KR102412405B1 - 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

웨어러블 청각 장치 내에 배치된 시스템은 구동 전압에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(SPD), 제1 사운드 감지 장치 및 감산 회로를 포함한다. 제1 사운드 감지 장치는 적어도 SPD에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고 그에 따라 감지된 신호를 생성하도록 구성된다. 감산 회로는 제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 제1 출력 단자를 가진다. 제1 입력 단자는 제1 사운드 감지 장치에 연결되고, 제1 출력 단자는 SPD에 연결된다. 구동 전압과 감지된 신호 사이의 제1 위상 지연은 60° 미만이다.

Description

시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 출원은 2020년 2월 19일 출원된 미국 가특허출원 No. 62/978,717, 2020년 7월 28일 출원된 미국 가특허출원 No. 63/057,515, 및 2020년 9월 17일 출원된 미국 가특허출원 No. 63/079,680의 이점을 주장하며, 상기 문헌 모두는 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명은 시스템 및 장치에 관한 것이며, 특히 액티브 잡음 소거의 품질을 최적화하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기존의 액티브 잡음 소거(Active Noise Canceling, ANC)는 주변 환경의 음향/음압만 감소시킨다. 그러나 일반적으로 인 이어 모니터(in-ear-monitor, IEM) 유형인 트루-와이어리스(true-wireless, TWS) 이어 피스의 경우 사운드 생성 드라이버가 청취자의 이도에 삽입되어 완전히 밀폐되거나 반 밀폐된 챔버를 형성한다. 인 이어 삽입형 이어 피스의 경우 오클루전(occlusion)이라는 효과와 관련 마이크로포닉 효과가 소음의 주요 원인이 되며 이러한 소음은 음향원에서 발생하는 것이 아니라 기계적 소스에서 발생한다.
TWS 이어 피스는 사용자가 조깅, 운동, 식사 또는 대화하는 동안 자주 착용하며, 이어 피스의 무게, 특히 사용자의 귀 바깥쪽에 매달려 있는 배터리는 푹신한 부드러운 폼/실리콘 팁과 사용자의 콘채(conchae)와의 가벼운 접촉으로 제자리에 고정되는 것을 고려하면 TWS 이어 피스의 미세한 움직임으로 인해 110dB(dB) 이상의 음압 레벨(SPL)의 소음이 발생할 수 있으므로 쉽게 시각화할 수 있다.
기계적 동작의 또 다른 소스는 "제어 제스처"의 사용이다. 근처에 제어 호스트 장치가 있다고 가정할 수 있는 유선 이어 피스와는 달리, 무선 TWS 이어 피스는 반 독립형 웨어러블이며 호스트 장치를 접근하기 어려운 곳에 두는 것이 일반적이므로 마이크로포닉 효과로 인해 매우 높은 SPL 노이즈 스파이크를 모두 생성할 수 있는 두드리기, 미끄러지기 또는 쥐기 같은 손가락 제스처에 의해 이러한 TWS 이어 피스와 상호 작용하는 것이 매우 바람직하다.
오클루전 효과와 마이크로포닉 효과에서 비롯된 노이즈를 억제하는 것이 분명히 바람직하다.
기계적 기원(들)으로 인해, 이러한 잡음들 사이에서 공유되는 하나의 공통된 특성은 진폭이 매우 충동적인 경향이 있다는 것이다. 이러한 충동성은 이러한 잡음이 비정상이라는 것을 의미하며, 이는 사인파의 한 주기에서 수집된 정보가 다음 주기의 동작을 예측하는 데 안정적으로 사용될 수 없음을 의미한다.
기존 TWS 이어 피스 ANC 시스템 설계자가 직면한 주요 어려움은 신호 체인에서 사용하는 하드웨어에 있다. 예를 들어, 사운드 감지 쪽에서 일반적인 콘덴서 마이크는 C-R 회로를 사용하여 커패시턴스 변화를 전압 신호로 변환한다. 이러한 C-R 회로는 음압에서 전압으로의 변환에서 90° 위상 지연을 생성한다. 사운드 생성 측면에서 코일-자석 기반 동적 드라이버의 질량(관성) 및 공명 주파수는 종종 공진 주파수 주변에서 +/-100s 마이크로 초의 기계적 시간 이동을 유도한다. 이러한 지연(마이크 및 스피커)은 기존 ANC의 시스템 설계자가 총 180°, 360° 또는 더 높은 위상 지연을 가지는 회로를 사용하도록 한다. 다시 말해, ANC 시스템 설계자는 현재 시점에 대한 잡음 방지 신호 레벨을 예측하기 위해 이전 사이클의 절반, 이전 사이클 또는 그 이전의 정보를 사용해야 한다. 기존의 ANC 모델은 소음 음압에 비해 위상 지연이 180°, 360°, 270° 가상인 전달 함수를 사용하여 소음 방지 음압을 생성하는 한편, 이러한 위상/시간 지연 후에도 소음 진폭이 고정되어 있다고 가정한다. 기존의 ANC 방식은 기본적으로 고정 노이즈만 제거하는 데 국한되어 있다.
걷기 또는 조깅, 두드리기 또는 기타 제스처, 턱 움직임에 의해 야기되는 마이크로포닉 노이즈의 경우 그리고 예를 들어 기차/오토바이가 지나갈 때, 문/서랍이 닫힐 때 또는 자동차가 움푹 들어간 곳 또는 자갈을 넘어갈 때 유발되는 간헐적인 주변 소음의 경우, 진폭 프로파일은 불규칙하고 간헐적으로 날카로운 스파이크가 있는 펄스 모양이다. 진폭이 급격하게 변하는 잡음은 기존 ANC 모델의 "고정 노이즈(stationary noise)" 가정을 위반하며 ANC 기능이 활성화된 경우에도 시끄러운 노이즈가 계속 남아 있을 것이다.
따라서 본 발명의 주요 목적은 거의 0에 가까운 위상 지연을 나타내고 비정상 및 고정 노이즈 모두에 대해 실시간 노이즈 제거를 달성하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 시스템을 제공한다. 웨어러블 청각 장치 내에 배치된 시스템은 구동 전압에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(SPD), 적어도 SPD에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고 그에 따라 감지된 신호를 생성하도록 구성된 제1 사운드 감지 장치를 포함하고, 제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 제1 출력 단자를 가지는 감산 회로를 포함하며, 여기서 제1 입력 단자는 제1 사운드 감지 장치에 결합되고, 제1 출력 단자는 SPD에 결합되고, 여기서 제1 위상 지연은 구동 전압과 감지된 신호는 60°미만이다.
본 발명의 다른 실시예는 방법을 제공한다. 상기 방법은 제1 사운드 감지 장치가 적어도 음향 생성 장치에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고, 제1 사운드 감지 장치가 결합된 음압에 따라 감지된 신호를 생성하는 단계; 입력 오디오 신호에서 결합된 음압에 대응하는 신호를 감산하여 차이 신호를 획득하는 단계 - 상기 제1 신호는 감지된 신호에 따라 생성됨 - ; 차이 신호에 따라 구동 전압을 획득하는 단계; 및 사운드 생성 장치가 구동 전압에 따라 생성된 사운드를 생성하는 단계를 포함하며, 여기서 구동 전압과 감지된 신호 사이의 제1 위상 지연은 60° 미만이다.
본 발명의 다른 실시예는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 구동 전압에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(SPD); 적어도 SPD에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고 그에 따라 감지된 신호를 생성하도록 구성된 사운드 감지 장치; 및 제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 제1 출력 단자를 가지는 감산 회로를 포함하고, 상기 제1 입력 단자는 상기 사운드 감지 장치에 연결되고, 상기 제1 출력 단자는 상기 SPD에 연결되고; SPD, 사운드 감지 장치 및 감산 회로는 피드백 루프를 구성하고; 여기서, 상기 SPD에 인가되는 구동 전압으로부터 상기 구동 전압에 대응하는 SPD에 의해 생성되는 사운드까지의 위상 지연은 30°미만이다.
본 발명의 다른 실시예는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 구동 전압에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(SPD); 적어도 SPD에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고 그에 따라 감지된 신호를 생성하도록 구성된 사운드 감지 장치; 및 제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 제1 출력 단자를 가지는 감산 회로를 포함하고, 상기 제1 입력 단자는 상기 사운드 감지 장치에 연결되고, 상기 제1 출력 단자는 상기 SPD에 연결되고; SPD, 사운드 감지 장치 및 감산 회로는 피드백 루프를 구성하고; 여기서, 사운드 감지 장치에 충돌하는 결합된 음압으로부터 결합된 음압에 대응하는 사운드 감지 장치에 의해 생성되는 신호까지의 위상 지연은 30°미만이다.
본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적은 다양한 도면 및 도면에 예시된 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명을 읽은 후에 당업자에게 의심의 여지가 없을 것이다.
도 1 내지 도 6은 각각 본 출원의 실시예에 따른 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 저잡음 전치 증폭기 토폴로지의 개략도이다.
도 8은 본 출원의 실시예에 따른 시스템의 평면도를 예시하는 개략도이다.
도 9는 도 8의 A-A' 단면을 따라 자른 단면도이다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 시스템(10)의 개략도이다. 시스템(10)은 웨어러블 청각 장치 내에 배치된다. 웨어러블 청각 장치는 예를 들어 헤드폰, 헤드셋, 이어 버드, 이어폰, 이어 피스 등일 수 있다. 일 실시예에서, 웨어러블 청각 장치는 삽입형 이어 피스일 수 있다. 시스템(10)은 피드백 루프(115)를 구성하기 위해 사운드 생성 장치(SPD)(108), 사운드 감지 장치(109), 감산 회로(103) 및 증폭 회로(107)를 포함할 수 있다.
사운드 감지 장치(109)는 SPD(108)에 의해 생성된 사운드 SP108뿐만 아니라 주변/배경 음향원(들) 또는 기계적 소스(들)로부터의 원하지 않는 소음(또는 소음 음압) SPn도 감지/검출한다. 원치 않는 소음(SPn)은 예를 들어 심한 운동 중 또는 청취자가 시스템(10)을 탭할 때 (이어 피스 역할을 하는) 시스템(10)의 움직임으로 인한 것, (청취자의 턱이 움직일 때) 청취자의 외이도 볼륨 변화로 인한 것, 또는 청취자의 혈관 맥동으로 인한 것일 수 있다. 다시 말해, SPD(108)는 많은 음원 중 하나일 뿐이다. 더욱이, 사운드 감지 장치(109)에 의해 감지된 결합된 음압/음향 압력은 소스(들)가 무엇이든 간에 또는 소스(들)의 특성에 무엇인지에 상관없이 청취자의 이도 내에 존재하는 "순 음압/음향 압력"이다. 이러한 모든 상이한 소스로부터의 결합된 음압(예를 들어, 사운드 SP108에 대한 소음 SPn의 중첩)은 사운드 감지 장치(109)에 의해 감지되고 (전기적) 신호(예를 들어, 신호 Sfb)로 변환되어 감산 회로(103)에 전송된다. 일 실시예에서, 결합된 음압은 시스템(10)이 예를 들어, 통풍구를 통해 배치되는 SPD(108) 또는 웨어러블 청각 장치로 인한 공기 누출로 인한 성분을 포함할 수 있다. 차이 신호 Sdf가 증폭 회로(107)로 전달될 수 있다. 증폭 회로(107)는 SPD(108)에 대한 구동 전압 Vspd를 생성한다. 시스템(10)의 출력(즉, 사운드 SP108)은 입력 중 하나로서 다시 라우팅되어, 사운드 감지 장치(109)가 피드백 루프(115)를 생성하도록 한다. 피드백 루프(115)의 변형/확장은 네거티브 피드백 연산 증폭기(OP-amp) 회로의 피드백 루프와 유사할 것이며, 이는 나중에 상세히 설명될 것이다.
사운드 감지 장치(109)에 결합된 감산 회로(103)는 입력 오디오 신호 Ss로부터 신호 Sfb를 공제하여 차이 신호 Sdf(즉, Sdf = Ss-Sfb)를 획득하도록 구성된다. 일 실시예에서, 차이 신호 Sdf는 역 극성을 가지는 잡음 SPn의 집성 또는 잡음 SPn의 집성의 네거티브 버전과 관련된 성분을 포함할 수 있다.
구체적으로, 증폭 회로(107)는 차단 주파수를 가질 수 있고, 증폭 회로(107)는 높은 증폭 이득으로 차단 주파수 이하의 신호 Sdf의 저주파 성분을 증폭할 수 있다. 한편, 증폭 회로(107)는 차단 주파수 이상의 신호 Sdf의 고주파 성분에 대한 적분 동작을 수행할 수 있다. 적분 동작을 통해 루프(115) 내에서 잡음 SPn이 억제될 수 있다. 일 실시예에서, 증폭 회로(107)는 예를 들어 연산 증폭기에 의해 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 증폭 회로(107)는 집적 회로로 대체될 수 있다. 이 경우, 적분 회로(107) 및 감산 회로(103)는 델타-시그마 회로로 간주될 수 있으며, 여기서 델타 부분은 감산 회로(103)이고 시그마 부분은 적분 회로(107)에 의해 실현된다.
종래 기술과 달리, SPD(108) 및 사운드 감지 장치(109)는 미국 가출원 번호 62/909,684 및/또는 미국 특허 번호 10,867,594에 도입된 거의 제로 위상 지연(near-zero-phase-lag, NZPL) 기능을 가지고 있어서, 구동 전압 Vspd로부터 감지된 신호 Sm2(사운드 감지 장치(109)에 의해 감지됨)까지의 제1 위상 지연/지연은 90°보다 훨씬 작다. 바람직하게는, 구동 전압 Vspd에서 감지된 신호 Sm2까지의 위상 지연/지연은 시스템(10)의 유효 ANC 대역폭 내에서 25° 미만일 수 있다. 이 경우 피드백 루프(115)를 사용하여 SPD(108)를 구동함으로써, 모든 종류의 과잉/원치 않는 음원(즉, 소음 SPn)의 영향을 보상/대응/중화하고 결과적으로 이도 내에서 "순 음압"을 생성할 수 있고, 이는 모든 소음 SPn이 없는 것처럼 원하는 음압에서 편차가 거의 없다. 이러한 방식으로, 능동 잡음 제거(ANC)는 시스템(10)의 사용을 통해 달성된다. 사운드 감지 장치(109)가 선형 주파수 응답 범위 내에서 잘 작동하는 한, 피드백 루프(115)는 입력 오디오 신호 Ss 및 신호 Sfb 간의 차이를 최소화할 수 있고, 이에 의해 입력 오디오 신호 Ss와 청취자가 들은 결합된/순 음압에 대응하는 신호 간의 차이를 최소화한다.
구체적으로, 사운드 감지 장치(109)의 NZPL 특징은 사운드 감지 장치(109)에 충돌하는 음향 음향(또는 결합된 음압)으로부터 충돌하는 음향 사운드에 따라 사운드 감지 장치(109)에 의해 생성되는 신호 Sm2까지의 제2 위상 지연/지연이 바람직하게는 10° 미만임을 나타낼 수 있고; SPD(108)의 NZPL 특징은 SPD(108)에 인가되는 구동 전압 Vspd로부터 구동 전압 Vspd에 대응하는 사운드(SP108)를 생성하는 SPD(108)까지의 제3 위상 지연/지연이 바람직하게는 10° 미만임을 나타낼 수 있다.
NZPL 조건은 다음과 같이 일반화될 수 있다: 1) 제1 위상 지연(Vspd에서 Sm2까지)은 60° 미만이고; 2) 제2 위상 지연(충돌 음향에서 Sm2까지)은 30° 미만이고; 3) 제3 위상 지연(Vspd에서 SP108까지)은 30° 미만이다. 피드백 루프(115)와 함께 상기 NZPL 조건 중 하나가 만족되는 한, 본 출원의 요구 사항이 만족되며, 이는 본 출원의 범위 내에 있을 것이다.
제1 위상 지연(Vspd에서 Sm2까지)은 SPD(108)에서 사운드 감지 장치(109)까지의 음향 전파 지연, 제2 위상 지연 및 제3 지연을 포함한다는 점에 유의한다. 따라서, 제1 위상 지연을 감소시키거나 SPD(108)에서 사운드 감지 장치(109)까지의 음향 전파 지연을 감소시키기 위해, SPD(108)와 사운드 감지 장치(109) 사이의 물리적 간격은 3.5mm 미만일 수 있다. 다른 관점에서, SPD(108)에서 사운드 감지 장치(109)까지의 음향 전파 지연은 유효 ANC 대역폭을 확대하기 위해 10 마이크로 초(μs) 미만일 수 있다. 시스템(예를 들어, 10)의 유효 ANC 대역폭은 SPD(108)와 사운드 감지 장치(109) 사이의 물리적 간격과 관련된다. 제1 위상 지연이 길수록 시스템의 유효 ANC 대역폭이 좁아진다.
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 시스템(20)의 개략도이다. 시스템(20)의 구조는 시스템(10)의 구조와 유사하며, 따라서 다음 설명에서 동일한 번호/기호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. 시스템(20)은 SPD(108), 사운드 감지 장치(109) 및 회로(200)를 포함할 수 있다. 일반적으로 회로(200)는 디지털 회로 또는 아날로그 회로로 구현될 수 있다. 예를 들어, 회로(10)의 103에 대응하는, 회로(200) 내의 감산 회로(203)는 예를 들어 연산 증폭기(OP Amp)와 같은 차동 증폭기에 의해 실현될 수 있다.
사운드 감지 장치(109)에 의해 감지된 결합된 음압이 감지된 신호 Sm2로 변환된 후, 감지된 신호 Sm2는 회로(200)의 증폭기(205)에서 처리되어 회로(200)의 피드백 루프(215)를 통과할 수 있다.
회로(200)는 신호 Sfb를 생성하기 위해 피드백 루프(215) 내에 배치된 필터(206*)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 필터(206*)의 주파수 응답은 SPD(108) 및 사운드 감지 장치(109)의 결합된 주파수 응답의 켤레 또는 역수와 같거나 관련될 수 있다(예를 들어, 비례할 수 있다)(이것은 IEC 711 폐쇄 귀 에뮬레이터와 같은 귀 에뮬레이터에서 측정될 수 있다). 일 실시예에서, 필터(206*)의 주파수 응답은 SPD(108)와 사운드 감지 장치(109)의 결합된 주파수 응답의 켤레 함수이거나 SPD(108)와 사운드 감지 장치(109)의 결합된 주파수 응답의 역함수일 수 있다. 한 관점에서, 필터(206*)는 SPD(108) 및 사운드 감지 장치(109)에 의해 야기되는 효과를 보상하는 정합 필터로서 기능할 수 있다.
회로(200) 내의 감산 회로(203)가 차동 증폭기에 의해 실현될 수 있는 경우, 일 실시예에서 증폭기(203)는 OP-앰프일 수 있다. 증폭기(203)의 네거티브 입력 단자("-"로 표시됨)는 필터(206*)(따라서 사운드 감지 장치(109))의 출력에 연결될 수 있는 반면, 증폭기(203)의 포지티브 입력 단자("+"로 표시됨)는 입력 오디오 신호 Ss를 수신하도록 구성된다. 차이 신호 Sdf는 신호 Sfb와 입력 오디오 신호 Ss의 차이에 따라 생성된다. 예를 들어, 신호 Sfb와 입력 오디오 신호 Ss의 차이는 증폭되어, 회로(200)의 선택적 필터(204)(따라서 SPD(108))에 결합된 증폭기(203)의 출력 단자로부터 차이 신호 Sdf를 생성한다.
일 실시예에서, 선택적 필터(204)는 루프 이득이 1보다 크거나 같을 때 적절한 위상 마진을 달성하기 위해 피드백 루프(215)의 전체 안정성을 유지하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 입력 오디오 신호 Ss는 (고역 통과) 필터(201) 및 (저역 통과) 필터(204)를 통해 회로(200)의 크로스오버 회로에 의해 2 개의 서브-대역으로 분할될 수 있다. (피드백 루프(215)의) 음향 피드백 루프 메커니즘은 안정성을 보장하기 위해 필터(201)의 출력이 아니라 필터(204)의 출력에 적용된다. 즉, 피드백 루프(215)의 폐루프 동작은 피드백 루프(215)에 대한 안정성을 보장하고 적절한 위상 마진을 유지하기 위해 필터(204)로 대역 제한될 수 있다. 게다가, 논-제로 지연(또는 위상 지연)이 SPD(108)에서, 사운드 감지 장치(109)에서, 또는 (음압이 SPD(108)에서 사운드 감지 장치(109)로 이동하는 데 시간이 걸릴 수 있기 때문에) SPD(108)에서 사운드 감지 장치(109)로 소리가 이동하는 시간에서 발생할 수 있기 때문에 거의 제로 위상 지연(near-zero-phase-lag, NZPL)의 불완전성을 덮기 위해(또는 위상 지연을 제거/감소시키기 위해) 입력 오디오 신호 Ss는 대역 분할될 수 있다.
필터(204)(피드백 루프(215)에 배치되어 있음)로 인한 주파수 응답의 누락된 부분은 필터(201)(피드백 루프(215) 외부에 있음)에 의해 형성된 신호 경로에 의해 대체/보충될 수 있다. 이에 대응하여, 필터(204)의 차단 주파수와 필터(201)의 차단 주파수는 크로스오버 주파수에서 정렬될 수 있다. 일 실시예에서, 필터(204) 및 필터(201)의 교차 주파수는 인간 청력 범위(20Hz 내지 20KHz)의 최대 인간 가청 주파수(예를 들어, 20kHz(KHz))보다 상당히 낮을 수 있다. 또한, 필터(204)를 통과한 후, 회로(200)의 합산 회로(202)에 의해 필터(201)를 통과하는 입력 오디오 신호 Ss에 차이 신호 Sdf가 중첩되어 믹스 신호 Smx(즉, Smx=Ss+Sdf)를 생성할 수 있고, 여기서 Smx는 실질적으로 평탄한 주파수 응답을 가진다. 일 실시예에서, 합산 회로(202)는 증폭 회로(107)의 입력에서 저항성 네트워크 믹서로서 구현될 수 있다.
회로(200)의 증폭 회로(107)는 합산 회로(202)로부터 수신된 믹스 신호 Smx를 증폭하고 구동 전압 Vspd를 생성한다. 차이 신호 Sdf는 증폭 회로(107)에 대한 입력의 일부(즉, 믹스 신호 Smx의 일부)일 수 있다.
이어서, SPD(108)는 구동 전압 Vspd에 따라 사운드(SP108)를 생성한다.
후속 단락의 논의에 의해 예시되는 바와 같이, 사운드 센서(109) 및 차동 증폭기(203)에 의해, 이 실시예의 사운드 SP108을 구동하는 구동 전압 Vspd는 입력 오디오 신호 Ss와 관련된 신호 성분 및 잡음 통합 SPn의 역과 관련된 교정 신호 성분을 효과적으로 포함한다.
우선, SPD(108)와 사운드 감지 장치(109) 사이에 잡음이 없는 이상적인 경우를 고려하면 필터(206*)의 출력(즉, 신호 Sfb)은 입력 오디오 신호 Ss(또는 나중에 자세히 설명될 신호 Sss)의 카본 복사(carbon copy)에 가깝다. 증폭기(203)의 반전 입력 단자로 전달되는 신호 Sfb와 증폭기(203)의 비 반전 입력 단자로 전달되는 입력 오디오 신호 Ss는 동위상일 수 있고, 증폭기(203)에서 출력되는 차이 신호 Sdf는 입력 오디오 신호 Ss의 축소 버전일 수 있다.
많은 소음 SPn이 존재하고(즉, 논-제로 값을 가지고) 사운드 감지 장치(109)에 의해 감지/검출된 결합된 음압으로 사운드 SP108와 혼합되는 실제 사례를 고려하면, 필터(206*)의 출력은 입력 오디오 신호 Ss(또는 신호 Sss)의 카본 복사에서 "오류"의 양, 즉 오류 정정에 의해 벗어난다. Sdf와 입력 오디오 신호 Ss의 축소 복사/버전 간의 차이에 대응하는 이 오류 정정의 크기는 신호 Sfb가 입력 오디오 신호 Ss에서 얼마나 벗어나는지를 나타낸다. 이러한 편차를 증폭기(203)의 네거티브 입력에 연결함으로써, 보정(차이 신호 Sdf를 구성함)이 203에 의해 생성되고 합산 회로(202)의 입력이 된다. 따라서 SPD(108)에 의해 생성된 사운드 SP108은 입력 오디오 신호 Ss(또는 신호 Sss)에 대응하는 음압/음향압뿐만 아니라 잡음 SPn에 역으로 대응하는 보정 음압/음향압도 포함한다. 이 보정 음압은 소음 SPn을 파괴적으로 간섭하여 비정상 소음 및 정지 소음 SPn을 억제한다. 이러한 방식으로, NZPL ANC는 시스템(20)의 사용을 통해 달성된다.
위에서 볼 수 있는 바와 같이, 소음 제거 효과를 달성하기 위한 중요한 요소는 SPD(108)로부터 사운드 감지 장치(109)로의 음향 전파 경로를 SPD(108)와 청취자의 고막 사이의 음향 전파 경로와 혼합하는 것이다. SPD(108)로부터의 사운드(SP108)가 공기를 통해 사운드 감지 장치(109)로 이동할 때, 오디오 혼합이 발생할 수 있다. SPD(108)에 의해 생성된 사운드 SP108은 귀 내부의 모든 종류의 다른 음압(즉, 소음 SPn)과 혼합되고, 전체적으로 결합된 음압은 사운드 감지 장치(109)에 의해 감지된 신호 Sm2로 다시 변환되고 그런 다음 피드백 루프(215)를 거친 후 신호 Sfb로 변경한다.
일 실시예에서, 증폭 회로(107), SPD(108)(압전 작동 마이크로 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 스피커일 수 있다), 사운드 감지 장치(109)(압전 마이크로폰일 수 있다), 증폭기(205), 필터(206*), 증폭기(203), 필터(204) 및 합산 회로(202)는 피드백 루프(215)를 구성할 수 있다. 피드백 루프(215)의 위상 지연이 최소화될 수 있다. 일 실시예에서, SPD(108) 또는 사운드 감지 장치(109)는 미국 가출원 번호 62/909,684 및/또는 미국 출원 번호 16/821,983과 유사한 거의 제로 위상 지연/지연 특성을 가질 수 있다. 즉, 위에서 언급한 NZPL 조건 중 하나 이상이 충족된다.
미국 가출원 62/909,684 및/또는 미국 출원 16/821,983과 유사하게, 시스템(20)은 주변 소리/음압(예를 들어, 소음 SPn)을 감지/검출하기 위한 사운드 감지 장치(101)를 더 포함할 수 있고, 이것은 주변/배경 음향원(들)로부터 생성되고 신호 Sm1을 생성할 수 있다. 신호 Sm1은 시스템(20)의 증폭기(104)에 의해 증폭되고 (그리고 극성 반전 또는 비 반전되고), 이어서 시스템(20)의 필터(105)에 의해 주파수 형상화 및 위상 보상된다. 증폭기(104)의 이득 및 필터(105)의 주파수 응답은 시스템(20)의 제어기(110)에 의해 제어된다. 필터(105)로부터 출력된 신호 Spt는 예를 들어 시스템(20)의 합산 회로(106)에 의해 (일반) 음원으로부터의 신호 Sss와 결합되어 입력 오디오 신호 Ss를 생성한다.
사운드 감지 장치(101)는 ANC에 대한 책임이 없을 수 있다. 대신, 사운드 감지 장치(101)는 주변 음압의 특정 부분을 통과 또는 거부/감쇠시키는 데 사용될 수 있다. 어떤 의미에서, ANC는 주변/배경 음향원(들) 또는 기계적 소스(들) 또는 외이도의 음향 공명에 의해 야기된 모든 종류의 불일치가 있는 피드백 루프(215)에 의해 완전히 달성된다. SPD(108)의 비선형성은 피드백 루프(215)에 의해 능동적으로 무효화될 수 있다.
시스템(20)은 인 이어 헤드셋 또는 온 이어 헤드셋의 애플리케이션에 적용될 수 있다. 온 이어 헤드셋의 경우 멤브레인-이동 기반인 SPD(108)는 필요한 SPL을 생성하지 못할 수 있으며 미국 특허 번호 10,779,088에 도입된 구동 파형을 사용하여 미국 특허 번호 10,779,088에 도입된 것과 같은 적절한 대안으로 대체될 수 있으며, 이 문헌들은 참조로 본 명세서에 포함된다.
도 3은 본 출원의 실시예에 따른 시스템(30)의 개략도이다. 도 3에 도시된 시스템(30)의 구조는 도 2에 도시된 시스템(20)의 구조와 유사하다. 그러나 도 2에 도시된 필터(206*)는 제거되는 반면 필터(206)는 도 3에 추가된다. 필터(206)는 차이/차동 증폭기(203)의 비 반전 입력 단자 바로 앞에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 필터(206)의 주파수 응답은 SPD(108) 및 사운드 감지 장치(109)의 결합된 주파수 응답과 동일하거나 관련될 수 있다. 일 실시예에서, 필터(206)의 주파수 응답은 SPD(108)와 사운드 감지 장치(109)의 결합된 주파수 응답의 함수일 수 있다. 일 실시예에서, 필터(206)의 전달 함수(H206)와 필터(206*)의 전달 함수(H206*)의 곱은 단일 이득 전달 함수(unity-gain transfer function)(즉, H206*·H206 = 1)와 같을 수 있고; 결과적으로, 회로(300)는 증폭기(203)의 비 반전 입력 단자 및 반전 입력 단자에 각각 필터(206)를 삽입한 다음 반전 입력 단자에 연결된 필터(206) 및 필터(206*)를 단일 이득 전달 함수(즉, H206*·H206 = 1)로 인해 피드백 루프(215')로부터 제거함으로써 회로(200)로부터 유도될 수 있다. 화살표(300a)는 피드백 루프(215')의 세그먼트를 예시하는 표시된/원형 영역에 대한 대안의 확대도를 가리킨다. 위에서 볼 수 있는 바와 같이, 회로(300)의 증폭기(203)의 출력은 회로(200)의 증폭기(203)의 출력과 동일할 수 있고; 다시 말해, 필터(260 및 260*)의 불완전성 외에 피드백 루프(215' 및 215)는 기능적으로 그리고 수학적으로 동일하다.
구조적으로, 회로(200)에 비해 회로(300)의 장점은 피드백 루프(215) 내의 필터(260*)의 (인-루프) 지연을 피드백 루프(215') 외부의 필터(260)의 (오프-루프) 지연으로 대체하는 것이다. "인-루프 대 오프-루프 변환"의 영향은 피드백 루프(215')의 인-루프 지연을 최소화할 수 있고, 시스템(30)의 디지털 버전은 시스템(20)의 주파수 응답보다 훨씬 더 넓은 주파수 응답을 달성할 수 있다.
도 4는 본 출원의 실시예에 따른 시스템(40)의 개략도이다. 시스템(40)은 SPD(108), 사운드 감지 장치(109) 및 회로(400)를 포함할 수 있다. 회로(400)는 주문형 집적 회로(ASIC)일 수 있다.
도 4에 도시된 시스템(40)은 도 2에 도시된 시스템(20)의 디지털 버전일 수 있다. 따라서 동일한 숫자/기호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 디지털 형식에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소는 아날로그 대응 요소의 숫자/표기에 작은 따옴표(')를 추가하여 표시한다. 예를 들어, 회로(400)의 필터(201', 204', 206*', 206')는 각각 필터(201, 204, 206*, 206)의 디지털 대응 요소일 수 있다. 다시 말해, 필터(201', 204', 206*', 206')는 디지털 필터일 수 있는 반면, 필터(201, 204, 206*, 206)는 아날로그 필터일 수 있다.
일 실시예에서, 필터(201', 204', 206*' 및 206')는 하나 이상의 BiQuad 가속기(들)/필터(들)를 각각 포함할 수 있다. 일 실시예에서, BiQuad 가속기는 BiQuad 필터의 직접 형식 2일 수 있으며, 이는 스테이지 당 5 개의 곱셈기, 4 개의 가산기 및 2 개의 레지스터를 포함하며, 레지스터(들)는 저장 단위(들)로 서빙/기능하고, 하나의 레지스터는 하나의 저장 단위를 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, BiQuad 가속기는 임의의 곱셈 없이 스테이지 당 6 개의 가산기 및 2 개의 레지스터가 있고 본원에 참조로 포함된 미국 가출원 번호 63/079,680에 도입된 것과 같은 적절한 대안에 의해 구현될 수 있다. 즉, 미국 가출원 제63/079,680호에 소개된 바와 같이 필터의 필터 계수(예를 들어, 201', 204', 206*' 및 206')를 적절하게 선택함으로써 도 4의 필터(예를 들어, 201', 204', 206*' 및 206')는 곱셈 회로를 포함하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 구성 가능한 BiQuad 가속기의 할당은 구성 레지스터에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 필터(206*' 및 206') 간에 공유되는 총 4 개의 사용 가능한 BiQuad 가속기가 있을 수 있다. 도 4에서, 4 개의 BiQuad 가속기 중 하나는 필터(206*')에 할당되고, 4 개의 BiQuad 가속기 중 3 개는 필터(206')에 할당된다. 다른 실시예에서, 4 개의 BiQuad 가속기 모두가 필터(206')에 할당되는 반면, 4 개의 BiQuad 가속기 중 어느 것도 필터(206*')에 할당되지 않는다.
전술한 바와 같이, 사운드 감지 장치(109)는 청취자의 외이도 내부에서 픽업된 결합된 음압에 따라 감지 신호 Sm2를 생성한다. 사운드 감지 장치(109)로부터 감지된 신호 Sm2를 수신한 후, 회로(400)의 증폭기(205)는 신호 Sm2*를 아날로그-디지털 변환기(ADC)(306)로 출력하고, 이는 (아날로그) 신호 Sm2*를 (디지털) 신호 Sm2'로 변환한다. 회로(400)의 피드백 루프(415)에 배치된 필터(206*')는 회로(400)의 감산 회로(203')에 신호 Sfb'를 전송할 수 있다. 감산 회로(203')는 입력 오디오 신호에서 신호 Sfb'를 감산하도록 구성되고, 이 신호는 회로(400)의 업-샘플링 회로(410) 및 필터(206')에 의해 처리되어 차이 신호 Sdf'를 획득할 수 있다. 그런 다음 회로(400)의 합산 회로(202')는 업-샘플링 회로(410) 및 필터(201')를 통과하는 입력 오디오 신호 Ss'와 회로(400)의 곱셈기(309) 및 필터(204')를 통해 이동하는 차이 신호 Sdf'를 더하여 회로(400)의 디지털-아날로그 변환기(DAC)(305)에 믹스 신호 Smx'를 전송한다. 일 실시예에서, 합산 회로(202')는 가산기로서 구현될 수 있다. 회로(400)의 증폭 회로(107)는 DAC(305)의 출력을 구동 전압 Vspd로 바꿀 수 있으며, 이는 SPD(108)를 구동하여 사운드(SP108)를 생성할 수 있다.
시스템(40)의 프로세싱 회로(301)는 입력 오디오 신호 Ss'를 생성하기 위해 사운드 감지 장치(101)로부터의 신호 Sm1을 신호 Sss와 결합할 수 있다. 게다가, 프로세싱 회로(301)는 제어 인터페이스 Csys를 통해 필터(201', 204', 206*', 206') 및/또는 곱셈기(309)에 대한 계수와 같은 구성 파라미터를 프로그램할 수 있고, 제어 인터페이스는 인터-집적 회로(Inter-Intergrated circuit, I2C), 직렬 주변 인터페이스(Serial Peripheral Interface, SPI) 또는 기타 적합한 직렬 버스일 수 있다. 일 실시예에서, 필터(201', 204', 206*', 또는 206')에 대한 계수는 그 샘플링 속도, 중심/차단 주파수, Q-인자 및/또는 이득과 관련될 수 있다(예를 들어, 비례할 수 있다). 일 실시예에서, 필터(201', 204', 206*', 또는 206')는 계수(들)가 예를 들어 0으로 설정될 때 생략될 수 있다. 일 실시예에서, 승산기(309)에 대한 계수는 도 2에 도시된 감산 회로(203)의 이득과 연관될 수 있다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 시스템(50)의 개략도이다. 시스템(50)은 SPD(108), 사운드 감지 장치(109) 및 회로(500)를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 시스템(50)의 구조는 도 4에 도시된 시스템(40)의 것과 유사하지만, 전력 및/또는 비용을 절약하기 위해 필터(206*' 및 206')를 5 4에서 생략할 수 있다. 시스템(50)은 필터(206' 또는 206*')의 계산을 처리하도록 구성된 프로세싱 회로(501)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 프로세싱 회로(501)는 애플리케이션 프로세서일 수 있고, 디지털 신호 프로세서(DSP)(501D)를 포함할 수 있다.
회로(500)보다 더 높은 데이터 레이트로 입력 오디오 신호 Ss'의 오버샘플링된 버전을 생성하도록 구성된 업-샘플링 회로(510)는 업 샘플러(302), 필터(303) 및 위상-잠금 루프(phase-locked loop)(310)를 포함할 수 있다. 업 샘플러(302)는 데시메이션 연산 및 보간 연산을 포함할 수 있다. 업 샘플러(302)에 의해 유도된 고주파 성분을 필터링하거나 감쇠하도록 구성된 필터(303)는 출력을 평활화하기 위한 저역 통과 필터일 수 있다. 일 실시예에서, 회로(500)의 데이터 레이트(예를 들어, 32×48Ksps=1.536Msps)는 48Ksps(초당 킬로 샘플)일 수 있는 입력 오디오 신호 Ss'의 데이터 레이트만큼 업-샘플러(302) 및 필터(303)에 의해 32회 업-샘플링될 수 있다.
일 실시예에서, 회로(500)는 회로(500)의 피드백 루프(515)의 위상 지연을 최소화하기 위해 엄청나게 업-샘플링된 로컬 데이터 레이트에서 실행되는 BiQuad 필터(예를 들어, 필터 201', 204' 또는 303)를 포함할 수 있다. 비정상 소음 및 고정 소음 모두에 대해 NZPL 능동 소음 제거/적응 소음 억제(active noise cancelling/adaptive noise suppression, ANC/ANS)를 달성한다.
도 6은 본 출원의 실시예에 따른 시스템(60)의 개략도이다. 시스템(60)은 SPD(108), 사운드 감지 장치(109) 및 회로(600)를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 시스템(60)의 구조는 도 5에 도시된 시스템(50)의 구조와 유사하지만, 도 5에 도시된 프로세싱 회로(501)는 도 6에 도시된 회로(600)의 필터(341)로 대체된다. 각각의 필터(341)는 BiQuad 필터와 같은 디지털 필터일 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로(501)의 DSP 기능을 대체하기 위해 회로(600)에 내장된 6 개의 BiQuad 스테이지/필터의 뱅크가 있을 수 있다.
필터(341, 204', 303, 201') 및/또는 곱셈기(309)에 대한 계수와 같은 구성 파라미터를 저장하도록 구성된 회로(600)의 메모리(342)는 전기적으로 지울 수 있는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리(electrically-erasable programmable read-only memory, EEPROM)일 수 있다. 제어 인터페이스 Csys는 메모리(342)를 프로그래밍하기 위한 인터페이스 액세스를 제공할 수 있다. 대량 생산 교정 단계와 같이 메모리(342)가 설정되면, 회로(600)는 추가 애플리케이션 프로세서 없이, 신호 Sss에 인터페이스하고, 사운드 감지 장치(109)로부터의 출력을 감지하고, SPD(108)에 대한 구동 전압 Vspd를 제어하는 독립형 장치로 기능할 수 있다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 저잡음 전치 증폭기 토폴로지(154)의 개략도이다.
일 실시예에서, 도 4에 도시된 사운드 감지 장치(109)는 도 7에 도시된 저잡음 전치 증폭기 토폴로지(154)에 배치된 사운드 감지 장치(702)와 같은 압전 마이크로폰으로서 구현될 수 있다. 바이어스 전압원(VBIAS)은 사운드 감지 장치(702)의 상부 전극 및 하부 전극(702T, 702B)에 걸쳐 각각 인가될 수 있다. 전극(702T 및 702B)(또는 전압 Vtop 및 Vbot) 사이의 차이에 대응하는 사운드 감지 장치(702)에 의해 생성된 감지된 신호 Sm2는 본질적으로 불균형 및/또는 높은 임피던스일 수 있고 잡음에 민감할 수 있다.
일 실시예에서, 미세 라인 튜브(fine line tube)(506)는 감지된 신호 Sm2가 외부 소음을 픽업하는 것을 피하기 위해 실리콘 기판 및 인쇄 회로 기판(PCB)(예를 들어, 도 9에 도시된 PCB(424)) 상의 신중하게 계획된 배선 트레이스를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 도 4에 도시된 증폭기(205)는 도 7에 도시된 저잡음 전치 증폭기 토폴로지(154)에 배치된 증폭기(705)로서 구현될 수 있다. 증폭기(705)는 사운드 감지 장치(702)에 의해 생성된 고 임피던스 불평형 신호일 수 있는 감지된 신호 Sm2를 저임피던스 평형 신호일 수 있는 신호 Sm2*로 변환하도록 구성될 수 있다. 증폭기(705)는 한 쌍의 저항(Rz1, Rz2), 전압원(504), 한 쌍의 증폭기(502, 503) 및 호스트 인터페이스(GC)를 포함할 수 있다.
마이크로폰의 중요한 파라미터인 신호 대 잡음비(SNR)를 최대화하기 위해 사운드 감지 장치(702)의 용량 특성을 사용하여 (불균형) 신호 Sm2를 저항기(Rz1, Rz2) 및 적절한 바이어스 전압을 제공하는 전압원(504)에 의해 균형 신호로 전환한다. 일 실시예에서, 저항기 Rz1, Rz2의 값은 원하는 신호 대칭을 달성하기 위해 rz1=rz2(요구 사항 1)를 만족할 수 있으며, 여기서 rz1, rz2는 각각 저항기 Rz1, Rz2의 저항을 나타낸다. 일 실시예에서, 저항기 Rz1, Rz2의 값은 원하는 저주파 응답을 달성하기 위해 1/(2π×(rz1 + rz2)×Cspd)<5Hz(요구 사항 2)를 만족할 수 있고, 여기서 Cspd는 사운드 감지의 커패시턴스를 나타낸다. 예를 들어, 사운드 감지 장치(702)가 박막 PZT 센서이고 사운드 감지 장치(702)의 크기가 실질적으로 1.44 제곱밀리미터(예를 들어, 1.2×1.2 mm2)인 경우, 사운드 감지 장치(702)의 커패시턴스 Cspd는 30 나노 패러드(nF)일 수 있다. 저항기 Rz1, Rz2의 저항 rz1, rz2가 각각 560 킬로옴(KΩ)이면 요구 사항 1과 2를 만족할 수 있다. 전압원(504)에 의해 제공되는 전압은 VBIAS/2(VBIAS는 사운드 감지 장치(702)의 감도 및 선형성을 최적화하도록 구성될 수 있다)와 같을 수 있고 3 ~ 15 볼트 범위에 있을 수 있다.
그런 다음 감지된 신호 Sm2는 증폭기(502, 503)에 의해 버퍼링/증폭되며, 증폭기(502, 503)는 각각 OP-앰프일 수 있고 높은 입력 임피던스(예를 들어, >10 메가옴), 낮은 입력 바이어스 전류(예를 들어, <3 pico-ampere(pA)) 및 저잡음 전압(≤1나노 볼트/루트 헤르츠(nV/√Hz))일 수 있다. 일 실시예에서, 증폭기(502, 503)는 각각 전압 버퍼일 수 있다. 일 실시예에서, 증폭기(502, 503)는 동일한 이득을 가질 수 있다.
증폭기(502, 503)는 신호 Sm2*를 출력할 수 있으며, 이는 도 4에 도시된 ADC(306)의 차동 입력단으로 전송될 수 있다. 실시예에서, 증폭기(502, 503)의 이득은 신호 Sm2*의 동적 범위가 ADC(306)의 입력 범위의 동적 범위와 일치할 수 있도록 호스트 인터페이스 GC를 통해 실시간으로 프로그래밍될 수 있다.
도 8은 본 출원의 실시예에 따른 시스템(80)의 평면도를 예시하는 개략도이다. 도 9는 도 8의 A-A' 단면을 따라 자른 단면도이다. 시스템(80)의 장치(400)는 어레이로 배열된 8 개의 사운드 생성 장치(SPD)(401) 및 하나의 사운드 감지 장치(402)를 포함할 수 있다. 각각의 SPD(401) 또는 사운드 감지 장치(402)의 크기는 동일할 수 있으며, 예를 들어 2mm×2mm일 수 있지만 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에서, SPD(108)는 SPD(401) 중 하나 이상으로 구현될 수 있고, 사운드 감지 장치(109 또는 702)는 도 8에 도시된 사운드 감지 장치(402)로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, SPD(401)와 사운드 감지 장치(402) 사이의 간격은 3.5mm 미만일 수 있다. 일 실시예에서, 도 9에 도시된 SPD(401)는 사운드(SP108)를 위쪽으로 (양의 Z 방향으로) 생성할 수 있고 도 9에 도시된 사운드 감지 장치(402)는 위로부터 (음의 Z 방향으로) 결합된 음압을 수신할 수 있다.
일 실시예에서, 장치(400)는 SPD(401) 및 사운드 감지 장치(402)가 동일한 재료로 형성되고 이들의 연결에 기계적 조인트가 없도록 일체로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 장치(400)는 하나의 단일 MEMS 칩일 수 있다. 장치(400)는 각각의 SPD(401)를 위한 멤브레인(425) 및 사운드 감지 장치를(402) 위한 멤브레인(426)을 생성하기 위해 MEMS 제조 프로세스에 의해 모놀리식 실리콘 기판으로 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 멤브레인(426)의 두께는 사운드 감지 장치(402)의 사운드 감지 감도를 향상시키기 위해 멤브레인(425)의 두께보다 상당히 얇을 수 있다. 일 실시예에서, 멤브레인(425, 426)은 동일 평면이거나 평행하고 따라서 각각 XY 평면을 각각 가로지른다.
도 8에서, SPD(401) 및 사운드 감지 장치(402)는 멤브레인(425, 426)의 컴플라이언스(예를 들어, 강성) 및 멤브레인(425, 426)의 변위를 증가시키기 위해 멤브레인(425, 426) 내에 각각 형성된 슬릿 패턴(425S, 426S)을 가질 수 있다. 슬릿 특허(425S, 426S)는 서로 상이할 수 있으며 셀 유형의 SPD(들)(401) 및 사운드 감지 장치(402)의 각각의 기능에 대해 최적화될 수 있다.
SPD(401) 또는 사운드 감지 장치(402)는 (SPD 401의 경우와 같이) 멤브레인을 작동시키기 위해 PZT(lead zirconate titanate) 및 음압을 감지하기 위한 알루미늄 질화물(AlN)(사운드 감지 장치(402)의 경우와 같은 멤브레인(426))과 같은 박막 압전 재료(들)로 만들어진 박막 압전 층을 더 포함할 수 있다. 박막 압전 층은 2 개의 전극(예를 들어, 도 7에 도시된 사운드 감지 장치(702)의 전극(702T, 702B)) 사이에 끼워질 수 있고, 멤브레인(425 또는 426)에 증착되어 SPD(401) 또는 사운드 감지 장치(402)를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 사운드 감지 장치(402)는 세포(401)의 막 이동에 의해 생성된 배압(backpressure)으로부터 사운드 감지 장치(402)를 절연시키기 위해 공동(428) 및 백 커버(429)를 포함하는 격리 백 챔버를 더 포함할 수 있다.
장치(400)는 보호 캡(421) 및 회로(423)와 함께 PCB(424)에 바운딩되어 자체 포함된 스피커-인-어-패키지 시스템(Speaker-in-a-Package system)을 형성할 수 있다. 구동 IC일 수 있는 회로(423)는 회로(200, 300, 400, 500 또는 600)로서 구현될 수 있고 호환될 수 있는 기능을 처리하는 다른 아키텍처를 가질 수 있다. 수동 구성 요소(422)를 지원하는 것과 함께, 회로(423)는 장치(400)와 함께 자체 포함된 피드백 제어 시스템을 형성하여, 청취자의 귀 내의 결합된 음압을 감지하고 교정 사운드/음향 압력을 생성함으로써 감지된 사운드 /음압 및 의도된/원하는 음압/음향압 사이의 차이를 억제하고 결과적으로 소음 없는 청취 경험을 생성할 수 있다. 다시 말해, 장치(400)는 자체 포함된 ANC/ANS 사운드 생성 시스템을 형성하기 위해 피드백 제어 기능을 가지는 하나의 전체 패키지 내에 있다.
본 발명의 한 관점에서, 주변/배경 음향원(들)로부터의 소음(들) SPn(즉, 음압/음향 압력)뿐만 아니라 폐색 효과(occlusion effects) 및/또는 마이크로포닉 효과에 의해 유도된 소음(들) SPn도, 예를 들어 본 발명의 시스템의 움직임 및/또는 인체 해부학을 통한 외이도의 용적과 결합된/관련된 임의의 물리적 진동으로 인해, 억제/감쇠/취소되어 ANC를 달성된다. 본 발명에서는 정지되는 잡음(들) SPn뿐만 아니라 간헐적인 잡음(들) SPn도 억제/감쇠/캔슬되어 ANC를 달성한다. 따라서, 미국 가출원 제62/909,684호에 개시된 NZPL 기술을 사용함으로써 가능해질 수 있는 본 발명은 귀 내부의 결합된 음압을 감지하고 의도된/원하는 사운드 신호와 귀 내에서 검출된/감지된 음압 간의 불일치가 최소화되도록 SPD를 제어한다.
본 발명의 일 관점에서, NZPL의 SPD 및 사운드 감지 장치를 이용하여 네거티브 피드백 OP-amp와 유사할 수 있는 인-이어 또는 온 이어-사운드 생성 시스템이 구성되고 여기서 모든 소스의 부정합, 모든 소스는 잡음 SPn, 예를 들어 음향 잡음, 마이크로포닉 잡음(들); SPD의 비선형성 또는 주파수 응답 불균일과 같은 요인으로 인한 편차; SPD와 외이도 사이의 음향 상호 작용 또는 이어 피스의 폼 팁의 밀봉 정도 변경으로 인한 누수는 모두 즉시 또는 실시간으로 억제되어 청취자의 귀 내부의 순 음압이 네거티브 피드백 OP 앰프의 출력이 그 입력 신호와 밀접하게 일치하는 것과 같은 방식으로 의도한 음압과 일치할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 의도된 음압으로부터의 편차의 가산 및 감산을 모두 보정하기 위해, 180° 이상 지연된 신호와는 반대로, 실시간 신호에 기반한 보정 음압 생성이 달성된다.
요약하면, 본 발명의 시스템은 SPD에 의해서뿐만 아니라 주변/배경 음향원(들)로부터, 기계적 소스(들)로부터, 또는 누출을 통해(있는 경우) 생성된 소리(압력)를 감지하도록 구성된 사운드 감지 장치를 포함한다. 시스템의 감산 회로에는 사운드 감지 장치에 연결된 입력 단자가 있고 SPD에 연결된 출력 단자가 있어 피드백 루프를 형성한다. 주변/배경 음향원(들) 또는 기계적 소스(들) 및/또는 누출(들)이 존재하는 경우, 감산 회로의 출력 단자에서 관찰된 "오류"로 인해 SPD의 교정이 존재한다. 따라서 SPD에 의해 생성된 소리(압력)에는 입력 오디오 신호에 대응하는 소리/음압과 보정 음압/음향압이 포함된다. 보정 음압은 주변/배경 음향원(들)로부터 또는 기계 소스(들)로부터의 사운드(압력)를 파괴적으로 간섭하여 NZPL ANC를 달성할 수 있다.
당업자는 본 발명의 교시를 유지하면서 장치 및 방법의 수많은 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 상기 개시는 첨부된 특허청구범위의 경계 및 범위에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (29)

  1. 웨어러블 청각 장치 내에 배치된 시스템으로서,
    구동 전압에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(sound producing device, SPD);
    적어도 상기 SPD에 의해 생성되는 결합된 음압(sound pressure)을 감지하고 그에 따라 감지된 신호를 생성하도록 구성된 제1 사운드 감지 장치(sound sensing device); 및
    제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 제1 출력 단자를 가지는 감산 회로 - 상기 제1 입력 단자는 상기 제1 사운드 감지 장치에 연결되고, 상기 제1 출력 단자는 상기 SPD에 연결됨 -
    를 포함하며,
    상기 SPD, 상기 제1 사운드 감지 장치 및 상기 감산 회로는 피드백 루프를 구성하고;
    여기서 상기 구동 전압과 상기 감지된 신호 사이의 제1 위상 지연(phase delay)은 60° 미만인, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감산 회로의 상기 제1 입력 단자와 상기 제1 사운드 감지 장치 사이에 연결된 제1 필터
    를 더 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 필터의 주파수 응답은 상기 SPD 및 상기 제1 사운드 감지 장치의 결합된 주파수 응답의 역수와 관련되어 있는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자에 연결된 제2 필터
    를 더 포함하며,
    상기 제2 필터의 주파수 응답은 상기 SPD 및 상기 제1 사운드 감지 장치의 결합된 주파수 응답과 관련되어 있는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감산 회로의 상기 제1 출력 단자와 상기 SPD 사이에 연결된 제3 필터
    를 더 포함하며,
    상기 제3 필터는 저역 통과 필터인, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    합산 회로 - 상기 합산 회로의 제3 입력 단자는 상기 제3 필터에 연결되고, 상기 합산 회로의 제2 출력 단자는 상기 SPD에 연결됨 - ; 및
    상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자와 상기 합산 회로의 제4 입력 단자 사이에 연결된 제4 필터 - 제4 필터는 고역 통과 필터임 -
    를 더 포함하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 청각 장치는 삽입형 이어 피스(earpiece)인, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 결합된 음압은 이도 내에 나타나는 음향 음압(acoustic sound pressure)을 포함하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 결합된 음압은 상기 웨어러블 청각 장치로 인한 공기 누출(air leakage)을 포함하는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자에 결합된 업-샘플링 회로(up-sampling circuit)
    를 더 포함하는 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 감산 회로의 상기 제1 입력 단자와 상기 제1 사운드 감지 장치 사이에 결합된 제1 필터, 상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자에 결합된 제2 필터, 상기 감산 회로의 상기 제1 출력 단자와 상기 SPD 사이에 결합된 제3 필터, 상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자와 상기 합산 회로의 상기 제4 입력 단자 사이에 결합된 제4 필터, 업-샘플링 회로의 제5 필터, 또는 상기 감산 회로의 상기 제1 출력 단자와 상기 SPD 사이에 결합된 곱셈기에 대한 계수를 프로그래밍하도록 구성된 프로세싱 회로를 더 포함하는 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 감산 회로의 상기 제1 입력 단자와 상기 제1 사운드 감지 장치 사이에 결합된 제1 필터, 상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자에 결합된 제2 필터, 상기 감산 회로의 제1 출력 단자와 상기 SPD 사이에 결합된 제3 필터, 상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자와 상기 합산 회로의 상기 제4 입력 단자 사이에 결합된 제4 필터, 업-샘플링 회로의 제5 필터, 또는 상기 감산 회로의 상기 제1 출력 단자와 상기 SPD 사이에 결합된 곱셈기에 대한 계수를 프로그래밍하도록 구성된 적어도 하나의 제6 필터; 및
    상기 계수를 저장하도록 구성된 메모리
    를 더 포함하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 감산 회로는 차동 증폭기인, 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    바이어스 전압을 제공하도록 구성된 전압원;
    제1 저항기 - 상기 제1 저항기의 제1 단자는 상기 제1 사운드 감지 장치의 제1 전극에 결합되고, 상기 제1 저항기의 제2 단자는 상기 전압원에 결합됨 - ;
    제2 저항기 - 상기 제2 저항기의 제3 단자는 상기 제1 사운드 감지 장치의 제2 전극에 결합되고, 상기 제2 저항기의 제4 단자는 상기 전압원에 결합됨 - ;
    상기 제2 단자에 연결된 제1 증폭기; 및
    상기 제4 단자에 연결된 제2 증폭기
    를 더 포함하는 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 감산 회로의 상기 제2 입력 단자에 결합된 제2 사운드 감지 장치
    를 더 포함하며,
    상기 제2 사운드 감지 장치는 주변 음향원(ambient acoustic source)에 의해 생성된 음압을 감지하도록 구성되며, 상기 결합된 음압은 적어도 상기 SPD 및 상기 주변 음향원에 의해 생성되는, 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 감산 회로에 결합된 적어도 하나의 필터
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 필터는 필터 계수 곱셈(filter coefficient multiplication)을 수행하기 위한 가산기 및 저장 유닛을 포함하고, 상기 적어도 하나의 필터는 곱셈 회로를 포함하지 않는, 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 SPD에 인가되는 구동 전압으로부터 상기 구동 전압에 대응하는 상기 SPD에 의해 생성되는 생성된 사운드까지의 제3 위상 지연은 30°미만인, 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 사운드 감지 장치에 충돌하는 상기 결합된 음압으로부터 상기 결합된 음압에 대응하는 상기 제1 사운드 감지 장치에 의해 생성되는 신호까지의 제2 위상 지연은 30°미만인, 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 SPD와 상기 제1 사운드 감지 장치 사이의 간격은 3.5 밀리미터 미만인, 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 SPD로부터 상기 제1 사운드 감지 장치까지의 음향 전파 지연은 10 마이크로초 미만인, 시스템.
  21. 웨어러블 청각 장치에서 수행되는 방법으로서,
    제1 사운드 감지 장치가 적어도 사운드 생성 장치(sound producing device, SPD)에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고, 상기 제1 사운드 감지 장치가 상기 결합된 음압에 따라 감지된 신호를 생성하는 단계;
    상기 결합된 음압에 대응하는 제1 신호를 입력 오디오 신호에서 공제하여 차이 신호(difference signal)를 획득하는 단계 - 상기 제1 신호는 상기 감지된 신호에 따라 생성됨 - ;
    상기 차이 신호에 따라 구동 전압을 획득하는 단계; 및
    상기 SPD가 상기 구동 전압에 따라 생성된 사운드를 생성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 구동 전압과 상기 감지된 신호 사이의 제1 위상 지연은 60° 미만인, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 신호는 상기 감지된 신호에 따라 제1 필터에 의해 생성되고, 상기 제1 필터의 주파수 응답은 상기 SPD와 상기 제1 사운드 감지 장치의 결합된 주파수 응답의 역수와 관련되어 있는, 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 입력 오디오 신호는 제2 필터에 의해 생성되며, 상기 제2 필터의 주파수 응답은 상기 SPD와 상기 제1 사운드 감지 장치의 결합된 주파수 응답과 관련되어 있는, 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    제1 출력 신호를 획득하도록 제3 필터를 통해 상기 차이 신호를 지향시키는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 제3 필터는 저역 통과 필터인, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    제2 출력 신호를 획득하도록 상기 입력 오디오 신호가 제4 필터를 통하게 하는 단계; 및
    믹스 신호를 획득하도록 상기 제1 출력 신호와 제2 출력 신호를 더하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 입력 오디오 신호는 업-샘플링된 데이터 레이트로 리샘플링되는, 방법.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 제1 사운드 감지 장치에 연결된 제1 필터, 제2 필터, 상기 SPD에 연결된 제3 필터, 상기 SPD에 연결된 제4 필터에 대한 계수를 프로그래밍하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  28. 웨어러블 청각 장치 내에 배치된 시스템으로서,
    구동 전압에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(sound producing device, SPD);
    적어도 상기 SPD에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고 그에 따라 감지된 신호를 생성하도록 구성된 사운드 감지 장치; 및
    제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 제1 출력 단자를 가지는 감산 회로 - 상기 제1 입력 단자는 상기 사운드 감지 장치에 연결되고, 상기 제1 출력 단자는 상기 SPD에 연결됨 -
    를 포함하며,
    상기 SPD, 상기 사운드 감지 장치 및 상기 감산 회로는 피드백 루프를 구성하고;
    상기 SPD에 인가되는 상기 구동 전압으로부터 상기 구동 전압에 대응하는 상기 SPD에 의해 생성되는 사운드까지의 위상 지연은 30°미만인, 시스템.
  29. 웨어러블 청각 장치 내에 배치된 시스템으로서,
    구동 전압에 의해 구동되는 사운드 생성 장치(sound producing device, SPD);
    적어도 상기 SPD에 의해 생성되는 결합된 음압을 감지하고 그에 따라 감지된 신호를 생성하도록 구성된 사운드 감지 장치; 및
    제1 입력 단자, 제2 입력 단자 및 제1 출력 단자를 가지는 감산 회로 - 상기 제1 입력 단자는 상기 사운드 감지 장치에 연결되고, 상기 제1 출력 단자는 상기 SPD에 연결됨 -
    를 포함하며,
    상기 SPD, 상기 사운드 감지 장치 및 상기 감산 회로는 피드백 루프를 구성하고;
    상기 사운드 감지 장치에 충돌하는 상기 결합된 음압으로부터 상기 결합된 음압에 대응하는 상기 사운드 감지 장치에 의해 생성되는 신호까지의 위상 지연은 30°미만인, 시스템.
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