CN111052227A - 主动噪声消除耳机中的风噪减轻系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了用于减轻风对主动噪声消除的影响的耳机系统和方法。至少一个耳机系统包括听筒,该听筒带有扬声器以将信号转换成声学体积中的声能。麦克风声学地联接到外部环境并检测外部噪声。控制电路被配置为检测风并且基于风检测来调节来自麦克风的前馈音频信号。
Description
技术领域
本公开的方面和具体实施整体涉及音频系统,并且在一些示例中,更具体地涉及用于耳机系统中的主动降噪(ANR)的系统和方法。
背景技术
主动降噪(ANR)耳机通常通过产生破坏性地干扰不期望的噪声的噪声消除信号来从听者耳部阻止不期望的噪声。通常,ANR耳机将包括测量不期望的噪声的一个或多个麦克风。基于所测量的噪声的特性,耳机将产生适当的噪声消除信号。一旦产生噪声消除信号,耳机就发出辐射,以减少听者耳道中的不期望噪声。在许多情况下,与传统音频耳机相比,ANR耳机提供了改善的收听体验。
发明内容
根据本文所讨论的各个方面和示例,提供了一种耳机系统,该耳机系统基于在该耳机系统外部的检测到的风条件来调节主动降噪(ANR)操作。例如,可以通过外部音频信号的频谱分析、通过DC信号分量(诸如由声换能器上的例如由风造成恒定机械压力导致的)、通过在右侧与右侧之间的外部噪声水平的比较或通过其他手段来检测风,并且控制电路可以当检测到风时调节与耳机系统的ANR电路相关联的反馈和/或前馈滤波器。一个或多个反馈和/或前馈调节还可以基于检测到的风量或风级来变化。
根据一个方面,提供了一种耳机系统,该耳机系统包括:听筒,该听筒被配置为限定声学体积;扬声器,该扬声器用于基于接收到的驱动器信号来向声学体积提供声能;前馈麦克风,该前馈麦克风声学地联接到外部环境以至少检测外部噪声并生成前馈音频信号;以及控制电路,该控制电路包括接口,该接口用于接收风信号并被配置为至少部分地基于风信号来检测风,该控制电路还被配置为基于风检测来调节前馈音频信号。
某些示例还包括反馈麦克风,该反馈麦克风用于至少检测声学体积内的残余噪声,并且生成反馈音频信号,并且其中控制电路还被配置为基于风检测来调节该反馈音频信号。控制电路可以基于风检测来调节应用于反馈音频信号的一个或多个反馈滤波器系数以调节该反馈音频信号。一些示例包括数据存储库,该数据存储库包括多个反馈滤波器系数集,控制电路被配置为基于风检测来从多个反馈滤波器系数集中选择第一反馈滤波器系数集。
在一些示例中,控制电路被配置为通过基于风检测来调节应用于前馈音频信号的一个或多个前馈滤波器系数以调节该前馈音频信号。另外的示例可以包括数据存储库,该数据存储库包括多个前馈滤波器系数集,控制电路被配置为基于风检测来从多个前馈滤波器系数集中选择第一前馈滤波器系数集。
在某些示例中,接口被配置为接收前馈音频信号作为风信号,并且控制电路被配置为至少部分地基于前馈音频信号来检测风。控制电路可以分析前馈音频信号的频谱含量并至少部分地基于频谱含量来检测风。
根据某些示例,前馈麦克风可以是用于生成第一前馈音频信号的第一前馈麦克风,并且耳机系统还包括用于生成第二前馈音频信号的第二前馈麦克风,并且控制电路被配置为至少部分地基于第一前馈音频信号和第二前馈音频信号的比较来检测风。
在一些示例中,控制电路还被配置为至少基于风信号来检测多个风级并至少部分地基于检测到的风级来调节前馈音频信号。
在某些示例中,控制电路被配置为通过禁用前馈音频信号来调节前馈音频信号。在一些示例中,控制电路被配置为通过从前馈麦克风去除麦克风偏置信号来禁用前馈音频信号,和/或控制电路被配置为通过将零增益的滤波器应用于前馈音频信号来禁用该前馈音频信号。
根据另一方面,提供了另一种耳机系统,该耳机系统包括:听筒,该听筒被配置为限定声学体积;扬声器,该扬声器用于基于接收到的驱动器信号来向声学体积提供声能;反馈麦克风,该反馈麦克风至少检测声学体积内的残余噪声并生成反馈音频信号;前馈麦克风,该前馈麦克风用于至少检测外部噪声并生成前馈音频信号;以及控制电路,该控制电路包括接口,该接口用于接收前馈音频信号并被配置为至少部分地基于该前馈音频信号来检测风,控制电路还被配置为基于风检测来调节该前馈音频信号。
在一些示例中,控制电路被配置为基于风检测来调节前馈滤波器的应用于前馈音频信号的传递函数。某些示例包括数据存储库,该数据存储库包括多个前馈滤波器系数集,控制电路被配置为基于风检测来从多个前馈滤波器系数集中选择第一前馈滤波器系数集。
在一些示例中,控制电路还被配置为基于风检测来调节反馈滤波器的应用于反馈音频信号的传递函数。某些示例包括数据存储库,该数据存储库包括多个反馈滤波器系数集,控制电路被配置为基于风检测来从多个反馈滤波器系数集中选择第一反馈滤波器系数集。
根据某些示例,前馈麦克风是用于生成第一前馈音频信号的第一前馈麦克风,并且耳机系统还包括用于生成第二前馈音频信号的第二前馈麦克风,并且控制电路被配置为至少部分地基于第一前馈音频信号和第二前馈音频信号的比较来检测风。
根据又一方面,提供了一种用于操作耳机系统的方法。该方法包括:基于在扬声器处接收的驱动器信号,将来自耳机系统的扬声器的声能提供到声学体积;使用前馈麦克风检测在声学体积外部的噪声;通过分析在声学体积外部的噪声来检测风;生成至少部分地指示噪声的前馈音频信号;以及至少部分地基于风检测来调节该前馈音频信号。
在某些示例中,该方法还包括:检测声学体积内的残余噪声;生成至少部分地指示该残余噪声的反馈音频信号;以及至少部分地基于风检测来调节该反馈音频信号。一些示例基于风检测来调节反馈滤波器的应用于反馈音频信号的传递函数。在某些示例中,通过基于风检测来从多个滤波器系数集中选择滤波器系数集并将所选择的滤波器系数集应用于反馈滤波器来调节反馈滤波器的传递函数。
一些示例包括基于风检测来调节前馈滤波器的应用于前馈音频信号的传递函数。在一些示例中,可以通过基于风检测来从多个滤波器系数集中选择滤波器系数集并将所选择的滤波器系数集应用于前馈滤波器来调节前馈滤波器的传递函数。
在某些示例中,调节前馈音频信号包括禁用该前馈音频信号。在一些示例中,可以通过从前馈麦克风去除麦克风偏置信号和/或通过将零增益的滤波器应用于前馈音频信号来禁用该前馈音频信号。
以下仍然详细讨论了这些示例性方面和示例的其他方面、示例和优点。本文所公开的示例可以与本文所公开的至少一个原理一致的任何方式与其他示例组合,并且对“示例”、“一些示例”、“另选的示例”、“各种示例”、“一个示例”等的引用不一定互相排斥,并且旨在指示所述的特定特征、结构或特性可包括在至少一个示例中。本文中此类术语的出现未必全都指代相同的示例。本文所述的各个方面和示例可包括用于执行任何所述方法或功能的装置。
附图说明
下面参考附图讨论至少一个示例的各个方面,这些附图并非旨在按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和示例的例证和进一步理解,并且附图并入本说明书且构成本说明书的一部分,但并非旨在作为本公开的限制的定义。在附图中,在各种图中示出的每个相同或几乎相同的部件以类似的数字表示。为清楚起见,并不是在每个图中给每个部件都注上标记。在附图中:
图1是根据本文所讨论的各种示例的耳机系统的框图;
图2是示出根据本文所讨论的各种示例的基于风检测对反馈滤波器和前馈滤波器的调节的框图;
图3A至图3E是根据本文所讨论的各种示例的风检测器的示例的框图;
图4是根据本文所讨论的各种示例的入耳式耳机结构;
图5是根据本文所讨论的各种示例的包耳式耳机结构;以及
图6是根据本文所讨论的各种示例的控制电路的框图。
具体实施方式
本文所讨论的各个方面和示例涉及耳机系统和在耳机系统进行操作的环境中基于风检测或风级检测来调节主动降噪(ANR)操作的方法。
如上所讨论的,ANR耳机通常通过生成破坏性干扰不期望的噪声的消除信号来掩盖收听者耳部处的不期望的噪声。噪声消除功能在各种类型的耳机系统中是期望的,诸如设计用于消费产品的那些耳机系统和设计用于商业应用的那些耳机系统。在许多情况下,期望将ANR技术并入航空耳机系统中。具体地讲,ANR功能允许飞行员、副驾驶员或乘客感知可能被系统内的外部噪声和/或残余噪声遮蔽或掩盖的重要音频内容。
根据某些方面,本文所述的耳机系统的示例可以被设计为用于飞机平台。例如,该耳机系统可以设计用于在高达40,000或45,000英尺(约12,190至13,710米)的高度飞行的飞机中使用,并且可能需要一名以上的飞行员。在一些情况下,飞行员可能使用驾驶舱鼓风机、风扇或其他气流设备以进行冷却。通常,此类风扇和设备可能直接地向飞行员的头部吹气,并且通常以平缓角度进行,使得气流在一侧比在另一侧对飞行员的头部的冲击大。这种气流或风可能会干扰ANR性能并具体地讲是可能会干扰前馈降噪系统,该前馈降噪系统包括与耳机系统相关联的一个或多个外部麦克风。例如,到达外部前馈麦克风的风可能导致麦克风生成与在耳机系统外部的真实声学信号不关联的信号分量。此类信号分量与外部声学(噪声)信号无关,但是可能影响旨在补偿外部声学噪声的前馈补偿信号。因此,当前馈麦克风受气流或风的影响时,ANR系统的前馈部件可能会增加在耳机内部的噪声,而不是减少噪声。
根据某些方面,本文所描述的耳机系统的示例可以被设计为用于可能发生风或气流的其他环境。一个此类示例是用于体育赛事或其他户外环境。可以在可能发生强风的专业体育赛事的边线上使用示例性耳机系统。此类耳机系统的用户还可能非常活跃、快速地四处移动并左右旋转他们头部,使得气流或风可能偶发性地且不可预测地影响前馈ANR部件。作为另一个示例,许多用户戴着耳机进行跑步或慢跑,或戴着耳机乘骑机动设备,从而导致可能降低ANR性能的气流或风。
本文所描述的耳机系统和方法的方面和示例包括用于检测风的存在并因此调节ANR操作特性的部件。在一些示例中,可以调节前馈信号路径以改变其对降噪的影响的量,例如,以减少前馈信号中的基于风的信号分量的不利影响。在一些示例中,可以禁用ANR系统的前馈部分,例如,等效于将前馈信号响应减小到零。在一些示例中,当前馈部分被调节时,ANR系统的反馈部分也可以被调节。
因此,本文所讨论的各个方面和示例涉及一种耳机系统,该耳机系统包括用于检测风(或气流)的一个或多个部件。此类部件可以包括用于监视环境条件和/或飞机状态的传感器,并且可以包括有助于这种系统的其他部分的部件,诸如用于ANR系统的前馈麦克风,其还可以提供指示耳机系统的外部的信号并可以用于检测风。在其他示例中,可以使用不同的传感器来检测风。每个传感器可集成在系统的耳机结构内,或者可位于耳机结构的外部,并且可经由传感器接口与耳机系统的部件通信。例如,飞机系统可以提供输出以指示飞行员的风扇是否打开。
风检测部件用于确定耳机系统的ANR电路的适当设置。也就是说,耳机系统可以为ANR电路选择一个或多个设置以适应风可能对ANR性能的各种水平的影响。因此,对ANR电路的一个或多个调节可以适于防止ANR电路中的不稳定状况,并且/或者基本上掩盖残余噪声和/或外部噪声,这些残余噪声和/或外部噪声将使得耳机结构所传送的音频内容基本上不可听。因此,各个方面和示例提供了改善的噪声消除功能,此类改善的噪声消除功能当前在ANR耳机系统中不可用。
应当理解,本文所讨论的系统和方法的示例不限于应用到以下描述中提及的或附图中示出的构造细节和部件布置。这些方法和装置能够在其他示例中实施,并且能够以各种方式操作或执行。本文提供的具体实施的示例仅出于进行示意性的目的,并非旨在进行限制。此外,本文所用的措辞和术语是出于描述的目的,而不应被视为限制。本文使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型形式旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。对“或”的引用可以被理解为是包含性的,使得使用“或”描述的任何术语可以指示所述术语中的单个、多于一个和全部中的任何一种。对前和后、左和右、顶部和底部、上部和下部以及垂直和水平的任何引用是为了便于描述,而不是为了将本系统和方法或它们的部件限制成任何一个位置或空间取向。
尽管本文附图的若干个视图的元件可被示出和描述为框图中的离散元件并可被称为“电路”(“circuit”或“circuitry”),但除非另外指明,否则这些元件可被实现为模拟电路、数字电路或者一个或多个微处理器执行软件指令中的一者或它们的组合。例如,软件指令可包括由数字信号处理器执行的数字信号处理(DSP)指令。除非另外指明,否则信号线可被实现为离散模拟信号线或离散数字信号线、具有能够处理单独的音频信号流的适当信号处理的单个离散数字信号线或者无线通信系统的元件。
本文所讨论的一些处理操作可在生成、确定、调节、滤波、区分和/或控制等等方式来表达。确定、调节、滤波、比较、选择和/或控制的等同过程可以通过模拟或数字信号处理技术来执行,并且包括在本公开的范围内。除非另外指明,否则音频信号可以数字或模拟形式编码;常规数字-模拟转换器或模拟-数字转换器不一定在图中示出,但旨在包括在本公开的范围内。另外地,即使在附图中未示出放大级,向声换能器、驱动器、扬声器等传送音频信号也可以包括音频信号的放大或其他处理。因此,通常可以将附加的信号处理包括在本文所公开的任何系统和方法中,但是在附图或描述中可以省略这种附加的信号处理。
参见图1,其示出了根据本文所讨论的示例的耳机系统100的框图。如图所示,耳机系统100包括至少一个扬声器102、至少一个麦克风(诸如所示的反馈麦克风104和前馈麦克风112)、一个或多个耳垫114、听筒116和控制电路118。响应于从音频源106接收到输入音频信号108,耳机系统100被配置为生成驱动器信号128并将其提供给扬声器102。一旦在扬声器102处接收到,扬声器102就将驱动器信号转换为对应的声能,以将音频内容传送给定位于耳机系统100附近的收听者(例如,佩戴耳机系统100的用户)。在各种示例中,扬声器102将声能传送到由听筒116的内部体积120和收听者的耳部124内的体积122组成的声学体积。如图1所示,听筒116可以在耳垫114处与收听者的耳部124接触。然而,在其他示例中,耳垫114可以与收听者的头部接触或在收听者的耳部124的耳廓内。在耳机系统100使用入耳式听筒或耳塞的示例中可能是这种情况。
根据各种示例,耳机系统100的结构,包括耳垫114,通过将收听者(例如,收听者的耳部124)与耳机系统100的环境中的外界噪声机械隔离,可以提供某种程度的被动降噪(PNR)。如本文所讨论的,外部噪声可以包括对传送到收听者的声能具有破坏性干扰的任何不期望的声能。举几个例子,在飞机环境中,此类噪声可以包括机舱噪声、飞机噪声、风噪声和/或天气噪声和/或语音内容。
在一些示例中,耳机系统100可以包括入耳式耳机结构,其中耳垫114定位成在收听者的耳部124的内部产生密封,并且使耳部与外部噪声被动隔离。然而,在某些其他示例中,耳机系统100可包括包耳式或环耳式类型耳机结构,其中耳垫114定位于耳杯上,并且被配置为位于在耳部124的顶部或包围耳部,以使得耳部124与外部噪声隔离。虽然图1中示出为包括单个扬声器,但是在各个示例中,扬声器102可以包括一组扬声器(例如,扬声器阵列),并且麦克风104和112中的一者或两者可以包括一组麦克风(例如,麦克风阵列)。此外,在某些示例中,耳机系统100可包括一对扬声器102(或扬声器集)和耳垫114集;收听者的每只耳部一个。下文参考图4和图5讨论提供某种程度的PNR的耳机布置、组件和结构的各种其他示例。
除了PNR对外部噪声的影响之外,在各种示例中,耳机系统100可以使用反馈麦克风104和/或前馈麦克风112来生成经调节以补偿外部噪声和/或残余噪声的驱动器信号。虽然在图1中示出为既包括反馈麦克风104又包括前馈麦克风112,但是应当理解,在某些示例中,耳机系统100可以仅包括反馈麦克风104或仅包括前馈麦克风112。如图所示,反馈麦克风104可定位为靠近收听者的耳部124(例如,靠近耳道),并且可检测由扬声器102向声学体积传送的声能,以及声音体积内的残余外部噪声(例如,未被上述PNR消除或通过前馈ANR技术消除的噪声)。基于检测到的声能和残余噪声,反馈麦克风104生成反馈音频信号130,该反馈音频信号被传达到控制电路118。如本文进一步所讨论,反馈麦克风104可以用作与控制电路118的反馈回路,以基于检测到的声能和残余噪声来监视和调节驱动器信号128。具体地讲,控制电路118可以将反馈滤波器施加到反馈音频信号130以提供反馈补偿信号,该反馈补偿信号与输入音频信号108组合以提供补偿声学体积内的残余噪声的驱动器信号128。
在各种示例中,前馈麦克风112还改善耳机系统100的ANR性能。如所讨论的,前馈麦克风112可与反馈麦克风104结合使用,或者在其他示例中用作反馈麦克风104的另选形式。如图1所示,前馈麦克风112可被定位在耳机系统100内以检测来自耳机系统100的环境的外部噪声。例如,前馈麦克风112可定位在耳机系统100的外表面上或位于另一个暴露位置,前馈麦克风112可从该位置检测尚未到达收听者的耳部124的外部噪声。基于检测到的外部噪声,前馈麦克风112可以生成前馈音频信号132,该前馈音频信号被传达到控制电路118。虽然图1中示出为单个控制电路118,但在各种其他示例中,反馈麦克风104和前馈麦克风112中的每一者可具有专用控制电路118。每个专用控制电路可集成在对应的麦克风内,集成在听筒116内,或集成在控制电路118内。
如所讨论的,前馈麦克风112被定位成在收听者感知到噪声之前检测外部噪声。在各种示例中,前馈麦克风112可以用作与控制电路118的前馈回路,以基于检测到的外部噪声来监视和调节驱动器信号128。具体地讲,控制电路118可以将前馈滤波器施加到前馈音频信号132以提供前馈补偿信号,该前馈补偿信号与输入音频信号108组合以提供补偿外部噪声的驱动器信号128。
如所讨论的,在某些示例中,反馈麦克风104和前馈麦克风112中的每个可以与控制电路118组合使用以提供反馈补偿信号和前馈补偿信号,这些反馈补偿信号和前馈补偿信号在与输入音频信号108组合时生成驱动器信号128,该驱动器信号可以补偿外部噪声和/或残余噪声可能对传送给收听者的音频内容的清晰度产生的影响。在一个示例中,控制电路118包括一个或多个反馈滤波器以及一个或多个前馈滤波器。反馈滤波器和前馈滤波器可为植入耳机系统100的ANR电路内的模拟滤波器或数字滤波器。例如,反馈滤波器和/或前馈滤波器可包括线性和时不变滤波器。可以将每个滤波器施加于对应的反馈音频信号130或前馈音频信号132以提供补偿信号。例如,反馈滤波器可以由控制电路118(例如,控制电路118的ANR电路)施加到反馈音频信号130以提供反馈补偿信号,并且前馈滤波器可以由控制电路118(例如,控制电路118的ANR电路)施加到前馈音频信号132以提供前馈补偿信号。
为了生成被调节以补偿外部噪声和/或残余噪声的驱动器信号128,控制电路118可以将反馈补偿信号和/或前馈补偿信号与输入音频信号108组合。应当理解,反馈补偿信号和输入音频信号108的组合提供了被调节以补偿残余噪声的驱动器信号128,并且前馈补偿信号和输入音频信号108的组合提供了被调节以补偿至少外部噪声的驱动器信号128。因此,同时包括反馈麦克风104和前馈麦克风112的耳机系统100的示例提供了完整的ANR的益处。每个反馈滤波器和前馈滤波器可以由对应的传递函数和滤波器系数来描述,该传递函数和滤波器系数限定了反馈滤波器或前馈滤波器的增益、相位和频率响应。可以通过改变与该反馈滤波器或前馈滤波器相关联的传递函数和/或一个或多个滤波器系数来调节每个反馈滤波器或前馈滤波器的性能。
如上面所讨论,在一些情况下,有风环境条件或在耳机系统100附近的其他气流(诸如对着飞行员的头部的冷却风扇或鼓风机)可能对主动降噪的性能并具体地讲是对可能因气流而生成非声学前馈信号分量的前馈部件造成影响。例如,在前馈麦克风112附近的气流可能导致与外部声学噪声无关的压力变化,并且这些压力变化可以被馈送到另外的ANR部件中,这可能引起ANR功能性的非所需的操作或不稳定性。
为了适应有风条件,耳机系统100可以使用风检测器126来检测和/或量化风的存在。风检测器126可以具有输入以接收风信号110,风检测器126可以依据该风信号来确定环境中的风或其他气流的存在和/或强度。在一些示例中,风信号110可以由前馈麦克风112提供,并且可以是前馈音频信号132,或者可以是从前馈音频信号132导出的信号。在一些示例中,风信号110可以来自另一个源或传感器,诸如可以被优化以检测与风相关联的频率或压力分量的附加的麦克风或压力换能器。在一些示例中,风信号110可以是通过用户界面进行的用户输入。耳机系统100的其他示例还可以包括其他类型的环境传感器,控制电路118可以通过这些环境传感器调节ANR部件的操作。
基于风检测器126的风检测,控制电路118可以对ANR电路(例如,一个或多个反馈滤波器和/或前馈滤波器)进行一次或多次调节,以实现传送给收听者的声能的变化。特别地,控制电路118可以调节一个或多个前馈滤波器和/或反馈滤波器的滤波器系数,以补偿或减轻风对ANR操作的前馈和/或反馈部件的任何有害影响。参考图2,其示出了根据各种示例的示出基于由风检测器126进行的风检测对前馈滤波器202(“KFF”)和反馈滤波器204(“KFB”)的调节的框图。
如图2所示,示例性耳机系统200可以基于风检测器126对风的检测来调节前馈和/或反馈降噪信号路径。例如,控制电路118可以调节前馈滤波器202的传递函数和/或滤波器系数和/或反馈滤波器204的传递函数和/或滤波器系数,以补偿检测到的风对ANR操作的一个或多个影响。前馈滤波器202提供前馈补偿信号,并且反馈滤波器204提供反馈补偿信号,这两个信号中的每个可以从输入音频信号108(来自音频信号源106)减去以向扬声器102提供驱动器信号。
例如,风检测器126可以检测到风,并且作为响应,控制电路118可以例如通过将前馈滤波器202的传递函数(KFF)归零(例如,提供具有零增益的滤波器)、或通过将前馈麦克风112与前馈滤波器202断开连接、或通过将前馈补偿信号从在音频源106与扬声器102之间的音频路径断开连接来禁用ANR的前馈部分。控制电路118可以通过从前馈麦克风112去除麦克风偏置信号来将前馈麦克风112断开连接。这可以通过施加一个信号来完成,该信号在一段时间内而不是瞬时地逐渐地消除麦克风偏置,以避免生成与该变化相关联的任何可听伪像。当ANR的前馈部分被禁用时,可能必需调节反馈信号路径以至少部分地补偿该变化。控制电路118可以将新的滤波器系数或另选的传递函数信息从存储这样的滤波器系数或信息的存储器206加载到反馈滤波器204中。在一些示例中,当ANR的前馈部分被禁用时,可能根本不必调节反馈信号路径。
在一些示例中,风检测器126可以通过例如将新的滤波器系数或新的传递函数加载到前馈滤波器202中来调节前馈操作,而不是禁用ANR的前馈部分。前馈操作的这种改变可以使得还改变ANR的反馈部分的操作也是有益的,并且控制电路118可以调节或更改反馈滤波器204的滤波器系数和/或传递函数,但是在一些示例中,反馈信号路径可以保持不变。在一些示例中,前馈滤波器和/或反馈滤波器调节可以根据检测到的风级来进行。例如,在风检测器126检测到对ANR部件造成较小影响的较轻风或气流的情况下,与在风检测器126检测到对ANR部件造成更大影响的较强风或气流的情况下相比,控制电路118可以以不太激进的方式调节前馈滤波器和/或反馈滤波器。
尽管图2中示出了存储器206以用于存储滤波器系数和/或传递函数信息,但是在一些示例中,控制电路118可以通过其他手段(诸如通过计算新的滤波器系数和/或传递函数,或者通过将命令发送到滤波器202、204中的任一个来以特定方式进行调节,诸如通过以某些方式来更改响应,所述某些方式诸如以某些频率或频带或以某些相位响应等)来调节任一个滤波器202、204的传递函数。
在一些示例中,控制电路118可以基于对风存在、特性或强度的检测,以其他方式调节前馈或反馈操作。例如,代替调节传递函数和/或滤波器系数,控制电路118可以例如直接地对前馈音频信号和/或前馈补偿信号和/或直接地对反馈音频信号和/或反馈补偿信号进行调节,诸如通过频带限制、衰减、相位调节或去除此类信号,或者通过将在各个部件之间的信号路径断开连接或重新路由等。另外地,在一些示例中,控制电路118可以改变其他滤波器特性和/或滤波器类型。在一些示例中,控制电路118可以更改在左信号电平与右信号电平之间的平衡。在某些示例中,控制电路118可以更改前馈ANR部件和反馈ANR部件的共混或相对影响。
在一些示例中,控制电路118可以在两个级别之间调节前馈和/或反馈操作,例如,是否存在或不存在由风检测器126检测到的风。在一些示例中,控制电路118可以跨多个级别来调节前馈和/或反馈操作,例如,当没有检测到风时的第一选定操作模式、当检测到微风时的第二选定操作模式,以及当检测到大风时的第三选定操作模式。每种操作模式可以由前馈和/或反馈信号路径响应(例如,前馈滤波器202和反馈滤波器204的滤波器系数或传递函数)的组合来限定。可以针对在环境中检测到的风或气流的附加水平或其他特性限定其他操作模式。
与本文所公开的耳机系统一致的耳机系统的一些示例可以包括左扬声器和右扬声器102,并且因此可以在每一侧上包括前馈ANR部件并且还可以在每一侧上包括反馈ANR部件。在一些示例中,一个或多个风检测器126可以彼此独立地检测在左侧或右侧的风。另选地,一个或多个风检测器126可以与处理来自右侧的风信号110并行地处理来自左侧的风信号110,并且可以比较在左侧与右侧之间的相对信号能量以确定或检测风的存在。例如,背景噪声可以在耳机系统的右侧和左侧具有可比较的水平,但是风对一侧的影响可能大于另一侧。因此,从一侧到另一侧的信号能量的足够的差异可以指示在耳机系统的“更响”侧上存在风,并且在一些示例中,风检测器126可以测量在信号能量之间的这种差异以检测在一侧或另一侧的风。
在一些示例中,当检测到的风级超过一个或多个阈值时,控制电路118进行一次或多次前馈和/或反馈信号路径调节。在某些示例中,风检测器126可以延迟指示风,或者控制电路118可以延迟调节,直到存在一致风检测条件为止。
在各种示例中,控制电路118可以在例如系统100、200的听筒116外部或可以集成在该听筒内。例如,控制电路118可以集成在耳机系统的头带或听筒内。在某些其他示例中,控制电路118或其部分可以在与耳机系统通信的音频信号源(例如,移动设备)内实现。
图3A至图3E示出了根据本文所公开的方面和示例的可适合于耳机系统的风检测器126的各种示例。
参考图3A,示出了示例性风检测器126a,其检测风信号110中的低频分量以检测风的存在。诸如风的气流趋于产生朝向诸如低于30Hz的较低频分量重加权的信号。因此,检测到低于例如30Hz或更低的显著信号能量可以指示风的存在。风信号110可以由前馈麦克风112a提供,如图所示,或者可以由不同的麦克风或传感器提供,并且可以由传感器或麦克风提供,该传感器或麦克风提供了某种优化以用于拾取此类低频分量。风检测器126a可以通过分析风信号110中可能由风导致的频谱含量(诸如具有低于30Hz或更小的显著信号能量)来分析或检测风的存在。风检测器126a可以包括低通滤波器302,以滤波出高于30Hz的高频分量。在一些示例中,低通滤波器302可以滤波出高于约25Hz或高于约20Hz的分量。风检测器126a可以包括包络检测器304,该包络检测器诸如通过对滤波后的风信号的振幅进行平滑或时间平均、或以其他方式检测振幅或信号强度来检测信号包络。鉴别器306将来自包络检测器304的一个或多个值与一个或多个阈值进行比较以检测风和/或在各种级别的风中进行检测。例如,来自包络检测器304的较高输出指示在较低频率下的较高信号能量,这继而又可以指示较高风条件。
在一些示例中,风检测器126a可以不包括低通滤波器302,诸如在风信号110由在风信号110被提供给风检测器126a之前限制或减少较高频分量的传感器提供的情况下就会如此。另外地,在一些示例中,风检测器126a可以不包括包络检测器304,诸如在风信号110由无需包络检测器304就能指示较低频率含量的量度的合适的传感器提供的情况下就会如此。另选地,鉴别器306可以结合无需包络检测器304就能将信号振幅或信号能量与阈值进行比较的功能性。
图3B示出了示例性风检测器126b,其分析了来自各种示例性耳机系统的左侧和右侧的风信号110。就像风检测器126a一样,左风信号110L和右风信号110R可以被相应低通滤波器308L、308R滤波以去除较高频分量。当如图所示风信号110被接收为由前馈麦克风112提供的前馈音频信号时就会如此,其频谱含量超过感兴趣的较低频率。相应信号能量测量块310L、310R测量左信号含量和右信号含量并提供在感兴趣的较低频率中的信号电平的指示。信号能量测量块310可以包括指示信号电平的各种部件或方法中的任一种,其可以包括平滑、平均、振幅或功率测量和/或包络检测。比较器或鉴别器312测量或检测在左侧与右侧之间的信号电平的差异,并且可以将每个信号电平与一个或多个阈值进行比较,和/或可以将信号电平的差异与一个或多个阈值进行比较,以检测风和/或在各种级别的风中检测,如上面所讨论。风检测器126b还可以指示左侧或右侧中的哪一者或两者处于有风状态。在一些示例中,当仅在一侧检测到风时,控制电路118可以仅在一侧调节ANR操作(如上所讨论),或者控制电路118可以以不同于控制电路118调节另一侧的方式调节有风侧。
图3C示出了示例性风检测器126c,其分析风信号110中的直流(DC)分量。例如,各种麦克风或其他传感器上的气流或风可能导致其输出信号中存在DC偏置。如果提供这种信号作为风信号110,则DC鉴别器314可以检测DC分量和/或将DC分量与一个或多个阈值进行比较以检测风。
图3D示出了示例性风检测器126d,其包括频谱分析器316以用于以各种方式分析风信号110来确定风的存在。如上面所讨论,来自前馈麦克风112d的信号(如图所示)可以在低于30Hz、25Hz、20Hz或更低的频率下提供具有显著信号含量的信号,并且可以使用频谱分析器寻找更具体的频谱含量来指示风。另外,可以针对各种预期环境条件设计各种示例,这些环境条件对于可预期的风的类型具有或多或少的可预测的频谱特征。例如,驾驶舱鼓风机可以生成例如在体育赛场上可识别和/或可与风区分的频谱特征,并且在一些示例中,控制电路可以基于检测到的风的特性对ANR分量进行不同调节。另外地,在一些示例中,并且如上面所讨论,风信号110可以由其他类型的传感器或麦克风(而不是如图所示的前馈麦克风112d)提供,并且可以适于由频谱分析器316进行的某些频谱分析。
图3E示出了示例性风检测器126e,其提供了用户界面以允许用户选择风条件和/或ANR部件的配置以考虑到风影响。例如,用户界面318可以是与耳机系统相关联的图形用户界面和/或可以与移动电话应用程序或在耳机系统外部但与之通信的其他控制界面相关联。在一些示例中,可以向用户呈现用于在各种风条件中进行选择的选项,诸如“有风”或“无风”,并且在一些示例中,选项可以包括“微风”或“强风”等,并且另外在一些示例中,选项可以包括将由用户选择的单独“左”和“右”风指示等。在一些示例中,用户界面318可以包括一个或多个物理开关以指示在一个或多个位置(例如,左、右)处的风的存在或级别。在一些示例中,用户界面318可以允许语音命令(该语音命令可以包括或可以不包括唤醒命令)以指示风的特性。在一些示例中,用户界面318可以包括触摸传感器。其他示例可以包括不同形式的用户界面方案。
尽管图3A至图3E中示出了风检测器126的许多示例,但是存在所示的那些的许多变型,并且可以设想各种另选的风检测器126。在本文所述的耳机系统的各种示例中,任何合适的方法或布置可以用于测量、指示或检测风和/或风条件。例如,示例性耳机系统可以包括谐振腔,诸如亥姆霍兹谐振器,以产生可通过合适的信号分析和/或处理检测到的轻微“啸叫”。在一些示例中,麦克风或其他传感器可能在存在风的情况下表现出非线性特性(例如,由于隔膜变平或由于达到物理摆幅极限而导致的信号削波),并且此类信号特性(当提供作为风信号110时)可以通过合适的信号分析和/或处理来检测。在风检测器126的又其他示例中,可以分析ANR系统的各个部件的功耗以获得风的指示。例如,有风环境可能增加ANR系统的总体功耗,诸如因在不太有风的环境中可能不存在的大信号振幅而增加。提供给ANR系统的电流或更一般地提供给ANR系统的功率的量度可以指示风的存在。另外地,在具有ANR的耳机系统的一侧(例如,左侧或右侧)的较高功耗可以指示在相应侧的风,并且功耗差异的检测可以用作风检测器126。
根据各种示例,图1的耳机系统100和图2的耳机系统200中的每个具有多种可能具体实施。一个示例具体实施可包括入耳式耳机结构,诸如图4所示的入耳式结构。具体地讲,图4示出了入耳式耳机系统400的外部视图。在图4中,耳机系统400包括通过头带404连接的听筒402。每个听筒402包括耳垫406和扬声器。每个耳垫406限定相应听筒402的内部体积。在各种示例中,每个耳垫406基本上密封收听者的耳道免受外部噪声的影响,以向收听者提供被动降噪(PNR)。耳垫406可包括适形的截头圆锥形结构,当听筒402被推进到收听者的耳道中时,该结构向内偏转。截头圆锥形结构适形于外耳碗与耳道之间的过渡区域处的外耳的特征。
应当理解,耳机系统400还可包括控制电路408、一个或多个反馈麦克风或前馈麦克风(未示出)以及悬臂式麦克风410。前馈麦克风可设置在听筒402的外部部分上以检测外部噪声,并且反馈麦克风可设置在听筒402的邻近扬声器的内部体积中。应当理解,可基于特定应用来采用前馈麦克风、反馈麦克风和扬声器的其他布置方式。此外,可基于所需的设计来改变听筒402的形状和尺寸。
可基于特定具体实施来改变耳机系统400的构造。例如,耳机系统400可被构造为单头戴式耳机并且仅采用一个听筒402。另外,耳机系统400可包括附接到佩戴者头部后面的头带,或可完全省略头带404。因此,耳机系统400不限于任何特定的具体实施。
在某些其他示例中,耳机系统100或耳机系统200可以被构造成包括包耳式或环耳式耳机结构。图5示出了环耳式耳机系统500的一个示例。在图5中,耳机系统500包括通过头带504连接的听筒502。每个听筒502包括耳垫506和扬声器。每个耳垫506限定相应听筒502的内部体积508。应当理解,耳机系统500还可以包括控制电路510、一个或多个反馈麦克风或前馈麦克风(未示出)以及悬臂式麦克风512。前馈麦克风可设置在听筒502的外部部分上以检测外部噪声,并且反馈麦克风可设置在听筒502的邻近扬声器的内部体积508中。应当理解,可基于特定应用来采用前馈麦克风、反馈麦克风和扬声器的其他布置方式。此外,可以基于所需的设计来改变听筒502的形状和尺寸。例如,较小的听筒502可用于贴耳式头戴式耳机具体实施,而不是环耳式头戴式耳机具体实施。
可以基于特定具体实施来改变耳机系统500的构造。例如,耳机系统500可被构造成单头戴式耳机并且仅采用附接到头带504的一个听筒502。控制电路510被示出为包括允许控制电路510与外部实体诸如用户进行通信的用户界面。举几个例子,可在用户界面内采用的部件的示例包括按钮、开关、发光二极管、触摸屏和显示器。因此,耳机系统500不限于任何特定具体实施。
如上参考图1和图2所讨论,在各种示例中,耳机系统100和耳机系统200各自包括与至少一个扬声器102通信的控制电路118。图6示出了可以包括在图1的耳机系统100和/或图2的耳机系统200内的控制电路600的示例。控制电路600可包括处理器602、数据存储库604(包括滤波器设置606和/或传递函数等信息)、降噪电路608(本文中也称为“ANR电路”)、音频接口610、通信接口612、传感器接口614和用户界面616。虽然在图6中未明确示出,但是在某些示例中,控制电路600可联接到电源,诸如可再充电电池,和/或被配置为接收一个或多个可替换电源(例如,一次性电池)的插座。电源向控制电路600的一个或多个部件以及对应耳机系统的其他部件传送电力。
在图6中,处理器602联接到数据存储库604、降噪电路608和各种接口。处理器602执行从数据存储装置604处检索数据(例如,滤波器设置606)的一系列指令。数据存储装置604可包括被配置为存储非暂态指令和数据的计算机可读和可写非易失性数据存储介质。介质可以例如为光盘、磁盘或闪存等,并且可以永久性地附连到图1和图2中所示的耳机结构或可从其移除。
根据某些示例,降噪电路608被配置为执行本文所讨论的各种动作和过程以主动地取消外部噪声和/或残余噪声。具体地讲,降噪电路608可施加反馈滤波器以提供反馈补偿信号,并且施加前馈滤波器以提供前馈补偿信号。反馈补偿信号和前馈补偿信号可与输入音频信号组合以生成噪声校正驱动器信号,该噪声校正驱动器信号被传送至扬声器618以向收听者提供声能。降噪电路608可使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。例如,在一种情况下,降噪电路608被实现为存储在数据存储库中并且由处理器602执行的软件部件。然而,在其他示例中,降噪电路608可为联接到处理器602的专用集成电路(ASIC)。因此,降噪电路608不限于一个特定硬件和/或软件实现。
如参考至少图2所讨论的,在各种示例中,滤波器设置606包括用于降噪电路608并具体地讲是反馈滤波器和/或前馈滤波器的一个或多个设置集。滤波器设置606的每个集包括用于控制电路600的指令,以针对给定风条件来优化ANR性能。滤波器设置606的每个集可包括标识符,控制电路600可参考该标识符来选择滤波器设置606的特定集。另外地,滤波器设置606可以由查找表或其他合适的索引结构中的标识符来索引。
在各种示例中,控制电路600包括若干接口部件,诸如图6所示的音频接口610、通信接口612、传感器接口614和用户界面616。接口部件中的每一个被配置为与耳机系统的其他部件或与耳机系统进行通信的其他设备交换数据,例如发送或接收数据。在某些示例中,这些部件可包括按钮、开关、LED、麦克风、扬声器和/或天线等等。根据各种示例,接口部件可包括硬件部件、软件组件或硬件和软件组件的组合。
在某些示例中,音频接口610联接到一个或多个声换能器,诸如例示的扬声器618。控制电路600(例如,降噪电路608)基于所接收的输入音频信号和反馈补偿信号和/或前馈补偿信号来生成驱动器信号。驱动器信号经由音频接口610提供给扬声器618。虽然在图6中未示出,但是控制电路600还可包括音频信号处理电路,诸如音量控制电路、动态均衡电路或其他音频电路。此类电路可先接收和处理输入音频信号,然后通过音频接口610向扬声器618提供驱动器信号。在一些情况下,音频信号处理电路的功能可并入音频接口610内。
在各种示例中,通信接口612的部件将处理器602联接到其他设备,诸如音频信号源或机载飞机系统。在某些情况下,通信接口612允许处理器602从音频信号源接收音频信号,该音频信号源可以包括例如蜂窝电话、便携式媒体播放器、支持计算机的手表、个人计算机和/或机载飞机系统的一个或多个部件,诸如飞行员的无线电和/或导航系统。通信接口612可以支持多种标准和协议中的任一种,包括例如和/或IEEE802.11。处理器602还可以执行一个或多个配对过程以例如初始地在通信接口612与其他设备之间建立通信链路。
图6中所示的用户界面616可包括硬件和/或软件部件的组合,该组合允许控制电路600被并入的对应的耳机系统与外部实体诸如用户进行通信。这些部件可被配置为接收来自动作诸如物理运动和/或言语声调的信息。可用于用户界面616内的部件的示例包括按钮、开关、发光二极管、触摸屏、显示器、存储的音频信号、语音识别或与控制电路600通信的支持计算机的设备上的应用。
因此,各种系统接口允许控制电路600在各种环境中与多种设备进行互操作。应当理解,可基于耳机系统的特定构造和特征从控制电路600移除各种接口。此外,可调节或添加特定部件以适应耳机系统的具体构造。
因此,本文所讨论的各个方面和示例涉及一种耳机系统,该耳机系统包括一个或多个传感器以监视风条件。使用接收到的信号确定风是否会干扰主动降噪部件的操作,并且可以调节耳机系统的主动降噪电路的适当设置。例如,耳机系统可以为耳机系统选择一个或多个ANR滤波器设置以适应耳机系统在其中操作的风条件的一个或多个影响。各个方面和示例提供了改善的噪声消除功能,此类改善的噪声消除功能的方式当前在ANR耳机系统中不可用。虽然本文中主要在耳机系统的上下文中进行了描述,但是本文中所描述的方面和特征可以并入其他音频系统中。
已经在上文描述了至少一个实施方式的若干方面,应当理解,本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。此类改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分,并且旨在落入本说明书的范围内。因此,前面的描述和附图仅是示例性的,并且本公开的范围应由所附权利要求书的适当构造及其等同内容来确定。
Claims (28)
1.一种耳机系统,所述耳机系统包括:
听筒,所述听筒被配置为限定声学体积;
扬声器,所述扬声器用于基于接收到的驱动器信号来向所述声学体积提供声能;
前馈麦克风,所述前馈麦克风声学地联接到外部环境以至少检测外部噪声并生成前馈音频信号;以及
控制电路,所述控制电路包括接口,所述接口用于接收风信号并被配置为至少部分地基于所述风信号来检测风,所述控制电路还被配置为基于所述风检测来调节所述前馈音频信号。
2.根据权利要求1所述的耳机系统,还包括反馈麦克风,所述反馈麦克风至少检测所述声学体积内的残余噪声,并且生成反馈音频信号,并且其中所述控制电路还被配置为基于所述风检测来调节所述反馈音频信号。
3.根据权利要求1所述的耳机系统,其中所述控制电路被配置为通过基于所述风检测来调节应用于所述前馈音频信号的一个或多个前馈滤波器系数,以调节所述前馈音频信号。
4.根据权利要求3所述的耳机系统,还包括数据存储库,所述数据存储库包括多个前馈滤波器系数集,所述控制电路被配置为基于所述风检测来从所述多个前馈滤波器系数集中选择第一前馈滤波器系数集。
5.根据权利要求1所述的耳机系统,其中所述接口被配置为接收所述前馈音频信号作为所述风信号,并且所述控制电路被配置为至少部分地基于所述前馈音频信号来检测风。
6.根据权利要求5所述的耳机系统,其中所述控制电路还被配置为分析所述前馈音频信号的频谱含量并至少部分地基于所述频谱含量来检测风。
7.根据权利要求5所述的耳机系统,其中所述前馈麦克风是用于生成第一前馈音频信号的第一前馈麦克风,并且所述耳机系统还包括用于生成第二前馈音频信号的第二前馈麦克风,并且所述控制电路被配置为至少部分地基于所述第一前馈音频信号和所述第二前馈音频信号的比较来检测风。
8.根据权利要求2所述的耳机系统,其中所述控制电路被配置为通过基于所述风检测来调节应用于所述反馈音频信号的一个或多个反馈滤波器系数,以调节所述反馈音频信号。
9.根据权利要求8所述的耳机系统,还包括数据存储库,所述数据存储库包括多个反馈滤波器系数集,所述控制电路被配置为基于所述风检测来从所述多个反馈滤波器系数集中选择第一反馈滤波器系数集。
10.根据权利要求1所述的耳机系统,其中所述控制电路还被配置为至少基于所述风信号来检测多个风级,并至少部分地基于所检测到的风级来调节所述前馈音频信号。
11.根据权利要求1所述的耳机系统,其中所述控制电路被配置为通过禁用所述前馈音频信号来调节所述前馈音频信号。
12.根据权利要求11所述的耳机系统,其中所述控制电路被配置为通过从所述前馈麦克风去除麦克风偏置信号来禁用所述前馈音频信号。
13.根据权利要求11所述的耳机系统,其中所述控制电路被配置为通过将零增益的滤波器应用于所述前馈音频信号来禁用所述前馈音频信号。
14.一种耳机系统,所述耳机系统包括:
听筒,所述听筒被配置为限定声学体积;
扬声器,所述扬声器用于基于接收到的驱动器信号来向所述声学体积提供声能;
反馈麦克风,所述反馈麦克风用于至少检测所述声学体积内的残余噪声并生成反馈音频信号;
前馈麦克风,所述前馈麦克风用于至少检测外部噪声并生成前馈音频信号;以及
控制电路,所述控制电路包括接口,所述接口用于接收所述前馈音频信号并被配置为至少部分地基于所述前馈音频信号来检测风,所述控制电路还被配置为基于所述风检测来调节所述前馈音频信号。
15.根据权利要求14所述的耳机系统,其中所述控制电路被配置为基于所述风检测来调节前馈滤波器的被应用于所述前馈音频信号的传递函数。
16.根据权利要求15所述的耳机系统,还包括数据存储库,所述数据存储库包括多个前馈滤波器系数集,所述控制电路被配置为基于所述风检测来从所述多个前馈滤波器系数集中选择第一前馈滤波器系数集。
17.根据权利要求14所述的耳机系统,其中所述控制电路还被配置为基于所述风检测来调节反馈滤波器的被应用于所述反馈音频信号的传递函数。
18.根据权利要求17所述的耳机系统,还包括数据存储库,所述数据存储库包括多个反馈滤波器系数集,所述控制电路被配置为基于所述风检测来从所述多个反馈滤波器系数集中选择第一反馈滤波器系数集。
19.根据权利要求14所述的耳机系统,其中所述前馈麦克风是用于生成第一前馈音频信号的第一前馈麦克风,并且所述耳机系统还包括用于生成第二前馈音频信号的第二前馈麦克风,并且所述控制电路被配置为至少部分地基于所述第一前馈音频信号和所述第二前馈音频信号的比较来检测风。
20.一种用于操作耳机系统的方法,所述方法包括:
基于在扬声器处接收的驱动器信号,将来自耳机系统的所述扬声器的声能提供至声学体积;
使用前馈麦克风检测在所述声学体积外部的噪声;
通过分析在所述声学体积外部的所述噪声来检测风;
生成至少部分地指示所述噪声的前馈音频信号;以及
至少部分地基于所述风检测来调节所述前馈音频信号。
21.根据权利要求20所述的方法,还包括:
检测所述声学体积内的残余噪声;
生成至少部分地指示所述残余噪声的反馈音频信号;以及
至少部分地基于所述风检测来调节所述反馈音频信号。
22.根据权利要求21所述的方法,还包括基于所述风检测来调节反馈滤波器的被应用于所述反馈音频信号的传递函数。
23.根据权利要求22所述的方法,其中调节所述反馈滤波器的所述传递函数包括:基于所述风检测来从多个滤波器系数集中选择滤波器系数集;以及将所选择的滤波器系数集应用于所述反馈滤波器。
24.根据权利要求20所述的方法,还包括基于所述风检测来调节前馈滤波器的被应用于所述前馈音频信号的传递函数。
25.根据权利要求24所述的方法,其中调节所述前馈滤波器的所述传递函数包括:基于所述风检测来从多个滤波器系数集中选择滤波器系数集;以及将所选择的滤波器系数集应用于所述前馈滤波器。
26.根据权利要求20所述的方法,其中调节所述前馈音频信号包括禁用所述前馈音频信号。
27.根据权利要求26所述的耳机系统,其中禁用所述前馈音频信号包括从所述前馈麦克风去除麦克风偏置信号。
28.根据权利要求26所述的耳机系统,其中禁用所述前馈音频信号包括将零增益的滤波器应用于所述前馈音频信号。
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