CN113299264B - 主动降噪方法、装置、耳机、可读存储介质及电子设备 - Google Patents

主动降噪方法、装置、耳机、可读存储介质及电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种主动降噪方法、装置、耳机、可读存储介质及电子设备。本申请首先根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和第一降噪参数，确定第一降噪信号，然后，基于该第一降噪信号驱动扬声器对误差麦克风所对应的目标区域进行降噪，能够提升降噪深度，实现更好的降噪效果。

Description

主动降噪方法、装置、耳机、可读存储介质及电子设备
技术领域
本申请涉及音频信号处理技术领域，具体而言涉及一种主动降噪方法、装置、耳机、可读存储介质及电子设备。
背景技术
主动降噪(Active Noise Cancellation，ANC)领域中，前馈主动降噪方案最为常用。然而，在前馈主动降噪中，采集环境噪声的参考麦克风相对于目标降噪区域，更靠近原始噪声源，因此降噪宽度(能降噪的频率范围)较大，但由于并不能反应降噪后的噪声水平，其降噪深度(能降低的声压级)通常较低。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，提供一种主动降噪方法、装置、耳机、可读存储介质及电子设备，通过实施反馈主动降噪系统提升主动降噪效果。本申请具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种主动降噪方法，其步骤包括：根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和第一降噪参数，确定第一降噪信号；基于所述第一降噪信号驱动扬声器，对所述误差麦克风对应的目标区域进行降噪。
可选的，如上任一所述的主动降噪方法，其中，还包括：根据参考麦克风采集的原始噪声信号和第二降噪参数，确定第二降噪信号；根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和第一降噪参数，确定第一降噪信号，包括：根据初始的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及次级声学路径参数，确定次级路径估计信号；确定所述剩余噪声信号与所述次级路径估计信号之间的偏差信号；根据所述偏差信号和所述第一降噪参数，确定更新的第一降噪信号；基于所述第一降噪信号驱动扬声器，包括：基于所述更新的第一降噪信号及所述第二降噪信号驱动所述扬声器。
可选的，如上任一所述的主动降噪方法，其中，还包括：基于所述初始的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及所述偏差信号，确定更新的次级声学路径参数；根据所述更新的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及所述更新的次级声学路径参数，确定更新的次级路径估计信号。
可选的，如上任一所述的主动降噪方法，其中，基于所述初始的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及所述偏差信号，确定更新的次级声学路径参数，包括：根据与噪声信号无相关性的待播放信号与所述初始的第一降噪信号及所述第二降噪信号的叠加信号和所述次级声学路径参数，确定所述次级路径估计信号；根据所述剩余噪声信号与所述次级路径估计信号，确定所述偏差信号；基于所述叠加信号和所述偏差信号，确定所述更新的次级声学路径参数。
可选的，如上任一所述的主动降噪方法，其中，还包括：根据所述原始噪声信号和所述次级声学路径参数，以及所述剩余噪声信号，确定所述第二降噪参数。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种主动降噪装置，其包括：确定模块，用于根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和降噪参数，确定降噪信号；降噪模块，用于基于所述降噪信号驱动扬声器，对所述误差麦克风对应的目标区域进行降噪。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种主动降噪耳机，其包括：误差麦克风，用于采集用户耳内的剩余噪声信号；反馈滤波器，用于对所述剩余噪声信号进行降噪滤波，输出反馈降噪信号；扬声器，用于响应所述反馈降噪信号，发出降噪声波。
可选的，如上任一所述的主动降噪耳机，其中，所述反馈滤波器为自适应滤波器。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其包括存储在其上的计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使得所述处理器执行如上任一项所述的主动降噪方法。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种电子设备，其包括：处理器；存储器，所述存储器包括存储在其上的计算机指令，所述计算机指令在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上任一项所述的主动降噪方法。
有益效果
本申请首先根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和第一降噪参数，确定第一降噪信号，然后，基于该第一降噪信号驱动扬声器对误差麦克风所对应的目标区域进行降噪，能够提升降噪深度，实现更好的降噪效果。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1是根据本申请一实施例实现的主动降噪耳机的基础原理框架示意图；
图2是图1中主动降噪耳机的信号处理框图；
图3是根据本申请另一实施例实现的主动降噪耳机的信号处理框图；
图4是根据本申请再一实施例实现的主动降噪耳机的信号处理框图；
图5是根据本申请再一实施例实现的主动降噪耳机的信号处理框图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
需要说明的是，本申请方法以主动降噪耳机为执行主体进行示例性说明，通过主动降噪耳机电路框架描述本申请方法涉及的步骤和流程，但在耳机以外其它主动降噪设备的场景中同样适用。
图1为根据本申请方法实施例实现的一种主动降噪耳机框架，其对应的信号处理过程如图2所示。该主动降噪耳机包括：误差麦克风err Mic，扬声器，以及反馈控制器(即反馈滤波器，对应第一降噪参数Wfb)。图中，err Mic采集的降噪后的剩余噪声信号为e(n)，第一降噪信号(即反馈降噪信号)为b(n)。
本申请主动降噪方法通过反馈降噪系统实时处理目标区域被降噪后的噪声，并基于反馈降噪信号驱动扬声器对目标区域进行降噪，能够显著提升降噪深度。
为进一步提高降噪效果，本申请根据方法实施例还在该耳机中设置图1或图2所示的参考麦克风ref Mic和与之相连的前馈控制器(即前馈滤波器，对应第二降噪参数Wff)。其中，ref Mic采集的原始噪声信号为d(n)，第二降噪信号(即前馈降噪信号)为y(n)，初级声学路径(ref Mic至err Mic)参数为P，次级声学路径(扬声器至err Mic)参数为G。此时，前馈降噪系统与反馈降噪系统共同驱动扬声器播放降噪声波。
需要说明的是，本申请附图中的虚线框图(P、G)代表耳机声腔空间内的真实声学路径，而虚线箭头代表声信号在相应空间内的传播。
本申请主动降噪方法通过前馈降噪与反馈降噪混合的方式，对误差麦克风所在的目标区域进行降噪，反馈降噪系统实时处理目标区域被降噪后的噪声，能够保证出色的降噪深度；同时，前馈降噪系统实时处理尚未抵达目标区域的噪声，能够显著提升降噪宽度。
综上，由第一降噪信号与第二降噪信号的叠加信号驱动扬声器播放降噪声波，能够兼备降噪宽度及降噪深度，提升对目标区域的主动降噪效果。
承上述，剩余噪声信号可以通过下式进行频域描述：
[e(f)·Wfb(f)+y(f)]·G(f)+d(f)·P(f)＝e(f) 式(1)
从而有：
可见，以剩余噪声信号作为反馈控制器的输入，其受反馈系统的开环传递函数Wfb(f)·G(f)的影响，若其在某频段趋近于1，则反馈系统将发生失稳。
对此，如图1、2所示，前述反馈降噪系统中还设有：次级路径传递函数估计作为次级声学路径参数的估计单元，用于以电路传递函数表征真实的次级声学路径传递函数。
与前述实施例不同的是，在反馈降噪系统确定第一降噪信号时：根据第一降噪信号b(n)和第二降噪信号y(n)的叠加信号b(n)+y(n)，以及确定次级路径估计信号，确定剩余噪声信号e(n+1)与次级路径估计信号之间的偏差信号e’(n+1)，并根据偏差信号e’(n+1)和第一降噪参数Wfb确定第一降噪信号b(n+1)。此时，反馈控制器的输入信号不再是剩余噪声信号，而是(频域表达)：
由此，本申请方法通过在反馈降噪系统中加入对次级声学路径参数的估计单元使得反馈控制器的输入信号不存在极点，从而使本实施例中反馈系统的稳定性得到增强。
再者，反馈控制器的输入信号仅与原始噪声信号和初级声学路径相关，而不含前馈控制器输出的前馈降噪信号，使得本实施例中的前馈降噪系统与反馈降噪系统之间具备良好的优势互补性。
上述方案中，估计单元既可以是在耳机出厂前离线设计的，也可以在耳机实际使用过程中通过自适应求解所获得，如图3所示：根据第一降噪信号b(n)和第二降噪信号y(n)的叠加信号b(n)+y(n)，以及/>确定次级路径估计信号，基于叠加信号b(n)+y(n)和偏差信号e’(n)确定/>并根据叠加信号b(n+1)+y(n+1)和/>更新次级路径估计信号；此后，与前述实施例相同，确定剩余噪声信号e(n+2)与次级路径估计信号之间的偏差信号e’(n+2)，并根据偏差信号e’(n+2)和第一降噪参数Wfb确定第一降噪信号b(n+2)。
自适应求解的过程中，偏差信号e’(n)作为自适应环节的其中一个输入信号，而自适应环节的另一个输入信号除包含第一降噪信号b(n)和第二降噪信号y(n)外，在一些实施例中，还可进一步叠加有与噪声信号无相关性的耳机待播放信号x(n)，例如：媒体音频信号或通话语音信号。
本申请根据方法实施例还提供有如图4所示的主动降噪耳机框架。与图2不同的是，该主动降噪耳机中的前馈滤波器被设置为自适应滤波器。在自适应环节中：根据原始噪声信号d(n)和前述确定的得到自适应环节的其中一个输入信号，并将剩余噪声信号e(n)作为自适应环节的另一个输入信号，通过二者对前馈控制器的初始参数进行迭代更新，直至剩余噪声信号e(n)的能量收敛到最小值，此时确定最优的第二降噪参数Wff。
本申请根据方法实施例还提供有如图5所示的主动降噪耳机框架。与图2和图4不同的是，该主动降噪耳机中的反馈滤波器被设置为自适应滤波器。在自适应环节中：将反馈控制器的输入信号，也即偏差信号e’(n)作为自适应环节的其中一个输入信号，并将剩余噪声信号e(n)作为自适应环节的另一个输入信号，通过二者对反馈控制器的初始参数进行迭代更新，直至剩余噪声信号e(n)的能量收敛到最小值，此时确定最优的第一降噪参数Wfb。
在其他实现方式下，本申请还提供一种主动降噪装置，其包括：
确定模块，用于根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和降噪参数，确定降噪信号；
降噪模块，用于基于降噪信号驱动扬声器，对误差麦克风对应的目标区域进行降噪。
将上述主动降噪装置应用于耳机，可进一步获得本申请前述实施例提供的主动降噪耳机。该耳机包括：
误差麦克风，设于耳机壳内、靠近出声孔位置，用于采集用户耳内的剩余噪声信号；
反馈滤波器，对应上述主动降噪装置中的确定模块，用于对剩余噪声信号根据第一降噪参数进行降噪滤波，输出反馈降噪信号；
扬声器，对应上述主动降噪装置中的降噪模块，用于响应反馈降噪信号，发出降噪声波。
本申请主动降噪耳机通过反馈降噪实时处理用户耳道处被降噪后的噪声，并基于反馈降噪信号驱动扬声器对用户耳道进行降噪，能够显著提升降噪深度。
在一些实施例中，上述耳机还可包括：
参考麦克风，设于耳机外壳上，用于采集用户耳外的原始噪声信号；以及
前馈滤波器，对应上述主动降噪装置中的确定模块，用于对原始噪声信号根据第二降噪参数进行降噪滤波，输出前馈降噪信号；
此时，耳机扬声器响应于前馈降噪信号与反馈降噪信号的叠加信号，发出降噪声波。
在一些实施例中，前馈滤波器、反馈滤波器均可以实现为自适应滤波器。
本申请主动降噪耳机通过前馈降噪与反馈降噪的混合架构，对用户的耳道进行降噪，反馈滤波器实时处理耳内的剩余噪声，能够保证出色的降噪深度，最高可达35～40dB；同时，前馈滤波器实时处理尚未进入耳道的环境噪声，能够显著提升降噪宽度，最高可达3kHz(千赫)。综上，由前馈降噪信号与反馈降噪信号的叠加信号驱动耳机扬声器播放降噪声波，能够兼备降噪宽度及降噪深度，显著提升对用户耳道的主动降噪效果。
另一方面，本申请的其他实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的主动降噪方法。可以理解，该计算机存储介质可以为任何有形媒介，例如：软盘、CD-ROM、DVD、硬盘驱动器或网络介质等。
再一方面，本申请的其他实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括：处理器；存储器，存储器包括存储在其上的计算机指令，计算机指令在被处理器执行时，使得处理器执行如上述任一实施例所提供的主动降噪方法。
以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种主动降噪方法，其特征在于，包括：
根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和第一降噪参数，确定第一降噪信号；
基于所述第一降噪信号驱动扬声器，对所述误差麦克风对应的目标区域进行降噪；以及
根据参考麦克风采集的原始噪声信号和第二降噪参数，确定第二降噪信号；
其中，所述根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和第一降噪参数，确定第一降噪信号，包括：根据初始的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及次级声学路径参数，确定次级路径估计信号；确定所述剩余噪声信号与所述次级路径估计信号之间的偏差信号；根据所述偏差信号和所述第一降噪参数，确定更新的第一降噪信号；
其中，所述基于所述第一降噪信号驱动扬声器，包括：基于所述更新的第一降噪信号及所述第二降噪信号驱动所述扬声器。
2.如权利要求1所述的主动降噪方法，其特征在于，还包括：
基于所述初始的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及所述偏差信号，确定更新的次级声学路径参数；
根据所述更新的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及所述更新的次级声学路径参数，确定更新的次级路径估计信号。
3.如权利要求2所述的主动降噪方法，其特征在于，所述基于所述初始的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及所述偏差信号，确定更新的次级声学路径参数，包括：
根据与噪声信号无相关性的待播放信号与所述初始的第一降噪信号及所述第二降噪信号的叠加信号和所述次级声学路径参数，确定所述次级路径估计信号；
根据所述剩余噪声信号与所述次级路径估计信号，确定所述偏差信号；
基于所述叠加信号和所述偏差信号，确定所述更新的次级声学路径参数。
4.如权利要求1所述的主动降噪方法，其特征在于，还包括：根据所述原始噪声信号和所述次级声学路径参数，以及所述剩余噪声信号，确定所述第二降噪参数。
5.一种主动降噪装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于根据误差麦克风采集的剩余噪声信号和第一降噪参数，确定第一降噪信号；
降噪模块，用于基于所述第一降噪信号驱动扬声器，对所述误差麦克风对应的目标区域进行降噪；以及
第二确定模块，用于根据参考麦克风采集的原始噪声信号和第二降噪参数，确定第二降噪信号；
其中，所述第一确定模块进一步用于：根据初始的第一降噪信号和所述第二降噪信号，以及次级声学路径参数，确定次级路径估计信号；确定所述剩余噪声信号与所述次级路径估计信号之间的偏差信号；根据所述偏差信号和所述第一降噪参数，确定更新的第一降噪信号；
其中，所述降噪模块进一步用于：基于所述更新的第一降噪信号及所述第二降噪信号驱动所述扬声器。
6.一种主动降噪耳机，其特征在于，包括：
误差麦克风，用于采集用户耳内的剩余噪声信号；
反馈滤波器，用于对所述剩余噪声信号进行降噪滤波，输出反馈降噪信号；
扬声器，用于响应所述反馈降噪信号，发出降噪声波；
参考麦克风，用于采集用户耳外的原始噪声信号；
前馈滤波器，用于对所述原始噪声信号进行降噪滤波，输出前馈降噪信号；
其中，所述反馈滤波器还用于：根据初始的反馈降噪信号和所述前馈降噪信号，以及次级声学路径参数，确定次级路径估计信号；确定所述剩余噪声信号与所述次级路径估计信号之间的偏差信号；根据所述偏差信号和所述反馈滤波器的降噪参数，确定更新的反馈降噪信号；
其中，所述扬声器还用于响应所述更新的反馈降噪信号及所述前馈降噪信号，发出降噪声波。
7.如权利要求6所述的主动降噪耳机，其特征在于，所述反馈滤波器为自适应滤波器。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储在其上的计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-4中任一项所述的主动降噪方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，所述存储器包括存储在其上的计算机指令，所述计算机指令在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-4中任一项所述的主动降噪方法。
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