CN102726060A - 用于头戴式耳机装置的控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于头戴式耳机（101）的控制器，包括根据音频信号生成用于听筒（105）的驱动电路（203）。所述驱动信号被馈送至听筒（105）使其再现所述音频信号。第一电路（217）确定所述音频信号的信号水平并且第二电路（209）根据来自麦克风（109）的麦克风信号确定环境声音水平。第三电路（211）根据所述麦克风信号和听筒（105）的环境声音衰减为用户确定经衰减的环境声音水平。增益控制器（205）响应于所述环境声音水平、经衰减的环境声音水平和信号水平针对所述音频信号对音频驱动电路（203）的增益进行控制。可以使用动态和自动增益控制来降低听力受损的风险，例如通过自动地将用户体验的声音水平限制到环境声音水平。

Description

用于头戴式耳机装置的控制器

技术领域

本发明涉及一种用于头戴式耳机装置的控制器，尤其但并非排他地涉及限制来自头戴式耳机装置的听筒的音量水平。

背景技术

例如便携式音频设备的出现和普及已经使得用于向用户提供音频的听筒的广泛使用。由于听筒接近于耳朵，所以可能生成高的声音压力水平。由于这能够在不会导致他人不便的情况下另外实现，所以已经引起了经常导致施加了危险的高声音压力水平而导致了高的听力受损风险的用户行为。例如，入耳式听筒的广泛使用已经导致了许多用户经常以过度的水平收听音频。

由于例如使用听筒收听便携式音频播放器所导致的听力受损的风险越来越受到关注。例如，在许多司法管辖区正在讨论或实施了对便携式设备所能够提供的最大音量水平的管理限制。然而，这样的固定限制是趋于不灵活的并且提供了不令人满意的保护，这是因为它们并不适用于在其中使用便携式音频播放器的具体情境。

甚至，听力受损的风险特别是由于利用便携式音频播放器时可能的高播放水平以及这样的音频播放器在可能具有高的背景噪声水平的条件下的频繁使用而升高。甚至，便携式音频设备的使用已经使得头戴式耳机在更为多样的环境中使用以及日益频繁地在具有高的环境声音或噪声水平的环境中使用。这在足够高以使得所期望音频凸显的音量水平和希望保持音量水平足够低以避免听力受损之间导致了困难的权衡。嘈杂环境中的用户将趋于将音量提高至如果持续较长时间段可能具有损伤效果的水平。因此，期望允许该音量水平并且因此所产生的声音压力水平被自动控制以提供比通常用户所选择的更好的权衡。因此，期望提供对诸如来自便携式音频播放器的音频呈现的音量更好的控制。特别地，可能期望实施将所生成的声音水平限制到不会导致听力受损的水平的自动音量控制。

US20070129828A1公开了一种其中便携式音频播放器可以自动适配音量以使得听力受损的风险可以有所降低的***。该方法基于对来自音频播放器的累加声音量（dosage）的限制以使得其不超过被认为导致听力受损的值。这是通过基于暴露（explosure）时间和其间允许耳朵从声音暴露中恢复的安静时间来定义便携式设备上最大的所允许音量设置。

然而，该方法并非在所有情形中是最优的。例如，任意仅基于音频播放器的使用来估计听力损失可能性的缺陷在于其没有反映或考虑用户可能暴露于其中的其它声音。例如，其无法确保音频播放器没有被使用的安静时间确实是安静的并且用户没有被暴露于可能地高声音水平之中。因此，其无法保证耳朵能够在收听音频播放器的两个会话之间的时段期间恢复并且因此保留有听力受损的风险。

因此，有所改进的音量水平控制将是有利的，特别是允许灵活度有所提高、适用性有所提高、复杂度有所降低、听力保护有所提高和/或性能改进的***将会是有利的。

发明内容

因此，本发明优选地寻求单独或以任意组合来缓解、减轻或消除以上所提到的一种或多种缺陷。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于头戴式耳机装置的控制器，包括：音频驱动电路，其用于根据音频信号生成用于所述头戴式耳机装置的听筒的驱动信号，并且用于将所述驱动信号馈送至所述听筒以使得所述听筒以第一声音水平再现所述音频信号；第一电路，其用于确定所述音频信号的信号水平；接收器，其用于从麦克风接收麦克风信号；第二电路，其用于根据所述麦克风信号确定环境声音水平；第三电路，其用于根据所述麦克风信号和听筒的环境声音衰减为用户确定经衰减的环境声音水平；和增益控制器，其用于响应于所述环境声音水平、经衰减的环境声音水平和信号水平针对所述音频信号对所述音频驱动电路的增益进行控制。

本发明可以允许对呈现给用户的声音水平进行有所改进的控制。本发明尤其允许有所改进的音量设置，其可以自动且动态地被适配至所体验的具体条件。本发明可以允许特别精确的适配并且在许多实施例中可以允许针对听力受损的有所改进的保护。

所述信号水平可以是取决于音频信号当前实质上的瞬时能量水平的动态变化的能量测量。所述环境声音衰减可以反映听筒在使用中所提供的环境声音的衰减或屏蔽效果。环境声音衰减可以是假设或估计的衰减，并且特别地可以是例如通过听筒的设计、制造或测试阶段期间的测量或计算所确定的预定环境声音衰减。

依据本发明的任选特征，所述增益控制器被安排来响应于环境声音水平和经衰减的环境声音水平而针对第一声音水平确定目标声音压力水平，并且将所述音频驱动电路的增益限制为不高于第一增益，所述第一增益导致经衰减的环境声音水平和对应于所述目标声音压力水平的第一声音水平的组合。

这可以提供有所改进的性能和/或有所降低的复杂度和/或有所促进的操作或实施方式。

特别地，使用基于环境声音水平和经衰减的环境声音水平二者的目标声音压力水平允许对听筒进行控制以提供不仅适用于具体环境而且直接反映对收听者的影响的声音压力水平。特别地，其可以允许对用户所体验的组合声音压力水平更为精确的控制，由此例如允许针对听力受损的更为精确和有效的保护。特别地，该方法可以允许来自音频信号的声音压力水平被限制为考虑到环境声音并且听筒的具体屏蔽不会导致潜在的听力受损的水平。此外，从听筒所生成的声音压力水平不仅取决于用户所感知的环境声音水平（即，经衰减的环境声音水平），而且反映了环境的实际声音水平。因此，该***例如可以在具有与用户所体验的相同环境声音水平但是其源自于不同屏蔽效果和不同音频环境的情形中从听筒提供不同的声音水平。

在一些实施方式中，所述增益控制器被安排来将所述音频驱动电路的增益向第一增益进行偏移，所述第一增益导致经衰减的环境声音水平和对应于所述目标声音压力水平的第一声音水平的组合。

这可以提供高度有利的增益/音量控制，并且在许多情形中允许对音量水平进行所期望的自动和动态设置而并不需要任何用户输入。

依据本发明的任选特征，所述目标声音压力水平处于环境声音水平的6dB之内。

这可以提供有所改进的性能，并且特别地可以在许多实施例和情形中提供听力受损风险的有效缓解。

所述方法可以将用户所体验的组合声音压力水平限制于被维持为充分接近环境声音水平的水平。因此，无论用户是否耗用音频信号，其都将会体验到相对恒定的（最大）声音水平。例如，对于便携式音频播放器的实施例，无论用户是否正在使用音频播放器，他/她都将会体验到相似的声音压力水平。因此，音频播放器的耗用所引发的附加声音量将被保持为所期望水平并且甚至可以相对于环境声音有所降低。

本发明因此可以使得使用头戴式耳机装置来耗用声音对听力的影响被维持为充分接近于音频环境自身所导致的听力影响。通常，声音环境被保持在不会有导致听力受损风险的声音压力水平之内，并且所述方法因此将确保音频信号的耗用将不会有导致听力受损的风险。此外，如果用户将其自身暴露于危险环境之中，则使用听筒进行音频信号耗用将不会导致任何有所增加的危险并且因此将完全由用户对此负责。

在一些实施例中，所述目标声音压力水平并不高于环境声音水平。因此，在一些实施例中，所述***可以被用来确保总体声音量低于或等于用户在没有头戴式耳机的情况下将在音频环境中所体验到的声音量。

依据本发明的任选特征，所述目标声音压力水平实质上等于环境声音水平。

这可以提供有所改进的性能，并且在许多实施例和情形中可以特别地提供听力受损风险的有效缓解。

所述方法可以将用户所体验的组合声音压力限制于被维持为接近于环境声音水平的水平。因此，无论用户是否耗用音频信号，其都将会体验到实质上恒定的（最大）声音水平。例如，对于便携式音频播放器的实施例，无论用户是否使用音频播放器，他/她都将会实质上体验到相同的声音压力水平。因此，无论用户是否正在耗用音频信号，附加的声音量都可以保持为实质上相同。

本发明因此可以使得使用头戴式耳机装置耗用声音对听力的影响被维持为充分接近于用户所体验的音频环境对听力的影响。通常，声音环境被保持在不会有导致听力受损的风险的声音压力水平之内，并且因此本方法将确保音频信号的耗用不会有听力受损的风险。此外，如果用户将其自身暴露于危险环境之中，则使用听筒进行音频信号耗用将不会导致任何有所增加的危险并且因此将完全由用户对此负责。

依据本发明的任选特征，所述增益控制器被安排来将增益限制为高于对应于具有预定最小值的第一声音水平的最小值的区间。

这可以在许多环境中提供有所改进的功能以及更好的用户体验。所述方法可以特别地确保音频信号的声音压力水平甚至在非常安静的环境中永远不会被减小至所不期望的低水平。特别地，所述预定值可以被设置为被认为即使在延长且连续使用的情况下也不会导致任何听力受损的低水平。例如，所述预定值可以被设置为70 dB SPL，这将在确保实质上不存在听力受损的风险的同时确保舒适的收听体验。

依据本发明的任选特征，所述第一电路被安排来利用频率响应对所述音频信号进行滤波，所述频率响应反映了再现音频信号时听筒的频率响应。

这可以提供有所改进的增益控制，并且特别可以允许针对具体用户体验的更为精确的操作适配。

依据本发明的任选特征，所述第三电路被安排来利用频率响应对所述麦克风信号进行滤波，所述频率响应反映了听筒的环境声音衰减的频率响应。

这可以提供有所改进的增益控制，并且特别可以允许针对具体用户体验的更为精确的操作适配。

依据本发明的任选特征，所述第一电路被安排来生成作为低通滤波信号水平的信号水平，所述低通滤波信号水平具有不小于5 Hz的3 dB截止频率。

这可以提供有所改进的收听体验，并且特别可以允许在维持对增益变化的任意有害影响充分低的同时对具体音乐特性进行快速适配。

依据本发明的任选特征，所述第二电路被安排来生成作为低通滤波环境声音信号水平的环境声音信号水平，所述低通滤波环境声音信号水平具有不小于5 Hz的3 dB截止频率。

这可以提供有所改进的收听体验，并且特别可以允许在维持对增益变化的任意有害影响充分低的同时针对具体音乐特性进行快速适配。

依据本发明的任选特征，用于降低增益的时间常数不大于20 msec。

这可以提供有所改进的收听体验，并且特别可以允许在维持对增益变化的任意有害影响充分低的同时对具体音乐特性进行快速适配。

所述时间常数表示在步幅（step）变化之后使得增益达到其最终（渐进）值的1-1/e·63%所需的时间。

依据本发明的任选特征，用于增大增益的时间常数不大于200 msec。

这可以提供有所改进的收听体验，并且特别地可以允许在保持对增益变化的任意有害影响充分低的同时对具体音乐特性进行快速适配。

所述时间常数表示在步幅变化之后使得增益达到其最终（渐进）值的1-1/e·63%所需的时间。

依据本发明的任选特征，用于增大增益的时间常数不小于用于减小增益的时间常数的两倍。

这可以提供有所改进的收听体验，并且特别可以允许听力受损风险和由于增益变化而导致的任何可听退化的降低之间有所改进的折衷。

所述时间常数表示在步幅变化之后使得增益达到其最终（渐进）值的1-1/e·63%所需的时间。

依据本发明的任选特征，所述增益控制器被安排来执行以下至少一个的频率加权：信号水平；环境声音水平；和经衰减的环境声音水平。

这可以提供有所改进的性能，并且特别地可以允许听力受损风险和由于增益变化导致的任何可听退化的降低之间有所改进的折衷。

依据本发明的任选特征，所述控制器被安排来执行频率选择增益调节。

这可以提供有所改进的性能，并且特别可以允许听力受损风险和由于增益变化导致的任何可听退化的降低之间有所改进的折衷。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于头戴式耳机装置的增益控制方法，所述方法包括：根据音频信号生成用于所述头戴式耳机装置的听筒的驱动信号；将所述驱动信号馈送至所述听筒以使得所述听筒再现所述音频信号；确定所述音频信号的信号水平；从麦克风接收麦克风信号；根据所述麦克风信号确定环境声音水平；根据所述麦克风信号和听筒的环境声音衰减为用户确定经衰减的环境声音水平；并且响应于所述环境声音水平、经衰减的环境声音水平和信号水平对所述驱动信号的增益进行控制。

本发明的这些和其它方面、特征和优势将由于随后所描述的（多个）实施例而显而易见并且将参考其而被阐明。

附图说明

将仅通过示例参考附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1图示了依据本发明一些实施例的头戴式耳机装置的使用示例；

图2图示了依据本发明一些实施例的用于头戴式耳机装置的控制器的示例；和

图3图示了依据本发明一些实施例的用于头戴式耳机装置的控制器的示例。

具体实施方式

以下描述集中于可应用于结合便携式音频播放器使用的立体声头戴式耳机的本发明实施例。然而，将要意识到的是，本发明并不局限于这个应用，而是可以被应用于使用一个或多个听筒的许多其它音频渲染应用。

图1图示了依据本发明一些实施例的头戴式耳机装置的使用情形的示例。在该示例中，用户正在收听一组连接到便携式音频播放器103的头戴式耳机101。除了置于用户耳朵周围的两个听筒105、107之外，头戴式耳机装置101包括麦克风109，其在该示例中安装于头戴式耳机101上。麦克风109被安排来捕获环境声音环境。以下假设麦克风109被安排来使得来自从听筒105、107所产生的声音的声音贡献（contribution）相比环境声音是可忽略的。这通常将是由于听筒105、107所进行的衰减以及头戴式耳机102相对低的声音水平所导致的情形。然而，在一些实施例中，麦克风信号可以针对来自听筒声音的任意贡献量而得到补偿。例如，可以应用回声抵消算法来去除来自听筒105、107的任意贡献量。

在该示例中，示出了包括两个听筒的头戴式耳机。然而将要意识到的是，在其它实施例中，头戴式耳机可以包括仅单个听筒并且实际上头戴式耳机可以以单个听筒所构成。

在该示例中，每个听筒被进一步图示为护耳式听筒（circumaural earphone），但是将要意识到的是，在其它实施例中，听筒可以是其它类型的听筒，例如包括耳罩式头戴耳机、耳塞或者耳机（canalphone），也被称作入耳式监视器或入耳式听筒的。

在图1的示例中，便携式音频播放器103包括用于根据麦克风109所捕捉的环境声音而自动控制听筒105、107所生成的声音压力水平的功能。便携式音频播放器103可以特别地针对环境声音条件对音量进行适配以使得听力受损的风险得以降低。例如，便携式音频播放器103可以对音量进行控制以使得用户由于收听便携式音频播放器103而具有受限的附加声音暴露或没有附加声音暴露。

便携式音频播放器103包括控制器，其生成用于头戴式耳机101的驱动信号以使得所期望的音频得以被再现。图2中图示了控制器的示例。在立体声头戴式耳机的示例中，每个听筒可以独立考虑并且因此以下描述将集中于仅针对一个耳机的描述。将要意识到的是，所描述的方法可以被并行应用于立体声头戴式耳机的每个听筒，例如使用相同的麦克风信号，这可以进一步防止或降低立体声图像的失真。

在该示例中，所要再现的音频由适当音频源201所提供，其在该具体示例中是便携式音频播放器103的内部存储器。在该具体示例中，音频源201提供音乐信号。该音频信号被提供至驱动电路203，其根据该音频信号生成用于听筒105的驱动信号。该驱动信号被馈送至听筒105以使得这以所期望的声音水平再现所述音频信号。

在该具体示例中，所述控制器主要在数字域中实施。因此，所述音频信号可以作为数字信号存储在音频源201中，并且主要可以作为数字信号进行处理。将要意识到的是，驱动电路203在这种情况下通常包括具有后续的模拟音频放大的D/A转换器。

驱动电路203耦接到增益控制器205，该增益控制器205被安排来对用于音频信号的驱动电路的有效增益进行控制。因此，增益控制器205对听筒105所生成的声音信号的音量进行控制。将要意识到的是，驱动电路203的增益可以在模拟域中（例如，通过改变模拟音频放大器的放大率）、在数字域中（例如，通过增益值和音频样本的倍增）或者其二者中进行调节。

增益控制器205被安排来基于音频环境中所存在的环境声音水平，反映用户由于听筒所提供的屏蔽而体验到的环境声音水平的经衰减的环境声音水平，以及音频信号的信号水平测量的估计对增益/音量进行控制。

环境声音水平在麦克风109所捕捉的声音的基础上进行估计。因此，假设麦克风109所捕捉的声音对应于用户的音频环境中的环境声音。这可以通过将麦克风109置于邻近头戴式耳机101并且特别地将麦克风109安装在头戴式耳机101上或者与之集成而轻易地实现。

来自麦克风109的信号被接收电路207所接收，如本领域技术人员所知的，所述接收电路207可以包括低噪声放大器、滤波器、A/D转换器等。接收电路207耦接到第一声音水平处理器209，所述第一声音水平处理器209生成麦克风209所捕捉的环境声音水平的估计。作为具体示例，第一声音水平处理器209可以简单地被确定为能量或功率估计，例如

，

其中x是接收电路207所提供的麦克风信号的样本值，n是样本索引，并且对适当数量的样本执行求和以提供动态增益控制的所期望的动态响应。

将要意识到的是，环境声音水平可以通过任意适当的测量来表示。特别是可以使用与麦克风109所捕捉的声音的声音水平具有单调关系的任意值。

接收电路207耦接到第二声音水平处理器211，所述第二声音水平处理器211根据麦克风信号和听筒105的环境声音衰减为用户确定经衰减的环境声音水平。所生成的值因此根据考虑了听筒105所提供的衰减和屏蔽的环境声音指示了针对用户的声音暴露。

在该示例中，第二声音水平处理器211包括衰减处理器213，其对与听筒105提供给环境声音的衰减相对应的麦克风信号进行处理。作为简单的示例，听筒105可以简单地被估计为提供恒定衰减，并且衰减处理器213可以简单地以相同的量对麦克风信号进行衰减。经衰减的信号被馈送至能量估算器215，其生成经衰减的环境声音水平的估计。例如，与第一声音水平处理器209相类似，能量估算器215可以将经衰减的环境声音水平确定为：

其中x是衰减处理器213所提供的麦克风信号的样本值，n是样本索引，并且对适当数量的样本执行求和以提供动态增益控制的所期望的动态响应。

将要意识到的是，经衰减的环境声音水平可以通过任意适当的测量来表示。特别是可以使用与用户所体验的环境声音的声音水平具有单调关系的任意值。

所述控制器另外包括音频信号水平处理器217，其耦接到音频源201并且从那里接收音频信号。音频信号水平处理器217被安排来对音频信号生成信号水平估计，并且可以特别地使用与第一声音水平处理器209和能量估算器215相同的方法生成能量测量，即

其中x是音频信号的样本值，n是样本索引，并且对适当数量的样本执行求和以提供动态增益控制的所期望的动态响应。

将要意识到的是，信号水平可以通过任意适当的测量来表示。特别是可以使用与音频信号的信号水平具有单调关系的任意值。

第一声音水平处理器209、第二声音水平处理器211和音频信号水平处理器217耦接到增益控制器205，所述增益控制器205接收针对环境声音水平、经衰减的环境声音水平和音频信号水平的估计/测量。

增益控制器205随后进行以根据这些值确定增益/音量设置。使用这些具体参数在许多环境中允许有所改进的性能。甚至，该方法在针对具体条件而对增益和音量进行优化时允许高度灵活性以及附加的自由度。

甚至，具有音频信号水平、经衰减的环境声音水平以及环境声音水平的测量，允许***是灵活的并且利用许多不同类型的头戴式耳机和音频信号以及在许多不同音频环境中提供了高效的性能。例如，可以设计一种能够轻易地被适配至具体的头戴式耳机组的通用算法。该方法还可以允许***维持与经衰减的环境声音水平和环境声音水平具有不同关系的声音压力。例如，根据音频再现和经衰减的环境声音的组合所生成的声音压力水平可以不对应于各个水平的简单求和，而是可以进一步取决于所述水平的具体绝对值。而且，对于用户听力的影响针对两个声音源可能基本不同。例如，如果音频再现主要是高频信号，而环境声音基本上是平缓的或者主要为低频，则针对所再现音频而言，所再现音频的听力损伤影响基本上可能比针对经衰减的环境声音而言更高。

作为另一个示例，听筒所提供的衰减可能是非线性的或频率选择的，因此基于环境声音水平的增益和音量水平的简单设置在许多情形中将提供次优的音量设置。

作为具体示例。可以使用图2的方法来自动且动态地将用户所体验的总体声音压力水平调节为处于用户当前所处音频环境的声音水平的所期望界限（margin）之内。

在图2的示例中，增益控制器205被安排来首先生成用户所体验的声音压力的目标值。该目标值可以特别地被设置为等于使得用户所体验的声音压力在用户使用头戴式耳机收听音频播放器的情形中和用户不在收听音乐（并且没有佩戴头戴式耳机）的情形中相同的环境声音水平。

增益控制器205因此可以首先确定用户应当体验的声音压力水平的目标值。由于该声音压力水平将得自于经衰减的环境声音水平和来自所再现音频的信号声音水平的组合，所以增益控制器205可以通过针对该经衰减的环境声音水平而对用户应当体验的声音压力水平的目标值进行补偿来确定针对音频再现的目标声音压力水平。所产生的音频目标压力水平可以随后通过设置驱动电路203的增益以使得当前音频信号水平被放大至所期望水平来实现。

因此，所述控制器可以对增益进行连续且动态的调节，以使得音频信号被放大至这样的水平：使得相应的声音压力与得自于经衰减的环境声音的声音压力水平相结合的水平等于具体音频环境中的环境声音水平。因此，所述***将自动且动态地追踪音频信号以及例如在音频环境变化时导致不同声音水平的音频环境二者中的变化。

该方法确保了没有额外的声音量由于用户收听便携式音频播放器而被引入。因此，针对音频播放器收听情形引起与没有佩戴头戴式耳机的正常情形相同的声音量和暴露。由于音频环境通常被控制为是安全的并且具有非常低的听力损伤风险，因此该方法在提供高度灵活性和用户自由度的同时还针对听力损伤提供了保护。甚至，即使用户决定在非常嘈杂并且可能导致听力损伤的音频环境中使用音频播放器，也不会由于使用音频播放器而引起进一步的听力损伤并且因此任何的听力损伤都是由于用户的行为导致的并且将不是音频播放器的制造商或提供商的责任或义务。

例如由于收听音乐的附加声音量的防止是通过使用听筒的（已知）声音衰减以及自适应地控制播放音量来实现，以使得由于音乐和听筒的屏蔽效果进行的衰减之后的环境声音导致的总声音暴露不会超过环境声音水平的水平。

在一些实施例中，增益可能无法直接控制，相反所确定的增益可能是最大增益。例如，便携式音频播放器可以允许用户选择比对应于环境声音水平的音量水平更低的音量水平。因此，在一些实施例中，目标声音水平可以是最大水平。

听筒的衰减效果可以通常是已知的。例如，制造商可以在设计、测试和制造阶段期间确定这些值。然而，作为另一选择，可以执行衰减效果的专用测量并且可以将产生的数据提供给控制器。

除了***不会提高整体声音量的优势之外，该***进一步允许所再现音频的音量的自动调节，以使得该音频针对所体验的具体环境声音条件是可听得见的而不需要用户将音量设置为恒定高水平。

作为具体示例，经衰减的环境声音水平可以由

表示，环境声音水平由

表示而音频信号水平由表示。驱动电路203可以在向听筒105提供所产生的信号α∙C之前对音频信号C应用增益α。来自听筒105的对应于信号C的声音压力水平可以被表示为D，并且因此听筒所生成的声音压力水平可以被确定为αD。

通过收听音频播放器不引起额外声音量的要求因此可以被写为：

其可以被重写为：

因此，该***可以对音频播放器提供最大增益设置。在一些实施例中，增益可以被直接设置为导致与没有佩戴头戴式耳机的情况下相同的声音压力水平的值，即

在该示例中，D例如可以被认为以比例因数β而与C成比例，这使得：

在该具体示例中，增益被限制为对应于从经衰减的环境声音和音频再现的组合所产生的声音压力水平的最大值（或被自动设置为该值），其基本上与听筒105之外的环境声音的声音压力水平相等。

然而，将要意识到的是，在其它实施例中可以使用其它增益限制，特别是可以实施来自环境声音水平的一些变化。

在许多情形中，例如目标声音压力处于环境声音水平的6dB之内可能是有利的。例如，可以认为一些附加声音量可以被接受并且目标声音压力水平例如可以被设置为高于环境声音水平3 dB。作为另一个示例，可能期望声音量应当相对于环境声音量有所降低（例如，在环境声音压力水平可能潜在地导致听力损伤的环境中），并且因此目标声音压力水平可以被设置为例如低于环境声音水平25%。

在一些实施例中，诸如在增益被自动设置为对应于环境声音水平时，增益控制器205可以进一步被安排来将增益限制为高于最小值的区间，所述最小值对应于具有预定的最小值的再现音频声音水平。因此，增益控制器205不仅实现了最大增益而且还可以实现最小增益。例如，为了避免低的环境声音水平导致增益降至非常低的值的情形，增益控制器205可以被安排来确保增益具有对应于适当水平的最小值（诸如70 dB SPL），其被相信对于长时间连续暴露是无害的。这在增益控制器205自动设置实际增益而不仅是最大增益的实施例中是特别有利的。

所描述的方法因此允许针对用户的声音暴露被自动保持在合理水平之内，特别是被自动设置为与环境声音相对应。因此，可以基本上降低听力损伤的风险。此外，这可以利用低复杂度的方法来实现，并且特别地可以避免需要随着时间推移对声音量进行监视和累积。

该***被安排来动态且自动对增益控制器205的增益进行适配。在许多实施例中，可以对***的动力学进行设计以使得可以对音频信号和/或环境声音特性的相对快速变化进行追踪和补偿。

在许多实施例中，信号水平被确定为具有不小于5 Hz的3 dB截止频率的低通滤波信号水平。例如，对音频信号的能量测量所执行的取平均可以在充足数量的样本上扩展以产生低通滤波效应，然而其具有等于或高于5 Hz的3dB截止频率。在其它实施例中，当然可以使用不同于简单的方形窗口取平均的其它取平均/低通滤波。这样的取平均和低通滤波也可以有利地具有不小于5 Hz的3 dB截止频率。在一些实施例中，低通滤波器效应可以有利地具有不小于10 Hz甚至20 Hz的3 dB截止频率。

这可以确保增益控制将对音频信号水平中相对快速的变化进行追踪。然而，与此同时，这样的低通滤波设计可以充分保护与音频交互的增益变化免于生成不期望的音频假象和退化。在许多实施例中，3 dB截止频率有利地可以小于100 Hz或200 Hz，由此降低所感知音频被增益变化所调制的风险。

相同的考虑也可以被应用于环境声音水平和经衰减的环境声音水平的确定。因此，这些值也可以利用具有不低于5 Hz以及有时甚至是有利地不低于10 Hz甚至20 Hz的3 dB截止频率的低通滤波效应进行确定。类似地，所述截止频率在许多实施例中可以有利地小于500Hz。

将要意识到的是，所述平均/低通滤波特性针对所估计的不同参数可以有所不同。例如，应用于环境声音水平的取平均可以与应用于经衰减的环境声音水平的取平均有所不同，并且它们都可以与应用于音频信号的取平均有所不同。

因此，图2的***在许多实施例中可以有利地被设计为相对快速地追踪条件。在不同实施例中，可以对从可能数ms到可能高达数百ms量级的变化进行追踪。

增益控制器205针对所确定水平的变化的响应可以另外被设计为是相对快速的。此外，增益控制可以被设计为是非对称的。

甚至，在一些实施例中，已经发现***非常快速地做出反应以降低增益（例如，由于音频信号水平的快速抑制（spike））同时在增大增益时具有基本上较慢的恢复时间是有利的。在一些实施例中，增益修改可以取决于音频水平的变化特性。例如，该***可以在音频水平的短暂峰值之后提供快速恢复，并且可以在长时期的增大的声音水平之后提供较慢的恢复。该方法可以针对尖锐峰值产生近乎立刻的水平的降低，因此避免或降低在大声信号开始（onset）处的非常高的声音暴露。开始处的立刻降低通常是非常难以注意到的，并且信号水平在降低之后的逐渐增大通常也是非常难以注意到的。

甚至，在许多情形中，已经发现增益增大的时间常数不小于增益降低的时间常数的两倍是有利的。在一些实施例中，甚至针对增益增大的时间常数不小于增益降低的时间常数的五倍或十倍的情况发现性能有所改进。

在许多情形中，已经针对降低增益的时间常数不高于20 msec或者甚至不高于10 msec或5 msec的情况发现了特别有利的性能。类似地，以及针对增大增益的时间常数不大于200 msec，或者甚至不大于100 msec的情况发现了特别有利的性能。

时间常数可以被认为表示了增益在步幅变化之后达到其最终（渐进）值的1-1/e ≈ 63%所用的时间。在该具体示例中，步幅变化可以是例如音频信号的信号水平和/或环境声音的步幅变化。

这些设计参数趋于提供有所改进的性能，并且特别可以在听力保护、增益设置精确性和缓解所不期望的音频假象之间提供有利的权衡。

在一些实施例中，可以通过首先对麦克风信号进行处理以更为精确地反应屏蔽效果来确定经衰减的环境声音水平的更为精确的确定。特别地，不同于仅假设恒定衰减，可以将听筒所提供的屏蔽的频率响应纳入考虑之中。

特别地，衰减处理器213可以被安排来利用反映听筒的环境声音衰减的频率响应的频率响应对麦克风信号进行滤波。例如，听筒在使用时的衰减的频率响应可以由制造商来提供（或者根据专用测量确定），并且该频率响应可以由被衰减处理器213应用于麦克风信号的FIR或IIR滤波器所近似得出。因此，所述滤波器特别地可以具有作为听筒衰减的频率响应的近似的频率响应。

将要意识到的是，在一些实施例中，所述频率响应可能是粗糙近似并且可能仅表示听筒衰减的频率响应的一部分。此外，将要意识到的是，在一些实施例中，应用于麦克风信号的滤波器的频率响应可能并不直接对应于所述频率响应而是仅包括与此相关的贡献量。例如，衰减处理器213可以包括具有与衰减的组合频率响应相对应的频率响应和所期望的取平均/低通滤波的滤波器。

对衰减的频率响应的考虑可以提供环境声音对头戴式耳机用户的实际影响的远远更为精确的考虑。

在一些实施例中，图2的***可以进一步考虑听筒105在再现声音时的具体特性。特别地，可以在确定音频信号水平时考虑听筒105的频率响应以使得其更为精确地反映听筒105所生成的声音压力水平。

这样的实施例的示例在图3中示出，其中控制器进一步包括滤波器301，其被安排来利用再现频率响应对音频信号进行滤波，该频率响应反映听筒在再现音频时的频率响应。经滤波的音频信号随后被提供至音频信号水平处理器217并且被用来确定音频信号水平。因此，在该实施例中，所述控制器包括被安排来对音频信号进行滤波以生成经滤波的音频信号的滤波器301，以及被安排来确定作为经滤波的音频信号的能量测量的音频信号水平的音频信号水平处理器217，其中滤波器301具有反映听筒的频率特性的频率响应。

由于用户所体验的声音压力水平被更为精确地估计，所以这可以提供有所改进的性能，尤其在设置增益时提供有所改进的精确度。

在一些实施例中，控制器可以执行一个或多个所确定参数的频率加权。特别地，所述控制器可以执行音频信号水平、环境声音水平和经衰减的环境声音水平中的一个或多个的频率加权。

将要意识到的是，这样的频率加权例如可以作为参数确定的一部分来执行，或者可以作为（例如，由后续滤波所进行的）参数的后处理修改来执行。

作为具体示例，可以在频域中确定经频率加权的参数。例如，参数所基于的信号（音频信号、麦克风信号或经滤波的麦克风信号）可以首先被变换至频域，例如通过适当的快速傅里叶变换。所产生的频率值可以被加权，随后确定整体能量水平。例如，所述参数值可以被确定为：

，

其中X(k)是适当信号的频域样本，k是频率索引（例如，FFT容器（bin）编号）并且W(k)是容器k的权重。

这样的频率加权在许多情形中是高度有利的，原因在于其允许声音对人的实际影响的更为精确的确定和表示。例如，其可以反映出高频信号分量相比低频信号分量具有相对更大的导致听力受损的可能性的事实。

在一些实施例中，控制器可以被安排来执行频率选择的增益调节。例如，在一些实施例中，增益控制器205可以被设计为对多个频带独立地进行操作。

例如，在一些实施例中，音频信号水平、经衰减的环境声音水平和环境声音水平中的至少一个可以被确定为依赖于频率的值，并且作为响应，增益可以被确定为依赖于频率的增益。

在一些实施例中，可以针对多个频带确定音频信号水平、经衰减的环境声音水平和环境声音水平中的至少一个，对于多个频带的每一个，可以根据那个频带的参数确定增益。每个频带的增益于是可以由驱动电路203单独应用于音频信号。例如，音频信号可以通过FFT被转换至频域，可以应用依赖于单个频率的增益，并且所产生的信号可以被转换回时域。

这样的方法可以允许更为精确的增益控制，尤其允许针对听力损失更为灵活的保护。

将要意识到的是，为了清楚起见，以上说明书已参考不同的功能电路、单元和处理器对本发明的实施例进行描述。然而，将显而易见的是，可以使用在不同功能电路、单元或处理器之间的功能的任意适当分布而并不背离本发明。例如，被图示为由单独的处理器或控制器所执行的功能可以由相同的处理器或控制器来执行。因此，对具体功能单元或电路的引用仅被视为对用于提供所描述功能的适当装置的引用，而并非指示严格的逻辑或物理机构或组织。

本发明可以以包括硬件、软件、固件或其任意组合的任意适当形式来实施。任选地，本发明可以至少部分地被实施为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明实施例的部件和组件在物理上、功能上和逻辑上可以以任意适当方式来实施。甚至，所述功能可以以单个单元、多个单元或者作为其它功能单元的一部分来实施。这样，本发明可以以单个单元来实施，或者可以在物理上和功能上分布在不同单元、电路和处理器之间。

虽然已经结合一些实施例对本发明进行了描述，但是其并非意在被局限于这里所给出的具体形式。相反，本发明的范围仅由所附权利要求所限定。此外，虽然特征可以表现为结合特定实施例进行描述，但是本领域技术人员将会认识到，所描述实施例的各个特征可以依据本发明进行组合。在权利要求中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤的存在。

此外，虽然被单个列出，但是多个装置、元件、电路或方法步骤例如可以由单个电路、单元或处理器来实施。此外，虽然个体特征可以包括在不同权利要求中，但是这些特征可能有利地进行组合，并且包括在不同权利要求中并不意味着特征组合不是可行和/或有利的。而且，特征包括在一个权利要求类别中并不意味着对这个类别的限制，相反这指示了该特征可适当地等同应用于其它权利要求类别。此外，特征在权利要求中的顺序并不意味着特征必须遵循的任何具体顺序，并且特别地，方法权利要求中的各个步骤的顺序并不意味着所述步骤必须以该顺序来执行。相反，步骤可以以任意适当顺序来执行。此外，单个引用并不排除多个。因此，对“一”、“一个”、“第一”、“第二”等的引用并不排除多个。权利要求中的附图标记仅被提供作为进行阐明的示例，而不应当被解释为以任何方式对权利要求的范围进行限制。

Claims (15)

1.一种用于头戴式耳机装置（101）的控制器，包括：

音频驱动电路（203），其用于根据音频信号生成用于所述头戴式耳机装置（101）的听筒（105）的驱动信号，并且用于将所述驱动信号馈送至所述听筒（105）以使得所述听筒（105）以第一声音水平再现所述音频信号；

第一电路（217），其用于确定所述音频信号的信号水平；

接收器（207），其用于从麦克风（109）接收麦克风信号；

第二电路（209），其用于根据所述麦克风信号确定环境声音水平；

第三电路（211），其用于根据所述麦克风信号和听筒（105）的环境声音衰减为用户确定经衰减的环境声音水平；和

增益控制器（205），其用于响应于所述环境声音水平、经衰减的环境声音水平和信号水平针对所述音频信号对所述音频驱动电路（203）的增益进行控制。

2.根据权利要求1的控制器，其中所述增益控制器（205）被安排来响应于环境声音水平和经衰减的环境声音水平而针对第一声音水平确定目标声音压力水平，并且将所述音频驱动电路（203）的增益限制为不高于第一增益，所述第一增益导致经衰减的环境声音水平和对应于所述目标声音压力水平的第一声音水平的组合。

3.根据权利要求2的控制器，其中所述目标声音压力水平处于环境声音水平的6dB之内。

4.根据权利要求2的控制器，其中所述目标声音压力水平基本上等于环境声音水平。

5.根据权利要求2的控制器，其中增益控制器（205）被安排来将增益限制为高于对应于具有预定最小值的第一声音水平的最小值的区间。

6.根据权利要求1的控制器，其中所述第一电路（217，301）被安排来利用频率响应对所述音频信号进行滤波，所述频率响应反映了再现音频信号时所述听筒（105）的频率响应。

7.根据权利要求1的控制器，其中所述第三电路（211）被安排来利用频率响应对所述麦克风信号进行滤波，所述频率响应反映了所述听筒（105）的环境声音衰减的频率响应。

8.根据权利要求1的控制器，其中所述第一电路（211）被安排来生成作为低通滤波信号水平的信号水平，所述低通滤波信号水平具有不小于5 Hz的3 dB截止频率。

9.根据权利要求1的控制器，其中所述第二电路（209）被安排来生成作为低通滤波环境声音水平的环境声音水平，所述低通滤波环境声音水平具有不小于5 Hz的3 dB截止频率。

10.根据权利要求1的控制器，其中用于降低增益的时间常数不大于20 msec。

11.根据权利要求1的控制器，其中用于增加增益的时间常数不大于200 msec。

12.根据权利要求1的控制器，其中用于增加增益的时间常数不小于用于减小增益的时间常数的两倍。

13.根据权利要求1的控制器，其中所述增益控制器（205）被安排来执行以下至少一个的频率加权：

- 信号水平；

- 环境声音水平；和

- 经衰减的环境声音水平。

14.根据权利要求1的控制器，其被安排来执行频率选择的增益调节。

15.一种用于头戴式耳机装置（101）的增益控制方法，所述方法包括：

- 根据音频信号生成用于所述头戴式耳机装置（101）的听筒（105）的驱动信号；

- 将所述驱动信号馈送至所述听筒（105）以使得所述听筒（105）再现所述音频信号；

- 确定所述音频信号的信号水平；

- 从麦克风（109）接收麦克风信号；

- 根据所述麦克风信号确定环境声音水平；

- 根据所述麦克风信号和所述听筒（105）的环境声音衰减为用户确定经衰减的环境声音水平；并且

- 响应于所述环境声音水平、经衰减的环境声音水平和信号水平对所述驱动信号的增益进行控制。

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