DE69227924T2 - Aktiver kopfhörer mit erhöhter selektivität - Google Patents

Aktiver kopfhörer mit erhöhter selektivität

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Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft einen Kopfhörer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In der Vergangenheit haben Versuche, zwei Schutzbereiche, nämlich das Abschwächen von hohen und niedrigen Frequenzen, zu kombinieren, dazu geführt, daß nicht nur Geräusch, sondern auch die Sprache, die der Träger eines Kopfhörersystems hören muß, abgedämpft wurde. Einige Systeme sind bei unveränderlichem oder "nahezu stationärem" Geräusch begrenzt wirkungsvoll, nicht aber bei anderem Geräusch, bei dem entweder (a) die spektrale Zusammensetzung variiert, oder (b) Geräuschspitzen kurzer Dauer auftreten. Beispiele für ein derartiges System finden sich in der US 4.025.721 und der US 4.185.168. Andere Systeme wie das nach der US 4.455.675 schwächen aktiv alle Geräusche mit niedrigen Frequenzen und passiv alle hochfrequentigen Geräusche ab. Diese Geräusche umfassen Sprache und Warnsignale, die von derjenigen Person, die den Kopfhörer trägt, gehört werden sollen.
  • Bei Anwendung von geräuschunterdrückenden Kopfhörern zeigt sich besonders im industriellen Umgebungsbereich, daß das Abschwächen von sowohl niederfrequentem als auch von Geräusch, das sich im Sprachband (300 bis 3.300 Hz) erstreckt, bei höheren Frequenzen (typischerweise oberhalb von 1.000 Hz) mit tels passiver Dämpfung sehr gut funktioniert, während sich zeigt, daß mittels aktiver Geräuschunterdrückung ähnliche Schutzwerte bei niedrigen Frequenzen (50 bis 1.000 Hz) erzielt werden können. Passive Geräuschunterdrückung dämpft jedoch auch Sprache und Warnsignale, und die Mittel zum Schutz vor Geräusch sind unangenehm zu tragen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kopfhörersystem zum aktiven Abschwächen von unerwünschtem Geräusch bereitzustellen, das es ermöglicht, daß notwendige Sprache selektiv zum Ohr eines Benutzers dringt, weiter ein Kopfhörersystem bereitzustellen, das sich zum Tragen durch einen Benutzer eignet, und weiter Mittel zum Abschwächen von Geräusch und Mittel zum Filtern von Sprache bereitzustellen, um aktiv unerwünschtes Geräusch auszulöschen während es Sprache selektiv ermöglicht wird, zum Ohr eines Benutzers zu dringen.
  • Die vorliegende Erfindung löst das bis dahin existierende Problem, daß Geräusch und Sprache völlig unterdrückt werden, indem ein aktives Kopfhörersystem bereitgestellt wird, das irgendeinen von zahlreichen selektiven Algorithmen zur Anwendung bringen kann, wie sie in der US 4.654.871 offenbart sind. Alternativ dazu kann es den in der US 5.105.377 offenbarten Algorithmus einsetzen. Zusätzlich kann es andere Algorithmen einsetzen, wie jene, die in der US 5.126.681 beschrieben sind.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der beiliegenden Figuren hervor.
  • Fig. 1 stellt ein typisches aktives/passives Kopfhörersystem dar, welches die vorliegende Erfindung verkörpert,
  • Fig. 2 zeigt ein aktives und selektives Kopfhörersystem mit einer Hörmuschel mit offener Rückseite, das aktives Steuern und sich selbst anpassendes Filtern von Sprache durchführt, um zu ermöglichen, daß Sprache zusammen mit "Anti-Geräusch"-Signal durchdringt,
  • Fig. 3 zeigt eine detailliertere Beschreibung des aktiven Steuersystems von Fig. 2,
  • Fig. 4 zeigt eine detailliertere Beschreibung der Technik zum sich selbst anpassenden Filtern von Sprache, die bei dieser Auslegung des Kopfhörersystems zum Einsatz kommt.
  • In Fig. 1 ist ein aktives/passives Kopfhörersystem 10 dargestellt, das Hörmuscheln mit geschlossener Rückseite aufweist. Es besteht aus einem typischen passiven Kopfhörer 11, Lautsprechern 12, die das Gegen-Geräusch erzeugen und Rest- Mikrophonen 13, die dazu dienen, das verbleibende Geräusch in der Nähe des Ohres zu erfassen und Referenz-Mikrophonen 14, die dazu dienen, Voraus-Information für Vorauskopplungs- Lösungsansätze (feed forward approaches) bereitzustellen, und ein System-Controller 20, der das Anti-Geräuschsignal zusammenstellt.
  • Das dargestellte Kopfhörersystem weist Hörmuscheln mit geschlossenen Rückseiten 21, 22 auf, die zum passiven Abschwächen von Geräusch dienen, ohne die Lautsprecher, Mikrophone und den System-Controller würde dieses Kopfhörersystem einen typischen passiven Gehörschutz darstellen.
  • Der "Digital Virtual Earth" (DVE)-Algorithmus entwickelt ein Referenzsignal, indem von dem Restsignal eine ausgeglichene (equalized) Version seines eigenen Anti-Geräuschsignals subtrahiert wird. Die sich anpassende Vorauskopplung setzt das Referenz-Mikrophon als Eingang ein und erweist sich in komplizierten Geräuschumgebungen, in denen das Geräusch Breitbandnatur hat und von zufälligem Charakter ist, als sehr effektiv. Das "Least Means Square" (LMS)-Anpassungsmittel 24, das in der Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt "Filtered-X"- Versionen, welche eine inhärente Kompensation für die Auswirkungen von Rückkopplungsverzögerung in der Rückkopplungsschleife bewirken. Der Kasten "C" bei 25 stellt die Impulsantwort des Systems zur aktiven Abschwächung von Geräusch dar.
  • Ein Rückkopplungs-Kompensator 26 und ein Auslöschungs-Filter 27 vervollständigen die Bauteile des Controllers.
  • Ein DVE-Algorithmus erweist sich in einfachen Geräuschumgebungen, die lediglich einige wenige Harmonische umfassen, selbst wenn das Geräusch sehr stark variiert, als sehr effizient einsetzbar. Es wurde auch nachgewiesen, daß er zur Breitbandunterdrückung bei niedrigen Frequenzen (50 bis 500 Hz) sehr wirkungsvoll ist.
  • Die Lautsprecher 12 des Kopfhörersystems sind ausreichend groß, daß sie Gegengeräusch derselben Stärke, wie das Geräusch, das ausgelöscht werden soll, erzeugen können. Sie verursachen geringe oder gar keine Signalverzerrung und weisen eine minimale Eingangs-Ausgangsverzögerung auf, weil jegliche Verzögerung in der Rückkopplungsschleife die Anpassungsrate für das System verlangsamt. Die Restmikrophone 13 stellen typischerweise kleine Elektret-Mikrophone dar, welche auf die Lautsprecherhalterung in der Nähe des Ohres montiert werden. Sie müssen exakt das Geräusch, das am Ohr nach der Geräuschunterdrückung verbleibt, reproduzieren, sodaß der Controller weitere Anpassungen für das Antigeräusch-Signal vornehmen kann.
  • Die Referenz-Mikrophone 14 werden durch kleine Elektret- Mikrophone gebildet, die außen an dem Kopfhörersystem mit Abstand zum Ohr-Kanal befestigt sind. Diese Referenz-Mikrophone werden dazu verwendet, zeitlich vorausliegende Information (advanced information) über das Geräusch bereitzustellen. Je höher die Frequenz des Geräusches, desto mehr vorausliegende Information (advanced information) wird benötigt, um das Geräusch wirksam auszulöschen.
  • Fig. 2 zeigt ein aktives Kopfhörersystem 50 mit erhöhter Selektivität, bei dem der Kopfhörer 51 Hörmuscheln 52 mit offenen Rückseiten, Referenz-Mikrophone 53, Lautsprecher 54 und Restmikrophone 55 aufweist. Anstelle der Hörmuschel mit offener Rückseite mag auch ein (nicht dargestellter) Ohrstöpsel (ear plug) verwendet werden.
  • Das aktive/passive System 10, das oben beschrieben wurde, kann so ausgelegt werden, daß alle Geräusche im Frequenzband von 20 bis 3.300 Hz abgeschwächt werden, ohne daß eine passive Hörmuschel oder ein Ohrstöpsel (ear plug) erforderlich ist. Dieser Zugang bringt einen sich anpassenden vorauskoppelnden Steuer-Algorithmus zur Anwendung, um aktiv das schädliche Geräusch in diesem Frequenzband abzuschwächen. Um dies zu bewirken, ist es erforderlich, die Verzögerungen des digitalen Signalverarbeitungssystems zu minimieren, um Geräusch bei den höheren Frequenzen wirksam abzuschwächen, wobei die Verzögerungen von den Anti-Informationsverkennungs-Filtern (anti-aliasing-filters) und Wiederherstellungs-Filtern (reconstruction-filters), die in Fig. 3 dargestellt sind, und der akustischen Verzögerung von Lautsprecher und Restmikrophon herrühren.
  • Der Controller 60 hat Adapter 61, 62, Mittel zur Rückkopplungs-Kompensation 63, Auslöschungsfilter 64 und ein sich anpassendes Filter für Sprache 65. Der Controller 60 verwendet eine parallele, sich anpassende Sprachfiltertechnik, um Sprache zum Benutzer zu leiten. Sich anpassende Sprachfiltertechniken können in Umgebungen mit besonders viel Geräusch verwendet werden. Der aktive Controller bedämpft Geräusch in dem Frequenzband, das von Interesse ist, und ermöglicht, daß Sprache und Warnsignale durch den Signalpfad des sich anpassenden Sprachfilters gelangen, in dem sich ein Warnsignal- Filter befindet, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Sy stem gleicht dem aktiven passiven System bis auf das Kopfhörerdesign mit offener Rückseite und den Zusatz eines parallelen, sich anpassenden Sprache und Warnsignale filternden Pfades als integrale Bestandteile des Controllers. Den Eingang zu dem Filter für Sprache und dem Controller bilden die im Signalgang vorangestellten Referenz-Mikrophone 53.
  • Diese Referenz-Mikrophone nehmen Geräusch und Sprache auf. Die Sprache wird aus dem Geräusch gefiltert und zusammen mit dem "Anti-Geräusch", welches mittels dem sich anpassenden vorauskoppelnden Controller erzeugt wird, zu dem Lautsprecher des Kopfhörers übertragen. Sowohl Sprache und Warnsignale, die typischerweise oberhalb des Sprachbandes liegen und deren Frequenz bekannt ist, werden so von dem Benutzer des leichtgewichtigen und mit offenen Rückseiten versehenen Kopfhörersystems gehört.
  • Unter Bezug auf Fig. 2 werden die "Anti-Geräusch" und Ausgangssignale für Sprache gemischt und den Lautsprechern zugeführt. Dieses kombinierte Ausgangssignal uk, folgt aus:
  • xk = rk - Zk
  • yk = AkSk
  • uk = wk + yk
  • wobei:
  • uk den Wert für ausgegebene Sprache und Gegen-Geräusch darstellt,
  • rk einen Vektor des am kürzesten zurückliegenden Restsignals darstellt,
  • zk ein Vektor ist, der das Ausgangssignal des Sprachfilters darstellt, nachdem dieses die Impulsantwort Ck durchlaufen hat,
  • Ak ein Vektor von Auslöschungs-Filterkoeffizienten ist,
  • yk den Wert des ausgegebenen Gegen-Geräusches darstellt,
  • wk der ausgegebene Wert für Sprache ist,
  • Sk den Vektor von kompensierten Eingangssignalen darstellt.
  • Eingangssignale für, den Controller und das Filter für Sprache sind das Referenz-Signal Vk, und das Restsignal rk, welche mittels dem Referenz-Sensor und dem Rest-Sensor aufgenommen werden. Der sich anpassende vorauskoppelnde Controller erzeugt ein "Anti-Geräusch" yk, und das sich anpassende Filter für Sprache erzeugt ein sauberes Sprach-Signal wk, welche miteinander gemischt werden, um das Ausgangssignal uk zu bilden, welches zu den Lautsprechern übertragen wird. Eine jede Hörmuschel arbeitet unabhängig voneinander mit jeweils getrennten Referenz- und Restsensoren und Gebern.
  • Es ist wesentlich, daß das Ausgangssignal des Filters für Sprache, wk, über das Impulsantwortsystem Ck gefiltert und von dem verbleibenden Eingangssignal rk subtrahiert wird, sodaß es nicht dem Betrieb des sich anpassenden vorauskoppelnden Controllers überlagert wird. Ist dies nicht der Fall, wird der Controller versuchen, sich an das Sprachsignal, welches auf den Lautsprecher ausgegeben wird, anzupassen und dieses auszulöschen.
  • Zahlreiche Techniken können eingesetzt werden, um die Verzögerungen des Systems zu minimieren. Zunächst kann passives Material wirksam ein Tiefpaßfilter für die Eingänge von Referenz- und Rest-Sensoren bilden. Dies würde die Notwendigkeit für Anti-Rückkopplungs-Filter unterbinden und somit würden die Verzögerungen, die durch diese Filter hervorgerufen werden, unterbleiben. Es wurde gezeigt, daß diese Technik unter Verwendung des sich anpassenden vorauskoppelnden Controllers recht wirkungsvoll bei der aktiven Steuerung von Geräusch in Schalleitungssystemen ist.
  • Eine andere Technik schafft weder die Anti-Informationsverkennungs-Filter noch die Wiederherstellungs-Filter ab, sondern umgeht im wesentlichen die Verzögerungen, welche von diesen Filtern hervorgerufen werden, indem ein analoger Abzweig nullter Ordnung (analog zero'th order tap) eingeführt wird. Dies wird erreicht, indem ein Verstärker zwischen dem Ausgang der Verstärkungs-Steuerung (gain control) für das Eingangssignal und dem Ausgang der Wiederherstellungs-Filter, welche in Fig. 3 dargestellt sind, angeordnet wird.
  • Eine abschließende Technik, welche sogar in dem Maße noch wirksamer sein wird, wie die Prozessorgeschwindigkeit in der Mikroprozessor-Technologie zunimmt, besteht darin, ein Abtasten mit einer Rate von 40 kHz oder mehr vorzunehmen, was die Notwendigkeit für Anti-Informationsverkennungs- und Wiederherstellungs-Filter eliminiert, weil die Abschneidefrequenz von 20 kHz an der Grenze der Lautsprecher-Impulsantwort ist.

Claims (12)

1. Kopfhörersystem (10, 50), mit einem Kopfhörer (11, 51), der geeignet ist, von einem Benutzer getragen zu werden, einem Mittel zur Abschwächung von Geräusch und einem Sprache filternden Mittel (27, 65), das durch Lautsprecher (12, 54) Sprache zu den Ohren des Benutzers überträgt, gekennzeichnet, durch ein eine Referenz sensierendes Mittel (14, 53) auf dem Kopfhörer (11, 51), das geeignet ist, Sprache, Geräusch und Warnsignale zu sensieren und Signale zu erzeugen, die in ein Mittel zum Steuern (20, 60) eingegeben werden, das dazu dient, Signale für die Lautsprecher (12, 54) zu erzeugen und diesen zuzuführen, was aktive Breitbanddämpfung von Geräusch bewirkt, während selektiv Sprache und Warnsignale zum Ohr des Benutzers übertragen werden.
2. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfhörersystem (10, 50) Rest-Mikrophone (13, 55), die auf dem Kopfhörer angeordnet sind, einschließlich einem Rückkopplungsmittel, das mit den Lautsprechern verbunden ist, umfaßt.
3. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsmittel ein anpassungsfähiges Sprache-Filter-Mittel (65) und ein Auslöschungs-Filter- Mittel (64) einschließt.
4. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Steuern mit einem "adaptive feedforward"-Algorithmus betrieben wird.
5. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfhörer (11, 51) eine Hörmuschel (52) mit offener Rückseite einschließt.
6. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Referenz sensierende Mittel (14, 53) ein Elektret-Mikrophon ist.
7. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Paar Hörmuscheln (52) mit offener Rückseite umfaßt, wobei die eine Referenz sensierenden Mittel (53) auf der Außenseite dieser Hörmuscheln angeordnet sind.
8. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anpassungsfähige, Sprache filternde Mittel (65) geeignet ist, Sprache aus Geräusch zu filtern.
9. Kopfhörersystem (10, 50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anpassungsfähige, Sprache filternde Ausgangssignal (w) mit dem Ausgangssignal (y) des Mittels zum Steuern gemischt wird und das sich ergebende Signal (u) dem Lautsprecher zugeführt wird.
10. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anpassungsfähige, Sprache filternde Ausgangssignal (w) durch die Impulsantwort des aktiven Auslöschungssystems ("C") gefiltert wird und von dem Restmikrophonsignal (r) subtrahiert wird, so daß es nicht den Betrieb des Steuermittels beeinflußt.
11. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Referenz sensierende Mittel (14, 53) sich außerhalb von Lautsprechern auf dem Kopfhörer (11, 51) befindet und das Mittel zum Steuern geeignet ist, eine "feedforward"-Methode der Geräuschauslöschung zu verwenden.
12. Kopfhörersystem (10, 50) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Referenz sensierende Mittel (13, 55) sich innerhalb der Lautsprecher auf dem Kopfhörer (11, 51) befindet und das Mittel zum Steuern geeignet ist, eine Rückkopplungs-Methode ("feedback"-Methode) der Geräuschausläschung zu verwenden.
DE69227924T 1992-06-05 1992-06-05 Aktiver kopfhörer mit erhöhter selektivität Expired - Fee Related DE69227924T2 (de)

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