CN113906500A - 用于耳戴式播放设备的音频系统和信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于耳戴式播放设备(HP)的音频系统(AS)包括扬声器(SP)、被配置为主要感测从扬声器(SP)输出的声音的误差麦克风(FB_MIC)和被配置为主要感测环境声音的另外的麦克风(FF_MIC)。该系统还包括将该另外的麦克风(FF_MIC)耦合到扬声器(SP)的第一噪声滤波器(FNF)、将误差麦克风(FB_MIC)耦合到扬声器(SP)的第二噪声滤波器(SNF)和适配引擎(ADP)。适配引擎被配置为根据来自至少误差麦克风(FB_MIC)的误差信号来适配第一噪声滤波器(FNF)的响应，根据第一噪声滤波器(FNF)的响应估计泄漏状况，并且根据所估计的泄漏状况适配第二噪声滤波器(SNF)的响应。

Description

用于耳戴式播放设备的音频系统和信号处理方法
本公开涉及一种音频系统和一种信号处理方法，均用于包括扬声器的耳戴式播放设备，例如耳机。
如今，包括入耳式耳机在内的大量耳机采用增强用户声音体验的技术，诸如噪声消除技术。例如，这样的噪声消除技术被称为主动噪声控制或环境噪声消除，两者均缩写为ANC。ANC通常利用所记录的环境噪声，该环境噪声被处理以生成抗噪信号，然后将该抗噪信号与有用的音频信号进行组合，以在耳机的扬声器上播放。ANC也能够用于其他音频设备，如手持设备或移动电话。
各种ANC方法都使用反馈(FB)麦克风、前馈(FF)麦克风或反馈和前馈麦克风的组合。有效的FF和FB ANC是基于给定的系统声学例如经由均衡器通过调谐滤波器或通过调整音频信号来实现的。
混合噪声消除耳机是众所周知的。例如，麦克风放置在直接声学耦合到耳膜的空间内部，通常靠近耳机驱动器的前部。这被称为反馈(FB)麦克风。第二麦克风(前馈(FF)麦克风)放置在耳机的外部，使得该第二麦克风与耳机驱动器声学解耦。
为了使每个系统有效地工作，耳机优选地对耳朵/头部进行近乎完美的密封，该密封在佩戴设备时不会改变并且对于任何用户都是一致的。由于贴合不佳而导致的任何密封变化都会改变声学效果，并最终改变ANC性能。该密封通常在耳垫与用户头部之间或者在入耳式耳机的橡胶套与耳道壁之间。
对于大多数噪声消除头戴式耳机和入耳式耳机，在佩戴时以及在用户之间都努力保持一致的贴合，以确保耳机声学不会改变并始终具有与噪声滤波器的良好匹配。然而，使得在耳垫/耳套与耳朵之间没有密封的“泄漏”的入耳式耳机和头戴式耳机在不同的人佩戴时具有很大的声学变化。此外，由于典型的日常头部运动，当耳机在用户的耳朵中移动时，对于用户来说声学能够改变。因此，对于任何泄漏的头戴式耳机或入耳式耳机来说，都需要进行一些适配以确保滤波器始终与声学匹配。
一些头戴式耳机和入耳式耳机已经具有某种形式的离耳检测(即检测用户是否佩戴了耳机)的特征。通常这是通过包括光学接近度传感器、压力传感器和电容传感器的多种装置来实现的。然而，离耳检测仅能够区分两种极端的声学泄漏状态，即耳机是在耳朵上还是离耳。此外，仅为该目的，所列出的解决方案都需要在设备中添加额外的传感器。
要实现的目的是提供一种用于检测耳戴式播放设备(如头戴式耳机、入耳式耳机或移动手持设备)的声学泄漏的改进概念。
该目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中定义了改进概念的实施例和改进方案。
改进概念基于以下思想，即在泄漏程度方面来估计泄漏状况，使得获得的估计能够用来增强用户的声音体验，即去除传输到用户的耳道的声音信号的不想要的部分。例如，该增强能够通过基于所估计的泄漏状况调整噪声控制算法来实现。例如，混合噪声消除手持设备的FF和FB滤波器可以根据声学泄漏的程度进行调谐。
相比之下，目前上述滤波器的调谐仅在ANC设备的生产期间或结束时例如通过测量设备的声学特性执行一次。尤其是，在校准过程期间利用一些测量固定装置(如人造头，在人造头的耳道中具有麦克风)来执行调谐。包括播放一些测试声音的测量是由某种处理设备来协调的，该处理设备能够是个人计算机等。为了针对所生产的每个ANC设备实现最佳ANC性能，必须在处理设备的控制下对ANC设备中的每个执行专用测量，这很耗时，特别是在要校准大体量ANC设备的情况下。
此外，迄今为止，FB ANC尚未实施到泄漏的入耳式耳机和头戴式耳机中，其中前部空间与周围环境之间能够有高度可变的声学泄漏。将FB ANC作为固定(即非适配)的系统实施到这些播放设备中会导致在入耳式耳机周围存在显著的泄漏的情况下噪声消除效果不佳甚至不存在。因此，对于泄漏的播放设备来说，只有适配的FB ANC是可行的。然而，已知的用于FF ANC系统的传统适配过程不能应用于FB ANC系统，因为FB ANC系统本质上很可能在声学泄漏的变化时变得不稳定。
在根据改进概念的音频系统的一个实施例中，该音频系统将用于耳戴式播放设备(如头戴式耳机、入耳式耳机、移动电话、手持设备等)，该系统包括扬声器、被配置为主要感测从扬声器输出的声音还有一些环境声音的误差麦克风和被配置为主要感测环境声音的另外的麦克风。音频系统还包括将另外的麦克风耦合到扬声器的第一噪声滤波器、将误差麦克风耦合到扬声器的第二噪声滤波器和适配引擎。
在下文中，将对改进概念进行说明，有时将头戴式耳机或入耳式耳机作为播放设备的示例。然而，应当理解的是，该示例不是限制性的，并且对于在用户使用期间能够发生不同泄漏状况的其他种类的播放设备来说，本领域技术人员也应当理解。通常来说，术语播放设备应该包括所有类型的音频再现设备。
例如，音频系统的扬声器设置在播放设备的外壳中，使得第一空间设置在扬声器的声音发射的优先侧。外壳可以具有用于将第一空间耦合到用户的耳道空间的开口。外壳还可以包括前部通气口，该前部通气口覆盖有声学电阻器并将第一空间耦合到周围环境。由于入耳式耳机与用户耳朵的不完美贴合，前部空间也将经由声学泄漏耦合到周围环境。该声学泄漏因人而异，并且取决于入耳式耳机在特定时间是如何放在耳朵中的。误差麦克风设置在第一空间内，使得该误差麦克风检测从扬声器输出的声音以及环境声音。例如，它被设置为靠近开口。
此外，第二空间在外壳内设置在扬声器背向声音发射的优先侧的一侧。第二空间经由外壳的后部通气口声学耦合到周围环境，该后部通气口也可以覆盖有声学电阻器。另外的麦克风例如设置在后部空间的外部(即在外壳的外部)，以便主要感测环境声音。
适配引擎被配置为根据来自至少误差麦克风的误差信号来适配第一噪声滤波器的响应，以从第一噪声滤波器的响应中估计泄漏状况，并且根据所估计的泄漏状况适配第二噪声滤波器的响应。
在一些实施方式中，音频系统配置为执行噪声消除。例如，另外的麦克风是FF麦克风，并且第一噪声滤波器是FF噪声消除类型的。此外，误差麦克风是FB麦克风，并且第二噪声滤波器是FB噪声消除类型的。
在这样的系统中，FF麦克风设置在耳机内或在该耳机的外部，使得该麦克风主要感测环境声音，并且优选地仅感测由扬声器输出的声音的可忽略部分。另一方面，FB麦克风设置在耳机内，使得该麦克风感测环境声音和由扬声器输出的声音。为了提供FF ANC，这该情况下，适配引擎被配置为记录来自FB误差麦克风的误差信号并且调整耦合在FF麦克风与扬声器之间的FF滤波器的响应。可选地，适配引擎还被配置为也根据来自FF麦克风的信号来调整FF滤波器的响应。
详细地说，FF ANC需要将滤波器F与目标声学响应匹配：
Figure BDA0003269943220000041
其中AE是环境到耳朵的声学传递函数，AFFM是环境到FF麦克风的传递函数，DE是驱动器(或扬声器)到耳朵的传递函数。
从FF滤波器的所调整的响应中(例如从FF滤波器的幅度中)，适配引擎获得表征播放设备的声学泄漏的泄漏状况信息，该声学泄漏例如是由播放设备在用户耳朵内的可变放置引起的。例如，低增益FF滤波器响应指示小声学泄漏，而高增益FF滤波器响应构成大声学泄漏。
因此，适配引擎则基于所获得的泄漏状况调整FB滤波器的响应。这样，就实现了适配FB ANC，其中每当声学泄漏变化时，FB滤波器的响应都进行适配。详细地说，FB ANC能够通过下式计算：
Figure BDA0003269943220000042
其中，B是将FB麦克风耦合到扬声器的FB滤波器的响应，并且DFBM是声学驱动器到FB麦克风的传递函数。如所描述的基于FF滤波器的状态来调整FB滤波器的响应提供了具有适配FF回路和适配FB回路的混合ANC的有效解决方案。
对于泄漏的ANC播放设备，所描述的FB回路响应可以基于改变的声学泄漏迅速变化，从而驱动器响应和FB滤波器的响应也可以迅速变化。与传统系统相比，特别是与独立地适配FB ANC和FF ANC两者的系统相比，改进概念防止FB滤波器适配在通往目标稳定状态的路径上变得不稳定。此外，与已经适配的FF ANC相关的适配FB ANC具有的优点是通过最小化处理来节省资源，这对于电池供电的无线设备来说是特别有利的。
在另一些实施方式中，适配引擎还被配置为通过确定误差麦克风的信号与另外的麦克风的信号之间的能量比率来评估噪声消除的性能。
ANC的近似是通过监测FB麦克风处的能量相对于FF麦克风处的能量而执行的。例如，ANC性能近似等于FB信号的能量除以FF信号的能量。这样，可以为启动适配引擎以适配第二噪声滤波器来定义阈值。
在一些实施方式中，适配引擎还被配置为将另外的麦克风的信号水平与误差麦克风的信号水平进行比较，并且基于信号水平的比较来评估所估计的泄漏状况的准确度。
例如，例如对应于ANC过程的性能的信号水平的比率可以指示所估计的泄漏状况是否准确。
在另一些实施方式中，适配引擎还被配置为根据所估计的泄漏状况的准确度来启用和停用第二噪声滤波器。
例如，如果所估计的泄漏状况不对应于实际的泄漏状况，即，如果所估计的泄漏状况不准确，则可能需要停用第二噪声滤波器以避免不稳定性。
在一些实施方式中，泄漏状况表征音频系统的环境与由用户的耳道和音频系统的腔体所定义的空间之间的声学泄漏，其中腔体设置在扬声器的声音发射的优先侧。
“泄漏的”入耳式耳机设计通常是优选的，因为其相对紧凑且佩戴舒适，同时其仍向用户提供期望的声音性能水平。然而，这些入耳式耳机设计并未将入耳式耳机的内部空间和耳道与周围环境完全密封。对于有效的ANC过程，必须准确地表征产生的声学泄漏，以实现期望的ANC性能。
在一些实施方式中，适配引擎被配置为通过将第一噪声滤波器的所适配的响应与预定的最小和/或最大响应进行比较来估计泄漏状况。
在设计或校准过程期间(即出厂时)，可以为播放设备预定最小泄漏声学传递函数和最大泄漏声学传递函数。预定的最小值例如对应于低泄漏或无泄漏，而预定的最大值对应于高泄漏或未在用户耳朵上的播放设备。
然后第一噪声滤波器的幅度响应可以与预定的最小和最大响应进行比较，从中能够获得泄漏状况。例如，接近于预定的最小响应的第一噪声滤波器的所适配的响应指示小声学泄漏。类似地，接近于预定的最大响应的第一噪声滤波器的所适配的响应对应于大声学泄漏。
在另一些实施方式中，将第一噪声滤波器的所适配的响应与预定的最小和/或最大响应进行比较是在频域中执行的。
在一些实施方式中，适配引擎被配置为估计一个或更多个不同频率或频率范围处的泄漏状况。
通常，幅度响应滤波器仅在感兴趣的频带中(例如音频频带)进行评估。因此，在这些实施方式中的适配引擎被配置为仅评估并且比较所述感兴趣频带中的滤波器响应并且例如忽略该频带外部的滤波器响应。例如，仅对滤波器响应进行评估并且将其与为100Hz至1kHz的预定响应进行比较。
例如，适配引擎评估多个不同频率处(例如音频带内的至少三个不同频率处)的所适配的FF滤波器响应并且将其与预定的最小和/或最大响应进行比较。所适配的FF滤波器响应的幅度在至少三个频率处进行监测并进行平均。然后，将该幅度与在相同的至少三个频率上平均的预定的最大和/或最小泄漏响应进行比较。该比较的结果因此用来确定系统的泄漏状况。
在一些实施方式中，适配引擎被配置为通过确定泄漏值来估计泄漏状况。
描述泄漏状况和基于泄漏状况调整FB滤波器的一种方便方式是确定量化声学泄漏状况的实际泄漏值。该泄漏值可以例如是0至1的值，其中0指示最小可能的声学泄漏或无泄漏，而1指示最大可接受的声学泄漏，即在播放设备在前部空间与环境之间具有非常大的泄漏的情况下。
在另一些实施方式中，适配引擎还被配置为基于在由一组不同频率或频率范围中的每个处的预定的最小和最大响应所定义的范围内的第一噪声滤波器的响应的幅度值，通过估计相应的不同频率或频率范围处的临时泄漏值来估计泄漏状况。此外，在这些实施方式中的适配引擎还被配置为根据临时泄漏值来计算泄漏值。
为了获得描述泄漏状况的泄漏值的更准确的结果，作为第一步，能够确定临时泄漏值。确定临时泄漏值例如意味着通过将所适配的FF滤波器响应与在每个不同频率处的预定的最小和/或最大响应进行比较来确定在所述频率处的一个临时泄漏值。目标泄漏值则可以是临时泄漏值的函数。例如，泄漏值被计算为临时泄漏值的平均值。
在一些实施方式中，可以定义阈值，在该阈值下适配引擎启动对第二噪声滤波器的响应的适配。
例如，因为由于泄漏状况随时间的微小变化，ANC性能可以在阈值附近快速移动，所以单个阈值也可以由两个阈值代替，以便通过适配引擎创建启动适配的滞后行为。
在一些实施方式中，适配引擎被配置为通过设置预定义滤波器组中的一个作为第二噪声滤波器来适配第二噪声滤波器的响应。例如，第二噪声滤波器是具有不同滤波器系数的两个并行滤波器的并行布置。在这样的实施例中，适配引擎被配置为通过将并行滤波器中的一个(即激活的并行滤波器)的可调增益设置为1，并将另一个并行滤波器(即未激活的并行滤波器)的可调增益设置为0来选择任一并行滤波器作为第二噪声滤波器。此外，音频系统的存储器存储多个滤波器系数组(例如至少10个系数组)，该多个滤波器系数组对应于可以适用于不同声学泄漏状况的不同预定义滤波器。例如，该预定义滤波器组中的每个被分配给不同的泄漏状况。然后，适配引擎还被配置为加载这样的预定义滤波器作为并行滤波器。例如，适配引擎加载预定义滤波器作为具有瞬时可调增益为0的并行滤波器(即未激活的并行滤波器)。
例如，如果泄漏状况改变，则替换的预定义滤波器可以变成更合适的第二噪声滤波器。因此，在该情况下，适配引擎加载与新的合适的预定义滤波器相对应的新的滤波器系数作为未激活的并行滤波器，并随后切换并行滤波器的可调增益，使得新加载的并行滤波器变成第二噪声滤波器，而其他并行滤波器此时具有0的可调增益，从而变成未激活的并行滤波器。例如在检测到泄漏状况的进一步变化和确定该预定义滤波器组中的新的合适的预定义滤波器时，后者的滤波器系数则可以由适配引擎以相同的方式进行修改。
在另一些实施方式中，适配引擎还被配置为通过根据当前所选择的第二噪声滤波器选择该预定义滤波器组中的后续滤波器来适配第二噪声滤波器的响应。
为了防止FB ANC由于第二噪声滤波器或FB滤波器的响应急剧变化而变得不稳定，例如，适配引擎可以被配置为仅以小步长改变滤波器系数，即设置预定义滤波器作为在泄漏状况方面与当前所选择的第二噪声滤波器相邻的第二噪声滤波器。例如，该预定义滤波器组中的每个预定义滤波器被分配给描述泄漏状况的不同泄漏值，从而该预定义滤波器组能够在该分配的泄漏值方面进行排序。
例如，如果当前所选择的第二噪声滤波器对应于0.3的泄漏值，并且泄漏状况的变化需要切换到对应于0.5的泄漏值的预定义滤波器，则适配引擎可以被配置为在第一步骤中设置对应于0.4的泄漏值的预定义滤波器作为第二噪声滤波器，并且在第二步骤中设置对应于0.5的泄漏值的预定义滤波器作为第二噪声滤波器。在某些系统中，这可以显着降低由于滤波器响应(诸如反馈滤波器响应)的突然和显著变化而达到不稳定的风险。
在一些实施方式中，适配引擎还被配置为通过从当前选择的第二噪声滤波器淡化、尤其是交叉淡化到该预定义滤波器组中的后续滤波器来设置该预定义滤波器组中的后续滤波器，从而适配第二噪声滤波器的响应。
为了确保在从一个滤波器切换到后续滤波器时平滑过渡，适配引擎可以被配置为通过淡化来改变到该预定义滤波器组中的后续滤波器。例如，当前被选择为第二噪声滤波器的该预定义滤波器组中的滤波器通过将其可调增益从1逐步地减小到0而逐步地淡出，而该预定义滤波器组中的后续滤波器逐步地淡入，即其可调增益从0逐步地增加到1。该过程通常被称为交叉淡化。通过所描述的淡化改变滤波器可以帮助防止噪声消除过程由于滤波器响应的突然变化而达到不稳定。
在另一些实施方式中，适配引擎还被配置为通过在淡化期间调整全局增益来适配第二噪声滤波器的响应。
除了通过经由预定义滤波器的相应可调增益淡出和淡入来使该预定义滤波器淡化之外，全局可调增益可以用于全局淡化和/或全局地启用和停用第二噪声滤波器。例如，如果发生如上所述的淡化操作，则全局可调增益可以设置为小于1甚至为0的值，以便进一步降低第二噪声滤波器的响应变化期间不稳定的风险。在完成改变操作之后，即示例性交叉淡化操作之后，全局可调增益可以设置回1，这意味着第二噪声滤波器在切换之后被完全启用。例如，在检测到次优的当前设置的第二噪声滤波器时的FB ANC过程的情况下，由于FBANC的性能已经次优地执行，并且所描述的全局可调增益的减少只是微不足道地进一步降低了性能，因此可以设置例如0.8的全局可调增益。
在各种实施例中，适配引擎可以被配置为根据如在ams申请EP17189001.5中详述的泄漏状况来在高泄漏滤波器与低泄漏滤波器之间进行插值。
在一些实施方式中，音频系统还包括组合器，该组合器被配置为基于利用第一可调增益因子所放大的第一插值滤波器的输出和利用第二可调增益因子所放大的第二插值滤波器的输出的组合来生成第二噪声滤波器的响应。在这些实施方式中，适配引擎还被配置为通过调整第一可调增益因子和第二可调增益因子中的至少一个来适配第二噪声滤波器的响应。
例如，第二噪声滤波器是在两个插值滤波器(即第一插值滤波器与第二插值滤波器)之间进行插值的结果。例如，第一插值滤波器对低泄漏状况(例如泄漏值为0)进行优化，而第二插值滤波器对高泄漏状况(例如泄漏值为1)进行优化。因此，在该示例中，两个插值滤波器通过控制组合器的适配引擎进行调谐，使得对于最大泄漏状况，第一可调增益因子设置为0，而第二可调增益因子设置为1。对应地，对于最小泄漏状况，第一可调增益因子设置为1，而第二可调增益因子设置为0。
对于中间泄漏状况，适配引擎控制组合器以根据所估计的泄漏状况设置第一可调增益因子和第二可调增益因子。例如，在所描述的示例中，第二可调增益因子被配置为被设置为等于所估计的泄漏值，而第一可调增益因子被配置为被设置为等于1减去所估计的泄漏值。在该示例中，泄漏值描述了泄漏状况的程度，其中0对应于无声学泄漏或最小声学泄漏，1对应于最大声学泄漏。因此，第一可调增益和第二可调增益都被限制在0至1，两个增益总和总是为1，从而不会引起任何不稳定。第一插值滤波器和第二插值滤波器的设计使得对于指定的泄漏设置，由泄漏值设置的任何增益组合不能变得不稳定。
在一些实施方式中，音频系统可以包括多于两个的插值滤波器，该多于两个的插值滤波器被组合以产生第二噪声滤波器。
在另一些实施方式中，组合器还被配置为基于利用补充可调增益因子所放大的组合来生成第二噪声滤波器的响应。在这些实施方式中，适配引擎还被配置为通过调整该补充可调增益因子来适配第二噪声滤波器的响应。
如上所述，在这些实施方式中，作为第二噪声滤波器的全局增益因子的补充可调增益因子也可以进一步降低在第二噪声滤波器的响应变化期间不稳定的风险。例如，当适配引擎适配插值滤波器的第一可调增益和第二可调增益时，该补充可调增益因子设置为小于1的值。
在一些实施方式中，适配引擎被配置为适配第二噪声滤波器的响应，使得维持第二噪声滤波器的响应的稳定操作。
例如，第二噪声滤波器的响应是通过增益因子(诸如根据上述实施方式之一的全局增益因子)生成的。在这样的实施方式中，用于第二噪声滤波器的操作的稳定标准可以是声学传递函数(即从扬声器到误差麦克风的传递函数)与第二噪声滤波器的响应(即增益因子)的乘积在回路相位翻转(即超过±180°)的频率处小于1。全局增益可以设置为0，直到第二噪声滤波器可以稳定操作。
替代地，对于基于多个滤波器(诸如根据上述实施方式之一的插值滤波器)的组合来生成第二噪声滤波器的响应的实施方式，用于第二噪声滤波器的操作的稳定标准在这样的实施方式中可以是可调增益因子总和始终为小于或等于1的值。此外，如果如上所述通过设置预定义滤波器组中的一个作为第二噪声滤波器来调整第二噪声滤波器的响应，则可以通过设置在该预定义滤波器组中的两个相邻预定义滤波器之间的中间级作为第二噪声滤波器来维持稳定。中间级例如是中间滤波器(即该预定义滤波器组中的选定的一个)，其特征在于响应小于当前所选择的第二噪声滤波器并且大于后续的第二噪声滤波器。
在一些实施方式中，音频系统还包括接近度传感器，该接近度传感器被配置为检测音频系统与用户耳道之间的接近度。其中，适配引擎还被配置为从第一噪声滤波器的响应和接近度中估计泄漏状况。
为了增强所估计的泄漏状况的准确度，可以采用附加的接近度传感器来独立地估计第二泄漏状况，该第二泄漏状况能够与根据第一噪声滤波器的响应估计的所估计的泄漏状况进行比较以便评估准确度。同样，所估计的泄漏状况和第二所估计的泄漏状况可以组合以生成实际泄漏状况的更好的近似值。
在一些实施例中，音频系统包括播放设备。此外，在一些实施例中，适配引擎包括在播放设备的外壳中。播放设备可以是头戴式耳机或入耳式耳机，尤其是“泄漏的”头戴式耳机或入耳式耳机。
从上述音频系统的实施方式中，本发明方法的另外的实施例对本领域技术人员来说变得显而易见。
下面借助附图更详细地描述改进的概念。在所有附图中，具有相同或相似功能的元件使用相同的附图标记。因此，在以下附图中不必重复其描述。
在附图中：
图1示出了耳机的示意性示图；
图2示出了通用适配ANC系统的框图；
图3示出了“泄漏”型入耳式耳机的示例表示；
图4示出了用户佩戴的示例耳机，该耳机具有来自环境声源的多个声音路径；
图5示出了启用ANC的手持设备的示例表示；
图6示出了根据改进概念的适配混合ANC系统的框图；以及
图7示出了显示所适配的噪声滤波器的幅度响应的信号图。
图1示出了以耳机HP的形式的启用ANC的播放设备的示意性示图，在该示例中，该耳机被设计成耳罩式耳机或环绕式耳机。仅示出了对应于单个音频通道的耳机HP的一部分。然而，对于本领域技术人员来说，外延到立体声耳机将是显而易见的。耳机HP包括承载扬声器SP的外壳HS、反馈噪声麦克风或误差麦克风FB_MIC以及环境噪声麦克风或前馈麦克风FF_MIC。误差麦克风FB_MIC特别被引导或设置成使得其记录环境噪声和通过扬声器SP播放的声音。优选地，误差麦克风FB_MIC设置在靠近扬声器的地方，例如靠近扬声器SP的边缘或靠近扬声器的膜。环境噪声/前馈麦克风FF_MIC特别被引导或设置成使得其主要记录来自耳机HP外部的环境噪声。
根据要执行的ANC的类型，如果仅执行反馈ANC，则可以省略环境噪声麦克风FF_MIC。当用户佩戴耳机HP时，可以根据改进概念使用误差麦克风FB_MIC以提供误差信号，该误差信号是确定耳机HP的佩戴状况或泄漏状况的基础。
在图1的实施例中，适配引擎ADP位于耳机HP内以用于执行各种信号处理操作，该信号处理操作的示例将在以下的公开内容中进行描述。适配引擎ADP还可以放置在耳机HP外部，例如放置在位于移动手持设备或电话中或者耳机HP的缆线内的外部设备中。
图2示出了通用适配ANC系统的框图。系统包括误差麦克风FB_MIC和前馈麦克风FF_MIC，两者都将其输出信号提供给适配引擎ADP。利用前馈麦克风FF_MIC记录的噪声信号进一步被提供给前馈滤波器FNF以用于生成经由扬声器SP输出的抗噪声信号。在误差麦克风FB_MIC处，从扬声器SP输出的声音与环境噪声结合并且被记录成包括ANC后的环境噪声的剩余部分的误差信号。声音适配引擎ADP使用该误差信号来调整前馈滤波器的滤波器响应。
图3示出了“泄漏”型入耳式耳机的示例表示，即其特征在于在周围环境与耳道EC之间存在一些泄漏的入耳式耳机。尤其是，在周围环境与耳道EC之间存在声音路径，在图中被表示为“声学泄漏”。
图4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4中所示的耳机HP是启用噪声消除的音频系统的任何耳戴式播放设备的示例，并且能够例如包括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，耳戴式播放设备也可以是移动电话或类似设备。
该示例中的耳机HP的特征在于扬声器SP、反馈噪声麦克风FB_MIC和可选的环境噪声麦克风FF_MIC，该环境噪声麦克风例如被设计为前馈噪声消除麦克风。为了更好地了解，此处未示出耳机HP的内部处理细节。
在图4所示的配置中，存在多个声音路径，每个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。例如，第一声学传递函数DFBM表示扬声器SP与反馈噪声麦克风FB_MIC之间的声音路径，并且可以被称为驱动器到反馈的响应函数。第一声学传递函数DFBM可以包括扬声器SP本身的响应。第二声学传递函数DE表示可能包括扬声器SP本身的响应的耳机的扬声器SP与暴露于扬声器SP的用户的耳膜ED之间的声学声音路径，并且可以被称为驱动器到耳朵的响应函数。第三声学传递函数AE表示环境声源与耳膜ED之间穿过用户的耳道EC的声学声音路径，并且可以被称为环境到耳朵的响应函数。第四声学传递函数AFBM表示环境声源与反馈噪声麦克风FB_MIC之间的声学声音路径，并且可以被称为环境到反馈的响应函数。
如果存在环境噪声麦克风FF_MIC，则第五声学传递函数AFFM表示环境声源与环境噪声麦克风FF_MIC之间的声学路径，并且可以被称为环境到前馈的响应函数。
耳机HP的响应函数或传递函数，尤其是麦克风FB_MIC和FF_MIC与扬声器SP之间的响应函数或传递函数能够与反馈滤波器函数B和前馈滤波器函数FNF一起使用，这些函数可以在操作期间被参数化为噪声消除滤波器。
作为耳戴式播放设备的示例的耳机HP可以体现为麦克风FB_MIC和FF_MIC两者都是激活的或启用的，使得混合ANC能够被执行或作为FB ANC设备，其中只有反馈噪声麦克风FB_MIC是激活的并且环境噪声麦克风FF_MIC不存在或至少未激活。因此，在下文中，如果使用涉及环境噪声麦克风FF_MIC的信号或声学传递函数，则假定该麦克风存在，否则假定该麦克风为可选的。
为了更好地概览，图4中省略了对麦克风信号或任何信号的传输的任何处理。然而，为了执行ANC，对麦克风信号的处理可以在位于耳机或其他耳戴式播放设备内的处理器中实施或在耳机外部在专用处理单元中实施。处理器或处理单元可以被称为适配引擎。如果处理单元集成到播放设备中，则播放设备本身可以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可以形成启用噪声消除的音频系统。例如，可以在移动设备(如移动电话或移动音频播放器)中执行处理，耳机利用线或不利用线连接到该移动设备。
在各种实施例中，FB或误差麦克风FB_MIC可以位于专用腔体中，如例如在ams申请EP 17208972.4中所详述的。
现在参照图5，呈现了启用噪声消除的音频系统的另一个示例。在该示例实施方式中，系统由移动设备(如移动电话MP)形成，该移动设备包括具有扬声器SP、反馈或误差麦克风FB_MIC、环境噪声或前馈麦克风FF_MIC以及适配引擎ADP的播放设备以用于在操作期间执行尤其是ANC和/或其他的信号处理。
在未示出的另外的实施方式中，耳机HP(例如，如图1或图4所示)能够连接到移动电话MP，其中来自麦克风FB_MIC、FF_MIC的信号从耳机传输到移动电话MP(尤其是移动电话的处理器PROC)以用于生成待通过耳机的扬声器播放的音频信号。例如，根据耳机是否连接到移动电话，ANC利用移动电话的内部部件(即扬声器和麦克风)或利用耳机的扬声器和麦克风来执行，从而在每种情况下使用不同的滤波器参数组。
在下文中，将结合具体用例描述改进概念的几种实施方式。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，针对一种实施方式描述的细节仍然可以应用于其他实施方式中的一个或更多个。
图6示出了根据改进概念的适配混合ANC系统的框图。系统包括误差麦克风FB_MIC和前馈麦克风FF_MIC，两者都将其输出信号提供给适配引擎ADP。利用前馈麦克风FF_MIC记录的噪声信号进一步提供给前馈型第一噪声滤波器FNF以用于生成经由扬声器SP输出的抗噪声信号。在误差麦克风FB_MIC处，从扬声器SP输出的声音与环境噪声结合并且被记录成包括ANC后的环境噪声的剩余部分的误差信号。该误差信号被输出到反馈型第二噪声滤波器SNF以用于生成与抗噪声信号相加并且也经由扬声器SP输出的另外的抗噪声信号。误差信号还被提供给声音适配引擎ADP以用于调整前馈滤波器FNF的滤波器响应。
此外，前馈滤波器FNF的调整还用来确定泄漏状况。例如，对前馈滤波器FNF的响应进行评估并与已知的泄漏状况进行比较以确定量化入耳式耳机的泄漏状况的泄漏值。因此，适配引擎ADP使用泄漏值来调整反馈滤波器SNF的滤波器响应。
图7示出了一个信号图，该信号图显示了与频率相关的所适配的FF滤波器的响应幅度以及预定或预先计算的低泄漏(即最小)和高泄漏(即最大)滤波器响应幅度。例如，低泄漏FF滤波器响应对应于无泄漏，即耳道与周围环境之间没有声学泄漏的佩戴状态，而高泄漏FF滤波器响应对应于最大值，即耳道与周围环境之间有大量声学泄漏的状态。然后，如所适配的FF滤波器的示例性响应所示，针对中间泄漏状况的FF滤波器的适配导致在这两个预定的响应之间的滤波器响应。例如，FF滤波器响应在最小值与最大值之间的可能幅度的典型范围约为15dB。
适配引擎ADP可以被配置为评估所适配的FF滤波器的响应并将该响应与在图8中标记为粗竖直线的三个不同频率处的预定的最小和最大响应进行比较。在该示例中，所适配的FF滤波器更接近于低泄漏响应，从而指示略高于最小值的泄漏状况。由此量化泄漏状况的泄漏值可以被确定，例如为0至1的值，其中0指示最小值，而1对应于最大泄漏状况。
此外，适配引擎ADP可以被配置为检测和评估FB麦克风FB_MIC处的能量相对于FF麦克风FF_MIC处的能量的比率，并且根据该比率确定估计的泄漏值的准确度。泄漏值的典型误差范围约为5％，这构成了基于泄漏值设置FB滤波器的足够的准确度。例如，如果泄漏值的准确度低于某个阈值，则适配引擎ADP可以被配置为暂停FB ANC。
附图标记说明
HP 耳机
HS 外壳
SP 扬声器
FB_MIC 误差或反馈麦克风
FF_MIC 前馈麦克风
FNF 第一噪声或前馈滤波器
SNF 第二噪声或反馈滤波器
ADP 适配引擎
EC 耳道
ED 耳膜
F 前馈滤波函数
B 反馈滤波函数
DFBM 驱动器到反馈的响应函数
DE 驱动器到耳朵的响应函数
AE 环境到耳朵的响应函数
AFBM 环境到反馈的响应函数
AFFM 环境到前馈的响应函数
MP 移动电话

Claims (30)

1.一种用于耳戴式播放设备(HP)的音频系统(AS)，所述音频系统包括：
-扬声器(SP)；
-误差麦克风(FB_MIC)，其被配置为感测从所述扬声器输出的声音和环境声音(SP)；
-另外的麦克风(FF_MIC)，其被配置为主要感测环境声音；
-第一噪声滤波器(FNF)，其将所述另外的麦克风(FF_MIC)耦合到所述扬声器(SP)；
-第二噪声滤波器(SNF)，其将所述误差麦克风(FB_MIC)耦合到所述扬声器(SP)；以及
-适配引擎(ADP)，其被配置为
-根据来自至少所述误差麦克风(FB_MIC)的误差信号来适配所述第一噪声滤波器(FNF)的响应；
-根据所述第一噪声滤波器(FNF)的响应估计泄漏状况；以及
-根据所估计的泄漏状况适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应。
2.根据权利要求1所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)被配置为通过将所述第一噪声滤波器(FNF)的所适配的响应与预定的最小响应和/或最大响应进行比较来估计所述泄漏状况。
3.根据权利要求2所述的音频系统(AS)，其中，将所述第一噪声滤波器(FNF)的所适配的响应与所述预定的最小响应和/或最大响应进行比较是在频域中执行的。
4.根据权利要求1至3之一所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)被配置为估计一个或更多个不同频率或频率范围处的泄漏状况。
5.根据权利要求1至4之一所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)被配置为通过确定泄漏值来估计所述泄漏状况。
6.根据权利要求5所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为通过以下来估计所述泄漏状况：
-基于在由一组不同频率或频率范围中的每个处的预定的最小响应和最大响应所定义的范围内的所述第一噪声滤波器(FNF)的响应的幅度值，来估计相应的不同频率或频率范围处的临时泄漏值；以及
-根据所述临时泄漏值计算所述泄漏值。
7.根据权利要求6所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为通过将所述泄漏值计算为所述临时泄漏值的平均值来估计所述泄漏状况。
8.根据权利要求1至7之一所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)被配置为通过将预定义滤波器组中的一个设置为所述第二噪声滤波器(SNF)来适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应。
9.根据权利要求8所述的音频系统(AS)，其中，所述预定义滤波器组中的每个被分配给不同的泄漏状况。
10.根据权利要求9所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为通过根据当前所选择的第二噪声滤波器(SNF)选择所述预定义滤波器组中的后续滤波器来适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应。
11.根据权利要求10所述的音频系统(AS)，其中，关于所分配的泄漏状况，所述预定义滤波器组中的后续滤波器与所述当前所选择的第二噪声滤波器(SNF)相邻。
12.根据权利要求8至11之一所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为通过从当前所选择的第二噪声滤波器(SNF)淡化、尤其是交叉淡化到所述预定义滤波器组中的后续滤波器来设置所述预定义滤波器组中的后续滤波器，来适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应。
13.根据权利要求12所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为通过在所述淡化期间调整全局增益来适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应。
14.根据权利要求1至7之一所述的音频系统(AS)，
-其还包括组合器(CO)，所述组合器被配置为基于利用第一可调增益因子所放大的第一插值滤波器(FIF)的输出和利用第二可调增益因子所放大的第二插值滤波器(SIF)的输出的组合来生成所述第二噪声滤波器(SNF)的响应；并且
-其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为通过调整所述第一可调增益因子和所述第二可调增益因子中的至少一个来适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应。
15.根据权利要求14所述的音频系统(AS)，其中，
-所述组合器(CO)还被配置为基于利用补充可调增益因子所放大的组合来生成所述第二噪声滤波器(SNF)的响应；以及
-所述适配引擎(ADP)还被配置为通过调整所述补充可调增益因子来适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应。
16.根据权利要求1至15之一所述的音频系统(AS)，其被配置为执行噪声消除。
17.根据权利要求16所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为通过确定所述另外的麦克风(FF_MIC)的信号与所述误差麦克风(FB_MIC)的信号之间的能量比率来评估所述噪声消除的性能。
18.根据权利要求1至17之一所述的音频系统(AS)，其中，
-所述另外的麦克风(FF_MIC)是前馈误差麦克风，并且所述第一噪声滤波器(FNF)是前馈噪声消除类型的；以及
-所述误差麦克风(FB_MIC)是反馈误差麦克风，并且所述第二噪声滤波器(SNF)是反馈噪声消除类型的。
19.根据权利要求1至18之一所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为
-将所述另外的麦克风(FF_MIC)的信号水平与所述误差麦克风(FB_MIC)的信号水平进行比较；以及
-基于这些信号水平的比较来评估所估计的泄漏状况的准确度。
20.根据权利要求19所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)还被配置为根据所述所估计的泄漏状况的准确度来启用和停用所述第二噪声滤波器(SNF)。
21.根据权利要求1至20之一所述的音频系统(AS)，其中，所述泄漏状况表征所述音频系统(AS)的环境与由用户的耳道和所述音频系统(AS)的腔体所限定的空间之间的泄漏，其中，所述腔体设置在所述扬声器(SP)的声音发射的优先侧。
22.根据权利要求1至21之一所述的音频系统(AS)，
-其还包括接近度传感器(PS)，所述接近度传感器被配置为检测所述音频系统(AS)与用户的耳道之间的接近度；其中，
-所述适配引擎(ADP)还被配置为根据所述第一噪声滤波器(FNF)的响应和所述接近度估计所述泄漏状况。
23.根据权利要求1至22之一所述的音频系统(AS)，其包括播放设备(HP)。
24.根据权利要求23所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)包括在所述播放设备(HP)的外壳中。
25.根据权利要求1至24之一所述的音频系统(AS)，其中，所述播放设备(HP)是头戴式耳机或入耳式耳机。
26.根据权利要求1至25之一所述的音频系统(AS)，其中，所述适配引擎(ADP)被配置为适配所述第二噪声滤波器(SNF)的响应，使得维持所述第二噪声滤波器(SNF)的响应的稳定操作。
27.根据权利要求1至26之一所述的音频系统(AS)，其中，所述另外的麦克风(FF_MIC)检测从所述扬声器(SP)输出的声音的可忽略水平。
28.根据权利要求1至27之一所述的音频系统(AS)，其中，所述误差麦克风(FB_MIC)检测所述环境声音的可忽略水平。
29.一种用于耳戴式播放设备(HP)的信号处理方法，所述耳戴式播放设备包括扬声器(SP)、主要感测从所述扬声器(SP)输出的声音的误差麦克风(FB_MIC)和主要感测环境声音的另外的麦克风(FF_MIC)，所述方法包括：
-通过所述误差麦克风(FB_MIC)生成误差信号；
-根据至少所述误差信号适配耦合在所述另外的麦克风(FF_MIC)与所述扬声器之间的第一噪声滤波器(FNF)的响应；
-根据所述第一噪声滤波器(FNF)的响应估计泄漏状况；以及
-根据所述泄漏状况适配耦合在所述误差麦克风(FB_MIC)与所述扬声器(SP)之间的第二噪声滤波器(SNF)的响应。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，估计所述泄漏状况包括确定泄漏值。
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