專(zhuān)利名稱(chēng)：主動(dòng)降噪麥克風(fēng)放置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說(shuō)明書(shū)涉及主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)中的反饋控制。
背景技術(shù)：
參考Bose公司的美國(guó)專(zhuān)利No.4,494,074，其名稱(chēng)為“FeedbackControl”。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，一種用于主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的裝置包括用于主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器組件。該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器可以包括膜片和音圈，用于沿施力線將機(jī)械力施加到膜片。該主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)可以包括具有在平行于膜片運(yùn)動(dòng)的預(yù)期方向并與施力線相交的線的2mm內(nèi)定位的麥克風(fēng)開(kāi)口的麥克風(fēng)以及用于削弱由聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以包括層疊的膜片。
在另一方面中，一種用于主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的裝置包括用于主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器，該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器包括高阻尼膜片和沿連接線連接到膜片的音圈。該主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)還包括麥克風(fēng)，其沿平行于膜片運(yùn)動(dòng)的預(yù)期方向并與連接線相交的定位線定位。
在另一方面中，一種降噪頭戴式耳機(jī)包括耳機(jī)，用于被推向用戶(hù)頭部以圍住腔。該耳機(jī)包括聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器，該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器包括膜片和音圈，用于沿施力線將機(jī)械力施加到膜片，從而使膜片將聲能輻射到腔中。該耳機(jī)還包括由腔圍住的麥克風(fēng)，用于將腔中的聲能轉(zhuǎn)換為噪音信號(hào)，其位于平行于膜片的預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向并與施力線相交的線的2mm內(nèi)；以及用于削弱由聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以用于削弱由聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的音圈組件的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差。該結(jié)構(gòu)可以包括高阻尼的膜片。麥克風(fēng)的開(kāi)口可以定位在平行于預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向的線上。
在本發(fā)明的另一方面中，一種用于在主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的反饋電路中增加相位裕度的方法，包括提供包括聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的聲學(xué)模塊。該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器包括沿連接線機(jī)械連接到聲能輻射膜片的音圈。聲學(xué)模塊還包括沿平行于聲學(xué)膜片的預(yù)期振動(dòng)方向并與連接線相交的線定位的麥克風(fēng)。該聲學(xué)模塊的特征在于幅度頻率響應(yīng)。該方法包括通過(guò)在10kHz以上至少一個(gè)頻譜范圍上具有正斜率的補(bǔ)償圖案來(lái)補(bǔ)償幅度頻率響應(yīng)。
在另一方面中，一種主動(dòng)降噪裝置包括聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器。該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器包括膜片和音圈，用于沿施力線將機(jī)械力施加到膜片；麥克風(fēng)，具有在平行于膜片運(yùn)動(dòng)的預(yù)期方向并與施力線相交的線的2mm內(nèi)定位的麥克風(fēng)開(kāi)口；以及用于削弱由聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差的結(jié)構(gòu)。該裝置還包括聲學(xué)模塊，其特征在于第一幅度頻率響應(yīng)，以及補(bǔ)償器，其特征在于第二幅度頻率響應(yīng)，用于把第一幅度頻率響應(yīng)與第二幅度頻率響應(yīng)相組合從而提供組合的幅度頻率響應(yīng)。第二幅度頻率響應(yīng)的特征在于在10kHz以上頻譜部分中頻率間隔處具有正斜率的圖案。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)描述中變得顯而易見(jiàn)，附圖中圖1A是降噪頭戴式耳機(jī)的示意圖；圖1B是圖1A的頭戴式耳機(jī)中使用的反饋回路的邏輯布置的框圖；圖2A是減少在聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的聲能輻射與在與降噪頭戴式耳機(jī)相關(guān)聯(lián)的麥克風(fēng)的聲能到達(dá)之間的延時(shí)的布置的示意性頂視圖；圖2B是圖2A的布置的示意性剖視圖；
圖3是非最小相位延遲的圖示；圖4是作為頻率的函數(shù)的幅度響應(yīng)的圖示；圖5是作為頻率的函數(shù)的幅度補(bǔ)償圖案的圖示；以及圖6是采用圖5的補(bǔ)償圖案的主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的開(kāi)環(huán)增益的改進(jìn)的圖示。
具體實(shí)施例方式
盡管可以示出多個(gè)視圖的元件并在框圖中描述為分立元件以及可以稱(chēng)為“電路”，除非特別指出，元件可以實(shí)現(xiàn)為模擬電路、數(shù)字電路、或一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行軟件指令的微處理器其中之一或其組合。軟件指令可以包括數(shù)字信號(hào)處理(DSP)指令。一些處理操作可以用系數(shù)的計(jì)算和應(yīng)用來(lái)表示。計(jì)算和應(yīng)用系數(shù)的等同操作可以通過(guò)其他模擬或數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)執(zhí)行，并且這些技術(shù)包含在本專(zhuān)利申請(qǐng)的范圍之內(nèi)。
參照?qǐng)D1A，示出了主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)110。頭戴式耳機(jī)110包括通過(guò)頭帶117連接的兩個(gè)耳機(jī)112。每個(gè)耳機(jī)112可以包括杯形殼114和襯墊116。頭帶117沿如箭頭119所示向內(nèi)方向施加力，使得將襯墊116推向用戶(hù)的頭部并圍繞耳朵(典型地稱(chēng)為包耳式)以圍住可以包括外耳和耳道的腔；或者使得將襯墊116推向用戶(hù)的耳朵(典型地稱(chēng)為壓耳式)以圍住可以包括外耳和耳道的腔；或者使得將襯墊116推到耳道中(典型地稱(chēng)為插耳式)以限定可以包括耳道的腔。插耳式頭戴式耳機(jī)可以沒(méi)有頭帶而實(shí)現(xiàn)，而是將耳機(jī)的一部分插入到耳道中。在腔中是降噪元件，下面將在圖1B的論述中對(duì)其進(jìn)行描述。
參照?qǐng)D1B，示出了主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)中反饋回路的邏輯布置的框圖。信號(hào)組合器30組合地連接到用于輸入音頻信號(hào)VI的端子24和反饋前置放大器35并連接到補(bǔ)償器37，其則連接到功率放大器32。功率放大器32連接到在由虛線12表示的腔中的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17。聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17連接到組合器36，同樣連接到組合器36的是表示進(jìn)入腔12的噪聲PI的端子25。組合器36的聲學(xué)輸出PO施加到連接至輸出前置放大器35的麥克風(fēng)11，輸出前置放大器35則差動(dòng)連接到信號(hào)組合器30。
腔12表示當(dāng)降噪頭戴式耳機(jī)壓入、壓向或圍繞用戶(hù)耳朵時(shí)形成的腔。組合器36不是物理元件，而是表示從外部環(huán)境進(jìn)入腔12的噪聲PI和由聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17輻射到腔12中的聲學(xué)輸出的聲學(xué)和，該和導(dǎo)致腔12中呈現(xiàn)的聲能PO。共同地，圖1B中的聲學(xué)元件，包括麥克風(fēng)11、聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17和腔12可以稱(chēng)為“聲學(xué)模塊”100，下面將對(duì)其進(jìn)行論述。
在操作中，在信號(hào)組合器30處，放大的誤差信號(hào)VE與輸入音頻信號(hào)VI相減地組合。總信號(hào)提供給補(bǔ)償器37。補(bǔ)償器37提供相位和增益裕度以符合尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。增加相位裕度可以擴(kuò)展系統(tǒng)在其上保持穩(wěn)定的帶寬，可以增加施加到頻率范圍上的反饋量以增加主動(dòng)降噪，或者二者都實(shí)現(xiàn)。下面將更詳細(xì)論述補(bǔ)償器37的各方面。包括應(yīng)用其中幅度隨頻率變化的圖案的補(bǔ)償類(lèi)似于稱(chēng)為“均衡”的處理，并用于本說(shuō)明書(shū)的目的，在反饋電路10內(nèi)應(yīng)用的均衡相當(dāng)于補(bǔ)償。系統(tǒng)中可以有其他均衡，例如音頻信號(hào)VI可以在施加到組合器30之前被均衡。功率放大器32放大提供給聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17的補(bǔ)償?shù)男盘?hào)。聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17將放大的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲能，其與進(jìn)入腔12的噪聲PI組合以形成組合的聲能PO。麥克風(fēng)11將組合的聲能PO轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)，其由前置放大器35放大并作為誤差信號(hào)VE相減地提供給信號(hào)組合器30。
圖1的電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)是POVI=EBD1+EBDMA,]]>其中E、B、D、M和A分別表示補(bǔ)償器、功率放大器、聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器、麥克風(fēng)和前置放大器的依賴(lài)于頻率的傳遞函數(shù)。如果分母的EBDMA項(xiàng)＝-1(相當(dāng)于|EBDMA|＝1并且相位角為-180°)，則電路變得不穩(wěn)定。因此期望布置電路使得存在相位裕度(如下所述)，從而EBDMA的相位角對(duì)于任何|EBDMA|≥1的頻率不接近-180°。例如，如果電路布置為使得在任何|EBDMA|≥1的頻率，相位角不負(fù)于-135°，則相位裕度至少為180°-135°或45°。換言之，為了維持不少于45°的典型期望相位裕度，在交叉頻率(EBDMA的增益為1或0dB的頻率)的EBDMA的相位角應(yīng)該小于等于-135°。使得傳遞函數(shù)EBDMA的相位在交叉頻率附近不那么負(fù)可以允許交叉頻率的增大，從而擴(kuò)展系統(tǒng)的有效帶寬。
作為頻率的函數(shù)的相位角的改變是至少兩個(gè)原因的結(jié)果延時(shí)以及與傳遞函數(shù)E、B、D、M和A的幅度相關(guān)聯(lián)的相移，其可能是依賴(lài)于頻率的。延時(shí)(例如圖1的延遲Δt，其表示在由聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17產(chǎn)生的聲能的輻射與在麥克風(fēng)11處聲能的到達(dá)之間的延時(shí))作為這樣的相移，其作為頻率的函數(shù)是線性的。延時(shí)的其他實(shí)例是例如圖1的組件的信號(hào)處理組件中，特別是數(shù)字DSP系統(tǒng)中的延遲。與傳遞函數(shù)E、B、D、M和A相關(guān)聯(lián)的相移典型地相對(duì)于頻率可變。期望減少延時(shí)以及減少或補(bǔ)償與傳遞函數(shù)EBDMA相關(guān)聯(lián)的相移，使得電路的相位角對(duì)于EBDMA的幅度超過(guò)1或0(如果以dB表示)的頻率不接近-180°并優(yōu)選地不超過(guò)-135°。
參照?qǐng)D2A和圖2B，分別示出減少在由聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17’產(chǎn)生的聲能的輻射與在麥克風(fēng)11’處聲能的到達(dá)之間的延時(shí)Δt(圖1)的布置的頂視圖和沿圖2A的線2B-2B的剖視圖。聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17’包括沿線42機(jī)械連接到膜片40的音圈43。音圈典型地是管狀的，并且連接線42典型地是圓形的，對(duì)應(yīng)于管形的一端。音圈與磁結(jié)構(gòu)47協(xié)作以引起音圈沿由箭頭48指示的期望運(yùn)動(dòng)方向線性運(yùn)動(dòng)。音圈43對(duì)膜片40施加力，引起膜片40在由箭頭48指示的方向上振動(dòng)以輻射聲能。麥克風(fēng)11’沿與連接線42相交并平行于由箭頭48指示的期望運(yùn)動(dòng)方向的線49在膜片40附近定位。在一些實(shí)施方式中，用垂直于運(yùn)動(dòng)方向48并相對(duì)于膜片40徑向向內(nèi)的開(kāi)口53為麥克風(fēng)11’定向。優(yōu)選地，麥克風(fēng)11’這樣放置使得開(kāi)口在線49的2mm以?xún)?nèi)并可以與線49對(duì)齊。在由箭頭48指示的方向上，麥克風(fēng)11’定位為盡可能接近膜片40以最小化來(lái)自膜片40d的聲能的輻射到達(dá)其的延時(shí)，但并不太接近而干擾膜片40的振動(dòng)或負(fù)面地影響壓力梯度。
為了說(shuō)明目的，麥克風(fēng)11’示出為薄圓柱形麥克風(fēng)。其他類(lèi)型的麥克風(fēng)也是適用的。
根據(jù)圖2A和圖2B的布置是有利的，這是因?yàn)樵谘鼐€42由音圈到膜片的力的施加與聲能的輻射之間的延時(shí)(以及因此在由音圈產(chǎn)生的力的施加與在麥克風(fēng)11’處聲能的到達(dá)之間的延時(shí))小于在麥克風(fēng)位于不與在音圈43與膜片40之間的連接線42對(duì)齊的位置的情況下的延時(shí)，例如在膜片的中心上方的點(diǎn)52或在膜片的邊緣上方的點(diǎn)50的延時(shí)。
根據(jù)圖2A和圖2B的布置可能經(jīng)受頻率響應(yīng)偏差，例如尖峰或低谷，原因是音圈43的共振。可以通過(guò)多種方法減少該偏差。一種方法是提供高度阻尼膜片，例如具有薄片層58和60的膜片。在一些實(shí)施中，頂層58是平均厚度55微米的聚氨酯，底層60是平均厚度20微米的聚醚酰亞胺。另一種方法是使用剛性材料用于音圈43或提供用于音圈43的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)51以將共振頻率移出聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的工作范圍。
圖3示出膜片中心上方的點(diǎn)52(圖2A)處放置的麥克風(fēng)的作為頻率的函數(shù)的非最小相位延遲(由延時(shí)引起)的圖示(曲線62)以及根據(jù)圖2A的麥克風(fēng)11’放置的麥克風(fēng)的圖示(曲線63)。在圖3的圖示中，相位延遲表示為正度數(shù)。圖3的正度數(shù)相當(dāng)于本說(shuō)明書(shū)其他部分中的負(fù)度數(shù)。例如，圖3中+40度相當(dāng)于圖1的論述中-40度。
圖4示出包括圖1的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器17、麥克風(fēng)11和腔12的典型聲學(xué)模塊的作為頻率的函數(shù)的幅度響應(yīng)68。在10kHz和20kHz之間存在大約2階的滾降(rolloff)，而在20kHz以上存在非常重要的5階或更高階滾降。換言之，曲線在10kHz和100kHz之間具有低通傾斜響應(yīng)。通常，認(rèn)為在10kHz和100kHz之間的頻率范圍是不重要的，這是因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)是在頻率的可聽(tīng)范圍上，并且因?yàn)槠浔戎鲃?dòng)降噪頭戴式耳機(jī)反饋回路的典型高交叉頻率的十倍還要高。然而，與10kHz以上的陡峭滾降相關(guān)聯(lián)的相位改變可以影響在頻率的可聽(tīng)范圍中頻率處的反饋回路的相位角。
圖5示出可由補(bǔ)償器37應(yīng)用的作為頻率的函數(shù)的幅度補(bǔ)償?shù)膱D案。曲線70表示傳統(tǒng)補(bǔ)償圖案，具有在10kHz和100kHz之間的頻率范圍中應(yīng)用的輕微滾降的補(bǔ)償。曲線72表示的補(bǔ)償圖案具有在10kHz和50kHz以及直到100kHz之間頻率范圍的至少一部分中應(yīng)用的陡峭增加的補(bǔ)償量。在20kHz和50kHz以及直到100kHz之間的范圍中，曲線在與曲線68滾降相同的階上具有高的正斜率(大于2階，例如5階)。斜率對(duì)于至少一個(gè)倍頻程保持正的；例如20kHz到50kHz大于一個(gè)倍頻程，并且20kHz到100kHz大于兩個(gè)倍頻程。對(duì)于這種主動(dòng)降噪裝置的設(shè)計(jì)的實(shí)例在Roman Sapiejewski的共同未決專(zhuān)利申請(qǐng)“High Frequency Compensating”中給出，其與本申請(qǐng)同一天提交并在此并入作為參考。
圖6示出采用圖5的曲線72的補(bǔ)償圖案的主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的開(kāi)環(huán)增益(曲線78)相對(duì)于使用傳統(tǒng)補(bǔ)償圖案(例如圖5的曲線70)的主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)(曲線76)的改進(jìn)。采用圖5中曲線72的補(bǔ)償圖案的頭戴式耳機(jī)提供比額外的開(kāi)環(huán)增益的帶寬的倍頻程更多的倍頻程。
圖5的補(bǔ)償圖案可以由模擬或數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但更便利地是作為模擬濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括一個(gè)或多個(gè)具有足夠增益-帶寬積的運(yùn)算放大器以及適當(dāng)布置的電阻器和電容器和電源。
其他實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的裝置，包括聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器，包括膜片和音圈，用于沿施力線將機(jī)械力施加到所述膜片；麥克風(fēng)，具有在平行于所述膜片的預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向并與所述施力線相交的線的2mm內(nèi)定位的麥克風(fēng)開(kāi)口；以及結(jié)構(gòu)，用于削弱由所述聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述結(jié)構(gòu)包括層疊的膜片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述麥克風(fēng)開(kāi)口沿平行于所述預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向并通過(guò)所述施力線的線放置。
4.一種用于主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的裝置，包括用于主動(dòng)降噪頭戴式耳機(jī)的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器，包括高阻尼膜片和沿連接線連接到所述膜片的音圈；以及麥克風(fēng)，沿平行于所述膜片的預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向并與所述連接線相交的定位線定位。
5.一種降噪頭戴式耳機(jī)，包括耳機(jī)，用于被推向用戶(hù)頭部以圍住腔，包括聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器，包括膜片和音圈，用于沿施力線將機(jī)械力施加到所述膜片，從而使所述膜片將聲能輻射到所述腔中；由所述腔圍住的麥克風(fēng)，用于將所述腔中的聲能轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)，其位于平行于所述膜片的預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向并與所述施力線相交的線的2mm內(nèi)；以及結(jié)構(gòu)，用于削弱由所述聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的頭戴式耳機(jī)，其中所述結(jié)構(gòu)用于削弱由所述聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的音圈組件的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的頭戴式耳機(jī)，其中所述結(jié)構(gòu)包括層疊的膜片。
8.一種主動(dòng)降噪裝置，包括聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器，包括膜片和音圈，用于沿施力線將機(jī)械力施加到所述膜片；麥克風(fēng)，具有在平行于所述膜片的預(yù)期運(yùn)動(dòng)方向并與所述施力線相交的線的2mm內(nèi)定位的麥克風(fēng)開(kāi)口；以及結(jié)構(gòu)，用于削弱由所述聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的組件的共振引起的頻率響應(yīng)偏差；以及聲學(xué)模塊，其特征在于第一幅度頻率響應(yīng)；以及補(bǔ)償器，其特征在于第二幅度頻率響應(yīng)，用于把所述第一幅度頻率與所述第二幅度頻率響應(yīng)響應(yīng)相組合從而提供組合的幅度頻率響應(yīng)，其中第二幅度頻率響應(yīng)的特征在于在10kHz以上頻譜部分中頻率間隔處具有正斜率的圖案。
全文摘要
一種用于在主動(dòng)噪聲降低頭戴式耳機(jī)的反饋電路中增加相位裕度的方法和裝置。該方法包括提供包括聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器的聲學(xué)模塊，該聲學(xué)驅(qū)動(dòng)器包括沿連接線機(jī)械連接到聲能輻射膜片的音圈，該聲學(xué)模塊還包括沿平行于聲學(xué)膜片的預(yù)期振動(dòng)方向并與連接線相交的線定位的麥克風(fēng)，該聲學(xué)模塊的特征在于幅度頻率響應(yīng)，通過(guò)在10kHz以上至少一個(gè)頻譜范圍上具有正斜率的補(bǔ)償圖案來(lái)補(bǔ)償幅度頻率響應(yīng)。
文檔編號(hào)H04R5/033GK101064968SQ200710104498
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者R·薩皮杰維斯基 申請(qǐng)人:伯斯有限公司