在anr耳機中提供環(huán)境自然度的制作方法
【專利說明】在ANR耳機中提供環(huán)境自然度
【背景技術】
[0001 ] 本公開涉及在主動噪聲降低（ANR)耳機中提供自然的透聽（hear-through)， 與ANR耳機中的透聽同時再現音頻信號，并且排除ANR耳機中的閉塞效應（occlusion effect)〇
[0002] 噪聲降低耳機被用來阻止環(huán)境噪聲到達用戶的耳朵。噪聲降低耳機可以是主動 的，即ANR耳機，在其中電子電路被用來生成與環(huán)境噪聲相消干涉從而消除它的抗噪聲信 號，或者噪聲降低耳機可以是被動的，在其中耳機物理地阻塞及減弱環(huán)境聲音。大多數主動 耳機還提供被動噪聲降低措施。用于通信或者用于收聽娛樂音頻的耳機可以包括主動和被 動噪聲降低能力中的一者或兩者。ANR耳機可以針對音頻（其包括通信和娛樂兩者）和消 除使用相同的揚聲器，或者可以針對每個具有單獨的揚聲器。
[0003] -些耳機提供了通常稱為"透講（talk-through) "或"監(jiān)聽（monitoring) "的特 征，在其中外部麥克風被用來檢測用戶可能想聽見的外部聲音。那些聲音被耳機內部的揚 聲器再現。在具有透講功能的ANR耳機中，用于透講的揚聲器可以是與用于噪聲消除的相 同的揚聲器，或者可以是附加的揚聲器。外部麥克風還可以被用于前饋主動噪聲消除，用于 通信的目的拾取用戶自己的嗓音，或者外部麥克風可以專用于提供透講。典型的透講系統 僅向外部信號應用最小信號處理，并且我們將這些稱為"直接透講"系統。有時直接透講系 統使用帶通濾波器以限制外部聲音至嗓音帶或感興趣的一些其它帶。直接透講特征可以是 手動觸發(fā)的或者可以被諸如嗓音或警報之類的感興趣的聲音的檢測觸發(fā)。
[0004] -些ANR耳機包括臨時地減弱噪聲消除使得用戶可以聽見環(huán)境的特征，但它們并 不同時提供透講，反而，它們依賴于被動地穿過耳機的足夠聲音以使得環(huán)境可聽見。我們將 該特征稱為被動監(jiān)聽。

【發(fā)明內容】

[0005] 通常，在一些方面，主動噪聲降低耳機包括被配置為耦合至佩戴者的耳朵以定義 包括佩戴者的耳道以內的空氣的體積以及耳杯以內的體積的聲體積的耳杯，聲耦合至外部 環(huán)境并且電耦合至前饋主動噪聲消除信號路徑的前饋麥克風，被聲耦合至聲體積并且被電 耦合至反饋主動噪聲消除信號路徑的反饋麥克風，經由耳杯以內的體積被聲耦合至聲體積 并且被電耦合至前饋和反饋主動噪聲消除信號路徑兩者的輸出換能器，以及被配置為應用 濾波器和控制前饋和反饋主動噪聲消除信號路徑兩者的增益的信號處理器。該信號處理器 被配置為在提供環(huán)境聲音的有效消除的第一操作模式向前饋信號路徑應用第一前饋濾波 器并且向反饋信號路徑應用第一反饋濾波器，并且在提供具有環(huán)境自然度的環(huán)境聲音的主 動透聽的第二操作模式向前饋信號路徑應用第二前饋濾波器。
[0006] 各個實施方式可以包括以下中的一個或多個。前饋濾波器可以致使耳機具有在佩 戴者的耳朵處的可以是平滑及分段線性的總系統響應。在第一操作模式與第二操作模式之 間的語音噪聲的總噪聲降低之差可以至少為12dBA。第二前饋濾波器可以具有被選擇為致 使公式
與預定目標值大致相等的值Kht。信號處理器可以進一步被配 置為在第二操作模式期間向反饋信號路徑應用與第一反饋濾波器不同的第二反饋濾波器。 反饋信號路徑和耳杯的結合可以在IOOHz與IOkHz之間的所有頻率處以最少8dB減小到達 耳道的入口的環(huán)境噪聲。反饋信號路徑可以在高于500Hz延伸的頻率范圍是操作的。第二 前饋濾波器可以致使總系統響應在延伸到高于3kHz的頻率的區(qū)域中是平滑的及分段線性 的。第二前饋濾波器可以致使總系統響應在延伸到低于300Hz的頻率的區(qū)域中是平滑的及 分段線性的。反饋信號路徑可以在數字信號處理器中被實施并且可以具有小于250 μ s的 時延。第二前饋濾波器定義在特征化前饋信號路徑的傳遞函數中的非最小相位零點。
[0007] 信號處理器可以進一步被配置為在提供具有與可以在第二操作模式中提供的總 響應不同的總響應的環(huán)境噪聲的主動透聽期間向所述前饋信號路徑應用第三前饋濾波器。 可以提供用戶輸入，使得信號處理器被配置為基于所述用戶輸入在第一、第二或第三前饋 濾波器之間進行選擇。用戶輸入可以包括音量控制。信號處理器可以被配置為在第二和第 三前饋濾波器之間自動進行選擇。信號處理器可以被配置為基于環(huán)境噪聲的水平的時間平 均測量在第二和第三前饋濾波器之間進行選擇。信號處理器可以被配置為當接收到用于激 活透聽模式的用戶輸入調用時在第二和第三前饋濾波器之間做出選擇。信號處理器可以被 配置為周期性地在第二和第三前饋濾波器之間做出選擇。
[0008] 信號處理器可以是第一信號處理器并且前饋信號路徑可以是第一前饋信號路徑， 使得耳機包括被配置為耦合至佩戴者的第二耳朵以定義包括佩戴者的第二耳道以內的空 氣的體積以及第二耳杯以內的體積的第二聲體積的第二耳杯，聲耦合至外部環(huán)境并且電耦 合至第二前饋主動噪聲消除信號路徑的第二前饋麥克風，被聲耦合至第二聲體積并且被電 耦合至第二反饋主動噪聲消除信號路徑的第二反饋麥克風，經由第二耳杯以內的體積被聲 耦合至第二聲體積并且被電耦合至第二前饋和第二反饋主動噪聲消除信號路徑兩者的第 二輸出換能器，以及被配置為應用濾波器和控制第二前饋和第二反饋主動噪聲消除信號路 徑兩者的增益的第二信號處理器。該第二信號處理器可以被配置為在第一信號處理器的第 一操作模式期間向第二前饋信號路徑應用第三前饋濾波器并且向第二反饋信號路徑應用 第一反饋濾波器，并且在第一信號處理器的第二操作模式期間向第二前饋信號路徑應用第 四前饋濾波器。第一和第二信號處理器可以是單個信號處理設備的部分。第三前饋濾波器 可以不與第一前饋濾波器相同。第一或第二信號處理器中的唯一一個可以在第三操作模式 期間向對應的第一或第二前饋信號路徑應用相應的第二或第四前饋濾波器。第三操作模式 可以響應于用戶輸入被激活。
[0009] 第一信號處理器可以被配置為從第二前饋麥克風接收交叉信號，向該交叉信號應 用第五前饋濾波器，并且將濾波的交叉信號插入至第一前饋信號路徑中。信號處理器可以 進一步被配置為在第二操作模式期間向第一前饋信號路徑應用單通道噪聲降低濾波器。信 號處理器可以被配置為檢測在前饋信號路徑中的高頻信號，將檢測到的高頻信號的幅度與 指示正反饋回路的閾值比較，并且如果檢測到的高頻信號的幅度大于閾值則激活壓縮限幅 器。信號處理器可以被配置為當檢測到的高頻信號的幅度不再高于閾值時逐漸減小由限幅 器應用的壓縮的量，并且如果檢測到的高頻信號的幅度在減小壓縮的量之后回到高于該閾 值的水平則增大壓縮的量至檢測到的高頻信號的幅度保持低于該閾值的最低水平。信號處 理器可以被配置為使用監(jiān)視在前饋信號路徑中的信號的鎖相回路檢測高頻信號。
[0010] 該耳杯可以提供包圍前饋麥克風的體積，使得網屏覆蓋介于包圍前饋麥克風的體 積與外部環(huán)境之間的孔。在包圍前饋麥克風的體積與外部環(huán)境之間的孔至少為1〇_ 2。在 包圍前饋麥克風的體積與外部環(huán)境之間的孔至少為20_2。網屏和前饋麥克風可以分開至 少I. 5mm的距離。
[0011] 通常，在一個方面，主動噪聲降低耳機包括被配置為耦合至佩戴者的耳朵以定義 包括佩戴者的耳道以內的空氣的體積以及耳杯以內的體積的聲體積的耳杯，被聲耦合至聲 體積并且被電耦合至反饋主動噪聲消除信號路徑的反饋麥克風，經由第一體積被聲耦合至 聲體積并且被電耦合至反饋信號路徑的輸出換能器，以及被配置為應用濾波器和控制反饋 信號路徑的增益的信號處理器。信號處理器被配置為向反饋信號路徑應用第一反饋濾波器 并且向反饋信號路徑應用第二反饋濾波器，在第一操作模式期間第一反饋濾波器致使反饋 信號路徑在第一增益水平操作（作為頻率的函數），在第二操作模式期間第二反饋濾波器 致使反饋信號路徑在某些頻率處小于第一增益水平的第二增益水平操作，第一增益水平是 導致當耳杯被耦合至佩戴者的耳朵時傳導通過或圍繞耳杯并且穿過用戶的頭部進入聲體 積的聲音的有效消除的增益的水平，并且第二水平是當耳杯被耦合至佩戴者的耳朵時與傳 導通過佩戴者的頭部的典型的佩戴者的嗓音的聲音水平匹配的增益的水平。
[0012] 各個實施方式可以包括以下中的一個或多個。前饋麥克風可以被聲耦合至外部環(huán) 境并且被電耦合至前饋主動噪聲消除信號路徑，使得輸出換能器被電耦合至前饋信號路徑 并且信號處理器被配置為應用濾波器及控制前饋信號路徑的增益。在第一操作模式中，信 號處理器可以被配置為向前饋信號路徑應用第一前饋濾波器，連同向反饋信號路徑應用第 一反饋濾波器以實現環(huán)境聲音的有效消除，并且在第二操作模式中，信號處理器可以被配 置為向前饋信號路徑應用第二前饋濾波器，第二濾波器被選擇為提供具有環(huán)境自然度的環(huán) 境聲音的主動透聽。第二反饋濾波器和第二前饋濾波器可以被選擇以提供具有自身自然 度的用戶自己嗓音的主動透聽。被應用至前饋路徑的第二前饋濾波器可以是非最小相位響 應。小于被動傳導通過佩戴者的頭部的第一頻率的典型的佩戴者的嗓音的聲音在耳杯被耦 合至佩戴者的耳朵時可以被放大，并且高于所述第一頻率的聲音在耳杯被如此耦合時可以 被衰減，使得反饋信號路徑在延伸高于第一頻率的頻率范圍是操作的。
[0013] 信號處理器可以是第一信號處理器并且反饋信號路徑可以是第一反饋信號路徑， 使得耳機包括被配置為耦合至佩戴者的第二耳朵以定義包括佩戴者的第二耳道以內的空 氣的體積以及第二耳杯以內的體積的第二聲體積的第二耳杯，被聲耦合至第二聲體積并且 被電耦合至第二反饋主動噪聲消除信號路徑的第二反饋麥克風，經由第二耳杯以內的體積 被聲耦合至第二聲體積并且被電耦合至第二反饋主動噪聲消除信號路徑的第二輸出換能 器，以及被配置為應用濾波器和控制第二反饋主動噪聲消除信號路徑的增益的第二信號處 理器。該第二信號處理器可以被配置為向第二反饋信號路徑應用第三反饋濾波器，第二反 饋濾波器在第一信號處理器的第一操作模式期間致使第二反饋信號路徑在第一增益水平 操作，并且在第一信號處理器的第二操作模式期間向第二反饋信號路徑應用第四反饋濾波 器以在第二增益水平操作。第一和第二信號處理器可以是單個信號處理設備的部分。第三 反饋濾波器可以不與第一反饋濾波器相同。
[0014] 通常，在一個方面，描述了一種用于配置主動噪聲降低耳機的方法，該耳機包括被 配置為耦合至佩戴者的耳朵以定義包括佩戴者的耳道以內的空氣的體積以及耳杯以內的 體積的聲體積的耳杯，聲耦合至外部環(huán)境并且電耦合至前饋主動噪聲消除信號路徑的前饋 麥克風，被聲耦合至聲體積并且被電耦合至反饋主動噪聲消除信號路徑的反饋麥克風，經 由耳杯以內的體積被聲耦合至聲體積并且被電耦合至前饋和反饋主動噪聲消除信號路徑 兩者的輸出換能器，以及被配置為應用濾波器和控制前饋和反饋主動噪聲消除信號路徑兩 者的增益的信號處理器。該方法包括，針對至少一個頻率，測量比率
其中耳機的主 動噪聲降低電路是不活動的，其中6_是當耳機被佩戴時在用戶的耳朵處的對環(huán)境噪聲的 響應，并且G_是當耳機不存在時在用戶的耳朵處的對環(huán)境噪聲的響應，針對反饋路徑選 擇濾波器Kcin，其具有導致反饋回路在至少一個頻率處具有與確定的比率相等的倒靈敏度量 級；針對前饋信號路徑選擇將提供環(huán)境自然度的濾波器K ht;向反饋路徑和前饋路徑相應地 應用選擇的濾波器Kcin和Kht;在至少一個頻率處，測量比率
其中耳機的主動噪聲降 低電路是活動的；并且修改Kht的相位而不改變其量級以最小化測量到的_
的值與一 的偏差。
[0015] 各個實施方式可以包括以下中的一個或多個。選擇Kcin和Kht，應用所選擇的濾波 器，并且測量比率
_的步驟可以被重復，并且Kht的相位進一步被調節(jié)，直到達到環(huán)境 相應和自身嗓音響應的目標平衡。針對前饋信號路徑選擇濾波器可以包括選擇致使公式
與預定目標值大致相等的Kht的值。
[0016] 通常，在一個方面，主動噪聲降低耳機包括被配置為耦合至佩戴者的耳朵以定義 包括佩戴者的耳道以內的空氣的體積以及耳杯以內的體積的聲體積的耳杯，聲耦合至外部 環(huán)境并且電耦合至前饋主動噪聲消除信號路徑的前饋麥克風，被聲耦合至聲體積并且被電 耦合至反饋主動噪聲消除信號路徑的反饋麥克風，用于接收輸入