一种存在声反馈的有源降噪耳机

1.本发明涉及降噪耳机技术领域，具体涉及一种存在声反馈的有源降噪耳机。


背景技术：

2.有源降噪耳机通过耳机内部降噪系统产生与外界噪声幅度相等相位相反的声波，在人耳处叠加相消来降低人耳处噪声声压级，为人们提供安静的工作生活环境或达到聆听高质量的音乐的目的。
3.按照耳机控制结构可分为前馈降噪和反馈降噪，前馈降噪通过参考传声器对耳机外部的噪声信号进行采集后经过前馈控制器处理并驱动扬声器产生反向噪声进行降噪。参考麦克风先于人耳处采集信号，即前馈系统是因果的，因此降噪宽度较宽但降噪深度一般)。反馈降噪则通过耳机前腔内反馈传声器采集残留噪声之后经过反馈控制器和扬声器进行降噪，具有降噪宽度窄但降噪深度高的特点。
4.然而上述降噪耳机在实际使用的过程中，逐渐出现了一些弊端，且该弊端的出现，导致传统的降噪耳机已然无法满足目前本领域的高标准使用需求，现将传统降噪耳机所存在的弊端进行如下具体说明：
5.传统有源降噪耳机参考传声器的信号接收端朝向于耳机壳体的外部，且通过密封塞(部分情况下，有使用胶水密封的情况)与扬声器后腔隔离，参考传声器与误差传声器之间相关性较低。这种结构使得控制器最优频率响应峰谷结构明显，需要使用较多的滤波器资源即多个级联的二阶i ir滤波器去工作，且传统降噪耳机降噪效果较差。
6.简而言之，传统的有源降噪耳机在具体使用过程中，存在生产成本高，且降噪效果差的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种存在声反馈的有源降噪耳机，以解决上述缺陷之一。
8.本发明通过以下技术方案实现：
9.一种存在声反馈的有源降噪耳机，包括内部为中空结构的壳体，所述壳体的内部安装有参考传声器，所述壳体上开设有与其内部相通的入声孔，所述壳体的内部安装有控制器；
10.所述壳体上设置有与其内部相通的次级源扬声器，所述参考传声器的信号接收端朝向于壳体的内部，且背向于入声孔，所述参考传声器直接与控制器电连接；
11.所述控制器的内部设置有至少两个滤波器。
12.进一步，所述滤波器为二阶i i r滤波器。
13.进一步，所述滤波器设置有2-4个。
14.进一步，所述滤波器设置有2个。
15.进一步，所述滤波器设置有3个。
16.进一步，所述滤波器设置有4个。
17.本发明的有益效果在于：
18.该存在声反馈的有源降噪耳机,参考传声器的信号接收端朝向于壳体的内部且与壳体内腔相通，参考传声器与人耳处误差传声器之间相关性提高，控制器最优频率响应平滑，只需使用少量滤波器则可拟合出最优频响，本技术技术方案的降噪耳机具有更宽的降噪宽度和更高的降噪深度。
19.本技术技术方案相比于传统的降噪耳机，通过将参考传声器的位置改变，并摆脱密封塞或胶水的使用束缚，在提高了降噪性能的基础上，减少了滤波器的使用数量，降低了成本，减轻了降噪耳机的自身质量，提高了使用舒适度。
20.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
21.图1为本发明的内部结构示意图；
22.图2为传统有源降噪耳机内部结构示意图。
23.图中：1、壳体；2、滤波器；3、次级源扬声器；4、参考传声器；5、入声孔；6、控制器；7、误差传声器；8、密封塞。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
25.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
27.在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
29.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种存在声反馈的有源降噪耳机，包括内部为中空结构的壳体1，其特征在于：壳体1的内部安装有参考传声器4，壳体1上开设有与其内部相通的入声孔5，壳体1的内部安装有控制器6；
30.该有源降噪耳机壳体1上设置有与其内部相通的次级源扬声器3，参考传声器4的信号接收端朝向于壳体1的内部，且背向于入声孔5，参考传声器4直接与控制器6电连接；
31.控制器6的内部设置有至少两个滤波器2；
32.本技术所提及的滤波器、次级源扬声器、参考传声器、控制器及误差传声器，其具体如何安装、如何连接、如何工作，此皆为目前本领域的现有技术，本领域技术人员在掌握现有技术的基础上，能够对上述技术特征予以实施和重现，故本技术对上述技术特征的具体参数或工作方式未做进一步赘述；
33.本技术的改进点，在于参考传声器的安装位置以及相对于传统降噪耳机，摆脱了传统密封塞8的使用方式；
34.传统有源降噪耳机参考传声器朝外且通过密封与壳体内腔隔离，参考传声器与误差传声器之间相关性较低，这种结构使得控制器最优频率响应峰谷结构明显，需要使用较多的滤波器资源即多个级联的二阶iir滤波器去实现且降噪效果受限。本技术技术方案参考传声器朝向于壳体的内部且与壳体内腔相通，参考传声器与误差传声器之间相关性较高，控制器最优频率响应平滑，只需少量滤波器资源则可拟合出最优频响，具有更宽的降噪宽度和降噪深度。
[0035][0036]
表1
[0037]
表1是存在声反馈的前馈有源降噪系统框图，其中主路径
p
(z)为初级源到误差传声器的传递函数，次级路径s(z)和声反馈路径f(z)分别为次级源扬声器到误差传声器和参考传声器的传递函数。参考信号x(n)是初级源噪声信号u(n)与声反馈信号叠加后由参考传声器采集得到，经过控制器h(z)和次级路径s(z)滤波后产生反向噪声信号y'(n)，在误差传声器处与期望信号d(n)声学叠加后由误差传声器采集得到误差信号e(n)。设u(z)和y(z)分别为u(n)和y(n)的z变换，观察表1中虚线框即声反馈部分，得到如下关系式：
[0038]
y(z)＝[u(z)+y(z)f(z)]h(z).
ꢀꢀꢀ
(1)
[0039]
容易得到
[0040][0041]
根据表1，利用公式，误差信号e(n)的z变换e(z)表示为
[0042][0043]
控制器h(z)的设计目标是最小化e(n)，因此，令式中e(z)＝0，假设u(z)为全频段噪声，得到存在声反馈时前馈控制器的最优解
[0044][0045]
以降噪量作为耳机降噪能力的评价指标，定义降噪量计算公式：
[0046][0047]
将式和式代入式得到
[0048][0049]
对于无声反馈系统，即f(z)＝0，式将简化为
[0050][0051]
可知，前馈有源降噪系统的理论降噪量计算式将简化为
[0052][0053]
控制器设计
[0054]
如何优化控制器频率响应是设计前馈有源噪声降噪耳机的关键问题。观察式(4)和式(5)，分母的存在使得控制器幅度容易存在峰谷结构。fir滤波器实现该控制器至少需要上百阶，而iir滤波器只需要很少的滤波器系数，可以降低计算复杂度和存储空间。因为iir滤波器差分方程中的回归项可以高效率地对腔体中的回声信号建模，从而以较低的参数量获得高性能的控制器。本文控制器采用级联二阶iir滤波器形式，具有存储单元少和硬件结构简单的优点，与商业有源降噪耳机芯片的滤波器结构一致，控制器传递函数h(z)表示为
[0055][0056]
其中，{b
m,i
,a
m,i
},i＝0,1,2为第m个二阶iir滤波器系数，g为m个二阶iir滤波器线性总增益。为展示滤波器系数的物理意义和限定参数范围，将式改写为参数化滤波器形式。
[0057][0058]
其中，
[0059][0060]
其中，fs为采样率，gm为二阶iir滤波器的增益参数，其正负决定了滤波器的峰谷结构，绝对值大小决定了峰谷的高度；fm为中心频率，决定了峰谷的位置；qm为品质因数，决定了峰谷的宽度。根据公式，第m个二阶iir滤波器系数由参数组[gm,fm,qm]决定，那么m个二阶iir滤波器级联的控制器h(z)由长度为3m+1参数向量决定
[0061]
α＝[g1,f1,q1,...,gm,fm,qm,...gm,fm,qm,g].
ꢀꢀꢀ
(12)
[0062]
常见的工程方法是观测误差信号e(n)的功率谱，实时手动调节公式中的向量α中的所有参数。这需要耗费工程师很大的精力和时间，有时候降噪效果一般，为了克服人工调节参数的繁琐过程，设计一个自动调整参数向量α的优化方法很有必要。根据公式，和，当控制器h(z)接近于最优解时，误差信号e(n)的能量趋于零。故建立损失函数如下：
[0063][0064]
其中，fk整个噪声频段内的离散频率点。nrf(fk)表示频率fk点处的理论降噪量，由nrf(z)离散化得到
[0065][0066]
w(fk)是降噪量nrf(fk)的加权系数，ε(t)是单位阶跃函数
[0067][0068]
[f
l
,fh]是主动噪声控制的目标降噪频段，f
max
为上限频率，α
li
和α
hi
为向量αi的最小值和最大值，ψ和ξ为常数。式右侧的第一项表示在[f
l
,fh]频段范围内的加权降噪量，这一项越小意味着更大的降噪量。第二项表示[fh,f
max
]范围内控制器能量，它越小意味着高频的低增益，不会噪声抬升。第三项表示惩罚项，将参数约束在了预定参数范围。
[0069]
αo＝min{j}.
ꢀꢀꢀ
(16)
[0070]
然后用遗传算法求解最优滤波器系数。
[0071]
实验数据：
[0072]
实验平台搭建于普通房间，人工耳符合ieice标准，被插入耳机后由支架固定，与初级源音箱在同一水平线且距离0.5米。采用低功耗音频解码芯片adau1777作为有源降噪耳机的控制器芯片，系统采样率为192khz。
[0073]
声学传递函数p(z)、s(z)和f(z)使用粉色噪声作为激励辨识得到。公式中的gm取值范围是-30到25db，fm取值范围为20到20khz，这是人耳听力的频率范围。qm的取值范围是0.05到15db，考虑到g值过高会导致电路底噪增加，选择g的取值范围为-20到3db。目标降噪频段[f
l
,fh]设置为[50,1200]。差分进化算法的迭代次数选用5000次以保证算法收敛到稳态。在目标函数中，参数ψ和ξ设置为0.1和10000。
[0074]
在仿真中对前馈朝内和朝外耳机分别进行实验研究，测量在1-4个iir滤波器的情况下最优滤波器的拟合情况并计算其降噪量，表2(a)显示了前馈朝内结构中不同滤波器数量向最优滤波器拟合逼近的效果，表2(b)为在实验环境下实际测得的降噪量。
[0075][0076]
表2存在声反馈的前馈有源降噪系统不同滤波器数量实验结果：表2(a)最优频率响应控制器拟合结果表2(b)实际测量降噪量
[0077][0078]
表3前馈传声器朝外结构不同滤波器数量实验结果：表3(a)最优频率响应控制器拟合结果表3(b)实际测量降噪量。
[0079]
表3(a)显示了前馈朝内结构中不同滤波器数量向最优滤波器拟合逼近的效果，表3(b)为在实验环境下实际测得的降噪量。
[0080]
观察表2可知前馈朝内结构最优拟合曲线下耳机在70-1800hz内的降噪量均在15db以上，在170-1100hz内的降噪量也达到了20db；当仅用两个滤波器时也实现了较好的降噪效果，在70-1800hz的降噪量也基本高于15db。观察表3前馈朝外结构的最优拟合曲线，降噪量高于15db时的频率范围在170-1000hz，高于20db的频率只在220-360hz，而使用两个滤波器时耳机在150-1200hz范围时耳机降噪量已明显低于15db。
[0081]
分析原因可以发现前馈朝内结构的最优滤波曲线较前馈朝外更加平滑，前馈朝外结构中滤波器的拟合曲线与最优滤波器曲线之间还有较大差异，前馈朝内结构中滤波器的拟合效果更好。
[0082]
由以上实验可知，存在声反馈的有源降噪耳机的最优滤波的曲线更加平滑，使用的滤波器资源更少，具有更宽的降噪宽度和较深的降噪深度。
[0083]
此外还发现前馈传声器朝外结构中使用三个iir滤波器时的降噪效果较使用四个滤波器时更优。
[0084]
滤波器为二阶iir滤波器。
[0085]
滤波器设置有2-4个，而当滤波器设置有2个时，此条件下，可在保证滤波器有效降噪等其他工作的基础上，减少成本的支出，相比较传统降噪耳机至少使用四个滤波器，本申
请技术方案将改进后的降噪耳机质量降低的同时，降低了成本，提高了使用者的使用舒适度。
[0086]
本实施例中：滤波器设置有3个，非最优实施例。
[0087]
本实施例中：滤波器设置有4个，非最优实施例。
[0088]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。