TW202209305A - 主動噪音消除系統的校準及穩定技術 - Google Patents

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湯瑪斯 艾瑞岡
珊卡爾 拉陶得
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Abstract

一種校準耳機之方法可包含：將一主動噪音消除（ANC）耳機固定到一校準裝置，該校準裝置包含被配置成支承該ANC耳機之一人耳模型，該人耳模型具有被配置成在解剖學上相似於一人類耳道之一耳道、以及被配置成在解剖學上相似於一人類耳甲之一耳甲，該耳道自該耳甲延伸到該耳道之一內端；該ANC耳機根據一參考音調產生一音頻信號；決定該音頻信號的一特性；將該音頻信號的該特性與一被預先決定的參考特性比較；以及根據該比較而調整該ANC耳機之一增益值。亦揭露了額外的方法及設備。

Description

主動噪音消除系統的校準及穩定技術
本發明之揭露係有關音訊處理，且尤係有關一種用於耳機中之主動噪音消除系統的校準及穩定之系統及方法。
主動噪音消除（Active Noise Cancelation；簡稱ANC）是一種降低透過耳機聆聽音訊的使用者接收的不希望的噪音量之常見方法。通常藉由透過耳機的揚聲器播放抗噪信號（anti-noise signal），而實現此種噪音降低。該抗噪信號是並未設有ANC時將在耳腔中之不希望的噪音信號的反相之近似值。該不希望的噪音信號在與該抗噪信號結合時，將會被中和。
在一般噪音消除程序中，一或多個麥克風即時地監聽耳機的耳罩（ear cup）中之環境噪音（ambient noise）或殘餘噪音（residual noise），然後該揚聲器播放自該環境或殘餘噪音產生的抗噪信號。可根據諸如耳機的物理形狀及尺寸、揚聲器及麥克風換能器（transducer）的頻率響應（frequency response）、揚聲器換能器在各種頻率下的延遲、麥克風的靈敏度、以及揚聲器及麥克風換能器之置放等的因素，而以不同的方式產生該抗噪信號。
在前饋式ANC中，麥克風感測環境噪音，但是不明顯地感測揚聲器播放的音訊。換言之，前饋式麥克風不監聽直接來自揚聲器的信號。在回饋式ANC中，麥克風被放置在用於感測耳腔中出現之全部音頻信號的一位置。因此，該麥克風感測環境噪音以及揚聲器播放的音訊之總和。複合前饋式及回饋式ANC系統使用前饋式及回饋式麥克風。
為了實現最佳的噪音抑制（noise rejection）性能，通常精確地調整前饋式及回饋式ANC路徑的濾波器增益值。即使如此，ANC路徑中之各部分的增益可能有所不同。這些差異可能是由於揚聲器及麥克風換能器的靈敏度或效率之變化所造成的。如果前饋式ANC的增益太高，則環境噪音可能滲入耳機中。此外，如果回饋式ANC的增益太高，則在揚聲器播放的音訊中可能有較大的高頻嘶嘶噪音（hiss noise）或響亮的自發性振盪（spontaneous oscillation）。另一方面，如果回饋式ANC的增益或前饋式ANC的增益太低，則可能有較低的噪音消除量。
即使在校準之後，回饋式ANC的增益也可能自被調整的值增加或減少。如果增益增加，則回饋式ANC路徑可能自發性地振盪，且振盪的振幅只被最大額定值限制。
本發明之實施例解決先前技術的這些及其他問題。
本發明所揭露標的之實施例決定一耳機的一主動噪音消除（ANC）系統中之音頻信號之一特性，且將該特性用於校準且減少該ANC系統中之不穩定。
因此，用於校準ANC耳機的一裝置之至少某些實施例可包含一人耳模型（ear model）及一聲學路徑（acoustic path）。該人耳模型可被配置成支承一ANC耳機，且該人耳模型可包含一耳道（ear canal），該耳道自該耳道的一外端延伸到該耳道的一內端。該聲學路徑可在該耳道的外部，且可在該聲學路徑的一第一末端上自該人耳模型的該耳道之該內端延伸到該聲學路徑的一相反的第二末端。該聲學路徑可被配置成將自該耳道的該內端接收之一機械式聲波傳輸到在該人耳模型外部且鄰近該耳道的該外端之一區域。
在另一觀點中，用於校準ANC耳機的一方法之至少某些實施例可包含下列步驟：將一主動噪音消除（ANC）耳機固定到一校準裝置，該校準裝置包含被配置成支承該ANC耳機之一人耳模型，該人耳模型具有被配置成在解剖學上相似於一人耳道之一耳道、以及被配置成在解剖學上相似於一人耳甲之一耳甲（concha），該耳道自該耳甲延伸到該耳道之一內端；該ANC耳機根據一參考音調產生一音頻信號；決定該音頻信號的一特性；將該音頻信號的該特性與一被預先決定的參考特性比較；以及根據該比較而調整該ANC耳機之一增益值。
在又一觀點中，用於減少ANC系統中之回饋不穩定的一方法之至少某些實施例可包含下列步驟：決定一ANC系統的一回饋式ANC路徑中之一回饋路徑信號之一特性；決定該ANC系統中之一第二信號之一特性，該第二信號是在該回饋式ANC路徑之外；將該回饋路徑特性與該第二信號特性比較；以及根據該比較而調整該回饋式ANC路徑之一回饋增益值。
在又一觀點中，用於減少ANC系統中之前饋不穩定的一方法之至少某些實施例可包含下列步驟：決定一ANC系統的一前饋式ANC路徑中一前饋抗噪信號之一特性；決定該ANC系統中之一第二信號之一特性；將該前饋抗噪特性與該第二信號特性比較；以及根據該比較而調整該前饋式ANC路徑之一前饋增益值。
一般而言，根據本發明的實施例之系統及方法決定一耳機的一主動噪音消除（ANC）系統中之音頻信號之一特性，且將該特性用於校準且減少該ANC系統中之不穩定。
在校準期間，可將該耳機安裝在一校準裝置，且該校準裝置可具有自該校準裝置的一耳道部分至接近該ANC系統的一前饋麥克風的一區域之一聲學路徑。此外，可將為了校準該耳機而決定之該特性與先前被設定到一所需性能等級的一參考標準耳機的一對應之特性比較。該特性可以是諸如功率位準（power level）或能量位準（energy level）。
為了減少不穩定，可將該ANC系統的一部分之一特性與該ANC系統的另一部分之一特性比較。且可根據該比較而調整該ANC系統內之一增益值。對於穩定性分析而言，該特性可以是諸如該ANC系統的該一部分及另一部分之快速傅立葉轉換向量。
第1圖是被用於說明揭露的系統及方法的觀點的一常見耳機的各部分之一圖式。耳機101可以是具有一主動噪音消除（ANC）系統且被配置成戴在使用者的耳上或耳中之任何耳機。如第1圖所示，耳機101可包含一耳機外殼102、一揚聲器103、一回饋麥克風104、以及一前饋麥克風105。耳機外殼102通常包封揚聲器103、回饋麥克風104、及前饋麥克風105。回饋麥克風104及前饋麥克風105通常以將於下文中參照第2圖所述之方式操作。
雖然下文中以與諸如第1圖之耳機101等的一耳機有關之方式說明某些特徵，但是除非另有指示，否則該等特徵同樣適用於其中包括入耳式監聽器（in-ear monitor）以及被用於一耳或兩耳之耳墊或耳罩式耳機等的其他類型的耳機。
第2圖是被用於說明揭露的系統及方法的觀點的一常見ANC系統200的各部分之一功能方塊圖。ANC系統200可以是第1圖之耳機101等的一耳機之一ANC系統。如第2圖所示，ANC系統200可包含一前饋增益206、一回饋增益207、一揚聲器203、一前饋麥克風205、一回饋麥克風204、一前饋轉移函數208（HFF ）、一回饋轉移函數209（HFB ）、一第一混合器210、以及一第二混合器211。
在一回饋式ANC路徑212中，回饋麥克風204根據揚聲器203的一音訊輸出而產生一回饋麥克風信號213。回饋轉移函數209接收回饋麥克風信號213，且將一被轉換之回饋信號214輸出到回饋增益207。回饋增益207接收被轉換之回饋信號214，且將一回饋抗噪信號215輸出到揚聲器203，而揚聲器203產生該音訊輸出。
在一前饋式ANC路徑216中，前饋麥克風205根據一環境噪音位準而產生一前饋麥克風信號217。前饋轉移函數208接收前饋麥克風信號217，且將一被轉換之前饋信號218輸出到前饋增益206。前饋增益206接收被轉換之前饋信號218，且將一前饋抗噪信號219輸出到揚聲器203。
第一混合器210被配置成結合回饋抗噪信號215、前饋抗噪信號219、及一第一音頻信號220。第二混合器211被配置成結合回饋麥克風信號213及一第二音頻信號221。第一音頻信號220可以是諸如將被透過揚聲器203播放作為一音訊播放信號的所需音訊之一信號特性。通常在音訊播放期間由諸如一測試儀器、一媒體播放器、一電腦、一收音機、一行動電話、一CD播放器、或一遊戲機等的一音源產生或取得第一音頻信號220。第二音頻信號221可以是諸如與第一音頻信號220相同的音頻信號、或將第一音頻信號220濾波而取得的音頻信號、或將用於取得第一音頻信號220的音源濾波而取得的音頻信號。
一般而言，一耳機的聲學特性（acoustic property）明顯取決於人耳或以人耳方式而使用的人耳模型之物理特性。第3圖是用於一耳機301或耳塞（earbud）的一校準裝置300的一實施例的各重要部分之一圖式。如第3圖所示，用於一耳機301的一校準裝置300可包含一人耳模型322、一前饋聲學路徑323、以及一阻尼隔開件324。
人耳模型322被配置成在耳機301的校準及測試期間支承諸如第1圖的耳機101等的一耳機。人耳模型322也被配置成相似於人耳的全部或部分。因此，人耳模型322可包含被配置成在解剖學上相似於一人耳廓之一耳廓325、被配置成在解剖學上相似於一人耳甲之一耳甲326、以及被配置成在解剖學上相似於一人耳道之一耳道327。耳道327自耳甲326上的耳道327之一外端353延伸到耳道327之一內端352。人耳模型322最好是被配置成在耳機301與耳間之輪廓及空氣容積上相似於人耳的全部或部分。例如，耳道327可具有大約1毫升（mL）至2毫升（例如，大約1.5毫升）的容積，該容積可近似於一般人耳道的容積。
前饋聲學路徑323具有一第一末端354及一第二末端355。前饋聲學路徑323被配置成提供自人耳模型322的耳道327的內端352至測試中之耳機301的前饋麥克風105之一聲學路徑。例如，如第3圖所示，測試中之耳機301的前饋麥克風105可諸如在人耳模型322的外部且鄰近人耳模型322的耳甲326之一區域。
阻尼隔開件324被配置成在聲學上消除或減少前饋聲學路徑323的額外空氣容積之效應。這是因為：將前饋聲學路徑323耦合到耳道327時，可改變人耳模型322內之空氣容積，而導致變差的揚聲器響應。然而，設有阻尼隔開件324時，耳機的揚聲器之響應可實質上相同於人耳模型322並未包含前饋聲學路徑323時的響應。因此，阻尼隔開件324可容許使用者將耳道327的阻抗與一般人耳道的阻抗匹配。舉例而言，可以阻礙性的織物或泡沫塑料製造阻尼隔開件324。
第4圖是根據本發明的實施例而用於校準的一回饋式ANC路徑400的重要部分之一功能方塊圖。用於校準的該回饋式ANC路徑400可以是第2圖的ANC系統200之一部分。此外，用於校準的該回饋式ANC路徑400可以是被安裝在諸如第3圖之校準裝置300等的一校準裝置之諸如第1圖之耳機101等的校準中之一耳機之一回饋式ANC路徑400。如第4圖所示，用於校準的一回饋式ANC路徑400可包含一回饋增益407、一揚聲器403、一回饋麥克風404、以及一回饋轉移函數409（HFB ）。揚聲器403及回饋麥克風404可分別對應於第1圖之揚聲器103及回饋麥克風104。
回饋麥克風404根據揚聲器403的一音訊輸出而產生一回饋麥克風信號413。回饋轉移函數409接收回饋麥克風信號413，且將一被轉換之回饋信號414輸出到回饋增益407。回饋增益407接收被轉換之回饋信號414，且將一回饋抗噪信號415輸出到揚聲器403，而揚聲器403產生該音訊輸出。回饋增益407最好是一可變增益級。回饋增益407可以是一獨立的增益級，或者可將回饋增益407與回饋式ANC路徑400中之另一增益級合併。
如第4圖所示，可藉由執行下列操作而計算自揚聲器403的一輸入端428至一回饋麥克風輸出429之增益或位準比TFB ：將回饋增益407（GFB ）設定為零；在揚聲器403上播放一參考音調；決定揚聲器403的輸入端428上之一位準XSPK ；以及決定回饋麥克風輸出429上之一位準YMFB 。
該參考音調可以是諸如具有用於表現出該回饋麥克風及揚聲器403的總增益的一頻率之一單音調。該參考音調也可以是一布朗雜訊（Brown noise）。該參考音調最好是具有被置於一些重要頻帶中且被不同地加權的一些個別成分之多音調。例如，該多音調可包含三個音調：在頻率大約200赫（Hz）及增益大約為-20 dBFS上之一第一音調、在頻率大約1000 Hz及增益大約為-10 dBFS上之一第二音調、以及在頻率大約5000 Hz及增益大約為 -10 dBFS上之一第三音調。但是，這些值只是例子，且可使用其他的值，這尤其是因為這些值主要取決於被校準的精確ANC系統。
可自該等被決定的位準XSPK 及YMFB 而以下式提供TFB ：
Figure 02_image001
使用方程式1時，可藉由決定一參考標準的揚聲器403的輸入端428上之位準XSPK ，且決定該參考標準的回饋麥克風輸出429上之位準YMFB ，而計算該參考標準的增益TFB 。為了便於本發明的討論，該參考標準的增益TFB 被稱為TFB_REF 。
該參考標準最好是諸如第1圖的耳機101等的一耳機，且該耳機之回饋式ANC路徑400及前饋式ANC路徑500（請參閱第5圖）已預先針對最佳性能而被調整或以其他方式被設定為一所需之性能等級。例如，可以人工方式將該參考標準調整到一所需之性能等級。該參考裝置具有非零且被標示為GFB_REF 的一調整後回饋增益407。
因此，可以下式決定校準後回饋增益407：
Figure 02_image003
在方程式2中，GTOL 是被施加到該方程式的一公差，用以指示：不包括GTOL 時，方程式2的右端無須正好等於方程式2的左端。即使如此，GTOL 在某些實施例中可被設定為零。在其他實施例中，GTOL 可被預先設定為0.05分貝（dB）或0.1 dB的另一值。亦可使用其他的正值或負值。
在此種方式下，可在沒有該耳機外部的一揚聲器之情形下，或在沒有該耳機外部的一麥克風之情形下，校準回饋增益。即使如此，在某些實施例中，亦可使用一外部的揚聲器或外部的麥克風、或以上兩者。
第5圖是根據本發明的實施例而用於利用一校準裝置校準的一前饋式ANC路徑500的重要部分之一功能方塊圖。用於校準的該前饋式ANC路徑500可以是第2圖的ANC系統200之一部分。此外，用於校準的該前饋式ANC路徑500可以是被安裝在諸如第3圖之校準裝置300等的一校準裝置之前文中參照第4圖說明的校準中之該耳機之一前饋式ANC路徑。如第5圖所示，用於校準的一前饋式ANC路徑500可包含一前饋增益506、一揚聲器503、一前饋麥克風505、以及一前饋轉移函數508（HFF ）。揚聲器503及前饋麥克風505可分別對應於第1圖之揚聲器103及前饋麥克風105。
前饋麥克風505根據一環境噪音位準而產生一前饋麥克風信號517。前饋轉移函數508接收前饋麥克風信號517，且將一被轉換之前饋信號518輸出到前饋增益506。前饋增益506接收被轉換之前饋信號518，且將一前饋抗噪信號519輸出到揚聲器503。前饋增益506最好是一可變增益級。前饋增益506可以是一獨立的增益級，或者可將前饋增益506與前饋式ANC路徑500中之另一增益級合併。
在第5圖的設置以及諸如第3圖之校準裝置300等的具有一前饋聲學路徑之一校準裝置之情況下，可藉由執行下列操作而計算自揚聲器503的一輸入端528至一前饋麥克風輸出530之增益或位準比TFF ：將前饋增益506（GFF ）設定為零；在揚聲器503上播放一參考音調；決定揚聲器503的輸入端528上之一位準XSPK ；以及決定前饋麥克風輸出530上之一位準YMFF 。該參考音調是大致如前文中參照第4圖所述之參考音調。
可自該等被決定的位準XSPK 及YMFF 而以下式提供TFF ：
Figure 02_image005
使用方程式3時，可藉由決定一參考標準的揚聲器503的輸入端528上之位準XSPK ，且決定該參考標準的前饋麥克風輸出530上之位準YMFF ，而計算該參考標準增益的TFF 。為了便於本發明的討論，該參考標準增益的TFF 被稱為TFF_REF 。該參考裝置具有非零且被標示為GFF_REF 的一調整後前饋增益506。
因此，可以下式決定校準後前饋增益506：
Figure 02_image007
GTOL 是大致如前文中參照方程式2所述。最好是在諸如使用前文中參照第4圖所述之操作而決定了校準中之該耳機的GFB 之後，決定GFF 。
在此種方式下，可在沒有該耳機外部的一揚聲器或一麥克風之情形下，校準前饋增益。即使如此，在替代實施例中，亦可使用一外部的揚聲器或外部的麥克風、或以上兩者。
第6圖是根據本發明的實施例而用於校準的一ANC系統600的重要部分之一功能方塊圖。用於校準的ANC系統600可以是第1圖的耳機101之一ANC系統。與前文中參照第5圖所述者相比之下，第6圖所示之設置是大致針對被安裝在沒有前文中參照第3圖所述的前饋聲學路徑的一校準裝置或一人耳模型之一耳機。
如第6圖所示，用於校準的ANC系統600可包含一前饋增益606、一回饋增益607、一揚聲器603、一前饋麥克風605、一回饋麥克風604、一前饋轉移函數608（HFF ）、一回饋轉移函數609（HFB ）、以及混合器610。這些組件大致如前文中參照第2圖所述，且可以是諸如第1圖之耳機101等的一耳機的一部分。用於校準之ANC系統600亦可包含該耳機外部的一噪音源631或揚聲器。
在第6圖的設置下，可藉由執行下列操作而決定前饋增益606（GFF ）：首先諸如以前文中參照第4圖所述之方式決定回饋增益607（GFB ）；在該外部噪音源631上播放參考音調；以及於播放該參考音調時，決定一回饋麥克風輸出629上之位準YMFB 及一前饋麥克風輸出630上之位準YMFF 。最好是實質上同時決定該位準YMFB 及該位準YMFF 。
與前文中參照第4及5圖所述者類似，已預先針對最佳性能而被調整或以其他方式被設定為一所需的性能等級之一參考標準具有被標示為GFB_REF 的一調整後回饋增益607以及被標示為GFF_REF 的一調整後前饋增益606。該參考標準進一步具有該參考標準的回饋麥克風輸出629上之一被決定的位準YMFB_REF 以及該參考標準的前饋麥克風輸出630上之一被決定的位準YMFF_REF 。
因此，可由方程式5提供校準後前饋增益606，其中GTOL 大致如前文中參照方程式2所述：
Figure 02_image009
參照第4、5、及6圖所述之該等位準可以是諸如一功率位準或一能量位準。在某些實施例中，可以均方法估計或決定該等位準。在使用布朗雜訊的某些實施例中，可將快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform；簡稱FFT）用於估計各頻帶中之該等位準。
因此，再參閱對第1至6圖的說明之後，一種用於校準耳機之方法可包含下列步驟：將一ANC耳機固定到一校準裝置；該ANC耳機根據一參考音調產生一音頻信號；決定該音頻信號的一特性；將該音頻信號的該特性與一被預先決定的參考特性比較；以及根據該比較而調整該ANC耳機之一增益值。該校準裝置可包含被配置成支承該ANC耳機之一人耳模型。該人耳模型可具有被配置成在解剖學上相似於一人耳道之一耳道、以及被配置成在解剖學上相似於一人耳甲之一耳甲。該耳道可自該耳甲延伸到該耳道之一內端。
決定該音頻信號的一特性之該操作可包含下列步驟：將回饋增益值設定為零；在該ANC耳機的一揚聲器上播放該參考音調，同時產生該音頻信號；以及決定該ANC耳機的一回饋麥克風的輸出與該揚聲器的一輸入端間之位準比。
該校準裝置亦可包含被配置成將自該耳道的該內端接收之一機械式聲波傳輸到在該人耳模型外部且鄰近該人耳模型的該耳甲的一區域之一聲學路徑。在此類實施例中，決定該音頻信號的一特性之該操作可包含下列操作：將前饋增益值設定為零；在該ANC耳機的一揚聲器上播放該參考音調，同時產生該音頻信號；以及決定自該揚聲器的一輸入端至該ANC耳機的一前饋麥克風的輸出之位準比。
一旦完成了校準之後，偵測該回饋式ANC路徑中之振盪且執行不穩定控制措施可能是重要的。第7圖是根據本發明的實施例而具有回饋不穩定控制的一增強型ANC系統700的重要部分之一功能方塊圖。如第7圖所示，一回饋麥克風704根據一揚聲器703的一音訊輸出而產生一回饋麥克風信號713。一回饋轉移函數709接收回饋麥克風信號713，且將一被轉換之回饋信號714輸出到一回饋增益707。回饋增益707接收被轉換之回饋信號714，且將一回饋抗噪信號715輸出到揚聲器703，而揚聲器703產生該音訊輸出。
一前饋麥克風705根據一環境噪音位準而產生一前饋麥克風信號717。一前饋轉移函數708接收前饋麥克風信號717，且將一被轉換之前饋信號718輸出到一前饋增益706。前饋增益706接收被轉換之前饋信號718，且將一前饋抗噪信號719輸出到揚聲器703。
一第一混合器710被配置成結合回饋抗噪信號715、前饋抗噪信號719、及一第一音頻信號720。一第二混合器711被配置成結合回饋麥克風信號713及一第二音頻信號721。第一音頻信號720及第二音頻信號721大致係如前文中參照第2圖所述。
回饋麥克風704、前饋麥克風705、揚聲器703、回饋轉移函數709、前饋轉移函數708、回饋增益707、前饋增益706、第一混合器710、及第二混合器711最好是諸如第1圖之耳機101等的一耳機的一ANC子系統736之一部分。
一第一取樣率降低器737自前饋麥克風705接收前饋麥克風信號717，且降低前饋麥克風信號717的取樣率。例如，第一取樣率降低器737可將前饋麥克風信號717之取樣率降低至大約48千赫（kHz）。取樣率被降低之前饋麥克風信號717然後被暫時儲存在一第一緩衝器738。一第一快速傅立葉轉換（FFT）轉移函數739然後接收該被緩衝之前饋麥克風信號717，且決定該被緩衝之前饋麥克風信號717之一離散傅立葉轉換。在本發明之揭露中，第一FFT轉移函數739之輸出被稱為前饋噪音FFT向量740。
一第二取樣率降低器741自回饋增益707接收回饋抗噪信號715，且降低回饋抗噪信號715的取樣率。例如，第二取樣率降低器741可將回饋抗噪信號715之取樣率降低至大約48 kHz。取樣率被降低之回饋抗噪信號715然後被暫時儲存在一第二緩衝器742。一第二FFT轉移函數743然後接收該被緩衝之回饋抗噪信號715，且決定該被緩衝之回饋抗噪信號715之一離散傅立葉轉換。在本發明之揭露中，第二FFT轉移函數743之輸出被稱為回饋抗噪FFT向量744。
第二取樣率降低器741最好是接收回饋抗噪信號715。或者，第二取樣率降低器741可替代地接收回饋麥克風信號713或被轉換之回饋信號714且降低該信號之取樣率，然後取樣率被降低之該信號被暫時儲存在第二緩衝器742，且如前文所述被第二FFT轉移函數743執行操作。
第一音頻信號720被暫時儲存在一第三緩衝器745。一第三FFT轉移函數746然後接收該被緩衝之第一音頻信號720，且決定該被緩衝之第一音頻信號720之一離散傅立葉轉換。在本發明之揭露中，第三FFT轉移函數746之輸出被稱為前向音訊FFT向量747。雖然第7圖中未示出，但是第一音頻信號720亦可在被第三FFT轉移函數746執行操作之前，先被降低取樣率。
第一緩衝器738、第二緩衝器742、及第三緩衝器745最好是分別被配置成儲存256個樣本。因此，當第一取樣率降低器737及第二取樣率降低器741分別在大約48 kHz的取樣率下提供樣本時，第一緩衝器738及第二緩衝器742可包含用於儲存該等256個樣本的大約5.3毫秒之延遲。在被緩衝之前饋麥克風信號717、被緩衝之回饋抗噪信號715、及被緩衝之第一音頻信號720的各別的離散傅立葉轉換被決定之前，最好是將諸如三角窗、漢明窗（Hamming window）、或漢寧窗（Hanning window）等的一窗函數施加到該等信號。此外，當第一緩衝器738、第二緩衝器742、及第三緩衝器745分別被配置成儲存256個樣本時，第一FFT轉移函數739、第二FFT轉移函數743、及第三FFT轉移函數746最好是分別被配置成執行256點FFT。
一不穩定控制器748可收集前饋噪音FFT向量740、回饋抗噪FFT向量744、及前向音訊FFT向量747，且亦根據這些被收集的向量中之一或多個向量而作出一不穩定決定。例如，不穩定控制器748可執行前饋噪音FFT向量740與回饋抗噪FFT向量744間之一時段比較。舉另一例子，如果在前饋噪音FFT向量740與回饋抗噪FFT向量744間之一時段比較期間，一時段（bin）中之前饋噪音FFT向量740超過了一對應時段中之回饋抗噪FFT向量744加上一第一臨界向量，則不穩定控制器748可決定有一不穩定存在。換言之，當不穩定控制器748正在比較時段編號24時，如果時段編號24的前饋噪音FFT向量740中之值超過了該第一臨界向量加上時段編號24的回饋抗噪FFT向量744中之值，則決定有一不穩定存在。但是，在某些實施例中，可在不將該第一臨界向量加到回饋抗噪FFT向量744或將該第一臨界向量設定為零之情形下，進行該比較。
替代地或額外地，不穩定控制器748可執行前向音訊FFT向量747與回饋抗噪FFT向量744間之一時段比較。例如，如果在前向音訊FFT向量747與回饋抗噪FFT向量744間之一時段比較期間，一時段中之前向音訊FFT向量747超過了一對應時段中之回饋抗噪FFT向量744加上一第二臨界向量，則不穩定控制器748可決定有一不穩定存在。但是，在某些實施例中，可在不將該第二臨界向量加到回饋抗噪FFT向量744或將該第二臨界向量設定為零之情形下，進行該比較。該第二臨界向量最好是不同於該第一臨界向量。
如果不穩定控制器748決定有一不穩定存在，則不穩定控制器748可將指令749輸出到回饋增益707，以便減少回饋增益707值。在此種方式下，可將不穩定控制提供給ANC系統的回饋式ANC路徑。
第二取樣率降低器741、第一緩衝器738、第二緩衝器742、第三緩衝器745、第一FFT轉移函數739、第二FFT轉移函數743、第三FFT轉移函數746、及不穩定控制器748是一數位信號處理器750的一部分。數位信號處理器750可諸如位於諸如第1圖之耳機101等的一耳機中。
第8圖是根據本發明的實施例而具有前饋不穩定控制的一增強型ANC系統800的重要部分之一功能方塊圖。如第8圖所示，一回饋麥克風804根據一揚聲器803的一音訊輸出而產生一回饋麥克風信號813。一回饋轉移函數809接收回饋麥克風信號813，且將一被轉換之回饋信號814輸出到一回饋增益807。回饋增益807接收被轉換之回饋信號814，且將一回饋抗噪信號815輸出到揚聲器803，而揚聲器803產生該音訊輸出。
一前饋麥克風805根據一環境噪音位準而產生一前饋麥克風信號817。一前饋轉移函數808接收前饋麥克風信號817，且將一被轉換之前饋信號818輸出到一前饋增益806。前饋增益806接收被轉換之前饋信號818，且將一前饋抗噪信號819輸出到揚聲器803。
一第一混合器810被配置成結合回饋抗噪信號815、前饋抗噪信號819、及一第一音頻信號820。一第二混合器811被配置成結合回饋麥克風信號813及一第二音頻信號821。第一音頻信號820及第二音頻信號821大致係如前文中參照第2圖所述。
回饋麥克風804、前饋麥克風805、揚聲器803、回饋轉移函數809、前饋轉移函數808、回饋增益807、前饋增益806、第一混合器810、及第二混合器811最好是諸如第1圖之耳機101等的一耳機的一ANC子系統836之一部分。
一第一取樣率降低器837自前饋麥克風805接收前饋麥克風信號817，且降低前饋麥克風信號817的取樣率。取樣率被降低之前饋麥克風信號817然後被暫時儲存在一第一緩衝器838。一第一快速傅立葉轉換（FFT）轉移函數839然後接收該被緩衝之前饋麥克風信號817，且決定該被緩衝之前饋麥克風信號817之一離散傅立葉轉換。在本發明之揭露中，第一FFT轉移函數839之輸出被稱為前饋噪音FFT向量840。
一第二取樣率降低器841自前饋增益806接收前饋抗噪信號819，且降低前饋抗噪信號819的取樣率。取樣率被降低之前饋抗噪信號819然後被暫時儲存在一第二緩衝器842。一第二FFT轉移函數843然後接收該被緩衝之前饋抗噪信號819，且決定該被緩衝之前饋抗噪信號819之一離散傅立葉轉換。在本發明之揭露中，第二FFT轉移函數843之輸出被稱為前饋抗噪FFT向量851。
第二取樣率降低器841最好是接收前饋抗噪信號819。或者，第二取樣率降低器841可替代地接收前饋麥克風信號817或被轉換之前饋信號818且降低該信號之取樣率，然後取樣率被降低之該信號被暫時儲存在第二緩衝器842，且被第二FFT轉移函數843執行操作。
第一音頻信號820被暫時儲存在一第三緩衝器845。一第三FFT轉移函數846然後接收該被緩衝之第一音頻信號820，且決定該被緩衝之第一音頻信號820之一離散傅立葉轉換。在本發明之揭露中，第三FFT轉移函數846之輸出被稱為前向音訊FFT向量847。
第一緩衝器838、第二緩衝器842、及第三緩衝器845最好是分別被配置成儲存256個樣本。在被緩衝之前饋麥克風信號817、被緩衝之前饋抗噪信號819、及被緩衝之第一音頻信號820的各別的離散傅立葉轉換被決定之前，最好是將諸如三角窗、漢明窗、或漢寧窗等的一窗函數施加到該等信號。
一不穩定控制器848可收集前饋噪音FFT向量840、前饋抗噪FFT向量851、及前向音訊FFT向量847，且亦作出一不穩定決定。例如，不穩定控制器848可執行前饋噪音FFT向量840與前饋抗噪FFT向量851間之一時段比較。舉另一例子，如果在前饋噪音FFT向量840與前饋抗噪FFT向量851間之一時段比較期間，一時段中之前饋噪音FFT向量840超過了一對應時段中之前饋抗噪FFT向量851加上一第一前饋臨界向量，則不穩定控制器848可決定有一不穩定存在。換言之，當不穩定控制器848正在比較時段編號77時，如果時段編號77的前饋噪音FFT向量840中之值超過了該第一前饋臨界向量加上時段編號77的前饋抗噪FFT向量851中之值，則決定有一不穩定存在。
替代地或額外地，不穩定控制器848可執行前向音訊FFT向量847與前饋抗噪FFT向量851間之一時段比較。例如，如果在前向音訊FFT向量847與前饋抗噪FFT向量851間之一時段比較期間，一時段中之前向音訊FFT向量847超過了一對應時段中之前饋抗噪FFT向量851加上一第二前饋臨界向量，則不穩定控制器848可決定有一不穩定存在。該第二前饋臨界向量最好是不同於該第一前饋臨界向量。
如果不穩定控制器848決定有一不穩定存在，則不穩定控制器848可將指令849輸出到前饋增益806，以便減少前饋增益806值。在此種方式下，可將不穩定控制提供給ANC系統的前饋式ANC路徑。
第二取樣率降低器841、第一緩衝器838、第二緩衝器842、第三緩衝器845、第一FFT轉移函數839、第二FFT轉移函數843、第三FFT轉移函數846、及不穩定控制器848是一數位信號處理器850的一部分。數位信號處理器850可諸如位於諸如第1圖之耳機101等的一耳機中。
雖然於第7及8圖中分別示出，但是在某些實施例中，一ANC系統可具有回饋不穩定控制及前饋不穩定控制。此外，雖然對第7及8圖的說明將重點放在FFT轉移函數，但是如果信號處理方法可將信號分解為不同的成分或特性，則亦可使用其他的信號處理方法。舉例而言，可使用信號相關（signal correlation）而在時域中處理信號。
可在特別創建的硬體、韌體、數位信號處理器、或包含根據程控指令而操作的處理器的經特殊編程之一般用途電腦上操作本發明之實施例。在本說明書的用法中，術語"控制器"或"處理器"將意圖包括微處理器、微電腦、特定應用積體電路（ASIC）、以及專用硬體控制器。可以諸如在一或多個電腦（包括監聽模組）或其他裝置執行的一或多個程式模組中之電腦可使用的資料及電腦可執行的指令實施本發明的一或多個觀點。一般而言，程式模組包括被電腦或其他裝置中之處理器執行時將執行特定的任務或實施特定的抽象資料類型之常式、程式、物件、組件、及資料結構等的形式。電腦可執行的指令可被儲存在諸如硬碟、光碟、抽取式儲存媒體、固態記憶體、及隨機存取記憶體（RAM）等的非暫態電腦可讀取的媒體中。如熟悉此項技術者將可了解的，在各實施例中，可視需要而合併或分散該等程式模組的功能。此外，可以韌體或諸如積體電路及現場可程式閘陣列（Field Programmable Gate Array；簡稱FPGA）等的硬體等效物全部或部分地實施該功能。特定的資料結構可被用於更有效地實施本發明的一或多個觀點，且此類資料結構被考慮到係在本發明所述的電腦可執行的指令及電腦可使用的資料之範圍內。
本發明揭露之標的之前文中述及的版本有已被說明的或對此項技術具有一般知識者易於得知的許多優點。即使如此，在本發明揭露的設備、系統、或方法之所有版本中，所有這些優點或特徵都不是必要的。
此外，本書面說明提到特定的特徵。我們應可了解：本說明書中之揭露包括那些特定的特徵之所有可能的組合。例如，當在一特定觀點或實施例之情境中揭露一特定的特徵時，該特定亦可盡可能地被用於其他觀點及實施例之情境中。
此外，當在本申請案中提到一方法有兩個或更多個被界定的步驟或操作時，可按照任何順序或同時執行該等被界定的步驟或操作，除非上下文排除了那些可能性。
此外，術語"包含"及其語法上的同義詞在本申請案中被用於意指在可供選擇採用之情形下存在有其他組件、特徵、步驟、程序、操作等的項目。例如，"包含"（"comprising" or "which comprise"）組件A、B、及C之一物品可能只包含組件A、B、及C，或者可能包含組件A、B、及C以及一或多個其他組件。
雖然為了例證之目的而已示出且說明了本發明的一些特定實施例，但是我們應可了解：可在不脫離本發明之精神及範圍下，作出各種修改。因此，除了受最後的申請專利範圍之限制外，本發明不應被限制。
101,301:耳機 102:耳機外殼 103,203,403,503,603,703,803:揚聲器 104,204,404,604,704,804:回饋麥克風 105,205,505,605,705,805:前饋麥克風 200,600,700,800:主動噪音消除系統 206,506,606,706,806:前饋增益 207,407,607,707,807:回饋增益 208,508,608,708,808:前饋轉移函數 209,409,609,709,809:回饋轉移函數 210,710,810:第一混合器 211,711,811:第二混合器 212,400:回饋式主動噪音消除路徑 213,413,713,813:回饋麥克風信號 214,414,714,814:被轉換之回饋信號 215,415,715,815:回饋抗噪信號 216,500:前饋式主動噪音消除路徑 217,517,717,817:前饋麥克風信號 218,518,718,818:被轉換之前饋信號 219,519,719,819:前饋抗噪信號 220,720,820:第一音頻信號 221,721,821:第二音頻信號 300:校準裝置 322:人耳模型 323:前饋聲學路徑 324:阻尼隔開件 325:耳廓 326:耳甲 327:耳道 353:外端 352:內端 354:第一末端 355:第二末端 428,528:輸入端 429,629:回饋麥克風輸出 530,630:前饋麥克風輸出 610:混合器 631:噪音源 736,836:主動噪音消除子系統 737,837:第一取樣率降低器 738,838:第一緩衝器 739,839:第一快速傅立葉轉換轉移函數 740,840:前饋噪音快速傅立葉轉換向量 741,841:第二取樣率降低器 742,842:第二緩衝器 743,843:第二快速傅立葉轉換轉移函數 744:回饋抗噪快速傅立葉轉換向量 745,845:第三緩衝器 746,846:第三快速傅立葉轉換轉移函數 747,847:前向音訊快速傅立葉轉換向量 748,848:不穩定控制器 749,849:指令 750,850:數位信號處理器 851:前饋抗噪快速傅立葉轉換向量
第1圖是被用於說明揭露的系統及方法的觀點的一例示耳機的重要部分之一圖式。
第2圖是被用於說明揭露的系統及方法的觀點的一例示ANC系統的重要部分之一功能方塊圖。
第3圖是根據各實施例而用於一耳機的一校準裝置的重要部分之一圖式。
第4圖是根據各實施例而用於校準的一回饋式ANC路徑的重要部分之一功能方塊圖。
第5圖是根據各實施例而用於利用一校準裝置校準的一前饋式ANC路徑的重要部分之一功能方塊圖。
第6圖是根據各實施例而用於校準的一ANC系統的重要部分之一功能方塊圖。
第7圖是根據各實施例而具有回饋不穩定控制的一ANC系統的重要部分之一功能方塊圖。
第8圖是根據各實施例而具有前饋不穩定控制的一ANC系統的重要部分之一功能方塊圖。
203:揚聲器
204:回饋麥克風
205:前饋麥克風
200:主動噪音消除系統
206:前饋增益
207:回饋增益
208:前饋轉移函數
209:回饋轉移函數
210:第一混合器
211:第二混合器
212:回饋式主動噪音消除路徑
213:回饋麥克風信號
214:被轉換之回饋信號
215:回饋抗噪信號
216:前饋式主動噪音消除路徑
217:前饋麥克風信號
218:被轉換之前饋信號
219:前饋抗噪信號
220:第一音頻信號
221:第二音頻信號

Claims (20)

  1. 一種用於噪音消除耳機之校準裝置，該校準裝置包含： 一人耳模型，其被配置成支承該噪音消除耳機，該人耳模型包括一耳道，該耳道從該耳道之一外端延伸至該耳道之一內端；及 在該耳道外部之一聲學路徑，在該聲學路徑之一第一端從該人耳模型之該耳道之該內端延伸至該聲學路徑之一相對的第二端，該聲學路徑被配置成將自該耳道的該內端接收之一機械式聲波傳輸到在該人耳模型外部且鄰近該耳道之該外端之一區域。
  2. 如請求項1之校準裝置，其進一步包含介於該耳道之該內端與該聲學路徑之該第一端之間之一阻尼隔開件，該阻尼隔開件被配置以降低在該聲學路徑上從該耳道之該內端所接收之該機械式聲波之一振幅。
  3. 如請求項2之校準裝置，其中該阻尼隔開件被配置成減少該聲學路徑之一空氣容積之一聲學效應。
  4. 如請求項2之校準裝置，其中該阻尼隔開件包含阻礙性的織物(resistive cloth)。
  5. 如請求項2之校準裝置，其中該阻尼隔開件包含泡沫塑料(foam)。
  6. 如請求項1之校準裝置，其中該耳道被配置成在解剖學上相似於一人類耳道，且其中該人耳模型進一步包括被配置成在解剖學上相似於一人類耳甲之一耳甲、以及被配置成在解剖學上相似於一人耳廓之一耳廓。
  7. 如請求項1之校準裝置，其進一步包含固定到該人耳模型之一噪音消除耳機，該噪音消除耳機具有一揚聲器及一前饋麥克風，該噪音消除耳機之該揚聲器實質上鄰近於該人耳模型之該耳道之該外端，其中該前饋麥克風位於在該人耳模型外部之該區域內。
  8. 如請求項7之校準裝置，其中該聲學路徑進一步被配置以將自該耳道的該內端接收之該機械式聲波傳輸到該噪音消除耳機之該前饋麥克風。
  9. 如請求項1之校準裝置，其中該耳道具有介於1毫升至2毫升之間之一容積。
  10. 一種用於噪音消除耳機校準期間之裝置，該裝置包含： 一人耳模型，其包括一耳道，該耳道從該耳道之一外端延伸至該耳道之一內端；以及 在該耳道外部之一聲學路徑，在該聲學路徑之一第一端從該人耳模型之該耳道之該內端延伸至該聲學路徑之一相對的第二端，該聲學路徑被配置成將自該耳道的該內端接收之一機械式聲波傳輸到在該人耳模型外部之一區域。
  11. 如請求項10之裝置，其進一步包含介於該耳道之該內端與該聲學路徑之該第一端之間之一隔開件，該隔開件被配置以改變在該聲學路徑上從該耳道之該內端所接收之該機械式聲波之一振幅。
  12. 如請求項11之裝置，其中該隔開件被配置以使該耳道之一阻抗與一般人耳道之一已知阻抗匹配。
  13. 如請求項11之裝置，其中該隔開件包含阻礙性的織物。
  14. 如請求項11之裝置，其中該隔開件包含泡沫塑料。
  15. 如請求項10之裝置，其中該耳道被配置成在解剖學上相似於一人類耳道，且其中該人耳模型進一步包括被配置成在解剖學上相似於一人類耳甲之一耳甲、以及被配置成在解剖學上相似於一人耳廓之一耳廓。
  16. 如請求項10之裝置，其進一步包含由該人耳模型所支承之一噪音消除耳機。
  17. 如請求項16之裝置，其中該噪音消除耳機具有一揚聲器及一前饋麥克風，該噪音消除耳機之該揚聲器實質上鄰近於該人耳模型之該耳道之該外端，且該前饋麥克風位於在該人耳模型外部之該區域內。
  18. 如請求項17之裝置，其中該聲學路徑進一步被配置以將自該耳道的該內端接收之該機械式聲波傳輸到該噪音消除耳機之該前饋麥克風。
  19. 如請求項10之裝置，其中該耳道具有介於1毫升至2毫升之間之一容積。
  20. 如請求項10之裝置，其中該聲學路徑進一步被配置以將自該耳道的該內端接收之該機械式聲波傳輸到鄰近於該耳道之該外端之一區域。
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