CN115529533A - 一种啸叫预检测方法及装置、啸叫控制方法及装置 - Google Patents

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CN115529533A CN202110702498.6A CN202110702498A CN115529533A CN 115529533 A CN115529533 A CN 115529533A CN 202110702498 A CN202110702498 A CN 202110702498A CN 115529533 A CN115529533 A CN 115529533A
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Abstract

本发明提供一种啸叫预检测方法，用于主动降噪设备，包括：接收音频采集装置采集到的噪音信号和降噪装置输出的次级音源驱动信号；计算噪音信号和次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；对噪音信号和次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号；计算二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差，根据相位差将二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐；对相位对齐后的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值；当前时刻的音频信号相关值大于音频信号相关阈值，且噪音信号和次级音源驱动信号中任一个当前时刻的信号功率大于功率阈值，判断会产生啸叫。

Description

一种啸叫预检测方法及装置、啸叫控制方法及装置
技术领域
本发明涉及声学处理技术，特别涉及一种啸叫预检测方法及装置、啸叫控制方法及装置。
背景技术
噪声不仅仅影响人们的正常生活，甚至有害于听力。随着噪声污染越来越严重，抑制噪声的技术受到更多研究人员的关注。主动降噪基于波形干涉原理，通过次级通路(扬声器等)产生与噪声同幅度、相位相反的波形进行抵消。主动降噪耳机进行降噪、通透处理时，扬声器输出的信号泄露到参考麦克风，形成反馈系统，这种现象称为声学反馈(acousticfeedback)，当满足一定条件时(增益、相位)，引起啸叫，而啸叫是一种尖锐刺耳的噪声，会对用户及扬声器周边环境带来噪声干扰，极大影响了用户体验。
传统的技术方案中，啸叫出现时，满足啸叫条件的某一个频率的功率快速增长，直至最大功率输出。而环境噪声、语音信号多为宽带信号，因此啸叫的检测方式可以简化为对单频信号的检测。
例如，图1为现有技术的混合式的主动降噪耳机系统示意图，包括参考麦克风101、误差麦克风103、主动降噪处理模块105和扬声器107。参考麦克风101采集外部的信号，通过主动降噪处理模块105处理之后，送到扬声器107进行播放，形成次级音源。次级音源与外部信号(噪声)进行抵消，形成降噪效果。次级音源与外部信号进行互补，形成通透效果。误差麦克风103实时监控降噪误差，将降噪误差通过反馈控制环路进行进一步降噪。扬声器107输出信号除了与外部音频进行干涉之外，还有一部分声音传播到参考麦克风101，这部分称为声学反馈。当声学反馈路径的频响F与主动降噪处理的频响C形成的开环增益F*C满足一定条件时，将形成啸叫。现有技术中还有前馈式主动降噪(只包括参考麦克风)和反馈式主动降噪(只包括误差麦克风)。
为了预防和控制啸叫，需要进行啸叫产生的前提信号--单频信号进行检测，即啸叫预检测。图2为啸叫产生时，扬声器107和参考麦克风101的数据，单频信号的功率指数增长，因此啸叫预检测可以简化为单频信号的检测。
现有的检测技术中，认为检测到大功率的单频信号即为啸叫，之后再进行后续的啸叫抑制，控制啸叫。比如，将时域信号转换为频域信号，对频域值进行监控检测，当某一频率功率超过预设值时，触发啸叫标志位。该方法可以有效检测到啸叫，但是运算复杂，啸叫检测延时大，导致检测到啸叫之后才进行啸叫控制。因此，最好的处理方式是对啸叫的预判，即防止啸叫形成是扬声器端亟待解决的问题。
传统的技术方案存在以下弊端：
1、需要将采集到时域信号转换到频域再进行计算，运算量大；
2、啸叫检测延时大，一般是出现啸叫之后才能被检测到，无法及时处理啸叫。
发明内容
基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种运算量小，检测快速的啸叫预检测和控制方法及装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种啸叫预检测方法，用于主动降噪设备，所述主动降噪设备包括音频采集装置和降噪装置，所述音频采集装置用于采集环境噪音信号，所述降噪装置用于根据所述音频采集装置采集到的噪音信号进行运算得到次级音源驱动信号，所述次级音源驱动信号被提供给所述音频播放装置播放，以对所述环境噪音信号进行抵消从而实现主动降噪，
所述啸叫预检测方法包括步骤：
接收所述音频采集装置采集到的噪音信号和所述降噪装置输出的所述次级音源驱动信号；
计算所述噪音信号和所述次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；
对所述噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号；
计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；
对相位对齐后的所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值；
当所述当前时刻的音频信号相关值大于预设的音频信号相关阈值，且所述噪音信号和所述次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻所述单频信号的功率增大，会产生啸叫，其中，所述单频信号为会发生的啸叫的单频点信号。
优选地，所述噪音信号为所述音频采集装置采集的噪音时域音频幅度值，所述次级音源驱动信号为所述降噪装置输出的次级音源驱动信号时域音频幅度值。
优选地，对所述噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理包括：
当所述噪音时域音频幅度值大于0时，所述二值化噪音信号为1；否则，所述二值化噪音信号为-1；
当所述次级音源驱动信号时域音频幅度值大于0时，所述二值化次级音源驱动信号为1；否则，所述二值化次级音源驱动信号为-1。
优选地，所述计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐包括：
计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的过零点，根据所述过零点的差值得到所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差；
根据所述相位差控制所述二值化噪音信号和/或所述二值化次级音源驱动信号的缓存，以实现所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号相位对齐。
优选地，所述对相位对齐后的所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值包括：
当前时刻的相关值为前一时刻的相关值加当前时刻所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的乘积，再减去前面第L个时刻的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积，其中，所述L为所述相关运算的长度值。
优选地，所述噪音信号包括前馈噪音信号和/或后馈噪音信号，
所述前馈噪音信号为主动降噪设备外部的噪音信号；所述后馈噪音信号为外部噪音信号进入所述主动降噪设备内部的噪音信号；
当所述噪音信号为前馈噪音信号和所述后馈噪音信号时，
计算所述前馈噪音信号、所述后馈噪音信号和所述次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；
对所述前馈噪音信号、所述后馈噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化前馈噪音信号、二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号；
计算所述二值化前馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述前馈二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；计算所述二值化后馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化后馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；
对相位对齐后的所述二值化前馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的前馈音频信号相关值；对相位对齐后的所述二值化后馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的后馈音频信号相关值；
当所述当前时刻的前馈音频信号相关值和后馈音频信号相关值中任一值大于预设的音频信号相关阈值，且所述前馈噪音信号、所述后馈噪音信号和所述次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻所述单频信号的功率增大，会产生啸叫。
本发明还提供一种啸叫控制方法，用于主动降噪设备，所述主动降噪设备包括音频采集装置和降噪装置，采用本发明的啸叫预检测方法检测是否会产生啸叫，当检测到当前时刻会产生啸叫时，减小所述次级音源的增益值，以控制啸叫。
本发明还提供一种啸叫预检测装置，包括音频采集模块、主动降噪模块、功率检测模块、相关运算模块和控制模块，
所述音频采集模块，用于采集噪音信号；
所述主动降噪模块，用于根据所述音频采集装置采集到的噪音信号进行运算得到次级音源驱动信号；
所述功率检测模块，用于计算所述噪音信号和所述次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；
所述相关运算模块包括二值化计算单元、相位对齐单元和相关计算单元，
所述二值化计算单元对所述噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号；
所述相位对齐单元计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；
所述相关计算单元，对相位对齐后的所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值；
所述控制模块，用于当所述当前时刻的音频信号相关值大于预设的音频信号相关阈值，且所述噪音信号和所述次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率值大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻所述单频信号增大，会产生啸叫，其中，所述单频信号为会发生的啸叫的单频点信号。
优选地，所述音频采集模块采集的噪音信号为时域音频幅度值，所述主动降噪模块输出的次级音源驱动信号为时域音频幅度值。
优选地，所述二值化计算单元包括第一判断单元和第二判断单元，
第一判断单元用于对所述噪音信号执行二值化处理，当所述噪音时域音频幅度值大于0时，所述二值化噪音信号为1；否则，所述二值化噪音信号为-1；
第二判断单元用于对所述次级音源驱动信号执行二值化处理，当所述次级音源驱动信号的时域音频幅度值大于0时，所述二值化次级音源驱动信号为1；否则，所述二值化次级音源驱动信号为-1。
优选地，所述相位对齐单元包括过零检测单元、第一缓存单元和第二缓存单元，
所述过零检测单元，计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的过零点，根据所述过零点的差值得到所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差；
所述第一缓存单元，用于缓存所述二值化噪音信号；
所述第二缓存单元，用于缓存所述二值化次级音源驱动信号；
所述过零检测单元还根据所述相位差控制所述二值化噪音信号在第一缓存单元中的存储和/或控制所述二值化次级音源驱动信号在第二缓存单元中的存储，以实现所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号相位对齐。
优选地，所述相关计算单元计算当前时刻的相关值为，
前一时刻的相关值加当前时刻所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的乘积，再减去前面第L个时刻的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积，其中，所述L为所述相关计算的长度。
优选地，所述音频采集装置包括前馈麦克风和/或后馈麦克风，所述前馈麦克风设置于所述啸叫预检测装置外部，用于采集所述啸叫预检测装置外部的噪音信号，所述后馈麦克风设置于所述啸叫预检测装置内部，用于采集外部噪音信号进入所述啸叫预检测装置内部的噪音信号。
本发明还提供一种啸叫控制装置，包括本发明的啸叫预检测装置，还包括增益值更新模块，
当所述啸叫预检测装置检测当前时刻会产生啸叫时，所述控制模块配置增益更新值到所述增益值更新模块，以降低所述次级音源信号的增益值。
优选地，所述增益值更新单元是数字增益值更新单元或模拟增益值更新单元。
本发明还提供一种主动降噪芯片，能够执行本发明的啸叫预检测方法或者啸叫控制方法。
本发明还提供一种主动降噪耳机，包括本发明的啸叫预检测装置，或者本发明的啸叫控制装置、或者本发明的主动降噪芯片。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有程序，其中，所述程序用于被执行实现本发明的啸叫预检测方法或者啸叫控制方法。
本发明的啸叫预检测方法，将音频采集装置和降噪装置数据进行相关处理，同时结合功率指标，快速判断是否会产生啸叫信号。将噪音信号和次级音源驱动信号二值化，再对齐二值化后的噪音信号和次级音源驱动信号的相位，之后计算相位对齐后的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相关值，能够减少数据存储量，降低啸叫检测的运算量，并保证啸叫检测效果，检测快速有效，在啸叫形成之前捕获啸叫预信号，从而抑制啸叫的产生。
本发明的啸叫控制方法，采用本发明的啸叫预检测方法，若判断当前时刻会产生啸叫时，泽减小次级音源的增益值，从而可以降低音频播放装置的输出信号，进而可以控制啸叫。
本发明的啸叫预检测装置，通过增设功率检测模块和相关运算模块，在采集到噪音信号和次级音源驱动信号后，由功率检测模块计算对应音源信号的功率，同时由相关运算模块计算噪音信号和次级音源驱动信号的相关值，可以快速判断是否会产生啸叫信号。将噪音信号和次级音源驱动信号二值化，再对齐二值化后的噪音信号和次级音源驱动信号的相位，之后计算相位对齐后的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相关值，能够减少数据存储量，降低啸叫检测的运算量，并保证啸叫检测效果，检测快速有效，在啸叫形成之前捕获啸叫预信号，从而抑制啸叫的产生。
本发明的啸叫控制装置，包括本发明的啸叫预检测装置，还包括增益值更新模块，当检测当前时刻会产生啸叫时，配置增益更新值到增益值更新模块，降低音频播放模块的增益值，以降低次级音源信号，从而达到控制啸叫产生的效果。
本发明的主动降噪芯片，执行本发明的啸叫预检测方法或者啸叫控制方法，能够降低芯片的啸叫检测的运算量，并保证啸叫检测效果，。
本发明的主动降噪耳机，采用本发明的啸叫预检测装置或者啸叫控制装置，实现了对啸叫的预判和提前控制，防止了啸叫的形成，提升用户体验。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
以下将参照附图对根据本发明的啸叫预检测方法及装置、啸叫控制方法及装置的优选实施方式进行描述。图中：
图1为现有技术中的混合式主动降噪系统示意图；
图2为图1中啸叫产生时，扬声器和参考麦克风的输出数据曲线；
图3为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫预检测方法流程图；
图4为根据本发明的一种优选实施方式的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号执行过零检测后的相位输出；
图5为根据本发明的一种优选实施方式的对噪音信号和次级音源驱动信号处理的流程示意图；
图6为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫预检测方法的仿真结果图；
图7为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫控制方法流程图；
图8为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫预检测装置框图；
图9为图8中相位对齐单元结构示意图；
图10为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫控制装置框图；
图11为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫预检测电路框图；
图12为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫控制电路框图；
图13为根据本发明的另一种优选实施方式的啸叫控制电路框图。
具体实施方式
图3为根据本发明的一种优选实施方式的啸叫预检测方法流程图200，该啸叫预检测方法用于主动降噪设备，例如，主动降噪耳机、主动降噪话筒、主动降噪音箱等，这些设备的麦克风和扬声器通常处于同一环境中。
上述主动降噪设备通常包括音频采集装置和降噪装置，音频采集装置用于采集环境噪音信号，降噪装置用于根据音频采集装置采集到的噪音信号进行运算得到次级音源驱动信号，次级音源驱动信号被提供给音频播放装置播放，以对环境噪音信号进行抵消从而实现主动降噪，啸叫预检测方法包括：步骤201，接收音频采集装置采集到的噪音信号和降噪装置输出的次级音源驱动信号；步骤203，计算噪音信号和次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；步骤205，对噪音信号和次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号；步骤207，计算二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差，根据相位差将二值化噪音信号和二值化次级音源信号的相位对齐；步骤209，对相位对齐后的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值；步骤211，当前时刻的音频信号相关值大于预设的音频信号相关阈值时，且噪音信号和次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率值大于预设的功率阈值时，执行步骤213，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻单频信号的功率增大，判断当前时刻会产生啸叫，其中，单频信号为会发生的啸叫的单频点信号。
音频信号相关阈值和功率阈值通常是根据测试经验给出的，其中，功率阈值可以包括噪音信号功率阈值和/或次级音源信号功率阈值，二者可以是同一值，也可以是不同值，均是根据测试经验给出的。
本发明的啸叫预检测方法，根据啸叫产生时单频信号具有较强的相关性，且信噪比很高，将音频采集装置采集的数据和降噪装置输出的数据进行相关处理，同时结合功率指标，可以快速判断是否会产生啸叫信号。将噪音信号和次级音源驱动信号二值化，再对齐二值化后的噪音信号和次级音源驱动信号的相位，之后计算相位对齐后的噪音信号和次级音源驱动信号的相关值，能够减少数据存储量，降低啸叫检测的运算量，并保证啸叫检测效果，检测快速有效，在啸叫形成之前捕获啸叫预信号，从而抑制啸叫的产生。
在一实施方式中，音频采集装置的噪音信号可以是音频采集装置采集的噪音时域音频幅度值，降噪装置的次级音源驱动信号可以是降噪装置输出的次级音源驱动信号的时域音频幅度值。现有的检测技术中，通常将时域信号转换为频域信号，对频域值进行监控检测，当某一频率功率超过预设值时，触发啸叫标志位。该方法需要采集到时域信号转换到频域计算，运算复杂。而本实施方式中，直接对音频采集装置的时域音频幅度值和降噪装置输出的次级音源驱动信号的时域音频幅度值进行处理计算，降低运算复杂度。
在一实施方式中，对噪音信号和次级音源驱动信号进行二值化处理可以是：当音频采集装置的时域音频幅度值大于0时，二值化噪音信号为1；否则，二值化噪音信号为-1；当降噪装置的时域音频幅度值大于0时，二值化次级音源驱动信号为1；否则，二值化次级音源驱动信号为-1。二值化通常是至将音频采集装置的时域音频幅度值进行量化后，定点化为1比特，将降噪装置的时域音频幅度值进行1比特量化，通过这种处理，可以进一步减少存储量和运算量，提升运算速度，从而提高啸叫预检测灵敏度。
在具体实施方式中，可以采用数字符号函数(sign)对噪音信号和次级音源驱动信号进行二值化处理。
在一实施方式中，计算二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差可以是：计算二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的过零点，根据过零点的差值得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差。图4示出了二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号执行过零检测后的相位输出，可以看出，二者存在一定相位差。进一步的，可根据相位差控制二值化噪音信号和/或二值化次级音源驱动信号的缓存，以实现二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号相位对齐。在相关运算之前对齐相位，保证获得最大的相关值输出，从而保证啸叫检测的灵敏度。相位对齐的传统方式为鉴相器，但运算过程复杂，而本发明采用过零检测方法实现二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐，运算量小，进一步提高啸叫预检测的灵敏度。
在一实施方式中，可采用如下公式计算二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相关值，
Figure BDA0003130059070000101
其中，x为噪音信号，y为次级音源驱动信号，
x＝[x(k)，x(k-1)，x(k-2)，……，x(k-L+1)]，
y＝[y(k)，y(k-1)，y(k-2)，……，y(k-L+1)]。
k为采样时间点，L为相关运算的长度，也是噪音信号和次级音源驱动信号的采样点数量；
由于，x和y取值均为1和-1，上述计算二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相关值的公式中的分母变为常数，为了进一步简化运算，例如，在逻辑电路中可省去除法器，将上述公式简化为：
d(y,x)＝yb Txb
其中，xb为二值化噪音信号，yb为二值化次级音源驱动信号。
在一实施方式中，为了进一步减少RAM的操作和运算量，相关运算可以使用递归形式，进行二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相关值运算。具体可以是：当前时刻的相关值为前一时刻的相关值加上当前时刻二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积，再减去前一时刻二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积。
当音频采集装置为参考麦克风时，相关运算是计算参考麦克风采集的噪音信号x(k)和降噪装置输出的次级音源驱动信号y(k)的相关系数。如图5所示，是对噪音信号x(k)和次级音源驱动信号y(k)处理的流程示意图。
首先，为了减少复杂度，对噪音信号x(k)和次级音源驱动信号y(k)进行二值化处理，如下公式：
xb(k)＝2*(x(k)>0)-1,xb∈{-1,1}
yb(k)＝2*(y(k)>0)-1,yb∈{-1,1}
经过上述公式计算，当x(k)>0时，二值化噪音信号xb(k)为1，否则，二值化噪音信号xb(k)为-1，当y(k)>0时，二值化次级音源驱动信号yb(k)为1，否则，二值化次级音源驱动信号yb(k)为-1。噪音信号x(k)和次级音源驱动信号y(k)均被二值化处理。
在进行二值化处理后，相关运算前，需要对齐相位，保证获得最大的相关值输出。可以将二值化之后的噪音信号和次级音源驱动信号执行过零检测，通过记录二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号过零的位置，对比过零位置的差值，得到参考麦克风数据和扬声器数据之间的延时，将延时信息控制缓存模块，保证数据在相位上对齐。
相关运算可使用递归形式，进行二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相关值计算，如下公式。
d(y,x,n)＝d(y,x,n-1)+yb(n)xb(n)-yb(n-L)xb(n-L)
其中，n时刻的相关值为n-1时刻的相关值加当前时刻二值化噪音信号与二值化次级音源驱动信号的乘积，再减去前面第L个时刻的二值化噪音信号与二值化次级音源驱动信号的乘积。L代表相关运算的长度，也就是一次相关运算中采样点的个数。初始是相关值可以设为0。
主动降噪通常包括前馈式主动降噪、后馈式主动降噪和混合式主动降噪，混合式主动降噪就是同时包括前馈降噪和后馈降噪。本发明的技术方案可以应用在上述任何一个主动降噪方式中。
在一实施方式中，音频采集装置可以是主动降噪系统中的前馈麦克风，也可以是后馈麦克风，也可以是前馈麦克风和误差麦克风。前馈麦克风通常设置在主动降噪设备外部，采集的是设备外部的噪声信号，后馈麦克风通常设置在主动降噪设备内部，采集的是外部环境噪声进入主动降噪设备后的噪声信号。
当音频采集装置是前馈麦克风时，采集的噪音信号是前馈噪音信号，也就是主动降噪设备外部的噪音信号；当音频采集装置是后馈麦克风时，采集的噪音信号是后馈噪音信号，也就是外部环境噪声进入主动降噪设备后的噪音信号。
当音频采集装置是前馈麦克风和后馈麦克风时，步骤203为：计算前馈噪音信号、后馈噪音信号和次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；步骤205为：对前馈噪音信号、后馈噪音信号和次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化前馈噪音信号、二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号；步骤207为：计算二值化前馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差，根据相位差将二值化前馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐；计算二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差，根据相位差将二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐；步骤209为：对相位对齐后的二值化前馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的前馈音频信号相关值；对相位对齐后的二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的后馈音频信号相关值；步骤211为：若当前时刻的前馈音频信号相关值和后馈音频信号相关值中任一值大于预设的音频信号相关阈值，且前馈噪音信号、后馈噪音信号和次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻单频信号的功率增大，会产生啸叫。
当然，在混合式主动降噪中，也可以只利用前馈麦克风采集的噪音信号执行本方案，也可以只利用后馈麦克风采集的噪音信号执行本方案，本发明不限制。
图6是本发明的啸叫预检测方法的仿真结果，利用的是前馈主动降噪设备进行的仿真。
图中分别示出了主动降噪装置的输出、相关运算输出、过零检测的输出(延时估计)和相位对齐之后的结果，从主动降噪装置的输出可以看出，在采样点6000位置时啸叫发生，且功率快速增长，从相关运算输出可以看出相关值在主动降噪装置的输出饱和之前就已经达到峰值，从过零检测的输出可以看出，啸叫开始时，主动降噪装置的输出，也就是次级音源驱动信号和噪音信号的相位差稳定。通过过零检测对齐相位，以及相关运算，实现在啸叫发生前对可能产生的啸叫进行预测。
对于过零检测的输出，实线曲线是次级音源驱动信号当前过零点相对于之前噪音信号的过零点的位置，虚线是噪音信号当前的过零点相对于之前次级音源驱动信号的过零点的位置。可以看出，在采样点大概5000位置时(啸叫发生之前)和啸叫发生之后，过零点的相位位置稳定。比如图中，次级音源驱动信号过零点间隔噪音信号之前的过零点为8-9个采样点，噪音信号过零点相对于次级音源驱动信号之前的过零点稳定在2个采样点。因此，只需要将次级音源驱动信号延时2个采样点，就能对齐麦克风，或者将噪音信号延时8-9个采样点，就能对齐次级音源驱动信号。
通过上述仿真结果可以看出，采用本发明的啸叫预检测方法，可以在啸叫发生之前，快速、准确判断是否会产生啸叫，从而提前对可能产生的啸叫执行控制调节操作。
本发明还提供一种啸叫控制方法，用于主动降噪设备，该主动降噪设备包括音频采集装置和降噪装置，如图7所示，啸叫控制方法采用本发明的啸叫预检测方法检测是否会产生啸叫，即步骤301-313与图3中的步骤201-213相同，当步骤313检测到当前时刻会产生啸叫时，减小次级音源的增益值，从而可以降低音频播放装置的输出信号，进而可以控制啸叫。
本发明还提供一种啸叫预检测装置，如图8所示，啸叫预检测装置包括音频采集模块40、主动降噪模块50、功率检测模块60、相关运算模块70和控制模块80，相关运算模块70包括二值化计算单元701、相位对齐单元703和相关计算单元705。音频采集模块40采集噪音信号；主动降噪模块50根据音频采集装置40采集到的噪音信号进行运算得到次级音源驱动信号；功率检测模块60计算噪音信号和次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；相关运算模块70中的二值化计算单元701对噪音信号和次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号；相位对齐单元703计算二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差，根据相位差将二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐；相关计算单元705对相位对齐后的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值；控制模块80，接收当前时刻的音频信号相关值和所述噪音信号与所述次级音源驱动信号当前时刻的信号功率，若当前时刻的音频信号相关值大于预设的音频信号相关阈值、且所述噪音信号和所述次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率值大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻所述单频信号增大，判断当前时刻会产生啸叫，其中，单频信号为会发生的啸叫的单频点信号。
音频信号相关阈值和功率阈值通常是根据测试经验给出的，其中，功率阈值可以包括噪音信号功率阈值和/或次级音源信号功率阈值，二者可以是同一值，也可以是不同值，均是根据测试经验给出的。
本发明的啸叫预检测装置，通过增设功率检测模块60和相关运算模块70，在采集到噪音信号和次级音源驱动信号后，由功率检测模块60计算对应音源信号的功率，同时由相关运算模块70计算噪音信号和次级音源驱动信号的相关值，可以快速判断是否会产生啸叫信号。将噪音信号和次级音源驱动信号二值化，再对齐二值化后的噪音信号和次级音源驱动信号的相位，之后计算相位对齐后的噪音信号和次级音源驱动信号的相关值，能够减少数据存储量，降低啸叫检测的运算量，并保证啸叫检测效果，检测快速有效，在啸叫形成之前捕获啸叫预信号，从而抑制啸叫的产生。
在一实施方式中，音频采集装置40采集的噪音信号为时域音频幅度值，降噪装置50播放的次级音源驱动信号为时域音频幅度值。直接对音频采集装置40的时域音频幅度值和降噪装置50的时域音频幅度值进行处理计算，降低运算复杂度。
在一实施方式中，二值化计算单元701可以包括第一判断单元和第二判断单元，第一判断单元对噪音信号执行二值化处理，当噪音时域音频幅度值大于0时，二值化噪音信号为1；否则，二值化噪音信号为-1；第二判断单元对次级音源驱动信号执行二值化处理，当次级音源驱动信号的时域音频幅度值大于0时，二值化次级音源驱动信号为1；否则，二值化次级音源驱动信号为-1。二值化通常是至将音频采集装置的时域音频幅度值进行量化后，定点化为1比特，将主动降噪装置输出的时域音频幅度值进行1比特量化，通过这种处理，可以进一步减少存储量和运算量，提升运算速度，从而提高啸叫预检测灵敏度。
在一实施方式中，如图9所示，相位对齐单元703包括过零检测单元7031、第一缓存单元7033和第二缓存单元7035，过零检测单元7031检测二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的过零点，根据过零点的差值得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差；第一缓存单元7033缓存二值化噪音信号；第二缓存单元7035缓存二值化次级音源驱动信号；过零检测单元7031还根据相位差控制二值化噪音信号在第一缓存单元7033中的存储和/或控制二值化次级音源驱动信号在第二缓存单元7035中的存储，以实现二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号相位对齐。采用过零检测单元实现二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐，运算量小，进一步提高啸叫预检测的灵敏度。
在一实施方式中，为了进一步减少RAM的操作和运算量，相关计算单元70可以采用递归形式，进行二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相关值运算。具体可以是：当前时刻的相关值为前一时刻的相关值加当前时刻二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积，再减去前面第L个时刻的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积，其中，L为相关计算的长度，也就是一次相关计算中采样点的个数。
在一实施方式中，音频采集装置可以是主动降噪系统中的前馈麦克风，也可以是后馈麦克风，也可以是前馈麦克风和后馈麦克风。前馈麦克风通常设置在装置外部，是采集啸叫预检测装置外部的噪音信号，后馈麦克风通常设置在装置的内部，是采集外部噪音信号进入所述啸叫预检测装置内部的噪音信号。
本发明还提供一种啸叫控制装置，如图10所示，啸叫控制装置包括本发明的啸叫预检测装置，还包括增益值更新模块90，当啸叫预检测装置检测当前时刻会产生啸叫时，控制模块80配置增益更新值到增益值更新模块90，降低音频播放模块50的增益值，以降低次级音源信号的增益值，具体可以是降低次级音源信号的时域幅度值，从而达到控制啸叫产生的效果。
在一实施方式中，增益值更新单元90可以是数字增益值更新单元，也可以是模拟增益值更新单元。即，控制模块80产生新的增益值，既可以配置到数字信号上，也可以配置到模拟信号上。
图11是根据本发明的一种优选实施方式的啸叫预检测电路框图800，包括前馈麦克风401、后馈麦克风402、处理器501、功率检测电路601、相关运算电路701和控制器801。
前馈麦克风401用于采集外部噪声，后馈麦克风402用于采集内部噪声，处理器501是主动降噪模块，包括两个滤波器(FILTER),分别处理前馈麦克风401与后馈麦克风402的数据，用于产生与噪声等幅反相的信号，通过扬声器播放后，抵消噪声。回声消除模块(AFC)对处理器501的输出信号和参考麦克风401抵消后的误差信号进行运算，生成补偿回声信号，以消除回声对前馈麦信号401的影响。在具体实施方案中，处理器501可以只对前馈麦克风401采集的噪声进行主动降噪处理后输出次级音源驱动信号，也可以只对后馈麦克风402采集的噪声进行主动降噪处理后输出次级音源驱动信号，也可以对前馈麦克风401和后馈麦克风402采集的噪声信号同时进行主动降噪处理后输出次级音源驱动信号。
当利用前馈麦克风401采集的噪声进行主动降噪处理后输出次级音源驱动信号时，相关运算电路701对参考麦克风401采集到的噪音信号和处理器501输出的次级音源驱动信号进行二值化处理、过零检测检测、对齐相位和相关计算后输出相关值，功率检测电路601对参考麦克风401采集到的噪音信号和处理器输出的次级音源驱动信号执行功率计算后输出功率值，相关值和功率值输出至控制器801，控制器801判断，若相关值和功率值输出置控制器均大于对应阈值，判断可能产生啸叫，控制器801可执行抑制啸叫的控制。
当利用后馈麦克风402采集的噪声进行主动降噪处理后输出次级音源驱动信号时，计算过程与上述类似，不再赘述。
当同时利用前馈麦克风401采集的噪声和后馈麦克风402采集的噪声进行主动降噪处理后输出次级音源驱动信号时，功率检测电路601计算前馈噪音信号、后馈噪音信号和次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；相关运算电路701对前馈噪音信号、后馈噪音信号和处理器501输出的次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化前馈噪音信号、二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号；计算二值化前馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差，根据相位差将二值化前馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐；计算二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位差，根据相位差将二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号的相位对齐；对相位对齐后的二值化前馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的前馈音频信号相关值；对相位对齐后的二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的后馈音频信号相关值；控制器801判断，若当前时刻的前馈音频信号相关值和后馈音频信号相关值中任一值大于预设的音频信号相关阈值，且前馈噪音信号、后馈噪音信号和次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻单频信号的功率增大，会产生啸叫。
图12和13为两种优选的啸叫控制流程。
如图12所示，检测到啸叫可能发生之后，控制模块801产生新的增益值，增益值配置到数字信号(D_GAIN)的增益值更新电路901上，新的增益值可选的比初始增益值小6dB、3dB等值，使得输出信号变小，抑制啸叫。
如图13所示，控制模块产生新的增益值，增益配置到模拟信号(A_GAIN)的增益值更新单元902上，类似的，增益值可选的比初始增益小6dB、3dB等值，使得输出信号变小，抑制啸叫发生。
本发明还一种主动降噪芯片，能够执行本发明的啸叫预检测方法或者啸叫控制方法。通过二值化处理得到二值化曲线，获取二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的过零点值，进行相位对齐，计算俩信号的相关值，并结合信号功率值确认当前信号所在频点是否会产生啸叫，能够降低芯片的啸叫检测的运算量，并保证啸叫检测效果。
本发明还一种主动降噪耳机，包括本发明的啸叫预检测装置，或者本发明的啸叫控制装置，或者本发明的主动降噪芯片。通过采用本发明的啸叫控制装置，实现了对啸叫的预判，防止了啸叫的形成，提升用户体验。
本发明还提供一种存储介质，该存储介质存储有程序，其中，所述程序用于被执行实现本发明的啸叫预检测方法或啸叫控制方法。
需要说明的是，本发明在用数字编号来指代某些具体的方法步骤，仅仅是处于描述方便和简介的目的，而绝不是用字母或数字来限制这些方法步骤的顺序，本领域的技术人员能够明了，相关方法步骤的顺序，应由技术本身决定，不应因步骤编号的存在而被不适当地限制。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (18)

1.一种啸叫预检测方法，用于主动降噪设备，所述主动降噪设备包括音频采集装置和降噪装置，所述音频采集装置用于采集环境噪音信号，所述降噪装置用于根据所述音频采集装置采集到的环境噪音信号进行运算得到次级音源驱动信号，所述次级音源驱动信号被提供给所述音频播放装置播放，以对所述环境噪音进行抵消从而实现主动降噪，其特征在于，
所述啸叫预检测方法包括步骤：
接收所述音频采集装置采集到的噪音信号和所述降噪装置输出的所述次级音源驱动信号；
计算所述噪音信号和所述次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；
对所述噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号；
计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；
对相位对齐后的所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值；
当所述当前时刻的音频信号相关值大于预设的音频信号相关阈值，且所述噪音信号和所述次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻所述单频信号的功率增大，会产生啸叫，其中，所述单频信号为会发生的啸叫的单频点信号。
2.根据权利要求1所述的啸叫预检测方法，其特征在于，所述噪音信号为所述音频采集装置采集的噪音时域音频幅度值，所述次级音源驱动信号为所述降噪装置输出的次级音源驱动信号时域音频幅度值。
3.根据权利要求2所述的啸叫预检测方法，其特征在于，对所述噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理包括：
当所述噪音时域音频幅度值大于0时，所述二值化噪音信号为1；否则，所述二值化噪音信号为-1；
当所述次级音源驱动信号时域音频幅度值大于0时，所述二值化次级音源驱动信号为1；否则，所述二值化次级音源驱动信号为-1。
4.根据权利要求1所述的啸叫预检测方法，其特征在于，所述计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐包括：
计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的过零点，根据所述过零点的差值得到所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差；
根据所述相位差控制所述二值化噪音信号和/或所述二值化次级音源驱动信号的缓存，以实现所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号相位对齐。
5.根据权利要求1所述的啸叫预检测方法，其特征在于，所述对相位对齐后的所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值包括：
当前时刻的相关值为前一时刻的相关值加当前时刻所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的乘积，再减去前面第L个时刻的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积，其中，所述L为所述相关运算的长度值。
6.根据权利要求1-5任一项所述的啸叫预检测方法，其特征在于，所述噪音信号包括前馈噪音信号和/或后馈噪音信号，
所述前馈噪音信号为主动降噪设备外部的噪音信号；所述后馈噪音信号为外部噪音信号进入所述主动降噪设备内部的噪音信号；
当所述噪音信号为前馈噪音信号和所述后馈噪音信号时，
计算所述前馈噪音信号、所述后馈噪音信号和所述次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；
对所述前馈噪音信号、所述后馈噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化前馈噪音信号、二值化后馈噪音信号和二值化次级音源驱动信号；
计算所述二值化前馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述前馈二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；计算所述二值化后馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化后馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；
对相位对齐后的所述二值化前馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的前馈音频信号相关值；对相位对齐后的所述二值化后馈噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的后馈音频信号相关值；
当所述当前时刻的前馈音频信号相关值和后馈音频信号相关值中任一值大于预设的音频信号相关阈值，且所述前馈噪音信号、所述后馈噪音信号和所述次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻所述单频信号的功率增大，会产生啸叫。
7.一种啸叫控制方法，用于主动降噪设备，所述主动降噪设备包括音频采集装置和降噪装置，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的啸叫预检测方法检测是否会产生啸叫，当检测到当前时刻会产生啸叫时，减小所述次级音源的增益值，以控制啸叫。
8.一种啸叫预检测装置，其特征在于，包括音频采集模块、主动降噪模块、功率检测模块、相关运算模块和控制模块，
所述音频采集模块，用于采集噪音信号；
所述主动降噪模块，用于根据所述音频采集装置采集到的噪音信号进行运算得到次级音源驱动信号；
所述功率检测模块，用于计算所述噪音信号和所述次级音源驱动信号当前时刻的信号功率；
所述相关运算模块包括二值化计算单元、相位对齐单元和相关计算单元，
所述二值化计算单元对所述噪音信号和所述次级音源驱动信号进行二值化处理，得到二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号；
所述相位对齐单元计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差，根据所述相位差将所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位对齐；
所述相关计算单元，对相位对齐后的所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号进行相关运算，得到当前时刻的音频信号相关值；
所述控制模块，用于当所述当前时刻的音频信号相关值大于预设的音频信号相关阈值，且所述噪音信号和所述次级音源驱动信号中任一个在当前时刻的信号功率值大于预设的功率阈值时，判断当前时刻有单频信号，且当前时刻所述单频信号增大，会产生啸叫，其中，所述单频信号为会发生的啸叫的单频点信号。
9.根据权利要求8所述的啸叫预检测装置，其特征在于，所述音频采集模块采集的噪音信号为时域音频幅度值，所述主动降噪模块输出的次级音源驱动信号为时域音频幅度值。
10.根据权利要求9所述的啸叫预检测装置，其特征在于，所述二值化计算单元包括第一判断单元和第二判断单元，
第一判断单元用于对所述噪音信号执行二值化处理，当所述噪音时域音频幅度值大于0时，所述二值化噪音信号为1；否则，所述二值化噪音信号为-1；
第二判断单元用于对所述次级音源驱动信号执行二值化处理，当所述次级音源驱动信号的时域音频幅度值大于0时，所述二值化次级音源驱动信号为1；否则，所述二值化次级音源驱动信号为-1。
11.根据权利要求8所述的啸叫预检测装置，其特征在于，所述相位对齐单元包括过零检测单元、第一缓存单元和第二缓存单元，
所述过零检测单元，计算所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的过零点，根据所述过零点的差值得到所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的相位差；
所述第一缓存单元，用于缓存所述二值化噪音信号；
所述第二缓存单元，用于缓存所述二值化次级音源驱动信号；
所述过零检测单元还根据所述相位差控制所述二值化噪音信号在第一缓存单元中的存储和/或控制所述二值化次级音源驱动信号在第二缓存单元中的存储，以实现所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号相位对齐。
12.根据权利要求8所述的啸叫预检测装置，其特征在于，所述相关计算单元计算当前时刻的相关值为，
前一时刻的相关值加当前时刻所述二值化噪音信号和所述二值化次级音源驱动信号的乘积，再减去前面第L个时刻的二值化噪音信号和二值化次级音源驱动信号的乘积，其中，所述L为所述相关计算的长度。
13.根据权利要求8-12任一项所述的啸叫预检测装置，其特征在于，所述音频采集装置包括前馈麦克风和/或后馈麦克风，
所述前馈麦克风设置于所述啸叫预检测装置外部，用于采集所述啸叫预检测装置外部的噪音信号；
所述后馈麦克风设置于所述啸叫预检测装置内部，用于采集外部噪音信号进入所述啸叫预检测装置内部的噪音信号。
14.一种啸叫控制装置，其特征在于，包括如权利要求8-13任一项所述的啸叫预检测装置，还包括增益值更新模块，
当所述啸叫预检测装置检测当前时刻会产生啸叫时，所述控制模块配置增益更新值到所述增益值更新模块，以降低所述次级音源信号的增益值。
15.根据权利要求14所述的啸叫控制装置，其特征在于，所述增益值更新单元是数字增益值更新单元或模拟增益值更新单元。
16.一种主动降噪芯片，其特征在于，能够执行如权利要求1-6任一项所述的啸叫预检测方法或者如权利要求7所述的啸叫控制方法。
17.一种主动降噪耳机，其特征在于，包括如权利要求8-13任一项所述的啸叫预检测装置、或者如权利要求14-15任一项所述的啸叫控制装置、或者如权利要求16所述的主动降噪芯片。
18.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，其中，所述程序用于被执行实现如权利要求1-6任一项所述的啸叫预检测方法或者如权利要求7所述的啸叫控制方法。
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