CN111134956B - 一种降噪耳塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降噪耳塞，包括硅胶耳套、滤网一、耳塞前盖、麦克风二、反相器二、扬声器、反相器一、麦克风一、耳塞后盖、滤网二、耳塞线、滤腔盖；其中滤腔盖与耳塞后盖构成物理结构滤波腔体，滤除环境高频噪声，中低频环境噪音由反相器一和反相器二构成管道式滤波，滤除残余高频及大部分中频噪声，低频噪声完成180度反相；由麦克风一拾取的中低频环境噪音信号经由第一电路放大反相，推动扬声器发出与外界噪声反相的信号降低消除中低频噪声，同时麦克风二拾取叠加降噪后的声音信号经过B电路放大并与麦克风一信号比较采样后去控制A电路反相噪声放大器的相位，使得送入扬声器发声的中低频噪声信号与环境中低频环境噪音180度反相抑制消除。

Description

一种降噪耳塞

技术领域

本发明涉及通话辅助设备领域，具体涉及一种主动环境降噪通话耳塞。

背景技术

耳塞降噪技术通常是指运用耳塞内部的麦克风拾取外部环境噪音送入电路放大反相后经由耳塞扬声器发声，抵消进入耳塞的外部噪声。

通常情况下，耳塞外界噪音通过耳塞本体传导进入，耳塞内部的麦克风拾取噪音送入电路放大并相位反转后经扬声器发声与外界噪声相位抵消。低频噪音(500HZ内)由于共振严重且扬声器转换效率低下，常规耳塞降噪为了提升低频降噪效果，加大电路低频增益，使得中高频(500～2000Hz)相移增大，减弱了中高频的降噪效果。同时常规耳塞结构腔体为两腔体，对于外界噪音被动降噪效果不大。因此常规降噪耳塞不能够彻底消除环境噪音，仅仅能够满足日常普通生活的降噪要求，而在航空地勤、压铸冲压等噪音强烈的场合无法完成保护听力、抑制噪声的作用，对于复杂的噪声场合也是无能为力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降噪耳塞，以解决复杂环境场所宽频带降噪问题，提升降噪效果，保护使用者的听力。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种降噪耳塞，其特征在于：包括耳塞前盖和耳塞后盖，以及设于所述耳塞前盖和耳塞后盖之间的扬声器、麦克风一、反相器一、麦克风二和反相器二，所述扬声器和反相器二将耳塞前盖与耳塞后盖围成的腔体分为靠近耳塞前盖的采样腔和靠近耳塞后盖的反向腔，所述耳塞前盖的前部设有用于套设硅胶耳套的突出部，所述突出部内设有滤网一，所述反相器一与反相器二构成S形低频管道式物理结构滤波反相器；还包括设于耳塞后盖背部的滤腔盖，所述滤腔盖与耳塞后盖背部的腔体围成高频噪声滤波腔；所述耳塞后盖上设有联通滤波腔和反向腔的通孔一，所述通孔一处设有滤网二，所述麦克风一固定于耳塞后盖上，且拾音孔经通孔二朝向滤波盖，所述麦克风二固定于耳塞前盖上，且拾音孔朝向扬声器，所述麦克风一用于采集反向腔内经滤波腔滤除高频噪音后的低频噪音信号，经第一电路放大反向处理后推动扬声器发声并叠加反相器一和反相器二释放的同相位低频噪声，所述麦克风二用于拾取采样腔内的经抑制降噪后的噪声信号，经第二电路处理后输出电压信号作为所述第一电路的控制信号。

进一步的，所述滤腔盖和高频噪声滤波腔共同作用衰减滤除大于6000HZ的环境噪音。

进一步的，所述滤网二为特定密度的吸音棉，用于滤除滤波腔中的中频噪音。

进一步的，由反相器一和反相器二构成的S形低频管道式物理结构滤波反相器的导管孔径为A＝TTr²，长度为L＝L^S+117r，谐振频率为

其中

进一步的，所述第一电路为带环路滤波的相位可控、增益可控的窄带线性放大器，其相位和增益受控于第二电路的电压控制信号。

进一步的，所述麦克风二拾取采样腔内的经抑制降噪后的噪声信号后，经第二电路放大并与与麦克风一采集的信号比较采样后控制第一电路中放大器的相位，使送入扬声器发声的中低频噪音信号与环境中低频环境噪音180度反相。

进一步的，本发明的耳塞还包括耳塞线，所述耳塞线的一端经由滤腔盖与耳塞后盖的下部围成的通道延申至耳塞内部，并与所述扬声器、麦克风一和麦克风二连接，另一端连接设有所述第一电路和第二电路的控制模块。

本发明的有益效果如下：

本发明的降噪耳塞，其本体结构按照功能腔体顺序分别设计为高频滤波腔、反相腔和采样腔，三个独立腔体通过反相器一和反相器二构成的S形低频管道式物理结构滤波反相器联为一体。其中，高频滤波腔能够滤除环境高频噪声，中低频环境噪声在腔体内经由滤网二进入反相器一和反相器二构成的S形低频管道式物理结构滤波反相器，残余高频和大部分中频噪音被衰减滤除，且低频噪声在S形管道内传输完成约180度反相。同事，装置于耳塞后盖的朝向滤腔盖的麦克风一拾取滤波腔内中低频环境噪声信号，由第一电路放大并180反相，推动耳塞扬声器发声并叠加反相器一、二释放的同相位低频噪声，与直接进入耳塞采样腔内的外界噪声信号叠加，两者相位相差180度，幅度大小相等，从而互相抵消达到降噪效果。采用上述方案，提高了耳塞在强烈复杂噪声环境下的降噪效果，使使用者的听力得到有效保护。

附图说明

图1为本发明的降噪耳塞实施例的外部结构示意图。

图2为图1中实施例的结构爆炸图。

图3为图1中实施例的剖面图。

图4为图1中实施例去除滤腔盖后的结构示意图。

图5为图4中实施例进一步去除耳塞后盖和耳塞线后的结构示意图。

图6为图1实施例中滤网一、麦克风一、反相器一、扬声器、麦克风二、反相器二和滤网二的相对位置关系示意图。

图7为图6中元件另一角度的相对位置关系示意图。

图8为本发明的降噪耳塞实施例中第一电路和第二电路的控制关系示意图。

图9为本发明的降噪耳塞实施例的耳塞本体被动降噪性能仿真结果图。

图10为本发明的降噪耳塞实施例的耳塞整体降噪性能仿真结果图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

如图1所示为本发明实施例的降噪耳塞的外形结构图，其包括耳塞主体和套设于耳塞主体上的硅胶耳套4。

具体的，如图2-5所示，耳塞主体包括耳塞前盖1和耳塞后盖2，以及设于耳塞前盖1和耳塞后盖2之间的扬声器3、麦克风一8、反相器一9、麦克风二10和反相器二11。其中，扬声器3和反相器二11将耳塞前盖1与耳塞后盖2围成的腔体分为靠近耳塞前盖1的采样腔100和靠近耳塞后盖2的反向腔101，耳塞前盖1的前部设有用于套设硅胶耳套4的突出部，突出部内设有滤网一5。

还包括设于耳塞后盖2背部的滤腔盖6，滤腔盖6与耳塞后盖2背部的腔体围成高频噪声滤波腔102；耳塞后盖2上设有联通滤波腔102和反向腔101的通孔一，通孔一处设有滤网二7，麦克风一8固定于耳塞后盖2上，且拾音孔经通孔二201朝向滤波盖6，麦克风二10固定于耳塞前盖1上，且拾音孔朝向扬声器3。

如图6和图7所示，反相器一9与反相器二11构成S形低频管道式物理结构滤波反相器。

参考图8，麦克风一8用于采集反向腔101内经滤波腔102滤除高频噪音后的低频噪音信号，经第一电路放大反向处理后推动扬声器3发声并叠加反相器一9和反相器二11释放的同相位低频噪声。麦克风二10用于拾取采样腔100内的经抑制降噪后的噪声信号，经第二电路处理后输出电压信号作为第一电路的控制信号

本实施例中，高频噪声滤波腔、反相腔和采样腔三个独立功能结构腔体构成高频噪声衰减、管道式低频反相增强、噪声抑制采样功能关联结构，耳塞整体前中后层次分明，具备良好物理被动降噪性能。

外部环境噪音通过高频噪声衰减滤波腔后，对于语音通话影响很小但是会带来辅助电路相位噪声的6000HZ以上高频噪音有效衰减，同时滤波腔还作为增强耳塞本体被动降噪效果的第一空气阻尼腔。

麦克风一拾取腔体内部噪声信号，通过耳塞线传输给第一电路。第一电路为带滤波环路的增益与相位可控的窄带运算放大器，放大麦克风一拾取的信号，其增益与相位间接受控于来自第二电路的电压控制信号，第一电路输出是与麦克风一输入的信号反相的推动扬声器发声的信号。

滤波腔内的中低频噪音经过滤网二滤除部分中频噪音后，进入反相器一、反相器二构成的S形管道式低频反相通道，衰减掉500HZ以上的中频噪音，500HZ内的低频噪声相位与第一电路的低频噪音信号同相，叠加后作用于采样腔的空气腔室，增强耳塞低音频段降噪效果。同时，由耳塞后盖和扬声器构成增强耳塞本体被动降噪的第二空气阻尼腔室。

第一电路的输出推动扬声器发声，并叠加上述S形管道式低频反相通道传输的同相位低频噪声，抵消直接进入采样腔的相位相反的外部噪音。位于采样腔内的麦克风二实时采样噪音抑制状况转换为电信号，送入第二电路放大处理为电压控制信号，输出到第一电路的相位控制端控制第一电路输出的增益与相位，进而控制扬声器发声的相位与声音强弱，实现深度噪音抑制降噪。采样腔室同时构成增强耳塞本体被动降噪的第三空气阻尼腔室。

下面对本实施例中耳塞的降噪原理进行进一步详细说明。

耳塞的降噪效果优劣由直接进入耳塞的噪声信号F_B和反相信号F_A两者相加后的残余F_F确定，即：

F_F＝F_B+(-F_A)

如果F_B＝(-F_A)，则F_F＝0，即反相信号F_B与F_A完全反相且幅度相等，则二者叠加后完全消除噪声，事实上不可能达到，因为F_B信号包含幅度、相位、周期(频率)等多个因素，无论是物理结构的反相器，还是电路构成的反相器，都无法兼顾多个因素在内的完全符合。原则上只要F_F值小于F_B，则具备降噪效果。

本实施例中的降噪耳塞将反相信号F_F的幅度、相位、周期(频率)做了各自的优化处理，其实施方法分别如下：

戴上耳塞后外部环境噪声进入耳道主要是耳塞本体传导共振引起，本实施例的耳塞本体结构设计采用了滤波盖、三重空气阻尼腔、反相器一、二等设计降低进入耳道的环境噪声，加强物理结构的被动降噪效果。

外部环境噪声由滤波盖与耳塞后盖构成的腔体进入，本实施例中耳塞滤波盖厚度、形状、材质、大小决定声音的阻尼与谐振特性，大于6000HZ的噪声由滤波盖及其与耳塞后盖构成的滤波腔体衰减，同时麦克风一拾取中低频噪声F_B转化为电信号送到第一电路进行放大。第一电路为带环路滤波的相位可控、增益可控的窄带线性放大器，其相位和增益受控于第二电路的电压控制信号控制，输出驱动扬声器的噪声信号F_S，其相位与幅度和F_B关系为：

F_S＝-F_B

经由第一电路相位和增益处理后的信号驱动扬声器发声。

滤网二为特定密度的吸音棉，滤除大部分腔体中噪声的中频，低频噪声F_B进入S形导管式反相器。S型反相器由反相器一、反相器二构成，其导管孔径为：

A＝TTr²

其长度为：

L＝L^S+117r

其谐振频率：

其中

此处，F₀约为300Hz。

经由反相器一、反相器二反相后的噪声F_L相位与进入滤网二的噪声F关系如下：

F_L＝-F_B

在采样腔，扬声器发出的噪声F_S与经过反相器一、二后的噪声相位：

F_S＝-F_B

F_L＝-F_B

F_S＝F_L＝-F_B

在采样腔混合叠加后的反相噪声为F_A：

F_A＝F_S+F_L

耳塞本体传导共振直接进入采样腔内的外部噪声F_B在采样腔体内与扬声器发出的噪声F_S和反相器一、二的噪声F_L混合后的噪声F_F为

F_F＝F_B+(-F_S)+(-F_L)＝F_B+(-F_A)

混合后F_F《F_B，即实际进入人体耳道内的噪声远远小于实际的环境噪声，达到降噪的目的。

麦克风二拾取采样腔体内混合降噪后的噪声信号F_F转化为电信号送给第二电路放大处理，输出电压控制信号给第一电路的相位控制和幅度控制端，在第一电路内部完成相位与幅度控制跟踪，使得输出驱动扬声器的信号F_S跟踪于进入耳道内的信号F_F，实时改变F_S的相位和幅度带，达到深度的降噪效果。

采用上述方案，如图9的仿真效果所示，本发明实施例的降噪耳塞主动降噪值>25dB@80Hz-2KHz(多点平均值)。

另一方面，降低直接由耳塞本体传导共振进入采样腔室的环境噪声F_B，也是有效提高降噪效果的方法之一，同时具有保护听力的作用。

本实施例中的耳塞本体采用了滤波腔(滤除高频)、反相腔、采样腔三重独立的空气阻尼腔室+硅胶耳套，利用空气阻尼衰减结合硅胶耳套减振密封，大大降低了耳塞本体的传导震动，增强了耳塞本体的被动降噪效果，有效降低了猝发的环境强暴噪声对于听力的损害。

采用上述方案，如图10的仿真效果所示，本发明实施例的降噪耳塞本体被动降噪>28dB@800Hz-18KHz。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种降噪耳塞，其特征在于：包括耳塞前盖(1)和耳塞后盖(2)，以及设于所述耳塞前盖(1)和耳塞后盖(2)之间的扬声器(3)、麦克风一(8)、反相器一(9)、麦克风二(10)和反相器二(11)，所述扬声器(3)和反相器二(11)将耳塞前盖(1)与耳塞后盖(2)围成的腔体分为靠近耳塞前盖(1)的采样腔(100)和靠近耳塞后盖(2)的反向腔(101)，所述耳塞前盖(1)的前部设有用于套设硅胶耳套(4)的突出部，所述突出部内设有滤网一(5)，所述反相器一(9)与反相器二(11)构成S形低频管道式物理结构滤波反相器；还包括设于耳塞后盖(2)背部的滤腔盖(6)，所述滤腔盖(6)与耳塞后盖(2)背部的腔体围成高频噪声滤波腔(102)；所述耳塞后盖(2)上设有联通滤波腔(102)和反向腔(101)的通孔一，所述通孔一处设有滤网二(7)，所述麦克风一(8)固定于耳塞后盖(2)上，且拾音孔经通孔二(201)朝向滤腔盖(6)，所述麦克风二(10)固定于耳塞前盖(1)上，且拾音孔朝向扬声器(3)，所述麦克风一(8)用于采集反向腔(101)内经滤波腔(102)滤除高频噪音后的低频噪音信号，经第一电路放大反向处理后推动扬声器(3)发声并叠加反相器一(9)和反相器二(11)释放的同相位低频噪声，所述麦克风二(10)用于拾取采样腔(100)内的经抑制降噪后的噪声信号，经第二电路处理后输出电压信号作为所述第一电路的控制信号。

2.如权利要求1所述的降噪耳塞，其特征在于：所述滤腔盖(6)和高频噪声滤波腔(102)共同作用衰减滤除大于6000Hz的环境噪音。

3.如权利要求1所述的降噪耳塞，其特征在于：所述滤网二(7)为特定密度的吸音棉，用于滤除滤波腔(102)中的中频噪音。

4.如权利要求1所述的降噪耳塞，其特征在于：所述第一电路为带环路滤波的相位可控、增益可控的窄带线性放大器，其相位和增益受控于第二电路的电压信号。

5.如权利要求4所述的降噪耳塞，其特征在于：所述麦克风二拾取采样腔内的经抑制降噪后的噪声信号后，经第二电路放大并与麦克风一采集的信号比较采样后控制第一电路中放大器的相位，使送入扬声器发声的中低频噪音信号与环境中低频环境噪音180度反相。

6.如权利要求1-5任一项所述的降噪耳塞，其特征在于：还包括耳塞线(12)，所述耳塞线(12)的一端经由滤腔盖(6)与耳塞后盖(2)的下部围成的通道延伸至耳塞内部，并与所述扬声器(3)、麦克风一(8)和麦克风二连接，另一端连接设有所述第一电路和第二电路的控制模块。

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