CN113365187A - 降噪耳机 - Google Patents

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CN113365187A CN202110817974.9A CN202110817974A CN113365187A CN 113365187 A CN113365187 A CN 113365187A CN 202110817974 A CN202110817974 A CN 202110817974A CN 113365187 A CN113365187 A CN 113365187A
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张亚东
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Abstract

本发明实施例公开了一种降噪耳机，本申请涉及电信通话辅助设备技术领域。其包括机壳以及降噪模块，机壳为腔体式结构，机壳与耳朵之间形成联通的第一腔体；降噪模块位于第一腔体内，降噪模块包括声电换能器件以及声阻抗控制单元，声阻抗控制单元连接于声电换能器件上以使得声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗。本申请实施例在不需要额外的麦克风来采集外界噪声或腔体内噪声的情况下，实现了对耳机中的预设频段的噪声进行降噪的效果。

Description

降噪耳机
技术领域
本发明涉及电信通话辅助设备技术领域，具体是涉及一种降噪耳机。
背景技术
近年来，耳机已成为人们生活中常见的必需品，耳机在使用过程中难免产生噪声而影响人们的使用效果，降噪耳机越来越广泛地被大众所接受。降噪耳机通常需要增加额外的麦克风来采集外界噪声或腔体内噪声，降噪耳机对采集到的噪声通常采用的降噪技术分为主动降噪技术(ANC)以及被动降噪技术(PNC)。主动降噪技术需要通过增加额外的麦克风来采集外界噪声或腔体内的噪声用于控制声源振动，使得该声源的幅度与噪声相同，而相位刚好相反，从而可以将这噪声抵消掉以实现降噪，例如采用电子滤波器等工具实现对耳机噪声进行主动降噪。被动降噪技术为于噪声声源处、噪声传播过程中或是于人的耳朵处吸收噪声以实现降噪。然而，由于耳机中的噪声的频率范围为20Hz-20KHz，仅采用主动降噪技术主要降低频率范围为50Hz-2KHz的中低频噪声，主动降噪技术对噪声中的中高频噪声降噪效果不佳。现有的降噪耳机中通常采用隔声结构来对噪声中的中高频噪声进行被动降噪，然而由于降噪耳机中某些共振的存在导致部分频段降噪效果不佳。
鉴于此，有必要提供一种降噪耳机以解决上述缺陷。
发明内容
本发明提供了一种降噪耳机，旨在解决现有降噪耳机对中高频噪声降噪效果不佳等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出了降噪耳机，其包括机壳以及降噪模块，其中，所述机壳为腔体式结构，所述机壳与耳朵之间形成联通的第一腔体；所述降噪模块位于所述第一腔体内，所述降噪模块包括声电换能器件以及声阻抗控制单元，所述声阻抗控制单元连接于所述声电换能器件上以使得所述声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗。
在进一步的技术方案中，所述声阻抗控制单元为含有预设电阻抗值的电阻抗器件或电阻抗电路，所述声阻抗控制单元连接于所述声电换能器件的正负极，以使得所述声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗。
在进一步的技术方案中，所述声电换能器件为第一动圈喇叭或压电器件，所述压电器件中的压电材料为压电陶瓷或压电薄膜。
在进一步的技术方案中，所述第一动圈喇叭的膜片表面的等效声阻抗Zsp1由以下公式决定：
Figure BDA0003170885140000021
其中，Zm是所述第一动圈喇叭的等效力阻抗，Sd是所述第一动圈喇叭的膜片的有效辐射面积，Bl是所述第一动圈喇叭的电力换能系数，Ze是所述降噪单元的电阻抗，v是所述第一动圈喇叭的膜片的振动速度，Zab是所述第一动圈喇叭的膜片背面的声阻抗，Ue是所述第一动圈喇叭的驱动电压。
在进一步的技术方案中，所述压电器件的等效声阻抗Zin由以下公式决定：
Zin＝Zm*Tm+Ze*Te
其中，Zm是所述压电器件的机械阻抗，Ze是连接于所述压电器件的所述电阻抗器件或所述电阻抗电路的电阻抗，Tm是第一换能因子，Te是第二换能因子。
在进一步的技术方案中，所述机壳包括用于安装所述声电换能器件的盖体，所述降噪耳机还包括出音部，所述出音部安装于所述盖体上，所述出音部与所述盖体配合以形成所述第一腔体。
在进一步的技术方案中，所述机壳还包括第一壳体，所述第一壳体为设有开口的腔式结构，所述盖体安装于所述第一壳体上的开口处以形成第二腔体；所述降噪耳机还包括发声部，所述发声部安装于所述盖体上并位于所述第二腔体内，所述发声部用于声重放或主动降噪。
在进一步的技术方案中，所述第一动圈喇叭安装于所述盖体上并设于对应于所述发声部的位置。
在进一步的技术方案中，所述降噪耳机还设有第二壳体，所述第二壳体设于所述第一壳体的一侧并安装于所述盖体上，所述第二壳体与所述盖体之间形成第三腔体，所述第一动圈喇叭设于对应于所述第三腔体的位置并安装于所述盖体上。
在进一步的技术方案中，所述压电器件安装于所述盖体上并设于对应于所述发声部的位置。
与现有技术相比，本发明提供的降噪耳机，于机壳与耳朵之间形成的联通的第一腔体内设置降噪模块，降噪模块包括声电换能器件以及连接于声电换能器件的声阻抗控制单元，通过声阻抗控制单元控制声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗，例如当设置预设等效声阻抗趋于零时，声电换能器件可吸收耳朵处的第一腔体内的预设频段的噪声，从而在无需增加额外的麦克风来采集外界噪声或第一腔体内噪声的情况下实现降噪耳机的降噪功能，提升用户体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的降噪耳机一实施例的剖视图；
图2为图1所示的降噪耳机的降噪单元的等效电路图；
图3为图1所示的降噪耳机的第一动圈喇叭的等效电路图；
图4为本发明的降噪耳机另一实施例的剖视图；
图5为本发明的降噪耳机又一实施例的剖视图；
图6为图5所示的降噪耳机的降噪单元的结构示意图；
图7为图5所示的降噪耳机的降噪单元的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。此外，在附图中，结构相似或相同的结构是以相同标号表示。
本发明实施例提供了一种降噪耳机100，如图1、图4以及图5所示，其包括机壳以及降噪模块5，其中，机壳为腔体式结构，机壳与耳朵9之间形成第一腔体7；降噪模块5位于第一腔体7内，降噪模块5包括声电换能器件以及声阻抗控制单元，声阻抗控制单元连接于声电换能器件上以使得声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗。
与现有技术相比，本发明提供的降噪耳机100，于机壳与耳朵9之间形成的联通的第一腔体内设置降噪模块，降噪模块包括声电换能器件以及连接于声电换能器件的声阻抗控制单元51，通过声阻抗控制单元51控制声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗，例如当设置预设等效声阻抗趋于零时，声电换能器件可吸收耳朵处的第一腔体内的预设频段的噪声，从而在无需增加额外的麦克风来采集外界噪声或第一腔体内噪声的情况下实现降噪耳机的降噪功能，提升用户体验。
在某些实施例，如图2及图6所示，声阻抗控制单元51为含有预设电阻抗值的电阻抗器件或电阻抗电路，声阻抗控制单元51连接于声电换能器件的正负极以使得所述声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗。在本实施例中，电阻抗器件或电阻抗电路可以是由电阻、电容、电感组成的Foster电路或器件，也可以是通过有源电路实现的一些non-Foster电路或器件，由于电阻抗器件或电阻抗电路的电阻抗大小可调，通过调节电阻抗器件或电阻抗电路等效成的外置电阻抗值为预设电阻抗值，进而调节声电换能器件的等效声阻抗的大小，调节方式简单，便于操作，当调节声电换能器件的等效声阻抗为匹配第一腔体7内的预设频段的噪声的预设等效声阻抗，则可吸收第一腔体7内的噪声而实现降噪的效果。
在某些实施例，如图1至图4所示，声电换能器件为第一动圈喇叭52。以第一动圈喇叭52作为声电换能器件，第一动圈喇叭52吸收第一腔体7内的噪声，并将其转化为电能耗散掉，以实现降噪耳机的降噪效果。基于第一动圈喇叭52的生产成本较低，可整体降低降噪耳机的生产成本。
在某些实施例，连接了电阻抗器件或电阻抗电路的第一动圈喇叭52的等效电路图如图3所示，其中Zm是第一动圈喇叭52的等效力阻抗，Sd是第一动圈喇叭52的膜片的有效辐射面积，Bl是第一动圈喇叭52的电力换能系数，Ze是降噪模块的电阻抗，由于第一动圈喇叭52自身含有电阻抗，当声阻抗控制单元为电阻抗器件时，Ze是第一动圈喇叭52以及电阻抗器件的电阻抗，当声阻抗控制单元为电阻抗电路时，Ze是第一动圈喇叭52以及电阻抗电路的电阻抗，v是第一动圈喇叭的膜片的振动速度，Zab是第一动圈喇叭52的膜片背面的声阻抗，Ue是第一动圈喇叭52的驱动电压，pf和pb分别是第一动圈喇叭52正面和背面的声压。由于第一动圈喇叭52的结构和原理为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。在本实施例中，连接了电阻抗器件或电阻抗电路的第一动圈喇叭52的膜片表面的等效声阻抗Zsp1由以下公式决定：
Figure BDA0003170885140000051
若加在第一动圈喇叭52上的驱动电压Ue等于0，则第一动圈喇叭52的膜片表面的等效声阻抗Zsp1为：
Figure BDA0003170885140000052
当根据第一腔体7内的相关频率段的噪声的频率确定预设等效声阻抗的大小，进而确定预设电阻抗值，通过调节第一动圈喇叭52以及连接于第一动圈喇叭52的电阻抗器件或电阻抗电路的电阻抗Ze的大小为预设电阻抗值，即可调节第一动圈喇叭52的膜片表面的等效声阻抗Zsp1的大小为预设等效声阻抗，从而使得位于第一腔体7内的相关频率段的噪声被第一动圈喇叭52转化为电能进行消耗，从而达到降低第一腔体7内的噪声的目的，实现被动降噪的效果。特别地，当使用有源电路形成non-Foster电路或器件，例如non-Foster器件为电流反向负载转换器(INC)或电压反向负载转换器(VNC)，由于non-Foster电路或器件可等效为负阻抗，可进一步拓展可以调节的噪声的频率宽度。
在本实施例中，如图1、图4及图5所示，机壳包括第一壳体1以及盖体2，降噪耳机100还包括发声部3以及出音部4。其中，第一壳体1为设有开口的腔式结构；盖体2安装于第一壳体1上的开口处以形成第二腔体6；发声部3安装于第二腔体6内，发声部3用于声重放或主动降噪；出音部4安装于盖体2上远离第一壳体1的一侧，出音部4与盖体2配合以形成用于出音的第一腔体7；声电换能器件安装于盖体2上，声阻抗控制单元51连接于声电换能器件上以使得声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗，进而降低第一腔体7内的噪声大小，其中预设等效声阻抗为使得声电换能器件所吸收的相关频率段的噪声被完全消耗掉时的等效声阻抗的大小，例如预设等效声阻抗为零。
在某些实施例，降噪耳机100可以为头戴式耳机也可以为耳塞式耳机，在本实施例中，降噪耳机100为头戴式耳机，发声部3为第二动圈喇叭，第二动圈喇叭的线圈在信号电流驱动下带动振膜发声以进行声重放或实现主动降噪，由于通过动圈喇叭实现声重放或主动降噪的技术为本领域常用的技术，其具体结构和原理为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。出音部4为耳套，耳套通过卡扣安装于盖体2上。当使用者头戴降噪耳机100，使用者的耳朵9贴近耳套，耳套与盖体2形成第一腔体7，由于外界噪声会通过各种声学路径到达第一腔体7内，使用者的耳朵9感知到的主要就是第一腔体7内的噪声，声电换能器件通过所连接的声阻抗控制单元51调节声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗，进而可实现降低第一腔体7内的噪声大小。
在某些实施例，如图1、图4以及图5所示，盖体2上设有安装架21，安装架21与盖体2为一体式结构，安装架21朝向第一壳体1的一侧设置，第二动圈喇叭的端部安装于安装架21上，例如通过胶水黏结的方式进行固定安装，第二动圈喇叭基于安装架21的作用与盖体2之间形成间隙。基于该结构的设计，第二动圈喇叭设于第一壳体1与盖体2所形成的第二腔体6内，提高了第二动圈喇叭的安全性，且使得盖体2上设有出音部4的一侧平整，提升装置的外观美感。
在某些实施例，如图1、图4以及图5所示，降噪耳机100上设有第一开孔11以及第二开孔22，第一开孔11设于第一壳体1上，第二开孔22设于盖体2上，第一开孔11以及第二开孔22使得便于第二腔体6内空气的流入和流出，平衡降噪耳机100的内部压力，以使内置的第二动圈喇叭震动更加流畅自如。
在一实施例中，如图1所示，第一动圈喇叭52安装于盖体2上并设于对应于第二动圈喇叭的位置，第二开孔22位于第一动圈喇叭52的端部并设于安装架21之间所夹设的盖体2上，由于第二动圈喇叭与盖体2之间存在间隙，第二动圈喇叭与第一动圈喇叭52之间也存在间隙，第二开孔22与第一开孔配合以实现平衡降噪耳机100的内部压力的同时，也便于第二动圈喇叭的声音传播至第二动圈喇叭与第一动圈喇叭52之间的间隙内。第一动圈喇叭52所对应的盖体2上设有第三开孔23，第一动圈喇叭52的端部安装于第三开孔23边缘的盖体2上，例如可通过胶水黏结的方式进行固定安装，第三开孔23作为第一动圈喇叭52的进声孔以便于噪声可从第三开孔23传播至第一动圈喇叭52的膜片上，基于该结构的设计，第一动圈喇叭52安装至靠近第一腔体7的盖体2上，便于吸收第一腔体7内的噪声，提升降噪效果。
在另一实施例中，如图4所示，降噪耳机100还设有第二壳体8，第二壳体8设于第一壳体1的一侧并安装于盖体2上，第二壳体8与盖体2之间形成第三腔体10，第一动圈喇叭52设于对应于第三腔体10的位置并安装于盖体2上，对应于第一动圈喇叭52的盖体2上设有第三开孔23，第三开孔23作为进声孔以吸收噪声至第一动圈喇叭52的膜片上。基于该结构的设计，第三腔体10作为第一动圈喇叭52本身的后腔体，通过对第一动圈喇叭52本身的后腔体的容积的调节，进一步增加了第一动圈喇叭52的降噪参数调节的灵活性。
在又一实施例中，如图5至图7所示，声电换能器件为压电器件53。压电器件53设于对应于第二动圈喇叭的位置并安装于盖体2上，第二开孔22设于盖体2上并位于压电器件53的端部。压电器件53包括基材54以及附着于基材54上的压电材料55。在本实施例中，压电材料55为压电陶瓷，由于压电陶瓷的机电耦合系数较高，且因其制造工艺简单，可降低生产成本。压电材料55也可以为压电薄膜，基于压电薄膜具有良好的成型性和柔顺性的特性，且加工工艺简单，也可实现降低生产成本。在本实施例中，压电陶瓷或压电薄膜均为片状结构，可进一步降低降噪耳机100的尺寸，提高结构的紧凑性。压电材料55的正负极连接声阻抗控制单元51，声阻抗控制单元51用于调节压电器件53的等效声阻抗的大小。由于压电器件53中的压电材料55由于形变的存在会产生电压Ue为：
Figure BDA0003170885140000081
其中，d33为压电材料55的压电常数，x为基材54产生形变的位移。
压电材料55的等效电容Ca为：
Figure BDA0003170885140000082
其中，ε0为真空介电常数，εr为压电材料55的介电常数，A为压电材料55的面积，d为压电材料55的厚度，压电材料55受到的反作用力Fe为：
Figure BDA0003170885140000083
当噪声的声压作用于压电器件53的基材54的两面，声压和压电材料55的反作用力Fe一起构成基材54受到的作用力Ft，则基材54受到的作用力Ft为：
Figure BDA0003170885140000084
其中，Zm为压电器件53的等效机械阻抗，
Figure BDA0003170885140000085
为基材54产生形变的位移与时间的导数。压电器件53所受到的声压转化的机械效应，再基于压电器件53的正压电效应，实现将压电器件53吸收的噪声的机械效应转化为电效应。
在某些实施例，例如本实施例中，连接了电阻抗器件或电阻抗电路的压电器件53的等效声阻抗Zin由以下公式决定：
Zin＝Zm*Tm+Ze*Te
其中，Zm是压电器件53的等效机械阻抗，Ze是连接于压电器件53的电阻抗器件或电阻抗电路的电阻抗，电阻抗Ze可以为负阻抗以进一步拓展可以调节的噪声的频率宽度，Tm是第一换能因子，Te是第二换能因子。当调节连接于压电器件53的电阻抗器件或电阻抗电路的电阻抗Ze的大小为预设电阻抗值，可使压电器件53表面对预设频段的噪声具有特定的等效声阻抗，进而通过消耗第一腔体7内的噪声以实现降噪耳机100对第一腔体7内的预设频段的噪声的降噪效果。
本发明提供的降噪耳机100，于机壳与耳朵之间形成第一腔体内设置降噪模块，降噪模块包括声电换能器件以及连接于声电换能器件的声阻抗控制单元，通过声阻抗控制单元控制声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗，例如当设置预设等效声阻抗趋于零时，声电换能器件可吸收耳朵处的第一腔体内的预设频段的噪声，从而在无需增加额外的麦克风来采集外界噪声或第一腔体内噪声的情况下实现降噪耳机的降噪功能，提升用户体验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种降噪耳机，其特征在于，包括：机壳以及降噪模块，其中，
所述机壳为腔体式结构，所述机壳与耳朵之间形成联通的第一腔体；
所述降噪模块位于所述第一腔体内，所述降噪模块包括声电换能器件以及声阻抗控制单元，所述声阻抗控制单元连接于所述声电换能器件上以使得所述声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗。
2.根据权利要求1所述的降噪耳机，其特征在于：所述声阻抗控制单元为含有预设电阻抗值的电阻抗器件或电阻抗电路，所述声阻抗控制单元连接于所述声电换能器件的正负极，以使得所述声电换能器件的等效声阻抗为预设等效声阻抗。
3.根据权利要求2所述的降噪耳机，其特征在于：所述声电换能器件为第一动圈喇叭或压电器件，所述压电器件中的压电材料为压电陶瓷或压电薄膜。
4.根据权利要求3所述的降噪耳机，其特征在于：所述第一动圈喇叭的膜片表面的等效声阻抗Zsp1由以下公式决定：
Figure FDA0003170885130000011
其中，Zm是所述第一动圈喇叭的等效力阻抗，Sd是所述第一动圈喇叭的膜片的有效辐射面积，Bl是所述第一动圈喇叭的电力换能系数，Ze是所述降噪模块的电阻抗，v是所述第一动圈喇叭的膜片的振动速度，Zab是所述第一动圈喇叭的膜片背面的声阻抗，Ue是所述第一动圈喇叭的驱动电压。
5.根据权利要求3所述的降噪耳机，其特征在于，所述压电器件的等效声阻抗Zin由以下公式决定：
Zin＝Zm*Tm+Ze*Te
其中，Zm是所述压电器件的等效机械阻抗，Ze是连接于所述压电器件的所述电阻抗器件或所述电阻抗电路的电阻抗，Tm是第一换能因子，Te是第二换能因子。
6.根据权利要求3所述的降噪耳机，其特征在于，所述机壳包括用于安装所述声电换能器件的盖体，所述降噪耳机还包括出音部，所述出音部安装于所述盖体上，所述出音部与所述盖体配合以形成所述第一腔体。
7.根据权利要求6所述的降噪耳机，其特征在于，
所述机壳还包括第一壳体，所述第一壳体为设有开口的腔式结构，所述盖体安装于所述第一壳体上的开口处以形成第二腔体；
所述降噪耳机还包括发声部，所述发声部安装于所述盖体上并位于所述第二腔体内，所述发声部用于声重放或主动降噪。
8.根据权利要求7所述的降噪耳机，其特征在于：所述第一动圈喇叭安装于所述盖体上并设于对应于所述发声部的位置。
9.根据权利要求7所述的降噪耳机，其特征在于：所述降噪耳机还设有第二壳体，所述第二壳体设于所述第一壳体的一侧并安装于所述盖体上，所述第二壳体与所述盖体之间形成第三腔体，所述第一动圈喇叭设于对应于所述第三腔体的位置并安装于所述盖体上。
10.根据权利要求7所述的降噪耳机，其特征在于，所述压电器件安装于所述盖体上并设于对应于所述发声部的位置。
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