TW202021375A - 具濾音器的主動式降噪裝置及耳機 - Google Patents

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一種具濾音器的主動式降噪裝置，包括：一殼體，包括第一及第二通道，該第一通道之通道長度大於該第二通道之通道長度；一主動式降噪單元，包括：一外部麥克風，設置於該殼體外，用以偵測一環境噪音，其中該外部麥克風之位置對應於該第一通道之第一外端的位置；一喇叭，設置於該第二通道之第二外端，用以輸出該環境噪音的反相訊號；以及一降噪處理器，電性耦合該外部麥克風與該喇叭；以及一濾音器，其設置於該第一通道內。

Description

具濾音器的主動式降噪裝置及耳機
本發明是有關於一種降噪裝置，且特別是有關於一種主動式降噪裝置、耳罩式耳機及入耳式耳機。
最常見的傳統噪音抑制技術，多半是利用各種吸音材料，以被動方式吸收噪音的能量來達成。然而在低頻狀態時，聲音的波長遠大於一般吸音材料的厚度，例如頻率為100Hz的聲音，在常溫、海平面上的波長約為3~4公尺，因此，除非使用非常厚重的吸音器材才可有效阻絕低頻聲音的傳遞，而對於一般的應用而言，這種被動式消除噪音的技術，對於低頻噪音的隔絕能力並不理想。所以，在實務應用上，被動式噪音消除法往往必需在低頻噪音的有效消除與吸音器材可能極佔空間、體積龐大及價格昂貴的矛盾問題中取得平衡。
為了能夠有效克服前述問題，一種使用外加聲源以消除噪音之主動式噪音控制(Active Noise Control,ANC)理論，多年來，已經引起廣泛且深入的研究與發展。主動式噪音控制系統的基本原理，主要的是利用波形合成原理，產生一個與原噪音波形相同、大小相等、相位差180度的反噪音聲波，使其對原噪音產生破壞性干涉而達到噪音音量降低之目的。請參考圖1，其顯示原噪音波形L1、反噪音波形L2、以及原噪音與反噪音波形疊加後的殘餘噪音波形L3。
台灣專利證書號I609363揭示一種主動降噪校正系統與揚聲裝置。請參考圖2，該專利文獻之先前技術顯示一種主動式降噪系統之構造。利用麥克風90接收外部環境噪聲，此噪音源經過主動式濾波器92調整出適當的頻率響應，其中包含適當的振幅及相位反應，使得耳機喇叭94輸出幾乎是原噪音源的反相訊號，此由喇叭發 出的反相噪音，恰可以在受聽者8的耳機耳罩96內與原噪音相加而抵消，此一抵消的結果使受聽者8所聽到外部的噪音可以大幅度的減低，此即是一般主動降噪耳機的原理。
然而，一般主動式降噪耳機主要降噪範圍是在50~2KHz的中低頻範圍，高頻的降噪效果不佳。再者，即使能聽到環境聲音，但先前技術還未提到只聽到某個頻段的聲音，因此在吵雜環境中，要濾掉大部分的噪音，期望能聽到講話聲，甚至特定頻段的聲音，一般是需要透過數位訊號處理。一般爆破聲的防護，電路的設計都是透過高速數位電子訊號處理，成本高。
因此，便有需要提供一種具濾音器的主動式降噪裝置，解決前述的問題。
本發明之一目的是提供一種具濾音器的主動式降噪裝置，其結合主動式降噪單元及濾音器。
依據上述之目的，本發明提供一種具濾音器的主動式降噪裝置，包括：一殼體，包括第一及第二通道，該第一通道之通道長度大於該第二通道之通道長度；一主動式降噪單元，包括：一外部麥克風，設置於該殼體外，用以偵測一環境噪音，其中該外部麥克風之位置對應於該第一通道之第一外端的位置；一喇叭，設置於該第二通道之第二外端，用以輸出該環境噪音的反相訊號；以及一降噪處理器，電性耦合該外部麥克風與該喇叭；以及一濾音器，其設置於該第一通道內。
本發明之具濾音器的主動式降噪裝置結合主動式降噪單元(其包括外部麥克風、喇叭及降噪處理器)及該濾音器形成帶通濾波器，用以使一特定頻域的聲音能通過該殼體進入受聽者之耳道。該主動式降噪單元使通過該殼體的該第一通道至該耳道的噪音，在頻率1KHz以下隨著頻率均等降低噪音強度；且該濾音器使通過該殼體的該第一通道至該耳道的噪音，在頻率1KHz以上隨著頻率增加而降低噪音效果增加。
1‧‧‧主動式降噪裝置
1’‧‧‧主動式降噪裝置
10‧‧‧殼體
10’‧‧‧殼體
101‧‧‧第一通道
101’‧‧‧第一通道
101a‧‧‧第一外通道
101b‧‧‧第一內通道
101c‧‧‧第二內通道
1011‧‧‧第一內端
1012‧‧‧第一外端
1013‧‧‧低通濾波器管狀形貌
1014‧‧‧腔體
102‧‧‧第二通道
1021‧‧‧第二內端
1022‧‧‧第二外端
1023‧‧‧側邊
1024‧‧‧側邊
111‧‧‧外部麥克風
112‧‧‧喇叭
113‧‧‧降噪處理器
114‧‧‧內部麥克風
115‧‧‧聲音訊號元件
12‧‧‧濾音器
2‧‧‧耳罩式耳機
21‧‧‧耳罩
3‧‧‧入耳式耳機
31‧‧‧耳機殼體
312‧‧‧外端
32‧‧‧凸起
33‧‧‧通道
8‧‧‧受聽者
81‧‧‧耳道
90‧‧‧麥克風
92‧‧‧主動式濾波器
94‧‧‧喇叭
96‧‧‧耳罩
8‧‧‧受聽者
81‧‧‧耳道
L1‧‧‧原噪音波形
L2‧‧‧反噪音波形
L3‧‧‧殘餘噪音波形
LL‧‧‧腔體長度
S1‧‧‧第一管徑
S2‧‧‧第二管徑
S3‧‧‧第三管徑
圖1為先前技術之原噪音波形、反噪音波形及殘餘噪音波形差異對照圖。
圖2為習知主動降噪系統之構造示意圖。
圖3為本發明之第一實施例之具濾音器的主動式降噪裝置之構造示意圖。
圖4為本發明之濾音器及低通濾波器管狀形貌之剖面示意圖。
圖5為本發明之低通濾波器管狀形貌之剖面示意圖。
圖6為本發明之另一實施例之具濾音器的主動式降噪裝置之構造示意圖。
圖7為本發明之一實施例之耳罩式耳機之構造示意圖。
圖8為本發明之一實施例之入耳式耳機之構造示意圖。
圖9為本發明之第二實施例之具濾音器的主動式降噪裝置之構造示意圖。
為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。
圖3為本發明之第一實施例之具濾音器的主動式降噪裝置1之構造示意圖。該主動式降噪裝置1包括：一殼體10、一主動式降噪單元(其包括外部麥克風111、喇叭112及降噪處理器113)及一濾音器12。該殼體10包括第一及第二通道101、102，該第一通道101之第一內端1011及第一外端1012之間的通道長度大於該第二通道102之第二內端1021及第二外端1022之間的通道長度。該第一內端1011、第二內端1021是指通道接近耳道81之一端，且該第一外端1012、第二外端1022是指通道遠離耳道81之另一端。在本實施例中，該第一通道101位於該第二通道 102之一側邊1023。該殼體10之材料可選自矽膠、熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer,TPE)、熱塑性橡膠彈性體(Thermoplastic Rubber,TPR)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic Vulcanizate,TPV)、熱塑性聚氨酯樹脂(Thermoplastic Polyurethane,TPU)、熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic Polyether Ester Elastomer,TPEE)、或它們的混合。
該主動式降噪單元包括：一外部麥克風111、一喇叭112及一降噪處理器113。該外部麥克風111設置於該殼體10外，用以偵測一環境噪音，其中該外部麥克風111之位置對應於該第一外端1012的位置，例如該外部麥克風111之位置靠近該第一外端1012的位置。該喇叭112設置於該第二外端1021，用以輸出該環境噪音的反相訊號，其中該第二外端1021為一封閉端。該降噪處理器113電性耦合該外部麥克風111與該喇叭112，用以將該外部麥克風111所偵測之環境噪音，反相處理後傳輸到該喇叭112，該喇叭112通過該第二通道102而輸出該環境噪音的反相訊號，可將通過該第一通道101而傳至受聽者8之耳道81內的該環境噪音降低。
舉例，由於該第一通道101之通道長度大於該第二通道102之通道長度，且該外部麥克風111之位置靠近該第一外端1012的位置，因此該降噪處理器113可根據該喇叭112所輸出之該環境噪音的反相訊號通過該第二通道102的時間與該環境噪音通過該第一通道101的時間差，進行訊號與相位調整，如此使該環境噪音與其反相訊號在該第一通道101之第一內端1011與該第二通道102之第二內端1021的出口外部區域達到較佳的疊加效果，進而獲得較佳的降噪效果。
該濾音器12，其設置於該第一通道101內。請參考圖4及圖5，該第一通道101更包括一低通濾波器管狀形貌1013，其具有一腔體1014，該腔體1014用以容置該濾音器12。該低通濾波器管狀形貌1013更具有第一、第二及第三管徑S1、 S2、S3及腔體長度LL，其中該第二管徑S2大於該第一及第三管徑S1、S3，且該腔體長度LL與該第二管徑S2形成該腔體1014。該低通濾波器管狀形貌1013可強化低通濾波器的效果。
舉例，該濾音器12內含一層薄膜，可將傳入的聲音進行強度衰減。該濾音器12可使通過該殼體10的該第一通道101至該受聽者8之耳道81的1KHz以上高頻的噪音明顯提升衰減效果。
因此，本發明之具濾音器的主動式降噪裝置1結合該主動式降噪單元(其包括外部麥克風111、喇叭112及降噪處理器113)及該濾音器12形成帶通濾波器(Band Pass Filter)，用以使一特定頻域的聲音能通過該殼體進入該受聽者8之耳道81。該主動式降噪單元使通過該殼體10的該第一通道101至該耳道81的噪音，在頻率1KHz以下隨著頻率均等降低噪音強度；且該濾音器12使通過該殼體10的該第一通道101至該耳道81的噪音，在頻率1KHz以上隨著頻率增加而降低噪音效果增加。
特別是，主動式降噪單元可在80~520Hz的部分有較低的降噪效果，使人講話聲的主頻率通過，若結合濾音器將1KHz以上的噪音大幅降低，配合等響度曲線(如ISO 226)進行設計，可突顯人講話聲的響度。
本發明之具濾音器的主動式降噪裝置結合該主動式降噪單元及該濾音器，使降噪曲線可調整的自由度增加，降低主動式降噪處理軟硬體開發成本。一般的主動式降噪單元，低頻域降噪處理容易，但高頻域降噪處理難。而一般的濾音器高頻濾音效果較好，因此兩者組合可形成帶通濾波器，對於在吵雜環境中可讓講話聲或警報聲通過。
請參考圖6，在另一實施例中，該主動式降噪單元11更包括：一內部麥克風114，其位於該第一通道101之第一內端1011與該第二通道102之第二內端1021的出口外部區域附近。該內部麥克風114為接收誤差訊號的麥克風，該內部麥克風114 電性耦合該降噪處理器113，用以將誤差訊號傳至該降噪處理器113；該外部麥克風111則是接收參考訊號的麥克風，該外部麥克風111亦用以將參考訊號傳至該降噪處理器113。舉例，應用此主動降噪技術的架構，該外部麥克風111接收參考訊號，再以該內部麥克風114接收降低後的環境噪聲(誤差訊號)，誤差訊號回饋至該降噪處理器113，該降噪處理器113能自動調適數位濾波器(例如數位有限脈衝響應濾波器，Digital FIR Filter)的參數，該喇叭112內建放大器，例如D類放大器(Class-D Amplifier)，能接收該降噪處理器113的訊號並轉為音頻訊號，目的是將傳到耳道81的噪聲抑制到最小。
在又一實施例中，該主動式降噪單元11更包括：一聲音訊號元件115。該聲音訊號元件115(例如無線訊號接收器)電性耦合該降噪處理器113，用以接收一外部聲音訊號(音樂、講話聲音等)並提供給該降噪處理器113。
圖7為本發明之一實施例之耳罩式耳機之構造示意圖。該耳罩式耳機2包括：一耳罩21及本發明之具濾音器的主動式降噪裝置1，該具濾音器的主動式降噪裝置1可設置於該耳罩式耳機2之耳罩21內。
圖8為本發明之一實施例之入耳式耳機之構造示意圖。該入耳式耳機3包括：一耳機殼體31及本發明之具濾音器的主動式降噪裝置1，該具濾音器的主動式降噪裝置1可設置於該耳機殼體31內。該具濾音器的主動式降噪裝置1之殼體可與該耳機殼體31以相同材料一體成形而製造，例如。該具濾音器的主動式降噪裝置1之殼體及該耳機殼體31之材料可選自矽膠、熱塑性彈性體(Thermoplastic Elastomer,TPE)、熱塑性橡膠彈性體(Thermoplastic Rubber,TPR)、熱塑性硫化橡膠(Thermoplastic Vulcanizate,TPV)、熱塑性聚氨酯樹脂(Thermoplastic Polyurethane,TPU)、熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic Polyether Ester Elastomer,TPEE)、或它們的混合。該入耳式耳機3更包括 一凸起32，其位於該耳機殼體31之一外端312。當該入耳式耳機3插入受聽者之耳道後，該受聽者可方便抓住該凸起32而容易拔出該入耳式耳機3。該凸起32具有一通道33用以讓聲音進入該耳機殼體31。
圖9為本發明之第二實施例之具濾音器的主動式降噪裝置1’之構造示意圖。第二實施例的具濾音器的主動式降噪裝置1’大體上類似於第一實施例的具濾音器的主動式降噪裝置1，類似的元件標示類似的標號。兩者主要差異在於：該具濾音器的主動式降噪裝置1’之殼體10’的該第一通道101’包括一第一外通道101a、第一內通道101b及第二內通道101c，該第一外通道101a同時連通該第一內通道101b及第二內通道101c，且該第一內通道101b及第二內通道101c位於該第二通道102之兩側邊1023、1024，其中該濾音器12位於該第一通道101之該外通道101a內。
同樣地，本發明之具濾音器的主動式降噪裝置結合該主動式降噪單元(其包括外部麥克風111、喇叭112及降噪處理器113)及該濾音器12形成帶通濾波器(Band Pass Filter)，用以使一特定頻域的聲音能通過該殼體進入該受聽者8之耳道81。該主動式降噪單元使通過該殼體10的該第一通道101’至該耳道81的噪音，在頻率1KHz以下隨著頻率均等降低噪音強度；且該濾音器12使通過該殼體10的該第一通道101’至該耳道81的噪音，在頻率1KHz以上隨著頻率增加而降低噪音效果增加。
本發明之具濾音器的主動式降噪裝置結合該主動式降噪單元及該濾音器，使降噪曲線可調整的自由度增加，降低主動式降噪處理軟硬體開發成本。一般的主動式降噪單元，低頻域降噪處理容易，但高頻域降噪處理難。而一般的濾音器高頻濾音效果較好，因此兩者組合可形成帶通濾波器，對於在吵雜環境中可讓講話聲或警報聲通過。
本發明之第二實施例之具濾音器的主動式降噪裝 置1’亦可應用於上述耳罩式耳機或入耳式耳機。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧主動式降噪裝置
10‧‧‧殼體
101‧‧‧第一通道
1011‧‧‧第一內端
1012‧‧‧第一外端
102‧‧‧第二通道
1021‧‧‧第二內端
1022‧‧‧第二外端
1023‧‧‧側邊
111‧‧‧外部麥克風
112‧‧‧喇叭
113‧‧‧降噪處理器
12‧‧‧濾音器
8‧‧‧受聽者
81‧‧‧耳道

Claims (10)

  1. 一種具濾音器的主動式降噪裝置，包括：一殼體，包括第一及第二通道，該第一通道之第一內端及第一外端之間的通道長度大於該第二通道之第二內端及第二外端之間的通道長度；一主動式降噪單元，包括：一外部麥克風，設置於該殼體外，用以偵測一環境噪音，其中該外部麥克風之位置對應於該第一外端的位置；一喇叭，設置於該第二外端，用以輸出該環境噪音的反相訊號；以及一降噪處理器，電性耦合該外部麥克風與該喇叭；以及一濾音器，其設置於該第一通道內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具濾音器的主動式降噪裝置，其中該第一通道位於該第二通道之一側邊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具濾音器的主動式降噪裝置，其中該第一通道包括一第一外通道、第一內通道及第二內通道，該第一外通道同時連通該第一內通道及第二內通道，且該第一內通道及第二內通道位於該第二通道之兩側邊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具濾音器的主動式降噪裝置，其中該濾音器位於該第一外通道內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具濾音器的主動式降噪裝置，其中該第一通道更包括一低通濾波器管狀形貌，其具有一腔體用以容置該濾音器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具濾音器的主動式降噪裝置，其中該濾音器及該主動式降噪單元形成一帶通濾波器。
  7. 一種耳罩式耳機，包括：一耳罩；以及 如申請專利範圍第1項所述之具濾音器的主動式降噪裝置，其設置於該耳罩內。
  8. 一種入耳式耳機，包括：一耳機殼體；以及如申請專利範圍第1項所述之具濾音器的主動式降噪裝置，其設置於該耳機殼體內。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之入耳式耳機，其中該殼體與該耳機殼體以相同材料一體成形而製造。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之入耳式耳機，更包括一凸起，其位於該耳機殼體之一外端，且該凸起具有一通道用以讓聲音進入該耳機殼體。
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