CN112822592B - 一种可定向聆听的有源降噪耳机及控制方法 - Google Patents

一种可定向聆听的有源降噪耳机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种可定向聆听的有源降噪耳机及控制方法，包括具有多个传声器单元的传声器阵列、有源降噪模块、目标波束形成模块、噪声波束形成模块、自适应抵消模块、声增强模块和扬声器。传声器阵列用于拾取外部环境声；有源降噪模块用于产生反相噪声信号，以抑制任意方向的外部环境噪声；目标波束形成模块用于提取设定方向处的目标环境声；噪声波束形成模块用于提取除设定方向外的外部环境噪声；自适应抵消模块以目标波束形成模块及噪声波束形成模块的输出信号为输入，用于进一步降低设定方向处目标环境声中包含的其他方向的噪声成分。

Description

一种可定向聆听的有源降噪耳机及控制方法
技术领域
本公开属于降噪技术领域，具体涉及一种可定向聆听的有源降噪耳机及控制方法。
背景技术
随着现代社会的进步和人们生活水平的提高，噪声污染的问题日益突出，已经严重影响了人们的日常生活和身体健康。有源降噪耳机可以显著的抑制外部环境噪声，使佩戴者能够在更安静的环境下聆听音乐，其产品得到广泛关注和应用。前馈控制是有源降噪耳机的重要组成部分。公开号为WO2017096174A1的专利提出了一种使用多传声器的前馈有源降噪耳机，针对不同方向噪声源问题实施多通道控制，可改善耳机的综合降噪效果。
发明人了解到，例如在嘈杂环境下的语音交谈等环境下，人们往往不希望耳机屏蔽所有方向的外部声音。此时，让某个方向的声音无损透过耳机、同时屏蔽其他方向的噪声，可能带来更好的使用体验，而上述前馈有源降噪耳机无法实现该效果。
发明内容
本公开的目的是提供一种可定向聆听的有源降噪耳机及控制方法，能够至少解决上述技术问题之一。
本公开的一个或多个实施例提供一种可定向聆听的有源降噪耳机，包括具有多个传声器单元的传声器阵列、用于抑制外部环境声的有源降噪模块、目标波束形成模块、噪声波束形成模块、自适应抵消模块、声增强模块和扬声器。
传声器阵列布置于耳机壳体的外侧，用于拾取外部环境声；有源降噪模块用于产生反相噪声信号，以抑制任意方向的外部环境噪声；目标波束形成模块用于提取设定方向处的目标环境声；噪声波束形成模块用于提取除设定方向外的外部环境噪声；自适应抵消模块以目标波束形成模块及噪声波束形成模块的输出信号为输入，用于进一步降低设定方向目标环境声中包含的其他方向的噪声成分；声增强模块用于接收自适应抵消模块的声信号并进行声信号增强；扬声器能够接收有源降噪模块及声增强模块的叠加信号，并实现发声。
作为进一步的改进，所述有源降噪模块包括多个ANC滤波器，每个ANC滤波器分别与一个传声器单元信号连接。
作为进一步的改进，所述目标波束形成模块包括多个延迟单元，每个延迟单元分别与传声器阵列中的一个传声器单元信号连接。
作为进一步的改进，所述噪声波束形成模块包括多个延迟单元，每个延迟单元分别与传声器阵列中的一个传声器单元信号连接。
作为进一步的改进，所述噪声波束形成模块中波束方向被设置为：传声器阵列的垂线方向。
本公开的一个或多个实施例还提供一种可定向聆听的有源降噪方法，包括以下步骤：
步骤1，利用传声器阵列拾取外部环境声，并经有源降噪模块滤波处理后产生反相噪声信号，从而抑制所有方向的外部环境声，实现前馈有源降噪功能；
步骤2，利用目标波束形成模块提取某个固定方向上的目标外部环境声，利用噪声波束形成模块提取其他方向传来的外部环境噪声成分；
步骤3，自适应噪声抵消模块以目标波束形成模块、噪声波束形成模块的输出为输入，进一步降低目标波束形成模块提取的固定方向上的外部环境声中包含的噪声波束形成模块提取的其他方向上的噪声成分，经过降噪处理后的固定方向外部环境声作为该模块的输出；
步骤4，自适应噪声抵消模块的输出经声增强模块的处理后，和多通道有源降噪模块的输出相叠加并驱动扬声器发声。
以上一个或多个技术方案的有益效果：
(1)本公开中采用传声器阵列、有源降噪模块、噪声波束形成模块、目标波束形成模块及声增强模块的组合，能够定向的输出设定方向的环境声并屏蔽其他方向的噪声，从而能够让使用者在嘈杂环境下更自然、更有效的进行语音交流，避免了通讯设备的使用。
(2)定向透声模块的透声方向、音量大小可设置，同时可添加其他声学信号处理模块，能够产生更好的听觉舒适度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1是本公开的一个或多个实施例中的整体结构框图；
图2是本公开的一个或多个实施例中耳机外侧传声器阵列的布置图；
图3是本公开的一个或多个实施例中波束形成模块的实现框图；
图4是本公开的一个或多个实施例中自适应噪声抵消模块的实现框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种可定向聆听的有源降噪耳机，主要由扬声器、传声器阵列、有源降噪模块、目标波束形成模块、噪声波束形成模块、自适应噪声抵消模块、声增强模块构成。
在实施例中，传声器阵列由3个传声器单元构成，水平均匀布放于耳机壳体的外侧，从前至后依次为传声器1-3，如图2所示，相邻传声器单元的距离为l。传声器阵列所有单元的敏感元件朝外，用于拾取耳机外部的环境噪声，实现噪声的前馈控制。在其他实施例中，可采用其他数目的传声器单元构建传声器阵列，传声器单元数目应大于等于2，同时阵列中的单元应布放于耳机壳体外侧的不同位置，其位置不能重叠或过于靠近。
有源降噪模块由3个ANC滤波器构成，与传声器阵列的3个单元一一对应并以传声器单元拾取的外部环境声信号为输入。所有ANC滤波器的输出信号进行叠加，产生反相噪声信号作为有源降噪模块的输出，对各个方向的外部环境声进行有源控制，实现有源降噪功能。ANC滤波器可使用IIR或FIR结构实现，可根据公开号为WO2017096174A1的专利中提出的方法对ANC滤波器的频率响应进行优化设计。
目标波束形成模块由3个延迟单元构成，同样与传声器阵列的3个单元一一对应并以传声器单元拾取的外部环境声信号为输入，如图3所示。3个延迟单元的输出信号进行叠加，作为目标波束形成模块的输出。通过对3个延迟单元延迟时间的调整，实现对不同方向的外部环境声的提取。本实施例中固定的聆听方向设置为人头正前方，此时延迟时间应设置为：
Figure BDA0002879006110000051
上式中Ti为第i个传声器单元对应的延迟单元的延迟时间，c为空气中的声速。也可设置其他方向为聆听方向，此时各单元的延迟时间应进行相应的调整。另外，可设置多个聆听方向并将其对应的延迟时间参数存储于芯片中，用户可通过按键或其他方式对聆听方向进行选择，此时目标波束形成模块应载入该聆听方向对应的延迟时间参数。在其他实施例中，可使用其他基于传声器阵列的定向波束形成算法实现目标波束形成模块的功能。
本实施例中，噪声波束形成模块具有与目标波束形成模块相同的结构，如图3所示。但是，该模块的波束方向设置为与传声器阵列的垂线方向，即人头的右侧方，此时延迟单元的延迟时间应全部设置为0。也可使用波达方向估计(DOA)算法实时估计最主要的噪声源方向，并实时调整延迟时间，使噪声波束形成模块始终指向当前能量最强的噪声源方向。延迟时间调整规则如下：设DOA算法估计的噪声源方向与传声器阵列垂线的夹角为θ，若该噪声源位于人头右侧的前方，则延迟时间应为：
Figure BDA0002879006110000052
T3＝0。
若该噪声源位于人头右侧的后方，则延迟时间应为：T1＝0
Figure BDA0002879006110000053
如果DOA算法估计的声源方向与固定的聆听方向接近，则应将噪声波束形成模块的输出置零。噪声波束形成模块的功能在于提取非聆听方向的噪声信号，在其他实施例中，也可使用其他固定或自适应的波束形成算法实现该模块的功能，但波束方向不应与聆听方向重合。
自适应噪声抵消模块用于进一步降低固定聆听方向上外部环境声(目标波束形成模块提取)当中包含的其他方向上的噪声成分(噪声波束形成模块提取)。本实施例中，使用自适应最小均方误差(LMS)算法实现上述功能，如图4所示，其中噪声信号x(n)为噪声波束形成模块的输出信号、目标信号d(n)为目标波束形成模块的输出。算法中设置一N阶FIR噪声抵消滤波器，以噪声信号为输入，其权系数向量为：w(n)＝[w0(n),...,wN(n)]T。
设输入噪声信号向量为：x(n)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-N)]T。
则噪声抵消滤波器输出为：y(n)＝wT(n)x(n)。
自适应噪声抵消模块的整体输出为：e(n)＝d(n)-y(n)。
同时，噪声抵消滤波器按下式进行自适应更新：w(n+1)＝w(n)+μe(n)x(n)。
其中μ为算法的收敛补偿。在其他实施例中，可使用其他自适应算法实现自适应噪声抵消模块的功能，例如自适应回声抵消算法等。
声增强模块用于对自适应噪声抵消模块输出的定向环境声信号进行进一步的处理，以提升定向声重放的品质。本实施例中，声增强模块包含一带通滤波器以及一均衡器。其中带通滤波器通带频率为200-4kHz，作用在于去除语音频带外的噪声信号；均衡器则用于对耳机被动隔声量的补偿，使重放的语音失真更小、清晰度更高。在其他实施例中，也可进一步增加单通道语音增强模块以进一步提升重放语音的声品质。
上述的噪声波束形成、自适应噪声抵消模块、声增强是可选模块，可选择性的关闭上述模块以节省用电功率。
声增强模块的输出与有源降噪模块的输出叠加后，驱动耳机扬声器发声，在实现全方向有源降噪的同时，可针对某个固定方向的环境声进行聆听。
实施例2
本实施例提供一种可定向聆听的有源降噪控制方法，包括以下步骤：
步骤1，利用传声器阵列拾取外部环境声，并经有源降噪模块滤波处理后产生反相噪声信号，从而抑制所有方向的外部环境声，实现前馈有源降噪功能；
步骤2，利用目标波束形成模块提取某个固定方向上的目标外部环境声，利用噪声波束形成模块提取其他方向传来的外部环境噪声成分；
步骤3，自适应噪声抵消模块以目标波束形成模块、噪声波束形成模块的输出为输入，进一步降低目标波束形成模块提取的固定方向上的外部环境声中包含的噪声波束形成模块提取的其他方向上的噪声成分，经过降噪处理后的固定方向外部环境声作为该模块的输出；
步骤4，自适应噪声抵消模块的输出经声增强模块的处理后，和多通道有源降噪模块的输出相叠加并驱动扬声器发声。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于，包括:
具有多个传声器单元的传声器阵列，用于拾取外部环境声；
以外部环境声为输入的有源降噪模块，用于产生反相噪声信号，以抑制任意方向的外部环境噪声；
目标波束形成模块，用于提取设定方向处的目标环境声；
噪声波束形成模块，用于提取除设定方向外的外部环境噪声；
所述目标波束形成模块和噪声波束形成模块的输入信号均为传声器阵列；
自适应抵消模块，以目标波束形成模块及噪声波束形成模块的输出信号为输入，用于进一步降低设定方向处目标环境声中包含的其他方向的噪声成分；
声增强模块，用于接收自适应抵消模块的声信号并进行声信号增强；
扬声器，扬声器能够接收有源降噪模块及声增强模块的叠加信号，并实现发声。
2.根据权利要求1所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于，所述有源降噪模块包括多个ANC滤波器，每个ANC滤波器分别与一个传声器单元信号连接。
3.根据权利要求1所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于，所述传声器阵列中的多个传声器单元均布设置在耳机的外部。
4.根据权利要求1所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于，所述目标波束形成模块包括多个延迟单元，每个延迟单元分别与传声器阵列中的一个传声器单元信号连接。
5.根据权利要求1所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于，所述噪声波束形成模块包括多个延迟单元，每个延迟单元分别与传声器阵列中的一个传声器单元信号连接。
6.根据权利要求1所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于,所述噪声波束形成模块中波束方向被设置为传声器阵列的垂线方向。
7.根据权利要求1所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于，所述声增强模块包括一个带通滤波器和一个均衡器。
8.根据权利要求7所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在于，所述带通滤波器通带频率为200-4kHz，作用在于去除语音频带外的噪声信号；均衡器则用于对耳机被动隔声量的补偿。
9.根据权利要求1所述的可定向聆听的有源降噪耳机，其特征在，所述噪声波束形成模块的波束方向与目标波束形成模块的波束方向不重合。
10.一种可定向聆听的有源降噪控制方法，用于实现权利要求1-9中任意一项所述的可定向聆听的有源降噪耳机的降噪，其特征在，包括以下步骤：
利用传声器阵列拾取外部环境声，并经有源降噪模块滤波处理后产生反相噪声信号，从而抑制所有方向的外部环境声，实现前馈有源降噪功能；
利用目标波束形成模块提取某个固定方向上的目标外部环境声，利用噪声波束形成模块提取其他方向传来的外部环境噪声成分；
自适应噪声抵消模块以目标波束形成模块、噪声波束形成模块的输出为输入，进一步降低目标波束形成模块提取的固定方向上的外部环境声中包含的噪声波束形成模块提取的其他方向上的噪声成分，经过降噪处理后的固定方向外部环境声作为该模块的输出；
自适应噪声抵消模块的输出经声增强模块的处理后，和多通道有源降噪模块的输出相叠加并驱动扬声器发声。
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