专利名称：用于收听音频音乐源和/或免提电话功能的具有非适应型的主动噪声控制的音频耳机的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有主动噪声控制系统的首频耳机。
背景技术：
这种耳机可用于收听来自诸如MP3播放机、无线电、智能电话等设备的音频源(例如音乐)，耳机经由有线连接或实际上经由无线连接(尤其是蓝牙型(蓝牙SIG的注册商标))连接于这些设备。如果其设有适于拾取耳机佩戴者的声音的微音器(miCTophone)套件，则耳机除了收听音频源之外也可用于通信功能，例如“免提”电话功能。耳机的换能器则重现耳机佩戴者与之会话的远程扬声器的声音。耳机具有通过头带连接在一起的两个耳承。每个耳承包括密闭壳体，该密闭壳体容纳声音回放换能器(在这里更简单地称为“换能器”)并被设计成压靠在用户的耳朵周围，并且环耳衬垫被放入以将耳朵与外部声音环境隔开。当耳机用于噪声环境(地铁、热闹的街区、火车、飞机等)时，通过耳机的耳承部分地保护佩戴者不受噪音影响，因为耳承借助密闭壳体和环耳衬垫提供隔音。然耳，单纯地被动保护只是部分的，并且尤其在低频谱部分，外部声音的一部分可能穿过耳机的壳体或甚至透过佩戴者的头骨到达耳朵。这就是为什么已研发出所谓的主动噪声控制(ANC)技术，这类技术基于借助设置在耳机的耳承壳体上的微音器拾取入射噪声分量并将声波在时间和三维方向上叠加在所述噪声分量上的原理，该声波理想地是噪声分量的压力波的逆反副本。其理念是形成对噪声分量的破坏性干扰，由此减少和理想地抵消干扰声波的压力变化。实现这种原理牵涉到克服很大数量的困难，这些困难由此引发种种不同的提案，这些提案可被分成两类。第一类是使用适应性滤波器的ANC方法，即具有由实时地进行动作以分析信号的算法来动态和连续地修正的传递函数的滤波器。这种处理是可能的，尤其是作为借助被编程为实时地执行算法的专用处理器对信号进行数字化和处理的技术的发展的结果而产生的。DE 3733132A1是利用这类适应性滤波器的ANC处理的典型例子。牵涉到适应性滤波器的ANC方法的其他例子尤其记载在US 6041126A, US 2003/0228019A1以及WO2005/112849A2 中。那些技术就减噪而言可能是有效的，但它们的缺点是必须是数字的并且需要相对大量的计算功率，其结果是设计相对复杂并且制造相当昂贵。此外，数字处理引起补偿信号中不可忽略的延时，并且适应性特征牵涉到算法的某些最小收敛时间长度。所有这些对系统的反应性是有害的，尤其是对不规则噪声的响应。结果，消除噪声相对于本质上周期性的并处于窄带中的噪声而言是尤为有效的。
本发明的技术所属的第二类ANC方法是滤波器系统是静态的，S卩非适应性的，其中所使用的各滤波器的参数是预定的。这类ANC系统将闭环中的反馈式与开环中的前馈式的静态滤波组合起来。反馈通道基于通过置于由耳承壳体、环耳衬垫和换能器界定的声腔(在下文中被称为“前”腔)内的微音器拾取的信号。换句话说，该微音器设置成靠近用户的耳朵并主要接受由换能器产生的信号以及在前腔内仍然能感知的残留、非抵消的噪声信号。从来自该微音器的信号减去将由换能器回放的来自音乐源的音频信号，由此构成ANC系统的反馈环的误差信号。前馈滤波器通道利用由拾取耳机佩戴者的直接环境中存在的干扰噪声的外部微音器拾取的信号。尤其在US 2010/0272276A1中记载了一种这样的系统，该系统除了反馈和前馈滤波器通道还提供第三滤波器通道，该第三滤波器通道对拟回放的来自音乐源的音频信号进行处理。来自这三个滤波器通道的输出信号被组合并施加于换能器，以结合用于抑制周围噪声的信号来回放来自音乐源的信号。由于各滤波器的参数是静态的，因此静态滤波技术能一样好地以模拟技术或数字技术在与适应性滤波器技术相比需要较少的资源的方式下实现。然而，静态滤波方法具有局限性和缺陷。第一个缺陷是对换能器和误差微音器(即设置在前腔内的内部微音器)之间的电声路径中的变化相对更敏感。作为前腔的体积变化及其相对于外侧密封的变化的结果，可修正这两个元件之间的电声响应。可能使这种电声响应改变的主要因素是耳机在头上的定位、用户耳朵的形状、耳机压靠在头上的紧密度以及环耳衬垫压靠在头上所在位置处头发的有无。其他变化可以是由于所使用的电子器件(电阻器、电容器、换能器和微音器)，因为它们表现出可能随时间波动的电气特性。声音响应的这些变化可能造成被称为“水床(waterbed)”效应的非期望效果:在主噪声抑制频带之外，噪声在通常I千赫(kHz)的相对窄的频带内以完全可感知且自然是不想要的方式变得放大。如果这种现象过于严重，它甚至可能引起拉森(Larsen)效应，即当衬垫无意中脱落时将通过许多耳机观察到的现象。要考虑在内的另一因素是前腔的体积——在小的前腔体积使换能器和误差微音器(error microphone)之间的电声响应的可变性增加的范围内，因为在这类情形中在正常的收听位置和用户将耳机移动更靠近头部的过渡位置之间的体积具有较大的相对变化。前腔的小体积因此是反馈环中的稳定性丧失的一附加因素，具有与前面所讨论的相同的结果。在实践中，为了舒适度和重量这两个原因，需要用相对小的体积来制造耳承，并且这不利于ANC系统中的稳定性需求。具体地说，通过使得确保足够的稳定性和最大化的性能成为可能的增益和相位余量，调整各滤波通道以产生与给定电声响应相对应的性能。在这方面，考虑使闭环系统必须一般展现出大于45°的相位余量以及至少10分贝(dB)的增益余量。然而，经常发现这些理论余量是不足的，因为在具有主动噪声控制的耳机领域的实践中发现的电声响应的较大可变性
发明内容
在这种非适应性ANC系统中，本发明解决的问题是通过增加的增益和相位余量应对不稳定性的风险，增加的增益和相位余量使得尽管是小体积的前腔，避免水床效应或拉森效应的任何出现也是可能的，而不管耳机在头上的定位的变化、耳承的紧密度以及由环耳衬垫提供的较好或较差密封。必须自然地获得稳定性的增加而不降低ANC系统的抗噪性能，即在抵消干扰噪声分量时它也必须继续具有相同效果，不管这些干扰噪声分量具有更多或更少周期性特征也不管其频谱如何。自然地，来自音乐源的音频信号(或电话应用中的远程扬声器的声音)一定不能失真，并且其频谱必须不因ANC处理而消减，即使噪声消除信号和拟回放的音频信号由相同的通道放大并由同一换能器再现。本发明所基于的理念在于，减少高频谱部分(即在不稳定的频率带)中的回放滤波器的通带，由此减少或消除任何水床效应或拉森效应的风险。如下面讨论的，以这种方式限制通带可能引起至少15dB (优选为至少17dB)的增益余量的增加以及至少45° (优选为至少60° )的相位余量增加。并行地，前馈滤波器补偿将被消除的噪声频谱的较高频率(即IkHz左右)下的性能损失。最后，稳定器滤波器与反馈滤波器并联。稳定器滤波器通过增加水床效应的临界区域内的相位来增加反馈滤波器的相位余量:为了补偿归因于声音的相位的减小，尤其是作为声音从换能器传播至误差微音器所遵循的路径的结果，通过稳定器滤波器产生受限谐振以使相位增大并因此使相位余量增大。这些三个通道(反馈、前馈和稳定)是并联的，并且作为输出从滤波器传来的多个信号藉由传递这些各种信号的线性组合的组合器彼此并与用于回放的音频信号进行组合，以供换能器进行放大和回放。更准确地，本发明提供一种具有主动噪声控制系统的耳机，该耳机以从前面提到的US 2010/0272276A1本身已知的方式包括:通过头带连接在一起的两个耳承，每个耳承包括用于回放将被重现的音频信号的声音的换能器，所述换能器被容纳在由设有环耳衬垫的壳体所界定的声腔内。具有主动噪声控制系统的耳机包括:.具有第一带通滤波器的开环前馈第一支路，其接收由适于拾取耳机环境中存在的声音噪声的外部微音器所传递的信号作为输入；.具有第二带通滤波器的闭环反馈第二支路，其接收由腔内的内部微音器传递的误差信号作为输入；.具有第三滤波器的第三支路；以及.混合器电路，所述混合器电路接收由第一、第二和第三滤波器传递的信号以及拟回放的音频信号作为输入，并将放大后适于控制换能器的信号作为输出来传递。在本发明的特性中:.主动噪声控制是非适应性控制，第一、第二和第三滤波器的参数是预定参数；.第三滤波器是与反馈第二支路并联的稳定器带通滤波器，其接收由内部微音器传递的信号作为输入，并传递作为输入被施加于组合电路的信号作为输出，所述第三滤波器适于在预定的不稳定区域内局部地增加第二滤波器的传递函数的相位；以及
.第一、第二和第三支路并联地布置，并且混合电路是求和电路，该求和电路将由第一、第二和第三滤波器传递的信号连同拟回放的至少一部分音频信号一起的线性组合作为输出来传递，且相应的增益权重被施加于这些信号。所讨论的预定不稳区域尤其是IkHz频率左右的水床效应区。第二滤波器的高截止频率优选地小于150Hz，更优选地小于120Hz，并且其带宽小于65Hz，优选地小于55Hz。主动噪声控制的反馈支路的增益余量较为有利地为至少15dB，优选地为至少17dB，且相位余量为至少45°，优选地为至少60°。拟回放的音频信号优选地作为输入施加于第二滤波器和求和电路两者，第二滤波器接收通过将由内部微音器传递的所述误差信号与用于回放的音频信号的至少一部分组合而获得的信号作为输入，并且它不适用于第三滤波器。附图简述下文是参考了相应附图的所给出的发明的设备的实施例的描述，在附图中，每个附图中使用同样的数字参考标号来代表相同或功能类似的元件。
图1是位于用户头上的音频耳机的总览图。图2是不出各种声音和电信号以及具有主动噪声控制的音频耳机的操作中涉及的各功能框的示意图。图3是本发明的耳机的各耳承之一的部分的正视截面图，其示出其中的各机械元件和机电部件的配置。图4是图3耳承的前面视图。图5是图3和图4的耳承的背面视图。图6是从图3至图5的耳承的下方观察到的视图。图7是方框图形式的总览图，其示出本发明的耳机的主动噪声控制系统的各个元件。图8示出图7的前馈滤波器的模拟形式的实施例。图9示出图7的前馈滤波器的模拟形式的实施例。图10示出图7的稳定器滤波器的模拟形式的实施例。图11是示出由耳承的壳体引起的衰减相对于耳承前腔的内部衰减的特征曲线。图12是示出图7电路的前馈滤波器的传递函数的振幅和相位的伯德图。图13示出具有和不具有稳定器滤波器的作用的情况下本发明的主动噪声控制系统的黑色轨迹。图14示出针对各种配置(具有全通带、具有减小的通带、具有和不具有稳定器滤波器)的图7电路的反馈滤波器的传递函数的模。图15示出同样针对各种配置的图7电路的反馈滤波器的传递函数的相位。图16是同样针对各种配置的图7电路的耐奎斯特曲线图。图17示出同样针对各种配置的图7电路的闭环衰减特征曲线。
具体实施例方式图1示出用户头上的音频耳机。在传统方式中，耳机包括通过头带12连接在一起的两个耳承10、10’。每个耳承10包括外壳体14，外壳体14通过设置在壳体14和耳周廓之间的柔性环耳衬垫16压在用户耳朵的轮廓周围以确保从声音的角度看在耳朵附近和外部声音环境之间令人满意的密封。图2是示出各种声音和电信号以及具有主动噪声控制的音频耳机的操作中涉及的各功能框的图。耳承10围住声音回放换能器18 (在下文中简称为“换能器”)，该换能器被承载在界定两个腔一即耳朵后面的前腔22和相反侧上的后腔24—的分隔件20上。前腔22由内分隔件20、耳承的壁14、衬垫16以及用户头部在耳朵区域内的外表面来界定。该腔是封闭的腔，例外情形是衬垫16的接触区域内不可避免的声音泄漏。后腔24是封闭的腔 ，例外情形是用来加强耳承的前腔22中的低频率的声音通气口 26。这种声音加强比电气放大更为有利，因为它允许通过主动控制系统在没有饱和并具有较少电噪声的情况下改善环境噪声过压效应。为了有效的噪声控制，耳承10载有外部微音器28，用以拾取耳承之外的周围噪声，这在图中用波浪线30不意地表不。由外部微音器28拾取的信号被施加于主动噪声控制系统的前馈滤波器级32。每个耳承10、10’具有其自身的主动噪声控制系统，相应的外部微音器28、28’ (图1)彼此独立。如图1所示，耳机可载有另一外部微音器34以执行通信功能，例如如果耳机设有“免提”电话功能的话。附加的外部微音器34用于拾取耳机佩戴者的声音，这不牵涉到主动噪声控制，并且下列考量因素仅针对专门用于主动噪声控制的外部微音器28给出。耳机也设有内部微音器36，该内部微音器36尽可能地靠近耳朵的耳道设置以拾取存在于内腔22内的残留噪声，该残留噪声是用户可以听到的。忽略来自换能器回放的音乐源的音频信号(或电话应用中的远程扬声器的声音)，由该内部微音器36拾取的声音信号是下面的组合: 来自通过耳承的壳体14传输的周围外部噪声的残留噪声30 ;以及.由换能器18产生的声波40，该声波40理想地是基于破坏性干扰的原理的噪声30(即在收听点作出抑制的噪声)的逆反副本。由于借助声波40的噪声抵消永远不会是完美的，因此内部微音器36拾取作为施加于闭环反馈滤波器支路42和稳定器支路44 (是本发明所特有的)的误差信号这的残留信号，闭环反馈滤波器支路42和稳定器支路44传递在46与来自开环前馈支路32的信号组合以控制换能器18的信号。另外，换能器18接收来自音乐源(播放机、无线电等)用以回放的音频信号，或电话应用中的远程扬声器的声音。由于这种信号受到使其失真的闭环的影响，通过在数字信号处理器中的均衡对其进行上游预处理以表现出在没有主动控制的情况下由开环增益和目标响应确定的合需传递函数。图3-图6是从多个角度的视图，其示出对于耳承10中的一个，图2中示意地示出的各机械和电声元件的实施例(另一耳承10’被相似地制造出)。可以看到，分隔件20将壳体14内部分割成前腔22和后腔24，且换能器18和内部微音器36被安装在该分隔件上，内部微音器36由网格48承载以将其保持成靠近用户的耳道。图5和图6还示出专用于主动噪声控制的外部微音器28以及用于“免提”通信功能的附加微音器34，连同例如由一系列小孔构成的通气口 26，这些小孔由声阻塑料材料的网格
所覆盖。图7是示出本发明的主动噪声控制电路连同该电路操作中牵涉到的电、声传递函数的框图。该电路本质上包括并联的三个支路，即前馈滤波器32、反馈滤波器42以及稳定器滤波器44。由外部微音器28拾取的信号通过增益Gl (例如Gl=+8dB)被前置放大，并随后被施加至前馈滤波器32。由内部微音器36拾取的信号被施加至稳定器滤波器44和反馈滤波器42两者，且施加相应的增益G2 (例如G2=0dB)和增益G3 (例如G3=+9dB)。由滤波器32、44和42并行传递的信号通过求和电路46彼此组合，且相应的增益G5、G6和G7被施加于这些信号(例如G5=-6dB对应于来自前馈滤波器32的信号，G6=+6dB对应于来自稳定器滤波器44的信号，G7=0dB对应于来自反馈滤波器42的信号)。来自音乐源(MP3播放机、无线电等)或来自电话电路的音频信号S(“线内”信号)由数字信号处理器(DSP)50进行数字处理(解码、均衡化、诸如空间化之类的音频效果等)。此外，由于这种信号受到使其失真的闭环的影响，通过合适的均衡化在DSP 50的上游对其预处理，以表现出在没有主动控制的情况下由开环增益和目标响应确定的合需传递函数。
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来自DSP 50的输出的音频信号分别在两个位置处被施加于主动控制电路:.在施加增益G4 (例如G4=_14dB)的情况下，施加于反馈滤波器42 ；以及 在施加增益G8(例如G8=_6dB)的情况下，施加于求和电路52，求和电路52将前面的信号与在由内部微音器36拾取的信号通过增益G3被前置放大之后的信号组合，以作为输入施加至反馈滤波器32。将用于回放的音频信号S注入到电路的两个不同位置使得获得低频和高频之间经平衡的均衡化成为可能。被注入到总求和电路46的输入的那部分信号经受主动控制的衰减，由此产生高频分量；相反，经由求和电路52注入至反馈滤波器42的输入的那部分信号经受电路的低通滤波，从而给出低频分量。施加到两部分信号的相应增益G8、G4用来平衡用于回放的信号的频谱的低频和高频。应当观察到，用于回放的音频信号仅(经由求和电路52)被注入到反馈滤波器42的输入，但不被注入到具有稳定器滤波器44的支路中，由此使得调整稳定器滤波器而不干扰拟回放的音乐的均衡化成为可能:稳定器滤波器44仅接收由内部微音器36拾取的声音，将用于回放的音频信号排除在外，因此不会对稳定功能造成干扰。最后，在由功率级54放大后，来自总求和电路46的输出被施加于换能器18，所述来自总求和电路46的输出是来自用于前馈、反馈和稳定滤波的三个滤波器通道的信号与用于回放的音频信号的线性组合。图8、图9和图10分别示出前馈滤波器32、反馈滤波器42和稳定器滤波器44的模拟技术的实施例。在这些附图中,Vi和V。指示滤波器各自的输入和输出电压，Vmid指示由滤波器使用的运算放大器的电源的正极端子和负极端子之间的中间电压。这些各个滤波器的相应传递函数将在下面参照图12-17具体地结合其中稳定器滤波器44允许修正反馈滤波器42的响应以提高主动噪声控制系统的总体性能的方式来更详细地描述。如所看到的那样，这些三个滤波器可通过非常少的组件来实现，并因此具有非常低的硬件成本。此外，在图示例子中，前馈和反馈滤波器32、42以一阶低通滤波器的形式制造，然而可通过改变电阻器和电容器毫无难度地制造出二阶低通滤波器。之后是本发明的总体结构如前所述的主动噪声控制系统的一般操作的描述。使用以下的符号:.Hc:由外部微音器28接收的信号和由内部微音器36接收的信号之间的传递函数，它表征穿过耳机的耳承的壳体的那部分外部噪声；.H0:由换能器18回放的信号和由外部微音器28接收的信号之间的传递函数，它表征通过耳承的壳体传输至外部微音器的那部分声音信号；.Ha:由换能器18产生的信号和由内部微音器36接收的信号之间的传递函数；.d:周围的噪声信号(将通过主动控制被衰减、理想地被抵消的噪声信号)；.e:由内部微音器36传递的误差信号(将被最小化的信号)；.Hff:前馈滤波器32的传递函数(它是静态函数，即它不是适应性的)；以及.Hfb:前馈滤波器42的传递函数(它同样是静态函数)，可能通过稳定器滤波器44的操作被修正。如果想要将误差信号这表征为噪声信号d的函数，则获得从外部微音器28至内部微音器38 (尽可能近地靠近用户耳道的该微音器表征在收听点感知的信号)的如下传递函数:
权利要求
1.一种音频耳机，包括两个耳承(10)，所述两个耳承(10)通过头带(12)连接在一起并且各自包括用于回放拟再现的音频信号的声音的换能器(18)，所述换能器被容纳在由设有环耳衬垫(16)的壳体(14)界定的声腔内，所述耳机包括主动噪声控制系统，所述主动噪声控制系统包括: 具有第一带通滤波器(32)的开环前馈第一支路，其接收由适于拾取耳机环境中存在的声音噪声(30)的外部微音器(28)所传递的信号作为输入； 具有第二带通滤波器(42)的闭环反馈第二支路，其接收由腔内的内部微音器(36)传递的误差信号(e)作为输入； 具有第三滤波器(44)的第三支路；以及 混合器电路(46)，所述混合器电路接收由第一、第二和第三滤波器传递的信号以及拟回放的音频信号(S)作为输入，并将放大后(54)适于控制换能器(18)的信号作为输出来传递； 所述耳机的特征在于: 所述主动噪声控制是非适应性控制，所述第一、第二和第三滤波器(32、42、44)的参数是预定参数； 所述第三滤波器(44)是与所述反馈第二支路并联的稳定器带通滤波器，其接收由内部微音器传递的信号作为输入，并传递作为输入被施加于组合电路的信号作为输出，所述第三滤波器适于在预定不稳定区域内局部地增加所述第二滤波器的传递函数的相位；以及 第一、第二和第三支路被并联地布置，并且所述混合电路是求和电路(46)，所述求和电路将由第一、第二和第三滤波器(32、42、44)传递的信号连同拟回放的音频信号(S)的至少一部分一起的线性组合作为输出来传递，并且相应的增益(G5-G8)权重被施加到这些信号。
2.如权利要求1所述的音频耳机，其特征在于，所述预定不稳定区是IkHz频率左右的水床效应区。
3.如权利要求1所述的音频耳机，其特征在于，所述第二滤波器的高截止频率小于150Hz，优选地小于120Hz。
4.如权利要求1所述的音频耳机，其特征在于，所述第二滤波器的带宽小于65Hz，优选地小于55Hz。
5.如权利要求1所述的音频耳机，其特征在于，所述主动噪声控制的反馈支路的增益余量是至少15dB，优选地至少17dB。
6.如权利要求1所述的音频耳机，其特征在于，所述主动噪声控制的反馈支路的相位余量是至少45° ,优选地至少60°。
7.如权利要求1所述的音频耳机，其特征在于，拟回放的所述音频信号(S)作为输入被施加至所述第二滤波器(42)和所述求和电路(46)，所述第二滤波器接收通过组合(52)由所述内部微音器(36)传递的所述误差信号(e)与用于回放的所述音频信号的至少一部分获得的信号来作为输入。
8.如权利要求7所述的音频耳机，其特征在于，拟回放的所述音频信号(S)不被施加于所述第三滤波器(44)。
全文摘要
耳机包括两个耳承，每个耳承具有用于回放音频信号的声音并容纳在由具有环耳衬垫的壳体界定的声腔中的换能器(18)。主动噪声控制包括并联的前馈带通滤波器(32)、反馈带通滤波器(42)和稳定带通滤波器(44)，带通滤波器(32)从外部微音器(28)接收信号，反馈带通滤波器(42)将由内部微音器(36)传递的误差信号(e)作为输入接收，而稳定带通滤波器(44)局部地增加失稳区域内的反馈滤波器的传递函数的相位，尤其是1kHz左右的水床效应区域。求和电路(46)传递由这些滤波器传递的信号的加权线性组合以及拟回放的音频信号(S)。控制是非适应性的，这些滤波器(32、42、44)的参数是静态的。
文档编号H03H17/02GK103139677SQ20121047589
公开日2013年6月5日 申请日期2012年11月21日 优先权日2011年11月22日
发明者P·华 申请人:鹦鹉股份有限公司