EP4133476B1

EP4133476B1 - Verfahren, vorrichtung, kopfhörer und computerprogramm zur aktiven störgeräuschunterdrückung

Info

Publication number: EP4133476B1
Application number: EP21717392.1A
Authority: EP
Inventors: Johannes Fabry; Peter Jax; Stefan Liebich
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2025-02-26
Anticipated expiration: 2041-04-06
Also published as: EP4133476A1; WO2021204754A1; DE102020109658A1; US12125466B2; CN115298735A; EP4133476C0; CN115298735B; US20230154449A1

Description

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.
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.
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 Dämpfung von 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorteilhafterweise erfolgt hierbei die Filterung mittels eines vorwärts gerichteten FIR-Filters oder IIR-Filters.
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.
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 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.

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.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das digitale Filter hierbei als FIR-Filter oder IIR-Filter ausgestaltet.
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.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.

Fig. 1: zeigt schematisch einen In-Ohr-Kopfhörer mit akustischem Primär- und Sekundärpfad;
Fig. 2: zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur aktiven Störgeräuschunterdrückung;
Fig. 3: zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kopfhörers;
Fig. 4: zeigt Spektren gemessener Primärpfade (a) und Sekundärpfade (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;
Fig. 6: zeigt den Median des Primärpfads |P(z)| und des Spektrums |H(z)| für verschiedene Primärpfadschätzungen;
Fig. 7: zeigt eine Kastengrafik für das Energieverhältnis für verschiedene Primärpfadschätzungen; und
Fig. 8: zeigt schematisch die Verwendung eines Kopfhörers in Verbindung mit einem externen Computergerät.

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.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur aktiven 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.
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 ŷ(t) ausgegeben werden. Das Fehlermikrofon 12 erfasst das noch verbleibende Restsignal e(t) nach einer Überlagerung von dem Löschsignal ŷ(t) mit dem Störschallsignal x(t). Der akustische Primärpfad P_a (s) beschreibt die Übertragungsfunktion vom Referenzmikrofon 11 zum Fehlermikrofon 12, während der akustische Sekundärpfad S_a (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
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.
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.
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.
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 Ŵ (z) ausgestaltet, welches das digital gewandelte Störsignal x(n) empfängt und das Löschsignal ŷ(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 Ŵ(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.
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.
Der Gesamtübertragungspfad wird dann definiert als $H (z) = P (z) - \hat{W} (z) S (z) .$
Hierbei bezeichnen s und z die komplexen Frequenzparameter der Laplace- bzw. z-Transformation und n bezeichnet einen diskreten Zeitindex.
Im Folgenden wird nun zunächst hergeleitet, wie die Filterquotienten für das FIR-Vorwärtsfilter Ŵ (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.
Es sei $T = \{p_{j}, s_{j} \in ℝ^{L} |j = 1, \dots, J\}$
die Menge der gemessenen Impulsantworten der Länge L. Das optimale FIR-Vorwärtsfilter ŵ minimiert den Durchschnitt der Energie des gesamten Übertragungswegs, wie durch die folgende Kostenfunktion definiert wird: $C_{w} = \sum_{j \in T} {‖p_{j}^{0} - s_{j} w‖}^{2}$
mit dem durch Nullen erweiterten Primärpfadvektor $p_{j}^{0}$
und Faltungsmatrix s _j für den Sekundärpfad.
Das optimale FIR-Vorwärtsfilter ŵ in Bezug auf den Durchschnitt ist gegeben durch $\hat{w} = \arg \min_{w} C_{w} = {(\sum_{j \in T} s_{j}^{T} s_{j})}^{- 1} \sum_{i \in T} s_{i}^{T} p_{i}^{0}$
Um das FIR-Vorwärtsfilter ŵ individuell zu optimieren, ist jedoch eine genaue Kenntnis des jeweiligen primären und sekundären Pfades erforderlich.
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 s _j in der obigen Formel ersetzt werden und der Durchschnitt der Primärpfade in
, d.h. $\bar{p} = \frac{1}{J} \sum_{j \in T} p_{j}$
als Schätzung für p verwendet wird, so erhält man für das optimale Filter für einen vorliegenden individuellen Sekundärpfad: ${\hat{w}}_{avg} = {(s^{T} s)}^{- 1} s^{T} {\bar{p}}^{0}$
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 Fensterfunktionen Q_p (z) und Q_s (z) in der z- Domäne extrahiert.
Durch eine Hauptkomponentenanalyse (englisch: "principal component analysis", PCA) werden die ersten K_p, K_s Hauptkomponenten $U_{p, k}, U_{s, k} \in ℂ^{L}$
, sowie die Mittelwerte eines Satzes von gefensterten, komplexen Frequenzdomänenvektoren des Primärpfads und Sekundärpfads aus dem Satz T extrahiert.
Die komplexen Verstärkungsvektoren g _p,j and g _s,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 $\hat{a} \in ℂ^{K_{p} \times K_{s}}$
verwendet, die die Verstärkungsvektoren g _p,j des Primärpfads auf die Verstärkungsvektoren des Sekundärpfads g _s,j projiziert.
Nachdem der individuelle Sekundärpfad gemessen worden ist, wird die Fensterfunktion Q_s(z) im z-Bereich auf den gemessenen Sekundärpfad angewendet und dann der Verstärkungsvektor g _s,j für den Sekundärpfad mittels der Hauptkomponenten und dem Mittelwert des Sekundärpfads berechnet. Daraufhin wird dann zunächst der Verstärkungsvektor g _p,j für den Primärpfad mittels der linearen Abbildung â geschätzt, gefolgt von einer Schätzung des Primärpfads basierend auf den Hauptkomponenten sowie dem Mittelwert des Primärpfads und dem geschätzten Verstärkungsvektor g _p,j für den Primärpfad. Schließlich ergibt sich dann durch Ersetzen von p 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
gemessener Primär- und Sekundärpfade umfasst hierbei insgesamt J=173 Paare von Impulsantworten.
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 L=1024 gewählt, die Länge des Vorwärtsfilters beträgt L_w = 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 K_p = 1 und K_s = 3 gewählt. Die Performanz des Schätzers wurde dann durch eine Prüfung des Gesamttransferpfads $h_{j} = p_{j}^{0} - s_{j} \hat{w}$
validiert, wobei die Messung 100 Mal für zufällig aufgeteilte Teilmengen wiederholt wurde.
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 Dämpfung des Kopfhörers anzuzeigen.
Figur 6 zeigt den Median des Primärpfads |P(z)|und des Spektrums |H(z)| für verschiedene Primärpfadschätzungen. Hierbei beruht H_avg (z) auf dem -Mittelwert der Primärpfade des Trainingssatzes, H_est (z) basiert auf einer Primärpfad-Schätzung, ebenso wie H_ppg (z), bei dem jedoch ein perfekter PCA Verstärkungsvektor (PPG) ) g _p statt seiner Schätzung verwendet wird, und schließlich beruht H_opt (z) auf dem tatsächlichen Primärpfad. Der schattierte Bereich 60, in dem |Q_p (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 ε des gefensterten Gesamtübertragungspfads und des Primärpfads unter Verwendung von Q_p (z) definiert als $ε = \frac{\oint {|H_{q, j} (z)|}^{2} dz}{\oint {|P_{q, j} (z)|}^{2} dz}$
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.
Wie der Figur zu entnehmen ist, reduziert sich das Energieverhältnis ε 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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zur aktiven Störgeräuschunterdrückung bei einem Kopfhörer (10), wobei bei dem Verfahren
- 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 mit einem Schätzer für den Primärpfad geschätzt (21) wird, wobei der Schätzer für den Primärpfad ermittelt worden ist, indem vorab in einem Trainingsprozess sowohl die Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad als auch die Übertragungsfunktion für den Primärpfad gemessen und analysiert worden ist; und

- basierend auf der geschätzten Übertragungsfunktion für den Primärpfad Filterkoeffizienten für eine Filterung zur Erzeugung eines Löschsignals ermittelt (22) werden.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterung mittels eines vorwärts gerichteten FIR-Filters oder IIR-Filters (35) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Schätzer für den Primärpfad ermittelt wird, indem vorab in dem 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.
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.
Vorrichtung zur aktiven Störgeräuschunterdrückung bei einem Kopfhörer (10), 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 mit einem Schätzer für den Primärpfad zu schätzen, wobei der Schätzer für den Primärpfad ermittelt worden ist, indem vorab in einem Trainingsprozess sowohl die Übertragungsfunktion für den Sekundärpfad als auch die Übertragungsfunktion für den Primärpfad gemessen und analysiert worden ist; und

- basierend auf der geschätzten Übertragungsfunktion für den Primärpfad Filterkoeffizienten für das digitale Filter anzupassen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das digitale Filter (34) als vorwärts gerichtetes FIR-Filter oder IIR-Filter ausgestaltet ist.
Kopfhörer (10), der eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9 aufweist.
Computerprogramm mit Instruktionen, die einen Computer zur Ausführung der Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 veranlassen.