EP4133476A1 - Method, device, headphones and computer program for actively suppressing interfering noise - Google Patents

Method, device, headphones and computer program for actively suppressing interfering noise

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Publication number
EP4133476A1
EP4133476A1 EP21717392.1A EP21717392A EP4133476A1 EP 4133476 A1 EP4133476 A1 EP 4133476A1 EP 21717392 A EP21717392 A EP 21717392A EP 4133476 A1 EP4133476 A1 EP 4133476A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transfer function
path
headphones
measured
primary
Prior art date
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Pending
Application number
EP21717392.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes Fabry
Peter Jax
Stefan Liebich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP4133476A1 publication Critical patent/EP4133476A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H04R2460/01Hearing devices using active noise cancellation

Definitions

  • the present invention relates to a method for active noise suppression.
  • the present invention also relates to an apparatus for carrying out the method.
  • the invention also relates to headphones that are set up to carry out a method according to the invention or have a device according to the invention, and a computer program with instructions that cause a computer to carry out the steps of the method.
  • An additional sound signal is artificially generated, which corresponds to that of the interfering sound as exactly as possible, but with opposite polarity, in order to then cancel out the disturbing noises as far as possible by superimposing the two sound signals by means of destructive interference.
  • one or more microphones integrated in the headphones measure the ambient noise and then use the headphones' acoustic transfer function to calculate the amount that would remain on the ear.
  • the opposite polarity signal is generated in the headphones for compensation and output by means of a loudspeaker, via which the useful sound is also reproduced.
  • Modern ANC headphones usually use fixed feedforward and feedback filters for this purpose and thus enable an attenuation of up to 30 dB at low frequencies, but the filter performance depends sensitively on the respective seat of the headphones and the respective ear shape of the user.
  • adaptive algorithms can also be considered in order to improve the level of noise suppression.
  • Such adaptive algorithms require a high computing power and are therefore unsuitable at present in headphones, hearables or hearing aids.
  • Most commercially available ANC headphones are equipped with a built-in loudspeaker and two microphones. One of the microphones is directed towards the headphone environment in order to measure a reference signal in the form of ambient noise and is often referred to as a reference microphone.
  • the other microphone is directed towards the ear canal or eardrum of the user in order to determine an internal error signal and is also known as the error microphone.
  • the acoustic transmission from the external reference microphone to the internal error microphone is called the primary path, the transmission from the loudspeaker to the error microphone is called the secondary path.
  • the secondary path can be measured using the loudspeaker and the inner microphone, whereby the signal-to-noise ratio at the inner microphone is quite high due to the passive isolation of the headphones costly and not easy to carry out for end users.
  • the invention makes use of the knowledge that, in particular with in-ear headphones, but also with headphones with other designs, there can be a significant correlation between the frequency spectra of primary and secondary paths and this can be used to even without measuring the Primary path to achieve an optimization of the noise suppression.
  • a transfer function for a secondary path between a loudspeaker and an error microphone is measured.
  • a transfer function for a primary path between a reference microphone and the error microphone is estimated.
  • filter coefficients for filtering to generate the cancellation signal are determined.
  • At least one reference microphone detects interfering sound signals
  • a loudspeaker outputs a canceling signal
  • an error microphone detects the remaining signal after the canceling signal has been superimposed on the interfering sound signal.
  • active noise suppression is carried out when reproducing a useful audio signal using headphones, with one or more reference microphones being located on the outside of the headphones and the error microphone being located on the inside of the headphones.
  • the transfer function for the secondary path is preferably measured individually for a user and an individual transfer function for the primary path is estimated for the user based on the individually measured transfer function for the secondary path.
  • the filtering is advantageously carried out by means of a forward FIR filter or IIR filter.
  • an estimation function for the primary path is determined by measuring and analyzing both the transfer function for the secondary path and the transfer function for the primary path in advance in a training process for different people and / or fits of the headphones.
  • a main component analysis with subsequent dimensional reduction of the measured values obtained in the training process is carried out for measured values in frequency ranges of the transfer functions in which there are deterministic changes for the primary path and the secondary path; complex gain vectors for the primary paths and the secondary paths are determined based on principal components and mean values determined by the principal component analysis; and a linear mapping which minimizes the error between the determined and the estimated gain vectors of the primary paths is determined.
  • the digital filter is designed as an FIR filter or IIR filter.
  • the invention also relates to headphones that are set up to carry out the method according to the invention or have a device according to the invention, as well as a computer program with instructions which cause a computer to carry out the steps of the method according to the invention.
  • 1 shows schematically an in-ear headphone with a primary and secondary acoustic path
  • 2 shows a flow chart of the method according to the invention for active noise suppression
  • Fig. 3 shows a block diagram of a headphone according to the invention
  • Figure 7 shows a box graph for the energy ratio for various primary path estimates
  • Fig. 8 shows schematically the use of headphones in connection with an external computing device
  • the inventive method can in particular for active
  • Noise suppression in in-ear headphones can be used.
  • the in-ear headphones 10 are located on the ear of a user, with an ear insert 14 of the in-ear headphones being introduced into the external auditory canal 15 in order to hold them in place.
  • the ear insert can, depending on the individual position in the ear canal, partially shield external interference noises so that they are Interfering noises then only reach the eardrum 16 of the user at a reduced level.
  • An interfering sound signal x (t) arriving from the environment on the headphones is recorded with a reference microphone 11, which is directed away from the ear canal 13, which is located in the vicinity of the error microphone 12, on.
  • a cancellation signal y (t) can be output by means of the loudspeaker 13.
  • the error microphone 12 detects the remaining signal e (t) after a superposition of the cancellation signal y (t) with the interfering sound signal x (t).
  • the primary acoustic path P a (s) describes the transfer function from the reference microphone 11 to the error microphone 12
  • the secondary acoustic path S a (s) describes the transfer function from the loudspeaker 13 to the error microphone 12.
  • the in-ear headphones shown only have one reference microphone, but several reference microphones can also be used, for each of which a separate primary path exists
  • FIG. 2 shows schematically the basic concept for a method for active noise suppression, as it can be carried out, for example, with such in-ear headphones.
  • a transfer function for a secondary path between the loudspeaker and the error microphone is measured.
  • a transfer function for a primary path between the reference microphone and the error microphone is then estimated. For this purpose, use is made of the relationships between the primary path and secondary path in the present headphones, which are determined in a training phase, which will be described below.
  • the estimated transfer function then allows filter coefficients to be determined for a filter for generating the cancellation signal.
  • the filter can then be adapted so that the output cancellation signal enables the best possible compensation of the interference signal to prevent or at least reduce impairment of the user's perception by interfering noises when a useful audio signal is played back by means of the in-ear headphones.
  • the user can also suppress background noise without playing a Useful audio signal can be perceived as more pleasant, for example when it is traveling by train or plane and the volume level is reduced as a result.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a device according to the invention, the analog unit 30 with the hardware components from FIG the loudspeaker 13 is connected.
  • the electronic backend comprises a digital filter unit 34 and a processor unit 35.
  • the device according to the invention can be fully integrated into an ANC headset or also partially part of an external device, such as a smartphone.
  • the processor unit 35 can be part of such an external device.
  • the processor unit 35 here has one or more digital signal processors, but can also contain processors of other types or combinations thereof.
  • the digital filter 34 is designed as a time-invariant FIR forward filter W (z), which receives the digitally converted interference signal x (n) and generates the cancellation signal y (n).
  • the digital filter 34 can also be designed as an IIR filter, usually as a biquad filter.
  • the digital signal processor 35 generates a measurement signal m (n) and evaluates the digitized error signal e (n) in order to measure the secondary path.
  • the filter coefficients of the digital filter W (z) are adapted by the digital signal processor Procedure to be carried out.
  • the overall transfer function H (s) describes the transfer function from reference microphone 11 to error microphone 12 and, in contrast to the primary path, includes the influence of the ANC system.
  • the primary path P (z) and the secondary path S (z) contain the influence of the analog-digital converter and the digital-analog converter, the loudspeaker and the microphones.
  • the overall transmission path is then defined as
  • H (z) P (z) - W (z) S (z).
  • s and z denote the complex frequency parameters of the Laplace and z transformation and n denotes a discrete time index.
  • the optimal FIR forward filter iv minimizes the average of the energy of the entire transmission path, such as by the the following cost function is defined: with the primary path vector expanded by zeros and convolution matrix s ; for the
  • the individual secondary path can be measured with the loudspeaker and the internal error microphone of the headphones. Then if the individual secondary paths for all S j are replaced in the above formula and the average of the primary paths in T, ie is used as an estimate for p, one obtains for the optimal filter for a given individual secondary path:
  • this correlation can be used to establish an estimator for an individual primary path based on the characteristics of a measured individual secondary path.
  • the frequency ranges of the transfer functions that are affected by deterministic changes are extracted with window functions Q p (z) and Q s (z) in the z domain
  • PCA principal component analysis
  • the complex gain vectors g p, j and g s, j minimize the Euclidean distance between the reconstructed frequency domain vectors based on the main components and the frequency domain vectors of the primary path and secondary path.
  • a linear map is then used that represents the Gain vectors g p, j of the primary path are projected onto the gain vectors of the secondary path g s, j
  • the window function Q s (z) in the z-range is applied to the measured secondary path and then the gain vector g s, j for the secondary path is calculated using the main components and the mean value of the secondary path.
  • the gain vector g p, j for the primary path is then first of all determined by means of the linear mapping estimated, followed by an estimate of the primary path based on the principal components as well as the mean of the primary path and the estimated gain vector g p, j for the primary path. Finally, by replacing with the estimate of the the individual forward filter for each primary path.
  • the effectiveness of the proposed estimator was checked with simulations, the results of which are presented below. For this purpose, measurements were carried out on in-ear headphones for 25 test persons and different fits, with a sampling rate of 48 kHz being used.
  • FIG. 4 shows the spectra of the measured primary paths (a) and secondary paths (b).
  • the shaded frequency range 40 indicates the range of the selected frequency range window.
  • the set of measured primary and secondary paths was randomly divided into two subsets, with a training set 80% and a validation set the other 20% of the set of measured paths.
  • the training set was used to train the estimator as described above.
  • the performance of the estimator was then validated by testing the overall transfer path, with the measurement 100 times being random divided subsets was repeated.
  • FIG. 5 shows the measured magnitude spectra ⁇ H (z) ⁇ , the filter design in a) being based on the individual secondary paths and the average primary path and in b) on the individual secondary paths and the respective estimated primary path 50% percentiles 52 and 90% percentiles 53 of ⁇ H (z) ⁇ also the median 51 of the primary path
  • FIG. 6 shows the median of the primary path
  • H avg (z) is based on the mean value of the primary paths of the training set
  • H est (z) is based on a primary path estimate, as is H ppg (z), but with a perfect PCA gain vector (PPG) g p instead of it Estimate is used
  • H opt (z) is based on the actual primary path.
  • > 0, marks the frequency range in which H (z) is influenced by the primary path estimator.
  • the figure shows that the median of the spectrum
  • the box graph in FIG. 7 shows the energy ratio in dB for the various primary path estimates from FIG. 6 (a) mean, b) estimate, c) estimate with PPG, d) optimum when the actual primary path is known).
  • the energy ratio e of the total windowed transmission path and the primary path using Q p (z) is defined as
  • the median and the minimum, the so-called lower whisker, and the maximum, the so-called upper whisker are shown as horizontal lines and the lower quartile and upper quartile as a rectangle surrounding the median
  • the energy ratio e is reduced by 3.1 dB compared to the use of the mean value (a) when using the estimator (b) of the median, while the difference between the maximum values, the so-called upper whiskers, is 5.0 dB
  • FIG. 8 schematically shows the use of headphones 10, such as a so-called hearable, in connection with an external computer device 80.
  • the external computer device 80 can in particular be a mobile terminal that is suitable for audio playback , a so-called wearable, such as a smartwatch, a fitness bracelet or data glasses, or a computer tablet are connected to the headphones.
  • the devices communicate wirelessly via a radio link such as Bluetooth. After the connection has been established, audio signals can be transmitted from the external computer device 80 to the headphones 10 and then reproduced in a conventional manner with one or more loudspeakers integrated in the headphones.
  • a radio link such as Bluetooth.
  • the active noise suppression according to the invention can also be carried out by means of the external computer device 80.
  • the external computer device 80 in particular when a user is using the headphones 10 for the first time, can transmit a measurement signal to the headphones, which is then output by a loudspeaker integrated in the headphones.
  • the error microphone detects the error signal, which is transmitted to the external computer device 80.
  • the external computer device 80 calculates the secondary path, estimates the primary path and then determines the filter coefficients for the filter for generating the cancellation signal.
  • the filter coefficients are then sent via the wireless connection from the external computer device 80 to the headphones 10, in which the filter is adapted accordingly, so that interfering noises are largely suppressed when the audio signals are reproduced.
  • the invention can be used for active noise suppression in any areas of audio reproduction technology.

Abstract

In the method according to the invention for actively suppressing interfering noise, a transfer function for a secondary path between a loudspeaker and an error microphone is measured (20). A transfer function for a primary path between a reference microphone and the error microphone is estimated (21) based on the measured transfer function for the secondary path. Filter coefficients for a filter unit to generate the erase signal are then determined (22) based on the estimated transfer function for the primary path.

Description

Beschreibung description
Verfahren, Vorrichtung, Kopfhörer und Computerprogramm zur aktiven Störgeräuschunterdrückung Method, device, headphones and computer program for active noise suppression
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Störgeräuschunterdrückung. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ferner betrifft die Erfindung einen Kopfhörer, der eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist sowie ein Computerprogramm mit Instruktionen, die einen Computer zur Ausführung der Schritte des Verfahrens veranlassen. The present invention relates to a method for active noise suppression. The present invention also relates to an apparatus for carrying out the method. The invention also relates to headphones that are set up to carry out a method according to the invention or have a device according to the invention, and a computer program with instructions that cause a computer to carry out the steps of the method.
Die hohe Lärmbelastung, die beispielsweise durch Flugzeuge, Züge oder Autos verursacht wird und von Personen außerhalb oder auch innerhalb dieser Fahrzeuge als Umgebungslärm wahrgenommen wird, kann zu Stress und sogar zu schweren psychischen und physischen Erkrankungen der betroffenen Personen führen. Aus diesem Grund sind Verfahren zur aktiven Störgeräuschunterdrückung (englisch: „Active Noise Cancellation", ANC) bekannt, bei denen solche störenden Umgebungsgeräusche reduziert werden, ein wichtiges Ausstattungsmerkmal für Kopfhörer oder sogenannte Hearables. The high level of noise that is caused, for example, by planes, trains or cars and is perceived as ambient noise by people outside or inside these vehicles, can lead to stress and even serious psychological and physical illnesses for the people concerned. For this reason, methods for active noise cancellation ("Active Noise Cancellation", ANC) are known, in which such disruptive ambient noises are reduced, an important feature for headphones or so-called hearables.
Hierbei wird ein zusätzliches Schallsignal künstlich erzeugt, das dem des störenden Schalls möglichst exakt, allerdings mit entgegengesetzter Polarität, entspricht, um dann durch Überlagerung der beiden Schallsignale mittels destruktiver Interferenz die Störgeräusche soweit wie möglich auszulöschen. Hierzu wird bei Kopfhörern mit aktiver Geräuschunterdrückung mit einem oder mehreren im Kopfhörer integrierten Mikrofonen das Umgebungsgeräusch gemessen und dann mit Hilfe der akustischen Übertragungsfunktion des Kopfhörers der Anteil berechnet, der am Ohr noch verbleiben würde. Für diesen Teil wird dann zur Kompensation das gegenpolige Signal im Kopfhörer erzeugt und mittels eines Lautsprechers, über den auch der Nutzschall wiedergegeben wird, ausgegeben. Moderne ANC-Kopfhörer verwenden hierzu in der Regel feste Vorwärts- und Rückkopplungsfilter und ermöglichen damit eine Dämpfüngvon bis zu 30 dB bei niedrigen Frequenzen, die Filterleistung hängt jedoch empfindlich von dem jeweiligen Sitz des Kopfhörers und der jeweiligen Ohrform des Nutzers ab. Grundsätzlich können auch adaptive Algorithmen in Betracht gezogen werden, um den Grad der Geräuschunterdrückung zu verbessern. Solche adaptiven Algorithmen erfordern aber eine hohe Rechenleistung und sind daher in Kopfhörern, Hearables oder Hörgeräten gegenwärtig ungeeignet. Die meisten im Handel erhältlichen ANC-Kopfhörer sind mit einem eingebauten Lautsprecher und zwei Mikrofonen ausgestattet Hierbei ist eines der Mikrofone in Richtung des Kopfhörerumfelds gerichtet, um ein Referenzsignal in Form des Umgebungsgeräusches zu messen und wird häufig als Referenzmikrofon bezeichnet. Das andere Mikrofon ist in Richtung des Ohrkanals bzw. Trommelfells des Nutzers gerichtet, um ein internes Fehlersignal zu ermitteln und wird auch als Fehlermikrofon bezeichnet Die akustische Übertragung vom externen Referenzmikrofon zum inneren Fehlermikrofon wird als Primärpfad bezeichnet, die Übertragung vom Lautsprecher zum Fehlermikrofon als Sekundärpfad. An additional sound signal is artificially generated, which corresponds to that of the interfering sound as exactly as possible, but with opposite polarity, in order to then cancel out the disturbing noises as far as possible by superimposing the two sound signals by means of destructive interference. In the case of headphones with active noise suppression, one or more microphones integrated in the headphones measure the ambient noise and then use the headphones' acoustic transfer function to calculate the amount that would remain on the ear. For this part, the opposite polarity signal is generated in the headphones for compensation and output by means of a loudspeaker, via which the useful sound is also reproduced. Modern ANC headphones usually use fixed feedforward and feedback filters for this purpose and thus enable an attenuation of up to 30 dB at low frequencies, but the filter performance depends sensitively on the respective seat of the headphones and the respective ear shape of the user. In principle, adaptive algorithms can also be considered in order to improve the level of noise suppression. However, such adaptive algorithms require a high computing power and are therefore unsuitable at present in headphones, hearables or hearing aids. Most commercially available ANC headphones are equipped with a built-in loudspeaker and two microphones. One of the microphones is directed towards the headphone environment in order to measure a reference signal in the form of ambient noise and is often referred to as a reference microphone. The other microphone is directed towards the ear canal or eardrum of the user in order to determine an internal error signal and is also known as the error microphone.The acoustic transmission from the external reference microphone to the internal error microphone is called the primary path, the transmission from the loudspeaker to the error microphone is called the secondary path.
Eine Messung dieser Primär- und Sekundärpfade ermöglicht ein individuelles Design und damit eine erhebliche Verbesserung von Leistung und Robustheit eines ANC-Systems. Der Sekundärpfad kann unter Verwendung des Lautsprechers und des inneren Mikrofons gemessen werden, wobei das Signal-Rausch-Verhältnis am inneren Mikrofon aufgrund der passiven Isolierung des Kopfhörers recht hoch ist Das Messen des Primärpfades dagegen erfordert ein zusätzliches externes Lautsprechersetup sowie eine geeignete Messumgebung und ist damit aufwendig und für Endnutzer nicht ohne Weiteres durchzuführen. A measurement of these primary and secondary paths enables an individual design and thus a considerable improvement in the performance and robustness of an ANC system. The secondary path can be measured using the loudspeaker and the inner microphone, whereby the signal-to-noise ratio at the inner microphone is quite high due to the passive isolation of the headphones costly and not easy to carry out for end users.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur aktiven Störgeräuschunterdrückung, insbesondere zur Unterdrückung störender Umgebungsgeräusche bei Kopfhörern, sowie einen entsprechenden Kopfhörer und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen. Against this background, it is an object of the invention to provide an improved method and an improved device for active noise suppression, in particular for suppressing disturbing ambient noise in headphones, as well as corresponding headphones and a computer program for performing the method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine entsprechende Vorrichtung gemäß Anspruch 8, einen entsprechenden Kopfhörer gemäß Anspruch 10 und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11 gelöst Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a method with the features of claim 1, a corresponding device according to claim 8, a corresponding headphone according to claim 10 and a computer program according to claim 11. Preferred embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass insbesondere bei In-Ohr- Kopfhörern, aber auch bei Kopfhörern mit anderen Bauformen, eine erhebliche Korrelation zwischen den Frequenzspektren von Primär- und Sekundärpfaden vorliegen kann und diese ausgenutzt werden kann, um auch ohne Messung des Primärpfades eine Optimierung der Störgeräuschunterdrückung zu erzielen. Der Kenntnis der Erfinder folgend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur aktiven Störgeräuschunterdrückung eine Übertragungsfunktion für einen Sekundärpfad zwischen einem Lautsprecher und einem Fehlermikrofon gemessen. Basierend auf der gemessenen Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad wird eine Übertragungsfunktion für einen Primärpfad zwischen einem Referenzmikrofon und dem Fehlermikrofon geschätzt. Es werden dann, basierend auf der geschätzten Übertragungsfunktion für den Primärpfad, Filterkoeffizienten für eine Filterung zur Erzeugung des Löschsignals ermittelt. The invention makes use of the knowledge that, in particular with in-ear headphones, but also with headphones with other designs, there can be a significant correlation between the frequency spectra of primary and secondary paths and this can be used to even without measuring the Primary path to achieve an optimization of the noise suppression. According to the knowledge of the inventors, in the method according to the invention for active noise suppression, a transfer function for a secondary path between a loudspeaker and an error microphone is measured. Based on the measured transfer function for the secondary path, a transfer function for a primary path between a reference microphone and the error microphone is estimated. Then, based on the estimated transfer function for the primary path, filter coefficients for filtering to generate the cancellation signal are determined.
Insbesondere erfasst hierbei mindestens ein Referenzmikrofon Störschallsignale, ein Lautsprecher gibt ein Löschsignal aus und ein Fehlermikrofon erfasst das noch verbleibende Restsignal nach einer Überlagerung von dem Löschsignal mit dem Störschallsignal. In particular, at least one reference microphone detects interfering sound signals, a loudspeaker outputs a canceling signal and an error microphone detects the remaining signal after the canceling signal has been superimposed on the interfering sound signal.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die aktive Störgeräuschunterdrückung bei der Wiedergabe eines Audionutzsignals mittels eines Kopfhörers durchgeführt, wobei sich ein oder mehrere Referenzmikrofone an der Außenseite des Kopfhörers befinden und sich das Fehlermikrofon an der Innenseite des Kopfhörers befindet. According to one embodiment of the invention, active noise suppression is carried out when reproducing a useful audio signal using headphones, with one or more reference microphones being located on the outside of the headphones and the error microphone being located on the inside of the headphones.
Vorzugsweise wird die Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad für einen Nutzer individuell gemessen und basierend auf der individuell gemessenen Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad für den Nutzer eine individuelle Übertragungsfunktion für den Primärpfad geschätzt. The transfer function for the secondary path is preferably measured individually for a user and an individual transfer function for the primary path is estimated for the user based on the individually measured transfer function for the secondary path.
Vorteilhafterweise erfolgt hierbei die Filterung mittels eines vorwärts gerichteten FIR-Filters oder IIR-Filters. In this case, the filtering is advantageously carried out by means of a forward FIR filter or IIR filter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Schätzfunktion für den Primärpfad ermittelt, indem vorab in einem Trainingsprozess für verschiedene Personen und/oder Passungen des Kopfhörers jeweils sowohl die Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad als auch die Übertragungsfunktion für den Primärpfad gemessen und analysiert wird. According to a further embodiment of the invention, an estimation function for the primary path is determined by measuring and analyzing both the transfer function for the secondary path and the transfer function for the primary path in advance in a training process for different people and / or fits of the headphones.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn für Messwerte in Frequenzbereichen der Übertragungsfunktionen, bei denen deterministische Veränderungen für den Primärpfad und den Sekundärpfad vorliegen, eine Hauptkomponentenanalyse mit anschließender Dimensionsreduktion der in dem Trainingsprozess gewonnenen Messwerte durch geführt wird; basierend auf Hauptkomponenten und Mittelwerten, die durch die Hauptkomponentenanalyse ermittelt wurden, komplexe Verstärkungsvektoren für die Primärpfade und die Sekundärpfade ermittelt werden; und eine lineare Abbildung, welche den Fehler zwischen den ermittelten und den geschätzten Verstärkungsvektoren der Primärpfade minimiert, ermittelt wird. It is advantageous here if a main component analysis with subsequent dimensional reduction of the measured values obtained in the training process is carried out for measured values in frequency ranges of the transfer functions in which there are deterministic changes for the primary path and the secondary path; complex gain vectors for the primary paths and the secondary paths are determined based on principal components and mean values determined by the principal component analysis; and a linear mapping which minimizes the error between the determined and the estimated gain vectors of the primary paths is determined.
Entsprechend umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur aktiven Störgeräuschunterdrückung mindestens ein Referenzmikrofon; einen Lautsprecher; ein Fehlermikrofon; ein digitales Filter zur Erzeugung eines Löschsignals; einen digitalen Signalprozessor, der eingerichtet ist, um ein Messsignal zu generieren, welches über den Lautsprecher ausgegeben werden kann und ein mit dem Fehlermikrofon erfasstes Signal auszuwerten, um so eine Übertragungsfunktion für einen Sekundärpfad zwischen dem Lautsprecher und dem Fehlermikrofon zu messen; basierend auf der gemessenen Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad eine Übertragungsfunktion für einen Primärpfad zwischen dem Referenzmikrofon und dem Fehlermikrofon zu schätzen; und basierend auf der geschätzten Übertragungsfunktion für den Primärpfad Filterkoeffizienten für das digitale Filter anzupassen. Accordingly, a device according to the invention for active noise suppression comprises at least one reference microphone; a speaker; an error microphone; a digital filter for generating a cancellation signal; a digital signal processor which is set up to generate a measurement signal which can be output via the loudspeaker and to evaluate a signal detected with the error microphone in order to measure a transfer function for a secondary path between the loudspeaker and the error microphone; to estimate a transfer function for a primary path between the reference microphone and the error microphone based on the measured transfer function for the secondary path; and adapting filter coefficients for the digital filter based on the estimated transfer function for the primary path.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das digitale Filter hierbei als FIR-Filter oder IIR-Filter ausgestaltet. According to one embodiment of the invention, the digital filter is designed as an FIR filter or IIR filter.
Die Erfindung betrifft auch einen Kopfhörer, der eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, sowie ein Computerprogramm mit Instruktionen, die einen Computer zur Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen. The invention also relates to headphones that are set up to carry out the method according to the invention or have a device according to the invention, as well as a computer program with instructions which cause a computer to carry out the steps of the method according to the invention.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich. Further features of the present invention will become apparent from the following description and the claims in conjunction with the figures.
Fig. 1 zeigt schematisch einen In-Ohr- Kopfhörer mit akustischem Primär- und Sekundärpfad; Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur aktiven Störgeräuschunterdrückung; 1 shows schematically an in-ear headphone with a primary and secondary acoustic path; 2 shows a flow chart of the method according to the invention for active noise suppression;
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kopfhörers; Fig. 3 shows a block diagram of a headphone according to the invention;
Fig. 4 zeigt Spektren gemessener Primärpfade (a) und Sekundärpfade (b); 4 shows spectra of measured primary paths (a) and secondary paths (b);
Fig. 5 zeigt a) auf den individuellen Sekundärpfaden und dem durchschnittlichen Primärpfad basierend gemessene Spektren und b) auf den individuellen Sekundärpfaden und dem jeweils geschätzten Primärpfad basierend gemessene Spektren der aktiven Übertragungsfunktion vom Referenzmikrofon zum Fehlermikrofon; 5 shows a) spectra measured based on the individual secondary paths and the average primary path and b) measured spectra of the active transfer function from the reference microphone to the error microphone based on the individual secondary paths and the respectively estimated primary path;
Fig. 6 zeigt den Median des Primärpfads |P(z)| und des Spektrums \H(z) \ für verschiedene Primärpfadschätzungen; 6 shows the median of the primary path | P (z) | and the spectrum \ H (z) \ for different primary path estimates;
Fig. 7 zeigt eine Kastengrafik für das Energieverhältnis für verschiedene Primärpfadschätzungen; und Figure 7 shows a box graph for the energy ratio for various primary path estimates; and
Fig. 8 zeigt schematisch die Verwendung eines Kopfhörers in Verbindung mit einem externen Computergerät Fig. 8 shows schematically the use of headphones in connection with an external computing device
Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. For a better understanding of the principles of the present invention, embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures. It goes without saying that the invention is not restricted to these embodiments and that the features described can also be combined or modified without departing from the scope of protection of the invention as defined in the claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur aktivenThe inventive method can in particular for active
Störgeräuschunterdrückung bei In- Ohr-Kopfhörern, wie in Figur 1 schematisch dargestellt, eingesetzt werden. Der In-Ohr-Kopfhörer 10 befindet sich hierbei am Ohr eines Nutzers, wobei ein Ohreinsatz 14 des In-Ohr- Kopfhörers im äußeren Gehörgang 15 eingebracht ist, um diesen an Ort und Stelle zu halten. Durch den Ohreinsatz können, je nach individuellem Sitz im Gehörgang, äußere Störgeräusche bereits teilweise abgeschirmt werden, sodass diese Störgeräusche dann nur mit einem verringerten Pegel zum Trommelfell 16 des Nutzers gelangen. Noise suppression in in-ear headphones, as shown schematically in FIG. 1, can be used. The in-ear headphones 10 are located on the ear of a user, with an ear insert 14 of the in-ear headphones being introduced into the external auditory canal 15 in order to hold them in place. The ear insert can, depending on the individual position in the ear canal, partially shield external interference noises so that they are Interfering noises then only reach the eardrum 16 of the user at a reduced level.
Ein aus der Umgebung auf den Kopfhörer eintreffendes Störschallsignal x(t) wird mit einem Referenzmikrofon 11, das vom Gehörgang weg gerichtet ist, erfasst Weiterhin weist der In- Ohr-Kopfhörer 10 ein Fehlermikrofon 12, das auf den Gehörgang 15 gerichtet ist und einen Lautsprecher 13, der sich in der Nähe des Fehlermikrofons 12 befindet, auf. Mittels des Lautsprechers 13 kann ein Löschsignal y(t) ausgegeben werden. Das Fehlermikrofon 12 erfasst das noch verbleibende Restsignal e(t) nach einer Überlagerung von dem Löschsignal y(t) mit dem Störschallsignal x(t). Der akustische Primärpfad Pa (s) beschreibt die Übertragungsfunktion vom Referenzmikrofon 11 zum Fehlermikrofon 12, während der akustische Sekundärpfad Sa (s) die Übertragungsfunktion vom Lautsprecher 13 zum Fehlermikrofon 12 beschreibt. Der dargestellte In-Ohr-Kopfhörer weist lediglich ein Referenzmikrofon auf, ebenso können aber auch mehrere Referenzmikrofone zum Einsatz kommen, für die dann auch jeweils ein separater Primärpfad existiert An interfering sound signal x (t) arriving from the environment on the headphones is recorded with a reference microphone 11, which is directed away from the ear canal 13, which is located in the vicinity of the error microphone 12, on. A cancellation signal y (t) can be output by means of the loudspeaker 13. The error microphone 12 detects the remaining signal e (t) after a superposition of the cancellation signal y (t) with the interfering sound signal x (t). The primary acoustic path P a (s) describes the transfer function from the reference microphone 11 to the error microphone 12 , while the secondary acoustic path S a (s) describes the transfer function from the loudspeaker 13 to the error microphone 12. The in-ear headphones shown only have one reference microphone, but several reference microphones can also be used, for each of which a separate primary path exists
Figur 2 zeigt schematisch das Grundkonzept für ein Verfahren zur aktiven Störgeräuschunterdrückung, wie es beispielsweise bei einem solchen In- Ohr-Kopfhörers durchgeführt werden kann. Hierbei wird in einem ersten Schritt 20 eine Übertragungsfunktion für einen Sekundärpfad zwischen dem Lautsprecher und dem Fehlermikrofon gemessen. In einem darauffolgenden Schritt 21 wird dann basierend auf der gemessenen Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad eine Übertragungsfunktion für einen Primärpfad zwischen dem Referenzmikrofon und dem Fehlermikrofon geschätzt. Hierfür wird auf die in einer, im Folgenden noch beschriebenen, Trainingsphase ermittelten Zusammenhänge zwischen dem Primärpfad und Sekundärpfad bei dem vorliegenden Kopfhörer zurückgegriffen. Die geschätzte Übertragungsfunktion erlaubt dann in einem weiteren Schritt 22 Filterkoeffizienten für ein Filter zur Erzeugung des Löschsignals zu ermitteln. Auf diese Weise kann das Filter dann so angepasst werden, dass das ausgegebene Löschsignal eine möglichst gute Kompensation des Störsignals ermöglicht Nach der Ermittlung der Filterkoeffizienten mittels der Messung des Sekundärpfades und der anschließenden Schätzung des Primärpfades kann das Filter dann bis auf Weiteres unverändert eingesetzt werden, um bei einer Wiedergabe eines Audionutzsignals mittels des In-Ohr-Kopfhörers eine Beeinträchtigung der Wahrnehmung des Nutzers durch Störgeräusche zu verhindern oder zumindest zu verringern. Ebenso kann die Störgeräuschunterdrückung von dem Nutzer auch ohne die Wiedergabe eines Audionutzsignals als angenehmer empfunden werden, beispielsweise, wenn dieser mit dem Zug oder Flugzeug reist und dadurch der Lautstärkepegel reduziert wird. FIG. 2 shows schematically the basic concept for a method for active noise suppression, as it can be carried out, for example, with such in-ear headphones. Here, in a first step 20, a transfer function for a secondary path between the loudspeaker and the error microphone is measured. In a subsequent step 21, based on the measured transfer function for the secondary path, a transfer function for a primary path between the reference microphone and the error microphone is then estimated. For this purpose, use is made of the relationships between the primary path and secondary path in the present headphones, which are determined in a training phase, which will be described below. In a further step 22, the estimated transfer function then allows filter coefficients to be determined for a filter for generating the cancellation signal. In this way, the filter can then be adapted so that the output cancellation signal enables the best possible compensation of the interference signal to prevent or at least reduce impairment of the user's perception by interfering noises when a useful audio signal is played back by means of the in-ear headphones. The user can also suppress background noise without playing a Useful audio signal can be perceived as more pleasant, for example when it is traveling by train or plane and the volume level is reduced as a result.
Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wobei die Analogeinheit 30 mit den Hardwarekomponenten aus Figur 1 um ein elektronisches Backend erweitert wird, das über Analog-Digital- Wandler 31, 32 mit den Mikrofonen 11, 12 und dem Digital-Analog-Wandler 33 mit dem Lautsprecher 13 verbunden ist Das elektronische Backend umfasst eine digitale Filtereinheit 34 und eine Prozessoreinheit 35. FIG. 3 shows a block diagram of a device according to the invention, the analog unit 30 with the hardware components from FIG the loudspeaker 13 is connected. The electronic backend comprises a digital filter unit 34 and a processor unit 35.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann hierbei vollständig in einen ANC-Kopfhörer integriert sein oder auch teilweise Bestandteil eines externen Gerätes, wie z.B. eines Smartphone, sein. So kann beispielsweise die Prozessoreinheit 35 Teil eines solchen externen Gerätes sein. The device according to the invention can be fully integrated into an ANC headset or also partially part of an external device, such as a smartphone. For example, the processor unit 35 can be part of such an external device.
Die Prozessoreinheit 35 weist hierbei einen oder mehrere digitale Signalprozessoren auf, kann aber auch anders geartete Prozessoren oder Kombinationen daraus beinhalten. Das digitale Filter 34 ist als zeitinvariantes FIR-Vorwärtsfilter W (z) ausgestaltet, welches das digital gewandelte Störsignal x(n) empfängt und das Löschsignal y(n) erzeugt. Ebenso kann das digitale Filter 34 aber auch als IIR-Filter, üblicherweise als Biquad-Filter, ausgelegt werden. Der digitale Signalprozessor 35 generiert ein Messsignal m(n) und wertet das digitalisierte Fehlersignal e(n) aus, um den Sekundärpfad zu messen. Weiterhin werden durch den digitalen Signalprozessor die Filterkoeffizienten des digitalen Filters W(z) angepasst Hierfür sind in einem nicht dargestellten Speicher, der vorzugsweise in der Prozessoreinheit integriert ist, Instruktionen abgelegt, welche die Vorrichtung bei Ausführung durch die Prozessoreinheit veranlassen, die Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auszuführen. The processor unit 35 here has one or more digital signal processors, but can also contain processors of other types or combinations thereof. The digital filter 34 is designed as a time-invariant FIR forward filter W (z), which receives the digitally converted interference signal x (n) and generates the cancellation signal y (n). However, the digital filter 34 can also be designed as an IIR filter, usually as a biquad filter. The digital signal processor 35 generates a measurement signal m (n) and evaluates the digitized error signal e (n) in order to measure the secondary path. Furthermore, the filter coefficients of the digital filter W (z) are adapted by the digital signal processor Procedure to be carried out.
Die Gesamtübertragungsfunktion H(s) beschreibt die Übertragungsfunktion von Referenzmikrofon 11 zum Fehlermikrofon 12 und schließt im Gegensatz zum Primärpfad den Einfluss des ANC-Systems mit ein. Der Primärpfad P(z) und der Sekundärpfad S(z) enthalten den Einfluss der Analog-Digital- Wandler und des Digital- Analog-Wandlers, des Lautsprechers und der Mikrofone. The overall transfer function H (s) describes the transfer function from reference microphone 11 to error microphone 12 and, in contrast to the primary path, includes the influence of the ANC system. The primary path P (z) and the secondary path S (z) contain the influence of the analog-digital converter and the digital-analog converter, the loudspeaker and the microphones.
Der Gesamtübertragungspfad wird dann definiert als The overall transmission path is then defined as
H(z) = P(z) - W (z)S(z). Hierbei bezeichnen s und z die komplexen Frequenzparameter der Laplace- bzw. z- Transformation und n bezeichnet einen diskreten Zeitindex. H (z) = P (z) - W (z) S (z). Here s and z denote the complex frequency parameters of the Laplace and z transformation and n denotes a discrete time index.
Im Folgenden wird nun zunächst hergeleitet, wie die Filterquotienten für das FIR- Vorwärtsfilter W (z) basierend auf dem individuell gemessenen Sekundärpfad gewählt werden können. Im Anschluss wird dann ein Schätzer für den Primärpfad vorgestellt, der basierend auf einer Reihe zuvor gemessener Primär- und Sekundärpfade trainiert wird. Diesem Schätzer können dann nach der Trainingsphase Messwerte eines individuellen Sekundärpfads zugeführt werden, um den einzelnen Primärpfad zu schätzen. In the following, it is first derived how the filter quotients for the FIR forward filter W (z) can be selected based on the individually measured secondary path. An estimator for the primary path is then presented, which is trained based on a series of previously measured primary and secondary paths. After the training phase, measured values of an individual secondary path can then be fed to this estimator in order to estimate the individual primary path.
Es sei T = {pj, Sj e L\j = 1, ...,]} die Menge der gemessenen Impulsantworten der Länge L. Das optimale FIR-Vorwärtsfilter iv minimiert den Durchschnitt der Energie des gesamten Übertragungswegs, wie durch die folgende Kostenfunktion definiert wird: mit dem durch Nullen erweiterten Primärpfadvektor und Faltungsmatrix s; für denLet T = {p j , S j e L \ j = 1, ...,]} be the set of measured impulse responses of length L. The optimal FIR forward filter iv minimizes the average of the energy of the entire transmission path, such as by the the following cost function is defined: with the primary path vector expanded by zeros and convolution matrix s ; for the
Sekundärpfad. Secondary path.
Das optimale FIR-Vorwärtsfilter iv in Bezug auf den Durchschnitt ist gegeben durch The optimal FIR forward filter iv with respect to the average is given by
Um das FIR-Vorwärtsfilter iv individuell zu optimieren, ist jedoch eine genaue Kenntnis des jeweiligen primären und sekundären Pfades erforderlich. In order to individually optimize the FIR forward filter iv, however, precise knowledge of the respective primary and secondary path is required.
Wie bereits erwähnt, kann der individuelle Sekundärpfad mit dem Lautsprecher und dem innen angeordneten Fehlermikrofon des Kopfhörers gemessen werden. Wenn dann die individuellen Sekundärpfade für alle Sj in der obigen Formel ersetzt werden und der Durchschnitt der Primärpfade in T, d.h. als Schätzung für p verwendet wird, so erhält man für das optimale Filter für einen vorliegenden individuellen Sekundärpfad: As already mentioned, the individual secondary path can be measured with the loudspeaker and the internal error microphone of the headphones. Then if the individual secondary paths for all S j are replaced in the above formula and the average of the primary paths in T, ie is used as an estimate for p, one obtains for the optimal filter for a given individual secondary path:
Da sowohl der Primärpfad als auch der Sekundärpfad von dem Sitz des Kopfhörers und der Physiologie des Ohrs des Nutzers abhängen, kann diese Korrelation verwendet werden, um einen Schätzer für einen individuellen Primärpfad einzusetzen, der auf den Merkmalen eines gemessenen individuellen Sekundärpfads basiert. Hierfür werden die Frequenzbereiche der Übertragungsfunktionen, die durch deterministische Veränderungen betroffen sind, mit Fensterfünktionen Qp (z) und Qs (z) in der z- Domäne extrahiert Since both the primary path and the secondary path depend on the fit of the headphones and the physiology of the user's ear, this correlation can be used to establish an estimator for an individual primary path based on the characteristics of a measured individual secondary path. For this purpose, the frequency ranges of the transfer functions that are affected by deterministic changes are extracted with window functions Q p (z) and Q s (z) in the z domain
Durch eine Hauptkomponentenanalyse (englisch: „principal componentanalysis”, PCA) werden die ersten Kp, Ks Hauptkomponenten , sowie die Mittelwerte eines Satzes von gefensterten, komplexen Frequenzdomänenvektoren des Primärpfads und Sekundärpfads aus dem Satz T extrahiert. A principal component analysis (PCA) makes the first K p , K s principal components , as well as the mean values of a set of windowed, complex frequency domain vectors of the primary path and secondary path are extracted from the set T.
Die komplexen Verstärkungsvektoren gp,j and gs,j minimieren den euklidischen Abstand zwischen den rekonstruierten Frequenzbereichsvektoren, basierend auf den Hauptkomponenten und den Frequenzdomänenvektoren des Primärpfads und Sekundärpfads. Es wird dann eine lineare Abbildung verwendet, die die Verstärkungsvektoren gp,j des Primärpfads auf die Verstärkungsvektoren des Sekundärpfads gs,j projiziert The complex gain vectors g p, j and g s, j minimize the Euclidean distance between the reconstructed frequency domain vectors based on the main components and the frequency domain vectors of the primary path and secondary path. A linear map is then used that represents the Gain vectors g p, j of the primary path are projected onto the gain vectors of the secondary path g s, j
Nachdem der individuelle Sekundärpfad gemessen worden ist, wird die Fensterfunktion Qs(z) im z-Bereich auf den gemessenen Sekundärpfad angewendet und dann der Verstärkungsvektor gs,j für den Sekundärpfad mittels der Hauptkomponenten und dem Mittelwert des Sekundärpfads berechnet. Daraufhin wird dann zunächst der Verstärkungsvektor gp,j für den Primärpfad mittels der linearen Abbildung geschätzt, gefolgt von einer Schätzung des Primärpfads basierend auf den Hauptkomponenten sowie dem Mittelwert des Primärpfads und dem geschätzten Verstärkungsvektor gp,j für den Primärpfad. Schließlich ergibt sich dann durch Ersetzen von mit der Schätzung des einzelnen Primärpfades das individuelle Vorwärtsfilter. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Schätzers wurde mit Simulationen überprüft, deren Ergebnisse im Folgenden wiedergegeben werden. Hierfür wurden Messungen für 25 Probanden und verschiedene Passformen an einem In-Ohr- Kopfhörer durchgeführt, wobei eine Abtastrate von 48 kHz verwendet wurde. Der Satz M gemessener Primär- und Sekundärpfade umfasst hierbei insgesamt J=173 Paare von Impulsantworten. After the individual secondary path has been measured, the window function Q s (z) in the z-range is applied to the measured secondary path and then the gain vector g s, j for the secondary path is calculated using the main components and the mean value of the secondary path. Thereupon the gain vector g p, j for the primary path is then first of all determined by means of the linear mapping estimated, followed by an estimate of the primary path based on the principal components as well as the mean of the primary path and the estimated gain vector g p, j for the primary path. Finally, by replacing with the estimate of the the individual forward filter for each primary path. The effectiveness of the proposed estimator was checked with simulations, the results of which are presented below. For this purpose, measurements were carried out on in-ear headphones for 25 test persons and different fits, with a sampling rate of 48 kHz being used. The set M of measured primary and secondary paths comprises a total of J = 173 pairs of impulse responses.
Figur 4 zeigt die Spektren der gemessener Primärpfade (a) und Sekundärpfade (b). Der schattierte Frequenzbereich 40 gibt hierbei den Bereich der gewählten Frequenzbereichsfenster an. Die Länge des Primärpfades und Sekundärfahrrades wurde mit Z=1024 gewählt, die Länge des Vorwärtsfilters beträgt Lw = 64. Der Satz der gemessenen Primär- und Sekundärpfade wurde zufällig in zwei Teilmengen aufgeteilt, wobei ein Trainingssatz 80% und ein Validierungssatz die anderen 20% des Satzes gemessener Pfade enthält. Der Trainingssatz wurde verwendet, um den Schätzer wie oben beschrieben zu trainieren. Weiterhin wurden für die Anzahl an Hauptkomponenten Kp = 1 und Ks = 3 gewählt. Die Performanz des Schätzers wurde dann durch eine Prüfüng des Gesamttransferpfads validiert, wobei die Messung 100 Mal für zufällig aufgeteilte Teilmengen wiederholt wurde. FIG. 4 shows the spectra of the measured primary paths (a) and secondary paths (b). The shaded frequency range 40 indicates the range of the selected frequency range window. The length of the primary path and secondary bike was chosen with Z = 1024, the length of the forward filter is L w = 64. The set of measured primary and secondary paths was randomly divided into two subsets, with a training set 80% and a validation set the other 20% of the set of measured paths. The training set was used to train the estimator as described above. Furthermore, K p = 1 and K s = 3 were chosen for the number of main components. The performance of the estimator was then validated by testing the overall transfer path, with the measurement 100 times being random divided subsets was repeated.
Figur 5 zeigt die dabei gemessenen Magnitudenspektren \H(z)\, wobei das Filterdesign in a) auf den individuellen Sekundärpfaden und dem durchschnittlichen Primärpfad und in b) auf den individuellen Sekundärpfaden und dem jeweils geschätzten Primärpfad basiert Hierbei ist neben dem Median 50, der 50%-Perzentile 52 und 90%-Perzentile 53 von \H(z) \ auch der Median 51 des Primärpfads |P(z)| angegeben, um die passive Dämpfüngdes Kopfhörers anzuzeigen. FIG. 5 shows the measured magnitude spectra \ H (z) \, the filter design in a) being based on the individual secondary paths and the average primary path and in b) on the individual secondary paths and the respective estimated primary path 50% percentiles 52 and 90% percentiles 53 of \ H (z) \ also the median 51 of the primary path | P (z) | to indicate the passive attenuation of the headphones.
Figur 6 zeigt den Median des Primärpfads |P(z)|und des Spektrums \H(z) \ für verschiedene Primärpfadschätzungen. Hierbei beruht Havg (z) auf dem -Mittelwert der Primärpfade des Trainingssatzes, Hest(z) basiertauf einer Primärpfad-Schätzung, ebenso wie Hppg(z), bei dem jedoch ein perfekter PCA Verstärkungsvektor (PPG) ) gp statt seiner Schätzung verwendet wird, und schließlich beruht Hopt(z) auf dem tatsächlichen Primärpfad. Der schattierte Bereich 60, in dem | Qp (z) | > 0 gilt, markiert den Frequenzbereich, in dem H(z ) von dem Primärpfad - Schätzer beeinflusst wird. Aus der Figur geht hervor , dass sich der Median des Spektrums |H(z)| zwischen 250 Hz und 2. 5 kHz um bis zu 7 dB verringert und sich dem Median basierend auf dem individuellen Primärpfad annähert. Die Kastengrafik (englisch: „Boxplot") in Figur 7 zeigt entsprechend das Energieverhältnis in dB für die verschiedenen Primärpfadschätzungen aus Figur 6 (a) Mittelwert, b) Schätzung, c) Schätzung mit PPG, d) Optimum bei Kenntnis des tatsächlichen Primärpfads). Hierbei ist das Energieverhältnis e des gefensterten Gesamtübertragungspfads und des Primärpfads unter Verwendung von Qp(z) definiert als FIG. 6 shows the median of the primary path | P (z) | and of the spectrum \ H (z) \ for different primary path estimates. Here, H avg (z) is based on the mean value of the primary paths of the training set, H est (z) is based on a primary path estimate, as is H ppg (z), but with a perfect PCA gain vector (PPG) g p instead of it Estimate is used, and finally, H opt (z) is based on the actual primary path. The shaded area 60 in which | Q p (z) | > 0, marks the frequency range in which H (z) is influenced by the primary path estimator. The figure shows that the median of the spectrum | H (z) | decreases by up to 7 dB between 250 Hz and 2.5 kHz and approaches the median based on the individual primary path. The box graph in FIG. 7 shows the energy ratio in dB for the various primary path estimates from FIG. 6 (a) mean, b) estimate, c) estimate with PPG, d) optimum when the actual primary path is known). Here, the energy ratio e of the total windowed transmission path and the primary path using Q p (z) is defined as
Für die verschiedenen Primärpfadschätzungen werden hierbei jeweils der Median sowie das Minimum, der sogenannte untere Whisker, und das Maximum, der sogenannten oberen Whisker, als waagerechte Linien sowie unteres Quartil und oberes Quartil als den Median umgebendes Rechteck dargestellt For the various primary path estimates, the median and the minimum, the so-called lower whisker, and the maximum, the so-called upper whisker, are shown as horizontal lines and the lower quartile and upper quartile as a rectangle surrounding the median
Wie der Figur zu entnehmen ist, reduziert sich das Energieverhältnis e gegenüber der Verwendung des Mittelwertes (a) bei Verwendung des Schätzers (b) der Median um 3. 1 dB, während der Unterschied zwischen den Maximalwerten, den sogenannten oberen Whiskern, 5.0 dB beträgt As can be seen from the figure, the energy ratio e is reduced by 3.1 dB compared to the use of the mean value (a) when using the estimator (b) of the median, while the difference between the maximum values, the so-called upper whiskers, is 5.0 dB
Figur 8 zeigt schematisch die Verwendung eines Kopfhörers 10, wie beispielsweise eines sogenannten Hearable, in Verbindung mit einem externen Computergerät 80. Bei dem externen Computergerät 80 kann es sich hierbei insbesondere um ein mobiles Endgerät handeln, das zur Audiowiedergabe geeignet ist So kann beispielsweise ein Smartphone, ein sogenanntes Wearable, wie eine Smartwatch, ein Fitnessarmband oder eine Datenbrille, oder ein Computer-Tablet mit dem Kopfhörer in Verbindung stehen. FIG. 8 schematically shows the use of headphones 10, such as a so-called hearable, in connection with an external computer device 80. The external computer device 80 can in particular be a mobile terminal that is suitable for audio playback , a so-called wearable, such as a smartwatch, a fitness bracelet or data glasses, or a computer tablet are connected to the headphones.
Die Geräte kommunizieren hierbei drahtlos über eine Funkverbindung wie beispielsweise Bluetooth. Nach dem Aufbau der Verbindung können von dem externen Computergerät 80 Audiosignale an den Kopfhörer 10 übertragen werden und dann in herkömmlicher Weise mit einem oder mehreren in dem Kopfhörer integrierten Lautsprechern wiedergegeben werden. The devices communicate wirelessly via a radio link such as Bluetooth. After the connection has been established, audio signals can be transmitted from the external computer device 80 to the headphones 10 and then reproduced in a conventional manner with one or more loudspeakers integrated in the headphones.
Zusätzlich kann mittels des externen Computergeräts 80 auch die erfindungsgemäße aktive Störgeräuschunterdrückung durchgeführt werden. Hierfür kann das externe Computergerät 80, insbesondere, wenn von einem Nutzer der Kopfhörer 10 erstmalig verwendet wird, ein Messsignal an den Kopfhörer übertragen, welches dann durch einen in dem Kopfhörer integrierten Lautsprecher ausgegeben wird. Ein in dem Kopfhörer 10 integriertes Fehlermikrofon erfasst daraufhin das Fehlersignal, welches an das externe Computergerät 80 übermittelt wird. Basierend darauf berechnet das externe Computergerät 80 den Sekundärpfad, schätzt den Primärpfad und ermittelt anschließend die Filterkoeffizienten für das Filter zur Erzeugung des Löschsignals. Die Filterkoeffizienten werden dann über die drahtlose Verbindung von dem externen Computergerät 80 zum Kopfhörer 10 gesendet, in dem das Filter entsprechend angepasst wird, sodass Störgeräusche bei der Wiedergabe der Audiosignale weitestgehend unterdrückt werden. In addition, the active noise suppression according to the invention can also be carried out by means of the external computer device 80. For this purpose, the external computer device 80, in particular when a user is using the headphones 10 for the first time, can transmit a measurement signal to the headphones, which is then output by a loudspeaker integrated in the headphones. One integrated in the headphone 10 The error microphone then detects the error signal, which is transmitted to the external computer device 80. Based on this, the external computer device 80 calculates the secondary path, estimates the primary path and then determines the filter coefficients for the filter for generating the cancellation signal. The filter coefficients are then sent via the wireless connection from the external computer device 80 to the headphones 10, in which the filter is adapted accordingly, so that interfering noises are largely suppressed when the audio signals are reproduced.
Die Erfindung kann für eine aktive Störgeräuschunterdrückung in beliebigen Bereichen der Audiowiedergabetechnik eingesetzt werden. The invention can be used for active noise suppression in any areas of audio reproduction technology.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur aktiven Störgeräuschunterdrückung, bei dem eine Übertragungsfunktion für einen Sekundärpfad zwischen einem Lautsprecher und einem Fehlermikrofon gemessen (20) wird; basierend auf der gemessenen Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad eine Übertragungsfunktion für einen Primärpfad zwischen einem Referenzmikrofon und dem Fehlermikrofon geschätzt (21) wird; und basierend auf der geschätzten Übertragungsfunktion für den Primärpfad Filterkoeffizienten für eine Filterung zur Erzeugung eines Löschsignals ermittelt (22) werden. 1. A method for active noise suppression, in which a transfer function for a secondary path between a loudspeaker and an error microphone is measured (20); based on the measured transfer function for the secondary path, a transfer function for a primary path between a reference microphone and the error microphone is estimated (21); and based on the estimated transfer function for the primary path, filter coefficients for filtering to generate a cancellation signal are determined (22).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Referenzmikrofon (11) Störschallsignale erfasst, ein Lautsprecher (13) ein Löschsignal ausgibt und ein Fehlermikrofon (12) das noch verbleibende Restsignal nach einer Überlagerung von dem Löschsignal mit dem Störschallsignal erfasst. 2. The method according to claim 1, wherein at least one reference microphone (11) detects interfering sound signals, a loudspeaker (13) outputs a cancellation signal and an error microphone (12) detects the remaining signal after a superposition of the cancellation signal with the interference sound signal.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die aktive Störgeräuschunterdrückung bei der Wiedergabe eines Audionutzsignals mittels eines Kopfhörers (10) durchgeführt wird und sich ein oder mehrere Referenzmikrofone (11) an der Außenseite des Kopfhörers befinden und das Fehlermikrofon (12) an der Innenseite des Kopfhörers befindet. 3. The method according to claim 2, wherein the active noise suppression is carried out during the reproduction of a useful audio signal by means of headphones (10) and one or more reference microphones (11) are on the outside of the headphones and the error microphone (12) on the inside of the headphones is located.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad für einen Nutzer individuell gemessen wird; basierend auf der individuell gemessenen Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad für den Nutzer eine individuelle Übertragungsfunktion für den Primärpfad geschätzt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the transfer function for the secondary path is measured individually for a user; an individual transfer function for the primary path is estimated for the user based on the individually measured transfer function for the secondary path.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterung mittels eines vorwärts gerichteten FIR-Filters oder IIR-Filters (35) erfolgt 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the filtering is carried out by means of a forward FIR filter or IIR filter (35)
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei ein Schätzer für den Primärpfad ermittelt wird, indem vorab in einem Trainingsprozess für verschiedene Personen und/oder Passungen des Kopfhörers jeweils sowohl die Übertragungsfünktion für den Sekundärpfad als auch die Übertragungsfunktion für den Primärpfad gemessen und analysiert wird. 6. The method according to any one of claims 3 to 5, wherein an estimator for the primary path is determined by beforehand in a training process for different people and / or fits of the headphones in each case both the transmission function for the secondary path as well as the transfer function for the primary path is measured and analyzed.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei für Messwerte in Frequenzbereichen der Übertragungsfunktionen, bei denen deterministische Veränderungen für den Primärpfad und den Sekundärpfad vorliegen, eine Hauptkomponentenanalyse mit anschließender Dimensionsreduktion der in dem Trainingsprozess gewonnenen Messwerte durchgeführt wird; basierend auf Hauptkomponenten und Mittelwerten, die durch die Hauptkomponentenanalyse ermittelt wurden, komplexe Verstärkungsvektoren für die Primärpfade und die Sekundärpfade ermittelt werden; und eine lineare Abbildung, welche den Fehler zwischen den ermittelten und den geschätzten Verstärkungsvektoren der Primärpfade minimiert, ermittelt wird. 7. The method according to claim 6, wherein a principal component analysis with subsequent dimensional reduction of the measured values obtained in the training process is carried out for measured values in frequency ranges of the transfer functions in which there are deterministic changes for the primary path and the secondary path; complex gain vectors for the primary paths and the secondary paths are determined based on principal components and mean values determined by the principal component analysis; and a linear mapping which minimizes the error between the determined and the estimated gain vectors of the primary paths is determined.
8. Vorrichtung zur aktiven Störgeräuschunterdrückung, mit mindestens einem Referenzmikrofon (11); einem Lautsprecher (13); einem Fehlermikrofon (12); einem digitalen Filter (34) zur Erzeugung eines Löschsignals; einem digitalen Signalprozessor (35), der eingerichtet ist, um ein Messsignal zu generieren, welches über den Lautsprecher ausgegeben werden kann und ein mit dem Fehlermikrofon erfasstes Signal auszuwerten, um so eine Übertragungsfunktion für einen Sekundärpfad zwischen dem Lautsprecher und dem Fehlermikrofon zu messen; basierend auf der gemessenen Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad eine Übertragungsfunktion für einen Primärpfad zwischen dem Referenzmikrofon und dem Fehlermikrofon zu schätzen; und basierend auf der geschätzten Übertragungsfunktion für den Primärpfad Filterkoeffizienten für das digitale Filter anzupassen. 8. Device for active noise suppression, with at least one reference microphone (11); a speaker (13); an error microphone (12); a digital filter (34) for generating a cancellation signal; a digital signal processor (35) which is set up to generate a measurement signal which can be output via the loudspeaker and to evaluate a signal detected with the error microphone in order to measure a transfer function for a secondary path between the loudspeaker and the error microphone; to estimate a transfer function for a primary path between the reference microphone and the error microphone based on the measured transfer function for the secondary path; and adapting filter coefficients for the digital filter based on the estimated transfer function for the primary path.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das digitale Filter (34) als vorwärts gerichtetes FIR-Filter oder IIR-Filter ausgestaltet ist 9. The device according to claim 8, wherein the digital filter (34) is designed as a forward FIR filter or IIR filter
10 Kopfhörer (10), der eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9 aufweist 10 headphones (10), which is set up to carry out a method according to one of claims 1 to 7 or a device according to claim 8 or 9
11. Computerprogramm mit Instruktionen, die einen Computer zur Ausführung der Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 veranlassen. 11. Computer program with instructions that cause a computer to carry out the steps of a method according to one of claims 1 to 7.
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