CN212413390U - 耳罩及包括该耳罩的可头戴设备 - Google Patents

耳罩及包括该耳罩的可头戴设备 Download PDF

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Abstract

提供了一种耳罩，包括壳体，该壳体容纳过滤器组件、用于产生穿过过滤器组件的空气流的电机驱动叶轮，该壳体包括空气出口，其在过滤器组件的下游、用于从壳体发射已被过滤的空气流。耳罩还包括由壳体承载的声学驱动器，由壳体承载的参考内部噪音传感器和被配置为使用由该参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器的主动噪音控制电路。

Description

耳罩及包括该耳罩的可头戴设备
技术领域
本实用新型涉及一种耳罩或扬声器组件中的噪音控制，特别涉及头部可穿戴设备的耳罩内的主动噪音控制的实施。
背景技术
空气污染问题越来越严重且多种空气污染物已知或被怀疑有害人类健康。可由空气污染物导致的负面作用取决于污染物类型和浓度，以及暴露到污染空气的时间长度。例如，高空气污染水平可立即导致健康问题，譬如加重心血管和呼吸疾病，而长期暴露到污染空气可以具有永久健康影响，譬如肺活量损失和肺功能降低，以及疾病的发展，譬如哮喘、支气管炎、肺气肿以及可能癌症。
在具有特别高水平空气污染的地方，很多人已经认识到最小化他们到这些污染物的暴露的益处，且由此已经佩戴面罩来在空气进入嘴鼻之前过滤出空气中存在的污染物的至少一部分。这些面罩包括从仅过滤出相对大灰尘颗粒的基础灰尘面罩，到复杂空气净化面具，其需要空气穿过过滤器元件或筒。然而，由于这些面罩通常至少覆盖用户嘴和鼻子，它们会使得日常呼吸更加费力且还会导致用户与他人说话方面的问题，使得尽管存在潜在益处，仍存在一些阻力来每天都使用这样的面罩。
结果，存在各种尝试来改进空气净化器，其可以由用户穿戴，但是并不需要覆盖用户的嘴和鼻子。例如，存在可穿戴空气净化器的各种设计，其被绕用户的脖子穿戴，且产生向上指向用户的嘴和鼻子的空气射流。尽管这可能是更加被大众接受的，通常这在限制用户暴露到空气携带的污染物方面比一些最佳性能的面部佩戴过滤器更加低效。这主要是因为缺乏它们输送空气射流到用户的嘴和鼻子的精确度，以及未过滤的空气仍能抵达用户的嘴和鼻子。
WO2017120992,CN103949017A,KR101796969B1以及CN203852759U都描述了头戴式净化器，其提供对面罩式和颈部佩戴式净化器的替代。WO2017120992描述了一种系统，在这个系统中，独立的空气过滤单元通过管道连接到设置在从耳机中的一个伸出的臂部上的空气出口。CN103949017A、KR101796969B1和CN203852759U的每个则描述了将风扇和过滤器两者合并入耳罩中的至少一个的耳机。其中，仅仅KR101796969B1考虑实施主动噪音控制(ANC)以降低空气供应单元产生的噪音。特别地，KR101796969B1指出，耳罩被提供具有频率发生器，该频率发生器产生用于抵消空气供应单元的噪音的频率，这可通过使用传统的噪音消减技术来实现。然而，与这一论断相反，实施主动噪音控制来衰减由位于耳罩内的风扇所产生的噪音并不是一件简单的事情。
主动噪音控制采用相消干扰来衰减噪音。任何不期望的噪音的频率、振幅和相位被识别出，且另一种频率和振幅相同但相位相反的声音被产生，即“抗噪音”声音，其目的是让这种“抗噪音”声音抵消掉噪音。在耳机内，在由音频换能器输出之前，抗噪音信号与所需的音频信号相结合。
主动噪音控制可使用前馈、反馈或混合系统中的任一种来实现。在前馈系统中,参考噪音麦克风(通常称为前馈麦克风)位于接近耳机的外部的参考位置处，以便测量来自环境的噪音且基于被提供的环境噪音提供参考噪音信号作为到前馈ANC过滤器的输入。前馈ANC过滤器于是使用来自参考噪音麦克风的参考噪音信号以产生抗噪音信号，其目的在于衰减被测量的环境噪音。在反馈系统中,误差噪音麦克风(通常被称为误差噪音传感器)定位为接近用户的耳朵,通常邻近音频转换器,用来测量用户听到的声音且基于被测量的声音提供误差噪音信号作为到反馈ANC过滤器的输入。然后反馈ANC过滤器于是比较自误差噪音传感器的输入与期望的音频源，以识别不需要的噪音，且产生抗噪音信号，以衰减识别出的噪音。混合系统于是结合前馈系统和反馈系统两者，提高了整体噪音消除性能。在基础的混合系统中，前馈系统和反馈系统基于各自麦克风的输入独自地产生独立的抗噪音信号。在由音频换能器输出之前，那些独立的抗噪音信号于是与所需的音频信号相结合。在改进的混合系统中，前馈系统和反馈系统的功能没有完全独立于彼此,因为由反馈系统识别出的噪音被用于提高前馈ANC过滤器的性能(即被使用为输入用于确定前馈ANC过滤器的系数)。
在传统的耳机中，主动噪音控制仅仅需要消除外部产生的噪音。然而，在耳机式净化器中，其中风扇位于在耳罩内，噪音还将通过驱动风扇的电机和进入耳机的气流而在内部产生。常规配置的ANC系统不能同时衰减外部环境(即外部生成)的噪音和内部起源(即内部生成)的噪音。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种耳罩，以及一种包含该耳罩的头部可穿戴空设备，该耳罩提供了改进的主动噪音控制，以衰减外部环境(即外生)噪音和内部起源(即内生)噪音。
根据本实用新型的第一方面，提供了一种耳罩，包括壳体，该壳体容纳过滤器组件、用于产生穿过过滤器组件的空气流的电机驱动叶轮，该壳体包括空气出口，其在过滤器组件的下游，用于从壳体发射已被过滤的空气流。耳罩还包括直接地或间接地由壳体承载或被安装到壳体的声学驱动器，布置在壳体内的参考内部噪音传感器和被配置为使用由该参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器的主动噪音控制电路。参考内部噪音传感器被布置在电机驱动叶轮和声学驱动器之间。参考内部噪音传感器被布置为检测壳体内的噪音且输出指示被检测到的噪音的信号。
参考内部噪音传感器可为麦克风(即，被配置为检测声音/声压)和机械振动传感器(即，被配置为检测机械振动)中的任一种。参考内部噪音传感器可为加速度计。参考内部噪音传感器可包括前馈麦克风，其被沿声学驱动器的中心轴线布置。
耳罩还可包括用于驱动电机的叶轮。叶轮和电机可被布置在叶轮外壳内。叶轮外壳于是可被布置/被容纳在壳体内。叶轮外壳可通过多个弹性支撑件悬挂/支撑在壳体内。参考内部噪音传感器可被布置在叶轮外壳和声学驱动器之间。
耳罩还可包括被附接到壳体的耳垫，且耳垫被布置为使得壳体和耳垫一起限定具有开口的腔。参考内部噪音传感器可包括被布置为检测壳体内发出的声音的内部前馈麦克风。参考内部噪音传感器可沿壳体和腔中的任一个的中心轴线布置。声学驱动器可声学地耦合到腔。声学驱动器可至少部分地暴露到腔。声学驱动器可被布置在腔内或邻近腔。
耳罩还可包括声学地耦合到腔的误差噪音传感器，且主动噪音控制电路于是还可被配置为使用由误差噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器。误差噪音传感器可至少部分地暴露到腔，且优选被布置在腔内或邻近腔。误差噪音传感器可包括被布置为检测腔内的声音的前馈麦克风。参考内部噪音传感器可与误差噪音传感器同轴。
耳罩还可包括参考环境噪音传感器，其声学地耦合到壳体外部的环境。主动噪音控制电路于是还可被配置为使用由参考环境噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器。参考环境噪音传感器可被布置为检测/测量壳体外侧的噪音且输出指示检测到/测量到的噪音的信号。参考环境噪音传感器可包括被布置为检测壳体外发出的声音的前馈麦克风。
主动噪音控制电路可被配置为同时使用由参考内部噪音传感器提供的信号和由参考环境噪音传感器提供的信号两者来操作声学驱动器。替代地，主动噪音控制电路可被配置为独立地使用由参考内部噪音传感器提供的信号和由参考环境噪音传感器提供的信号中的一个来操作声学驱动器。换句话说，主动噪音控制电路可被配置为在使用由参考内部噪音传感器提供的信号和由参考环境噪音传感器提供的信号之间选择性地切换来操作声学驱动器。
主动噪音控制电路可被配置为在第一操作状态中，使用由参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器，且在第二操作状态中，使用由参考环境噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器。主动噪音控制电路可被配置为响应收到第一控制信号选择第一操作状态，且响应收到第二控制信号选择第二操作状态。
耳罩还可包括电机控制电路，其被布置为控制电机驱动叶轮的旋转速度。电机控制电路可被配置为当电机驱动叶轮的旋转速度在阈值之上时发送第一控制信号到主动噪音控制电路。电机控制电路可被配置为当电机驱动叶轮的旋转速度在阈值之下时发送第二控制信号到主动噪音控制电路。
耳罩可被配置为包耳式耳罩和贴耳式耳罩的任一种，且优选被配置为包耳式耳罩。
还提供了一种耳罩，包括壳体，该壳体容纳过滤器组件、用于产生穿过过滤器组件的空气流的电机驱动叶轮，该壳体包括空气出口，其在过滤器组件的下游、用于从壳体发射已被过滤的空气流。耳罩还包括直接地或间接地由壳体承载或被安装到壳体的声学驱动器，布置在壳体内的参考内部噪音传感器和被配置为使用由该参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器的主动噪音控制电路。参考内部噪音传感器被布置为检测壳体内产生的声音且输出指示该检测到的声音的信号。
实用新型人发现,虽然反馈ANC系统可提供耳罩内的电机产生的内生噪音与外生噪音几乎相同的衰减程度,传统的前馈ANC系统内部不能获得这个内生噪音的任何进一步衰减。在传统的前馈ANC系统中，向外面向前馈麦克风定位为接近耳机的外部，以直接测量来自环境的噪音，且将该测量作为到前馈ANC过滤器的输入。为了改进这些额外的内生噪音的衰减，本实用新型提出使用内部前馈ANC系统，其被配置为基于来自参考噪音传感器(其被布置为检测壳体内产生的声音)的输入来衰减噪音，且优选地参考噪音传感器被布置在电机和扬声器驱动器之间以便最佳地检测内生噪音。
该内部前馈ANC系统可通过结合它与传统的反馈ANC系统而用作混合ANC系统的一部分。而且，该内部前馈ANC系统可与传统(或“外部”)前馈ANC系统相结合，以通过前馈ANC最佳地衰减内生噪音和外生噪音。为了获得最佳性能，该内部前馈ANC系统将以两个系统将同时操作的方式与传统的外部前馈ANC系统相结合。然而，这种最优方法需要对传统的ANC进行重大修改，特别是当这些电路也与反馈ANC系统结合时。作为性能和复杂性之间的折中,内部前馈ANC系统可以以这样一种方式结合传统的外部前馈ANC系统：当电机产生足够水平的噪音而需要衰减时仅内部前馈ANC系统运作，且当电机噪音低于这个阈值水平时仅仅传统的外部前馈ANC系统运作。以这种方式在内部前馈ANC系统和传统的外前馈ANC系统之间切换提供了当总噪音的最大部分可能是内生噪音时改善内生噪音的衰减，同时当不是这种情况时还最佳化外生噪音的衰减。
根据第二方面，提供了一种耳罩，包括壳体，该壳体容纳过滤器组件、用于产生穿过过滤器组件的空气流的电机驱动叶轮，该壳体包括空气出口，其在过滤器组件的下游，用于从壳体发射已被过滤的空气流。耳罩还包括直接地或间接地由壳体承载或被安装到壳体的声学驱动器，直接地或间接地由壳体承载或被安装到壳体的参考内部噪音传感器和被配置为使用由该参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器的主动噪音控制电路，其中该参考内部噪音传感器被配置为检测机械振动。例如，该参考内部噪音传感器可包括加速度计。
根据第三方面，这里提供了一种可头戴设备，包括头戴部件和依照第一方面和第二方面的任一个的耳罩，其中该耳罩被附接到头戴部件且被布置为佩戴在用户的耳朵上。
可头戴设备还可包括另一耳罩，其被布置为佩戴在用户的另一耳朵上。该另一耳罩可为依照第一方面和第二方面中的任一个的。头戴部件可包括头带，其被布置为佩戴在用户的头上。耳罩可被安装在头带的第一端部上且另一耳罩被安装在头带的相对的第二端部上。
根据第四方面，提供了一种可头戴空气净化器，包括第一扬声器组件(其被布置为佩戴在用户的第一耳朵上)和第二扬声器组件(其被布置为佩戴在用户的第二耳朵上)，其中第一扬声器组件包括依照第一方面和第二方面的任一个的耳罩。第二扬声器组件可包括依照第一方面和第二方面中的任一个的耳罩。可头戴空气净化器还可包括头戴部件。第一扬声器组件和第二扬声器组件两者于是都被附接到头戴部件上。头戴部件可包括头带，其被布置为佩戴在用户的头上。
附图说明
现在将参考附图仅通过举例的方式描述本实用新型的实施例，在附图中:
图1a是本文中描述的可头戴设备的实施例的前部透视图；
图1b是图1a中的可头戴设备的正视图；
图2a是图1a中的可头戴设备的耳罩的侧视图；
图2b是图2a中的耳罩的透视图；
图3a是穿过图2a中的耳罩的横截面视图；
图3b是穿过图2a中的耳罩的另一横截面视图；
图4a是适用于与本文描述的装置一起使用的ANC电路的实施例的示意性图示；
图4b是适用于与本文描述的装置一起使用的ANC电路的替代实施例的示意性图示；
图5是穿过耳罩的第二实施例的横截面视图；
图6是穿过耳罩的第三实施例的横截面视图；
图7是穿过耳罩的第四实施例的横截面视图。
具体实施方式
现在将描述一种耳罩，以及一种包含该耳罩的头部可穿戴空气净化器，该耳罩提供了改进的主动噪音控制，以衰减外部环境(即外部产生)噪音和内部起源(即内部产生)噪音。本文中使用的术语“空气净化器”被称为设备或系统，其能够从空气移除污染物并发射净化或过滤的空气。本文中使用的术语“可头戴”限定物品，其能够或适于被穿戴在用户的头部上。在优选布置中，该头部可穿戴空气净化器包括耳机系统，该耳机系统包括一对安装在头带上的扬声器组件，其中扬声器组件中的一个或两个包括本文所述的耳罩。
本文中使用的术语“耳机”指由头带连接的一对小扩音器或扬声器，其适于穿戴在用户的头部上或围绕用户的头部穿戴。通常，这些扬声器由电声换能器提供，其将电信号转换为对应的声音。罩耳式耳机，通常被称为全尺寸包耳式耳机(over-ear headphone)，具有耳垫，其形状为封闭环(例如圆形、椭圆形等)使得它们包围整个耳朵。由于这些耳机完全包围耳朵，罩耳式耳机可以被设计为抵靠头部完全密封以衰减外部噪音。贴耳式耳机，通常被称为压耳式耳机，具有耳垫，其被压抵靠耳朵，而不是围绕它们。这种类型的耳机通常倾向于比罩耳式耳机更小更轻，导致对外部噪音的衰减较少。
耳罩包括声学驱动器、过滤器组件、用于产生穿过过滤器组件的空气流的电机驱动叶轮以及在过滤器组件下游，用于从耳罩发射已过滤的空气流的空气出口。耳罩于是还包括被布置在耳罩内的参考内部噪音传感器和被配置为使用由该参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器的主动噪音控制(ANC)电路。特别地，参考内部噪音传感器被布置为检测/测量来自壳体内的声音且输出指示该被检测到/测量到的声音的信号。ANC电路于是被配置为使用由参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器，以衰减该噪音。与传统的前馈ANC系统相比，参考内部噪音传感器优选被布置在电机驱动叶轮与声学驱动器之间，以便最佳地检测由电机驱动叶轮产生的内生噪音。参考内部噪音传感器可为被配置为检测声音的麦克风，或被配置为检测机械振动的振动传感器(举例来说加速度计)。
图1a和1b是可头戴的空气净化器1000的实施例的外部视图。可头戴空气净化器1000包括一对大体圆柱形耳罩或扬声器组件1100a，1100b(其通过弯曲头带1200连接)和喷嘴1300(其在该对耳罩之间延伸且在两个耳罩1100a，1100b的相对端部处被连接)。图2a则示出了图1a和图1b中的空气净化器1000的耳罩1100的侧视图，同时图2b示出了图1a和图1b中的空气净化器1000的耳罩1100的透视图。图3a和3b则是穿过图2a中的耳罩1100的替代横截面视图。
每个耳罩1100a、1100b包括壳体1101和被附接到壳体1101的耳垫1102，其中壳体1101和耳垫1102一起限定了具有开口1104的腔1103。扬声器或声学驱动器单元1105于是被附接到壳体1101，以便至少部分暴露于腔1103。
每个耳罩1100于是还包括电机驱动叶轮1109，其被布置在壳体1101内，布置为产生穿过壳体1101的空气流。壳体1101因此被提供具有空气入口1110和空气出口1111，空气流可穿过该空气入口1110被电机驱动叶轮1109吸入壳体，该空气出口1111用于从壳体1101发射空气流。过滤器组件1112也被布置在壳体1101内，以使由电机驱动叶轮1109产生的空气流穿过过滤器组件1112，且使得从耳罩1100发射的空气流由过滤器组件1112过滤/净化。因此，过滤器组件1112位于壳体1101的空气入口1110的下游(即相对于由叶轮1109产生的空气流)和空气出口1111的上游。在所示的实施例中，过滤器组件1112还位于相对于电机驱动叶轮1109的上游。
在所示实施例中，壳体1101包括扬声器机架1114，声学驱动器单元1105被安装在其上且大体截头锥形扬声器盖1115被安装在扬声器机架1114上、在声学驱动器单元1105之上。扬声器机架1114包括大体圆形的基部1114a，该基部被圆柱形侧壁1114b包围。壳体的空气出口1111于是由形成在圆柱形侧壁1114b中的孔限定。耳罩1100还被被提供具有中空，坚硬的出口导管1130，其从壳体1101延伸且其被布置为连接耳罩1100的空气出口1111到喷嘴1300的空气入口。
扬声器机架1110a的中心部分提供了驱动器支撑板1114c，声学驱动器单元1105可被定位在该支撑板上。大体截头锥形的扬声器盖1115然后被安装到扬声器支架1114上，在整个驱动器支撑板1114c上方，使得声学驱动器单元1105被扬声器盖1115所覆盖。扬声器机架1114的驱动器支撑板1114c设置有孔阵列，用于允许由声学驱动器单元1105产生的声音穿过扬声器机架1114进入由耳垫1102围绕的腔1103。此外，驱动器支撑板1114c相对于扬声器支架1111的基部1114a的周边部分成角度或倾斜。驱动器支撑板1114c的角度或倾斜被选定为使得当可头戴的空气净化器1000被戴在用户头上且耳罩1100在用户的耳朵上时，声学驱动器单元1105与耳朵大体平行。例如，在所示实施例中，驱动器支撑板1111d相对于基部1114a的周边部分的角度为从10到15度。
每个耳罩1100还包括一个或多个电路板1107，各种电子电路被布置或被安装在其上。例如,这个电子电路可包括电机控制电路(其被布置为控制驱动叶轮1109的电机1113的旋转速度),音频控制电路(其被布置为控制音频播放)和ANC电路(其被布置为实施主动噪音控制以衰减不期望的噪音)。.在所示实施例中，一个或多个电路板1107被布置在扬声器机架1114的周边部分上或被安装到那。当声学驱动器单元1105被安装在驱动器支撑板1114c上时，电路板1107由此至少部分地围绕声学驱动器单元1105(也就是被布置在声学驱动器单元1105的周边的外侧/周围)。
大体截头锥形叶轮外壳1116(包含叶轮1109和电机1113两者)于是被布置在扬声器盖1115之上，以便声学驱动器单元1105被嵌入由叶轮外壳1116的背部/后部限定的凹处或腔内。叶轮外壳1116包括大体截头锥形叶轮壳体1117(其围绕叶轮1109和电机1113)，以及环形蜗壳(annular volute)1118(其流体连接到叶轮壳体1117的基座且被布置为接收从叶轮壳体1117排出的空气)。叶轮外壳1117设置有空气入口1119，空气可以被叶轮1109抽吸通过该入口，以及空气出口1120，空气通过该出口从叶轮外壳1117发射到环形蜗壳1118中。叶轮外壳1117的空气入口1119由在叶轮外壳1117的较小直径端部处的孔/开口提供，且空气出口1120由围绕叶轮外壳1117的较大直径端部或基部形成的环形槽提供。
环形蜗壳1118包括螺旋(即逐渐变宽)管道，其布置为接收从叶轮外壳1117排放的空气并且引导空气到蜗壳1118的空气出口1121。蜗壳1118的空气出口1121于是流体连接到扬声器组件1100的空气出口1111。本文中使用的术语“蜗壳”是指螺旋漏斗，其接收由叶轮泵浦的流体且随着它接近排放端口而增大面积。蜗壳1118的空气出口1121由此提供用于收集从周向环形槽排放的空气的有效和安静的器件，所述周向环形槽形成叶轮外壳1117的空气出口1120。
在所示实施例中，叶轮1109是混流叶轮，其具有大体锥形或截头锥形形状。叶轮1109是中空的，以使叶轮1109的后部/背部限定大体截头锥形凹处。电机1113于是被嵌入/布置在该凹处内。优选地，叶轮1109为半敞开/半闭合混流叶轮，即仅具有背部护罩1122。叶轮1109的背部护罩1122于是限定凹处，电机1113被嵌入/布置在该凹处内。
叶轮壳体1116于是由多个弹性支撑件1123支撑/悬挂在扬声器壳体1101内，其降低振动从叶轮壳体1116到扬声器壳体1101的传递。为此，多个弹性支撑件1123每个包括弹性材料，譬如弹性体或橡胶材料。在所示实施例中，在扬声器壳体1101和叶轮壳体1116之间的唯一直接连接由弹性支撑件1123提供。
过滤器组件1112于是被安装到扬声器支架1114，使得过滤器组件1112被设置在叶轮1109的上游，且布置为被嵌套到叶轮壳体1116上方。过滤器组件1112包括过滤器座1124，支撑一个或多个过滤器元件1125、1126。在所示实施例中，过滤器组件1112包括微粒过滤器元件1125和化学过滤器元件1126两者，其中微粒过滤器元件1125相对于化学过滤器元件1126定位在上游。
过滤器座1124设置有多个孔1127，其允许空气从过滤器座1124的前表面行进到过滤器座1124的后部/背部表面，其中前表面被布置为支撑过滤器元件1125、1126在多个孔1127上。过滤器座1124于是还限定在过滤器座1124的后部/背部表面和叶轮壳体1116的空气入口1119之间的空气通道或通路1128，其布置为引导空气到叶轮壳体1116的空气入口1119。该空气通路1128由限定在过滤器座1124的后部/背部表面和叶轮壳体1116的前表面之间的腔室限定。空气由此必须先通过过滤器元件1125、1126，然后才能穿过过滤器座1124中的孔且进入空气通路1128，其引向叶轮壳体1116的空气入口1119。
在所示实施例中，过滤器座1124被安装到扬声器支架1114，且定位在叶轮外壳1117上方，其中叶轮外壳1117部分地布置在由过滤器座1124的背部限定的空间内。特别地，过滤器座1124包括大体截头锥形周边部分和大体圆柱形中心部分。过滤器座1124的大体截头锥形周边部分设置有多个孔1127且被布置为支撑一个或多个大体截头锥形过滤器元件1125、1126在多个孔1127上。叶轮外壳1117于是至少部分地布置在过滤器座1124的大体圆柱形中央部分内。特别地，叶轮外壳1117的空气入口1119布置在由过滤器座1124的圆柱形中央部分的背部限定的空间内。
壳体1101还包括外部罩1129，其被安装到扬声器机架1114上。该外部罩1129布置为安装到(且由此大体贴合到)过滤器组件1112上，且设置有孔的阵列，其允许空气穿过外部罩1129，且由此限定外部罩1129的空气入口1110。这些孔1141被设置尺寸以阻止较大微粒穿过到过滤器组件1112和堵塞或以其他方式损坏过滤器元件1125、1126。替代地，为了允许空气穿过，外部罩1129可包括一个或多个格栅或网眼，其被安装在外部罩1129的窗口内。很显然，阵列的替代模式在本实用新型的范围内是可设想的。
外部罩1129可释放地附接到扬声器支架1114，以便于覆盖过滤器组件1112。例如，外部罩1129可以使用设置在外部罩1129和扬声器支架1114上的协作螺纹和/或使用一些卡扣机构附接到扬声器支架1114。当被安装在扬声器支架1114上时，外部罩1129防护过滤器元件1125、1126不被损坏，例如在运输期间，且还提供了外观美观外表面，覆盖过滤器组件1112，其保持净化器1000的整体外观。
在所示实施例中，外部罩1129设置为具有敞开端部的中空截头椎体。外部罩1129的敞开的较大直径端部布置为安装在过滤器组件1112的较大直径端部的周边上，而外部罩1129的敞开较小直径端部被布置为安装在过滤器组件1112的较小直径端部和过滤器座1124的大体圆柱形中央部分两者上。过滤器座1124的大体圆柱形中央部分的圆形前表面1124a由此暴露在外部罩1129的敞开较小直径端部内，且由此形成扬声器组件1100的外表面的一部分。优选地，过滤器座1124的圆形前表面1124a是透明的，且由此形成窗户，用户可通过它穿过叶轮壳体1116的空气入口1119看到叶轮1109的旋转。这允许用户视觉检查叶轮1109的速度且确认叶轮1109适当地工作。
如图1b中所示，喷嘴1300的第一打开端部被连接到坚硬出口管道1115a，其从第一扬声器组件1100a的壳体1101延伸。喷嘴1300于是延伸远离第一耳罩1100a且呈现弧形形状，使得喷嘴1300的相对的第二打开端部连接到坚硬出口管道1115b，其从第二耳罩1100b的扬声器壳体1101延伸。喷嘴1300被布置以使，当净化器1000由用户穿戴且第一耳罩1100a在用户的第一耳朵上且第二耳罩1100b在用户的第二耳朵上时，喷嘴1300可围绕用户的脸部延伸，从一侧到另一侧，且在用户嘴部的前方。特别地，喷嘴1300绕用户的下巴延伸，从邻近一个脸颊到邻近另一个脸颊处，不接触嘴部，鼻子或用户面部的周围区域。由此优选喷嘴1300的至少一部分由透明或部分透明的材料形成，使得用户的嘴部通过喷嘴1300可见，以避免限制用户与他人清晰说话的能力。例如，喷嘴的中心部分可由柔性透明塑料(比如聚氨酯)制造，同时两个端部部分可每个由坚硬透明塑料(比如乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate glycol-modified，PETG))制造。替代地，整个喷嘴1300可由单个透明材料或部分透明材料制成。
喷嘴1300设置有空气出口1301，用于发射/输送过滤空气到用户。例如，喷嘴1300的空气出口1301可包括被形成在喷嘴1300的区段内的孔阵列，其中这些孔从由喷嘴1300限定的内部通道延伸到喷嘴1300的外表面。替代地，喷嘴1300的空气出口1301可包括一个或多个格栅或网眼，其被安装在喷嘴1300的窗口内。
在使用中，净化器1000由用户穿戴，其中第一耳罩1100a在用户的第一耳朵上且第二耳罩1100b在用户的第二耳朵上，以使喷嘴1300可围绕用户的脸部延伸，从一个耳朵到另一个，且在用户的至少嘴部上。在每个耳罩1100a，1100b内，叶轮1109通过电机1113的旋转将引起空气流通过叶轮外壳1116产生，该叶轮外壳通过外部罩1129内的孔将空气吸入扬声器组件1100。该空气流动将于是经过布置在外部罩1129和过滤器座1124之间的过滤器元件1125、1126，由此过滤和/或净化空气流。得到的过滤空气流于是将经过设置在过滤器座1124的截头锥形部分中的孔1127，进入由在叶轮外壳1116和过滤器座1124的相对表面之间的空间提供的空气通路1129，其中空气通路1128于是引导空气流叶轮壳体1116的空气入口1119。叶轮1109于是将迫使过滤空气流通过提供叶轮壳体1117的空气出口1120的环形槽离开，并进入叶轮壳体1116的蜗壳1118。蜗壳1118于是引导已被过滤空气流穿过扬声器组件1100的空气出口1111，穿过坚硬出口管道1130(其从壳体1101延伸)，且穿过空气入口(其由喷嘴1300的敞开端部中的一个提供)进入喷嘴1300。
每个耳罩1100还包括由麦克风提供的参考内部噪音传感器，其被布置在壳体1101内、在电机驱动叶轮1109和声学驱动器1105之间，以便最佳地检测由电机驱动叶轮1109产生的内生噪音。在所示实施例中，参考内部噪音麦克风1106被安装到扬声器盖1115上，面向电机驱动叶轮1109和叶轮外壳1116的背部/后部。主动噪音控制(ANC)电路，设置在一个或多个电路板1007上，于是被连接到该参考内部噪音麦克风1106和声学驱动器1105两者。该ANC电路被配置为使用由该参考内部噪音麦克风1106提供的信号(举例来说，参考内部噪音信号)来操作声学驱动器1105，以衰减噪音。特别地,由该参考内部噪音麦克风提供的信号指示由该参考内部噪音麦克风检测到的噪音,且ANC电路包括内部前馈过滤器，其被配置为接收该参考内部噪音信号且产生输出(举例来说内部前馈过滤器输出)，其使得声学驱动器1105衰减该噪音。
此外，每个耳罩1100还包括向外面向的参考环境噪音传感器，该传感器由麦克风1108提供，其也被连接到ANC电路。与参考内部噪音麦克风1106相比，该参考环境噪音麦克风1108被安装到壳体1101，以使它声学地耦合到壳体1101的外部环境。在所示实施例中，参考环境噪音麦克风1108被提供为邻近壳体1101的外表面，面向耳罩1100的外部。特别地，参考环境噪音麦克风1108被安装在过滤器座1124的圆形前部表面1124a的内表面上。ANC电路由此还被配置为使用由该参考环境噪音麦克风1108提供的信号(举例来说，参考环境噪音信号)来操作声学驱动器1105以衰减噪音。特别地,由该参考环境噪音麦克风提供的信号指示由该参考环境噪音麦克风1108检测到的噪音,且ANC电路包括外部前馈过滤器，其被配置为接收该参考环境噪音信号且产生输出(举例来说外部前馈过滤器输出)，其使得声学驱动器1105衰减该噪音。
每个耳罩1100又还包括误差噪音传感器，该传感器由麦克风1132提供，该麦克风1132被布置在腔1103内、邻近声学驱动器1105处，以便获取得到达用户的声音，以便任何不想要的噪音被识别出。在所示实施例中，误差噪音麦克风1132被安装在扬声器机架1114上，在声学驱动器1105与腔1103的开口1104之间，且面向腔1103的开口1104。ANC电路由此还被配置为使用由误差噪音麦克风1132提供的信号(举例来说，反馈信号)来操作声学驱动器1105以衰减噪音。特别地,由误差噪音麦克风1132提供的反馈信号指示由该误差噪音麦克风1132检测到的噪音,且ANC电路包括反馈过滤器，其被配置为接收反馈信号和期望的音频信号两者作为输入且产生输出(举例来说反馈过滤器输出)，其使得声学驱动器1105衰减该噪音。
在所示实施例中，参考内部噪音麦克风1106和参考环境噪音麦克风1108两者大约与误差噪音麦克风1132同轴。因此，所有三个麦克风1106、1108、1132的轴由此彼此对齐。在这方面，麦克风的轴是垂直于声音捕捉隔膜的线。参考噪音麦克风1106、1108与误差噪音麦克风1132的同轴放置不是必须的，但是是优选的，以便增加到达参考噪音麦克风1106、1108和误差噪音麦克风1132两者的任何噪音是相干(coherent)的可能性。在所示实施例中，参考内部噪音麦克风1106，参考环境噪音麦克风1108和误差噪音传感器1132还大约与声学驱动器1105同轴。因此，所有三个麦克风1106、1108、1132与声学驱动器1105的中心轴线对齐。参考噪音1106、1108和误差噪音麦克风1132的同轴放置不是必须的，但是是优选的，以便最佳化ANC处理外生噪音(其可从任何方向达到耳罩处)的有效性。
图4a示意性地示出了适用于与本文描述的装置一起使用的ANC电路400的实施例。在这个实施例中，ANC电路400被配置为实施一种增强形式的混合ANC，其同时使用由参考内部噪音麦克风、参考环境噪音麦克风和误差噪音麦克风的每个提供的信号来实施ANC。在图4a的实施例中，ANC电路400包括外部前馈ANC过滤器401、内部前馈ANC过滤器402、反馈ANC过滤器403和组合器404。参考环境噪音信号通过传统的参考环境噪音麦克风被提供到ANC电路400，且作为输入传递到外部前馈ANC过滤器401，然后使用该信号产生外部前馈抗噪音输出405。参考内部噪音信号通过参考内部噪音麦克风被提供到ANC电路400，且作为输入传递到内部前馈ANC过滤器402，然后使用该信号产生内部前馈抗噪音输出406。反馈信号通过误差噪音传感器被提供到ANC电路400，且作为输入传递到反馈ANC过滤器403，然后使用该反馈信号和期望的音频信号两者产生反馈抗噪音输出407。外部前馈ANC过滤器401,内部前馈ANC过滤器402和反馈ANC过滤器403被配置为同时运行,其中每个过滤器的抗噪音输出于是通过组合器404与期望的音频信号加到一起，然后作为输出音频信号408朝向声学驱动器传递。
虽然最佳操作最可能通过同时使用外部前馈ANC和内部前馈ANC系统实现，但这种方法需要对传统的ANC电路进行重大修改，尤其是与反馈ANC系统结合时。图4b由此示意性地示出了适用于与本文描述的装置一起使用的ANC电路410的替代实施例。在本实施例中，ANC电路410被配置为实施混合ANC的形式，该混合ANC根据电机驱动叶轮的状态在外部前馈ANC和内部前馈ANC系统之间进行切换。在图4b的实施例中，ANC电路410包括外部前馈ANC过滤器411、内部前馈ANC过滤器412、反馈ANC过滤器413，组合器414和切换器419。外部前馈ANC过滤器411、内部前馈ANC过滤器412和反馈ANC过滤器413被配置为与图4a中的电路以基本相同的方式操作。然而，不是直接提供它们的抗噪音输出415，416，417到组合器414，外部前馈ANC过滤器411和内部前馈ANC过滤器412而是被布置为提供它们的抗噪音输出415,416到切换器419。然后，切换器419被配置为根据电机的状态选择抗噪音输出415，416中的一个。特别地，当电机处于第一操作状态时，切换器419被配置为选择由内部前馈ANC过滤器412提供的抗噪音输出416，且提供这个抗噪音输出416到组合器414。因此,当电机在第一操作状态时,内部前馈ANC过滤器416和反馈ANC过滤器413的抗噪音输出416，417通过组合器414与期望的音频信号加到一起，然后作为输出音频信号418朝向声学驱动器传递。相反地，当电机处于第二操作状态时，切换器419被配置为选择由外部前馈ANC过滤器411提供的抗噪音输出415，且提供这个抗噪音输出415到组合器414。因此,当电机在第二操作状态时,外部前馈ANC过滤器415和反馈ANC过滤器413的抗噪音输出415，417通过组合器414与期望的音频信号加到一起，然后作为输出音频信号418朝向声学驱动器传递。
为了实施这个切换，ANC电路410被提供具有输入420，其指示电机的状态,其中切换器419于是被配置为响应这个输入420的变化而在第一个操作状态和第二个操作状态之间选择。例如，切换器419可被配置为当输入420提供第一控制信号(举例来说，高)时选择第一操作状态，且当输入420提供第二控制信号(举例来说，低)时选择第二操作状态。指示电机状态的输入420可由控制电机的旋转速度的电机控制电路提供。电机控制电路于是可被配置为当电机驱动叶轮的旋转速度是在阈值之上时发送第一控制信号到ANC电路，且当电机驱动叶轮的旋转速度低于这个阈值时发送第二控制信号到ANC电路410。例如，阈值旋转速度可被设置为零,以使ANC电路410响应第一控制信号进入第一操作状态,且由此使得一旦电机控制电路打开电机就使用由内部前馈ANC过滤器412提供的抗噪音输出416。ANC电路410于是将响应第二控制信号进入第二操作状态,且由此使得一旦电机控制电路关闭电机就使用由外部前馈ANC过滤器410提供的抗噪音输出415。作为替代实施例，如果考虑电机驱动叶轮在低速时产生的噪音不足以有理由使用内部前馈ANC系统，那么阈值旋转速度可被设置为非零值。ANC电路410于是将仅仅响应第一控制信号进入第一操作状态,且由此使得当电机的旋转速度是足够高以导致需要特殊衰减的噪音水平时使用由内部前馈ANC过滤器412提供的抗噪音输出416。
作为图4b所示的实施例的替代，ANC的切换前馈操作还可使用图4a中所示的ANC电路400来实现。为此,不是使用指示电机状态的输入420以在外部前馈ANC过滤器411和内部前馈ANC过滤器422的抗噪音输出之间切换,这个输入420将被用于选择性地关掉外部前馈ANC系统和内部前馈ANC系统中的一个。关闭外部前馈ANC系统和内部前馈ANC系统中的麦克风和/或ANC过滤器，使得它们中的仅一个将提供非零抗噪音输出到组合器。
尽管本文中描述的耳罩优选地具有参考内部噪音麦克风，参考环境噪音麦克风和误差噪音麦克风,且由此还具有ANC电路(其被配置为使用由这些麦克风的每个提供的信号),在简化实施例中，可能期望仅仅使用参考内部噪音麦克风,没有参考环境噪音麦克风或误差噪音麦克风。因此，图5示出了这样一个实施例，其中耳罩1500包括参考内部噪音麦克风1506，且不包括参考环境噪音麦克风或误差噪音麦克风。然后，这样的实施例将依赖于参考内部噪音麦克风1506和相应的内部前馈ANC过滤器的结合来衰减噪音。在替代的简化实施例中，可能替代地期望使用参考内部噪音麦克风，与参考环境噪音麦克风和误差噪音麦克风中的仅一个的组合。因此，图6和图7示出了这些实施例中的每个。特别地，图6示出了一个实施例，其中耳罩1600包括参考内部噪音麦克风1606和参考环境噪音麦克风1608，且不包括误差噪音麦克风。于是，这样的实施例将利用参考内部噪音麦克风1606与内部前馈ANC过滤器的组合，以及利用参考环境噪音麦克风1608与外部前馈ANC过滤器的组合来衰减噪音。图7于是示出了一个实施例，其中耳罩1700包括参考内部噪音麦克风1706和误差噪音麦克风1732，且不包括参考环境噪音麦克风。于是，这样的实施例将利用参考内部噪音麦克风1706与内部前馈ANC过滤器的组合，以及利用误差噪音麦克风1732与反馈ANC过滤器的组合来衰减噪音。
应理解为所示各个物品可以独自使用，或与附图中所示或说明书中描述的其他物品组合使用，且在相同段落或相同附图中提及的物品不是必须彼此组合使用。此外，词“器件”可由适当的促动器或系统或设备替代。此外，关于“包括”或“构成”不打算以任何方式限制任何东西且读者应该据此解释相应的说明书和权利要求。
此外，尽管本实用新型以在上述提及的优选实施例的条款中被描述，应理解为那些实施例仅仅是示例的。本领域技术人员将能够在考虑公开的情况下在所附权利要求的范围内进行修改和变更。例如，在上述实施例中，头戴式空气净化器包括耳机系统，其中两个扬声器组件被设置在头带的相对端部上。然而，头部可穿戴空气净化器可同样包括可被用于支撑第一扬声器组件在用户的第一耳朵上且第二扬声器组件在用户的第二耳朵上的任何头部可穿戴物品。例如，头戴式空气净化器可包括任何类型的头部装置，譬如帽子或头盔，包括安全帽和安全头盔，自行车头盔，摩托车头盔等。
此外，尽管上述实施例中两个扬声器组件都包括电机驱动的叶轮和过滤器组件，其中两个扬声器组件都提供过滤/净化空气流到喷嘴，还可能两个扬声器组件中的仅一个包括电机驱动叶轮和过滤器组件，使得于是仅单个扬声器组件提供过滤/净化空气流到喷嘴。然而，这样的配置将没有上述实施例那么高效。
此外,尽管在上述实施例中，内部前馈ANC系统利用内部前馈麦克风,本实用新型已经认识到由内部电机驱动叶轮产生的内生噪音主要是由于机械振动(其被传输穿过耳罩的结构)产生，且由此内部前馈ANC系统可使用机械振动传感器,比如加速度计,而不是麦克风。内部前馈传感器于是将检测不期望的内生噪音，如机械振动而不是声音。尽管使用机械振动传感器作为内部前馈传感器将限制传感器检测其它噪音源的效果(比如外部产生的噪音或空气中的噪音)，但它潜在地提供了相对于电机定位内部前馈传感器的更大自由度。

Claims (23)

1.一种耳罩，其特征在于，所述耳罩包括：
壳体，容纳过滤器组件和用于产生穿过过滤器组件的空气流的电机驱动叶轮，所述壳体包括空气出口，其在过滤器组件的下游，用于从壳体发射已被过滤的空气流；
声学驱动器，安装到所述壳体；
参考内部噪音传感器，布置在所述壳体内；以及
主动噪音控制电路，配置为使用由参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器；
其中所述参考内部噪音传感器被布置在电机驱动叶轮和声学驱动器之间。
2.根据权利要求1所述的耳罩，其特征在于，所述参考内部噪音传感器是麦克风和机械振动传感器中的任一种。
3.根据权利要求1所述的耳罩，其特征在于，叶轮和电机被布置在叶轮外壳内，且叶轮外壳被布置在所述壳体内。
4.根据权利要求3所述的耳罩，其特征在于，所述参考内部噪音传感器被布置在叶轮外壳和声学驱动器之间。
5.根据权利要求1所述的耳罩，其特征在于，所述耳罩还包括被附接到壳体的耳垫，且耳垫被布置为使得壳体和耳垫一起限定具有开口的腔。
6.根据权利要求5所述的耳罩，其特征在于，声学驱动器声学地耦合到所述腔。
7.根据权利要求5所述的耳罩，其特征在于，所述耳罩还包括声学地耦合到腔的误差噪音传感器，且主动噪音控制电路还被配置为使用由误差噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器。
8.根据权利要求7所述的耳罩，其特征在于，所述误差噪音传感器至少部分地暴露到所述腔。
9.根据权利要求8所述的耳罩，其特征在于，所述误差噪音传感器布置在所述腔内或邻近所述腔。
10.根据权利要求7所述的耳罩，其特征在于，所述误差噪音传感器包括误差噪音麦克风，其被布置为检测所述腔内的声音。
11.根据权利要求1所述的耳罩，其特征在于，参考内部噪音传感器包括参考内部噪音麦克风，其被布置为检测所述壳体内的声音。
12.根据权利要求7所述的耳罩，其特征在于，参考内部噪音传感器与误差噪音传感器同轴。
13.根据权利要求1所述的耳罩，其特征在于，所述耳罩还包括声学地耦合到壳体外部环境的参考环境噪音传感器，且主动噪音控制电路还被配置为使用由参考环境噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器。
14.根据权利要求13所述的耳罩，其特征在于，主动噪音控制电路被配置为同时使用由参考内部噪音传感器提供的信号和由参考环境噪音传感器提供的信号两者来操作声学驱动器。
15.根据权利要求13所述的耳罩，其特征在于，主动噪音控制电路被配置为独立地使用由参考内部噪音传感器提供的信号和由参考环境噪音传感器提供的信号中的一个来操作声学驱动器。
16.根据权利要求15所述的耳罩，其特征在于，主动噪音控制电路被配置为，在第一操作状态中，使用由参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器，且在第二操作状态中，使用由参考环境噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器。
17.根据权利要求16所述的耳罩，其特征在于，主动噪音控制电路被配置为响应收到第一控制信号而选择第一操作状态，且响应收到第二控制信号而选择第二操作状态。
18.根据权利要求17所述的耳罩，其特征在于，所述耳罩还包括电机控制电路，布置为控制电机驱动叶轮的旋转速度。
19.根据权利要求17所述的耳罩，其特征在于，所述耳罩还包括电机控制电路，布置为控制电机驱动叶轮的旋转速度,其中所述电机控制电路被配置为当电机驱动叶轮的旋转速度在阈值之上时发送第一控制信号到主动噪音控制电路。
20.根据权利要求18所述的耳罩，其特征在于，所述电机控制电路被配置为当电机驱动叶轮的旋转速度低于阈值时发送第二控制信号到主动噪音控制电路。
21.一种可头戴设备，其特征在于，所述可头戴设备包括：
头戴部件；以及
如权利要求1所述的耳罩；
其中所述耳罩被附接到所述头戴部件且被布置为佩戴在用户的耳朵上。
22.一种耳罩，其特征在于，所述耳罩包括：
壳体，容纳过滤器组件和用于产生穿过过滤器组件的空气流的电机驱动叶轮，所述壳体包括空气出口，其在过滤器组件的下游，用于从壳体发射已被过滤的空气流；
声学驱动器，安装到所述壳体；
参考内部噪音传感器，布置在所述壳体内；以及
主动噪音控制电路，配置为使用由参考内部噪音传感器提供的信号来操作声学驱动器；
其中所述参考内部噪音传感器被配置为检测机械振动。
23.一种可头戴设备，其特征在于，所述可头戴设备包括：
头戴部件；以及
如权利要求22所述的耳罩；
其中所述耳罩被附接到所述头戴部件且被布置为佩戴在用户的耳朵上。
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