“EL_filter”的第二曲线说明如使用等响度方法产生的对第四头戴式耳机组合件的频率响应。标记为“CORRECTED”的第三曲线说明由COMPENSATED和EL_filter两者的总和均衡的数据。
图26是说明由第八头戴式耳机组合件(“头戴式耳机5”)产生且由第二测试设备404测量的声音数据的曲线图2600。根据一个实施例，第八头戴式耳机组合件为耳内头戴式耳机组合件。标记为“COMPENSATED”的第一曲线说明由第二测试设备404(在其如上文参考图23和24所述校准之后)测量的数据。标记为“EL_filter”的第二曲线说明如使用等响度方法产生的对第八头戴式耳机组合件的频率响应。标记为“CORRECTED”的第三曲线说明由COMPENSATED和EL_filter两者的总和均衡的数据。
图27是说明由第九头戴式耳机组合件(“头戴式耳机6”)产生且由第二测试设备404测量的声音数据的曲线图2700。根据一个实施例，第九头戴式耳机组合件为耳内头戴式耳机组合件。标记为“COMPENSATED”的第一曲线说明由第二测试设备404(在其如上文参考图23和24所述校准之后)测量的数据。标记为“EL_filter”的第二曲线说明如使用等响度方法产生的对第九头戴式耳机组合件的频率响应。标记为“CORRECTED”的第三曲线说明由COMPENSATED和EL_filter两者的总和均衡的数据。
图28是说明由第十头戴式耳机组合件(“头戴式耳机7”)产生且由第二测试设备404测量的声音数据的曲线图2800。根据一个实施例，第十头戴式耳机组合件为耳内头戴式耳机组合件。标记为“COMPENSATED”的第一曲线说明由第二测试设备404(在其如上文参考图23和24所述校准之后)测量的数据。标记为“EL_filter”的第二曲线说明如使用等响度方法产生的对第十头戴式耳机组合件的频率响应。标记为“CORRECTED”的第三曲线说明由COMPENSATED和EL_filter两者的总和均衡的数据。在所有情况下，所述响应在较高程度上匹配，且结果较平坦且较平滑，其证实新的测试方法有效。
虽然上文描述了示例性实施例，但并不预期这些实施例描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中所使用的词语是描述词而不是限制词，且应了解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变。另外，各种实行实施例的特征可组合以形成本发明的其它实施例。

Claims (16)

1.一种增强声音的再现的方法，所述方法包括：
在听音室内提供具有至少一个换能器的扬声器组合件；
在所述听音室内的听音座位置提供至少一个麦克风；
将测试音频信号提供到至少一个换能器；
使用所述至少一个麦克风测量由所述扬声器组合件产生的测试音频输出；
基于所述测量的测试音频输出确定指示对于头戴式耳机组合件的目标频率响应的目标函数；
将第一音频信号提供到所述头戴式耳机组合件的至少一个头戴式耳机换能器；
使用具有简化轮廓的测试设备测量由所述至少一个头戴式耳机换能器响应于接收所述第一音频信号而产生的音频输出；
接收第二音频信号；
使用指示所述测量的音频输出与所述目标函数之间的差异的均衡滤波器对所述第二音频信号进行滤波；以及
将所述经过滤波的第二音频信号提供到所述至少一个头戴式耳机换能器。
2.如权利要求1所述的方法，其中测量由所述至少一个头戴式耳机换能器产生的音频输出还包括：
在听音室内提供所述具有简化轮廓的测试设备和由所述测试设备支撑的至少一个麦克风；
将所述头戴式耳机组合件安装到所述测试设备，使得所述至少一个头戴式耳机换能器定位成接近所述至少一个麦克风；
将所述第一音频信号提供到所述头戴式耳机组合件的至少一个头戴式耳机换能器；以及
使用所述至少一个麦克风测量由所述至少一个头戴式耳机换能器响应于接收所述第一音频信号而产生的所述音频输出。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个麦克风还包括至少两个麦克风，所述方法还包括：
使用所述至少两个麦克风测量由所述至少一个头戴式耳机换能器响应于接收所述第一音频信号而产生的所述音频输出；
计算所述测量的音频输出的空间平均值；以及
确定所述均衡滤波器以将所述测量的音频输出的所述空间平均值调整至与所述目标函数相对应。
4.如权利要求1所述的方法，其还包括使用所述均衡滤波器和主观滤波器对所述第二音频信号进行滤波。
5.如权利要求1所述的方法，其还包括：
接收指示用户选定的音频参数的输入；
确定主观均衡滤波器以基于所述输入调整所述音频；以及
使用所述均衡滤波器和所述主观均衡滤波器对所述第二音频信号进行滤波。
6.一种增强声音的再现的系统，其包括：
具有简化轮廓的测试设备，所述测试设备包括：
板片；
耦合器，所述耦合器由所述板片支撑且以圆柱形形状形成，所述耦合器具有彼此隔开的第一端和第二端且有孔隙在所述第一端与所述第二端之间突出，其中所述第二端被定大小以用于收纳入耳头戴式耳机；以及
至少一个麦克风，所述至少一个麦克风由所述板片支撑且在所述耦合器的所述第一端处定向于所述孔隙内；
所述系统还包括：
外壳；
由所述外壳支撑的至少一个入耳头戴式耳机换能器；以及
在所述外壳中的处理器，所述处理器被编程以：
接收音频信号；
使用指示目标函数与使用所述具有简化轮廓的测试设备测量的音频输出之间的差异的均衡滤波器对所述音频信号进行滤波；以及
将所述经过滤波的音频信号提供到所述至少一个入耳头戴式耳机换能器，
其中所述目标函数基于使用所述至少一个麦克风测量测试音频信号所产生的测试音频输出确定。
7.如权利要求6所述的系统，其还包括所述均衡滤波器，其中所述均衡滤波器还包括线性均衡滤波器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述线性均衡滤波器还包括有限脉冲响应(FIR)滤波器。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述FIR滤波器还包括最小相位FIR滤波器。
10.如权利要求6所述的系统，其还包括所述均衡滤波器，其中所述均衡滤波器还包括级联双二阶均衡滤波器和有限脉冲响应(FIR)滤波器中的至少一个。
11.如权利要求6所述的系统，其还包括所述均衡滤波器，其中所述均衡滤波器还包括低频斜坡滤波器和高频截止滤波器中的至少一个。
12.一种增强声音的再现的方法，所述方法包括：
提供包含至少一个头戴式耳机换能器的头戴式耳机组合件；
在听音室内提供具有简化轮廓的测试设备和由所述测试设备支撑的麦克风阵列；
将所述头戴式耳机组合件安装到所述测试设备，使得所述至少一个头戴式耳机换能器定位成接近所述麦克风阵列；
将未经滤波的音频信号提供到所述头戴式耳机组合件的至少一个头戴式耳机换能器；
使用所述麦克风阵列测量由所述至少一个头戴式耳机换能器响应于接收所述未经滤波的音频信号而产生的音频输出；
计算所述测量的音频输出的空间平均值；
确定均衡滤波器以将所述测量的音频输出的所述空间平均值调整至与目标函数相对应；
接收音频信号；以及
使用均衡滤波器对所述音频信号进行滤波。
13.如权利要求12所述的方法，其还包括确定所述目标函数，其中所述目标函数指示对所述头戴式耳机组合件的目标频率响应。
14.如权利要求12所述的方法，其还包括：
在听音室内提供具有至少一个换能器的扬声器组合件；
在所述听音室内的听音座位置提供至少一个麦克风；
将测试音频信号提供到至少一个换能器；
使用所述至少一个麦克风测量由所述扬声器组合件响应于接收所述测试音频信号而产生的测试音频输出；
基于所述测量的测试音频输出确定所述目标函数。
15.如权利要求12所述的方法，其还包括确定所述均衡滤波器，其中所述均衡滤波器适于将所述测量的音频输出调整至与所述目标函数相对应。
16.如权利要求12所述的方法，其还包括使用所述具有简化轮廓的测试设备测量由所述至少一个头戴式耳机换能器产生的音频输出。
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