CN113692747B - 启用噪声消除的音频系统和调整启用噪声消除的音频系统的目标传递函数的方法 - Google Patents
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Abstract
一种使用环境噪声进行音调性耳鸣治疗的启用噪声消除的音频系统，其包括音频处理器(PROC)和具有可调滤波器函数的至少一个滤波器。耳戴式播放设备(HP)还包括扬声器(SP)和至少一个前馈麦克风(FF_MIC)。音频处理器(PROC)被配置为从前馈麦克风(FF_MIC)接收表示环境噪声的输入信号(Z(s))并确定滤波器传递函数(HF(s))以实现预定的目标传递函数(HT(s))，其中，目标传递函数(HT(s))被配置为在预定频率范围内衰减和/或放大输入信号(Z(s))。滤波器函数根据滤波器传递函数(HF(s))进行调整。滤波器被配置为通过根据滤波器函数对输入信号(Z(s))进行滤波来提供系统输出信号(Y(s))。
Description
以下公开一般涉及一种启用噪声消除的音频系统和一种用于调整启用噪声消除的音频系统的目标传递函数的方法。
如今，人们几乎一天24小时都面临着不期望的噪音。尤其是旅客在乘坐火车或地铁期间经常受到高噪声级的负面影响，从而导致注意力集中问题、压力问题和与他人的交流问题。长期接触噪声的可能后果是耳鸣，这是人类在没有声学刺激的情况下对声音的感知。大约10％到15％的成年人患有慢性耳鸣，然而，只有其中大约20％的人就医，因为耳鸣的声音大到足以影响生活质量。大多数耳鸣患者患有慢性主观性耳鸣，经历着由听觉通路故障引起的幻觉噪声源。幻觉噪声能够具有不同类型的音质。音调性耳鸣是最常见的，其常被描述为听起来像“哔”或“哨声”。
迄今为止，耳鸣没有标准的治疗方法。治疗策略的缺乏是由于对耳鸣的产生机制和维持机制的认知不全面。然而，最近的神经生理学发现表明，耳鸣可能是由适应不良的听觉皮层重组引起的。假定听觉皮层是主要的治疗目标似乎是合理的，因为耳鸣感知出现在这里，并且当耳鸣出现时，听觉皮层可能发生变化。各种研究表明，听觉皮层中的神经元群很可能与耳鸣感知有关，神经元群编码的外部声音与耳鸣声音的声学特性相似。在出现耳鸣的情况下，这些神经元群表现出过度活跃和过度同步，并且神经元兴奋与抑制之间存在不平衡。
侧向抑制对神经元活动的幅度和同步性的衰减效应能够用于抑制人类听觉皮层中的干扰神经活动。侧向抑制是处理听觉信息的一个关键特征。每个神经元都具有特征频率，并对该特征频率最敏感。神经元被其他神经元包围，使得神经元群一起跨越了一系列特征频率。听觉皮层中的神经元基于所述神经元的特征频率以类似于钢琴琴键的简化方式排列。当神经元受到刺激而兴奋，神经元不仅将所述兴奋传递到更高等级，而且还将抑制横向分布到具有更高或更低特征频率的相邻神经元。
此外，众所周知，适应不良的可塑性变化通常是可逆的，并且能够通过使用专门和单独定制的听觉输入的频繁刺激在一定程度上重新训练。关于人类皮质可塑性的文献中的示例指示，当训练强度大、且持之以恒，则训练最有效，其效果也更持久。基于上述发现，一种称为“定制的陷波音乐训练”(TMNMT)的治疗方法使用定制的音乐将侧向抑制吸引到涉及音调性耳鸣感知的听觉神经元。
在聆听定制的音乐信号前，耳鸣患者需要通过心理声学匹配了解他所感知的耳鸣频率。通常，耳科医生会帮助患者找出他或她的个人的耳鸣频率。从音乐信号中去除耳鸣频率周围一个倍频程宽度的频带，这种陷波滤波通常由数字处理器完成，所述处理器将所需的信号处理应用到音乐文件中，生成一个能够使用普通手机、平板电脑、mp3播放器等播放的新版本。用户使用标准耳机在较长时间内持续聆听音乐。通过这样做，与耳鸣频率相比具有更高和更低的特征频率的神经元强烈兴奋，并将抑制过度活跃且最有可能导致耳鸣噪声的神经元群。
长期研究表明，聆听这种频谱“陷波”的音乐能够显著减少与陷波中心频率相对应的皮层活动。研究证明，经过12个月的聆听训练(每天通过耳机听1-2小时)后，目标组的患者所感知的耳鸣响度显著降低。虽然患者能够选择任何他喜欢的音乐文件，但对音乐信号的技术要求会影响TMNMT的效率。所述音乐应该在受影响的耳鸣频率范围内包含相当数量的能量，以便达到神经元的适度兴奋。因为音乐的能量谱通常随着频率的升高而下降，所以耳鸣频率较低的患者更适合TMNMT。需要一种更通用的解决方案，其采用较宽的频率范围，又轻松融入日常生活，以便增加对训练信号的长时间接触。
本发明的目的是提供一种启用噪声消除的音频系统和一种用于调整启用噪声消除的音频系统的目标传递函数的方法，其允许从较宽范围的频率输入生成训练信号并增加可穿戴性。
所述目的通过独立权利要求的主题来实现。另外的改进和实施例在从属权利要求中描述。
应当理解，与任何一个实施例相关的下文中描述的任何特征可以单独使用，或与下文所述的其他特征组合使用，并且也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征组合使用，或与任何其他实施例的任何组合组合使用，除非明确描述为备选方案。此外，在不脱离所附权利要求所限定的启用噪声消除的音频系统和用于调整启用噪声消除的音频系统的目标传递函数的方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等效和修改。
下文涉及一种在启用噪声消除的音频系统的领域中的改进概念。主动噪声消除(ANC)耳机是减少不期望的环境噪音，因此减轻旅行中的压力并有助于保护耳朵免受长期损害的有效方法。该改进概念基于ANC系统，诸如被配置为主动抑制环境噪声的耳机。然而，此外，启用噪声消除的音频系统包括使系统能够使用环境噪声作为基础实现一个或更多个预定的目标传递函数的操作模式。一个可能的应用领域可以是耳鸣治疗，其使用从环境噪声中建立的目标传递函数进行听觉训练刺激。
在至少一个实施例中，使用环境噪声治疗音调性耳鸣的启用噪声消除的音频系统包括音频处理器和至少一个滤波器。所述至少一个滤波器具有可调滤波器函数。此外，音频系统包括耳戴式播放设备，该耳戴式播放设备还包括扬声器和至少一个前馈麦克风。例如，耳戴式播放设备是耳机或头戴式耳机。音频处理器被配置为播放一个或更多个音频信号并且执行ANC处理。为此，音频处理器可以配备存储器等，从而形成启用噪声消除的音频系统的信号处理部分。信号处理部分可以包括在耳机中，例如包括在耳机的外壳中，或者可以包括在如经由电缆连接到扬声器外壳的加密狗的单独的外壳中。信号处理部分也可以包括在移动设备中，播放设备通过有线或无线的方式连接到该移动设备。
音频处理器被配置为从前馈麦克风接收输入信号。例如，所述输入信号表示环境噪声。此外，音频处理器被配置为确定滤波器传递函数以实现预定的目标传递函数。目标传递函数被配置为在预定的频率范围内衰减或放大输入信号。预定的目标传递函数可以由启用噪声消除的音频系统的制造商提供并保存在音频处理器的存储器中。然而，一个或更多个目标传递函数也可以由客户提供或修改。在一些实施例中，可以在预定的频率范围内将目标传递函数设置和调整为期望的参数。音频处理器被配置为根据滤波器传递函数来调整滤波器函数。
在操作期间，启用噪声消除的音频系统接收环境噪声作为来自前馈麦克风的输入信号。根据滤波器传递函数实现目标传递函数。借助于至少一个滤波器对输入信号进行滤波。实际上，滤波器的滤波器函数通过音频处理器调整的以便实现目标传递函数。结果，输入信号在预定的频率范围内被衰减或放大。这样，根据至少一个滤波器的滤波器函数,通过对输入信号进行滤波来提供系统输出信号。
所提出的启用噪声消除的音频系统使用环境噪声作为从较宽频率范围输入生成系统输出信号或训练信号的手段。周围的环境噪声能够用作耳鸣治疗的听觉刺激的基础，因此可以使用较宽频率范围。不必使用诸如陷波音乐信号之类的定制的音乐信号来作为系统输出信号的源。
同时，音频系统可以在声学上对用户不可见。这意味着用户能够与用户环境进行交流和互动，而不受音频系统声学特性的影响。使用窄频率范围进行衰减或放大的可能性以及补偿耳机本身的声学影响的可能性支持了所述特性。在佩戴音频系统时，诸如患者之类的用户接收定制的耳鸣训练信号，即系统输出信号，这有助于降低感知到的耳鸣等级。因此，能够显著地延长整体训练时间，这可能有助于实现更有效的训练和耳鸣治疗。对TMNMT的研究表明，训练应该长期进行以使训练效果最大化。每天定期聆听大约1到2小时的音乐能够是非常愉快的，但在实践中由于多种原因不总能实现。因为训练需要听耳机或其他音频系统，所以通常无法与其他人互动。此外，工作场所通常不允许在工作期间聆听音乐。因此，训练通常需要患者全神贯注，这非常耗时，在日常生活中不适用。对一些人来说，音乐没有重要价值，这使得他们很难将训练融入日常生活。另外，为了很好的接受训练，如此长时间的聆听也需要大量不同的音乐内容。
在至少一个实施例中，至少一个滤波器包括至少一个陷波。预定的目标传递函数被配置为将陷波的阻带与待提供给音频处理器的耳鸣频率相匹配。例如，通过心理声学匹配能够将陷波的中心频率调整为患者感知的耳鸣频率。这可以通过用户或耳科医生完成以找出个人耳鸣频率。
在至少一个实施例中，音频处理器具有在生成环境噪声的环境声源与暴露于扬声器的耳膜之间的声学传递函数。此外，音频处理器被配置为通过补偿声学传递函数来确定滤波器传递函数。
例如，传递函数是已知的并且保存在音频处理器的存储器上。能够实时地确定滤波器传递函数。然而，能够确定并补偿声学传递函数的短期变化。例如，佩戴启用噪声消除的音频系统可能会影响耳膜暴露于扬声器的方式。这可能会影响声学传递函数，而音频处理器被配置为针对所述变化进行调整。因此，音频处理器可以确定一组滤波器系数，所述一组滤波器系数反过来能够用于调整滤波器函数，使得通过音频系统能够实现预定的目标传递函数。考虑声学传递函数及其可能的变化支持改进的聆听体验。
在至少一个实施例中，启用噪声消除的音频系统还包括耦合在音频处理器与扬声器之间的放大器。提供给音频处理器的声学传递函数包括前馈麦克风的第一声学传递函数，并用HM(s)表示。放大器的第二声学传递函数用HA(s)表示。扬声器的第三声学传递函数用HS(s)表示。耳戴式播放设备的第四声学传递函数用HH(s)表示。用HF(s)表示的滤波器传递函数由下面的公式确定
其中，HT(s)表示目标传递函数。滤波器函数能够通过音频处理器使用上面的公式确定。
在至少一个实施例中，启用噪声消除的音频系统还包括位于扬声器附近的反馈噪声麦克风。此外，第四声学传递函数包括由于耳戴式播放设备而产生的被动衰减分量和由于借助于反馈噪声麦克风进行主动噪声消除而产生的主动衰减分量。主动噪声消除能够用于改进滤波器传递函数，从而实现目标传递函数，使得输入信号在预定的频率范围内被衰减或放大。例如，这样，训练信号能够与滤波器的阻带精确匹配，以与耳鸣频率一致。主动衰减还使得可以实现由终端用户自己确定的各种其他目标传递函数。
在至少一个实施例中，启用噪声消除的音频系统还包括控制单元，例如具有存储一个或更多个预定的目标函数的存储器的控制单元。音频处理器包括耦合至控制单元的第一接口。控制单元包括第二接口。例如通过用户交互，使用第二控制接口，在控制单元处设置一个或更多个预定的目标传递函数。音频处理器经由其第一接口接收目标传递函数。
在至少一个实施例中，控制单元包括无线片上系统并且第二接口被配置为借助于无线通信在控制单元处设置一个或更多个预定的目标传递函数。无线通信提供了一种使用目标传递函数的便捷方式。用户能够控制、设置和自定义目标传递函数，该目标传递函数包括带宽、中心频率的数量和位置以及阻带和通带的衰减。用户交互能够通过外部控制器，例如通过使用存储在移动设备上的专用手机app启动或控制。然而，控制器也可以集成为启用噪声消除的音频系统的一部分。
在至少一个实施例中，耳戴式播放设备包括多个前馈麦克风，所述多个前馈麦克风经由用于定向聆听的波束形成单元连接至音频处理器。定向聆听可以支持使用启用噪声消除的音频系统作为助听器的一部分。在至少一个实施例中，耳戴式播放设备包括耳机或助听器。
在至少一个实施例中，一种用于调整启用噪声消除的音频系统的目标传递函数的方法包括具有音频处理器和耳戴式播放设备的启用噪声消除的音频系统，该耳戴式播放设备还包括扬声器和至少一个前馈麦克风。
该方法包括以下步骤：首先，使用前馈麦克风接收来自前馈麦克风的输入信号。输入信号表示环境噪声。使用音频处理器，确定滤波器传递函数以实现预定的目标传递函数。目标传递函数被配置为在预定的频率范围内衰减或放大输入信号。最后，根据滤波器传递函数调整启用噪声消除的音频系统的至少一个滤波器的滤波器函数。
在至少一个实施例中，通过根据滤波器函数对输入信号进行滤波来生成系统输出信号。系统输出信号能够用作训练信号，例如用作音调性耳鸣治疗的一部分。例如，滤波器传递函数可以设置为类似于一个或更多个陷波滤波器。然后，预定的目标传递函数能够被配置为将一个或多个陷波的阻带与已提供给音频处理器的一个或更多个耳鸣频率相匹配。然而，本方法的应用不限于音调性耳鸣治疗。事实上，工作环境可能容易出现只有少数频率的高音调噪声。所述少数频率能够被消除，同时保持大多数其他传入声音完好无损。因此，本方法提供了保护人免受通常不期望的声音影响的手段。
在至少一个实施例中，另外的步骤还涉及在生成环境噪声的环境声源与暴露于扬声器的耳膜之间提供声学传递函数。通过补偿声学传递函数来确定滤波器传递函数。声学传递函数允许更精确地对启用噪声消除的音频系统的声音路径进行建模，并支持改进的聆听体验。
在至少一个实施例中，声学传递函数包括前馈麦克风的第一声学传递函数和放大器的第二声学传递函数。声学传递函数还包括扬声器的第三声学传递函数和耳戴式播放设备的第四声学传递函数。滤波器传递函数由下面的公式确定
其中，HT(s)表示目标传递函数。滤波器函数能够通过音频处理器使用上面的公式来确定。
在至少一个实施例中，第四声学传递函数具有由于耳戴式播放设备而产生的被动衰减分量和由于借助于反馈噪声麦克风进行主动噪声消除而产生的主动衰减分量。主动噪声消除能够用于改进滤波器传递函数，从而实现目标传递函数，使得输入信号在预定的频率范围内被衰减或放大。例如，这样，训练信号能够与滤波器的阻带精确匹配，以与耳鸣频率一致。
在至少一个实施例中，通过用户交互从一个或更多个预定的目标传递函数中提供预定的目标传递函数。在至少一个实施例中，用户交互涉及一个或更多个预定的目标传递函数到音频处理器的无线通信。
从用于调整启用噪声消除的音频系统的目标传递函数的方法的各种实施方式和实施例中轻易地推导出使用环境噪声治疗音调性耳鸣的启用噪声消除的音频系统的另外的实施方式，反之亦然。
在下文中，相对于附图更详细地描述了上面所提出的概念，在附图中示出了示例性实施例。
在下面的实施例和附图的示例中，相似或相同的元件均可以设置有相同的附图标记。但是，不应将附图中所示的元件及其彼此之间的尺寸关系视为真实比例。相反，可以夸大诸如层、部件和区域之类的单独的元件，以实现更好的说明或改进的理解。
图1示出了用户佩戴的具有多个声音路径的耳机HP的示例配置，
图2示出了用户佩戴的具有多个声音路径的耳机HP的示例配置，
图3示出了启用噪声消除的音频系统的信号路径的示例配置，
图4示出了预定的目标传递函数的示例，
图5示出了预定的目标传递函数的另一示例，
图6A和图6B示出了声学传递函数的示例，以及
图7示出了用户佩戴的耳机HP的另一示例配置。
例如，启用噪声消除的音频系统包括位于耳机外部的一个或更多个麦克风和位于用户的耳朵附近的扬声器。音频系统能够在ANC操作模式下运行。在ANC模式下，音频系统通过在环境噪声进入耳朵之前测量环境噪声，并处理该信号，使得离开其扬声器的声学信号与进入耳朵的环境噪声相等且相反，从而进行破坏性干扰，来衰减环境声音。然而，在训练操作模式下，音频系统使用环境噪声以从周围环境声音中生成训练信号。所需的信号生成是在专用的信号处理器中完成的，该专用的信号处理器放置在耳机内部或外部，并将在下文中对其进行讨论。
图1示出了用户佩戴的具有多个声音路径的耳机HP的示例配置。图1中示出的耳机HP作为启用噪声消除的音频系统的任何耳戴式播放设备的示例，并且例如能够包含入耳式耳机或耳塞式耳机，贴耳式耳机或耳罩式耳机。除了耳机之外，耳戴式播放设备也能够是手机或者类似的设备。此外，耳戴式播放设备也能够是助听器或助听器的一部分。
本示例中的耳机HP具有扬声器SP、前馈麦克风FF_MIC和可选的反馈麦克风FB_MIC。为了更好地概述，此处未示出耳机HP的内部处理细节。此外，耳机HP包括音频处理器PROC、具有可调滤波器函数(未示出)的滤波器和放大器AMP，这些建立了耦合至扬声器SP的处理路径。反馈麦克风FB_MIC借助于反馈路径耦合至音频处理器PROC。
为了更好地概述，图1中省略了关于麦克风信号处理或任何信号传输的任何具体细节。然而，为了执行ANC而对麦克风信号的处理可以在位于耳机内或其他耳戴式播放设备内或位于耳机外部的专用处理单元中的音频处理器PROC中实现。如果处理单元集成在播放设备中，则播放设备本身形成启用噪声消除的音频系统。如果在外部执行处理，则外部设备或处理器与播放设备一起形成启用噪声消除的音频系统。例如，可以在如手机或移动音频播放器的移动设备中执行处理，耳机以有线或无线的方式连接至所述移动设备。
启用噪声消除的音频系统的各个部件限定多个声音路径。声音路径能够由相应的声学响应函数或声学传递函数表示。第一声学传递函数HM(s)表示前馈麦克风FF_MIC，并用HM(s)表示。第二声学传递函数HA(s)表示放大器AMP，并用HA(s)表示。第三声学传递函数HS(s)表示扬声器(SP)，并用HS(s)表示。最后，第四声学传递函数HH(s)表示耳戴式播放设备HP，并用HH(s)表示。第四声学传递函数HH(s)具有分别负责主动衰减和被动衰减的主动分量和被动分量。
音频信号由音频处理器PROC处理并经由扬声器SP输出。音频处理器PROC可以具有第一接口CI，通过该第一接口能够设置音频处理器PROC的处理参数或操作模式。此外，第一接口CI能够被配置为输入目标传递函数HT(s)，下文用HT(s)表示。在一些实现方式中，音频处理器PROC可以实现为ARM微处理器，例如，具有可编程固件的ARM微处理器。例如，下文将更详细地描述，一个或更多个目标传递函数HT(s)能够经由第一接口CI改变或调整。
图2示出了用户佩戴的具有多个声音路径的耳机HP的示例配置。所述示例是图1中所讨论的示例的修改。耳戴式播放设备(例如耳机HP)包括多个前馈麦克风FF_MIC，该前馈麦克风经由波束形成单元与音频处理器PROC连接。波束形成单元提供定向聆听。例如，在耳戴式播放设备被实现为助听器的一部分的情况下，定向聆听可以以这种方式得到支持。
图3示出了启用噪声消除的音频系统的信号路径的示例配置。流程图指示上文所述的声学传递函数。输入信号Z(s)表示外部或环境噪声。音频系统被配置为输出系统输出信号Y(s)。例如，系统输出信号Y(s)能够用作音调性耳鸣治疗中的训练信号。耳机传递函数(即第四声学传递函数HH(s))包括耳机HP的被动衰减分量HP(s)和主动衰减分量HANC，以及耳机内部的声学反射。第一声学传递函数HM(s)表示具有或不具有波束形成单元的噪声麦克风的传递函数。第二声学传递函数HA(s)表示放大器的传递函数。第三声学传递函数HS(s)包括扬声器的传递函数以及耳机内部的反射。用HF(s)表示的滤波器传递函数HF(s)表示信号处理器传递函数并且是可调整的。滤波器传递函数借助于以下公式进行计算。例如，该计算由音频处理器执行。
目标是实现从输入到输出的给定的、预定的目标传递函数HT(s)：
其中，Z(s)表示输入信号，Y(s)表示系统输出信号。设系统输出信号Y(s)为：
Y(s)＝a+b
其中部分信号
a＝Z(s)·HH(s)
以及部分信号
b＝Z(s)·HM(s)·HF(s)·HA(s)·HS(s).
能够将项a和项b组合起来得到：
Y(s)＝Z(s)(HH(s)+HM(s)·HF(s)·HA(s)·HS(s))
因此，目标传递函数HT(s)能够表示为：
使用滤波器传递函数HF(s)对该公式进行求解：
换言之，音频处理器PROC通过目标传递函数HT(s)对音频系统的声学传递函数进行补偿来确定滤波器传递函数HF(s)。例如，作为所述计算的结果，音频处理器PROC输出或调整滤波器函数FF。例如，通过音频处理器PROC确定并输出的一组滤波器系数来实现滤波器函数FF。滤波器可以实现为能够使用滤波器系数进行调整的一个或更多个滤波器组。这样能够建立滤波器函数FF以再现滤波器传递函数HF(s)。滤波器函数FF实现目标传递函数HT(s)并补偿声学传递函数，该声学传递函数包括主动衰减分量和被动衰减分量、麦克风、放大器和扬声器。最后，通过使用滤波器对输入信号Z(s)进行滤波来生成系统输出信号Y(s)，该滤波器根据滤波器函数FF进行调整。
滤波器可以是音频处理器PROC的一部分，或者是耳机HP的单独的部件。要考虑的一方面涉及整体信号延迟。如上所述，部分信号a与部分信号b混合在一起。然而，部分信号b由音频处理器和其他部件处理。因此，生成部分信号b的信号链的延迟应该很低，以避免如梳状滤波或听见回声的不期望的影响。通常情况下，音频处理器贡献了整个系统延迟的主要部分。已经发现，延迟不应超过30μs的传播延迟。
图4示出了预定的目标传递函数的示例。目标传递函数的振幅随频率[Hz]变化，以增益[dB]为单位来描述。在所述示例中，目标传递函数是具有中心频率和特征带宽的陷波滤波器。针对耳鸣治疗，阻带与设置在音频处理器上的耳鸣频率相匹配。阻带的带宽通常是一个倍频程，但能够进行调整以适应耳鸣噪声的带宽。阻带中的衰减量或负增益也是可调的。在通带中，传递函数的增益通常是恒定为0dB或接近0dB，但也能够由用户增加以放大环境噪声。下文将更详细地讨论用户交互。
图5示出了预定的目标传递函数的另一示例。目标传递函数的振幅随频率[Hz]变化，以增益[dB]为单位来描述。在所述示例中，目标传递函数是具有三个中心频率的多陷波滤波器，每个中心频率都具有特征带宽。如果用户遇到具有不同频率的多个音调而非单一的耳鸣音调，则可以增加额外的陷波滤波器，诸如在所述示例中的三个陷波。诸如带宽、中心频率以及阻带和通带的衰减之类的相应特性能够通过用户交互进行调整。
图6A和图6B示出了声学传递函数的示例。图6A中的图示出了典型耳机HP的振幅，图6B中的图示出了典型耳机HP的相位响应。曲线随频率[Hz]变化，以增益[dB]为单位来描述。第一曲线g1表示ANC耳机的主动和被动衰减，例如耳戴式播放设备HP的第四声学传递函数HH(s)。将麦克风、放大器、扬声器和耳机内部反射的传递函数组合成曲线g2，以简化绘图。另一个曲线g3表示目标传递函数HT(s)，例如具有1kHz的单陷波频率。
曲线g4表示滤波器传递函数HF(s)。如上所述，滤波器传递函数HF(s)由音频处理器PROC进行计算。比较滤波器传递函数HF(s)和目标传递函数HT(s)示出了目标传递函HT(s)对音频系统的声学传递函数的补偿。以类似的方式，补偿也反映在图6B中，其中，曲线g1分别示出了相同声学传递函数的随频率[Hz]变化的以增益[dB]为单位的相位。
图7示出了用户佩戴的耳机HP的另一示例配置。所述示例是图1或图2中所讨论的示例的修改。此外，耳机还包括控制单元CU以存储一个或更多个预定的目标传递函数。音频处理器PROC经由第一接口CI连接至控制单元CU。这样，音频处理器PROC能够从控制单元CU接收目标传递函数HT(s)。音频处理器能够通过第一接口CI(例如如I2C或SPI的串行接口)来控制。
控制单元CU包括诸如蓝牙芯片或Wi-Fi芯片之类的无线片上系统。第二接口WI被配置为通过无线通信在控制单元CU处接收目标传递函数HT(s)。使用第二接口WI的无线连接使用户能够控制、设置和自定义目标传递函数，该目标传递函数包括带宽、中心频率的数量和位置以及阻带和通带的衰减。如图7所示，用户交互能够通过外部控制器CL，例如通过使用存储在移动设备上的专用手机App启动或控制。然而，控制器CL通常也可以集成为耳机HP或启用噪声消除的音频系统的一部分。
此外，例如经由无线通信还可以实现由用户自由选择的其他目标传递函数。例如，为了在对话期间获得更好的语音清晰度可以放大某些频率，或例如，在助听器应用中补偿某些频率区域的听力损失。一旦用户选择了优选目标函数，音频处理器PROC会自动生成相应的滤波器传递函数HF(s)，并通过基于上述计算调整滤波器来实现所述函数。
上文所建议的启用噪声消除的音频系统结合了反馈主动噪声消除系统和从周围环境噪声中生成训练信号的方法。反馈系统简化了陷波滤波器的设计，使陷波滤波器更有效，例如实现更大的衰减，并有助于扩大可用频率范围。一种可能的应用领域涉及在耳鸣治疗中使用训练信号。音频系统和方法不依赖音乐信号作为训练信号的来源。取而代之，例如环境噪声能够用作基于陷波频率方法的耳鸣治疗的刺激。这可以通过包括主动噪声消除和通过考虑所涉及的如被动衰减、麦克风或扬声器响应的声学传递函数来实现。这减少滤波器的设计限制，并为用户带来令人满意的听觉体验。
同时，音频系统允许耳机在声学上对用户不可见，这意味着用户能够与环境进行交流和互动，而不受耳机声学特性的影响。例如，这使用户能在很长时间内佩戴耳机并接受耳鸣治疗。这有助于使耳鸣治疗训练更有效并可适用于更多的患者。这使患者能在日常工作中治疗耳鸣，从而极大地延长可能的治疗时间。治疗程序不依赖任何处理过的音乐文件，所述音乐文件在开始新的治疗过程前通常是强制性的，并由用户选择。
附图标记说明
AMP 放大器
a 部分信号
b 部分信号
BF 波束成形单元
ED 耳膜
CI 接口
FB_MIC 反馈麦克风
FF_MIC 前馈麦克风
g1 曲线
g2 曲线
g3 曲线
g3 曲线
HP 耳机
HA(s) 声学传递函数
HH(s) 声学传递函数
HM(s) 声学传递函数
HS(s) 声学传递函数
HT(s) 目标传递函数
SP 扬声器
WI 接口
Y(s) 系统输出信号
Z(s) 输入信号
Claims (9)
1.一种启用噪声消除的音频系统，其中，所述启用噪声消除的音频系统用于使用环境噪声进行音调性耳鸣治疗，其包括：
-音频处理器(PROC)，
-具有可调滤波器函数的至少一个滤波器，
以及
-耳戴式播放设备(HP)，其还包括扬声器(SP)和至少一个前馈麦克风(FF_MIC)，
其中，所述音频处理器(PROC)被配置为：
-从所述前馈麦克风(FF_MIC)接收表示环境噪声的输入信号(Z(s))，
-确定滤波器传递函数(HF(s))以实现预定的目标传递函数(HT(s))，其中，所述目标传递函数(HT(s))被配置为在预定的频率范围内衰减和/或放大所述输入信号(Z(s))，以及
-根据所述滤波器传递函数(HF(s))调整所述滤波器函数；并且
其中，所述滤波器被配置为：
-通过根据所述滤波器函数对所述输入信号(Z(s))进行滤波来提供系统输出信号(Y(s))，并且其中：
-所述音频处理器(PROC)具有在生成所述环境噪声的环境声源(ASS)与暴露于所述扬声器(SP)的耳膜(ED)之间的声学传递函数，并且
-所述音频处理器(PROC)被配置为通过补偿所述声学传递函数来确定所述滤波器传递函数(HF(s))，
所述启用噪声消除的音频系统还包括耦合在所述音频处理器(PROC)与所述扬声器(SP)之间的放大器(AMP)，并且其中，所述声学传递函数包括：
-所述前馈麦克风(FF_MIC)的第一声学传递函数(HM(s))，并用HM(s)表示，
-所述放大器(AMP)的第二声学传递函数(HA(s))，并用HA(s)表示，
-所述扬声器(SP)的第三声学传递函数(HS(s))，并用HS(s)表示，
-所述耳戴式播放设备(HP)的第四声学传递函数(HH(s))，并用HH(s)表示；并且其中：
-用HF(s)表示的所述滤波器传递函数(HF(s))被确定为
其中，HT(s)表示所述目标传递函数(HT(s))，
所述启用噪声消除的音频系统还包括位于所述扬声器(SP)附近的反馈噪声麦克风(FB_MIC)，并且其中，所述第四声学传递函数(HH(s))包括由于所述耳戴式播放设备(HP)而产生的被动衰减分量和由于借助于所述反馈噪声麦克风(FB_MIC)进行主动降噪而产生的主动衰减分量。
2.根据权利要求1所述的启用噪声消除的音频系统，其中：
-所述滤波器包括至少一个陷波，并且其中
-所述预定的目标传递函数(HT(s))被配置为将所述陷波的阻带与待提供给所述音频处理器(PROC)的耳鸣频率相匹配。
3.根据权利要求1或2之一所述的启用噪声消除的音频系统，其还包括：
-控制单元(CU)，其被配置为存储一个或更多个预定的目标传递函数(HT(s))；并且其中：
-所述音频处理器(PROC)包括第一接口(CI)，所述第一接口耦合到所述控制单元(CU)以从所述控制单元(CU)接收所述一个或更多个预定的目标传递函数(HT(s))，并且
-所述控制单元(CU)包括第二接口(WI)以在所述控制单元(CU)处设置所述一个或更多个预定的目标传递函数(HT(s))。
4.根据权利要求3所述的启用噪声消除的音频系统，其中，所述控制单元(CU)包括无线片上系统，并且所述第二接口(WI)被配置为通过无线通信在所述控制单元(CU)处设置所述一个或更多个预定的目标传递函数(HT(s))。
5.根据权利要求1或2之一所述的启用噪声消除的音频系统，其中，所述耳戴式播放设备(HP)包括多个前馈麦克风(FF_MIC)，所述多个前馈麦克风经由用于定向聆听的波束形成单元连接至所述音频处理器(PROC)。
6.根据权利要求1或2之一所述的启用噪声消除的音频系统，其中，所述耳戴式播放设备包括耳机(HP)或助听器(HA)。
7.一种用于调整启用噪声消除的音频系统的目标传递函数的方法，所述启用噪声消除的音频系统包括音频处理器(PROC)和耳戴式播放设备(HP)，所述耳戴式播放设备还包括扬声器(SP)和至少一个前馈麦克风(FF_MIC)，所述方法包括以下步骤：
-接收来自所述前馈麦克风(FF_MIC)的输入信号(Z(s))，所述输入信号(Z(s))表示环境噪声，以及，使用所述音频处理器(PROC)来进行以下步骤：
-确定滤波器传递函数(HF(s))以实现预定的目标传递函数(HT(s))，其中，所述目标传递函数(HT(s))被配置为在预定的频率范围内衰减和/或放大所述输入信号(Z(s))，以及
-根据所述滤波器传递函数(HF(s))调整所述启用噪声消除的音频系统的至少一个滤波器的滤波器函数，
-在生成环境噪声的环境声源与暴露于所述扬声器(SP)的耳膜(ED)之间提供声学传递函数，以及
-通过补偿所述声学传递函数来确定所述滤波器传递函数(HF(s))，其中，所述声学传递函数包括：
-所述前馈麦克风(FF_MIC)的第一声学传递函数(HM(s))，并用HM(s)表示，
-放大器(AMP)的第二声学传递函数(HA(s))，并用HA(s)表示，
-所述扬声器(SP)的第三声学传递函数(HS(s))，并用HS(s)表示，
-所述耳戴式播放设备(HP)的第四声学传递函数(HH(s))，并用HH(s)表示；并且其中：
-用HF(s)表示的所述滤波器传递函数(HF(s))被确定为
其中，HT(s)表示所述目标传递函数(HT(s))，
其中，所述第四声学传递函数(HH(s))具有由于所述耳戴式播放设备(HP)而产生的被动衰减分量和由于借助于反馈噪声麦克风(FB_MIC)进行主动降噪而产生的主动衰减分量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过用户交互从一个或更多个预定的目标传递函数(HT(s))中提供所述预定的目标传递函数(HT(s))。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述用户交互涉及所述一个或更多个预定的目标传递函数(HT(s))到所述音频处理器(PROC)的无线通信。
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