CN110290442A - 主动降噪耳机及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及主动降噪技术领域，提供一种主动降噪耳机及其设计方法，主动降噪耳机包括耳机壳体，所述耳机壳体的第一侧面上均匀分布至少两个传声器，任意两个所述传声器的输入端的朝向均不相同，所述耳机壳体与所述第一侧面相背的第二侧面上设有滤波器，所述传声器的输出端与所述滤波器的输入端连接；主动降噪耳机的设计方法，包括如下步骤：测定传声器的位置参数和设置个数；测定各传声器的传递特性Hp_n和权系数向量W_n，以获得各传声器的综合传递特性Hp＝Hp_n*W_n；测定放音器的传递函数Hs，以获得滤波器的滤波参数Hf＝‑Hp_n*W_n/Hs；滤波器监测接收各传声器的噪声实测参数，综合叠加，滤波后获得反向声音信号。提高主动降噪耳机对噪声环境的适应性和降噪性能，降噪效果理想。

Description

主动降噪耳机及其设计方法

技术领域

本发明涉及主动降噪技术领域，特别是涉及一种主动降噪耳机及其设计方法。

背景技术

目前，主动降噪耳机得到了消费者的认可，应用范围逐步扩大。主动降噪耳机的实施原理是通过对外界的噪声进行实时监测，实时预估传入耳道的噪声信号，并通过电路对采集到的噪声信号进行处理，发出与传入耳道的噪声信号相反的信号，以达到消除噪声的目的。

现有主动降噪耳机采用固定系数滤波器设计，即需要在耳机设计时调试滤波器系数，并通过模拟电路搭建滤波网络或在数字芯片中输入滤波器系数，此种固定系数滤波器性能稳定，降噪深度一般可达25dB以上，降噪带宽可达1000Hz左右。但固定系数滤波器无法根据噪声环境特性的改变调整其系数，降噪性能存在局限性，比如当外界噪声信号的来源方位发生变化时，或者处于一定的混响环境中，系统所需要的理想滤波系数发生变化，而固定系统滤波器的性能与之产生偏差，造成降噪性能下降，同时，也是导致降噪耳机无法对中高频段的噪声降噪的原因。

自适应主动降噪算法可以自动调整滤波器系数，在收敛状态下隔声性能更好，但自适应算法实际使用中不稳定，受因果性制约，并且自适应需要收敛时间，对非稳态噪声或噪声环境变化时不能实时做出最佳响应，故很难在实际产品中批量生产和使用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种主动降噪耳机及其设计方法，以解决现有降噪耳机降噪性能局限，降噪效果差的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种主动降噪耳机，包括耳机壳体，所述耳机壳体的第一侧面上均匀分布至少两个传声器，任意两个所述传声器的输入端的朝向均不相同，所述耳机壳体与所述第一侧面相背的第二侧面上设有滤波器，所述传声器的输出端与所述滤波器的输入端连接。

其中，所述耳机壳体上设有与所述传声器一一对应的穿孔，所述穿孔内设有线缆，用以连接所述传声器和所述滤波器，所述线缆与所述穿孔密封适配。

其中，所述传声器的设置个数为三个，三个所述传声器分别安装在所述耳机壳体的中部和沿竖直方向的两侧，所述耳机壳体的第一侧面设有与三个所述传声器一一对应安装适配的安装孔。

其中，所述耳机壳体的第二侧面还设有放音器，所述滤波器的输出端与所述放音器连接。

其中，还包括误差传声器，所述误差传声器与所述耳机壳体的第二侧面相对适配设置，用以检测降噪效果。

其中，所述滤波器包括数字电路，所述数字电路预设滤波参数。

其中，还包括配戴架，所述配戴架的两端分别设有一所述耳机壳体，所述配戴架为空心结构。

其中，所述耳机壳体具有容纳人耳的容纳腔。

本发明还提供一种如以上所述的主动降噪耳机的设计方法，包括如下步骤：

测定传声器的位置参数和设置个数；

测定各传声器的传递特性Hp_n和权系数向量W_n，以获得各传声器的综合传递特性Hp＝Hp_n*W_n；

测定放音器的传递函数Hs，以获得滤波器的滤波参数Hf＝-Hp_n*W_n/Hs；

滤波器监测接收各传声器的噪声实测参数，综合叠加，滤波后获得反向声音信号。

其中，所述滤波器对各传声器的噪声信号强度分别计权滤波。

(三)有益效果

本发明提供的一种主动降噪耳机及其设计方法，通过在耳机壳体的第一侧面上至朝向均不相同的传声器，分别接收不同方向的噪声，并将噪声信号分别传输给滤波器，进而滤波器对各个方位的噪声进行降噪处理，提高主动降噪耳机的对噪声环境的适应性和降噪性能，结构简单，操作方便，降噪效果理想。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例主动降噪耳机的结构示意图；

图2为本发明实施例主动降噪耳机的设计方法中模拟噪音正面入射的示意图；

图3为本发明实施例主动降噪耳机的设计方法中模拟噪音侧面入射的示意图；

图4为本发明实施例主动降噪耳机的设计方法中模拟设置两个传声器的示意图；

图5为本发明实施例主动降噪耳机的设计方法中模拟设置三个传声器的示意图。

图中，1：耳机壳体；2：传声器；3：滤波器；4：放音器；5：误差传声器；6：噪声源。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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，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。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1所示，本发明实施例提供一种主动降噪耳机，包括耳机壳体1，用以安装和方便使用者配戴该主动降噪耳机。耳机壳体1的第一侧面上均匀分布至少两个传声器2，任意两个传声器2的输入端的朝向均不相同，实现同时对不同方位的噪声源的实时检测，具备极高的噪声环境适应性。耳机壳体1与第一侧面相背的第二侧面上设有滤波器3，传声器2的输出端与滤波器3的输入端连接，滤波器3分别接收各传声器2的噪声信号并进行滤波处理，综合叠加，得到滤波后的反向信号，实现降噪。

进一步的，耳机壳体1上设有与传声器2一一对应的穿孔，穿孔内设有线缆，用以连接传声器2和滤波器3，线缆与穿孔密封适配，保证传声器2与滤波器3的连接强度，保证信号正常传输。本实施例中，传声器2共设置三个，分别位于耳机壳体1的上侧、中侧和下侧，且分别竖直向上、水平向左和竖直向下设置，朝向三个不同的方向，分别检测三个方向的噪声源6的噪声信号。值得说明的，传声器2的个数、位置及朝向设置，可根据耳机壳体1的具体结构尺寸及实际需要合理设置。具体的，耳机壳体1具有容纳人耳的容纳腔，本实施例中容纳腔的外侧壁上设有三个传声器2，三个传声器2分别安装在耳机壳体1的中部和沿竖直方向的两侧。耳机壳体1的第一侧面设有与三个传声器2一一对应安装适配的安装孔，保证安装强度和耳机的美观。

其中，耳机壳体1的第二侧面还设有放音器4，滤波器3的输出端与放音器4连接。可以理解的，滤波器3将过滤后的特定频率的反向信号发送至放音器4，放音器4发出特定频率的声音以中和噪音，保证降噪效果。

进一步的，还包括误差传声器5，误差传声器5与耳机壳体1的第二侧面相对适配设置，用以检测降噪效果。值得说明的，误差传声器5用以检测滤波器3与放音器4共同降噪处理后的残余噪声，以此检测主动降噪耳机的降噪效果。可以理解的，传声器2采集噪声后，转化为噪声信号传送至滤波器3，经过滤波器3过滤后，向放音器4发送反向信号，以实现对噪音的中和降噪的效果，误差传声器5采集未被滤波器3未过滤，同时未被放音器4中和的噪声。

其中，滤波器3包括数字电路，数字电路预设滤波参数，用以实现对噪音环境中传声器2采集的噪声信号进行对应的滤波作用，并将滤波后反向信号发送至放音器4，实施降噪。

进一步的，还包括配戴架，配戴架的两端分别设有一所述耳机壳体1，配戴架为空心结构，提高配戴者的配戴舒适程度，减轻主动降噪耳机的整体重量。

本发明实施例还提供一种主动降噪耳机的设计方法，包括如下步骤：

测定传声器的位置参数和设置个数；

测定各传声器的传递特性Hp_n和权系数向量W_n，以获得各传声器的综合传递特性Hp＝Hp_n*W_n；

测定放音器的传递函数Hs，以获得滤波器的滤波参数Hf＝-Hp_n*W_n/Hs；

滤波器监测接收各传声器的噪声实测参数，综合叠加，滤波后获得反向声音信号。

其中，滤波器对各传声器的噪声信号强度分别计权滤波。

值得说明的，测定传声器的位置参数和设置个数的方法如下：

主动降噪的关键在于对声信号相位和幅值的准确测定，参考传声器需要测定出接收到声信号与声信号传递到耳道之间的信号误差，包括幅度的变化和信号的时间延迟。

以耳机壳体近似为半球形或半椭球形考虑，简便起见，仅从二维的角度讨论。另外，先不考虑幅值的变化，仅考虑延迟的作用，即传声器接受的信号强度近似一致，传递函数Hp₁、Hp₂和Hp₃近似一致，延迟时间为r/c(r为耳机壳体的半径，c为声速)。

当声信号从正面入射时，如图2所示(图2、图3、图4和图5中标示的1、2、3分别为1号传声器、2号传声器和3号传声器)，即从左向右传播，声波先后经过壳体外2、1、3号传声器，并经过壳体内传播途径传播到耳道，若以传播到2号传声器为时间起点，d₁为2号传声器到1号传声器的声程差，d₂为1号传声器到3号传声器的声程差，则声波对耳道的作用时间为r/c到(d₁+d₂)/c+r/c之间，平均延时为(d₁+d₂)/2c+r/c。而仅通过2、1、3号传声器测得的时间延迟为r/c、d₁/c+r/c、(d₁+d₂)/c+r/c，与平均延时相比误差分别为-(d₁+d₂)/2c、(d₁-d₂)/2c、(d₁+d₂)/2c。

当声信号从侧面入射时，如图3所示，从上向下传播，声波先经过壳体外1号传声器后到达2和3号传声器(d₁＝d₂)，设定1号传声器到2号传声器和3号传声器的声程差为d₃，并经过壳体内传播途径传播到耳道，若以传播到1号传声器为时间起点，则声波对耳道的作用时间为r/c到d₃/c+r/c之间，平均延时为d₃/2c+r/c。而仅通过1、2、3号传声器测得的时间延迟为r/c、d₃/c+r/c、d₃/c+r/c，与平均延时相比误差分别为-d₃/2c、d₃/2c、d₃/2c。

代入典型参数，可以大致了解声波不同角度入射的情况下，对典型频率的降噪性能变化。

典型的上限频率fu设定为1000Hz；典型的尺寸假定(仅作为估算量级用)d₁＝4cm，d₂＝5cm，d₃＝4cm；针对本示例的相位误差的计算公式为：φ_n＝360fu*d_n/c；

则正面入射时，单独使用传声器2、1、3的相位误差为-48°、3.5°、48°；

而侧面入射时，单独使用传声器1、2、3的相位误差为-21°、21°、21°。

假定不存在幅度误差，混合后的信号为：

A₀sin(wt)-A₀sin(wt+φ)＝2A₀sin(wt+φ/2)sin(φ/2)；其中A₀为幅值，w为角频率；

极限降噪量＝-20*lg(abs(2sin(φ/2)))，将相位误差的数据代入公式，可以获知：

正面入射时，单独使用传声器2、1、3的极限降噪量约为1.8、24、1.8(dB)；

侧面入射时，单独使用传声器1、2、3的极限降噪量均约为8(dB)。

以上通过采用了大致的典型参数，评估了仅考虑相位误差的因素作用下，采用单个传声器作为参考信号时，两个方向入射声波的降噪上限，可以看到降噪量上限与传声器安装位置直接相关，相位误差是与安装位置因素导致的声程差成正比关系，因此在参考传声器设计时应考虑消除该声程差，改善降噪性能。

当拟采用单个传声器时，根据以上的讨论核算，将传声器位置布置在壳体中部，可以相对较好的保留降噪能力，另外也可以对壳体外形做一些合理的优化，但在某些入射角度范围，最大可能降噪量仍可能不满足设计条件，这时可以根据公式来核算：

最大极限降噪量＝-20*lg(abs(2sin(360fu*d/c/2)))；

通过核算最大极限降噪量是否大于设计降噪量可以判断参考传声器设置的合理性，不满足此条件时，单传声器设计达不到设计要求，需要增加参考传声器。

当设置多个参考传声器时，参考传声器的位置布置应按照能反映声能量透射部位的原则设置，以壳体近似为半球形考虑，设置两个传声器时应将壳体透射部位平均分成两部分，如图4所示，传声器布置在两个部分的中心；设置三个传声器时，如图5所示，应将壳体透射区域按等能量方法分为三部分，传声器布置在三个部分各自的中心；依此类推。

在设计过程中，需要考虑不同角度的声入射情况，根据最不利的原则，计算混合信号与声波等效作用时间之间的相位延迟，判断该相位延迟产生的误差是否导致极限降噪量低于设计降噪量，即是否满足：极限降噪量>设计降噪量。

本发明提供的极限降噪量计算公式为：

其中，φ_n＝360fu*d_n/c为参考信号与声波等效作用时刻之间的相位延迟，fu为上限设计频率，d_n为对应的声程差，c为声速。

声波的入射角度应按一定的间隔调整，并逐一进行降噪量的核算，当条件不具备时，核算的入射方位至少应包括正面入射、后面入射、两个侧面入射、上面入射等极限工况，以及沿着传声器之间的连线入射，沿着传声器与耳道之间的连线入射，最不利的情况往往出现在这些工况中。

当经过核算，入射角度变化时，极限降噪量始终保持大于设计降噪量，则参考传声器的数量和位置布置基本可行，当极限降噪量在某角度方向小于设计降噪量，则需要在此方向上增加参考传声器。

增加传声器数量后，传声器的位置仍按照声能量透射均布的原则放置，再次进行降噪量核算，直至极限降噪量保持大于设计降噪量。

本发明实施例中设置有三个传声器的主动降噪耳机的设计方法，具体包括如下步骤：

测定三个传声器的具体安装位置，并将三个传声器安装在耳机壳体的设定位置上；

将主动降噪耳机配戴在设计工装上，设计工装上设有带有耳道模型的误差传声器以替代人耳，设计工装采用经过专业设计的人工仿真头，可以准确的模拟人头散射和耳道效应；

分别测定三个传声器到人耳即误差传声器之间的传递特性Hp_n(Hp₁，Hp₂，Hp₃)，可以直接在误差传声器位置放置声源测试，也可以通过采用反演法来精确的测定每个通道即传声器位置到误差传声器的传递系数Hp₁，Hp₂，Hp₃；

通过变换噪声源的位置，测定多种传播形态下的通道贡献量，按最小均方误差或其它的统计方法反演得到优化的权系数向量W_n，由此定义并获得初级通道的综合传递特性Hp＝Hp_n*W_n；

在同样的设计工装下，通过放音器播放声信号，测定放音器到误差传声器的传递函数Hs(Hs不随噪声环境变化，更多的受不同佩戴者耳道声学参数的影响，目前模拟人工耳道的测试设备方面有相关的标准要求，因此能保证Hs的可靠性)，以获得理想的滤波器的滤波器参数Hf＝-Hp_n*W_n/Hs，通过使用模拟的电路搭建滤波网络或数字芯片中设置滤波参数载入相应的滤波器，实现滤波器的设计；

通过变换噪声源的位置，测到的权系数向量变化达到一定阈值时，通过采用一般的聚类方法对不同噪声源位置进行聚类分析，得到不同噪声来源方位的聚类，以及相应聚类对应的权系数向量，以及最优滤波器参数；在数字滤波器中设定多组权系数向量W_n和最优滤波器参数Hf，以及相应的选择判断条件，选择判断通过采用传声器的信号实时进行，根据传声的信号幅值来确定噪声源的方位，依此采用对应的参数对信号进行滤波，并发送给放音器，实施降噪。

本发明提供的一种主动降噪耳机及其设计方法，通过在耳机壳体的第一侧面上至朝向均不相同的传声器，分别接收不同方向的噪声，并将噪声信号分别传输给滤波器，进而滤波器对各个方位的噪声进行降噪处理，提高主动降噪耳机对噪声环境的适应性和降噪性能，结构简单，操作方便，降噪效果理想。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种主动降噪耳机，其特征在于，包括耳机壳体，所述耳机壳体的第一侧面上均匀分布至少两个传声器，任意两个所述传声器的输入端的朝向均不相同，所述耳机壳体与所述第一侧面相背的第二侧面上设有滤波器，所述传声器的输出端与所述滤波器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的主动降噪耳机，其特征在于，所述耳机壳体上设有与所述传声器一一对应的穿孔，所述穿孔内设有线缆，用以连接所述传声器和所述滤波器，所述线缆与所述穿孔密封适配。

3.根据权利要求1所述的主动降噪耳机，其特征在于，所述传声器的设置个数为三个，三个所述传声器分别安装在所述耳机壳体的中部和沿竖直方向的两侧，所述耳机壳体的第一侧面设有与三个所述传声器一一对应安装适配的安装孔。

4.根据权利要求1所述的主动降噪耳机，其特征在于，所述耳机壳体的第二侧面还设有放音器，所述滤波器的输出端与所述放音器连接。

5.根据权利要求1所述的主动降噪耳机，其特征在于，还包括误差传声器，所述误差传声器与所述耳机壳体的第二侧面相对适配设置，用以检测降噪效果。

6.根据权利要求1所述的主动降噪耳机，其特征在于，所述滤波器包括数字电路，所述数字电路预设滤波参数。

7.根据权利要求1所述的主动降噪耳机，其特征在于，还包括配戴架，所述配戴架的两端分别设有一所述耳机壳体，所述配戴架为空心结构。

8.根据权利要求7所述的主动降噪耳机，其特征在于，所述耳机壳体具有容纳人耳的容纳腔。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的主动降噪耳机的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

测定传声器的位置参数和设置个数；

测定各传声器的传递特性Hp_n和权系数向量W_n，以获得各传声器的综合传递特性Hp＝Hp_n*W_n；

测定放音器的传递函数Hs，以获得滤波器的滤波参数Hf＝-Hp_n*W_n/Hs；

滤波器监测接收各传声器的噪声实测参数，综合叠加，滤波后获得反向声音信号。

10.根据权利要求9所述的主动降噪耳机的设计方法，其特征在于，所述滤波器对各传声器的噪声信号强度分别计权滤波。