CN110447240B - 用于监控麦克风的装置和方法 - Google Patents

用于监控麦克风的装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110447240B
CN110447240B CN201880020505.0A CN201880020505A CN110447240B CN 110447240 B CN110447240 B CN 110447240B CN 201880020505 A CN201880020505 A CN 201880020505A CN 110447240 B CN110447240 B CN 110447240B
Authority
CN
China
Prior art keywords
microphone
signal
resonance
frequency
acoustic port
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880020505.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110447240A (zh
Inventor
J·P·莱索
E·P·C·哈迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cirrus Logic International Semiconductor Ltd
Original Assignee
Cirrus Logic International Semiconductor Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cirrus Logic International Semiconductor Ltd filed Critical Cirrus Logic International Semiconductor Ltd
Publication of CN110447240A publication Critical patent/CN110447240A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110447240B publication Critical patent/CN110447240B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2869—Reduction of undesired resonances, i.e. standing waves within enclosure, or of undesired vibrations, i.e. of the enclosure itself
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R29/00—Monitoring arrangements; Testing arrangements
    • H04R29/004—Monitoring arrangements; Testing arrangements for microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2807—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements
    • H04R1/2838—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements of the bandpass type
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2410/00—Microphones
    • H04R2410/03—Reduction of intrinsic noise in microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2430/00—Signal processing covered by H04R, not provided for in its groups
    • H04R2430/03—Synergistic effects of band splitting and sub-band processing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)

Abstract

本申请描述了一种用于具有声学端口(110)的麦克风设备(100)的噪声降低装置(800)。该装置具有谱峰值检测块(301)，用于接收麦克风信号(SMIC)以及由该麦克风信号确定与该麦克风的该声学端口相关联的共振峰值(202)的至少一个特性。所述至少一个特性可以包括共振频率(fH)和/或品质因数(QH)。噪声降低块(801)被配置为基于共振特性来处理该麦克风信号，以便降低经处理的麦克风信号中由于所述共振引起的噪声。该噪声降低块可以应用一个函数，该函数是所确定的共振特性的逆。

Description

用于监控麦克风的装置和方法
本申请涉及用于监控麦克风(诸如，MEMS麦克风)的方法和装置，且尤其涉及确定麦克风的操作条件，特别是声学端口阻挡状态和/或温度信息和/或信号带中的空气共振噪声。
背景技术
多种电子设备设有麦克风，例如以允许语音通信、用于声音记录和/或用于噪声消除。语音控制也正变得越来越普及，且为了允许语音控制的能力，麦克风可以被设置在一系列设备上。机器对机器通信对于超声通信也是感兴趣的，这要求换能器用于发送和/或检测所发送的超声信号。
MEMS(微机电系统)麦克风已经变得越来越普及，部分原因在于它们的尺寸小。
在这样的应用中，通常期望的是，监控麦克风(例如，MEMS麦克风)的操作条件，以检测可能影响麦克风和/或主机设备的性能的任何操作条件。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于具有声学端口的麦克风设备的噪声降低装置，该装置包括：
一个谱峰值检测块，用于接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该麦克风的该声学端口相关联的共振峰值的至少一个特性，
一个噪声降低块，被配置为基于与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性来处理该麦克风信号，以便降低经处理的麦克风信号中由于所述共振引起的噪声。
与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性可以包括所述共振的共振频率和品质因数中的至少一个。附加地或替代地，与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性可以包括第一信号，该第一信号指示在多个频率处或在多个频率区段内该共振的相对幅度。
该噪声降低块可以被配置为根据第一函数来处理该麦克风信号，其中所述第一函数基于共振峰值的所述至少一个特性。所述第一函数可以被确定为该共振峰值的分布的逆函数。该噪声降低块可以包括一个滤波器或滤波器组。
该谱峰值检测块可以包括一个转换块，该转换块被配置为接收该麦克风信号以及输出一个谱信号，该谱信号与该麦克风信号在至少一个预限定的频率范围内的频域型式对应。该转换块可以包括一个快速傅里叶变换(FFT)块。在此情况下，该谱峰值检测块可以包括一个滤波器，用于对该FFT块的输出进行滤波以提供该谱信号。该谱峰值检测块可以包括一个滤波器组，该滤波器组被配置为接收该麦克风信号以及输出一个谱信号，该谱信号包括对在至少一个预限定的频率范围内的多个频率或频率区段处的信号幅度的指示。
该谱峰值检测块可以包括一个共振频率检测块，该共振频率检测块被配置为由该谱信号确定该共振频率。该共振频率检测块可以被配置为将在该预限定的频率范围内具有最高信号幅度的频率识别为该共振频率。该共振频率检测块可以被配置为识别在该预限定的频率范围内的最高信号幅度和最低信号幅度之间的一个信号幅度范围，确定所识别的信号范围内的第一阈值，并且横跨该预限定的频率范围对在该第一阈值以上的信号幅度的值积分，以识别第一频率且将所述第一频率识别为该共振频率，在该第一频率处，积分等于总积分的一半。所述第一阈值可以在对应于该信号幅度范围的50％-70％的电平的信号幅度处。
该谱峰值检测块可以包括一个品质因数确定块，该品质因数确定块被配置为由该谱信号确定所述品质因数。该品质因数确定块可以被配置为确定与该谱信号中的该共振峰值相关联的多个点，以将一个曲线拟合到所确定的点且由所述曲线确定对所述品质因数的指示。该品质因数确定块可以被配置为确定与信号幅度的峰值对应的第一点，且分别在该第一点以上和以下一预定频率处识别第二点和第三点。该品质因数确定块可以被配置为将拟合曲线位于峰值幅度以下一预定幅度间隔处的宽度确定为该品质因数。
在一些情况下，指示该共振在多个频率处或在多个频率区段内的相对幅度的第一信号可以基于所述拟合曲线。
该装置还可以包括一个活动检测器，该活动检测器被配置为确定对预限定的频率范围内的活动的指示。该活动检测器可以被配置为确定对当前的谱信号与至少一个先前的谱信号之间的差异的指示。该谱峰值检测块可以包括一个控制器，该控制器响应于该活动检测器。该控制器可以被配置为使得如果该活动在活动阈值以上，则相关谱信号不被用来确定对从该谱峰值检测块输出的共振频率或品质因数的指示。
与该麦克风的该声学端口相关联的共振峰值的至少一个特性可以包括与该声学端口相关联的共振的共振频率和品质因数。在此情况下，该装置还可以包括一个条件监控块，该条件监控块被配置为确定共振频率和品质因数相对于共振频率和品质因数的相应的参考值的任何改变，且基于所检测到的改变来确定该麦克风的操作条件。该操作条件可以包括以下中的至少一个：该声学端口的阻挡状态和空气温度条件。
该装置可以被实施为集成电路。
多个方面还涉及一种麦克风系统，该麦克风系统包括第一麦克风和如上文变体的任何一个中所描述的装置，该装置被配置为从所述第一麦克风接收麦克风信号。
还提供了一种电子设备，该电子设备包括如上文变体的任何一个中所描述的装置或该麦克风系统。该电子设备可以是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；通信设备；移动电话或蜂窝电话；智能手机设备；计算设备；膝上型计算机、笔记本计算机或平板计算机；游戏设备；可穿戴设备；语音控制设备或语音激活设备。
多个方面还涉及一种用于具有声学端口的麦克风设备的噪声降低的方法，该方法包括：
接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该麦克风的该声学端口相关联的共振峰值的至少一个特性，以及
基于与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性来处理该麦克风信号，以便降低经处理的麦克风信号中由于所述共振引起的噪声。
在另一方面，提供了一种用于麦克风的噪声降低电路，包括：
一个谱峰值检测块，用于处理由该麦克风所生成的麦克风信号，以识别该麦克风信号中由于亥姆霍兹共振引起的谱峰值的至少一个特性；以及
一个噪声降低电路，用于基于所识别的该谱峰值的至少一个特性来处理该麦克风信号，以在至少一个感兴趣的信号带内降低经处理的麦克风信号中由于亥姆霍兹共振引起的任何噪声。
另一方面提供了一种用于监控麦克风的声学端口的阻挡的装置，该装置包括：
一个谱峰值检测块，用于接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该声学端口相关联的共振的共振频率和品质因数，
一个条件监控块，被配置为确定共振频率和品质因数相对于共振频率和品质因数的相应的参考值的任何改变，且基于所检测到的改变来确定该麦克风的阻挡状态。
另一方面提供了一种用于监控麦克风的声学端口的阻挡的装置，该装置包括：
一个谱峰值检测模块，被配置为分析所接收的麦克风信号，以确定与该声学端口相关联的共振的共振频率和品质因数；以及
一个条件监控块，被配置为基于所确定的共振频率和所确定的品质因数这二者来确定该麦克风的该声学端口的阻挡状态。
另一方面提供了一种用于监控麦克风的声学端口的阻挡的装置，该装置包括：
一个品质因数确定块，用于接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该声学端口相关联的共振的相关联的品质因数，
一个条件监控块，被配置为基于所确定的品质因数来确定该麦克风的该声学端口的阻挡状态。
另一方面提供了一种用于监控具有声学端口的麦克风设备的装置，该装置包括：
一个谱峰值检测块，用于接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该声学端口相关联的共振的共振频率和品质因数，
一个条件监控块，被配置为确定共振频率和品质因数相对于共振频率和品质因数的相应的参考值的任何改变，且基于所检测到的改变来确定该麦克风的操作条件；
其中该操作条件包括以下中的至少一个：该声学端口的阻挡状态和空气温度条件。
另一方面提供了一种用于监控具有声学端口的麦克风设备的操作温度条件的装置，该装置包括：
一个谱峰值检测块，用于接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该麦克风的该声学端口相关联的共振的共振频率和品质因数，
一个条件监控块，被配置为确定共振频率和品质因数相对于共振频率和品质因数的相应的参考值的任何改变，且基于所确定的改变来确定该声学端口内的空气温度的温度条件。
另一方面提供了一种用于监控麦克风设备内的空气的空气温度条件的装置，该装置包括：
一个谱峰值检测模块，被配置为分析麦克风信号，以确定与该麦克风设备内的空气相关联的共振的共振频率和品质因数；以及
一个条件监控块，被配置为基于所确定的共振频率和所确定的品质因数这二者来确定该麦克风设备内的空气的空气温度条件。
另一方面提供了一种温度传感器，包括：
一个麦克风设备；
一个谱峰值检测模块，用于处理由该麦克风设备产生的麦克风信号，以由该麦克风信号识别亥姆霍兹共振峰值频率；以及
一个温度估计模块，用于基于所确定的共振亥姆霍兹共振频率来估计空气温度。
附图说明
为了更好地理解本公开内容，且为了示出如何可以实施本发明，现在将仅通过实施例的方式参考附图，在附图中：
图1例示了具有相关联的声学端口的经封装的MEMS换能器；
图2例示了来自具有声学端口的麦克风的麦克风信号的一个实施例；
图3例示了用于确定阻挡状态和/或温度条件的麦克风监控装置；
图4例示了共振谱峰值检测块的一个实施例；
图5例示了根据一个实施方案的确定共振峰值的品质因数的原理；
图6例示了根据一个实施方案的监控麦克风的方法；
图7例示了用于麦克风设备的噪声本底的理想化曲线图；
图8例示了用于噪声降低的麦克风监控装置；以及
图9例示了用于图8的麦克风监控装置的噪声本底的理想化曲线图。
具体实施方式
本公开内容涉及对麦克风设备的操作条件的监控。实施方案特别适用于MEMS麦克风，但是原理同样适用于其他类型的麦克风，诸如驻极体麦克风。在一些实施例中，操作条件可以包括与麦克风设备相关联的声学端口的阻挡状态。在一些实施例中，操作条件可以包括麦克风设备内的空气的温度条件，即，关于空气温度的信息，例如，对空气温度的估计，或关于空气温度的改变的信息。在一些实施例中，操作条件可以包括关于噪声的信息，该噪声由至少在一个感兴趣的信号带内的空气共振引起，且在一些实施方案中，麦克风信号可以被处理，以减小感兴趣的信号带内的任何所识别的共振噪声的影响，即，以改善麦克风信号的信噪比。
本公开内容的实施方案针对有关与麦克风设备相关联的特性空气共振(即，与从外部世界至麦克风换能器的声学路径相关联的共振)的信号分量，监控由麦克风所生成的麦克风信号。有关这样的共振的信号分量可以被表征，且被用来确定关于麦克风的操作条件的信息和/或被用来减小或减轻这样的共振的噪声影响。
如本领域技术人员将理解的，麦克风设备将包括换能器结构，该换能器结构具有可以因压力波而偏转的元件(例如，柔性膜)，以产生可测量的电学属性的改变。通常在麦克风设备中，该换能器结构被包封在保护结构(例如，壳体或封装件)内。为了允许压力波到达该换能器结构，通常将存在一个或多个声学端口。因此，该麦克风设备包括形成在该封装件或壳体内的腔或容积，以及用于与外部环境声学连通的至少一个声学端口。在使用中，这样的麦克风结构将导致该腔/声学端口内的共振，该共振将作用在该换能器结构上。因此，由麦克风所产生的麦克风信号将包括与此空气共振相关联的共振峰值。空气共振的特性从而麦克风信号中的共振峰值取决于麦克风设备的相关空气容积的尺度，即，容纳该换能器结构的腔和声学端口的尺度。然而，空气共振还将取决于空气温度。通过检测和分析麦克风信号中的这样的共振峰值，可能的是，确定关于声学端口的尺度的任何改变(诸如，当声学端口被部分地阻挡(即，遮挡)时可能发生的声学端口的尺度的任何改变)的信息。附加地或替代地，通过检测和分析麦克风信号中的这样的共振峰值，可能的是，确定关于空气温度的信息，诸如，对空气温度的估计和/或对空气温度的改变的估计。附加地或替代地，对由共振峰值所引起的分量的表征可以允许识别或估计由感兴趣的信号带中的空气共振所引起的对麦克风信号的任何贡献。这样的贡献对于确定麦克风的操作条件可能是有用的，如上文所述的，但是在别的方面却表示麦克风信号中的噪声。在一些情况下，麦克风信号可以被处理，以减小或消除这样的共振分量，从而改善麦克风的SNR(信噪比)。
图1例示了具有声学端口的经封装的MEMS麦克风设备100的一个实施例。在此实施例中，麦克风封装件包括形成在换能器基底102上的MEMS麦克风换能器101。换能器101通常包括膜或隔膜103，该膜或隔膜103会因入射压力波(例如，声学刺激)而移位。注意，如在本文中所使用的，术语“声学”应被用来指代可以通过空气传播以使该膜或隔膜偏转的任何类型的压力波，包括但不限于人类可听见的频率的压力波，即，可听见的声音。为避免疑义，术语“声学”应被认为包括超声频率的信号。
膜或隔膜103形成或承载第一电极(未单独例示在图1中)。膜或隔膜103相对于至少一个固定的背板结构104被支撑，该固定的背板结构104具有第二电极(也未单独例示在图1中)。响应于入射声波，隔膜103的可移动的第一电极会倾向于相对于背板104的固定的第二电极移位。通过用合适的电压驱动(即，偏置)该第一电极和该第二电极，经由监控电学属性的改变(例如，经由测量由于该第一电极相对于该固定的第二电极的偏转所引起的电容的改变)，可以确定与该入射声波对应的测量信号。
因此，该MEMS换能器结构通常被耦合至偏置/读出电路系统105，且在一些实施方案中，换能器101和偏置/读出电路系统105被形成为同一基底102上的集成电路，即，换能器101和偏置/读出电路系统105被形成在单片管芯上。在其他实施方案中，偏置/读出电路系统105可以被形成在与该MEMS换能器结构分离的管芯上，如由基底101内的表示相应的管芯在这样的布置中的边缘的两个竖直虚线所指示的。
在任一情况下，换能器101和电路系统105通常被一起封装在壳体或封装件106内。该壳体可以包括侧壁部分106a、盖部分106b和底部部分106c。在一些情况下，该壳体(即，封装件)的这些部分中的至少一些可以由连续材料形成，例如，侧壁部分106a和盖部分106b可以由成形金属片材形成且被粘合到该底部部分(即，基底部分)106c。然而，在一些情况下，该封装件可以包括结合在一起以形成该壳体的单独部件，且例如可以至少部分地由印刷电路板(PCB)材料(诸如，FR4)形成。在一些情况下，换能器管芯102的一部分可以形成壳体结构的一部分。
因此，壳体106限定腔或室107，换能器101驻留在该腔或室107内。为了允许声波到达换能器101，壳体106具有壳体端口108，例如，孔或开口，在此实施方案中，该孔或开口被例示为在封装件的罩(即，盖)内。本领域技术人员将理解，壳体端口108可以替代地被定位在基底部分106c或侧壁部分106a中。因此，壳体端口108可以是壳体106中合适某个地方的开口，但是在一些实施例中，壳体端口108可以用某种柔性膜材料密封，以提供用于传输声波的大体上声学透明的端口，但是提供对水分、灰尘等的进入的屏障(即，环境屏障)。因此，壳体端口108形成用于声波传输到壳体106内的换能器101的声学端口的至少一部分。
在一些情况下，当这样的麦克风设备被包括在经组装的主机设备中时，壳体端口108可以被耦合至结构109，该结构109至少部分地限定声学通道或波导，用于声波从期望的位置(例如，从主机设备的外部111)经由壳体端口108传播至麦克风封装件106内的腔107。例如，结构109可以是垫圈等。在这样的情况下，至少部分地由导引结构109且至少部分地由壳体端口108所限定的通道110可以被看作该麦克风设备的声学端口。然而，在一些情况下，可能不需要通道结构110，例如，如果麦克风封装件被定位在主机设备的可以容易地接收感兴趣的声波的一部分中，在此情况下，麦克风的声学端口可以单独包括壳体端口。还将理解，其他用于布置经封装的麦克风以接收感兴趣的声学信号的实施方式，但是通常将存在与经封装的麦克风相关联的声学端口。
空气容积或腔107经由声学端口110与环境流体连通的这样的声学系统将表现出特性共振，该特性共振常常被称为亥姆霍兹共振。此共振是该系统内的空气的共振，因此在本文中将被称为空气共振。例如，当空气经过声学端口110的入口时，可能产生亥姆霍兹共振。在日常使用中，由于空气流或风、声学刺激(例如，背景噪声)或主机设备穿过空气的移动等，空气会流动经过声学端口110的入口。因此，可以在不同时间在声学端口110内自发地生成亥姆霍兹共振。经由声学端口传递到换能器的声学信号也将引发亥姆霍兹共振，该亥姆霍兹共振可以有效地放大声学噪声。亥姆霍兹共振将具有在共振频率(亥姆霍兹频率fH)附近的特性频率分布，该共振频率与声学系统的尺度(例如，声学端口110的尺度和麦克风壳体106的内部腔107的尺度)相关。
本质上，从外部世界至换能器的声学路径可以被建模为声学阻抗、声学电感和声学电容。在图1中所例示的实施例中，存在与压力波从主机设备外部111至声学端口的耦合相关的声学阻抗，该声学阻抗与由声学端口110本身所引起的声学电感以及与声学端口110和腔107之间的接口相关的另一声学阻抗串联。腔107还起声学电容的作用。此声学路径可以被建模为二阶共振器且表现为二阶共振器。
因此，此共振将导致会被麦克风换能器101检测为声学信号的特性信号。因此，所得到的来自MEMS换能器的麦克风信号可以含有具有与此亥姆霍兹共振fH相关联的特性频率分布的信号分量。
应注意，为了清楚起见，已经从图1省略了多种部件之间的电学连接件以及从封装件106内的部件到封装件外部的连接的电学连接件，且本领域技术人员将理解可以实施这样的连接件的多种方式。
图2例示了来自具有例如用于诸如图1中所示出的麦克风封装件的声学端口110的经封装的麦克风的麦克风信号的一个实施例。在无任何特定声学刺激施加到麦克风时所记录的这样的信号指示由该麦克风产生的一般背景信号。图2例示了该麦克风信号的信号幅度(在此情况下以dB为单位)对频率的曲线图，即，是来自读出电路系统105的麦克风输出的输出信号的声谱图。可以清楚地看到，峰值202出现在该曲线图中，该曲线图在此情况下具有大约22kHz的峰值频率，即，共振频率fH。
麦克风信号中的此峰值202由与声学系统(即，通向腔107的声学端口110，如上文所讨论的)相关联的共振引起。分析示出，对于诸如图1中所例示的系统，对于一阶，此亥姆霍兹共振的峰值共振频率fH可以被估计为：
Figure BDA0002211642660000101
其中(对于一阶)V是腔107的容积，l是声学端口110的长度，且SA是声学端口110的开口的面积。c是声音在声学端口110和腔107内的空气中的速度。
将从等式1清楚的是，共振频率fH与声学端口的面积SA的平方根成比例。如果声学端口110的面积改变，例如，因为该端口被某个障碍部分地阻挡(即，遮挡)，则共振频率fH将相应地改变。因此，在一些实施方案中，监控对应于与空气共振相关联的信号分量的最大幅度的共振峰值的频率(即，共振频率fH)可以被用来确定声学端口110的阻挡状态。
为了由通过MEMS换能器(诸如，图1中所示出的MEMS换能器)所生成的麦克风信号确定此共振峰值的特性(即，共振频率fH)，可以使用如图3中所示出的麦克风监控装置。
图3例示了根据一个实施方案的麦克风监控装置300，该麦克风监控装置300可以被用来监控具有相关联的声学端口110的麦克风，诸如图1中所例示的麦克风布置。
麦克风监控装置300被配置为接收与由麦克风换能器101检测到的信号对应的麦克风信号SMIC。如先前所讨论的，这样的麦克风信号含有对应于与声学端口110相关联的共振的信号分量。方便地，麦克风信号SMIC是与麦克风输出信号对应的数字信号，但是在一些实施方案中，模拟麦克风信号可以被接收且被转换为数字信号以供进一步处理。
麦克风监控装置300包括谱峰值检测块301，用于识别麦克风信号中与声学端口110相关联的共振峰值，即，声学系统的空气共振。谱峰值检测块301被配置为确定与共振峰值相关的一个或多个参数，且在图3的实施方案中，谱峰值检测块301确定对共振频率fH的指示。在本公开内容的实施方案中，谱峰值检测块301还确定对与共振峰值相关联的品质因数QH的指示，如下文将更详细地讨论的。
在一些实施方案中，条件监控块302被配置为将与共振峰值相关的一个或多个参数与一个或多个参考参数(例如，共振频率fH和品质因数QH的参考值)进行比较，且确定麦克风的至少一个操作条件，例如对阻挡状态的指示(即，声学端口110是否被部分地阻挡)和/或对空气温度或空气温度的改变的指示。
如上文参考等式(1)所述的，共振峰值的共振频率fH部分地取决于声学端口110的面积和长度，从而该声学端口的部分阻挡将改变该端口的面积和/或声学端口的长度，随之发生共振频率fH的变化。然而，等式(1)还示出共振频率fH取决于声音速度c。声音速度c本身将随着声学端口110中的空气的温度而变化，如本领域技术人员将理解的。对于理想气体，声音速度随着温度的平方根而变化。根据上文的等式(1)，亥姆霍兹频率fH与声音速度c成比例，从而将随着温度的平方根而变化。如上文所述的，亥姆霍兹频率fH也与声学端口110面积SA的平方根成比例。因此，对于给定的麦克风系统，如果声学端口110的开口被部分地阻挡，从而导致声学端口110的面积有效减小大约10％(在没有气体温度的改变的情况下)，则将预期共振频率fH会有一定改变。然而，同样，对于相同的麦克风系统，如果声学端口110将保持未被阻挡，所以不存在有效面积的改变，但是温度降低10％(如以开尔文为单位所确定的)，则将预期导致共振频率的相同改变。如果仅是为了考虑共振峰值220的共振频率fH，则会不能够区分由声学端口110被部分地阻挡所引起的频率的改变与由空气温度的改变所引起的频率的改变。
在本公开内容的实施方案中，还可以确定对共振峰值的品质因数QH的指示。如本领域技术人员将充分理解的，特征(诸如，共振峰值)的品质因数QH是对共振频率fH附近的共振的能量集中或散布的指示，即，就频率而言，对共振峰值有多宽或多窄的指示。较高的品质因数QH意味着共振的大部分能量集中在共振频率fH处，且对于其他频率，由共振所引起的信号幅度快速下降。较低的品质因数QH意味着峰值共振频率fH附近的频率也可能表现出某个相对显著的信号幅度。
对于一阶分析，诸如图1中所例示的麦克风布置的品质因数QH可以由以下等式给出：
Figure BDA0002211642660000121
其中V、l和SA分别是腔(即，室)容积、端口长度和端口面积，如上文对于等式1所限定的。
因此，从等式(2)可以看到，共振峰值的品质因数QH将随着声学端口110的面积SA而变化，但是品质因数QH不是温度相关的。因此，在声学端口110面积SA没有任何改变的情况下，预期空气温度的改变将导致共振峰值的共振频率fH的改变，但是没有品质因数QH的对应的改变。然而，在空气温度没有改变的情况下，将预期的是，导致端口面积SA的改变的声学端口的部分关闭(即，阻挡)会导致共振峰值的共振频率fH的改变以及品质因数QH的改变。因此，确定共振峰值的共振频率fH(换言之，峰值的频率)以及品质因数QH允许区别由于声学端口110中的阻挡所引起的共振峰值分布的改变以及由于温度变化所引起的改变。
图4例示了根据本发明的一个实施方案的谱峰值检测块301的一个实施例。在此实施例中，谱峰值检测块301接收麦克风信号SMIC，且转换块401至少在预期可能存在亥姆霍兹共振的感兴趣的频率范围内，将该信号转换为指示每个频率分量的信号幅度或功率的频域型式。在此实施例中，快速傅里叶变换(FFT)块401生成麦克风信号SMIC的FFT，即，指示由麦克风换能器101所检测到的信号的谱的谱信号。可以在产生该谱信号时在感兴趣的频率范围内将该麦克风信号加窗，即，带通滤波。该感兴趣的频率范围可以例如基于预期的亥姆霍兹共振频率，假设未被阻挡的声学端口在标准温度和压力下，具有某个限定的范围，例如，±30％。在图4的实施例中，FFT 401的输出由滤波器块402滤波以平滑噪声本底。
然而，可以使用其他确定谱信号的方法。例如，一种替代方案可以使用滤波器组。麦克风信号可以被高通滤波以移除任何低频分量，且经滤波的信号可以由滤波器组(二阶共振器组)处理，以对感兴趣的频带内的许多限定的频率/频率区段中的每个处的信号功率有效地采样。因此，在此实施例中，可以省略FFT块401，且滤波器402可以包括如所描述的滤波器组。
在任何情况下，共振频率检测块403接收谱信号，且确定共振峰值的共振频率，即，对应于峰值信号幅度的频率。存在多种可以确定共振峰值的共振频率(即，fH)的方式。
例如，在一个实施方案中，共振频率检测块403被配置为确定在感兴趣的频率范围内(例如，在两个限定的频率值F1和F2之间)谱信号的最大Amax信号幅度值和最小Amin信号幅度值。例如，在一个实施例中，可以预期的是，共振频率落在12kHz和35kHz之间的频率范围内，从而可以在此频率范围内应用共振频率检测。
在感兴趣的频率范围内识别出信号幅度的最大Amax值和最小Amin值(即，信号幅度范围)之后，可以确定第一阈值T1，预期的是，在该第一阈值T1以上，大体上所有相关信号贡献都是由于共振峰值引起的。然后，可以横跨从F1到F2的频率范围对第一阈值T1以上的信号幅度值积分，以确定总积分值以及第一频率FR1的值，在第一频率FR1处，积分对应于总值的一半。在此第一频率FR1处，第一阈值T1以上的总信号幅度的一半在较高频率处而一半在较低频率下。假设共振峰值主要均匀地散布在共振频率附近，例如，该峰值的形状是合理对称的，第一频率FR1的值从而对应于共振频率fH。
第一阈值T1应足够高，以使得该第一阈值以上的任何信号幅度被预期是由于声学端口110共振所引起的共振峰值的一部分，但是应足够低，以包括共振峰值的合理宽度。在一些实施方案中，可以使用Amax和Amin之间的信号幅度范围的大约50％-70％的阈值，比如大约60％。
然而，应理解，可以使用其他寻找与声学端口110相关联的此共振频率fH的值的方法。例如，在一些实施方案中，可以简单地假设共振频率fH是感兴趣的频率范围内的具有最高信号幅度的频率。
在一些实施方案中，谱信号或至少在某些限定的频率/频率区段处谱信号的值可以被输入至经适当训练的人工神经元。该神经元可能已经被训练，例如，使用如上文所描述的阈值和FFT数据。
在确定峰值频率fH的值之后，品质因数确定块404可以确定该共振峰值的品质因数QH。在一些实施方案中，品质因数块404可以采用曲线拟合以确定品质因数QH。例如，品质因数块404可以被配置为确定与经滤波的谱信号中的共振峰值相关联的多个点，然后将一个曲线(例如，抛物线曲线)拟合到所述点。然后可以由拟合曲线确定品质因数QH。
在一个实施例中，品质因数确定块404可以确定对应于共振峰值的峰值的第一点，即，该峰值处的频率和信号幅度。然后，品质因数确定块404可以在此第一点的任一侧步进一个限定的频率间隔，且确定那些频率的相关信号幅度以提供第二点和第三点。相关频率步长可以根据特定实施方式来选择，且可以例如部分地通过谱信号的分辨率(例如，FFT的分辨率)来确定。
图5例示了此方法的一个实施例。图5例示了在感兴趣的频率范围内信号幅度对频率的示例谱信号500。确定对应于共振峰值的峰值点的第一点501。在一些实施方案中，可以通过如上文所描述的那样确定共振频率fH且然后确定此频率fH处的实际信号幅度来限定第一点501。然而，在一些实施方案中，可以通过寻找具有最高信号幅度Amax的频率来限定第一点501。在此情况下，在一些实施方案中，对应于该最高信号幅度的频率可以被识别为共振频率fH而不应用上文所描述的积分方法。
在任何情况下，都确定此第一点的频率f1。通过从f1在频率上向上步进一限定量Δf来限定第二点502，且通过从f1在频率上向下步进一限定量Δf来限定第三点，且在每种情况下都确定这些频率的相关信号幅度。方便地，同一频率间隔Δf被用来限定该第二点和第三点，但是不必是该情况，且当应用随后的曲线拟合时，可以应用且考虑其他频率间隔。
然后使用任何合适的已知曲线拟合方法来限定经过所有三个点的抛物线曲线504。
然后，品质因数确定块501将共振峰值的品质因数QH估计为该抛物线曲线在最大幅度Amax以下的预定幅度间隔kdB处的宽度。在一些实施方案中，预定幅度间隔kdB可以是大约3dB。
返回参考图4，谱峰值检测块301从而可以确定共振频率fH的值和共振峰值的品质因数QH的值。这些值可以从谱峰值检测块301输出至条件监控块302，如图3中所例示的。然而，可能存在一些情况，其中不可能确定共振频率fH的准确值和共振峰值的品质因数QH的准确值。例如，如果在感兴趣的频带内存在某个显著的外部声学刺激，则在感兴趣的频带内可能存在不是由于共振所引起的但可能干扰共振峰值的测量的信号分量。
在图4的实施例中，谱峰值检测块301从而具有活动检测器405，该活动检测器405被配置为针对亥姆霍兹共振感兴趣的频带内的任何重要活动监控经滤波的谱。在谱峰值检测块301的操作的时标上，可以预期共振峰值的频率分布不会随着时间改变很大。任何温度引起的改变将倾向于是逐渐的，且如果声学端口110被阻挡，则阻挡可能相对突然地发生但是将可能在一段时间内保持在适当的位置。然而，感兴趣的频带内的任何外部刺激可能导致感兴趣的频带内的连续改变的谱分布。
在一个实施例中，活动检测器405从而可以将当时的谱信号与历史谱信号进行比较，以确定相关谱中的任何改变的程度。因此，活动检测器405可以从滤波器402接收经滤波的FFT信号，且可以将当前的FFT信号与至少一个所存储的先前的FFT信号进行比较。例如，当前的FFT信号可以被输入至存储多个所接收的FFT信号的缓冲器。可以将该缓冲器中的最新的FFT信号从该缓冲器中的最旧的FFT逐项减去，即，以确定两个FFT在每个频率下的信号幅度的任何差异。然后可以横跨感兴趣的频率范围对这样的差异的绝对值求和，以给出对感兴趣的频带中的活动的指示。如果在感兴趣的频带中存在很少活动，则预期每个频率处的信号幅度将不会改变很大，从而求和的差异将很小。然而，如果存在显著的活动，则一些频率可能在不同的FFT中表现出显著更大或更低的信号幅度，且求和的活动值将是相对高的。活动阈值TA可以被应用于所确定的总和，其中由于该频率范围内的活动水平，所以活动阈值TA以上的数据被确定为不可靠。可以丢弃由被确定为不可靠的谱信号所确定的共振频率fH或品质因数QH的任何值。
活动(诸如，话音)可能不会在有端口的麦克风(即，具有声学端口110的麦克风)的亥姆霍兹共振的感兴趣频率范围内(例如，在12kHz和35kHz之间的示例频率范围内)产生很多信号功率。因此，话音不可能在此感兴趣的频率范围内产生很多活动，且通常可以在麦克风正在接收话音的同时执行上文所描述的方法。然而，在感兴趣的频带中存在具有能量的声学刺激可能在该范围内产生快速改变的谱，结果是所确定的活动水平超过活动阈值TA。因此，这样的数据可能因为与声学端口110相关联的共振峰值的参数的检测被确定是不可靠的而被丢弃。因此，活动检测器405可以向控制器406提供控制信号，该控制信号指示在感兴趣的频率范围内是否存在任何显著的活动，从而指示所确定的共振频率fH的值和品质因数QH的值可能是可靠的还是不可靠的。在该活动检测器指示不存在显著的活动的情况下，该控制器可以输出共振频率fH和品质因数QH。在活动检测器405确实指示存在显著的活动的情况下，控制器406可以不输出任何值或输出上一次先前可靠的值。
当被认为可靠时，共振频率fH的值和品质因数QH的值被输出至条件监控块302。条件监控块302将共振峰值的这些参数与一个或多个参考参数值进行比较。在一些实施方案中，所述参考值可以对应于历史测量的值，例如，先前测量的参数值中的一个或多个可以被存储为参考值，和/或参考值可以被确定为多个先前值(即，历史值)的平均值或某个其他组合。
因此，将共振频率fH的值和品质因数QH的值与一个或多个先前确定的值进行比较将允许在监控时段期间检测到任何显著改变。在使用中，在麦克风上电或复位时，麦克风可以开始产生麦克风输出信号，由该麦克风输出信号可以确定谱峰值检测块301的输入信号SMIC。在一些实施方案中，待被确定的共振频率fH和品质因数QH的第一值可以被用作初始参考值，可以将随后确定的值与所述初始参考值进行比较。然而，在一些实施方案中，可以从存储器303检索至少一个初始参考值作为初始参考。此所存储的参考值可以基于当麦克风上一次操作时由条件监控块302所存储的值。因此，条件监控块302可以被配置为在存储器303中存储基于所确定的共振频率fH或品质因数QH以待被用作参考值供麦克风随后使用的值。
附加地或替代地，至少一个所存储的参考值可以是共振频率fH或品质因数QH的存储值，所述存储值对应于麦克风操作的已知状态或条件。例如，共振频率fH的值和/或品质因数QH的值可以被确定为在受控温度下执行的初始工厂测试的一部分，且被永久地存储在存储器303中。可能在使得已知声学端口110未被阻挡的情况下已经获取了这样所存储的参考值，从而这样所存储的参考值可以被认为对应于在一定测试温度下未被阻挡的声学端口110。在一些实施方案中，至少一个所存储的参考值可以是在某些条件下针对相关麦克风布置建模或计算的值。在一些实施方案中，可以存在多个经校准的参考值，所述多个经校准的参考值对应于针对限定的温度和/或声学端口的限定的部分阻挡状态的共振频率fH和/或品质因数QH的经测量的、建模的或计算的值。
在一些实施方案中，从而可以在使用中当麦克风正在提供输出信号时大体上连续地或以某个规则的或不规则的时间间隔周期地确定共振频率fH的值和品质因数QH的值，以通过与一个或多个参考值进行比较来监控所述值的任何显著改变。在存在任何显著改变的情况下，该状态块可以确定改变的原因。
在将共振频率fH和品质因数QH与参考值进行比较时，至少存在三个情境要考虑。
在情境1中，共振频率fH和品质因数QH这二者与一些参考值大体上相同。如果相关参考值是先前确定的值，则在该情况下，可以假设共振峰值的分布大体上没有改变，因为确定了那些参考值。因此，可以假设不存在对亥姆霍兹共振有贡献的声学端口110的相关尺度的显著改变，且不存在声学端口110的阻挡状态的改变。如果已知或假设参考值对应于声学端口110未被阻挡，则可以确定声学端口110保持未被阻挡。此外，可以确定不存在空气温度的显著改变。如果相关参考值对应于已知温度，则可以假设空气温度对应于已知温度。
在情境2中，确定共振频率fH已经从参考值改变，但是品质因数QH的值没有从参考值改变。考虑到品质因数QH与参考品质因数相同，且声学端口110尺度的任何改变将导致品质因数QH的改变，所以可以假设声学端口110的阻挡状态未被改变。如果已知或假设品质因数的参考值对应于声学端口110未被阻挡，则可以确定声学端口110保持未被阻挡。因此，可以确定在此情境中共振频率fH从参考值的改变是由空气温度的改变引起的。
在一些实施方案中，条件监控块302可以被配置为通过确定不伴随有品质因数QH的对应改变的共振频率fH的改变来简单地确定空气温度已经改变。
然而，在一些实施方案中，该条件监控块可以基于所确定的共振频率fH的值来估计空气温度。如上文所提及的，如果品质因数QH没有从已知对应于未被阻挡的声学端口110的参考值改变，则共振频率fH的值的所有改变可以归因于空气温度的改变。
可以例如根据以下等式估计针对特定的麦克风布置的温度响应
Figure BDA0002211642660000181
其中V、l和SA是如先前所描述的有端口的麦克风布置的容积、长度和端口面积，θ是以摄氏度为单位的温度。
因此，在一些实施方案中，该条件监控块可以被配置为，在品质因数QH被确定为对应于指示未被阻挡的声学端口110的参考值的情况下，基于共振频率fH的目前值来确定对空气温度的估计。
以此方式使用麦克风确定对空气温度的估计的能力表示本公开内容的一个新颖方面。对温度的估计在许多应用中可能是有用的。
在情境3中，共振频率fH与参考值不同，且共振峰值的品质因数QH也与参考品质因数不同。在这样的情况下，可以确定声学端口110的阻挡状态已经改变，因为品质因数QH与参考品质因数不同。如果已知或假设参考值对应于未被阻挡的声学端口110，则可以假设声学端口110已经被部分地阻挡(例如，阻塞)。然而，在此情况下，可能不清楚共振峰值的改变是否仅仅是由于声学端口110的此阻挡，或是否还存在对共振峰值与参考峰值之间的差异有贡献的温度因素。
然而，一般，当具有麦克风的设备被放置到阻挡物体上或阻挡物体被放置到具有麦克风的设备上或一些碎片进入声学端口110时，阻挡可能相对突然地发生。温度改变可能更加逐渐。因此，如果存在与共振频率的相对突然改变相关联的品质因数的相对突然的改变，则可以确定阻挡已经发生(或已经被移除)。
能够检测到声学端口110被部分地阻挡在许多方面是有用的。被部分地阻挡的声学端口110会降低麦克风的灵敏度。如果检测到声学端口110被阻挡，则可以调整麦克风操作或下游处理的至少某个方面以补偿或校正灵敏度的改变。如果阻挡状态持续一些时间，则可以生成警报以使设备的用户检查任何障碍。例如，这样的警报可以是：可听见的警报，诸如，哔哔声；视觉警报，诸如，主机设备(例如，移动电话)的屏幕上的警告消息；或触觉警报，诸如，主机设备的振动；或这三个警报的任何组合。
能够确定共振频率的改变由空气温度的改变引起而非共振频率的改变由声学端口110阻挡引起意味着，可以避免阻挡的错误警报和麦克风的操作的不必要的改变。
将从上文的讨论明显的是，为了检测与麦克风相关联的声学端口110的阻挡状态的改变，因此将足够的是，确定是否存在品质因数QH的任何改变，而不需要确定是否存在共振频率的改变。这表示本公开内容的实施方案的一个新颖方面，从而在一些实施方案中，可以省略共振频率确定块403的功能，且实施方案可以仅确定品质因数且监控品质因数的任何改变。
同样在一些实施方案中，条件监控块302可以接收对共振频率fH和品质因数QH的指示，但是可以仅确定对温度或温度改变的估计，且可以不报告单独的阻挡状态(但是可以将共振频率fH的改变视为(discount)由于阻挡引起)。
在其他实施方案中，条件监控块302可以产生指示阻挡状态的任何改变且还指示温度的改变和/或对空气温度的估计的状态信号。对空气温度的估计可以被认为对周围温度的指示。
图6例示了根据本发明的监控麦克风的方法。
在步骤601中，该方法包括从麦克风接收麦克风信号SMIC。在步骤602中，该方法包括确定该麦克风信号中与声学端口110相关联的共振频率fH以及与该共振峰值相关联的品质因数QH。在步骤603中，确定该共振频率是否与参考值相同。如果共振频率fH与该参考值相同，则在步骤604处可以确定不存在温度或阻挡状态从与该参考值对应的温度或阻挡状态的改变。在一些实施方案中，从而可以基于该参考值知晓空气温度，或在一些实施方案中，可以在步骤605中基于所确定的共振频率来估计空气温度。
然而，如果在步骤603处确定该共振峰值不与该参考峰值相同，则该方法转到步骤606，在步骤606处，确定品质因数QH是否已经例如从品质因数的参考值变化。
如果品质因数QH与品质因数的参考值相同，则该方法可以在步骤607处指示已经存在温度的改变。如上文所讨论的，该方法然后可以基于该共振频率来确定对温度的估计。
然而，如果品质因数QH已经从该参考值改变，则可以确定608已经存在与麦克风相关联的声学端口110的阻挡状态的某个改变。如果参考品质因数对应于未被阻挡的端口状态，则可以用信号通知声学端口110已经被部分地阻挡。
因此，本公开内容的实施方案提供了用于监控具有声学端口110的麦克风的装置和方法。所述方法和装置通过监控麦克风的声学端口110的共振的频率和品质因数来提供关于麦克风的空气温度和/或麦克风的声学端口110是否被阻挡的信息。
附加地或替代地，在一些实施方案中，由于共振引起的信号分量的表征可以在处理输出信号时使用，以减小或减轻麦克风信号中的噪声的影响。
如上文所提及的，与从感兴趣的环境(例如，外部世界)至麦克风换能器的声学路径相关联的共振是麦克风结构的固有共振，且每当麦克风正在接收感兴趣的信号时，可以存在由于此共振引起的至少一些信号分量。因此，由共振引起的信号分量表示不希望的噪声。
如先前所讨论的，在一些实施方式中，此共振可能主要位于音频带外部。因此，对于标准音频应用，此共振已经主要被忽略。然而，该共振的影响是入射在声学端口110上的压力波与换能器101所经受的压力之间的传递函数相对于频率是非线性的，且有效地放大了高频分量。结果是可以有效地放大近声学带宽中的声学信号，这在一些情况下可能使麦克风饱和。此外，通过该共振有效地放大了任何声学噪声，从而降低SNR性能。
为了例示此问题，图7例示了在无任何特定声学刺激时来自麦克风设备(例如，诸如图1中所例示的麦克风设备)的信号响应701的理想化曲线图。如上文所讨论的，麦克风信号可以包括由于亥姆霍兹共振所引起的信号分量，即，如先前所讨论的定中心在共振频率fH上的共振峰值202。图7例示了在20kHz处音频带的上限截止。如先前所提及的，共振频率fH可以在音频带外部，但是共振峰值本身可以部分地延伸到音频带内。
远离共振峰值，在被指示为702的第一区域中，由于多种其他噪声源，可能存在一定的低信号电平。这表示麦克风系统的噪声本底。然而，通常，此区域702中的噪声可能随着频率相对平坦，从而可能存在不随着频率大体上变化的相对一致的噪声本底。然而，由于存在共振，噪声本底在较高频率处有效地增加。这导致横跨音频带的、随着频率而不平坦的噪声本底，且共振有效地将附加噪声添加到音频带内，如通过阴影区域703所例示的。因为共振频率跟踪温度，音频带中的噪声本底和附加噪声的量也将随着温度变化。
在本公开内容的一些实施方案中，可以分析来自MEMS换能器的麦克风信号以确定麦克风的操作条件，其中所述操作条件是对由于共振所引起的噪声贡献的指示。这可以是对来自麦克风的信号感兴趣的信号带(例如，音频带)内的噪声贡献或由于共振所引起的噪声的总贡献的指示。在一些情况下，可以处理麦克风信号，以减小或消除这样的共振分量，从而改善麦克风的SN R(信噪比)。
图8例示了根据一个实施方案的麦克风监控装置800。该麦克风监控装置以与上文所讨论的相同的方式接收从麦克风换能器导出的麦克风信号SMIC。该麦克风信号可以被输入至谱峰值检测块301，该谱峰值检测块301可以以与上文所讨论的相同的方式确定共振峰值的一个或多个特性。谱峰值检测块301可以将所确定的特性输出至噪声降低块，该噪声降低块将处理应用于麦克风信号SMIC以产生经处理型式的SMIC_NR，其中可以移除由于共振所引起的噪声中的至少一些。在一些情况下，该噪声降低块可以包括滤波器或频率处理块，该滤波器或频率处理块被配置为将振幅到频率的逆传递函数有效地应用于针对共振峰值所确定的频率。
在一些情况下，谱峰值检测块301可以确定共振频率fH和/或品质因数QH，且将这样的值供应至噪声降低块以处理所接收的麦克风信号SMIC，从而产生经噪声降低的麦克风信号SMIC_NR。该噪声降低块可以被配置为基于对共振频率的指示和/或对品质因数的指示来应用特定的传递函数或滤波器。附加地或替代地，指示共振贡献随着频率的振幅的谱信号S(f)可以被确定且被供应至噪声降低块801。在一些情况下，谱信号可以包括通过品质因数确定块404经由曲线拟合所确定的抛物线曲线，如上文关于图4所讨论的。附加地或替代地，谱信号可以是在活动检测器405指示没有实质活动时从滤波器402的输出所导出的信号。
如上文所提及的，该噪声降低块可以处理麦克风信号SMIC，以将逆函数施加到针对共振峰值所确定的振幅随着频率的变化。图9例示了可以由所确定的共振峰值202的特性来限定逆函数901。逆函数901被应用于麦克风信号SMIC且至少部分地补偿共振影响。图9例示了在无任何特定声学刺激时所得到的经处理的信号902横跨整个频率范围是大体上平坦的。图9示出了理想化的逆传递函数，但是即使非理想函数也可以帮助减小共振噪声的影响且横跨期望的频带上提供大体上较平坦的频率响应。图9例示了横跨共振峰值的大体上整个频率范围应用逆函数。然而，将可能的是，仅在感兴趣的频带上应用逆函数，例如，如果较高的频率是不感兴趣的，则仅在音频带上应用逆函数。
应注意，可以在存在上文所讨论的监控的情况下或在不存在上文所讨论的监控的情况下实施用于噪声降低的麦克风监控，以确定阻挡状态和/或温度条件。然而，在至少一些实施方案中，麦克风监控装置可以包括噪声降低和条件监控块，用于确定阻挡状态和/或温度状态，且在这样的实施方案中，谱峰值检测块可以被共用，如图8中所例示的。
实施方案特别适用于对MEMS麦克风的监控。然而，原理可以应用于感测来自其他类型的麦克风(例如，驻极体麦克风)的信号。实施方案可以被布置为音频和/或信号处理电路(例如，可以被设置在主机设备中的音频电路)的一部分。本发明的实施方案还涉及MEMS换能器电路。根据本发明的一个实施方案的电路可以被实施为集成电路。MEMS换能器可以形成单片基底上的集成电路的一部分，或可以在使用中被连接到该集成电路。
实施方案可以被实施在主机设备中，例如，该主机设备尤其是便携式主机设备和/或电池供电主机设备，诸如移动电话、音频播放器、视频播放器、PDA、移动计算平台(诸如，膝上型计算机或平板计算机和/或游戏设备)。
注意，如在本文中所使用的，术语“块”应被用来表示装置或设备(即，用于执行特定功能的装置)的功能单元或功能模块。功能块可以至少部分地由专用硬件部件(诸如，定制电路系统或可编程逻辑门等)来实施。附加地或替代地，功能块可以至少部分地由一个或多个软件处理器或在一个或多个合适的处理器上运行的适当代码来实施。处理器可以是用于执行功能的专用处理器，或可以是也可被用来执行其他任务的共享处理器，且在一些情况下可以是通用处理器等。功能块的部件可以共同位于相同的电路上和/或可以由相同的处理器来实施，或形成功能块的一部分的至少一些部件可以彼此远离且可以被实施在不同集成电路上或可以在不同处理器上运行。形成一个块的一部分的至少一些部件或过程可以与另一功能块共用。功能块本身可以包括其他模块或功能单元。术语“模块”应被认为具有与术语“块”相同的含义。
应注意，上文所提及的实施方案是例示本发明而不是限制本发明，且在不偏离随附权利要求的范围的前提下，本领域技术人员将能够设计许多替代实施方案。“包括”一词不排除除了在权利要求中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，且单个特征或其他单元可以实现权利要求中所列举的若干个单元的功能。权利要求中的任何附图标记或参考标注不应被解释为限制所述权利要求的范围。

Claims (29)

1.一种用于具有声学端口的麦克风设备的噪声降低装置，该装置包括：
一个谱峰值检测块，用于接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该麦克风的该声学端口相关联的共振峰值的至少一个特性，
一个噪声降低块，被配置为基于与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性来处理该麦克风信号，以便降低经处理的麦克风信号中由于所述共振引起的噪声。
2.根据权利要求1所述的噪声降低装置，其中与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性包括所述共振的共振频率和品质因数中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的噪声降低装置，其中与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性包括第一信号，该第一信号指示该共振在多个频率处或在多个频率区段内的相对幅度。
4.根据权利要求1或2所述的噪声降低装置，其中该噪声降低块被配置为根据第一函数来处理该麦克风信号，其中所述第一函数基于共振峰值的所述至少一个特性。
5.根据权利要求4所述的噪声降低装置，其中所述第一函数被确定为该共振峰值的分布的逆函数。
6.根据权利要求4或5所述的噪声降低装置，其中该噪声降低块包括一个滤波器或滤波器组。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中该谱峰值检测块包括一个转换块，该转换块被配置为接收该麦克风信号且输出与该麦克风信号在至少一个预限定的频率范围内的频域型式对应的谱信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其中该转换块包括一个快速傅里叶变换(FFT)块。
9.根据权利要求8所述的装置，其中该谱峰值检测块包括一个滤波器，用于对该FFT块的输出进行滤波以提供该谱信号。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其中该谱峰值检测块包括一个滤波器组，该滤波器组被配置为接收该麦克风信号以及输出包括对在至少一个预限定的频率范围内多个频率或频率区段处的信号幅度的指示的谱信号。
11.根据权利要求7所述的装置，其中该谱峰值检测块包括一个共振频率检测块，该共振频率检测块被配置为由该谱信号确定该共振频率。
12.根据权利要求11所述的装置，其中该共振频率检测块被配置为将该预限定的频率范围内的具有最高信号幅度的频率识别为该共振频率。
13.根据权利要求11所述的装置，其中该共振频率检测块被配置为识别该预限定的频率范围内的最高信号幅度和最低信号幅度之间的一个信号幅度范围，确定所识别的信号范围内的第一阈值且横跨该预限定的频率范围对该第一阈值以上的信号幅度的值进行积分，以识别第一频率且将所述第一频率识别为该共振频率，在该第一频率处，积分等于总积分的一半。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一阈值在对应于该信号幅度范围的50％-70％的电平的信号幅度处。
15.根据权利要求7所述的装置，其中该谱峰值检测块包括一个品质因数确定块，该品质因数确定块被配置为由该谱信号确定所述品质因数。
16.根据权利要求15所述的装置，其中该品质因数确定块被配置为确定与该谱信号中的该共振峰值相关联的多个点，以将一个曲线拟合到所确定的点且由所述曲线确定对所述品质因数的指示。
17.根据权利要求16所述的装置，其中该品质因数确定块被配置为确定与信号幅度的峰值对应的第一点，且分别在该第一点以上和以下一预定频率处识别第二点和第三点。
18.根据权利要求16所述的装置，其中该品质因数确定块被配置为将拟合曲线位于峰值幅度以下一预定幅度间隔处的宽度确定为该品质因数。
19.根据权利要求18所述的装置，其中与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性包括第一信号，该第一信号指示该共振在多个频率处或在多个频率区段内的相对幅度，并且其中所述第一信号基于所述拟合曲线。
20.根据权利要求7所述的装置，还包括：一个活动检测器，该活动检测器被配置为确定对预限定的频率范围内的活动的指示。
21.根据权利要求20所述的装置，其中该活动检测器被配置为确定对当前的谱信号与至少一个先前的谱信号之间的差异的指示。
22.根据权利要求20所述的装置，其中该谱峰值检测块包括一个响应于该活动检测器的控制器，其中该控制器被配置为使得如果该活动在活动阈值以上，则相关谱信号不被用来确定对从该谱峰值检测块所输出的共振频率或品质因数的指示。
23.根据权利要求1或2所述的装置，其中与该麦克风的该声学端口相关联的共振峰值的至少一个特性包括与该声学端口相关联的共振的共振频率和品质因数，该装置还包括一个条件监控块，该条件监控块被配置为确定共振频率和品质因数相对于共振频率和品质因数的相应的参考值的任何改变且基于所检测到的改变来确定该麦克风的操作条件；
其中该操作条件包括以下中的至少一个：该声学端口的阻挡状态和空气温度条件。
24.根据权利要求1或2所述的装置，该装置被实施为集成电路。
25.一种麦克风系统，包括第一麦克风和根据任一项前述权利要求所述的装置，该装置被配置为从所述第一麦克风接收麦克风信号。
26.一种电子设备，包括根据权利要求1至24中的任一项所述的装置或根据权利要求25所述的麦克风系统。
27.根据权利要求26所述的电子设备，其中该装置是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；通信设备；移动电话或蜂窝电话；智能手机设备；计算设备；膝上型计算机、笔记本计算机或平板电脑；游戏设备；可穿戴设备；语音控制设备或语音激活设备。
28.一种用于具有声学端口的麦克风设备的噪声降低的方法，该方法包括：
接收麦克风信号以及由该麦克风信号确定与该麦克风的该声学端口相关联的共振峰值的至少一个特性，以及
基于与该麦克风的该声学端口相关联的共振的所述至少一个特性来处理该麦克风信号，以便降低经处理的麦克风信号中由于所述共振引起的噪声。
29.一种用于麦克风的噪声降低电路，包括：
一个谱峰值检测块，用于处理由该麦克风所生成的麦克风信号，以识别该麦克风信号中由于亥姆霍兹共振引起的谱峰值的至少一个特性；以及
一个噪声降低电路，用于基于所识别的该谱峰值的至少一个特性来处理该麦克风信号，以在至少一个感兴趣的信号带内降低经处理的麦克风信号中由于亥姆霍兹共振引起的任何噪声。
CN201880020505.0A 2017-03-30 2018-03-22 用于监控麦克风的装置和方法 Active CN110447240B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762479050P 2017-03-30 2017-03-30
US62/479,050 2017-03-30
GB1706707.5A GB2561021B (en) 2017-03-30 2017-04-27 Apparatus and methods for monitoring a microphone
GB1706707.5 2017-04-27
PCT/GB2018/050755 WO2018178640A1 (en) 2017-03-30 2018-03-22 Apparatus and methods for monitoring a microphone

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110447240A CN110447240A (zh) 2019-11-12
CN110447240B true CN110447240B (zh) 2021-06-25

Family

ID=59011007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880020505.0A Active CN110447240B (zh) 2017-03-30 2018-03-22 用于监控麦克风的装置和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10674253B2 (zh)
CN (1) CN110447240B (zh)
GB (1) GB2561021B (zh)
WO (1) WO2018178640A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2567018B (en) 2017-09-29 2020-04-01 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd Microphone authentication
US11514878B2 (en) * 2018-02-23 2022-11-29 Purdue Research Foundation Helmholtz resonators with broadband capability
DE102020114222A1 (de) * 2020-05-27 2021-12-02 Vacon Oy Antrieb für eine elektrische Anwendung und Verfahren zur Aufrechterhaltung und Feinabstimmung des Antriebs
CN113465724A (zh) * 2021-06-22 2021-10-01 西安艾科特声学科技有限公司 一种用于有源降噪设备具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法
CN113674730B (zh) * 2021-08-12 2024-04-26 西安艾科特声学科技有限公司 一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法
CN113847689B (zh) * 2021-09-23 2023-05-26 佛山市顺德区美的电子科技有限公司 一种空调器共振控制方法、装置、空调器及存储介质
US20230292045A1 (en) * 2022-03-10 2023-09-14 Skyworks Solutions, Inc. In-band resonance piezo mems microphones

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1213262A (zh) * 1997-04-17 1999-04-07 伯斯有限公司 噪声减弱
CN102075840A (zh) * 2009-11-24 2011-05-25 Nxp股份有限公司 微机电系统麦克风
CN102740190A (zh) * 2011-03-31 2012-10-17 索尼公司 信号处理设备、信号处理方法和程序
WO2013083947A1 (en) * 2011-12-08 2013-06-13 Sontia Logic Ltd Reducing resonance
EP2768239A1 (en) * 2013-02-13 2014-08-20 Funai Electric Co., Ltd. Earphone microphone
CN105246013A (zh) * 2014-07-11 2016-01-13 晶镁电子股份有限公司 麦克风装置
CN106031192A (zh) * 2014-02-24 2016-10-12 株式会社理光 麦克风保持结构和电子装置

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ZA838846B (en) 1982-11-29 1985-02-27 Babcock Power Ltd Estimating combustion chamber temperatures
CA2052351C (en) * 1991-09-27 2000-05-23 Gordon J. Reesor Telephone handsfree algorithm
US5511130A (en) * 1994-05-04 1996-04-23 At&T Corp. Single diaphragm second order differential microphone assembly
US7949144B2 (en) 2006-06-12 2011-05-24 Phonak Ag Method for monitoring a hearing device and hearing device with self-monitoring function
JP2008278476A (ja) * 2007-04-05 2008-11-13 Yamaha Corp コンデンサマイク装置のｓｎ比改善方法およびコンデンサマイク装置並びにコンデンサマイク装置搭載機器
KR20080110497A (ko) * 2007-06-14 2008-12-18 야마하 가부시키가이샤 마이크로폰 패키지, 반도체 장치 및 그 제조 방법
US8831936B2 (en) * 2008-05-29 2014-09-09 Qualcomm Incorporated Systems, methods, apparatus, and computer program products for speech signal processing using spectral contrast enhancement
US8749394B2 (en) * 2009-10-23 2014-06-10 Innovalarm Corporation System and method for efficiently generating audible alarms
US20120308047A1 (en) * 2011-06-01 2012-12-06 Robert Bosch Gmbh Self-tuning mems microphone
WO2014037766A1 (en) * 2012-09-10 2014-03-13 Nokia Corporation Detection of a microphone impairment
US20140270206A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Timothy Alan PORT Acoustic transmissivity impairment determining method and apparatus
US9414165B2 (en) * 2014-01-27 2016-08-09 Invensense, Inc. Acoustic sensor resonant peak reduction
US9661433B2 (en) 2014-01-30 2017-05-23 Invensense, Inc. Electrical testing and feedthrough cancellation for an acoustic sensor
EP2930958A1 (en) * 2014-04-07 2015-10-14 Harman Becker Automotive Systems GmbH Sound wave field generation
KR20160148009A (ko) 2014-07-04 2016-12-23 인텔 코포레이션 자동 화자 검증 시스템에서의 리플레이 공격 검출
GB2530565A (en) 2014-09-26 2016-03-30 Univ Salford Entpr Ltd Acoustic thermometry
US9924288B2 (en) 2014-10-29 2018-03-20 Invensense, Inc. Blockage detection for a microelectromechanical systems sensor
US9648434B1 (en) * 2015-10-16 2017-05-09 Motorola Solutions, Inc. Microphone porting structure and assembly for a communication device
US10412491B2 (en) * 2015-10-30 2019-09-10 Goertek, Inc. Band-pass acoustic filter and acoustic sensing apparatus
US20170275986A1 (en) * 2015-11-05 2017-09-28 Halliburton Energy Services Inc. Fluid flow metering with point sensing
US10788458B2 (en) * 2016-02-05 2020-09-29 Msa Technology, Llc Detection of blockage in a porous member

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1213262A (zh) * 1997-04-17 1999-04-07 伯斯有限公司 噪声减弱
CN102075840A (zh) * 2009-11-24 2011-05-25 Nxp股份有限公司 微机电系统麦克风
EP2346270A2 (en) * 2009-11-24 2011-07-20 Nxp B.V. Micro-electromechanical system microphone
CN102740190A (zh) * 2011-03-31 2012-10-17 索尼公司 信号处理设备、信号处理方法和程序
WO2013083947A1 (en) * 2011-12-08 2013-06-13 Sontia Logic Ltd Reducing resonance
EP2768239A1 (en) * 2013-02-13 2014-08-20 Funai Electric Co., Ltd. Earphone microphone
CN106031192A (zh) * 2014-02-24 2016-10-12 株式会社理光 麦克风保持结构和电子装置
CN105246013A (zh) * 2014-07-11 2016-01-13 晶镁电子股份有限公司 麦克风装置

Also Published As

Publication number Publication date
GB201706707D0 (en) 2017-06-14
GB2561021B (en) 2019-09-18
US20180288523A1 (en) 2018-10-04
CN110447240A (zh) 2019-11-12
US10674253B2 (en) 2020-06-02
WO2018178640A1 (en) 2018-10-04
GB2561021A (en) 2018-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110463225B (zh) 用于监控麦克风的装置和方法
CN110447240B (zh) 用于监控麦克风的装置和方法
CN110476440B (zh) 用于监控麦克风的装置和方法
WO2009145096A1 (ja) 音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システム
CN101543089A (zh) 语音输入装置及其制造方法、信息处理系统
JP5166117B2 (ja) 音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システム
CN108513213B (zh) 声音收集装置、声音收集方法、记录程序的记录介质以及拍摄装置
US8638955B2 (en) Voice input device, method of producing the same, and information processing system
EP2456229A1 (en) Loudspeaker system and control method
US10638217B2 (en) Pressure-responsive sensors and related systems and methods
CN113874699A (zh) 使用压力波以检测多孔构件中的堵塞
US8731693B2 (en) Voice input device, method of producing the same, and information processing system
JP4212635B1 (ja) 音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システム
JP5097511B2 (ja) 音声入力装置及びその製造方法、並びに、情報処理システム
US10778173B2 (en) Audio distortion compensation
WO2018103899A1 (en) A method for monitoring electro-acoustic performance of a hearing device and hearing device
CN117044228A (zh) 听力保护设备的现场检查

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant