CN110199347A - 声音和振动的主动控制 - Google Patents

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Abstract

根据示例实施例，提供了一种用于主动消除声音和振动的设备，该设备包括用于在作为其输入提供的驱动信号的控制下联合产生振动和声音的声音和振动产生装置，其被布置在填充物内以产生在填充物的至少一个外表面上可感知为振动和声音的机械振动，并且通过填充物的所述至少一个外表面辐射声音，用于提供指示声音的声能和填充物内的振动的反馈装置，以及用于根据所述反馈信息产生驱动信号以便减少由于声音和振动的一个或多个外部声源在填充物内引起的环境声音和振动的能量的驱动装置。

Description

声音和振动的主动控制
技术领域
本发明的示例实施例涉及经由振动的增强的声音感知。
背景技术
人类听觉感知主要通过耳朵进行，但它特别是在频谱的低端受到触觉的支持。作为示例，在低于50Hz的频率下，通常需要高于80dB的声压水平以便使人类听众能够感知声音。在这样的声压水平下，人体皮肤也开始以可感知的水平振动，从而产生用作支持听觉的触觉，即振动触觉。在低于20Hz(次声频率)的频率下，空气压力振动的听觉或感觉仅基于振动触觉感知。除了20Hz以下的极低频率之外，皮肤上的振动触觉感知的频率范围通常延伸到大约500Hz，而对于可能具有其他感觉的感觉障碍的敏感人群，其可以延伸甚至高达大约1000Hz。因此，振动触觉(vibrotactile sense)，即触觉(sense of touch)，在可感知的音频频谱的相当大的部分中支持人类听觉。
并行地，在本领域中已知用于衰减或甚至完全消除有限体积内的不想要的声音的主动降噪(ANC)技术。也许ANC最著名的应用涉及噪声消除耳机，其中用作捕捉耳机的用户周围环境噪声的麦克风设备安装在耳机中，其中ANC处理单元产生“抗噪声”，当输出到耳机的用户时，其导致显著衰减或甚至完全消除由麦克风设备捕获的环境噪声。
很明显，这样的ANC应用仅能够衰减或消除环境噪声的可听感知，而振动触觉感知仍未得到补偿。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于根据一个或多个控制信号综合控制——例如消除或衰减——环境声音和振动的技术。这种技术使得能够例如创建局部静音区域，局部静音区域中用户感觉到基本上与他/她的环境中可能经由人类听觉和/或振动触觉感知传达的任何干扰隔离。
根据示例实施例，提供了一种用于主动消除声音和振动的设备，该设备包括声音和振动产生装置，其用于在作为到其的输入而提供的驱动信号的控制下联合产生振动和声音，所述装置被布置在填充物内以产生在填充物的至少一个外表面上可感知为振动和声音的机械振动，并且以通过填充物的所述至少一个外表面辐射声音，用于提供指示填充物内的声音的声能和振动的反馈信息的反馈装置，以及用于根据所述反馈信息产生驱动信号以便减少由于声音和振动的一个或多个外部声源在填充物内引起的环境声音和振动的能量的驱动装置。
在示例中，反馈装置包括被布置成提供描述填充物内的声学动能的第一反馈信号的第一传感器和被布置成提供描述填充物内的声学势能的第二反馈信号的第二传感器，且反馈信息包括所述第一反馈信号和第二反馈信号。在这方面，第一传感器可以包括被布置成提供描述填充物内的移动速度的第一反馈信号的加速度计，并且第二传感器可以包括被布置成提供描述填充物内的声压的第二反馈信号的压力传感器。在另一示例中，驱动装置被布置为通过将第一反馈信号乘以第一适配增益值来得到第一消除信号，通过将第二反馈信号乘以第二适配增益值来得到第二消除信号以及生成驱动信号作为包括第一消除信号和第二消除信号的组合的信号。
在本专利申请中呈现的本发明的示例性实施例不应被解释为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”及其衍生词在本专利申请中用作不排除也存在未记载的特征的开放式限制。除非另外明确说明，否则下文描述的特征相互自由组合。
在所附权利要求中阐述了本发明的一些特征。然而，当结合附图阅读时，从以下对一些示例实施例的描述，将最好地理解本发明的作为其构造和其操作方法的各方面，以及其附加的目的和优点。
附图说明
在附图的图中，通过示例而非限制的方式说明了本发明的实施例
图1描绘了根据示例实施例的设备的一些逻辑部件的框图；
图2示意性地说明了根据示例实施例的主动振动元件设备；
图3描绘了根据示例实施例的驱动部分的一些逻辑部件的框图；
图4描绘了根据示例实施例的驱动部分的一些逻辑部件的框图；以及
图5示意性地说明了根据示例实施例的主动振动元件阵列。
具体实施方式
如前所述，并行于通过耳朵的听觉系统，人类听觉感知还涉及经由受音频范围中的声学激励影响的其他感觉——尤其是经由对皮肤和人体内部组织两者上的振动做出反应的触觉接收听觉信息。经由通过耳朵的人类听觉系统的可听感知通常覆盖从大约50Hz到大约20kHz的可听频率，尽管该范围甚至可能在人与人之间显著变化，而触觉传达在可听频率范围的下端及以下的听觉信息。
考虑到可听频率和/或略低中的触觉，皮肤上的皮肤受体能够捕获通常10至500Hz的信息。如果由流体(例如，空气或水)传输的空气传播声音足够强烈，则皮肤振动并且这种振动触觉感知支持可听感知。来自触觉和听觉的同步信息相互支持，从而提高了感知的音频信息的清晰度。在较低的振动触觉音频频率，例如低于100Hz的频率，机械振动也容易传播到位于皮肤下方的身体部位，并且关节和肌肉中的振动受体对音频信号做出反应。振动进一步以非常低的音频和次声频率影响更深的身体部位。通常，人类听众不能听到30Hz以下的频率，并且这种频率的信号分量经由与环境的机械接触主要被感知为身体振动。皮肤还可以将次声频率感觉为压力感或经由各种非线性机制(例如衣服向皮肤拍打)来感觉次声频率。
虽然感觉触摸因此有助于传达经由人类听觉系统仅部分感知或者经由人类听觉系统难以感知的听觉信息以改善听觉信息感知，但强烈振动也可能经由干扰其他感觉而具有有害影响：作为示例，传递到收听者头部的低频振动可能干扰视觉感知，从而对平衡感觉具有不利影响。因此，虽然振动刺激可以用作人类听觉的帮助以改进声音感知，但另一方面，振动刺激经由传达可能被用户感知为干扰或不适或者在用户希望避免接收任何听觉或振动触觉信息的情况下接收的听觉信息，可能具有不期望的效果。
振动刺激也可被用于减少可感知的声音和振动暴露。在低频率下，通过听觉和触觉的多感觉感知的交叉耦合机制，缺乏振动被认为是缺乏声音。为了提供消除或衰减不需要的听觉和振动触觉的综合解决方案，需要同时减少环境声音和环境振动，并且这种减少为了感知上良好的结果优选地以平衡的方式进行。
本公开经由多个非限制性示例描述了一种用于使用基于观察到的局部声能流的整体方法来控制用户可感知的声音和振动的技术，其中可以使用并置反馈控制系统来控制空气传播声音和结构传播振动两者，该并置反馈控制系统可以至少部分地基于表面强度检测。在这方面，控制逻辑跟踪环境声能流并且旨在使用辐射振动能量在有限的近场收听区域内局部地最小化能量密度。因此，经由考虑物理学和感知声学方面这两者：a)经由估计用户周围的声能流的环境声音和振动场，以及b)经由用户接收的声音的响度和结构传播振动的感觉(触觉感知)来传达的残余感知干扰，可以在用户的头部周围创建静音区域或音量。
这种技术可以表征为声音和振动的主动或半主动控制。在示例中，在类似垫子的器件中提供实现声音和振动的主动或半主动控制的系统或布置，该类似垫子的器件如此吸收声能，并且其使用主动消除作为用于减少用户感知噪声的附加装置。在另一示例中，这样的系统或设备被提供在例如电影院座椅、航空公司座椅、机动车辆的座椅等的座椅中。在座椅布置中，干扰声能可以源自环境声音辐射(主要来自前方)，或经由座椅接收的结构传播振动(主要来自后方)。声能流的这些分量可以通过例如同时测量声压和振动速度来区分。
用于提供声音和振动的主动或半主动控制的直接解决方案涉及使用集成到表面振动致动器设备中的表面强度探测器设备，其各种示例在下文中描述。与先前已知的使用声音或振动感测的主动声音或振动控制或消除系统不同，本公开中描述的基于声能流的方法提供了用于主动消除或衰减可听和振动触觉频率中的、无论是空气传播还是结构传播的可感知干扰的能量有效且鲁棒的解决方案。
图1描绘了根据示例的设备100的一些(逻辑)部件的框图。设备100包括声音和振动产生设备110，其被布置成在作为其输入提供的驱动信号d的控制下联合产生振动和声音。声音和振动产生设备110被设置在填充物内以产生机械振动，该机械振动在填充物的至少一个外表面上可感知为振动和声音，并且以通过填充物的所述至少一个外表面辐射声音以用于主动消除声音和振动。设备100还包括反馈设备130，其被布置为提供反馈信息f，反馈信息f指示在填充物内的观察到的声音和振动的声能；和驱动设备150，该驱动设备150被布置以根据反馈信息f产生驱动信号d以减少填充物内的环境声音和振动的能量。设备100还可以经由驱动设备150接收用于使用声音和振动产生设备110进行再现的输入音频信号s。
图1还描绘了可选的输入控制信号c，其可以例如通过简单地启用接通或关断设备100的操作和/或通过提供启用控制或调节设备100的操作的一个或多个控制参数，应用于控制驱动设备150的操作。图1还描绘了可以从驱动设备150输出例如到外部控制和/或监视单元的可选测量信号m。测量信号m指示在填充物内的观察到的声音和振动。测量信号m可以携带例如关于填充物内的观察到的声音和振动的声能的一个或多个指示。
由反馈信息f指示的填充物内的声音和振动可以包括以下分量中的一个或两个：
-由声音和振动产生设备的操作引起的声音和振动，以再现输入音频信号s，
-由于外部声源和/或振动源而在填充物内引起的环境声音和振动。
由反馈设备130和驱动设备150的操作提供的局部控制回路用于以旨在局部最小化在填充物内部引起的环境声音和振动的方式来驱动声音和振动产生设备110。因此，在提供输入音频信号s的情况下，设备100的操作旨在消除或至少衰减由于外部源的填充物内的引起的环境声音和振动，以使得能够不受干扰地听输入音频信号s，然而，在没有提供输入音频信号s的情况下，该设备用于提供局部静音音量或静音区域，其中源自外部源的声学信息被衰减或者甚至完全消除，该声学信息否则将经由触觉和/或经由人类听觉传达。由于其操作的该方面，设备100也可以被称为主动声音和振动消除设备100，或者简称为主动振动元件(AVE)100。下面提供关于AVE 100的操作的各种示例。
声音和振动产生设备110也可以被称为声音和振动产生装置110，以反映存在多种方式来实现用于联合产生声音和振动的设备的事实。在这方面，本文稍后提供一些非限制性示例。在下文中，我们主要将声音和振动产生设备110称为声音/振动再现(SVR)装置110。沿着类似的方式，在下文中，反馈设备130主要被称为反馈装置130且驱动设备150主要被称为驱动装置150。
图2示意性地说明了根据示例的AVE 100。在图2的示例中，SVR装置110包括机械致动器112，其被布置为根据从驱动装置150接收的驱动信号d振动板114。图2还示出了填充物170，用于封闭AVE 100使得SVR装置110弹性地安装在填充物170上。板114由比填充物170更硬的材料制成，因此通过机械致动器112的操作在板114中产生的振动通过填充物传递到填充物170的外表面172。因此，由SVR装置110产生的振动在填充物170的外表面172的至少一部分上可感知为振动和声音，并且它还通过填充物170的外表面172的至少一部分辐射为声音。在示例中，外表面172构成填充物170的整体部分，并且它由与填充物的紧邻部分相同的材料制成。在另一示例中，外表面172可以被提供作为由与填充物170的紧邻部分的材料不同的材料制成的单独的包裹物。
填充物170包括多孔材料或由多孔材料制成，其一方面机械地消散由SVR装置110的操作产生的振动并且在声学上吸收由SVR装置110的操作产生的声音。该消散和吸收用于衰减特别是在高频的噪声信号，这有利于操作设备100以主动消除声音和振动，因为高频噪声通常难以经由SVR装置110的操作来消除或衰减。另一方面，然而，填充物170用于将由SVR装置110的操作产生的声音和振动传递到其外表面172，从而有助于用户的同步接收声音和振动。因此，填充物172除了用作能量消散装置之外还用作能量传输装置，以便在一定程度上提供谐振的阻尼以及外部/环境声学噪声的阻尼。
在这方面，上面提到的固有机械消散对于主动控制目的是有利的，因为a)它如此衰减环境声音和振动，以及b)它可以用作主动吸收控制方案的一个元件。通常，主动噪声消除实际上不会降低声能，而是增加声能，同时它用于引导环境能量远离静音区。先前已知的用于噪声消除的主动系统通常以相对差的能量效率下产生大量能量。相反，本发明中描述的近场方法以整体方式利用AVE 100的感测和致动能力，从而提供用于在用户周围创建静音区域或静音音量的能量有效装置。
作为示例，机械致动器112可包括机械连接或悬挂到板114的可移动磁体，并且通过由驱动信号d驱动可移动磁体的移动来产生振动。特别地，该示例的磁体相对于围绕SVR装置110的填充物170可移动。在该示例中，板114是刚性的或基本上刚性的，从而随着可移动磁体的移动而整体移动。在该示例的变型中，可移动磁体可以是扬声器元件的磁体组件，该扬声器元件机械地连接到板114。
在另一示例中，机械致动器112可包括集成到板114的压电或磁致伸缩元件，该压电或磁致伸缩元件根据驱动信号d引起板114的变形。在该示例中，板虽然比围绕它的填充物170更刚性，但是在一定程度上是柔性的以允许经由用作机械致动器112的压电或磁致伸缩元件的操作来驱动其变形。
尽管在图2中描绘并且在上述示例中描述了单个致动器112和单个板114，但是在其他示例中，可以布置(单个)致动器112以根据驱动信号d振动两个或更多个板114，可以布置两个或更多个致动器112以根据驱动信号d振动(单个)板114或可以布置两个或更多个致动器112以根据驱动信号d振动两个或更多个板114。通常，图2的示例性SVR装置110概括为包括至少一个机械致动器112和至少一个板114的一个装置，其中所述至少一个机械致动器112被布置以根据从驱动装置150接收的驱动信号d振动至少一个板114。
通常，反馈装置130可以包括被布置以提供描述填充物170内的声学动能的第一反馈信号f1的第一传感器和被设定为提供描述填充物170内的声学势能的第二反馈信号f2的第二传感器。参考图2的示例，反馈装置130可以包括作为第一传感器的加速度计132和作为第二传感器的压力传感器134。加速度计132和压力传感器134被彼此靠近地布置。换句话说，加速度计132和压力传感器134彼此共同定位并且与驱动装置150共同定位。在图2中，压力传感器134被描绘为麦克风，但是可以应用其他类型的压力传感器。加速度计132通信地耦合到驱动装置150，并且其被布置以将来自反馈装置130的第一反馈信号f1提供给驱动装置150。第一反馈信号f1传达描述由于其内引起的振动的填充物170内的移动速度的反馈信息。速度可以从由加速度计132获得的第一反馈信号f1得到，作为由第一反馈信号f1指示的测量加速度的时间积分。压力传感器134通信地耦合到驱动装置150，并且其被布置以将来自反馈装置130的第二反馈信号f2提供给驱动装置150。第二反馈信号f2传达描述填充物170内的声压的反馈信息。因此，第一反馈信号f1和第二反馈信号f2用作前面提到的反馈信息f。
在图2的示例中，加速度计132和压力传感器134被描绘为直接耦合到板114的元件。然而，这是非限制性示例，并且可以替代地使用其他类型的布置。作为这方面的示例，加速计132和压力传感器134中的一个或两个可以替代地被集成或附接到驱动装置150。作为另一个示例性变型，加速度计132和压力传感器134中的一个或两个可以被设置在与板134(或总体上SVR装置110)和驱动装置132分开的实体中。然而，加速计132和压力传感器134(或总体上反馈装置130)的任务是提供反馈信息，该反馈信息能够计算或以其他方式估计填充物170内的声音和振动的声能，并且因此将它们布置在板上或靠近板114处经由在没有由填充物170引起的阻尼的情况下直接观察由板114引起的振动产生的声能分量提供了优点。
加速度计132和压力传感器134在板114处或靠近板114在空间上彼此靠近的布置确保它们用于以具有在典型实施方式中可以被认为忽略的小的(传播)延迟的同步方式提供反馈信息。因此，到驱动装置150的控制回路(或反馈回路)是鲁棒的并且对AVE 100的操作参数或操作条件的微小变化不敏感。
通常，先前已知的主动噪声消除系统使用一组麦克风来提供表示声压的(一个或多个)反馈信号，并因此提供声学势能的指示。虽然这种方法可以在某些应用中提供令人满意的性能，但是使用关于声学动能的反馈信息，例如经由与声压信息并行的振动速度指示，能够改进性能：具有声学势能(例如声压)和声学动能(例如振动速度)的相应指示，使直接能量(能量密度、阻抗、强度)能够用于监视和控制声音和振动。在AVE 100中采用该方法，使得AVE 100能够使其自身适应于提供声能流向量分量的估计的局部(表面)强度传感器。在这方面，AVE 100可以被认为是局部定向传感器/致动器，其测量环境声音和振动能量流并且利用方向特性来控制它。
下面通过使用声压反馈和振动速度反馈作为相应的示例，进一步讨论由于使用声学势能反馈和声学动能反馈而产生的有利效果。用p表示测量或观察的声压以及用v表示测量或观察的振动速度，声压平方p2与声势能成比例，并且速度平方v2与声学动能成比例，而在频域中的声压p和频域中的速度v(分别表示为P和V)的它们的比率表示阻抗，即Z＝P/V。声压p和速度v的乘积，即p*v，表示用作局部声能流的指示的瞬时强度。在频域中，它们的复共轭乘积P*V表示平均(复数)强度。可以从复数强度的实部获得净声能流动幅度和方向。如前所述，当使用加速度传感器来提供振动速度反馈时，可以获得振动速度v作为测量的加速度a的时间积分。在频域中，这可以通过将表示为A的频域中的加速度除以角频率ω，如V＝A/ω来实现。因此，在频域中，可以通过使用关系Z＝jωHap，从压力P和加速度A之间的表示为Hap＝P/A的频率响应获得阻抗Z。此外，可以如I＝P*A/jω＝P*P(jωHap)-1获得复数强度估计I。
仅使用压力反馈(如在已知解决方案中)使得能够最小化声压，但是这通常会增加振动，理想地将阻抗驱动为零。因此，虽然经由人类听觉直接传达的声能处于或接近零，从而导致基本静音的位置，但是振动触觉仍然传达用户通常至少部分地感知为听觉信息的(增加的)振动。如下面将通过非限制性示例描述的，通过与指示例如作为直接声压p的声学势能的反馈并行的使用指示声学动能量(例如振动速度v)的反馈，例如通过适当地调整控制来自在驱动信号d的得到中的速度反馈(例如反馈信号f1)和压力反馈(例如反馈信号f2)的贡献的相应增益值，可实现改进的可感知结果。
仍然参考图2的示例，驱动装置150可以由硬件装置或硬件装置和软件装置的组合提供。作为后者的示例，驱动装置150可以由包括处理器和存储器的设备提供，该存储器被布置以存储计算机程序代码，该计算机程序代码包括计算机可执行指令，当由处理器执行时，该计算机可执行指令可以在控制信号c中接收的一个或多个控制参数的控制下使得设备根据在第一反馈信号f1和第二反馈信号f2中接收的反馈信息得到驱动信号d。这里，不应将对处理器的(一个或多个)引用理解为仅包含可编程处理器，还应包括诸如现场可编程门阵列(FPGA)、专用电路(ASIC)、信号处理器、模拟电路等的专用电路。
在驱动装置150中产生驱动信号d的目的在于得到驱动信号d，该驱动信号d使SVR设备110产生声音和振动，该声音和振动用于消除或基本上衰减由第一反馈信号f1和第二反馈信号f2指示的观察的环境声音和振动。在这方面，第一反馈信号f1和第二反馈信号f2用作产生信号的基础，该信号作为驱动信号d或作为其分量被反馈到SVR装置110，以便消除或衰减观察的环境声音和振动。
作为这方面的示例，图3描绘了可以采用以基于作为驱动装置150的操作的部分的第一反馈信号f1和第二反馈信号f2产生驱动信号d的设备的一些逻辑部件的框图。作为图3的设备的操作的概述，驱动装置150的操作通过根据第一反馈信号f1和第二反馈信号f2的适配装置152的操作来适配。适配装置152接收第一反馈信号f1和第二反馈信号f2，并根据预定义的适配规则根据第一反馈信号f1和第二反馈信号f2设定第一增益g1和第二增益g2的值。第一反馈信号f1乘以第一增益g1以产生第一消除信号，而第二反馈信号f2乘以第二增益g2以产生第二消除信号。将第一消除信号和第二消除信号中的每一个组合(例如，添加)到输入音频信号s以形成驱动信号d。在不存在输入音频信号s的情况下，驱动信号d被形成作为第一消除信号和第二消除信号的组合(例如，作为和)。
适配规则可旨在将振动(由第一反馈信号f1表示)、声压(由第二反馈信号f2表示)或两者驱动为零，从而衰减或消除在环境内引起的环境声音和/或振动。这可以通过适配装置152根据适配规则设定第一增益g1和第二增益g2的相应值来实现。以下概述了适应规则的非限制性示例：
-适配规则可以将第一增益g1设定为零并且选择第二增益g2的值，使得由第二反馈信号f2指示的声压最小化，而由于第一增益g1的零值，振动不是主动地衰减或取消。该方法旨在减小或最小化填充物170内的环境声音和振动的势能。
-适配规则可以将第二增益g2设定为零并且选择第一增益g1的值，使得由第一反馈信号f1指示的振动最小化，而由于第二增益g2的零值，可听声音不是主动地减弱或取消。该方法旨在减少或最小化填充物170内的环境声音和振动的动能。
-适配规则可以选择第一增益g1和第二增益g2的相应值，使得分别由第一反馈信号f1和第二反馈信号f2指示的振动和声压最小化。该方法旨在减小或最小化整体能量，即，填充物170内的环境声音和振动的动能和势能两者。
-适配规则可以将第一增益g1和第二增益g2中的一个设定为零，并且选择另一个的值以根据可以基于在前面描述过的复数强度估计I得到的(残余)强度方向来最小化声压或振动。在这方面，复数强度估计I基于第一反馈信号f1和第二反馈信号f2可得到：频域加速度A从第一反馈信号f1可得到，频域压力P从第二反馈信号f2可得到，而频率响应Hap被提供为存储在适配设备152中的预定义值。如果强度方向指示第一方向(例如，向前方向)，则第二增益g2可以被设定为零并且适配规则操作以选择第一增益g1的值使得填充物170内的声压最小化，而在强度方向指示第二方向(例如，向后方向)的情况下，第一增益g1可以设定为零并且适配规则操作以选择第二增益g2的值，使得填充物170内的振动最小化。
在任何示例性适配规则中，第一增益g1和/或第二增益g2的适配可以采用本领域中已知的适配参数估计技术，诸如递归最小二乘法或梯度下降法。
图4描绘了另一布置的一些逻辑部件的方框图，该另一布置可以被采用以基于第一反馈信号f1和第二反馈信号f2产生驱动信号d作为驱动装置150的操作的部分。这种布置类似于如图3所示，增加了第一补偿滤波器H1和第二补偿滤波器H2。第一补偿滤波器H1用于通过对从驱动信号d到第一反馈信号f1的传递函数的反函数进行建模来补偿第一反馈信号f1中的相位和/或幅度，而第二补偿滤波器H2用于通过对从驱动信号d到第二反馈信号f2的传递函数的反函数进行建模来补偿第二反馈信号f2中的相位和/或幅度。补偿滤波器H1和H2能够改进适配性能和稳定性，同时增加计算负荷的成本。
在根据图4所示的布置的第一示例中，适配装置152接收第一反馈信号f1和第二反馈信号f2，并根据取决于第一反馈信号f1和第二反馈信号f2的预定义的适配规则来设定第一适配增益g1和第二适配增益g2的值，而定义第一补偿滤波器H1和第二补偿滤波器H2的各组滤波器系数具有固定的预定义值。因此，该操作类似于图3的布置的上下文中描述的操作，但具有以下例外：
-除了将第一反馈信号f1乘以第一增益g1之外，第一反馈信号f1还在使用其作为第一消除信号之前由第一补偿滤波器H1处理；以及
-除了将第二反馈信号f2乘以第二增益g2之外，第二反馈信号f2还在使用其作为第二消除信号之前由第二补偿滤波器H2处理。
尽管图4描绘了其中通过第一补偿滤波器H1的处理在乘以第一增益g1之前被应用的处理链，但是这方面的处理顺序可以被反转，使得乘以第一增益g1在通过第一补偿滤波器H1的处理之前发生。类似的考虑也适用于第二补偿滤波器H2和第二增益g2的处理顺序。
可以在例如作为制造或维护过程的部分或在AVE 100的初始化、安装、配置或重新配置期间的、在操作AVE 100之前发生的滤波器校准过程中执行对第一补偿滤波器H1和第二补偿滤波器H2的各组滤波器系数的固定预定义值的选择或定义。这样的滤波器校准过程可以用于为第一补偿滤波器H1找到第一组滤波器系数，使得它估计从驱动信号d到第一反馈信号f1的第一传递函数Hda，并且为第二补偿滤波器H2找到第二组滤波器系数，使得它估计从驱动信号d到第二反馈信号f2的第二传递函数Hdp。在这种情况下，可以使用具有足够的信噪比(SNR)的校准信号作为驱动信号d来执行滤波器校准过程，例如SVR装置110产生与在填充物170中引起的环境声音和振动的能量相比足够高的声音和振动能量导致的信号。作为示例，如果由SVR装置110产生的声音和振动能量超过预定义的SNR阈值可以认为SNR是足够的，SNR阈值用作环境声音和振动的能量至少预定义余量的指示。在示例中，可以通过在已知环境声音和振动的能量低于某个预定义阈值和/或特性和/或已知环境声音和振动的其他特征的条件下执行校准过程来确保用于校准信号的足够SNR。作为这方面的示例，当反馈信息f(例如，因此第一反馈信号f1和第二反馈信号f2)指示环境声音和振动的能量低于某个预定义阈值时，可以指示或检测用于校准过程的合适条件。
在示例中，校准信号包括专用或为此目的而设计的特定信号。在另一示例中，校准信号可以包括在感兴趣的频率或频率范围具有足够能量的任何信号。在示例中，在以滤波器校准模式操作AVE 100的同时提供校准信号作为输入音频信号s。在另一示例中，滤波器校准模式中的操作自动导致忽略输入音频信号s并使用存储在AVE 100中的存储器中的校准信号，或者将存储在存储器中的校准信号组合(例如，添加)到输入音频信号。可以例如通过在控制信号c中提供预定义的滤波器校准命令，切换AVE 100以在滤波器校准模式下操作(并且相反地，可以例如在控制信号c中提供这方面的预定义命令以切换到正常操作模式)。
在前面描述的第一示例的变型中，在AVE 100操作的过程中通过执行滤波器校准过程重新定义滤波器系数组以重新确定第一组滤波器系数和第二组滤波器系数，从而获得预定义值的第一组滤波器系数和第二组滤波器系数，预定义值在AVE 100操作过程中可以改变或重新定义的意义上是不固定的。同样在这种情况下，可以启动(和终止)滤波器校准操作，并且可以如前所述提供校准信号。
在根据图4所描绘的布置的第二示例中，操作类似于前面描述的第一示例，除了第一补偿滤波器H1和第二补偿滤波器H2的各组滤波器系数中的滤波器系数具有可以在AVE100的操作期间调整的适配值。与在AVE 100的操作期间可以启动滤波器校准操作的上述操作的不同之处在于，在该第二示例中，在这方面没有明确的命令的情况下适配(例如，重新定义)滤波器系数。例如根据预定的时间表，适配可以是基本上连续的，或者它可以间歇地进行。作为这方面的示例，滤波器系数值的适配可以基于使用输入音频信号s作为诸如驱动信号d。在另一示例中，滤波器系数值的适配可以采用修改的输入音频信号s作为驱动信号d，其中修改涉及将存储在AVE 100中的存储器中的校准信号组合(例如，添加)到输入音频信号s以形成驱动信号d。
图3和图4还说明了监视信号m，其可以被提供作为来自驱动装置150(并且可能来自AVE 100)的输出。监视信号m可以传达描述AVE的操作的一条或多条信息。作为这方面的示例，监视信号可以携带描述以下中的一个或多个的信息：测量的传递函数Hda和Hdp中的一个或多个的相干估计、强度方向、阻抗Z、驱动装置150(例如，补偿滤波器H1和补偿滤波器H2中的一个或两个)的组件的电流校准状态、第一增益g1和第二增益g2中的一个或多个的值、第一反馈信号f1和/或第二反馈信号f2等。
图3和4还说明了控制信号c，其可以作为输入提供给驱动装置150(并且可能提供给AVE 100)。控制信号c可以被采用以传达一个或多个命令或操作参数以控制驱动装置150的操作，因此控制AVE 100的操作。这方面的示例包括用于设定驱动装置150(和总体上AVE100)以操作或在过滤器校准模式下操作的命令。命令或操作参数的进一步示例包括以下一个或多个的(预)定义值：第一增益g1、第二增益g2、第一组滤波器系数(用于第一补偿滤波器H1)、第二组滤波器系数(用于第二补偿滤波器H2)。在另一示例中，控制信号c可以包括传统的ANC控制信号，诸如从被布置成测量外部声音和振动源的外部传感器获得的前馈信号。
在上面的示例中，第一补偿滤波器和第二补偿滤波器的各组滤波器系数的定义、重新定义和/或适配以及第一增益g1和第二增益g2的各个值的定义在作为驱动设备150的部分设置的适配装置152中执行。然而，这用作非限制性示例，并且适配装置152可以与前面描述的驱动装置150的其他方面分开设置。作为这方面的示例，监视信号m可以被布置以向适配装置152(例如，通过传达第一反馈信号f1和第二反馈信号f2或从监测信号m中得到的信息)传达能够设定第一增益g1和第二增益g2以及用于补偿滤波器H1和补偿滤波器H2的滤波器系数的信息，而控制信号c可被采用以将第一增益g1和第二增益g2以及可能还有滤波器系数传达到驱动装置150。这种方法使得能够在可以服务多个AVE 100的集中控制实体中提供适配装置152。
如图3和4中所描绘的，适配机制在AVE 100的操作条件改变的情况下启用更好的控制性能。这些改变可能是由于例如用户头部移动，或用户背部或颈部按压垫子或包括AVE100的座椅布置。在环境声音或振动能量超过致动机制的驱动能力的情况下，可能还需要第一增益g1和第二增益g2的适配调节或选择。在这种情况下，例如通过将第一增益g1和第二增益g2的相应值设定为接近零或接近零的值，限制驱动信号d以避免驱动器输出中的削波或失真是有益的。
经由前述多个示例描述的AVE 100可以取决于期望的应用以各种类型的实体提供。作为示例，AVE 100可以在作为WO 2015/118217A1公开的国际专利申请中描述的类型的垫子的部分提供。AVE 100的这种应用使得能够使用垫子例如以创建局部静音音量或静音区域，当他/她的头靠在垫子上时，局部静音音量或静音区域包围用户的头部。
在另一示例中，AVE 100可以被集成到座椅的椅子上。在这方面，座椅可以是例如家用或办公用的扶手椅、诸如航空座椅、汽车座椅、公共汽车的座椅的车辆的座椅等。优选地，在椅子或座椅的靠背中布置AVE 100，使其位于靠近坐在椅子或座位上的人的头部。AVE100的这种应用使得能够创建局部静音音量或静音区域，当坐在椅子或座椅中时，局部静音音量或静音区域至少包围用户的头部。
图5示意性地说明了包括两个或更多个AVE 100-j的布置200，其中AVE 100-j(j＝、1、2、...、J)中的每一个包括经由前述的多个示例描述的AVE 100。这种布置可以被称为AVE阵列200或AVE 200的阵列。在图5的非限制性示例中，AVE阵列200包括四个AVE 100-j的四个子布置(或子阵列)。在AVE阵列200中，AVE 100-j中的每一个相对于其他AVE 100-j和/或相对于参考点被布置在预定义位置。AVE阵列200中的AVE 100-j可以被布置在任何期望的系列中，例如作为所需行数和列数的单个矩阵、作为其每个具有相应的所需行数和列数的多个(子)矩阵、或者总体上相对于彼此(和/或参照点)处于任意位置。
在示例中，AVE 100-j中的每一个可以被包围在其相应的填充物170内，该填充物170与包围任何其他AVE 100-j的填充物分开，单个AVE 100-j相对于填充物的布置从而对应图2中所描绘的。在另一示例中，AVE 100-j与一个或多个其他AVE 100-j共享填充物。无论AVE100-j被布置在专用填充物内还是在与一个或多个其他AVE 170-j相同的填充物内，每个AVE 100-j仍具有其各自的反馈装置130，反馈装置130局部地定位在其SVR装置110的紧邻处以确保局部控制回路的正确操作。因此，AVE阵列200的每个AVE 100-j独立于AVE阵列200的其他AVE 100-j操作。因此，AVE阵列200能够响应观察的环境声音和振动中的局部变化，这反过来使得经由构成AVE阵列200的AVE100-j的独立操作能够以改进的精确度主动消除声音和振动，同时它使得能够创建扩展的局部静音音量或静音区域(与使用单个AVE100相比)。
虽然AVE阵列200的每个AVE 100-j根据其局部控制回路操作，但是AVE阵列200启用阵列的AVES 100-j的并行全局控制。例如，通过向AVE 100-j馈送适当选择的相应输入音频信号s可以实现这种全局控制，该输入音频信号s用于以期望的方式转向各个AVE 100-j中的声音和振动消除操作。在另一示例中，AVE阵列200的AVE 100-j可以提供有相应的单独控制输入，其使得能够控制相应AVE 100-j的操作。这种全局控制的示例涉及根据从阵列的相邻AVE 100-j接收的测量信号m和/或由阵列的相邻AVE 100-j再现的音频输入信号s来控制每个AVE 100-j的操作：由于AVE 100-j的布置彼此非常接近，某个AVE100-j可以考虑由一个或多个相邻AVE 100-j的操作产生的声音和振动作为环境声音和振动，而全局控制考虑从相邻AVE 100-j的接收的测量信号m和/或提供给相邻AVE 100-j的音频输入信号，使得特定AVE100-j不试图消除或衰减故意在邻近的AVE 100-j中产生的声音和振动。
如前所述，AVE阵列200中的每个AVE 100-j可以提供相应的测量信号m并且可以能够接收相应的输入音频信号s。在这方面，可以采用测量信号m，例如以随时间跟踪AVE阵列200上的环境声音和振动的改变。例如，如果AVE阵列200被设置在椅子/座椅内(例如，在靠背中)，则坐在椅子/座椅中的人的位置的移动或改变导致来自各个AVE100-j的相应测量信号m的同步或基本同步的改变。
在音频再现也采用AVE阵列200的情况下，可以提供相同的音频信号用于回放作为每个AVE 100-j的相应输入音频信号s。因此，可以在整个AVE阵列200中回放音频，以经由振动和声音提供增强的音频感知的扩展区域，同时消除或衰减环境声音和振动。在另一示例中，可以为AVE阵列200的AVE 100-j的相应预定义子集提供不同的音频信号。作为这方面的示例，可以提供多信道音频信号的第一音频信道用于回放作为用于第一预定义子组的AVE100-j(例如，图5的图示的左侧上的四个AVE 100-j)的相应输入音频信号s，同时可以提供多信道音频的第二音频信道用于回放作为第二预定义子组AVE 100-j(例如，图5的图示的右侧上的四个AVE 100-j)的相应输入音频信号s。作为非限制性示例，第一信道可以是立体音频信号的右声道，第二信道可以是立体音频信号的左声道。在进一步示例中，可以采用基于从阵列的AVE 100-j接收的测量信号m的AVE阵列200上的环境声音和振动随时间的改变的跟踪来转向音频再现，例如使得根据跟踪动态地选择采用用于重放所需音频信号的AVE100-j。在这方面，动态选择可以包括将期望的音频信号作为输入音频信号s提供给位于用户的假设(即跟踪)位置的那些AVE 100-j，而不将音频输入信号提供给不位于用户的假设(即跟踪)位置的那些AVE 100-j。
在前面的描述中，尽管已经参考某些特征描述了一些功能，但是无论是否描述，这些功能可以通过其他特征来执行。尽管已经参考某些实施例或示例描述了特征，但是无论是否描述，这些特征也可以存在于其他实施例或示例中。

Claims (10)

1.一种用于主动消除声音和振动的设备，所述设备包括：
填充物(170)以及用于在驱动信号(d)的控制下联合产生振动和声音的声音和振动产生装置(110)，驱动信号(d)是作为到声音和振动产生装置(110)的输入而提供的，所述声音和振动产生装置(110)被布置在填充物(170)内以在填充物(170)的至少一个外表面(172)上产生可感知为振动和声音的机械振动，并且通过填充物(170)的所述至少一个外表面(172)辐射声音；
反馈装置(130)，反馈装置(130)用于提供反馈信息(f)，反馈信息(f)指示填充物(170)内的声音和振动的声能；以及
驱动装置(150)，驱动装置(150)用于根据所述反馈信息(f)产生驱动信号(d)，以便减少由于声音和振动的一个或多个外部源在填充物(170)内引起的环境声音和振动的能量，
其特征在于，反馈装置(130)包括
第一传感器，第一传感器被布置以提供描述填充物(170)内的声学动能的第一反馈信号(f1)，以及
第二传感器，第二传感器被布置以提供描述填充物(170)内的声学势能的第二反馈信号(f2)；并且
反馈信息(f)包括所述第一反馈信号(f1)和所述第二反馈信号(f2)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，
第一传感器包括加速度计(132)，加速度计(132)被布置以提供描述填充物(170)内的移动速度的第一反馈信号(f1)；以及
第二传感器包括压力传感器(134)，压力传感器(134)被布置以提供描述填充物(170)内的声压的第二反馈信号(f2)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，驱动装置(150)被布置以
通过将第一反馈信号(f1)乘以第一适配增益值(g1)来得到第一消除信号；
通过将第二反馈信号(f2)乘以第二适配增益值(g2)来得到第二消除信号；以及
产生驱动信号(d)作为包括第一消除信号和第二消除信号的组合的信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，驱动装置(150)被布置以产生作为第一消除信号和第二消除信号的总和的驱动信号(d)。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，驱动装置(150)被布置以
接收用于由声音和振动产生装置(110)再现的输入音频信号(s)；以及
产生作为所述输入音频信号(s)、第一消除信号和第二消除信号的总和的驱动信号(d)。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的设备，进一步包括适配装置(152)，适配装置(152)被布置以执行以下中的一项：
得到第一适配增益(g1)和第二适配增益(g2)的各自的值，使得驱动信号(d)的能量被最小化，从而减小在填充物(170)内引起的环境声音和振动的动能和势能两者；
将第一适配增益(g1)的值设定为零并且得到第二适配增益(g2)的值，使得驱动信号(d)的能量被最小化，从而减小在填充物(170)内引起的环境声音和振动的势能；
将第二适配增益(g2)的值设定为零并且得到第一适配增益(g1)的值，使得驱动信号(d)的能量被最小化，从而减小在填充物(170)内引起的环境声音和振动的动能。
7.根据权利要求3至5中的任一项所述的设备，其中，驱动装置(150)被布置以
通过第一补偿滤波器(H1)处理第一反馈信号(f1)，第一补偿滤波器(H1)被布置以对从驱动信号(d)到第一反馈信号(f1)的第一传递函数的反函数进行建模；以及
通过第二补偿滤波器(H2)处理第二反馈信号，第二补偿滤波器(H2)被布置以对从驱动信号(d)到第二反馈信号(f2)的第二传递函数的反函数进行建模。
8.根据权利要求7所述的设备，进一步包括适配装置(152)，适配装置(152)被布置以执行滤波器校准过程以确定所述第一传递函数(H1)和所述第二传递函数(H2)，滤波器校准过程包括：
提供作为驱动信号(d)的预定义的校准信号作为到声音和振动产生装置(110)的输入，以产生相应的第一反馈信号(f1)和第二反馈信号(f2)，以及
得到分别估计第一传递函数和第二传递函数的第一组滤波器系数和第二组滤波器系数。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述校准信号是表现出下述中的一个或多个的噪声信号：
预定义的光谱特征，
预定义的信号电平。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，适配装置(152)被布置以在反馈信息(f)指示低于预定阈值的环境声音和振动的能量的条件下执行滤波器校准过程。
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