CN115104323A - 用于生成和数字化处理头部相关的音频传输函数的系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于实时地生成头部相关的音频传递函数的装置、系统和方法。具体地，本发明利用独特的结构部件，该结构部件包括与麦克风相关的耳屏结构和对耳轮结构，以便将声音在三维空间中的位置传达给用户。本发明还利用音频处理器对头部相关的音频传递函数进行数字处理。

Description

用于生成和数字化处理头部相关的音频传输函数的系统、方 法和装置

优先权要求

本申请要求于2020年6月30日提交的序列号为16/917,001的先前提交的美国专利申请的优先权，该美国专利申请要求于2020年12月16日提交的序列号为62/948,409的临时专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

此外，序列号为16/917,001的美国专利申请是先前提交的、现在正在审理中的序列号为15/864,190且申请日为2018年1月8日的申请的部分继续申请，其为先前提交的序列号为15/478,696且申请日为2017年4月4日的申请的部分继续申请，其为先前提交的序列号为14/485,145且申请日为2014年9月12日的申请的继续申请，其到期成为美国专利号9,615,189，并且其基于序列号为62/035,025且申请日为2014年8月8日的临时专利申请且且根据35U.S.C.第119(e)条要求62/035,025的优先权，所有这些专利申请都通过引用明确地全文并入本文。先前提交的、现在正在审理中的、序列号为15/864,190且申请日为2018年1月8日的申请还是先前提交的序列号为15/163,353且申请日为2016年5月24日的申请的部分继续申请，其到期成为美国专利号10,069,471，并且其是序列号为14/059,948的部分继续申请，起到期成为美国专利号9,348,904，并且其是于2009年12月28日提交的序列号为12/648,007的部分继续申请，其到期成为美国专利号8,565,449，并且其是于2007年11月29日提交的序列号为11/947,301的部分继续申请，其到期成为美国专利号8,160,274，并且其要求于2006年11月30日提交的美国临时申请号60/861,711的优先权，这些申请中的每一个都通过引用明确地全文并入本文。此外，序列号为11/947,301的申请是于2007年2月7日提交的序列号为11/703,216的部分继续申请，并且其要求于2006年2月7日提交的美国临时申请号60/765,722的优先权，这些申请中的每一个都通过引用明确地全文并入本文。

技术领域

本发明提供了一种用于生成实时的头部相关的音频传递函数的系统和装置。具体地，独特的结构部件与麦克风相关地使用，以再现人类耳廓的某些声学特征，从而便于将三维空间中的声音位置传达给用户。本发明还可以利用音频处理器以对头部相关的音频传递函数进行数字处理。

背景技术

尽管人类仅具有两只耳朵，但是可以在三个维度、距离和方向上定位声音。这是可能的，因为大脑、内耳和外耳(耳廓)协同工作以推断声音的位置。声音的位置是通过获取来自一只耳朵的线索(单耳线索)以及通过比较在两只耳朵中接收到的线索(双耳线索)之间的差异来进行估计的。

双耳线索涉及两只耳朵之间的声音的到达和强度差异，这有助于声源的相对定位。单耳线索涉及声源和人体解剖结构之间的相互作用，其中原始声音在其进入耳道以供听觉系统处理之前被外耳修改。这些修改编码相对于耳朵位置的源位置并且被称为头部相关的传递函数(HRTF)。

换言之，HRTF描述了声源在其在左、右耳鼓处被感知之前的过滤，以表征特定耳朵如何从空间中的特定点接收声音。这些修改可以包括听者耳朵的形状、听者头部和身体的形状、播放声音所在的空间的声学特征等。所有这些特征共同影响听者如何能够准确地分辨声音来自哪个方向。因此，考虑由两只耳朵产生的所有这些特征的一对HRTF可以用于合成双耳声音，并且准确地将其识别为源自空间中的特定点。

HRTF具有广泛的应用，从媒体和游戏中的虚拟环绕声到嘈杂环境中的听力保护，以及听力障碍者的助听。特别是，在听力保护和助听领域，记录和重建特定用户的HRTF的能力存在若干个挑战，因为其必须实时地发生。在高噪声环境下的听力保护应用的情况下，必须将笨重的听力保护硬件以笨重的耳机的形式佩戴在耳朵上，因此，如果将麦克风放置在耳机的外部，则用户将听到外面的世界，而不会接收到准确的位置数据，因为HRTF没有被重建。类似地，在为听力受损者提供助听的情况下，麦克风类似地安装在助听器的外部，并且完全阻塞用户耳道的任何助听器装置都不会准确地再现该用户的HRTF。

因此，需要一种用于根据用户的身体特征重建用户的HRTF的设备和系统，以便将位置声音信息实时准确地中继给用户。

发明内容

本发明通过提供一种用于生成头部相关的音频传递函数的装置、系统和方法来满足上述的现有需求。本发明还提供了实时地增强音频的能力，并且用于增强用户的物理特征和外部环境的声学特征。

因此，在最初广义上，涉及本发明的装置、也称为HRTF发生器包括外部歧管和内部歧管。外部歧管至少部分地暴露于外部环境，而内部歧管基本上布置在装置和/或容纳所述装置的较大设备或系统的内部。

外部歧管包括对耳轮结构、耳屏结构和开口。开口与外部环境直接气流连通，并且构造成接收声波。耳屏结构被布置成部分地包围开口，使得耳屏结构将部分地阻碍和/或影响进入开口中的进入声波的特征。对耳轮结构布置成进一步部分地包围耳屏结构以及开口，使得对耳轮结构将部分地阻碍和/或影响流入耳屏结构上的和流入开口中的进入声波的特征。对耳轮和耳屏结构可以包括部分圆顶或包括封闭侧和开放侧的部分圆顶的任何变型。在优选实施例中，对耳轮结构的开放侧和耳屏结构的开放侧布置成彼此相对。

外部歧管的开口连接到外部歧管内的开口导管并且与外部歧管内的开口导管气流连通。开口导管可以相对于用户的期望取向布置在基本上垂直的取向上。开口导管与听觉导管进一步气流连通，该听觉导管形成在内部歧管内但也部分地形成在外部歧管中。

内部歧管包括听觉导管和麦克风壳体。麦克风壳体附接或连接到听觉导管的端部，该端部在其与开口导管的连接的相反端部上。听觉导管或者至少听觉导管的一部分的该部分可以布置成相对于用户的期望收听方向在基本上平行的取向上。麦克风壳体还可以包括抵靠听觉导管的端部安装的麦克风。麦克风壳体还可以包括位于麦克风后面在其与听觉导管的连接相反的端部上的气腔，该气腔可以用盖子密封。

在至少一个实施例中，该装置或HRTF发生器可以形成较大系统的一部分。因此，该系统可以包括左HRTF发生器、右HRTF发生器、左前置放大器、右前置放大器、音频处理器、左播放(或回放，playback)模块和右播放模块。

这样，左HRTF发生器可以被构造成拾取和过滤在用户左侧的声音。类似地，右HRTF发生器可以被构造成拾取和过滤在用户右侧的声音。左前置放大器可以被构造和配置成增加左HRTF发生器的过滤声音的增益。右前置放大器可以被构造和配置成增加右HRTF发生器的过滤声音的增益。音频处理器可以被构造和配置成处理和增强从左前置放大器和右前置放大器接收的音频信号，并且然后将各自处理的信号传送到左播放模块和右播放模块中的每一个。左和右播放模块或换能器被构造和配置成将电信号转换为至用户的声音，从而用户因此可以感知来自用户环境的过滤和增强的声音，该声音包括允许用户定位原始声音的源的音频数据。

在至少一个实施例中，本发明的系统可以包括可佩戴设备，该可佩戴设备诸如为具有嵌入其中的HRTF发生器的头戴式受话器或耳机。可佩戴设备还可以包括前置放大器、音频处理器和播放模块以及其他适当的电路和部件。

在另一个实施例中，可以根据本发明使用用于生成头部相关的音频传递函数的方法。这样，首先通过HRTF发生器的外部对外部声音进行过滤，该HRTF发生器可以包括耳屏结构和对耳轮结构。然后将过滤后的声音诸如通过上述的开口导管和听觉导管传递到HRTF发生器的内部，以产生输入声音。输入声音在嵌入于HRTF发生器内的麦克风处被接收，该麦克风邻近听觉导管并连接到听觉导管，以产生输入信号。利用前置放大器放大输入信号以产生放大信号。然后利用音频处理器处理放大信号，以产生处理信号。最后，将处理信号传送到播放模块，以便将音频和/或位置音频数据中继给用户。

在某些实施例中，音频处理器可以接收放大信号并首先利用高通滤波器对放大信号进行过滤。在至少一个实施例中，高通滤波器被配置为从放大信号中去除超低频率的内容，从而生成高通信号。

然后通过第一滤波器模块对来自高通滤波器的高通信号进行过滤以产生第一过滤信号。第一滤波器模块被配置为选择性地提升和/或衰减音频信号(诸如高通信号)中的选定频率范围的增益。在至少一个实施例中，第一滤波器模块提升高于第一频率的频率，并且衰减低于第一频率的频率。

然后利用第一压缩器调制来自第一滤波器模块的第一过滤信号以产生调制信号。第一压缩器被配置为用于信号(诸如第一过滤信号)的动态范围压缩。因为第一过滤信号提升了较高的频率并且衰减了较低的频率，因此在至少一个实施例中，第一压缩器可以被配置为触发和调整较高频率的材料，同时保持对较低频率的材料相对不敏感。

然后，通过第二滤波器模块对来自第一压缩器的调制信号进行过滤，以产生第二过滤信号。第二滤波器模块被配置为选择性地提升和/或衰减音频信号(诸如调制信号)中的选定频率范围的增益。在至少一个实施例中，第二滤波器模块被配置成与第一滤波器模块至少部分地成反比关系。例如，如果第一滤波器模块将高于第一频率的内容提升+X dB，并且将低于第一频率的内容衰减–Y dB，则第二滤波器模块然后可以将高于第一频率的内容衰减–X dB，并且将低于第一个频率的内容提升+Y dB。换言之，在一个实施例中，第二滤波器模块的目的可以是“撤销”由第一滤波器模块施加的增益调整。

然后利用第一处理模块处理来自第二滤波器模块的第二过滤信号以产生处理信号。在至少一个实施例中，第一处理模块可以包括峰/谷模块。在其他实施例中，第一处理模块可以包括峰/谷模块和第一增益元件两者。第一增益元件可以被配置为调整信号(诸如第二过滤信号)的增益。峰/谷模块可以被配置为对信号进行整形，诸如以增加或减少信号中的过冲或下冲。

然后利用频带分离器将来自第一处理模块的处理信号分离成低频带信号、中频带信号和高频带信号。在至少一个实施例中，每个频带可以包括四阶节的输出，该四阶节可以实现为二阶双二阶滤波器的级联。

利用低频带压缩器调制低频带信号以产生调制的低频带信号，并且利用高频带压缩器调制高频带信号以产生调制的高频带信号。低频带压缩器和高频带压缩器均被配置为动态地调整信号的增益。低频带压缩器和高频带压缩器中的每一个均可以在计算上作为第一压缩器和/或配置为与第一压缩器相同。

然后利用第二处理模块处理调制的低频带信号、中频带信号和调制的高频带信号。第二处理模块可以包括被配置为组合信号的求和模块。在至少一个实施例中，求和模块可以单独地改变调制的低频带信号、中频带信号和调制的高频带信号中的每一个的增益。第二处理模块还可以包括第二增益元件。第二增益元件可以调整组合信号的增益，以便产生传送到播放模块的处理信号。

本文描述的方法可以被配置为实时地捕获位置音频数据并将位置音频数据传送给用户，使得其可以用作助听器，或者在嘈杂的环境中滤掉大的噪声。

在用于生成头部相关的音频传递函数的另一个实施例中，HRTF生成器实际上可以被配置为可佩戴设备本身，而不是嵌入在可佩戴设备中。在优选实施例中，HRTF发生器将被配置为至少一个、但最优选地为两个入耳式组件装置。当至少一个入耳式组件布置在用户的耳朵上或由用户佩戴时，该至少一个入耳式组件被可操作地定位或处于操作位置中。

入耳式组件可以包括至少一个外壳或腔室以容纳各种HRTF结构，并且提供外部表面以在外侧放置或附接结构。入耳式组件可以包括当处于操作位置中时在用户耳朵的近侧的主腔室和在用户耳朵的远侧的次级腔室。

入耳式组件的次级腔室的外部包括风挡结构、对耳轮结构、耳屏结构和麦克风开口或孔。风挡结构、对耳轮结构和耳屏结构可以从次级腔室的外部移除，从而提供更换这些结构的手段。此外，风挡结构、对耳轮结构和耳屏结构的大小和形状可以改变。

风挡结构的众多用途之一是减少风和噪声干扰，以确保入耳式组件接收来自外部环境的高质量的和不受干扰的声音和音频信号。风挡结构可以经由至少一个连接点附接至次级腔室的外部。可以使用多种材料，但是在优选实施例中，开孔泡沫被容纳在风挡结构内以确保进入信号的质量。风挡结构和容纳在风挡结构内的材料将部分地覆盖对耳轮结构、耳屏结构和麦克风开口或孔。对耳轮结构和耳屏结构也可以部分地或完全地覆盖麦克风孔，以模仿人耳的结构。麦克风孔通过开口和麦克风通道与外部环境直接气流连通。麦克风可以附接到麦克风通道的端部。这样，麦克风将接收通过风挡结构、对耳轮结构、耳屏结构、麦克风孔和麦克风通道过滤的外部噪声，从而确保由HRTF发生器产生的音频信号将包含当人耳从空间中的点检测声音时发生的“方向性”。

布置在麦克风通道的端部内的麦克风位于入耳式组件内部，并且可以位于入耳式组件的优选实施例的次级腔室或主腔室内。当佩戴入耳式组件时，麦克风通道和麦克风相对于用户的收听方向可以在基本上平行的取向上或者可替代地在基本上垂直的取向上。麦克风位于播放模块或者一个或多个扬声器或换能器附近，或者甚至直接连接到播放模块或者一个或多个扬声器或换能器，其将音频输入信号传送到播放模块，而播放模块又通过连接到用户耳朵的听觉通道将音频输出信号传送到用户。在优选实施例中，入耳式组件还将包括：用于放大从麦克风接收的音频输入信号的前置放大器；以及用于接收放大信号以进行处理的音频处理器。然后，音频处理器会将处理后的更高质量的信号传送到播放模块。播放模块可以被容纳，也可以具有扬声器驱动器。播放模块可以平齐安装在听觉通道的端部上，或者在播放模块和听觉通道的端部之间可以存在气腔。当入耳式组件处于操作位置中时，听觉通道布置在用户的耳朵内，并且可以将泡沫耳塞或其他材料附接到听觉通道的端部以保护用户的耳朵以及使用户的耳朵免受环境噪声的影响。扬声器或播放模块位于入耳式组件内部，并且在一个实施例中，播放模块位于入耳式组件的主腔室中。

在优选实施例中，接收来自外部环境的音频输入的麦克风和向用户发送音频输出的播放模块彼此隔离，以避免不想要的反馈。在一个优选实施例中，入耳式组件的内部包含横穿入耳式组件的内部的挡板隔离结构，从而在麦克风和播放模块之间形成物理隔离。在替代实施例中，可以在麦克风和播放模块之间没有物理屏障的情况下产生声学隔离。隔离挡板实现了在麦克风和播放模块之间产生至少30分贝的噪声隔离的目标。因此，麦克风和播放模块的隔离提供了诸如在入耳式组件的小型设备中在麦克风和播放模块之间的噪声干扰和反馈噪声的减少，该入耳式组件使其外部或者更具体地使其次级腔室暴露在外部环境的声波中。

在入耳式组件的外部上，或在主腔室的外部上，是稳定组件或翼尖组件，以确保入耳式组件当处于操作位置中时牢固地放置在用户的耳朵上，并且以提供用于各种结构(举例来说对耳轮结构)的正确取向，以接收输入信号。稳定组件可以包括：围绕主腔室的外部布置的圆形套环；以及连接到圆形套环的耳甲形结构，该耳甲形结构的尺寸大小和配置为当处于操作位置中时布置在用户的外耳上，优选在耳甲内。这样，耳屏和对耳轮结构可以正确地取向以生成准确的HRTF信号，否则不正确的取向可能会为用户生成误导性HRTF信号。

在一个实施例中，至少一个入耳式组件可以形成系统。在该系统的一个实施例中，该系统可以包括左入耳式组件，该左入耳式组件被构造成拾取和过滤从用户的左侧进入的声音。右入耳式组件可以被构造成拾取和过滤从用户的右侧进入的声音。左入耳式组件内的左前置放大器可以被构造和配置为增加左入耳式组件的过滤声音的增益。右入耳式组件内的右前置放大器可以被构造和配置为增加右入耳式组件的过滤声音的增益。位于左和右入耳式组件内部或容纳在单独结构中的音频处理器可以被配置为处理和增强从左和右前置放大器接收的音频信号，然后将各自的处理信号传送到位于左和右入耳式组件中的左和右播放模块中的每一个。左和右播放模块或换能器被构造和配置为将电信号转换为用户可感知的声波，从而用户然后可以感知来自用户环境的过滤和增强的声音，其包括“定向的”音频数据，该音频数据允许用户定位原始声音。各种结构(诸如但不限于前置放大器、音频处理器和播放模块)可以容纳在入耳式组件中或容纳在附接到入耳式组件的单独互连组件中。

在至少一个实施例中，本发明的系统可以包括：用于用户的每个耳朵的入耳式组件；以及互连构件，其可以进一步包括前置放大器、音频处理器、播放模块以及其他适当的电路和部件。互连构件可以被佩戴在颈部周围，并且通过有线连接连接到入耳式组件或入耳式耳塞组件，或者可以通过使用蓝牙或其他合适的射频传送技术是无线的。互连构件可以由柔性后部和刚性侧部形成。互连构件可以容纳具有各种组件部分(诸如音频处理器)的印刷电路板。互连构件可以为用户提供音量控制功能，从而为用户提供在环境音频信号和语音通信信号之间混合的控制级别。在一个实施例中，互连构件可以具有收听模式和静音模式，从而为用户提供使接收环境音频信号的麦克风静音的能力，以允许用户接收和收听电话呼叫，由此提供一种通信手段。互连构件还可以容纳可移除电池来为设备充电。

可以看出，本发明的一个特定用途在于听力保护系统，用于在情境意识很关键的环境中使用。在合适的隔音和/或“抗噪声”信号生成能力的情况下，本发明的系统提供了合适的降噪组件，用于保护用户的听力免受大噪声的影响。此外，麦克风组件允许检测外部音频并将其以比否则由用户感知到的更安全的水平发送。最后，耳屏和对耳轮结构允许捕获环境噪声的“方向”信息，并通过HRTF信号忠实地向用户再现。举例来说，本发明可以用于建筑工地，其中听力保护和情境意识的需要是现场安全的关键组成部分。通过使用本发明，用户不需要为了听力保护而牺牲情境意识。

当考虑到附图以及详细描述时，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更全面地理解本发明的本质，应结合附图的详细描述，在附图中：

图1是用于生成头部相关的音频传递函数的装置的外部立体图。

图2是用于生成头部相关的音频传递函数的装置的内部立体图。

图3是针对用于生成头部相关的音频传递函数的系统的框图。

图4A示出了包括用于生成头部相关的音频传递函数的装置的可佩戴设备的侧面轮廓图。

图4B示出了包括用于生成头部相关的音频传递函数的装置的可佩戴设备的前面轮廓图。

图5示出了针对用于生成头部相关的音频传递函数的方法的流程图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的音频处理器的一个实施例的示意图。

图7示出了根据本发明的一个实施例的音频处理器的另一个实施例的示意图。

图8示出了根据本发明的一个实施例的利用音频处理器处理音频信号的一种方法的框图。

图9示出了根据本发明的另一实施例的利用音频处理器处理音频信号的另一方法的框图。

图10示出了能够为用户生成头部相关的音频传递函数的用于听力增强和保护的可佩戴的入耳式组件的外部视图。

图11是图10的实施例的内部剖视图。

图12示出了图10和图11的实施例的一部分的部分分解形式的顶部立体图。

图13是图10和图11的实施例的一部分的细节立体图。

图14示出了布置在图10和图11的实施例的内部内的隔离挡板的视图。

图15示出了待被布置在图10和图11的实施例的外部上的稳定器组件部件。

图16示出了能够为用户生成头部相关的音频传递函数的用于听力增强和保护的可佩戴设备的替代实施例。

图17A示出了图16的实施例的互连构件。

图17B示出了图16的实施例的互连构件的部分分解图。

在附图的若干视图中，相同的附图标记指代相同的部件。

具体实施方式

如附图所示，本发明涉及一种用于为用户生成头部相关的音频传递函数的装置、系统和方法。具体地，一些实施例涉及实时地捕获外部环境中的周围声音，通过在装置上形成的独特结构过滤该声音以生成音频位置数据，然后处理该声音以增强音频位置数据并将音频位置数据中继给用户，使得用户可以确定声音在三维空间中的来源。

如示意性地所表示的，图1和图2示出了用于为用户生成头部相关的音频传递函数的装置100或“HRTF生成器”的至少一个优选实施例。因此，装置100包括外部歧管110和内部歧管120。外部歧管110将被至少部分地布置在装置100的外部。另一方面，内部歧管120将沿着装置100的内部布置。为了进一步阐明，装置100的外部包括外部环境，使得外部直接暴露于周围环境的空气。装置100的内部包括至少部分密封的环境，该环境部分或完全阻碍声波的直接流动。

外部歧管110可以包括具有六个面的六面体形状。在至少一个实施例中，外部歧管110基本上是长方体的。外部歧管110可以包括至少一个凹入的或凸出的表面，诸如暴露于外部环境的外部表面。内部歧管120可以包括基本上圆柱形形状，其可以是至少部分中空的。外部歧管110和内部歧管120可以包括消音或隔音材料，诸如本领域技术人员已知的各种泡沫、塑料和玻璃。

注意图1，外部歧管110包括从外部可见的对耳轮结构101、耳屏结构102和开口103。开口103与周围环境直接气流连通，并且因此将接收穿过开口103的空气中的声波或振动流动。耳屏结构102布置成部分地包围开口103，并且对耳轮结构101布置成部分地包围对耳轮结构102和开口103。

在至少一个实施例中，对耳轮结构101包括具有封闭侧105和开放侧106的部分圆顶结构。在优选实施例中，开放侧106面向优选收听方向104，而封闭侧105背离优选收听方向104。耳屏结构102也可以包括具有封闭侧107和开放侧108的部分圆顶结构。在优选实施例中，开放侧108背离优选收听方向104，而封闭侧107面向优选收听方向104。在其他实施例中，对耳轮结构101的开放侧106可以与耳屏结构102的开放侧108是直接面对的关系，而与优选收听方向104无关。

为本文的目的所定义的部分圆顶可以包括半圆顶结构或部分圆顶结构的任何组合。例如，图1的对耳轮结构101包括半圆顶，而耳屏结构102包括部分圆顶，其中部分圆顶的基部可以小于半圆顶的基部，但顶部可以延伸到半圆顶的中间点或超过半圆顶的中间点以提供开口103和其他结构的增加的覆盖或封闭。当然，在其他变型中，部分圆顶的顶部和底部可以在各自的尺寸上改变以形成完整圆顶结构的不同部分，从而产生开口103的不同覆盖。这允许该装置产生不同的或增强的声学输入，以计算源声音相对于用户的方向和距离。

在至少一个实施例中，对耳轮结构101和耳屏结构102可以是模块化的，使得可以基于用户对特定声学特征的偏好来变更不同的尺寸或形状(不同部分圆顶或部分圆顶的变化)。

现在注意图2，开口103连接到外部歧管110内部的开口导管111，并且与开口导管111气流连通。在至少一个实施例中，开口导管111布置呈相对于用户的期望收听方向104在基本上垂直的取向上。开口导管111进一步与听觉导管121以气流连通的方式连接。听觉导管121的一部分可以形成在外部歧管110中。在各种实施例中，开口导管111和听觉导管121可以是单件构造。在其他实施例中，未示出的管连接器可以用于连接两个部段。听觉导管121的至少一部分也可以形成在内部歧管121内。

如前所述，内部歧管120完全地或基本上形成在装置的内部，使得其不直接暴露于外部空气并且基本上不会受到外部环境的影响。在至少一个实施例中，形成在内部歧管121的至少一部分内的听觉导管121将被布置成相对于用户的期望收听方向104在基本上平行的取向上。在优选实施例中，听觉导管包括大于其直径两倍的长度。

麦克风壳体122附接到听觉导管121的端部。在麦克风壳体122内，总体上以123标出的麦克风(未示出)抵靠听觉导管121的端部安装。在至少一个实施例中，麦克风123与听觉导管121齐平地安装，使得该连接可以基本上是气密的以避免干扰声音。在优选实施例中，在麦克风后面且在内部歧管120的端部处产生总体上以124标出的气腔。这可以通过将麦克风123插入麦克风壳体122中并且然后用盖子密封麦克风壳体的端部(总体上以124标出)来实现。在至少一个实施例中，盖子可以是基本上气密的。在气腔内可以使用具有不同声学特征的不同气体。

在至少一个实施例中，装置100可以形成较大系统300的一部分，如图3所示。因此，系统300可以包括左HRTF发生器100、右HRTF发生器100’、左前置放大器210、右前置放大器210’、音频处理器220、左播放模块230和右播放模块230’。

左HRTF发生器100和右HRTF发生器100’可以包括上述装置100，每个都具有独特的结构，诸如对耳轮结构101和耳屏结构102。因此，HRTF发生器100/100’可以被构造成为用户生成头部相关的音频传递函数，使得由HRTF发生器100/100’接收到的声音可以被中继给用户以准确地传达声音的位置数据。换言之，HRTF发生器100/100’可以复制和替换用户自己的左耳和右耳的功能，其中HRTF发生器将收集声音，并对进入的声音执行相应的频谱变换或过滤处理，以能够实现竖直定位(vertical localization)的过程。

然后可以使用左前置放大器210和右前置放大器210’来增强来自HRTF发生器的过滤声音，以增强某些声学特征从而改善定位准确度，或滤除不想要的噪声。前置放大器210/210’可以包括电子放大器，诸如电压放大器、电流放大器、跨导放大器、跨阻放大器和/或本领域技术人员已知的用于增加或减少声音或输入信号的增益的任何电路组合。在至少一个实施例中，前置放大器包括麦克风前置放大器，该麦克风前置放大器被配置为准备待由其他处理模块处理的麦克风信号。如本领域中可能已知的，麦克风信号有时太弱而无法传送到其他单元，其他单元诸如为具有足够质量的记录或回放装置。因此，麦克风前置放大器通过提供稳定的增益将麦克风信号增加到线路电平，同时防止否则可能会使信号失真的感应噪声。

音频处理器230可以包括数字信号处理器和放大器，并且还可以包括音量控制装置。音频处理器230可以包括处理器和被构造成进一步增强来自麦克风前置放大器的信号的音频质量的电路组合，诸如但不限于架式滤波器、均衡器、调制器。例如，在至少一个实施例中，音频处理器230可以包括处理器，如由本发明人的美国专利号8,160,274所教导的，该处理器执行用于处理信号的步骤，该美国专利的全部公开内容通过引用并入本文。音频处理器230可以结合为用户和/或环境定制的各种声学配置文件(acoustic profile)，诸如在本发明人的美国专利号8,565,449中描述的那些，其全部公开内容通过引用并入本文。音频处理器230可以附加地结合适用于高噪声环境的处理，诸如本发明人的美国专利号8,462,963中描述的那些，其全部公开内容通过引用并入本文。音频处理器230的参数可以由用户通过本领域技术人员已知的任何手段来控制和修改，诸如通过直接接口或无线通信接口来控制和修改。

左播放模块230和右播放模块230’可以包括头戴式耳机、耳机、扬声器或本领域技术人员已知的任何其他换能器。左和右播放模块230/230’的目的是用于将来自音频处理器230的电音频信号转换回到用户可感知的声音。因此，可以使用移动线圈式换能器、静电换能器、驻极体换能器或本领域技术人员已知的其他换能器技术。

在至少一个实施例中，本系统200包括在图4A和图4B总体上示出的设备200，该设备200可以是可佩戴受话器200，可佩戴受话器200具有嵌入其中的装置100以及包括但不限于210/210’的各种放大器、诸如220的处理器、诸如230/230’的播放模块、以及用于接收、传送、增强和再现声音的其他适当电路或其组合。

在如图5所示的另一实施例中，示出了用于生成头部相关的音频传递函数的方法。因此，首先如在201中通过沿着HRTF发生器的外部形成的至少耳屏结构和对耳轮结构对外部声音进行过滤，以便产生过滤声音。接下来，如在202中，过滤声音沿着HRTF发生器的内部穿过开口和听觉导管，以便产生输入声音。如在203中，在嵌入HRTF发生器内的麦克风处接收输入声音，以便产生输入信号。然后如在204中，利用前置放大器放大输入信号，以便产生放大信号。如在205中，利用音频处理器处理放大信号，以便产生处理信号。最后，如在206中，将处理信号传送到播放模块，以便将音频和/或位置音频数据中继给用户。

在本发明的优选实施例中，图5的方法可以实时地执行位置音频捕获并将位置音频传送给用户。这便于在助听情况下使用，诸如听力受损的用户的助听器。这也便于在高噪声环境中使用，诸如以滤除噪声和/或增强人类语音。

在至少一个实施例中，图5的方法可以进一步包括校准过程，使得每个用户均可以复制他或她独特的HRTF，以便提供声音在三维空间中的准确定位。校准可以包括调整如上所述的对耳轮结构和耳屏结构，这些结构可以由模块化和/或可移动的部件形成。因此，可以重新定位对耳轮结构和/或耳屏结构，和/或可以使用不同形状和/或大小的结构。在另外的实施例中，上述音频处理器230可以被进一步校准以调整某些声波相对于其他声波和/或信号的声学增强。

关于图6，音频处理器230的一个实施例被示意地表示为系统1000。如示意性地所表示的，图6示出了系统1000的至少一个优选实施例，图7提供了图6的模块的若干子部件和子部件的组合的示例。因此，在这些实施例中，系统1000和3000总体上包括输入装置1010(诸如左前置放大器210和/或右前置放大器210’)、高通滤波器1110、第一滤波器模块3010、第一压缩器1140、第二滤波器模块3020、第一处理模块3030、频段分离器1190、低频段压缩器1300、高频段压缩器1310、第二处理模块3040和输出装置1020。

输入装置1010至少部分地被构造或配置为将输入音频信号2010、诸如来自左前置放大器210或右前置放大器210’的放大信号传送到本发明的系统1000中，并且在至少一个实施例中传送到高通滤波器1110中。

高通滤波器1110被配置为穿过诸如输入信号2010之类的音频信号的高频率，同时基于预定频率衰减低频率。换言之，根据本发明，可以将高于预定频率的频率传送到第一滤波器模块3010。在至少一个实施例中，从输入音频信号中去除超低频内容，其中预定频率可以选自在300Hz和3kHz之间的范围。然而，预定频率可以根据源信号而变化，并且在其他实施例中变化以包括从在20Hz到20kHz之间的全可听频率范围中选择的任何频率。预定频率可以由用户调节，或者可替代地被静态地设置。高通滤波器1110还可以包括被构造成穿过高于预定频率的高频率并且衰减或滤除低频率的任何电路或其组合。

第一滤波器模块3010被配置为选择性地提升或衰减音频信号(诸如高通信号2110)内的选定频率范围的增益。例如，在至少一个实施例中，低于第一频率的频率可以用±X dB调整，而高于第一频率的频率可以用±Y dB调整。在其他实施例中，可以使用多个频率来选择性地调整音频信号内的各种频率范围的增益。在至少一个实施例中，第一滤波器模块3010可以利用第一低架滤波器1120和第一高架滤波器1130来实现，如图6所示。第一低架滤波器1120和第一高架滤波器1130都可以是二阶滤波器。在至少一个实施例中，第一低架滤波器1120衰减低于第一频率的内容，并且第一高架滤波器1120提升高于第一频率的内容。在其他实施例中，用于第一低架滤波器1120和第一高架滤波器1130的频率可以包括两种不同的频率。这些频率可以是静态的或可调整的。类似地，增益调整(提升或衰减)可以是静态的或可调整的。

第一压缩器1140被配置为调制信号、诸如第一过滤信号4010。第一压缩器1120可以包括自动增益控制器。第一压缩器1120可以包括标准动态范围压缩控制，诸如阈值、比率、进击和释放。如果其幅度超过某个阈值，则阈值允许第一压缩器1120减小过滤信号2110的电平。比率允许第一压缩器1120减小如由比率确定的增益。进击和释放确定第一压缩器1120动作的速度。进击阶段是当第一压缩器1120减小增益以达到由阈值确定的电平的时期。释放阶段是第一压缩器1120将增益增加到由比率确定的电平的时期。第一压缩器1120还可以具有软拐点和硬拐点以控制输出或调制信号2120的响应曲线的弯曲，以及具有适用于音频信号的动态压缩的其他动态范围压缩控制。第一压缩器1120还可包括被构造和配置用于动态范围压缩的任何装置或电路的组合。

第二滤波器模块3020被配置为选择性地提升或衰减音频信号(诸如调制信号2140)内的选定频率范围的增益。在至少一个实施例中，第二滤波器模块3020具有与第一滤波器模块3010相同的配置。具体地，第二滤波器模块3020可以包括第二低架滤波器1150和第二高架滤波器1160。在某些实施例中，第二低架滤波器1150可以被配置为过滤在100Hz和3000Hz之间的信号，其中具有在-5dB到-20dB之间的衰减。在某些实施例中，第二高架滤波器1160可以被配置为过滤在100Hz和3000Hz之间的信号，其中具有在+5dB到+20dB之间的提升。

第二滤波器模块3020可以被配置成与第一滤波器模块3010至少部分相反的配置。例如，第二滤波器模块可以使用与第一滤波器模块相同的频率、诸如第一频率。此外，第二滤波器模块可以与第一滤波器模块的增益或衰减相反地调整高于第一频率的内容的增益。类似地，第二滤波器模块也可以与第一滤波器模块的增益或衰减相反地调整低于第一频率的内容的增益。换言之，在一个实施例中，第二滤波器模块的目的可以是“撤销”由第一滤波器模块施加的增益调整。

第一处理模块3030被配置为处理信号、诸如第二过滤信号4020。在至少一个实施例中，第一处理模块3030可以包括峰/谷模块、诸如图7中所示的1180。在其他实施例中，第一处理模块3030可以包括第一增益元件1170。在各种实施例中，处理模块3030可以包括第一增益元件1170和峰/谷模块1180来用于信号的处理。在至少一个实施例中，第一增益元件1170可以被配置为以静态量调整信号的电平。第一增益元件1170可以包括放大器或乘法器电路。在其他实施例中，可以使用动态增益元件。峰/谷模块1180被配置为对期望的输出频谱进行整形，诸如以增加或减少信号中的过冲或下冲。在一些实施例中，峰/谷模块还可以被配置为调整信号的斜率，例如以给出更平滑响应的渐变范围来调整，或者另选地为更突然的声音提供更陡峭的斜率。在至少一个实施例中，峰/谷模块1180包括一组十个级联峰/谷滤波器。一组十个级联的峰/谷滤波器还可以是二阶滤波器。在至少一个实施例中，峰/谷模块1180可以包括均衡器、诸如参数或图形均衡器。

频带分离器1190被配置为分离信号、诸如处理信号4030。在至少一个实施例中，信号被分离成低频带信号2200、中频带信号2210和高频带信号2220。每个频带可以是四阶节的输出，其可以进一步实现为二阶双二阶滤波器的级联。在其他实施例中，频带分离器可以包括适合于将信号分离成三个频段的电路的任何组合。低频带、中频带、高频带可以是预定范围，或者可以基于频率本身地动态确定，即信号可以分成三个偶数频段，或者按百分比分离。不同频带可以进一步由用户和/或控制机构限定或配置。

低频带压缩器1300被配置为调制低频带信号2200，并且高频带压缩器1310被配置为调制高频带信号2220。在至少一个实施例中，低频带压缩器1300和高频带压缩器1310中的每一个均可以与第一压缩器1140相同。因此，低频带压缩器1300和高频带压缩器1310中的每一个均可以被配置为调制信号。压缩器1300、1310中的每一个均可以包括自动增益控制器，或者适合于音频信号的动态范围压缩的电路的任何组合。

第二处理模块3040被配置为处理至少一个信号、诸如调制低频带信号2300、中频带信号2210和调制高频带信号2310。因此，第二处理模块3040可以包括求和模块1320，该求和模块1320被配置为组合多个信号。求和模块1320可以包括混频器，该混频器被构造为将两个以上的信号组合成复合信号。求和模块1320可以包括被构造或配置为组合两个以上的信号的任何电路或其组合。在至少一个实施例中，求和模块1320包括用于每个进入信号的单独增益控制，这些信号诸如为调制低频带信号2300、中频带信号2210和调制高频带信号2310。在至少一个实施例中，第二处理模块3040还可以包括第二增益元件1330。在至少一个实施例中，第二增益元件1330可以与第一增益元件1170相同。因此，第二增益元件1330可以包括放大器或乘法器电路以用预定量调整信号、诸如组合信号。

输出装置1020可以包括左播放模块230和/或右播放模块230’。

如图所表示的，图8示出了用于利用音频处理器220处理音频信号的一种方法的框图，该音频处理器220在至少一个实施例中可以结合来自上述系统1000和/或3000的部件或其组合。如下详述的图8中的方法的每个步骤也可以呈存储在非暂时性计算机可读介质上以供音频处理器220执行的代码段的形式。

因此，如在5010中，首先利用高通滤波器对输入音频信号(诸如放大信号)进行过滤，以产生高通信号。高通滤波器被配置为穿过信号、诸如输入信号的高频率，同时衰减低频率。在至少一个实施例中，超低频内容被高通滤波器移除。在至少一个实施例中，高通滤波器可以包括被实现为两个二阶双二阶节的级联的四阶滤波器。使用分成两个二阶节的四阶滤波器的原因是其允许滤波器在存在有限字长效应的情况下保持数值精度，这可能发生在定点和浮点实现中。这种实施例的示例实现可以采用类似于以下的形式：

分配两个存储位置，指定为d(k-1)和d(k-2)，其中每个存储位置都保持称为状态变量的量。对于每个输入样本x(k)，使用系数a1和a2计算量d(k)：

d(k)＝x(k)–a1*d(k-1)–a2*d(k-2)。

然后基于系数b0、b1和b2根据以下等式计算输出y(k)：

y(k)＝b0*d(k)+b1*d(k-1)+b2*d(k-2)。

包括五次乘法和四次加法的上述计算适用于单通道二阶双二阶节。因此，由于四阶高通滤波器是作为两个二阶双二阶节的级联实现的，因此单通道四阶输入高通滤波器将需要十次乘法、四个存储位置和八次加法。

然后如在5020中，利用第一滤波器模块对来自高通滤波器的高通信号进行过滤，以产生第一过滤信号。第一滤波器模块被配置为选择性地提升或衰减音频信号(诸如高通信号)内的选定频率范围的增益。因此，在至少一个实施例中，第一滤波器模块可以包括二阶低架滤波器和二阶高架滤波器。在至少一个实施例中，在将信号呈现给压缩器或动态范围控制器之前，第一滤波器模块将高于第一频率的内容提升一定量，并且将低于第一频率的内容衰减一定量。这允许动态范围控制器触发和调整较高频率的材料，而其对较低频率的材料相对不敏感。

然后如在5030中，利用第一压缩器对来自第一滤波器模块的第一过滤信号进行调制。第一压缩器可以包括自动或动态增益控制器，或者适用于音频信号的动态压缩的任何电路。因此，压缩器可以包括标准动态范围压缩控制，诸如阈值、比率、进击和释放。第一压缩器的示例实现可以采用类似于以下的形式：

压缩器首先计算信号电平的近似值，其中att表示进击时间；rel表示释放时间；invThr表示预先计算的阈值：

temp＝abs(x(k))

如果temp>level(k-1)

则level(k)＝att*(level(k-1)–temp)+temp

否则

level＝rel*(level(k-1)–temp)+temp

此电平(level)计算针对每个输入样本进行。然后信号电平与invThr的比率决定下一步骤。如果该比率小于1，则信号原封不动地穿过。如果比率超过1，则存储器中的表格可能会提供一常数，该常数是invThr和电平的函数：

如果(level*thr<1)

则output(k)＝x(k)

否则

index＝floor(level*invThr)

如果(index>99)

则index＝99

gainReduction＝table[index]

output(k)＝gainReduction*x(k)

然后如在5040中，利用第二滤波器模块对来自第一压缩器的调制信号进行过滤，以产生第二过滤信号。第二滤波器模块被配置为选择性地提升或衰减音频信号(诸如调制信号)内的选定频率范围的增益。因此，在至少一个实施例中，第二滤波器模块可以包括二阶低架滤波器和二阶高架滤波器。在至少一个实施例中，第二过滤模块将高于第二频率的内容提升一定量，并且将低于第二频率的内容衰减一定量。在至少一个实施例中，第二滤波器模块将低于第一指定频率的内容调整固定量，该固定量与由第一滤波器模块移除的量相反。举例来说，如果第一滤波器模块将高于第一频率的内容提升+X dB，并且将低于第一频率的内容衰减–Y dB，则第二滤波器模块然后可以将高于第一频率的内容衰减–X dB，并且将低于第一个频率的内容提升+Y dB。换言之，在一个实施例中，第二滤波器模块的目的可以是“撤销”由第一滤波器模块施加的过滤。

然后，如在5050中，利用第一处理模块处理来自第二滤波器模块的第二过滤信号以产生处理信号。处理模块可以包括被配置为调整信号的电平的增益元件。例如，这种调整可能是必要的，因为峰值与均值的比率被第一个压缩器修改。处理模块可以包括峰/谷模块。在至少一个实施例中，峰/谷模块可以包括十个级联的二阶滤波器。峰/谷模块可以用于对信号的所期望的输出频谱进行整形。在至少一个实施例中，第一处理模块仅包括峰/谷模块。在其他实施例中，第一处理模块包括增益元件，其后是峰/谷模块。

然后，如在5060中，利用频带分离器将来自第一处理模块的处理信号分离成低频带信号、中频带信号和高频带信号。频带分离器可以包括适合于将信号分离成不同频率范围的多个信号的任何电路或电路组合。在至少一个实施例中，频带分离器包括四阶频带分离组。在该实施例中，低频带、中频带和高频带中的每一个都作为四阶节的输出产生，实现为二阶双二阶滤波器的级联。

如在5070中，利用低频带压缩器对低频带信号进行调制，以产生调制低频带信号。在至少一个实施例中，低频带压缩器可以被配置为第一压缩器和/或在计算上与第一压缩器相同。如在5080中，利用高频带压缩器对高频带信号进行调制，以产生调制高频带信号。在至少一个实施例中，高频带压缩器可以被配置为第一压缩器和/或在计算上与第一压缩器相同。

然后，如在5090中，利用第二处理模块处理调制低频带信号、中频带信号和调制高频带信号。第二处理模块至少包括求和模块。求和模块被配置为将多个信号组合成一个复合信号。在至少一个实施例中，求和模块还可以包括用于每个进入信号的单独增益控制，这些进入信号诸如为调制低频带信号、中频带信号和调制高频带信号。举例来说，求和模块的输出(out)可以通过以下进行计算：

out＝w0*低+w1*中+w2*高

系数w0、w1和w2代表不同的增益调整。第二处理模块还可以包括第二增益元件。在至少一个实施例中，第二增益元件可以与第一增益元件相同。第二增益元件可以提供最终增益调整。最后，将第二处理信号作为输出信号被传送。

如图所表示的，图9示出了用于利用音频处理器220处理音频信号的一种方法的框图，该音频处理器220在至少一个实施例中可以结合来自上述的系统1000和/或3000的部件或其组合。因为上面已经详细讨论了图9的各个部件，因此这里不再对其进行讨论。此外，如下详述的图9中的方法的每个步骤也可以呈针对本发明的至少一个实施例的代码段的形式，该代码段被存储在非暂时性计算机可读介质上，以供本发明的音频处理器220执行。

因此，如在5010中，首先利用高通滤波器对输入音频信号进行过滤。然后如在6010中，利用第一低架滤波器对来自高通滤波器的高通信号进行过滤。然后如在6020中，利用第一高架滤波器对来自第一低架滤波器的信号进行过滤。然后如在5030中，利用第一压缩器对来自第一低架滤波器的第一过滤信号进行调制。如在6110中，利用第二低架滤波器对来自第一压缩器的调制信号进行过滤。然后如在6120中，利用第二高架滤波器对来自低架滤波器的信号进行过滤。然后如在6210中，利用第一增益元件对来自第二低架滤波器的第二过滤信号进行增益调整。如在6220中，利用峰/谷模块对来自第一增益元件的信号进行进一步的处理。然后如在5060中，将来自峰/谷模块的处理信号分成低频带信号、中频带信号和高频带信号。如在5070中，利用低频带压缩器对低频带信号进行调制。如在5080中，利用高频带压缩器对高频带信号进行调制。然后如在6310中，利用求和模块组合调制低频带信号、中频带信号和调制高频带信号。然后如在6320中，利用第二增益元件对组合信号进行增益调整，以产生输出信号。

应当理解，上述步骤可以排他地或非排他地以任何顺序进行。此外，方法中记载的物理装置可以包括本文中描述的或本领域技术人员已知的任何装置和/或系统。

由于可以对所描述的本发明的优选实施例进行许多详细的修改、变型和变化，因此上述描述中和附图中所示的所有内容都旨在解释为说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其法律等同物来确定。

在一个优选实施例中，图10示出了一种用于听力增强和保护的可佩戴设备，该可佩戴设备能够为用户生成头部相关的音频传递函数(HRTF)并且包括至少一个入耳式组件400。如图10所示，入耳式组件400被构造成当处于操作位置时或当被操作地定位时布置在用户的至少一只耳朵的内侧和/或部分外侧。入耳式组件400的一个目的是用于实时地捕获来自用户的外部环境的声音，通过形成在入耳式组件400上和入耳式组件400中的独特结构对声音进行过滤以便生成音频位置或方向数据，处理声音以增强音频位置数据的质量，通过各种前置放大器增强和放大该声音，并通过播放模块、扬声器或各种其他换能器将音频位置数据中继给用户，从而允许用户可以有效地确定声音在三维空间中的来源。

入耳式组件400包括至少一个腔室、外壳或底盘，其容纳入耳式组件400的内部上的各种结构，并且提供外部表面以容纳模拟人耳的功能的结构以用于生成头部相关的音频传递函数(“HRTF”)。请注意图10和图11中的实施例，入耳式组件400至少包括主腔室403和次级腔室406。如图10所示，当用户佩戴入耳式组件400时，主腔室403位于用户耳朵的近侧，而次级腔室406位于用户耳朵的远侧。

如图11所示，入耳式组件400的次级腔室406的外部表面或外侧表面将至少部分地敞开或暴露于外部环境，从而为入耳式组件400提供用于接收由麦克风415捕获的声音的装置。入耳式组件400的内部包括至少部分密封的环境，该环境部分或完全地阻碍声波的直接流动，从而确保来自外部环境的噪声干扰不会影响由麦克风415接收的音频输入的质量。通常，麦克风415将音频输入声音中继到播放模块230，该播放模块230在操作位置中将通过连接到用户耳朵的听觉通道428将音频输出声音传送到用户。次级腔室406和主腔室403可以包括消音或隔音材料，诸如但不限于各种泡沫、塑料和玻璃。主腔室和次级腔室406可以由坚硬的、坚固的塑料或多种其他材料制成。

注意图11和图12，次级腔室406的外部表面至少包括对耳轮结构101、耳屏结构102和麦克风孔409。麦克风孔409与周围环境直接气流连通，并且因此将接收空气中的、被过滤并穿过对耳轮结构101和耳屏结构102的声学声波或振动流动。对耳轮结构101和耳屏结构102模拟人耳的外部部分(耳廓)的功能，其协助并充当漏斗来引导和过滤输入到麦克风孔409中、通过麦克风通道412并接收到麦克风415中的声音或音频。如前所述，在一个实施例中，入耳式组件400还可以包括：前置放大器210，如图3示意性所示，该前置放大器210用于放大过滤的音频输入信号；以及音频处理器220，其也在图3中示出，用于处理放大信号，并生成待由播放模块230’接收的处理信号，播放模块230’将向用户传输音频和/或位置音频数据。

如图11和12所示，耳屏结构102被布置成部分地包围麦克风孔409，并且对耳轮结构101被部置成部分地包围耳屏结构102和麦克风孔406。对耳轮结构101包括具有封闭侧105和开放侧106的部分圆顶结构。耳屏结构102还可以包括具有封闭侧107和开放侧108的至少部分圆顶结构。在优选实施例中，对耳轮结构101的开放侧106可以与耳屏结构102的开放侧108直接相对。在优选实施例中，图11和图12的对耳轮结构101包括半圆顶，而耳屏结构102包括部分圆顶，其中基部可以小于半圆顶的基部，但顶部可以延伸到半圆顶的中点或超过半圆顶的中点，以提供对麦克风孔409和其他结构的增加的覆盖或封闭。当然，在其他变型中，部分圆顶的顶部和底部可以在各自的尺寸上发生变化以形成全圆顶结构的不同部分，以便产生对麦克风孔409的不同覆盖。这允许入耳式组件400产生不同的或增强的声学输入，用于计算源声音相对于用户的方向和距离。对耳轮结构101和耳屏结构102可以是模块化的，从而可以基于用户对特定声学特征的偏好来更换不同的尺寸或形状(不同部分圆顶的变化)。

在优选实施例中，如图10至图13所示，风挡结构418可以布置在入耳式组件400的次级腔室406的外部表面上。风挡结构418提供了一种减少来自外部环境的不想要的噪声和风干扰的机构，从而增强和过滤待由入耳式组件400接收的进入声音或音频输入信号的质量。注意图10至图13，次级腔室406的外部表面可以包括多个风挡附接区域424/424’以连接风挡结构418，该风挡结构418包括多个风挡连接器425/425’，从而提供在入耳式组件400的外部上附接和移除风挡结构的能力。

如图11和图13所示，风挡结构418还包括或容纳开孔泡沫部件421或各种其他材料，它们将一起减少由入耳式组件400接收的噪声干扰。因此，在如图11所示的优选实施例中，包括开孔泡沫421的风挡结构418可以布置成部分或完全地覆盖对耳轮结构101、耳屏结构102和麦克风孔409。风挡结构418可以被配置成各种形状。在图10和图13所示的一个实施例中，风挡结构418将采用具有圆形边缘的方形形状，具有开放式六边形结构，从而提供多个开放狭槽，开放狭槽的数量可以变化，诸如六个开放狭槽。容纳在其中的开孔泡沫421可以接收和过滤噪声干扰，并将更高质量的声音传送到对耳轮结构101、耳屏结构102、麦克风孔409，向下进入麦克风通道412中，并进入麦克风415中。风挡结构418可以由各种材料制成，包括坚固的柔性塑料，其还可以为入耳式组件400的外部上的下面的结构提供保护。

如图11所示，风挡结构418包括风挡连接器结构425和425’，风挡连接器结构425和425’卡入次级腔室406的外部上的风挡附接区域424和424’，并且在入耳式组件400的次级腔室406的内部延伸。风挡附接区域424和424’以及风挡连接器结构425和425’被密封并与麦克风歧管408以及播放模块230和入耳式组件400内部的其他结构物理隔离，麦克风歧管408包括麦克风孔409、麦克风通道412、麦克风415和麦克风壳体416。隔离和密封的环境确保减少噪声干扰，并且不会干扰由麦克风415接收的声音的音频输入以及由播放模块230向用户传送的声音的输出。此外，可以移除风挡结构418，从而允许用户根据需要用替代材料替换开孔泡沫421。类似地，如图12所示，入耳式组件400的次级腔室406的外部上的对耳轮结构101和耳屏结构102可以被移除并更换为不同尺寸和形状的对耳轮结构101和耳屏结构102，以根据需要为用户提供不同的声学特征。

现在注意图11，麦克风歧管408是嵌入入耳式组件400内的独立结构，至少包括麦克风孔409、麦克风通道412、麦克风415和麦克风壳体416。麦克风歧管408可以完全位于次级腔室406内，或者也可以延伸到主腔室403中。麦克风孔409暴露于外部环境，从而提供接收声音信号或音频输入的手段，并且麦克风孔409连接到麦克风通道412并与麦克风通道412气流连通。麦克风通道412包括至少为其直径两倍的长度。在一个实施例中，麦克风通道412包括为其直径三倍的长度。麦克风通道412连接到麦克风415，从而提供将从外部环境接收的声音信号和音频输入传输到麦克风415的手段，麦克风415可以容纳在麦克风壳体416中。麦克风歧管408隔离麦克风通道412和入耳式组件400内的麦克风415，从而确保麦克风415接收至少通过麦克风孔409汇集的不受干扰的声音和声学信号。如上所述，麦克风415也可以容纳在麦克风内壳体416内，从而进一步隔离入耳式组件400的内部内的麦克风415。

当用户佩戴入耳式组件400时，麦克风通道412可以布置在相对于用户的期望收听方向104基本上平行的取向上，总体上在图10中示出。在其他实施例中，麦克风通道412可以布置在相对于用户的收听方向104基本上垂直的取向上。类似地，麦克风415可以布置在相对于用户的期望收听方向104基本上平行的取向上，或者当用户佩戴入耳式组件时布置在基本上垂直的取向上。然而，麦克风通道412和麦克风415可以布置在各种取向上，而与用户的收听方向104无关。麦克风415可以齐平地安装在麦克风歧管408的端部上。在优选实施例中，气腔或气隙417位于麦克风415和麦克风歧管408的端部之间。具有不同声学特征的不同气体可以与气腔一起使用。

请注意图11，麦克风415可以直接连接到容纳在主腔室403内或更一般地容纳在入耳式组件400的内部中的播放模块230或扬声器。麦克风415可以通过连接线430或通过允许麦克风415和播放模块230之间的通信的多种手段连接到播放模块230。麦克风415接收来自外部环境的音频输入，这些音频输入被传输到播放模块230，从而将音频输入转换成通过连接到用户的耳朵的听觉通道428中继的声音或音频输出，以允许用户有效地确定声音在三维空间中的来源。

进一步注意图11和图14，隔离挡板431将麦克风415与播放模块230物理地隔离，以防止在入耳式组件400的操作期间反馈噪声。隔离挡板431可以实现麦克风415和播放模块230之间的30分贝以上的噪声隔离。隔离挡板431实现了确保播放模块的声压或输出不会干扰麦克风415有效地接收来自环境的不受干扰的声音输入的能力的目的。隔离挡板431允许用户有效地接收来自播放模块230的不受干扰的声音输出，从而允许用户有效地查明来自外部环境的声音的来源。如图11和图14所示，隔离挡板431可以包括单片坚固的柔性塑料。隔离挡板431可以横穿入耳式组件400的长度和宽度，并且连接到入耳式组件400的顶部的内表面，或者特别是连接到次级腔室406的内表面。隔离挡板431还包括隔离柱434，该隔离柱434连接到附接至入耳式组件400的主腔室403的圆柱形结构435，从而提供隔离挡板431的适当的组装和刚性。在其他实施例中，隔离挡板431可以包括各种材料的互连单元，以实现麦克风415和播放模块230之间的期望隔离。播放模块230位于入耳式组件400的主腔室403中，以及播放模块230。播放模块230连接到听觉通道428，该听觉通道428在操作位置中位于用户的耳朵中，以将音频输出传输给用户。播放模块230转换从麦克风415和各种结构(诸如前置放大器210和音频处理器220)接收的电音频输入信号，从而产生通过听觉通道428传播给用户的音频输出数据。在播放模块230和隔离挡板431之间还可以具有气腔417’，从而为播放模块提供了足够的空间来振动和产生不同的声音输出。

此外，如图10和图15所示，稳定器组件437可以附接到入耳式组件400的外部或者附接到入耳式组件的主腔室403的外部，以当在用户的耳朵中的操作位置时将入耳式组件400和各种结构稳定在正确的取向上。稳定器组件437例如确保对耳轮结构101、耳屏结构102和入耳式组件400的次级腔室406的外部上的其他结构面向用户的收听方向104。在一个优选实施例中，稳定器组件437提供支撑以将麦克风歧管408保持在与用户的收听方向104基本上平行的方向上。如图15所示，稳定器组件431包括：圆形套环结构440，在优选实施例中，该圆形套环结构440附接到主腔室403的外部部分；以及连接到圆形套环结构440的耳甲形结构443，该耳甲形结构443舒适地位于用户耳朵的外侧部分内。稳定器组件437将入耳式组件400正确地固定在用户的耳朵上并限制入耳式组件的移动以促进正确的取向。

在优选实施例中，至少一个入耳式组件400还包括前面提到的前置放大器210和音频处理器220，如图3示意性所示。前置放大器210可以增强通过入耳式组件过滤的声音，从而增强某些声学特征以提高定位准确度，或者以进一步滤除不需要的噪声。前置放大器210可以包括电子放大器，诸如电压放大器、电流放大器、跨导放大器、跨阻放大器和/或本领域技术人员已知的用于增加或减少声音或输入信号的增益的任何电路组合。在至少一个实施例中，前置放大器包括麦克风前置放大器，该麦克风前置放大器被配置为准备待由其他处理模块处理的麦克风信号。如本领域中可能已知的，麦克风信号有时太弱而无法传送到其他单元，诸如具有足够质量的记录或回放装置。因此，麦克风前置放大器通过提供稳定的增益将麦克风信号增加到线路电平，同时防止否则可能会使信号失真的感应噪声。

音频处理器220可以包括数字信号处理器和放大器，并且还可以包括音量控制装置。音频处理器220可以包括处理器和被构造成进一步增强来自麦克风前置放大器的信号的音频质量的电路组合，所述电路组合诸如为但不限于架式滤波器、均衡器、调制器。例如，在至少一个实施例中，音频处理器220可以包括处理器，如由本发明人的美国专利号8,160,274所教导的，该处理器执行用于处理信号的步骤，该美国专利的全部公开内容通过引用并入本文。音频处理器220可以结合为用户和/或环境定制的各种声学配置文件，诸如在本发明人的美国专利号8,565,449中描述的那些，其全部公开内容通过引用并入本文。音频处理器220可以另外结合适用于高噪声环境的处理，诸如本发明人的美国专利号8,462,963中描述的高噪声环境，其全部公开内容通过引用并入本文。音频处理器220的参数可以由用户通过本领域技术人员已知的任何手段来控制和修改，诸如通过直接接口或无线通信接口来控制和修改。

在如图16所示的另一实施例中，至少一个入耳式组件400可以形成较大的可佩戴设备500的一部分。设备500包括左入耳式耳塞组件400、右入耳式耳塞组件400’和互连构件502。连接线501可以将左入耳式耳塞组件400连接到互连构件502，并且连接线501’可以将右入耳式耳塞组件400’连接到互连构件502。互连构件502可以包括各种部件以及各种放大器，包括但不限于前置放大器210/210’、音频处理器220和诸如230/230’的播放模块，以及用于接收、传送、增强和再现声音的其他适当电路或其组合。如图17A所示，互连构件502可以包括柔性背部504，该背部包绕第一侧部506和第二侧部506’或延伸到第一侧部506和第二侧部506’中，并且可以由用户佩戴在他或她的颈部周围。注意图17B，互连构件502可以包括音量控制功能件509，以增强或降低从播放模块230接收到的音量电平，或者以降低从麦克风415接收到的音频输入。另外，互连构件502可以包括呼叫麦克风功能件512，从而为用户提供在不移除可佩戴设备500的情况下拨打和接听电话的能力。互连构件502还可以包括静音模式功能件515以防止来自播放模块230/230’的音频输出的传送。互连构件502还包括可移除电池518，如图17A所示，以能够为设备充电。互连构件502可以通过如图16所示的连接线或诸如蓝牙技术的无线连接连接到入耳式总线组件400和400’。

由于可以对所描述的本发明的优选实施例详细地进行许多修改、变型和变化，因此上述描述中和附图中所示的所有内容旨在解释为说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其法律等同物来确定。

Claims (21)

1.一种用于听力增强和保护的可佩戴设备，该可佩戴设备能够为用户生成头部相关的音频传递函数，所述可佩戴设备包括：

布置在操作位置中的至少一个入耳式组件，包括：

在所述至少一个入耳式组件的外部表面上的耳屏结构；

在所述至少一个入耳式组件的所述外部表面上的对耳轮结构；

在所述至少一个入耳式组件的所述外部表面上的麦克风孔，所述麦克风孔与外部环境气流连通；

在所述至少一个入耳式组件的内部上的麦克风通道，所述麦克风通道与所述麦克风孔气流连通；

附接到所述麦克风通道的端部的麦克风；

连接到所述麦克风的播放模块；

隔离挡板，所述隔离挡板布置成将所述麦克风与所述播放模块隔离；

连接到所述播放模块的听觉通道，当处于所述操作位置中时，所述听觉通道布置成与用户的耳朵连通；以及

前置放大器，该前置放大器被配置成接收音频信号，音频处理器，该音频处理器被配置成接收放大信号，并且所述播放模块被配置成接收处理信号。

2.根据权利要求1所述的可佩戴设备，该可佩戴设备还包括在所述至少一个入耳式组件的所述外部表面上的风挡结构。

3.根据权利要求2所述的可佩戴设备，其中，所述风挡结构布置成部分地包围所述麦克风孔、所述耳屏结构和所述对耳轮结构。

4.根据权利要求1所述的可佩戴设备，其中，所述耳屏结构布置成部分地包围所述麦克风孔。

5.根据权利要求1所述的可佩戴设备，其中，所述对耳轮结构布置成部分地包围所述耳屏结构和所述麦克风孔。

6.根据权利要求1所述的可佩戴设备，其中，所述麦克风通道包括为其直径的至少两倍的长度。

7.根据权利要求1所述的可佩戴设备，其中，所述隔离挡板在所述麦克风和所述播放模块之间实现至少30分贝的噪声隔离。

8.根据权利要求1所述的可佩戴设备，其中，所述麦克风通道和所述麦克风相对于所述用户的收听方向在基本上平行的取向上。

9.根据权利要求1所述的可佩戴设备，该可佩戴设备还包括稳定器组件，该稳定器组件连接到所述至少一个入耳式组件的所述外部。

10.根据权利要求9所述的可佩戴设备，其中，所述稳定器组件包括：圆形套环，该圆形套环附接到所述至少一个入耳式组件的所述外部；以及耳甲形结构，该耳甲形结构附接到所述圆形套环并且构造成当处于所述操作位置中时用于布置在用户的耳朵上。

11.一种用于听力增强和保护的可佩戴设备，该可佩戴设备能够为用户生成头部相关的音频传递函数，所述可佩戴设备包括：

能够置于操作位置中的左入耳式组件和右入耳式组件，所述左入耳式组件和所述右入耳式组件均包括主腔室和次级腔室，当处于所述操作位置中时，所述主腔室布置成在用户耳朵的近侧，所述次级腔室布置成在用户耳朵的远侧，

所述次级腔室包括：

在所述次级腔室的外部表面上的麦克风孔，所述麦克风孔与外部环境气流连通；

在所述次级腔室的所述外部表面上的耳屏结构，所述耳屏结构布置成部分地包围所述麦克风孔；

在所述次级腔室的所述外部表面上的对耳轮结构，所述对耳轮结构布置成部分地包围所述耳屏结构和所述麦克风孔；

在所述次级腔室的内部上的麦克风通道，所述麦克风通道与所述麦克风孔气流连通；

麦克风，所述麦克风布置在所述麦克风通道的端部内，

所述主腔室包括：

连接到所述麦克风的播放模块；

连接到所述播放模块的听觉通道，当处于所述操作位置中时，所述听觉通道布置成与用户的耳朵连通；

隔离挡板，所述隔离挡板布置成将所述麦克风与所述播放模块隔离；以及

前置放大器，该前置放大器被配置为接收音频信号，音频处理器，该音频处理器被配置成接收放大信号，并且所述播放模块被配置成接收处理信号。

12.根据权利要求11所述的可佩戴设备，该可佩戴设备还包括在所述次级腔室的所述外部表面上的风挡结构。

13.根据权利要求12所述的可佩戴设备，其中，所述风挡结构布置成部分地包围所述麦克风孔、所述耳屏结构和所述对耳轮结构。

14.根据权利要求11所述的可佩戴设备，其中，所述麦克风通道包括为其直径的至少两倍的长度。

15.根据权利要求11所述的可佩戴设备，其中，所述隔离挡板在所述麦克风和所述播放模块之间实现至少30分贝的噪声隔离。

16.根据权利要求11所述的可佩戴设备，其中，所述麦克风通道和所述麦克风相对于所述用户的收听方向在基本上平行的取向上。

17.根据权利要求11所述的可佩戴设备，该可佩戴设备还包括稳定器组件，所述稳定器组件包括：圆形套环，该圆形套环连接到所述主腔室的所述外部；以及耳甲形结构，当处于所述操作位置中时，所述耳甲形结构布置在用户的耳朵上。

18.一种用于听力增强和保护的可佩戴设备，该可佩戴设备能够为用户生成头部相关的音频传递函数，所述可佩戴设备包括：

能够布置在操作位置中的至少一个入耳式组件，所述至少一个入耳式组件包括主腔室和次级腔室，当处于所述操作位置中时，所述主腔室布置成在用户耳朵的近侧并且所述次级腔室布置成在用户耳朵的远侧；以及连接到所述至少一个入耳式组件的互连构件，

所述次级腔室包括：

在所述次级腔的外部表面上的麦克风孔，所述麦克风孔与外部环境气流连通；

在所述次级腔室的所述外部表面上的耳屏结构，所述耳屏结构布置成部分地包围所述麦克风孔；

在所述次级腔室的所述外部表面上的对耳轮结构，所述对耳轮布置成部分地包围所述耳屏结构和所述麦克风孔；

在所述次级腔室的内部上的麦克风通道，所述麦克风通道与所述麦克风孔气流连通，

附接到所述麦克风通道的端部的麦克风；

隔离挡板，该隔离挡板将所述麦克风与播放模块隔离；

所述主腔室包括：

连接到所述麦克风的播放模块，所述播放模块与所述麦克风隔离；

连接到所述播放模块的听觉通道，当处于操作位置中时，所述听觉通道布置成与用户的耳朵连通；

稳定器组件，所述稳定器包括：圆形套环，该圆形套环连接到所述主腔室的所述外部；以及耳甲形结构，该耳甲形结构附接到所述圆形套环并且构造成当处于操作位置中时用于布置在用户的耳朵上，

所述互连构件包括：

柔性背部，该柔性背部连接到在一个端部上的侧部和在第二端部上的侧部，所述互连构件连接到所述至少一个入耳式组件；

至少一个音频处理器，该音频处理器被配置为从所述至少一个入耳式组件接收音频信号，以及

至少一个前置放大器，该前置放大器被配置为接收所述音频信号，所述音频处理器还被配置为接收放大信号，并且所述播放模块被配置为接收处理信号。

19.根据权利要求18所述的可佩戴设备，其中，所述麦克风通道和所述麦克风相对于用户的收听方向在基本上平行的取向上。

20.根据权利要求18所述的可佩戴设备，其中，所述隔离挡板在所述麦克风和所述播放模块之间实现至少30分贝的噪声隔离。

21.根据权利要求18所述的可佩戴设备，该可佩戴设备还包括在所述至少一个入耳式组件的所述外部表面上的风挡结构，该风挡结构布置成部分地包围所述麦克风孔、所述耳屏结构和所述对耳轮结构。

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