CN1565015A - 消除无用扬声器信号的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种通过使用具有麦克风的耳机来消除来自至少一个外部声源例如扬声器的方法中，来自至少一个外部声源的至少已知声音信号被反相声音信号所补偿。这些声音信号反相模拟来自至少一个已知外部声源的至少已知声音信号。在耳机中产生的所述反相声音信号响应于在一滤波装置中从至少一个外部声源的音频输入信号中所导出的信号，上述滤波装置是由麦克风信号控制的。

Description

消除无用扬声器信号的方法
本发明涉及一种通过使用具有麦克风的耳机来消除来自至少一个诸如扬声器的外部声源的无用信号的方法。
通过国际专利申请WO94/30029，用于耳机的噪声消除系统已为人所知。在该文献中，描述了一种用于消除未知的低频和高频率迅速变化的噪声，在其中，具有耳机的麦克风拾取耳机中产生的声音信号。在来自麦克风信号的基础之上评估噪声信号，随后通过噪声消除算法来产生反噪声信号。这些提供给耳机的反噪声信号减小了噪声。该方法的缺陷在于在某种程度上抑制了所有的声音信号。
例如，当有时有人在看电视而有人想安静地读报纸的时候，上面描述的关于噪声消除耳机的申请可以作为抑制来自电视机扬声器声音信号的解决方案。然而在这种情况下，我们需要抑制已知信号而不是未知的噪声信号，而这不需要估计噪声。当使用上面描述的这种噪声消除系统，上面提及的缺点例如有限的性能就体现出来了。进而，这种系统也会抑制不是来自于扬声器的其他声音，如房间内的谈话。
本发明的目的是为了找出一种消除来自至少一个外部声源的无用信号的方法，其避免或减轻了上面提及的噪声消除系统的缺陷。
因此，根据本发明，提供了一种通过使用具有麦克风的耳机消除来自至少一个外部声源例如扬声器的无用信号的方法，其中来自至少一个外部声源的至少已知声音信号被声音信号所补偿，反相模拟来自至少一个外部声源的至少已知声音信号，在耳机中产生的所述反相声音信号响应于在第一滤波装置中从至少一个外部声源的输入信号中所导出的信号，上述第一滤波装置是由麦克风信号控制的。因为无用信号是已知的，所以本发明方法的优点在于不用去估计噪声，如无用噪声。虽然根据本发明的消除方法变得更简单，然而其避免了上面所提及的消除中的缺陷。
在第一实施例中，在初始化阶段，滤波装置的特性通过声源模拟算法来计算，其中算法控制着滤波装置的特性以使麦克风信号最小化或实际上为零。
在初始化阶段后，滤波装置被固定。虽然本实施例实现起来相对简单，但是无用信号的消除只在耳机听众不移动他或她的头部的情况下才起作用。
然而在优选的第二实施例中，为了获取一组不同的滤波特性，在收听位置直接相邻的各种位置执行计算过程，在声音再生时根据戴耳机的头部的位置由算法来选择一组所述滤波特性，其中位置是头部跟踪器指示的。例如可从欧洲专利申请EP-A-0762803中了解上述头部跟踪器。
抑制已知无用信号的方法可能伴随着对未知无用信号的衰减，特别是环境噪声信号的衰减。这样，根据本发明的方法其进一步的特点在于，当来自至少外部声源的已知无用信号被抑制时，未知的无用信号，特别是环境噪声信号通过从麦克风信号中进一步导出的信号来减小，其中进一步导出的信号被转换为所述未知无用信号的反相声音信号。
理想中的是，人们戴着耳机听他或她自己的音乐，而来自至少一个外部声源的无用信号被抑制。因此，进而根据本发明的方法其特征在于，当来自至少一个外部声源的无用信号被抑制时，提供给耳机一个额外的音频输入信号并且对麦克风信号使用一个修正信号，所述修正信号从所述额外的音频信号中导出以使得被修正的麦克风信号仍旧最小或仍旧实际上为零。
本发明还涉及一种声音再生系统，其应用前述的方法，包括具有声音产生装置和麦克风的耳机，以及控制装置。控制装置具有滤波装置，其控制由所述声音产生装置产生的声音信号以根据已知音频输入来模拟至少一个外部声源。以及调节装置，用于当所述已知音频输入信号仍旧输出到所述至少一个外部声源时，调节所述滤波装置以使由麦克风输出到控制装置的信号最小或实际上为零。特别的是，控制装置包括用于决定一个或更多组滤波特性的声音模拟算法，每组滤波特性对应于戴有耳机的人头部的一个位置。当建立更多组的滤波特性时，以可以决定戴耳机的人的头部的方式来提供头部跟踪器。国际专利申请WO01/49066提供了一种相似声音再生系统。然而，控制装置是以不同方式工作的。所述国际专利申请中的系统以如下两阶段进行操作：在第一阶段，滤波装置以如下方式调节：根据输入到滤波装置的音频输入信号，用于补偿音频输入信号的声音产生装置产生一个信号；然后在第二阶段，将至少一个外部声源不起作用，以使声音产生装置通过麦克风提供模拟至少一个外部声源的声音再生信号。第一阶段用来调节从外部声源(扬声器)到听众耳朵中的耳机麦克风的传输函数。在调节到具有上述传输函数的滤波装置中传输音频信号来产生声音并通过耳机来再生最终的声音信号。
由于在抑制已知无用信号时可能伴随着未知无用信号的衰减，尤其是环境噪声声音信号，所以控制装置进而包括合并装置和修正装置以提供响应于麦克风信号的信号，其加给声音产生装置，减小了未知无用信号，尤其是环境噪声信号，修正装置的传输函数使得从声音产生装置到麦克风的传输函数中对于后者的传输函数其在一定的频率范围内大约是1。
为了使戴耳机的人可以听到他或她自己的音乐，而来自至少一个外部声源的无用信号被抑制成为可能，控制装置还包括合并装置并且还有修正装置以插入额外的音频信号到声音产生装置并根据从所述额外的音频输入信号中导出的修正信号来修改麦克风信号，修正装置的传输函数实际上与声音产生装置到麦克风的传输函数相同。
本发明还涉及一种算法，其应用前述方法来处理前述的滤波装置。
根据下面的优选实施例和相应的附图，本发明将更加清楚，其中图1示意出根据本发明的声音再生系统。
在本实施例中，具有形式为扬声器的1-5的五个外部声源，即音频中部频道，左部和右部频道以及环绕频道。扬声器的音频输入信号分别由xC，xL，xR，xLs和xRs表示，统称为xi。在图中的中间位置所表示的是一个人的头部。这个人戴着具有声音产生装置7和麦克风8的耳机6。根据本发明，处理过程只考虑这个人的左耳，右耳的处理过程与左耳是相同的。响应于来自扬声器1-5和声音产生装置的声音信号，麦克风8产生一个麦克风信号m。声音产生装置7的输入信号来自控制装置9。控制装置包括具有滤波器11-15和合并装置16的滤波装置10，以及调节装置17。滤波器11-15的传输函数被分别表示为hC，L，hL，L，hR，L，hLs，L和hRs，L，统称为hi，L。选择上述滤波器输入信号中与扬声器的输入信号相同的输入信号，分别是xC，xL，xR，xLs和xRs。滤波装置10对声音产生装置7提供信号∑xi.hi，L。“点”在其中和接下来的数学计算中表示频域的乘法和相关信号以及函数的时域的卷积。
除了通过线路18和19以及合并装置20提供给声音产生装置7的信号，接下来说明由麦克风8产生的声音产生装置7的输出信号，其被表示为gxL.∑xi.hi，L，其中gxL表示从声音产生装置7到左侧麦克风8的传输功能。若从扬声器1-5到左侧麦克风的传输功能表示为gxC，L，gxL，L，gxR，L，gxLs，L和gx Rs，L，统称为gxi，L时，来自左侧麦克风的信号m被表示为：
m＝∑xi.[hi，L.gxL+gxi，L]
根据调节装置中的声源模拟算法和计算和调节滤波器特性以使得m为最小，其中m＝0是理想状态。这意味着在初始阶段后，来自声音产生装置的信号等于来自扬声器的信号，但是反相的，并且通过所述滤波器模拟来自扬声器的声音信号。
在初始阶段，当滤波器11-15被调节到麦克风信号m是最小化时，就获得所需要的扬声器信号的消除信号。这样，滤波器11-15的传输函数hi，L＝-gxi，L/gxL是固定的。
当戴着耳机的听众有所移动或到了另一个位置，从扬声器1-5到麦克风的传输函数发生变化，所以滤波器11-15的传输函数不再符合m为最小。虽然在这种情况下可以在新的位置重新进行初始化，但在初始阶段根据一些头部位置和/或相邻位置建立一组滤波特性并存储在调节装置17中是更好的。通过已知的头部跟踪器21，最好是可安装在耳机6上，则可建立戴耳机的人的头部位置并可选择一组特定的滤波特性。在一些情况下，例如当头部跟踪器的跟踪率不充分时，则使用固定的滤波特性或者是在每次戴耳机时对滤波特性进行不断的升级。
当已知无用声音信号的抑制将伴随着未知无用声音信号的衰减时，如环境噪声信号，麦克风信号就会被加到修正装置22。当所述修正装置22的输出信号经过线路19以及合并装置20提供给声音产生装置7时，其中所述输出信号是与来自滤波装置10的信号相结合的。修正装置22的传输函数，即g’xL，使得从声音再生装置7到麦克风8的传输函数中对于后者的传输函数其在一定范围内大约是1：gxL.g’xL≈1。
声音产生装置7再生接近于未知无用声音信号的声音信号，但其是反相的，其使得所述未知无用声音信号衰减。
当戴着耳机的人想收听音乐时，一个所需的音频信号xd由此便通过线路18加给合并装置20并且附加到来自滤波装置10的信号上。然而，在这种情况下m的公式中引入了项xd.gxL。为了补偿在麦克风8和调节装置17中的这个项，插入了合并装置23。在合并装置23中由从额外的修正装置2 4中导出的xd.gxL的值消除了麦克风信号的值。这些额外的修正装置24的传输函数实际上与从声音产生装置7到麦克风8的传输函数是相同的。
通过上述声音再生系统，在初始化后，来自扬声器的已知的无用信号被抑制，不依赖于处于扬声器房间中戴有耳机的人的位置，更多可操作的未知无用声音信号可以被减小。
上述方法和实施例可由算法来实现，至少其中的一部分是能以计算机程序的形式在音频装置的信号处理装置中运行或者是与根据本发明包括声音再生系统的音频装置协同工作。就此，部分附图给出了执行某些程序功能的单元，这些单元可以被认为是计算程序的从属部分。
值得注意的事，虽然在附图中没有说明，但是也已给出了抑制右耳中无用信号的相应控制装置。
本发明不仅限于所述实施例。可以进行修改。例如，外部声源的个数是不相关的。应用于滤波装置中的音频输入信号不一定要等于扬声器的音频输入信号，只要在音频输入信号两者之间有一定联系就足够了。

Claims (14)

1.一种通过使用具有麦克风的耳机消除来自至少一个外部声源例如扬声器的无用信号的方法，其中来自至少一个外部声源的至少已知声音信号被声音信号所补偿，反相模拟来自至少一个外部声源的至少已知声音信号，在耳机中产生的所述反相声音信号响应于在滤波装置中从至少一个外部声源的音频输入信号中所导出的信号，上述滤波装置是由麦克风信号控制的。
2.根据权利要求1的消除来自至少一个外部声源的无用信号的方法，其中，在初始化阶段，滤波装置的特性通过声源模拟算法来计算，其中算法控制着滤波装置的特性以使麦克风信号最小化或实际上为零。
3.根据权利要求2的消除来自至少一个外部声源的无用信号的方法，其中，为了获取一组不同的滤波特性，在收听位置直接相邻的各种位置执行计算过程，在声音再生时根据戴耳机的头部的位置由算法来选择一组所述滤波特性，其中位置是头部跟踪器指示的。
4.根据前述任一权利要求中的消除无用信号的方法，其特征在于，当来自至少外部声源的已知无用信号被抑制时，未知的无用信号，特别是环境噪声信号通过从麦克风信号中进一步导出的信号来减小，其中进一步导出的信号被转换为所述未知无用信号的反相声音信号。
5.根据前述任一权利要求中的消除来自至少一个外部声源的无用信号的方法，其特征在于，当来自至少一个外部声源的无用信号被抑制时，加给耳机一个额外的音频输入信号并且对麦克风信号加一个修正信号，所述修正信号从所述额外的音频信号中导出以使得被修正的麦克风信号仍旧最小或仍旧实际上为零。
6.一种声音再生系统，其应用前述任一权利要求中的方法，包括具有声音产生装置和麦克风的耳机，以及控制装置，该控制装置具有滤波装置，用于控制由所述声音产生装置产生的声音信号以根据已知音频输入信号来模拟至少一个外部声源，以及调节装置，用于当所述已知音频输入信号也输出到所述至少一个外部声源时，调节所述滤波装置以使由麦克风所加的控制装置的信号和馈送给控制装置的信号最小或实际上为零。
7.根据权利要求6的声音再生系统，其特征在于，控制装置包括用于决定一个或更多组滤波特性的声源模拟算法，每组滤波特性对应于戴有耳机的人头部的一个位置。
8.根据权利要求6或7的声音再生系统，其特征在于，以可以决定戴耳机的人的头部的方式来提供头部跟踪器。
9.根据权利要求6-8之一的声音再生系统，其特征在于，控制装置还包括合并装置和修正装置以提供响应于麦克风信号的信号，其加给声音产生装置，减小了未知无用信号，尤其是环境噪声信号，修正装置的传输函数使得从声音产生装置到麦克风的传输函数中对于后者的传输函数其在一定的频率范围内大约是1。
10.根据权利要求6-9之一的声音再生系统，其特征在于，控制装置还包括合并装置并且还有修正装置以插入额外的音频信号到声音产生装置并根据从所述额外的音频输入信号中导出的修正信号来修改麦克风信号，修正装置的传输函数实际上与声音产生装置到麦克风的传输函数相同。
11.一种处理权利要求6-10之一中的滤波装置和应用于权利要求1-5之一的方法中的算法。
12.一种音频装置，其具有根据权利要求6-10之一的声音再生系统。
13.一种可在音频装置的信号处理装置中运行或者是与根据权利要求6-10之一的包括声音再生系统的音频装置协同工作的计算机程序。
14.一种信息载体，其携带被信号处理装置执行的指令，其中指令可使得所述信号处理装置执行根据权利要求1-5之一的方法。
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