CN113286216B - 音频系统和音频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种音频系统和音频方法，所述音频系统设置于一可佩戴式听力装置中，其包括由一驱动电压驱动的一发声装置、一第一声音感测装置以及一减法电路，所述第一声音感测装置用来感测至少由所述发声装置所产生的一合成声压，并据以产生一感测信号，所述减法电路具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端。所述第一输入端耦接于所述第一声音感测装置，所述第一输出端耦接于所述发声装置，所述发声装置、所述第一声音感测装置及所述减法电路构成一反馈回路，所述驱动电压与所述感测信号之间的一第一相位延迟小于60°。

Description

音频系统和音频方法
技术领域
本申请涉及一种音频系统和音频方法，尤其涉及一种优化主动噪声消除质量的音频系统和音频方法。
背景技术
常规主动噪声消除(Active Noise Canceling，ANC)仅减少来自周围环境的声压。然而，对通常是入耳式监测(in-ear-monitor，IEM)式的真无线(true-wireless，TWS)耳机来说，发声驱动器被插入听者的耳道，形成完全密封或半密封腔室。对于入耳插入式耳机来说，一种称为闭塞(occlusion)的效应和其相关联的颤噪(microphonic)效应成为噪声的主要来源，这样的噪声并非从声源产生，而是从机械源产生。
考虑到真无线耳机经常在用户慢跑、运动、饮食或谈话时佩戴，且耳机大部分的重量(特别是电池)吊在用户耳朵之外，仅通过软泡棉/尖端而轻触用户的外耳来维持位置，因此可很容易地看出高于110分贝(dB)声压级(sound pressure level，SPL)的噪声会因真无线耳机的移动/运动而出现。
另一机械移动/运动源是“控制手势”的使用。与假定附近存在控制主机(host)装置的有线耳机不同，无线的真无线耳机可半独立佩戴，并且通常将其主机装置置于较难接近的地方，因此非常需要通过如轻点(tap)、滑动或压缩(squeezing)等手指手势与真无线耳机进行互动，导致因颤噪效应产生非常高的声压级噪声尖峰。
因此，本领域显然希望抑制源于闭塞效应和颤噪效应的噪声。
由于机械性来源，这些噪音之间共有的共同特征是倾向在振幅非常具突发性(impulsive)。这种突发性意味着这些噪声是非稳态的，意味着在正弦波的一周期中收集到的信息无法可靠地用于预测下一周期的行为。
常规真无线耳机主动噪声消除系统设计人员面临的主要困难在于在信号链中使用的硬件。例如，在声音感测端，一典型电容式麦克风(Condenser Microphone)使用一电容电阻(C-R)电路将电容的变化转换成一电压信号。这种电容电阻电路会在声压到电压的转换中产生90°的相位延迟。在发声端，基于线圈磁铁的动态驱动器的质量(惯性)和共振频率常常在共振频率附近引發+/-100微秒的机械时移。这些(麦克风和扬声器的)迟滞(lantency)迫使常规主动噪声消除的系统设计者采用具有总合是180°、360°或甚至更高的相位延迟的电路。换句话说，主动噪声消除系统设计师被迫使用來自半周期、一周期甚至更早前的资讯，来预测当前时间点的抗噪声信号。常规主动噪声消除模型包括使用相对于噪声声压具有约180°、360°、270°或更高相位延迟的传递函数(transfer function)，来生成抗噪声的声压，同时假定噪声振幅在此相位/时间延迟后仍保持稳态。常规主动噪声消除方案基本上限于仅消除稳态噪声。
对于步行或慢跑、轻点或其他手势、下颚移动/运动所造成的噪声及(如列车/摩托车经过、门/抽屉被关闭或汽车开过坑洼或砾石所引起的)间歇性(周围)环境噪声，振幅分布将是具有不规则和间歇尖头的脉冲形状。具有这样快速变化振幅的噪声违反了常规主动噪声消除模型中“稳态噪声”的假设，且甚至启用主动噪声消除功能时巨大噪声仍会被听到。
发明内容
本申请的主要目的在提供一种可对非稳态(non-stationary)噪声和稳态噪声均实现实时噪声消除并展现出接近零相位延迟的音频系统和音频方法。
本申请实施例公开了一种音频系统，设置于一可佩戴式听力装置中，包括：一发声装置，由一驱动电压驱动；一第一声音感测装置，用来感测至少由所述发声装置所产生的一合成声压，并据以产生一感测信号；以及一减法电路，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，其中，所述第一输入端耦接于所述第一声音感测装置，所述第一输出端耦接于所述发声装置；其中，所述发声装置、所述第一声音感测装置及所述减法电路构成一反馈回路；其中，所述驱动电压与所述感测信号之间的一第一相位延迟小于60°。
本申请实施例还公开了一种音频方法，包括：通过一第一声音感测装置感测至少由一发声装置所产生的一合成声压，并根据所述合成声压产生一感测信号；从一输入音频信号扣除对应于所述合成声压的一第一信号以获得一差分信号，其中，所述第一信号是根据感测信号产生；根据所述差分信号获得一驱动电压；以及所述发声装置根据所述驱动电压产生一生成声音；其中，所述驱动电压与所述感测信号之间的一第一相位延迟小于60°。
本申请实施例还公开了一种音频系统，包括：一发声装置，由一驱动电压驱动；一声音感测装置，用来感测至少由所述发声装置所产生的一合成声压，并据以产生一感测信号；以及一减法电路，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，其中，所述第一输入端耦接于所述声音感测装置，所述第一输出端耦接于所述发声装置；其中，所述发声装置、所述声音感测装置及所述减法电路构成一反馈回路；其中，从施加到所述发声装置的所述驱动电压到所述发声装置对应于所述驱动电压所产生的一生成声音的一相位延迟小于30°。
本申请实施例还公开了一种音频系统，包括：一发声装置，由一驱动电压驱动；一声音感测装置，用来感测至少由所述发声装置所产生的一合成声压，并据以产生一感测信号；以及一减法电路，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，其中，所述第一输入端耦接于所述声音感测装置，所述第一输出端耦接于所述发声装置；其中，所述发声装置、所述声音感测装置及所述减法电路构成一反馈回路；其中，从冲击于所述声音感测装置的所述合成声压到所述声音感测装置对应于所述合成声压所产生的一信号的一相位延迟小于30°。
附图说明
图1至图6分别是本申请实施例一系统的示意图；
图7是本申请实施例一低噪声前置放大器拓扑的示意图；
图8是本申请实施例一系统的俯视图的示意图；
图9是沿着图8中一截面线的截面图。
[符号说明]
10：系统
103：减法电路
107：放大器电路
108：发声装置
109：声音感测装置
115：反馈回路
具体实施方式
图1是本申请实施例一系统10的示意图。系统10设置在可佩戴式听力装置中。可佩戴式听力装置可以是如耳机、头戴式耳机、塞式耳机等各式耳机(headphone、headset、earbuds、earphone、earpiece)。在一实施例中，可佩戴式听力装置可以是一插入式耳机。系统10可包括一发声装置(sound producing device，SPD)108、一声音感测装置109、一减法电路103以及一放大器电路107以构成一反馈回路115。
声音感测装置109感测/侦测发声装置108所产生的声音SP108及来自(周围)环境/背景声源或机械源的非期望噪声(或噪声声压)SPn。非期望噪声(SPn)可例如因重度运动中(作为耳机的)系统10移动/运动或听者轻点系统10所产生，或因听者(下颚移动/运动时)耳道容积变化所产生，或因听者血管脉动所产生。也就是说，发声装置108仅是许多声源中一者。此外，无论来源或来源的性质是什么，由声音感测装置109感测的合成声压(combinedsound/acoustic pressure)是听者的耳道内呈现的“净声压”(net sound/acousticpressure)。从所有这些不同的来源的合成声压(如噪声SPn及声音SP108的叠加)可被声音感测装置109感测并转换为(电)信号(如信号Sfb)，其被发送到/朝向减法电路103。在一实施例中，合成声压可以包括因发声装置108或(系统10设置于其中的)可佩戴式听力装置(通过其排气口(vent))的空气泄漏造成的分量。差分信号Sdf可被送到放大电路107，放大电路107产生驱动电压Vspd于发声装置108。系统10的输出(即声音SP108)被路由回去作为系统10的输入中一者，使得声音感测装置109形成反馈回路115。反馈回路115的一种变体/延伸类似于负反馈运算放大器(operational amplifier，OP-amp)电路的反馈回路，这将在后面详述。
减法电路103耦接于声音感测装置109以用来从输入音频信号Ss扣除信号Sfb以获得差分信号Sdf(即，Sdf＝Ss-Sfb)。在一实施例中，差分信号Sdf可以包括与具有相反极性(inverse polarity)的噪声SPn的聚合(aggregation)或噪声SPn的聚合的负版本(negative version)相关联的分量。
具体地，放大电路107可以具有一截止频率，并且放大电路107可以以高放大增益放大信号Sdf的(低于截止频率的)低频分量。同时，放大电路107可以对信号Sdf的(高于截止频率的)高频分量执行积分操作。通过积分操作，可以在反馈回路115内抑制噪声SPn。在一实施例中，可以运算放大器来实现放大电路107。
在一实施例中，放大电路107可以由一积分电路代替。在这种情况下，积分电路107和减法电路103可以被视为微分积分(delta-sigma)电路，其中，微分部分可由减法电路103实现，且积分部分可由积分电路107实现。
不同于现有技术，发声装置108和声音感测装置109具有接近零相位延迟(near-zero-phase-lag，NZPL)特征(此在美国临时申请号62/909684和/或专利号10867594引入)，使得从驱动电压Vspd到(由声感测装置109所感测的)感测信号Sm2的第一相位延迟远小于90°。优选地，在系统10的有效主动噪声消除带宽内，从驱动电压Vspd到感测信号Sm2的相位延迟可以小于25°。在这种情况下，通过使用反馈回路115驱动发声装置108，可实行补偿/抵消/中和所有种类的外来/非期望的声音源(即噪声SPn)的影响，最后在耳道内产生“净声压”，“净声压”变得大致上没有偏移于期望声压，就好像所有的噪声SPn是不存在的。以这种方式，主动噪声消除可通过使用系统10实现。只要声音感测装置109在其线性频率响应范围内工作良好，反馈回路115可以最小化输入音频信号Ss和信号SFB之间的差值，从而最小化输入音频信号Ss和对应于听者所听到的合成声压/净声压的一信号之间的差值。
具体而言，声音感测装置109的接近零相位延迟特征可表示从一声音(或合成声压)冲击声音感测装置109到声音感测装置109根据冲击的声音来产生信号SM2的第二相位延迟(优选地)小于10°；发声装置108的接近零相位延迟特征可以代表从驱动电压Vspd被施加到发声装置108到发声装置108产生对应于驱动电压Vspd的声音SP108的第三相位延迟(优选地)小于10°。
接近零相位延迟条件可以被概括为：1)(从Vspd到Sm2的)第一相位延迟小于60°；2)(从冲击的声音到Sm2的)第二相位延迟小于30°；3)(从Vspd到SP108的)第三相位延迟小于30°。只要满足上述接近零相位延迟条件中一者，并结合反馈回路115，即满足本申请的要求，而属于本申请的范围。
值得注意的是，(从Vspd到Sm2的)第一相位延迟包括从发声装置108到声音感测装置109的声音传播延迟、第二相位延迟和第三相位延迟。因此，为了降低第一相位延迟或降低从发声装置108到声音感测装置109的声音传播延迟，发声装置108和声音感测装置109之间的一物理间隔可以小于3.5毫米。从另一角度来看，从发声装置108到声音感测装置109声音传播延迟可以小于10微秒(μs)，以扩大有效主动噪声消除带宽。需要注意的是，系统(10)的有效主动噪声消除带宽相关于发声装置108和声音感测装置109之间的物理间隔。第一相位延迟愈长，系统的有效主动噪声消除带宽愈窄。
图2是本申请实施例一系统20的示意图。系统20的结构类似于系统10的结构，因此在以下描述中以相同的数字/符号表示相同的组件。系统20可包括发声装置108、声音感测装置109以及一电路200。一般来说，电路200可以通过数字电路或模拟电路实现。例如，电路200内的减法电路203(对应于系统10内的减法电路103)，可以由一差分放大器(如运算放大器)来实现。
在声音感测装置109感测的合成声压被转换为感测信号Sm2后，感测信号Sm2可通过电路200的一放大器205处理并经过电路200的一反馈回路215。
电路200可以另包括一滤波器206*设置在反馈回路215中以产生信号Sfb。在一实施例中，滤波器206*的频率响应可以等于或相关于(如成比例于)发声装置108和声音感测装置109的合成频率响应的共轭(conjugate)或倒数(reciprocal)/反数(reverse)(其可以在如IEC 711闭塞型耳仿真器中测量)。在一实施例中，滤波器206*的频率响应可以是发声装置108和声音感测装置109的合成频率响应的共轭的函数，或发声装置108和声音感应装置109的合成频率响应的倒数函数/反函数(inverse function)。在一方面，滤波器206*可作为一匹配滤波器(matched filter)，以补偿发声装置108和声音感测装置109所造成的效果。
考虑到电路200内的减法电路203可以由一差分放大器来实现，在一实施例中，放大器203可以是一运算放大器。放大器203的负输入端(标注为“-”)可耦接于滤波器206*的输出端(而耦接于声音感测装置109)，而放大器203的正输入端(标注为“+”)用来接收输入音频信号Ss。根据信号Sfb和输入音频信号Ss之间的差值可产生差分信号Sdf。例如，信号Sfb和输入音频信号Ss之间的差值被放大，以于放大器203的输出端产生差分信号，放大器203的输出端耦接于电路200中可选用的(optional)一滤波器204(而耦接于发声装置108)。
在一实施例中，可选用的滤波器204可用来维持反馈回路215的整体稳定性，以在回路增益大于或等于1时实现适当的相位裕度(margin)。具体地说，输入音频信号Ss可以通过一(高通)滤波器201和一(低通)滤波器204被电路200的一分频电路(crossovercircuit)分成两个子频带。(反馈回路215的)声音反馈回路机制施加于滤波器204的输出但不施加于滤波器201的输出以确保稳定性。意即，反馈回路215的闭锁回路(close-loop)行为可以用滤波器204进行频带限制，以确保稳定性并保持反馈回路215适当相位裕度。此外，因为非零迟滞(或相位延迟)可能会发生在发声装置108、在声音感测装置109，或声音从发声装置108到声音感测装置109的行进时间(如声压可能需时间从发声装置108行进到声音感测装置109)，输入音频信号Ss可以被分离频带(band-split)以掩盖接近零相位延迟的不完全/不完备(或消除/减少相位延迟)。
频率响应中因(设置在反馈回路215的)滤波器204而失去的部分可被(在反馈回路215外的)滤波器201形成的信号路径取代/补充。相应地，滤波器204的截止频率和滤波器201的截止频率可对准在一交叉频率(crossover frequency)。在一实施例中，滤波器204和滤波器201的交叉频率可以显著低于(20赫兹(Hz)到20千赫兹的)人类听觉范围中最大人类可听频率(如20千赫兹)。此外，在穿过滤波器204后，差分信号Sdf可通过电路200的一求和电路202而叠加于行经过滤波器201的输入音频信号Ss，以产生一混合信号Smx(即Smx＝Ss+Sdf)，其中混合信号Smx具有大致平坦的频率响应。在一实施例中，求和电路202可实现为在放大电路107的输入端的一电阻网络混合器。
电路200的放大电路107放大从求和电路202接收到的混合信号Smx，并产生驱动电压Vspd。差分信号Sdf可以是放大电路107的输入的一部分(即混合信号Smx的一部分)。
随后，发声装置108根据驱动电压Vspd产生声音SP108。
在随后段落的讨论中，凭借声音感测装置109和差分放大器203，这个实施例中驱动声音SP108的驱动电压Vspd等效包括相关联于输入音频信号Ss的信号分量和相关联于噪声SPn的聚合的相反的更正信号分量(corrective signal component)。
考虑发声装置108和声音感测装置109之间不存在噪声的一理想情况下，滤波器206*的输出(即信号Sfb)可以是接近输入音频信号Ss(或信号Sss，这将在后面阐述)的副本。传输到放大器203的負输入端的信号Sfb和传输到放大器203的正输入端的输入音频信号Ss可以是同相的(in-phase)，放大器203输出的差分信号Sdf可以是输入音频信号Ss的缩小版本。
考虑許多噪声SPn存在(即具有非零值)且与声音SP108混合成声音侦测装置109感測/侦测的合成声压的一实际情况下，滤波器206*的输出将偏离输入音频信号Ss(或信号Sss)的副本一“误差”量(即偏离一更正误差)。此更正误差(可对应于信号Sfb和输入音频信号Ss的缩小版本/副本之间的差异)的大小表示信号Sfb偏离输入音频信号Ss多少。通过连接此一偏离到放大器203的负输入端，放大器203生成(构成差分信号Sdf的)一更正，此更正成为求和电路202的输入。因此，发声装置108所产生的声音SP108不仅包含对应于输入音频信号Ss(或信号Sss)的声压，且包含反向(inversely)对应于噪声SPn的更正声压。此更正声压将与噪声SPn相消干涉(interfere destructively)，造成(非稳态和稳态的)噪音SPn被抑制。通过这种方式，可以通过使用系统20实现接近零相位延迟主动噪声消除。
从上面可以看出，实现噪声消除效果的一关键因素为从发声装置108到声音感测装置109的声传播路径与发声装置108和听者的耳朵鼓膜之间声传播路径的互相混合。当声音SP108通过空气从发声装置108行进到声音感测装置109，可能会发生音频混合。发声装置108所产生的声音SP108与耳朵内各种其他声压(即噪声SPn)混合，且合成声压整体被声音感测装置109转换回感测信号Sm2，然后经过反馈回路215变为信号Sfb。
在一实施例中，放大电路107、发声装置108(其可以是压电致动微机电系统(MicroElectro Mechanical System，MEMS)扬声器)、声音感测装置109(其可以是压电麦克风)、放大器205、滤波器206*、放大器203、滤波器204以及求和电路202可构成反馈回路215。反馈回路215的相位延迟可以最小化。在一实施例中，发声装置108或声音感测装置109可具有类似于美国临时申请号62/909,684和/或美国申请号16/821,983的接近零相位延迟特性。意即，满足上述接近零相位延迟条件中至少一者。
类似于美国临时申请号62/909,684和/或美国申请号16/821,983，系统20可另包括一声音感测装置101以感测/侦测的(周围)环境声压(例如噪声SPn)并产生一信号Sm1，(周围)环境声压可由(周围)环境/背景声源产生。信号Sm1被系统20的一放大器104放大(且极性反转(inverted)或不反转)，随后被系统20的一滤波器105频率塑形和相位补偿。放大器104的增益和滤波器105的频率响应是通过系统20的一控制器110控制。系统20的求和电路106合并滤波器105输出的信号Spt与例如来自(常规)声源的信号Ss，以生成输入音频信号Ss。
声音感测装置101可能不负责主动噪声消除。相反地，声音感测装置101可被用于对通过或阻绝/衰减(周围)环境声压的特定部分。在某种意义上，主动噪声消除完全通过反馈回路215实现，其中无论是由(一或多个)(周围)环境/背景声源或由(一或多个)机械源、或由耳道的声共振、或单纯由发声装置108的非线性所引起的各种错配(mismatch)，可由反馈回路215主动消掉(nulled-out)。
系统20可用在入耳式(in-ear)耳机或耳上式(on-ear)耳机的应用。用于耳上式耳机时，基于振膜移动/运动(membrane-movement based)的发声装置108可能未产生必要的声压级而可由合适的替代品(如美国专利号10,779,088所介绍的内容，其可使用美国专利号10,771,893所引入的驱动波形，其引用并入本文)进行置换。
图3是本申请实施例一系统30的示意图，图3所示的系统30的结构类似于图2所示的系统20。然而，当在图3中添加一滤波器206时，图2中所示的滤波器206*可以被移除。滤波器206可以被置于差分/微分放大器203的正输入端前。
在一实施例中，滤波器206的频率响应可以等于或相关于发声装置108和声音感测装置109的合成频率响应。在一实施例中，滤波器206的频率响应可以是发声装置108和声音感测装置109的合成频率响应的函数。在一实施例中，滤波器206的传递函数H206和滤波器206*的传递函数H206*的乘积可以等于一单位增益(unity-gain)传递函数(即H206*·H206＝1)。因此，可以通过在放大器203的正输入端和负输入端分别插入滤波器206，然后因单位增益传递函数(即H206*H206＝1)而由反馈回路215’移除耦接于负输入端的滤波器206和滤波器206*，而自电路200得到电路300。箭头300a指向一放大图，其可替代反馈回路215’中所指示/圈出区域的区段。从上面可以看出，电路300的放大器203的输出可以等于电路200的放大器203的输出。换言之，除了滤波器206和206*的不完善，反馈回路215’和215在功能上和数学上等效。
在结构上，电路300相对电路200的优点在于以反馈回路215’外的滤波器206的(回路外)延迟替换反馈回路215’内的滤波器206*的(回路内)延迟。“回路内到回路外”转化的影响可以最小化反馈回路215’的回路内延迟，且系统30的数字版本可实现比系统20显著更宽的频率响应。
图4是本申请实施例一系统40的示意图。系统40可以包括发声装置108、声音感测装置109和一电路400。电路400可以是一专用集成电路(application specificintegrated circuit，ASIC)。
图4所示的系统40可以是图2所示的系统20的一数字版本。因此，相同的数字/符号表示相同的组件，而在数字版本中执行相同功能的组件则通过在其模拟对应物的数字/符号后附加单引号(’)进行标记。例如，电路400的滤波器201’、204’、206*’和206’的可以分别是滤波器201、204、206*和206的数字对应物。换言之，滤波器201’、204’、206*’和206’可以是数字滤波器，而滤波器201、204、206*和206可以是模拟滤波器。
在一实施例中，滤波器201’、204’、206*’和206’可分别包括一或多个双二阶(BiQuad)加速器/滤波器。在一实施例中，一个双二阶加速器可以是双二阶滤波器的直接形式2(Direct form 2)，其每级包括5次乘法、4次加法和2个寄存器，其中寄存器提供/作为存储单元，且一个寄存器可以代表一个存储单元。在一实施例中，双二阶加速器可以通过合适的替代品实现，如通过引用并入本文的美国临时申请号63/079,680所介绍的替代品实现，其每级包括6个加法器和2个寄存器而没有任何乘法。也就是说，通过适当地选择滤波器(例如滤波器201’、204’、206*’和206’)的滤波器系数(如在美国临时申请号63/079,680所介绍)，图4的滤波器(例如滤波器201’，204’，206*’和206’)可以不包括乘法电路。
在一实施例中，可配置的双二阶加速器的分配可以由一个可配置的寄存器控制。例如，滤波器206*’和206’之间可以共有4个可用的双二阶加速器。在图4，在4个双二阶加速器中的1个被分配给滤波器206*’，而三个双二阶加速器被分配给滤波器206’。在另一实施例中，(所有的)4个双二阶加速器均被分配给滤波器206’，而4个二阶加速器中没有任何的二阶加速器被分配给滤波器206*’。
如上所述，声音感测装置109根据在听者的耳道取得的合成声压产生感测信号Sm2。在从声音感测装置109接收感测信号Sm2之后，电路400的放大器205将输出信号Sm2*到一模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)306，模数转换器306将(模拟)信号Sm2*转换为(数字)信号Sm2’。设置在电路400的反馈回路415的滤波器206*’可以发送一信号Sfb’到电路400的一减法电路203’，减法电路203’可从(由电路400的上采样电路410和滤波器206’处理后的)输入音频信号Ss’减去信号Sfb’以获得差分信号Sdf’。电路400的一求和电路202’可接着加总(行经上采样电路410及滤波器201’的)输入音频信号Ss’与(行经电路400的一乘法器309和滤波器204’的)差分信号Sdf’，以发射混合信号Smx’到电路400的一数字模拟转换器(digital-to-analog converter，DAC)305。在一实施例中，求和电路202’可利用加法器来实现。电路400的放大电路107可将数字模拟转换器305的输出转为驱动电压Vspd，以驱动发声装置108产生声音SP108。
系统40的一处理电路301可合并来自声音感测装置101的信号Sm1与信号Sss，以产生输入音频信号Ss’。此外，处理电路301可以编程配置参数，例如经由可以是内部集成电路(Inter-Integrated Circuit，I2C)、串行外围接口(Serial Peripheral Interface，SPI)或其他合适的串行总线的一控制接口Csys，来编程用于滤波器201’、204’、206*’和206’的系数和/或用于乘法器309的系数。在一实施方式中，用于滤波器201’、204’、206*’或206’中的系数可以相关于(例如成比例于)其采样速率、中心/截止频率、质量因子(qualityfactor，Q factor)和/或增益。在一实施例中，例如当滤波器201’204’、206*’或206’的系数例如被设置为零时，可以省略滤波器201’204’、206*’或206’。在一实施例中，用于乘法器309的系数可以关联到图2的减法电路203的增益。
图5是本申请实施例一系统50的示意图。系统50可以包括在发声装置108、声音感测装置109和一电路500。
图5所示的系统50的结构类似于图4所示的系统40，惟图5省略滤波器206*’、206’以节省功率和/或成本。系统50可另包括一处理电路501用来处理滤波器206’或206*’的计算。在一实施例中，处理电路501可以是一应用处理器，并且可以包括一数字信号处理器(digital signal processor，DSP)501D。
上采样电路510用于生成输入音频信号Ss’的一过采样版本，且利用比电路500的数据速率更高的数据速率。上采样电路510可以包括一上采样器302、一滤波器303和一锁相回路310。上采样器302可以包括一抽取(decimation)操作和内插操作。滤波器303用来过滤或衰减由上采样器302引起的更高频率成分，滤波器303可以是低通滤波器来平滑其输出。在一实施例中，电路500的数据速率(例如，32×48Ksps＝1.536Msps)可以通过在上采样器302和滤波器303进行上采样32次，而与输入音频信号Ss’的数据速率相同(其可以是48Ksps(每秒千采样)。
在一实施例中，电路500可以包括双二阶滤波器(例如滤波器201’、204’或303)以在很大的上采样本地数据速率运行，而最小化电路500的一反馈回路515的相位延迟，并实现非稳态噪声和稳态噪声两者的接近零相位延迟主动噪声消除/适应性噪声抑制(activenoise cancelling/adaptive noise suppression，ANC/ANS)。
图6是本申请实施例一系统60的示意图。系统60可以包括发声装置108、声音感测装置109和电路600。
图6所示的系统60的结构类似于图5所示的系统50。图5所示的处理电路501以图6所示的电路600的滤波器341替换。滤波器341中的每一者可以是数字滤波器，如双二阶滤波器。举例来说，有可能在电路600嵌入六个双二阶阶段/滤波器的区块来取代处理电路501的数字信号处理器功能。
电路600的存储器342用于存储配置参数(如用于滤波器341、204’、303、201’和/或乘法器309的系数)，存储器342可以是一电可擦可编程只读存储器(electrically-erasable programmable read-only memory，EEPROM)。控制接口Csys可用于提供编程存储器342的接口访问。一旦存储器342(如在大规模生产校准阶段)被设置，电路600可以作为独立的装置，接口到信号Sss，感测从声音感测装置109的输出，以及控制用于发声装置108的驱动电压Vspd，而不需要额外的应用处理器。
图7是本申请实施例一低噪声前置放大器(preamplifier)拓扑154的示意图。
在一实施例中，图4所示的声音感测装置109可被实现为压电麦克风，如设置在图7所示的低噪声前置放大器拓扑154的声音感测装置702。一偏压源VBIAS可以跨过声音感测装置702的顶部电极702T和底部电极702B来施加。声音感测装置702所产生的感测信号Sm2可以是不平衡的和/或本质上高阻抗的，且可能是对噪声敏感的，感测信号Sm2可对应于电极702T、702B(或电压Vtop和Vbot)之间的差值。
在一实施例中，一细线管506可表示一硅衬底和一印刷电路板(printed circuitboard，PCB)(如图9示出的印刷电路板424)上精心策划的配线(wiring trace)，以避免感测信号Sm2取得多余的噪声。
在一实施例中，图4中所示的放大器205可以被实现为图7所示的设置在低噪声前置放大器拓扑154中的放大器705。放大器705可用来以转换感测信号Sm2(其可以是声音感测装置702所产生的一高阻抗不平衡信号)成信号Sm2*(其可以是一低阻抗的平衡信号)。放大器705可包括一对的电阻器Rz1、Rz2、一电压源504、一对的放大器502、503和一主机接口GC。
为了最大化作为麦克风的关键参数的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，声音感测装置702的电容的性质用来通过电阻器Rz1、Rz2及提供适当偏压的电压源504，将(不平衡)信号Sm2转变成一平衡信号。在一实施例中，电阻器Rz1、Rz2的值可满足rz1＝rz2(要求1)以达到所期望的信号对称性，其中rz1、rz2分别表示电阻器Rz1、Rz2的电阻。在一实施例中，电阻器Rz1、Rz2的值可满足1/(2π×(rz1+rz2)×Cspd)<5Hz(要求2)，以实现期望的低频响应，其中Cspd表示声音感测装置702的电容。例如，当声音感测装置702是薄膜鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate，PZT)感测器且声音感测装置702的大小是大约1.44平方毫米(例如，1.2×1.2毫米平方)，声音感测装置702的电容Cspd可以是30纳米法拉(nano-farad，nF)。当电阻器Rz1、Rz2的电阻rz1、rz2分别是560千欧姆(kilo-ohm，KΩ)，要求1和2可以被满足。电压源504所提供的电压可以等于VBIAS/2(其中，VBIAS可以用来优化声音感测装置702的灵敏度和线性度)和可在伏的范围内。
接着，放大器502、503缓冲/放大感测信号Sm2。放大器502、503可以分别是运算放大器，并具有高输入阻抗(例如>10兆欧姆)、低输入偏压电流(例如<3微微安培(pico-ampere，pA))和低噪声电压(≤1纳米伏特每根赫兹(nV/√Hz))。在一实施例中，放大器502、503可以分别是电压缓冲器。在一实施例中，放大器502、503可以具有相同的增益。
放大器502、503可输出信号Sm2*，其可被传输到图4所示的模数转换器306的差分输入级。在一实施例中，放大器502、503的增益可经由主机接口GC进行实时编程，使得信号Sm2*的动态范围可匹配模数转换器306的输入范围的动态范围。
图8是本申请实施例一系统80的俯视图的示意图，图9是沿着图8中一截面线A-A’的截面图。系统80的一装置400可以包含设置成阵列的8个发声装置401和一个声音感测装置402。每个发声装置401或声音感测装置402的尺寸可以是相同的，例如，2毫米×2毫米，但不限于此。
在一实施例中，发声装置108可以被实现为一或多个发声装置401，并且声音感测装置109或702可以被实现为图8所示的声音感测装置402。在一实施例中，发声装置401和声音感测装置402之间的间隔可以小于3.5mm。在一实施例中，图9中所示的发声装置401可以(沿一正Z方向)向上方产生声音SP108，而图9所示的声音感测装置402可以(沿一负Z方向)由上方接收合成声压。
在一实施例中，装置400可以是一体成形的，使得发声装置401和声音感测装置402由同样的材料形成且彼此之间没有机械接头连接。在一实施例中，装置400可以是单一个微机电系统芯片。装置400可通过微机电系统制造工艺来制造出的单片硅衬底以形成用于发声装置401中每一者的振膜425和用于声音感测装置402的振膜426。
在一实施例中，振膜426的厚度可以显著地比振膜425更薄，以提高声音感测装置402的声音感测灵敏度。在一实施例中，振膜425、426是共面或平行且因此分别在XY平面展开。
在图8中，发声装置401和声音感测装置402可在振膜425、426中分别形成狭缝图案425S、426S以增加振膜425、426的顺应性(complance)(例如刚度)和振膜425、426的位移。狭缝图案425S、426S可以彼此不同，并优化发声装置401和声音感测装置402的单元类型的相应功能。
发声装置401或声音感测装置402可另包括由薄膜压电材料制成的一薄膜压电层，薄膜压电材料可如用于致动(如发声装置401中)一振膜的锆钛酸铅或用于(使声音感测装置402中振膜426)感测声压的氮化铝(aluminum nitride，AlN)。薄膜压电层可以夹在2个电极(例如图7示出的声音感测装置702的电极702T、702B)之间，且可以沉积在振膜425或426，以形成发声装置401或声音感测装置402。
在一实施例中，声音感测装置402还可以包括一隔离后室，其包括一腔体428和一后盖429，以将声音感测装置402从单元401的膜移动/运动所产生的背压隔离。
装置400可以被限定在印刷电路板424上，且与一保护盖421和电路423一起形成一个独立扬声器封装(self-contained Speaker-in-a-Package)系统。电路423(其可以是驱动集成电路)可以被实现为电路200、300、400、500或600，并且可以具有其他具有类似(comparable)功能的结构。除了支援被动组件422，电路423与装置400形成独立反馈控制系统，能够感测听者的耳朵的合成声压，并产生更正声压来抑制感测到的声压和预期/所需的声压之间的差异，从而产生无噪音的聆听体验。换句话说，装置400处于具有反馈控制的整体封装内，以形成独立的主动噪声消除/适应性噪声抑制发声系统。
在本发明的一方面，不仅是从(周围)环境/背景声源的噪声SPn(即声压)，或是例如因本发明系统的移动/运动和/或在人体解剖上耦接/相关于耳道的体积的任何物理振动的闭塞效应和/或颤噪效应引起的噪声SPn，皆可被抑制/衰减/消除，以实现主动噪声消除。在本发明中，不仅抑制/衰减/消除稳态的噪声SPn，同时也抑制/衰减/消除间歇性噪声SPn，以实现主动噪声消除。因此，本发明可通过采用美国临时申请号62/909684公开的接近零相位延迟技术，感测耳内的合成声压并控制发声装置，使得预期/期望的声音信号和耳朵内侦测/感测到的声压之间的不匹配最小化。
在本发明的一方面，通过利用接近零相位延迟的发声装置和声音感测装置，可建立类似于负反馈的运算放大器的入耳式或耳上式发声系统，其中所有声源的不匹配(无论是如声噪声、颤噪声的噪声SPn；或是由于发声装置非线性或频率响应不均匀等因素引起的偏差；或是发声装置与耳道之间的声音相互作用，或是单纯因耳机泡棉尖端的密封变化程度而引起的泄漏)都将立即或实时受抑制，从而使听者耳内的净声压可以匹配预期声压，如同负反馈运算放大器的输出密切匹配其输入信号的同样方式。因此，相对于信号被延迟180°或更多，本发明基于实时信号产生更正声压，可更正相较预期声压增加及减少的偏差。
综上所述，本发明的系统包括声音感测装置，以用来侦测由发声装置及由(周围)环境/背景声源、从机械源或通过(任何)泄漏所产生的声音(压力)。系统的减法电路具有一输入端耦接于声音感测装置和一输出端耦接于发声装置，从而形成一反馈回路。当(周围)环境/背景声源或机械源和/或泄漏存在时，可在减法电路的输出端观察到“误差”，引发在发声装置的输入端的更正。因此，发声装置所产生的声音(压力)包括对应于输入音频信号的声压和更正声压。更正声压可以与来自(周围)环境/背景声源或来自机械源的声音(压力)相消干涉，从而实现接近零相位延迟主动噪声消除。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (29)

1.一种音频系统，设置于一可佩戴式听力装置中，其特征在于，包括：
一发声装置，由一驱动电压驱动；
一第一声音感测装置，用来感测至少由所述发声装置所产生的一合成声压，并据以产生一感测信号；以及
一减法电路，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，其中，所述第一输入端耦接于所述第一声音感测装置，所述第一输出端耦接于所述发声装置；
其中，所述发声装置、所述第一声音感测装置及所述减法电路构成一反馈回路；
其中，所述驱动电压与所述感测信号之间的一第一相位延迟小于60°。
2.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一第一滤波器，耦接于所述减法电路的所述第一输入端与所述第一声音感测装置之间。
3.如权利要求2所述的音频系统，其特征在于，所述第一滤波器的一频率响应相关于所述发声装置与所述第一声音感测装置的一合成频率响应的一倒数。
4.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一第二滤波器，耦接于所述减法电路的所述第二输入端；
其中，所述第二滤波器的一频率响应相关于所述发声装置及所述第一声音感测装置的一合成频率响应。
5.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一第三滤波器，耦接于所述减法电路的所述第一输出端与所述发声装置之间；
其中，所述第三滤波器是一低通滤波器。
6.如权利要求5所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一求和电路，所述求和电路的一第三输入端耦接于所述第三滤波器，所述求和电路的一第二输出端耦接于所述发声装置；以及
一第四滤波器，耦接于所述减法电路的所述第二输入端与所述求和电路的一第四输入端之间；
其中，所述第四滤波器是一高通滤波器。
7.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，所述可佩戴式听力装置是一插入式耳机。
8.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，所述合成声压包括存在于一耳道内的声压。
9.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，所述合成声压包括所述可佩戴式听力装置造成的空气泄漏。
10.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一上采样电路，耦接于所述减法电路的所述第二输入端。
11.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一处理电路，用来编程用于耦接于所述减法电路的所述第一输入端与所述第一声音感测装置之间的一第一滤波器、耦接于所述减法电路的所述第二输入端的一第二滤波器、耦接于所述减法电路的所述第一输出端与所述发声装置之间的一第三滤波器、耦接于所述减法电路的所述第二输入端及一求和电路的一第四输入端之间的一第四滤波器、一上采样电路的一第五滤波器、或耦接于所述减法电路的所述第一输出端与所述发声装置之间的一乘法器的系数。
12.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
至少一第六滤波器，用来编程用于耦接于所述减法电路的所述第一输入端与所述第一声音感测装置之间的一第一滤波器、耦接于所述减法电路的所述第二输入端的一第二滤波器、耦接于所述减法电路的所述第一输出端与所述发声装置之间的一第三滤波器、耦接于所述减法电路的所述第二输入端及一求和电路的一第四输入端之间的一第四滤波器、一上采样电路的一第五滤波器、或耦接于所述减法电路的所述第一输出端与所述发声装置之间的一乘法器的系数；以及
一存储器，用来存储所述系数。
13.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，所述减法电路是一差分放大器。
14.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一电压源，用来提供一偏压；
一第一电阻器，所述第一电阻器的一第一端耦接于所述第一声音感测装置的一第一电极，所述第一电阻器的一第二端耦接于所述电压源；
一第二电阻器，所述第二电阻器的一第三端耦接于所述第一声音感测装置的一第二电极，所述第二电阻器的一第四端耦接于所述电压源；
一第一放大器，耦接于所述第二端；以及
一第二放大器，耦接于所述第四端。
15.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，还包括：
一第二声音感应装置，耦接于所述减法电路的所述第二输入端，其中，所述第二声音感应装置用来侦测一环境声源所产生的一声压，所述合成声压至少由所述发声装置及所述环境声源所产生。
16.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，包括至少一滤波器耦接于所述减法电路，所述至少一滤波器包括加法器及存储单元以执行滤波器系数乘法，且所述至少一滤波器不包括乘法电路。
17.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，从施加到所述发声装置的所述驱动电压到所述发声装置对应于所述驱动电压所产生的一生成声音的一第三相位延迟小于30°。
18.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，其中从冲击于所述第一声音感测装置的所述合成声压到所述第一声音感测装置对应于所述合成声压所产生的一信号的一第二相位延迟小于30°。
19.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，其中所述发声装置与所述第一声音感测装置之间的一间隔小于3.5毫米。
20.如权利要求1所述的音频系统，其特征在于，其中从所述发声装置到所述第一声音感测装置的一声音传播延迟小于10微秒。
21.一种音频方法，其特征在于，包括：
通过一第一声音感测装置感测至少由一发声装置所产生的一合成声压，并根据所述合成声压产生一感测信号；
从一输入音频信号扣除对应于所述合成声压的一第一信号以获得一差分信号，其中，所述第一信号是根据感测信号产生；
根据所述差分信号获得一驱动电压；以及
所述发声装置根据所述驱动电压产生一生成声音；
其中，所述驱动电压与所述感测信号之间的一第一相位延迟小于60°。
22.如权利要求21所述的音频方法，其特征在于，所述第一信号由一第一滤波器根据所述感测信号产生，其中所述第一滤波器的一频率响应相关于所述发声装置及所述第一声音感测装置的一合成频率响应的一倒数。
23.如权利要求21所述的音频方法，其特征在于，其中所述输入音频信号由一第二滤波器产生，其中所述第二滤波器的一频率响应相关于所述发声装置及所述第一声音感测装置的一合成频率响应。
24.如权利要求21所述的音频方法，其特征在于，还包括：
引导所述差分信号通过一第三滤波器，以获得一第一输出信号；
其中，所述第三滤波器是一低通滤波器。
25.如权利要求24所述的音频方法，其特征在于，还包括：
引导所述输入音频信号通过一第四滤波器，以获得一第二输出信号；以及
将所述第一输出信号及所述第二输出信号相加，以获得一混合信号。
26.如权利要求21所述的音频方法，其特征在于，所述输入音频信号是以一上采样数据速率重新采样。
27.如权利要求21所述的音频方法，其特征在于，还包括：
编程用于耦接于所述第一声音感测装置的一第一滤波器、一第二滤波器、耦接于所述发声装置的一第三滤波器、耦接于所述发声装置的一第四滤波器的系数。
28.一种音频系统，其特征在于，包括：
一发声装置，由一驱动电压驱动；
一声音感测装置，用来感测至少由所述发声装置所产生的一合成声压，并据以产生一感测信号；以及
一减法电路，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，其中，所述第一输入端耦接于所述声音感测装置，所述第一输出端耦接于所述发声装置；
其中，所述发声装置、所述声音感测装置及所述减法电路构成一反馈回路；
其中，从施加到所述发声装置的所述驱动电压到所述发声装置对应于所述驱动电压所产生的一生成声音的一相位延迟小于30°。
29.一种音频系统，其特征在于，包括：
一发声装置，由一驱动电压驱动；
一声音感测装置，用来感测至少由所述发声装置所产生的一合成声压，并据以产生一感测信号；以及
一减法电路，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，其中，所述第一输入端耦接于所述声音感测装置，所述第一输出端耦接于所述发声装置；
其中，所述发声装置、所述声音感测装置及所述减法电路构成一反馈回路；
其中，从冲击于所述声音感测装置的所述合成声压到所述声音感测装置对应于所述合成声压所产生的一信号的一相位延迟小于30°。
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