TWI835030B

TWI835030B - 噪音消除致能耳機

Info

Publication number: TWI835030B
Application number: TW110144412A
Authority: TW
Inventors: 彼得麥卡欽
Original assignee: 瑞士商Ａｍｓ國際有限公司
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2024-03-11

Abstract

一種戴在用戶耳朵上或耳朵上方的噪音消除致能耳機，包括揚聲器(SP)、主要感測環境聲音的前饋麥克風(FF_MIC)、在主要聲音發射方向佈置在該揚聲器前面並適用於感測從該揚聲器(SP)輸出的聲音和環境聲音的誤差麥克風(ERR_MIC)。在該揚聲器(SP)和該誤差麥克風(ERR_MIC)之間沿該主要聲音發射方向設置擋板(BAF)，使得從該揚聲器(SP)輸出的聲音在該誤差麥克風(ERR_MIC)之位置處被該擋板延遲。適應性噪音消除控制器(ANCC)係配置成根據利用該前饋麥克風(FF_MIC)記錄以及利用前饋濾波器參數進行濾波的前饋信號進行前饋噪音消除，並根據該誤差麥克風(ERR_MIC)記錄的誤差信號調整該前饋濾波器參數。

Description

噪音消除致能耳機

本發明係關於一種戴在用戶耳朵上或耳朵上方的噪音消除致能耳機。

本專利申請要求德國專利申請102020133139.8的優先權，其揭露內容以引用方式併入本文。

如今，大量耳機都配備了噪音消除技術。例如，此類噪音消除技術被稱為主動噪音消除(active noise cancellation)或環境噪音消除(ambient noise cancellation)，均縮寫為ANC。ANC通常利用記錄由濾波器處理的環境噪音來產生抗噪音信號，然後將其與有用的音頻信號組合以通過耳機的揚聲器播放。

各種ANC方法利用反饋(feedback；FB)麥克風、前饋(feed-forward；FF)麥克風或反饋和前饋麥克風的組合。對於FF ANC，前饋(FF)麥克風係放置在耳機的外部，以便在聲學上與耳機驅動器分離。

一些噪音消除耳機能夠根據放置在容積(volume)內的誤差麥克風所記錄的誤差信號對FF ANC的濾波器進行適配，該容積直接聲學耦合到耳膜，通常靠近耳機驅動器的前端。然而，在作為消除的期望目標的鼓膜位置處會實現適應的最佳效能。不過，在真正的耳機中，不可能將麥克風放置在耳道內以監測鼓膜處的信號。

一個要實現的目的是為耳機中的適應性噪音消除提供改進的概念。

該目的是藉由獨立請求項的專利標的實現的。在附屬請求項中定義了改進概念的實施例和發展。

改進的概念係關於適應性噪音消除耳機，該耳機可以改進抗噪音信號以補償由於耳機配合的變化和由於製造公差而導致的耳機聲學變化。例如，如果從周圍環境洩漏到直接聲學耦合到鼓膜的耳機容積發生變化，則佩戴在用戶耳朵上或耳朵上方的耳機的這種聲學變化可能發生。

具體來說，改進的概念是基於這樣的認識，即從周圍環境到鼓膜的聲音路徑與從揚聲器或驅動器到鼓膜的聲音路徑之間的相位關係並不匹配從周圍環境到誤差麥克風的聲音路徑與從揚聲器或驅動器到誤差麥克風的聲音路徑之間的相位關係。因此，改進的概念提出相對於誤差麥克風延遲耳機驅動器的輸出信號，使得在誤差麥克風處偵測到的信號產生的比率更接近地代表在鼓膜參考點(DRP)處的那些比率。延遲是藉由放置在揚聲器和誤差麥克風之間的擋板來實現的。簡而言之，這允許適應性噪音消除系統更準確地監測鼓膜處的信號，從而實現更準確的適應和更佳的噪音消除。

改進的概念可應用於例如全罩式耳機(circumaural headphone)和/或耳掛式耳機(supra-aural headphone)。全罩式耳機(有時稱為全尺寸耳機或頭戴式耳機)具有環繞耳朵的圓形或橢圓形耳襯墊或耳墊。由於這些耳機完全環繞耳朵，因此可以將全罩式耳機設計為與頭部密封以減弱外部噪音。耳掛式耳機或貼耳式耳機的耳墊貼在耳朵上，而不是圍繞耳朵。這種類型的耳機通常對外界噪音的衰減較小。

傳統耳機的FF目標通常理解為由以下公式表示：

其中，AE是環境對耳朵的聲學傳遞函數(acoustic transfer function)，DE是驅動器對耳朵的聲學傳遞函數，而AFFM是環境對FF麥克風的聲學傳遞函數。在誤差麥克風處，這變為：

其中，AErr是環境對誤差的聲學傳遞函數，而DErr是驅動器對誤差的聲學傳遞函數。通過分析耳墊下存在漏聲時在耳機上的信號路徑，可以看出兩個FF目標之間的關鍵區別在於AE/DE信號與AErr/DErr信號之間的路徑長度差異很大，導致FF目標存在顯著的相位差。延遲DErr減少了這種差異。

因此，根據改進概念的能夠佩戴在用戶耳朵上或耳朵上方的噪音消除致能耳機包括揚聲器、主要感測環境聲音的前饋麥克風和在揚聲器的主要聲音發射方向佈置在揚聲器前面的誤差麥克風。誤差麥克風適於感測從揚聲器輸出的聲音和環境聲音。耳機進一步包括在主要聲音發射方向佈置在揚聲器和誤差麥克風之間的擋板，使得從揚聲器輸出的聲音在誤差麥克風的位置被擋板延遲。耳機係配置成利用前饋麥克風記錄前饋信號和利用誤差麥克風記錄誤差信號，並將該前饋信號和該誤差信號提供給適應性噪音消除控制器。

適應性噪音消除控制器係配置成基於用前饋濾波器參數濾波的前饋信號執行前饋噪音消除。適應性噪音消除控制器進一步配置成基於誤差麥克風記錄的誤差信號調整前饋濾波器參數。

因此，擋板實現了延遲驅動器對誤差聲學傳遞函數DErr的功能。因此，使用誤差麥克風記錄的關於環境聲音和揚聲器輸出的聲音的誤差信號更佳地匹配用戶耳膜處的期望目標。

特別地，擋板被佈置成使得它不會延遲由誤差麥克風所感測到的以及進入揚聲器和在耳機的耳墊處的用戶耳朵之間的空氣容積的環境聲音。擋板可以進一步被佈置成使得從揚聲器輸出的聲音和進入揚聲器和在耳墊處的用戶耳朵之間的空氣容積的環境聲音都不會在到達用戶耳膜的途中被延遲。

在耳機的各種實施方式中，擋板例如增加了聲音路線或聲學傳播路線，例如，揚聲器和誤差麥克風之間的傳播時間或傳播距離，例如與揚聲器和誤差麥克風之間沒有擋板的直接聲音路線相比較。因此，從揚聲器輸出之聲音的延遲是藉由增加聲學信號的聲音路線來實現的。

在各種實施方式中，擋板在是不透聲的(acoustically opaque)，使得從揚聲器輸出的聲音沿著擋板傳播到誤差麥克風。換句話說，為了要到達麥克風，從揚聲器輸出的聲音不能通過擋板，而必須在擋板周圍傳播，例如沿著擋板的表面。

在一些實施方式中，擋板是半透聲(acoustically translucent)擋板或聲阻(acoustically resistive)擋板，使得從揚聲器輸出的聲音沿著由擋板的聲阻抗(acoustic impedance)確定的最小阻力路徑傳播到誤差麥克風。例如，如果擋板並非完全不透聲，則擋板產生的延遲將隨著擋板材料阻抗的降低而減少。

在各種實施方式中，誤差麥克風，分別是誤差麥克風的聲音接收區域，位於耳機的中心。如果耳墊下方的洩漏來自不同位置，則這實現了環境對誤差聲學傳遞函數AErr的變化被最小化。

例如，誤差麥克風的聲音接收區域通常相對於耳機的耳墊(例如圓周耳墊)等距定位。例如，通常等距意味著到耳墊圓周的距離變化被最小化。

例如，聲音接收區域是腔體的開口，誤差麥克風被封閉在該腔體中。因此，進入誤差麥克風的所有聲音都必須通過這個聲音接收區域，使得誤差麥克風在腔體內的實際位置對於到該誤差麥克風的有效聲音路線或聲學傳播路線沒有作用或僅起次要作用。這對於環境聲音可以在耳墊處進入揚聲器和用戶耳朵之間的空氣容積的各種位置特別有效。

在各種實施方式中，擋板至少部分地覆蓋揚聲器的聲音發射有效區域。例如，擋板覆蓋了揚聲器之聲音發射有效區域的30%到95%之間，例如50%到80%之間。

在各種實施方式中，擋板基本上位於揚聲器的聲音發射有效區域前面的中央。在這樣的實施方式中，誤差麥克風或至少誤差麥克風的聲音接收區域可以相對於擋板居中定位。

在各種實施例中，聲音發射有效區域可以簡單地由揚聲器的振膜確定。然而，在一些實施方式中，揚聲器的振膜可以佈置在揚聲器的腔體或殼體中，其中，該腔體或該殼體的出口決定了揚聲器的聲音發射有效區域。例如，腔體或殼體的出口耦合到用戶的耳道容積。

在一些實施方式中，誤差麥克風還用作用於執行FB噪音消除的反饋(FB)麥克風。例如，適應性噪音消除控制器進一步配置成根據誤差麥克風記錄且經過FB濾波器參數濾波後的誤差信號進行FB噪音消除。

但是，由於擋板引入的延遲，FB噪音消除的上限帶寬可能會降低。這可能會導致FB噪音消除效能的降低。由於改進的前饋噪音消除效能，這在許多應用中是可以接受的。

然而，在一些實施方式中，耳機進一步包括在主要聲音發射方向佈置在揚聲器附近的反饋麥克風，並且感測從揚聲器輸出的聲音和環境聲音。耳機進一步配置成利用FB麥克風記錄反饋信號，並將該反饋信號提供給適應性噪音消除控制器，該適應性噪音消除控制器進一步配置成根據FB麥克風記錄並經過FB濾波參數濾波的反饋信號進行FB噪音消除。

因此，雖然擋板的存在導致揚聲器和誤差麥克風的聲音輸出延遲，但在FB麥克風的位置沒有延遲。FB麥克風靠近揚聲器意味著至少 FB麥克風的聲音接收區域非常靠近揚聲器(分別是揚聲器的聲音發射區域)，使得在聲音發射和聲音接收之間幾乎不存在延遲或沒有延遲。

適應性噪音消除控制器可以在耳機外部，例如在與耳機連接的移動裝置內，或者可以被包括在耳機內。

在上述所有實施例中，ANC可以用數位和/或類比濾波器兩者來執行。所有音頻系統也可能包括反饋ANC。各種信號的處理和記錄較佳地在數位域中進行。

AE:環境對耳朵的聲學傳遞函數

AErr:環境對誤差的聲學傳遞函數

ANCC:適應性噪音消除控制器

BAF:擋板

BDY:耳機主體

DE:驅動器對耳朵的聲學傳遞函數

DErr:驅動器對誤差的聲學傳遞函數

EC:耳道

ECU:耳墊

ED:鼓膜

ERR_MIC:誤差麥克風

FB_MIC:FB麥克風

FF_MIC:前饋麥克風

SP:揚聲器

T_EAR:目標響應、理想目標響應

T_ERR:目標響應、實際目標響應、目標相位響應

下面將藉助附圖更詳細地描述改進的概念。具有相同或相似功能的元件在整個附圖中具有相同的元件符號。因此，在以下附圖中不必重複它們的描述。在圖中：

圖1顯示耳機之示意圖；

圖2顯示耳機之進一步示意圖；

圖3顯示與耳機相關之相頻圖；

圖4顯示耳機之進一步示意圖；以及

圖5以俯視圖顯示耳機之另一示意圖。

圖1示出了根據改進概念的耳機實施方式的示意圖，其中，耳機戴在用戶的耳朵上。在此示例實施方式中，耳機被實現為具有耳機主體BDY的全罩式耳機，耳機主體BDY具有基本上環繞的緩衝ECU，該緩衝ECU基本上密封了耳機內部和用戶耳朵之間的空氣容積。如下文將更詳細地解釋，耳機或緩衝ECU與用戶頭部之間的密封可能會有所不同，例如，由於用戶或耳機的移動、佩戴耳機的不同用戶的不同形狀或製造公差。

耳機包括揚聲器SP，其僅示意性地示出了線圈和揚聲器SP的聲音發射區域的指示，例如，振膜或揚聲器SP的開口或外殼，其中，佈置有振膜。

該耳機係配備噪音消除致能耳機，並與適應性噪音消除控制器ANCC和主要感測環境聲音的前饋麥克風FF_MIC協作。為此，前饋麥克風FF_MIC放置在主體BDY中，背離耳機，分別朝向任何環境聲音。適應性噪音消除控制器ANCC配置成根據前饋麥克風FF_MIC記錄的前饋信號進行前饋噪音消除，並利用前饋濾波器參數進行濾波。如本技術領域公知者，經濾波的信號經由揚聲器SP輸出以用抗噪音信號抵消或至少補償到達用戶耳朵的環境聲音。在本示例中，適應性噪音消除控制器ANCC被包括在耳機中。然而，在其他實施方式中，適應性噪音消除控制器ANCC可以在耳機外部，例如在與耳機連接的移動裝置中。

前饋噪音消除的工作原理是將前饋濾波器參數定義的電子濾波器與聲學目標響應相匹配，該聲學目標響應主要補償耳機的被動衰減和揚聲器響應。

隨著條件的變化，特別是密封條件的變化，此目標響應會發生變化，因此需要調整前饋濾波器參數以解決變化的條件。為此，耳機包括誤差麥克風ERR_MIC，其在揚聲器的主要聲音發射方向佈置在揚聲器SP的前面。從圖中可以看出，這意味著誤差麥克風ERR_MIC被放置在揚聲器和用戶耳朵之間的某處，耳朵是由外耳、耳道EC和定義鼓參考點(DRP)的鼓膜ED形成。誤差麥克風ERR_MIC適用於感測從揚聲器輸出的聲音和環境聲音。誤差麥克風ERR_MIC記錄的誤差信號係用於調整前饋濾波器參數。

傳統耳機的FF目標通常理解為由以下公式表示：

其中，AE是環境聲源和用戶耳膜ED之間的環境對耳朵的聲學傳遞函數(acoustic transfer function)，DE是揚聲器SP和用戶的耳膜ED之間的驅動器對耳朵的聲學傳遞函數，而AFFM是環境聲源和FF麥克風FF_MIC之間的環境對FF麥克風的聲學傳遞函數。

在誤差麥克風ERR_MIC處，這變為：

其中，AErr是環境聲源和誤差麥克風ERR_MIC之間的環境對誤差的聲學傳遞函數，而DErr是揚聲器SP和誤差麥克風ERR_MIC之間的驅動器對誤差的聲學傳遞函數。

藉由分析傳統耳機在耳墊下存在漏聲時的信號路徑，可以看出兩個FF目標之間的關鍵區別在於AE/DE信號與AErr/DErr信號之間的路徑長度差異很大，導致FF目標存在顯著的相位差。

然而，根據改進概念的耳機進一步包括在主要聲音發射方向佈置在揚聲器SP和誤差麥克風ERR_MIC之間的擋板BAF，使得從揚聲器SP輸出的聲音在誤差麥克風ERR_MIC的位置被擋板BAF延遲。

而在傳統耳機中，並不存在這種擋板BAF，從揚聲器到誤差麥克風的聲音路徑很短，從揚聲器SP到帶有擋板BAF的誤差麥克風ERR_MIC的聲音路徑較長，從而降低了AErr和DErr之間的相位差，使其更好地匹配AE和DE之間的鼓膜ED的理想條件。

當揚聲器的聲音在誤差麥克風ERR_MIC的位置被擋板延遲時，擋板BAF較佳地不延遲誤差麥克風ERR_MIC所感測到的已經進入耳墊ECU處的揚聲器SP和用戶耳朵之間的空氣容積的環境聲音。

因此，擋板BAF可以增加揚聲器SP和誤差麥克風ERR_MIC之間的聲音路線或聲學傳播路線，特別是與沒有擋板BAF的揚聲器SP和誤差麥克風ERR_MIC之間的直接聲音路線或聲學傳播路線相比。誤差麥克風ERR_MIC之安裝的確切實施方式未在此處使用的示意圖中顯示。然而，例如圖1所示的誤差麥克風ERR_MIC的位置類似於誤差麥克風ERR_MIC的聲音接收區域，即任何到達誤差麥克風ERR_MIC的聲音都需要通過的區域。例如，誤差麥克風ERR_MIC係安裝在設有耳機本體BDY的殼體內或固定深度的腔體中，腔體的開口即為誤差麥克風ERR_MIC的聲音接收區域。

從圖1中可以看出，誤差麥克風ERR_MIC的聲音接收區域一般與耳機的耳墊ECU等距。在這種情況下，通常等距意味著選擇一個位置，該位置基本上位於耳墊ECU的圓周內的中心。顯然，這種中心位置取決於耳墊ECU的形式和/或構造。通常集中的位置實現了或多或少獨立於耳墊ECU和用戶的頭部和/或耳朵之間的洩漏的準確位置，進入耳墊ECU內部的空氣容積的環境聲音具有與誤差麥克風ERR_MIC類似的聲音路線或聲學傳播路線。

誤差麥克風ERR_MIC的定位還可以考慮環境聲音在洩漏情況下進入耳墊ECU內部空氣容積的位置的可能性。例如，如果環境聲音更有可能從底部進入耳墊ECU內部的空氣容積，如圖1所示，這可以在誤差麥克風ERR_MIC的定位中解決。

在各種實施方式中，擋板BAF至少部分地覆蓋揚聲器SP的聲音發射有效面積，如圖1的實施方式中所示。例如，擋板覆蓋揚聲器的聲音發射有效面積的30%和95%之間，例如50%到80%之間。如上所述，揚聲器的振膜可以設置在揚聲器SP的腔體或殼體中，其中腔體或殼體的出口決定了揚聲器SP的聲音發射有效面積。

現在參考圖2，示出了基於圖1的實施方式的噪音消除致能耳機的另一示例實施方式。雖然在圖1中擋板BAF非居中地佈置在揚聲器SP之前，但在圖2的實施方式中的擋板BAF基本上位於揚聲器SP的聲音發射有效面積前方的中央。

例如，如果誤差麥克風ERR_MIC安裝在中央，則中央擋板安裝可能會較佳，因為一側打開來自揚聲器SP的驅動器信號已經遵循最小阻力的路徑，因此打開另一側不會使延遲更短，但會改善驅動器對耳朵的響應DE(driver-to-ear response DE)。如果如圖1所示安裝擋板BAF，藉由將誤差麥克風ERR_MIC移動到邊緣可以提取更多延遲，但是，驅動器對耳朵的響應DE會更差。因此，在驅動器對耳朵的品質(driver-to-ear quality)、驅動器對誤差的延遲(driver-to-error delay)和對從不同方向進入的洩漏的穩固性(robustness)之間存在權衡取捨，擋板的放置將根據優先順序(priority)而有所不同。

現在參考圖3，示出了幾個相位頻率圖，每個皆顯現出在鼓膜處的目標響應T_EAR和在誤差麥克風ERR_MIC處的目標響應T_ERR的頻率相關相位(frequency-dependent phase)。鼓膜ED處的目標響應T_EAR(類似於將鼓膜ED處的環境噪音降至最低的理想傳遞函數)對於所有三個圖a)、b)和c)都是相同的。在所有三個圖中，都假設耳墊ECU下方存在小洩漏，如圖1和圖2所示。

圖3的上圖a)對應於目標相位響應T_ERR，沒有任何延遲通過存在於揚聲器SP和誤差麥克風ERR_MIC之間的擋板BAF，即如同在傳統耳機中。可以看出，特別是在200Hz和3000Hz之間的頻率範圍內，理想目標響應T_EAR和實際目標響應T_ERR之間存在很大偏差，導致環境噪音消除不理想。

在圖3的中間圖b)中，驅動器對誤差麥克風ERR_MIC響應DErr延遲了20mm，分別約為揚聲器SP之聲音發射區域的直徑的五分之二，在這些例子中直徑約為50mm。從相位圖中可以看出，目標響應T_ERR的偏差與沒有擋板BAF的無延遲情況相比顯著降低。因此，噪音消除效能和/或適應性效能增加。

圖3的下圖c)顯示了目標相位響應T_ERR，其中，存在擋板將驅動器對誤差麥克風ERR_MIC響應DErr延遲了40mm，分別約為揚聲器SP之聲音發射有效區域的直徑的五分之四。可以看出，理想目標響應T_EAR與實際響應T_ERR之間的偏差進一步減小，從而進一步提高噪音消除效能和/或適應性效能。

返回參考圖1和圖2，擋板BAF可以是不透聲的(acoustically opaque)，使得從揚聲器SP輸出的聲音沿著擋板BAF傳播到誤差麥克風ERR_MIC。這尤其是基於不透聲的擋板防止聲音通過擋板本身的假設。

在各種其他實施方式中，擋板BAF可以是半透聲(acoustically translucent)擋板或聲阻(acoustically resistive)擋板，其不完全阻擋聲音通過擋板但提供仍然有助於個別聲音延遲的聲阻。這導致從揚聲器SP輸出的聲音沿著由擋板BAF的聲阻抗(acoustic impedance)確定的最小阻力路徑傳播到誤差麥克風ERR_MIC。例如，如果擋板並非完全不透聲，則擋板產生的延遲將隨著擋板材料阻抗的降低而減少。

圖1和圖2中耳機的佈置還允許適應性噪音消除控制器ANCC進一步執行FB噪音消除。特別地，為此，用誤差麥克風ERR_MIC記錄的誤差信號用反饋濾波器參數濾波，以有助於經由揚聲器輸出的抗噪音信號。然而，由於擋板BAF相對於誤差麥克風ERR_MIC位置所引入的延遲，FB噪音消除效能可能會降低。

現在參考圖4，這可以藉由進一步引入專用FB麥克風FB_MIC來解決，該FB麥克風在主要聲音發射方向佈置在揚聲器SP附近。FB麥克風FB_MIC因此感測從揚聲器SP輸出的聲音和環境聲音，例如在耳墊ECU和用戶的頭部和/或耳朵之間進入耳機內部的空氣容積的環境聲音。除了附加的FB麥克風FB_MIC之外，圖4的耳機基本上對應於圖1的耳機。圖4的實施方式中的適應性噪音消除控制器ANCC進一步配置成根據用FB麥克風FB_MIC記錄的反饋信號以及用反饋濾波器參數進行濾波來進行FB噪音消除。

現在參考圖5，示出了根據所描述的實施方式之一的耳機的俯視圖。特別地，與圖1、圖2和圖4中的側視圖相比，圖5顯示了從用戶頭頂觀察的耳機。圖5顯示了擋板BAF尺寸的一種可能實施方式，例如覆蓋揚聲器的整個長度，分別是它在這個尺寸上的聲音發射區域。如上所述，不排除其他覆蓋率。

雖然在耳機的所示實施方式中，耳機被描述為頭戴式耳機或全罩式耳機，但採用擋板BAF的改進概念也可與作為貼耳式耳機(on-ear headphone)或耳掛式耳機實施的耳機一起使用，特別是在耳墊在耳機揚聲器和用戶耳朵之間的空氣容積之間提供密封的情況。

如果擋板BAF至少部分地覆蓋了揚聲器SP，這可能會影響揚聲器驅動器的響應。為此，可以考慮擋板BAF與揚聲器的不同距離或揚聲器SP的聲音發射區域。此外，如上所述，還可以考慮使用例如聲阻擋板代替完全不透聲的擋板。

此外，揚聲器SP前面的擋板BAF可能會減少耳廓的前方空氣容積空間。為此，揚聲器可能會向後移動一點以增加空間。然而，應當理解，對於誤差麥克風ERR_MIC、揚聲器SP和擋板BAF存在許多替代佈置，它們都延遲了從誤差麥克風ERR_MIC位置處的揚聲器輸出的聲音。

應當理解，本揭露不限於所揭露的實施例以及上文具體示出和描述的內容。相反地，可以有利地組合單獨的附屬請求項或說明書中記載的特徵。此外，本揭露的範圍包括那些對本領域技術人員來說是顯而易見的並且落入所附申請專利範圍的精神內的變化和修改。術語“包括”，就其在申請專利範圍或說明書中使用而言，不排除相應特徵或程序的其他要素或步驟。在術語“一”或“一個”與特徵結合使用的情況下，它們不排除多個這樣的特徵。此外，申請專利範圍中的任何元件符號不應被解釋為限制範圍。