防止反饋話筒信號的飽和效應(yīng)的anc噪聲有源控制音頻頭戴組件的制作方法
【專利說明】防止反饋話筒信號的飽和效應(yīng)的ANC噪聲有源控制音頻頭 戴組件
[0001] 本發(fā)明涉及包括"有源噪聲控制"系統(tǒng)的音頻頭戴組件（headset)。
[0002] 這種頭戴組件可被用于收聽來自諸如MP3播放器、收音機(jī)、智能電話等裝置的音 樂源（例如音樂），該頭戴組件通過有線連接或通過無線連接（特別是藍(lán)牙鏈接（注冊商標(biāo) 為"Bluetooth SIG"））連接到該裝置。
[0003] 如果其設(shè)有適于拾取頭戴組件佩戴者的語音的話筒套件，則作為音樂源收聽的補(bǔ) 充，該頭戴組件還可用于通信功能，例如"免提"電話功能。頭戴組件換能器隨后再現(xiàn)該頭 戴組件佩戴者與之對話的遠(yuǎn)程說話者的語音。
[0004] 該頭戴組件（headset) -般包括由頭帶連接的兩個耳機(jī)（earphone)。每個耳 機(jī)包括容納聲音再現(xiàn)換能器（后文簡稱為"換能器"）并且旨在被施加于用戶耳朵周圍的 閉合外殼，其中在該閉合外殼和用戶耳朵中間具有將耳朵與外部聲音環(huán)境隔絕的罩耳墊 (circumaural pad) 〇
[0005] 還存在"入耳（intra-aural) "型耳機(jī)，其具有被置于耳道內(nèi)的元件，因此沒有圍繞 或覆蓋耳朵的墊。在后文中，主要將引用"頭戴組件"型耳機(jī)，其具有容納在圍繞耳朵（"罩 耳式"頭戴組件）或者靠在耳朵上（"壓耳式（supra-aural)"頭戴組件）的外殼中的換能 器，但是此示例不能被認(rèn)為是限制性的，因為正如所理解的，本發(fā)明也可被應(yīng)用于入耳式耳 機(jī)。
[0006] 當(dāng)在嘈雜環(huán)境（地鐵、繁華街道、火車、飛機(jī)等）中使用該頭戴組件時，佩戴者受到 頭戴組件耳機(jī)的部分保護(hù)，借助閉合外殼和罩耳墊頭戴組件將其隔離。
[0007] 然而，這種純被動式保護(hù)僅僅是部分的，因為部分聲音（特別是頻譜中的低頻部 分）可穿過耳機(jī)外殼或經(jīng)由佩戴者的頭顱被傳送到耳朵。
[0008] 這就是之所以開發(fā)所謂的"有源噪聲控制"或即ANC技術(shù)的原因，ANC技術(shù)的原理 包括拾取入射噪聲分量并且在時間和空間上將一聲波疊加到此噪聲分量上，該聲波在理想 情況下是該噪聲分量的壓力波的反轉(zhuǎn)副本。問題是用該方式創(chuàng)建與該噪聲分量的破壞性干 擾并且減少（在理想情況下抵消）寄生聲波的壓力的變動。
[0009] EP 2 597 889 Al (鸚鵡公司）描述了這樣一種頭戴組件，其設(shè)置有將閉環(huán)反饋和 開環(huán)前饋濾波類型進(jìn)行組合的ANC系統(tǒng)。反饋濾波路徑基于放置在耳機(jī)外殼、罩耳墊和換 能器所界定的聲腔內(nèi)的話筒。換句話說，該話筒被置于用戶的耳朵附近并主要接收由換能 器產(chǎn)生的信號以及在前腔內(nèi)仍然能感知的未被抵消的殘留噪聲信號。該話筒的信號（從中 減去要由換能器再現(xiàn)的音樂源的音頻信號）構(gòu)成用于該ANC系統(tǒng)的反饋環(huán)路的誤差信號。 前饋濾波路徑使用由收集存在于該頭戴組件的佩戴者的直接接觸環(huán)境中的寄生噪聲的外 部話筒所拾取的信號。最后，第三濾波路徑處理來自要再現(xiàn)的音樂源的音頻信號。這三條 濾波路徑的輸出信號被組合并應(yīng)用到該換能器以再現(xiàn)與周圍噪聲抑制信號相關(guān)聯(lián)的音樂 源信號。
[0010] EP 2 518 724 Al (鸚鵡公司）描述了一種組合話筒/頭戴組件型設(shè)備，其尤其可 用于"免提"電話功能。該頭戴組件裝備有生理傳感器，該生理傳感器抵靠頭戴組件佩戴者 的面頰或鬢角施加，并且收集具有本質(zhì)上極少受環(huán)境噪音破壞的性質(zhì)的聲音振動。特別地， 生理傳感器可以位于放置在頭戴組件耳機(jī)的墊片表皮的內(nèi)面上的加速度計內(nèi)，以便以盡可 能更近的耦合來抵靠用戶的面頰或鬢角施加。如此收集的信號在濾波和與由傳統(tǒng)外部話筒 拾取的信號相組合之后允許向通信系統(tǒng)遞送近旁說話者（頭戴組件佩戴者）的語音信號， 其智能性將大幅改善。這一傳感器的另一優(yōu)點是使用從該傳感器遞送的信號來計算動態(tài)濾 波器的截止頻率的可能性。
[0011] WO 2010/129219A1(EP 2 425 421 A0)描述了另一種設(shè)備，該設(shè)備包括自適應(yīng)型 ANC系統(tǒng)，即，使用其傳遞函數(shù)通過用于實時分析信號的算法來動態(tài)且連續(xù)地修改的濾波 器。放置在頭戴組件耳機(jī)的外殼上的外部話筒收集環(huán)境噪聲，該環(huán)境噪聲水平被分析以調(diào) 節(jié)反饋濾波器的傳遞函數(shù)，以便適配于頭戴組件的外部環(huán)境中存在的噪聲。
[0012] 現(xiàn)有ANC系統(tǒng)經(jīng)受在耳機(jī)內(nèi)部聲腔經(jīng)歷突然壓縮和解壓時出現(xiàn)的現(xiàn)象，所述突然 壓縮和解壓是聽不到的，但是其幅度如此高以使得話筒的膜被突然擠壓并產(chǎn)生超出其標(biāo)稱 限制的電信號。
[0013] 特別是在雙手操縱耳機(jī)期間或者在用戶大步走或跑時出現(xiàn)這種現(xiàn)象。頭戴組件的 移動隨后在前腔中產(chǎn)生過度的過壓或抑制，其轉(zhuǎn)換為低頻的高電力峰值。由話筒拾取的過 量信號在反饋ANC濾波器中產(chǎn)生飽和（saturation)，所述飽和導(dǎo)致在換能器的輸出處產(chǎn)生 并且使用戶不適的可聽見的信號或"啪噠聲"。
[0014] 此現(xiàn)象甚至可在正常走路狀態(tài)下發(fā)生，其中低于IOOHz的低頻中的步點噪聲諧波 被聽到并且有時很討厭。反饋ANC濾波器可通過放大內(nèi)部話筒的信號來衰減這些步點噪聲 諧波，但是當(dāng)步點變得更重時，話筒信號的電平可能超出其正常操作的限制并且在此又一 次導(dǎo)致ANC濾波器和換能器的飽和。
[0015] 這種飽和可在信號處理鏈的若干位置處介入：模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入動態(tài)的電 氣超出、數(shù)字信號處理器DSP中的最大數(shù)字值的超出、或者在換能器所再現(xiàn)的信號超出數(shù) 字/模擬轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生的最大值情況下的輸出飽和，這些現(xiàn)象中的每一個均易于導(dǎo)致惱人 的"啪噠聲"。
[0016] 本發(fā)明的目的是提出一種允許補(bǔ)償這些現(xiàn)象的新穎的ANC降噪技術(shù)：
[0017] -通過補(bǔ)償耳機(jī)的聲腔中的氣動過壓/抑制現(xiàn)象，所述現(xiàn)象特別是由耳機(jī)用戶的 步點移動引起的；
[0018] -其不使ANC系統(tǒng)的抗噪聲性能降級，即，用戶所感知的殘留噪聲總是能被減小 得最多，特別是伴有i)對低頻的強(qiáng)衰減以及ii)大頻率抑制帶寬；
[0019] -整體上，而不使來自音樂源（或在電話應(yīng)用中的遠(yuǎn)程講話者語音）的聲音信號 失真，并且ANC處理不切斷此信號的頻譜一一盡管噪聲抵消信號和要再現(xiàn)的音頻信號由同 一信道放大并且由同一換能器再現(xiàn)。
[0020] 本發(fā)明的另一個目標(biāo)是實現(xiàn)一種用于這種ANC系統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)（而不是如上面提 及EP 2 597 889 Al的中的模擬技術(shù)），其尤其可在數(shù)字信號處理器（DSP)內(nèi)實現(xiàn)。
[0021] 為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，本發(fā)明提出一種如有上面提及的EP 2 518 724 Al所公開的 音頻頭戴組件。這種頭戴組件包括：
[0022] -兩個耳機(jī)，每個耳機(jī)包括用于對要再現(xiàn)的音頻信號進(jìn)行聲音再現(xiàn)的換能器，此 換能器被容納于耳朵的聲腔中；
[0023] -適于遞送包括噪聲分量的所拾取信號的至少一個話筒；
[0024] -裝載在所述耳機(jī)中的至少一個上并且適于遞送加速度計信號的移動傳感器； 以及
[0025] -數(shù)字信號處理器DSP，包括：
[0026] ?混合裝置，其接收來自所述話筒的信號以及要被再現(xiàn)的所述音頻信號作為輸入， 并且遞送適于引導(dǎo)所述換能器的信號作為輸出；以及
[0027] ?降噪裝置，其包括適于并發(fā)分析i)由所述話筒遞送的話筒信號和ii)由所述移 動傳感器遞送的加速度計信號，以及驗證這些話筒和加速度計信號的當(dāng)前性質(zhì)是否滿足第 一預(yù)定準(zhǔn)則集的裝置。
[0028] 本發(fā)明的特征在于：
[0029] -所述頭戴組件包括ANC有源噪聲控制系統(tǒng)；
[0030] -所述話筒是放置在該聲腔內(nèi)部的內(nèi)部ANC話筒；
[0031] -所述DSP包括：
[0032] ?閉環(huán)反饋支路，所述閉環(huán)反饋支路包括適于向由所述內(nèi)部ANC話筒遞送的信號 應(yīng)用濾波傳遞函數(shù)的反饋ANC濾波器；以及
[0033] ?所述混合裝置，其接收在該反饋ANC濾波器的輸出端處由該反饋支路所遞送的 信號以及要被再現(xiàn)的所述音頻信號作為輸入，并且遞送適于引導(dǎo)該換能器的所述信號作為 輸出；以及
[0034] -所述DSP進(jìn)一步包括用于阻止由所述內(nèi)部話筒遞送的信號的飽和對所述反饋 支路的影響的裝置，其包括：
[0035] ?所述裝置適于并發(fā)分析