CN106792305A

CN106792305A - 音频头戴式耳机

Info

Publication number: CN106792305A
Application number: CN201611025864.4A
Authority: CN
Inventors: V·翁珂推; M·米肖; R·庞科特
Original assignee: Parrot Unmanned Aerial Vehicle Co Ltd
Current assignee: Parrot Unmanned Aerial Vehicle Co Ltd; Parrot Drones SAS
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-05-31
Also published as: EP3171612A1; FR3044197A1; US20170148428A1; JP2017142485A

Abstract

头戴式耳机包括具有内部麦克风(28)和外部麦克风(32)的主动噪声控制。处理器(42)包括反馈支路(46)以及前馈支路(58)，所述反馈支路被调整以便衰减对应于由骨传导传输的语音信号的分量的低频，所述前馈支路被调整以便补偿由反馈滤波引入的衰减和在所述头戴式耳机的外部和内部之间引入的被动声学衰减。语音活动检测器(60)操作应用于反馈(46)和前馈(58)功能的两对不同的传递函数(HFB,HFF)之间的动态切换。这允许以最自然的方式向用户呈现所有外部声音，包括他自己的声音。

Description

音频头戴式耳机

本发明涉及“麦克风－头戴式耳机”类型的单元，该单元包括配备有“主动噪声控制”***的音频头戴式耳机，该音频头戴式耳机与适配成拾取头戴式耳机佩戴者的语音的麦克风组相组合。

背景技术

音频头戴式耳机一般包括由头带连接的两个耳机。每个耳机包括容纳声音再现换能器并且旨在通过***将耳朵与外部声音环境隔离的罩耳垫来施加在用户耳朵周围的闭合外壳。

还存在“入耳式”类型的耳机，其具有放置在耳道中的元件，因此没有围绕或覆盖耳朵的垫，或者还有“耳塞式”型，其中的元件在超出耳道的耳廓的中空部中突出。

在下文中，主要将涉及“头戴式”类型的耳机，其具有容纳在围绕耳朵(“罩耳式”头戴式耳机)或者靠在耳朵上(“压耳式(supra-aural)”头戴式耳机)的外壳中的换能器，但是此示例不能被认为是限制性的，因为正如所理解的，本发明也可被应用于“入耳式”、“耳塞式”或类似类型的耳机。

在任何情况下，头戴式耳机可被用于收听来自诸如MP3播放器、收音机、智能电话等装置的音频源(例如音乐)，该头戴式耳机通过有线连接或通过无线连接(尤其是蓝牙链接(注册商标))连接到该装置。

由于麦克风组，也有可能将头戴式耳机用于通信功能(诸如“免提”电话功能)，作为音频源收听的补充。头戴式耳机换能器随后再现该头戴式耳机佩戴者与之对话的远程说话者的语音。

例如，在EP 2 518 724 A1，EP 2 930 942 A1和EP 2 945 399 A1(所有三个都以Parrot的名义)中描述了这种组合的微型头戴式耳机单元。

当在嘈杂环境(地铁、繁华街道、火车、飞机等)中使用头戴式耳机时，佩戴者部分地受到头戴组件耳机的保护而免受噪声，该耳机借助闭合的外壳和罩耳垫将佩戴者隔离。实际上，由于其机械结构，头戴式耳机像低通滤波器一样被动地衰减环境噪声级，更强烈地衰减高频。衰减的程度与头戴式耳机的机械参数直接地相关，基本上与其质量和刚度直接相关。诸如EP 0 414 479 A2和US 8 358 799 B1的文档描述了优化该被动滤波功能的各种技术。

然而，这种纯被动式保护仅仅是部分的，一部分声音(尤其是频谱中的低频部分)能够穿过耳机外壳或经由佩戴者的头颅被传送到耳朵。

这就是之所以开发所谓的“主动噪声控制”即ANC技术的原因，ANC技术的原理包括拾取入射噪声分量并且在时间和空间上将一声波叠加到此噪声分量上，该声波在理想情况下是该噪声分量的压力波的反转副本。问题是要创建与该噪声分量的相消干扰并且减少(在理想情况下抵消)杂散声波的压力的变动。

EP 2 597 889 A1(Parrot公司)描述了一种头戴式耳机，该头戴式耳机具有将闭环反馈和开环前馈类型的滤波操作进行组合的ANC***。反馈滤波路径接收由放置在耳朵附近的耳机外壳内的麦克风收集的信号，拾取由换能器产生的声音和在耳机的腔中仍可感知的未被抵消的残留噪声。前馈滤波路径使用由外麦克风拾取的信号，该外部麦克风收集存在于头戴式耳机的佩戴者的直接环境中的杂散噪声。最后，第三滤波路径处理来自要再现的音乐源的音频信号。三个滤波路径的输出信号被组合并且应用于换能器来再现与周围噪声的抑制信号(内部麦克风的信号，从其中减去音乐源的音频信号，构成用于ANC***的反馈回路的误差信号)相关联的音乐源信号。

但是，在某些情况下，ANC***对周围噪声的衰减可能是麻烦的，于是造成头戴式耳机的使用是不合适的：

–因此，用户有时希望自然地感知他自己的声音：例如，当头戴式耳机提供“免提”电话功能时，头戴式耳机佩戴者希望能够通过就像他没有佩戴头戴式耳机一样的方式感知他自己的声音的方式与远程说话者或与在他附近的人交谈；

–在其他情况下，用户希望完全地感知他所处的环境，以便例如听到汽车通行来评估车辆的距离或者听到警报信号、由公共交通服务的驾驶员广播的消息等。

这两种现象是隔音或“闭合式”类型的头戴式耳机所特有的。实际上，所谓的“闭合式”头戴式耳机与所谓的“开放式”头戴式耳机的区别在于，第一组头戴式耳机具有完全关闭(或在通风口存在的情况下部分关闭)的后腔，于是创建一定程度的隔音，而第二组头戴式耳机在换能器的后部只有非常低的阻抗。开放式的头戴式耳机只有轻微的隔音，因此只产生一点遮挡。但是，由于它们轻微的隔音特性，它们很少被人以游走的方式使用，而是被用作高保真休闲头戴式耳机或演播室头戴式耳机；此外，换能器向外部发散被再现的声音的一部分，并且该声音可被周围的人听到并使人感到恼火。

关于上述的第一个缺点，即用户对他自己声音的感知，当人发出语音分量时，振动从声带传播到咽部和口鼻腔，在那里它被调制、放大和表达。口腔、软腭、咽部、鼻窦和鼻窝用作这种声音的谐振腔，并且它们的壁是弹性的，它们自身振动，并且这些振动通过内部骨传导直接传输到受试者的耳朵。

在没有头戴式耳机的情况下，当耳朵没有被阻塞时，通过骨传导传播到耳道的声音被非常弱地感知，因为它们朝向相对于鼓膜具有最低的声阻抗的耳朵外部排出。

另一方面，当佩戴头戴式耳机时，该头戴式耳机完全或部分地阻塞耳道，即它在耳道的外端处引入高声阻抗：该阻抗导致在通过骨传导传播的声音的耳道内引起的共振，并且因此导致相对于耳道打开的情况的声音信号的低频部分的放大，其具有在500Hz以下20dB量级的上升。用户于是以更静音的方式感知他的声音。

这种现象(下文称为“遮挡”)以已知的方式影响助听器的佩戴者，并且在本上下文中已提出各种解决方案以弥补这一点。

被动解决方案包括在耳道的腔与外部环境之间提供压力平衡的事件作为穿过听觉假体的管道。

使用麦克风和反馈滤波的主动解决方案也已被提出，如在US 2006/0120545 A1(US 7 477 754 B2)中的那样，其可能具有自适应调整，如在WO 2006/037156 A1(EP 1 795045 B1)中的那样：当反馈滤波被激活以抑制遮挡效应时，前馈滤波支路于是被修改以不受所引入的反馈滤波的影响。

通常，如果这些各种方法允许抑制遮挡效应，则它们不允许向用户呈现外部声音，就好像他没有佩戴头戴式耳机一样。

就某些情况下尽管佩戴头戴式耳机仍能感知声音环境的可能性，已经提出了各种技术，例如在US 2009/0034748 A1中，其根据对外部事件的自动评估来适配前馈支路的主动衰减的程度。在安全模式中，例如在检测到超过预定义阈值的外部噪声级之后可降低衰减程度，以便允许用户更清楚地感知外部环境。US2010/0272284 A1(US 8 155 334 B2)也提出了该功能，其中，根据用户的命令，只有位于语音通带之外的频率保持衰减，以便允许用户听到外部扬声器。在更简单的实现中，还有可能通过按下按钮来同时抑制噪声的主动衰减和由耳机广播的音乐两者以更好地感知环境。

但是如果这些各种技术允许部分地补偿头戴式耳机的被动衰减，则这些技术对遮挡现象没有影响。

问题的困难来自于以下事实：如果通过静态方法实现解决上述两个缺点(由用户放大他自己的声音和外部噪声的可变衰减)的解决方案则将产生矛盾的解决方案。

例如，如果希望衰减对用户自己的话音的放大，则通常需要(经由反馈/前馈滤波操作)将低于300Hz的频率衰减至少15dB。在这种情况下，校正也将作用于处于这些频率的外部噪声(通常是希望被抑制的杂散噪声(汽车或火车滚动的噪声))，使得通过补偿这些现象之一，将降低杂散噪声的自然衰减。

US 2014/0126736 A1(US 8 798 283 B2)提出了一种解决方案，其中在“自然环境恢复”模式(其中用户希望感知声音环境)中使用的反馈滤波器与所谓的“噪声消除”模式(其中头戴式耳机在常规ANC模式中操作)中的滤波器相同，而相对于ANC模式修改了前馈滤波器，以便最多达到所谓的“自然环境”目标响应，就如同没有佩戴头戴式耳机一样。反馈滤波器主要在1000Hz以上有效并且衰减了遮挡效应，但也衰减了所有外部噪声。为了补偿这一点，前馈滤波器在所有可听频率带(1kHz左右)立即再注入外部噪声。

然而，该解决方案具有两个主要缺点：

–一方面，由于麦克风的电气***以及在数字***的情况下的模/数转换器引入的噪声，高增益(在噪声消除模式中通常大于20dB)的反馈滤波器的存在已产生对ANC***是典型影响的显著的可听到的嘶嘶声。另一方面，经由前馈滤波器再注入外部噪声也将需要在该支路中的高增益来补偿反馈滤波器的衰减，这将引入附加的嘶嘶声；

–第二个缺点来自于***通过高增益前馈滤波器再注入噪声将对风产生的影响变得非常敏感的事实：实际上，用于前馈滤波的外部麦克风产生的信号在存在风的情况下将被降级，因为后者干扰麦克风膜的位移(尤其在位于1kHz以上的频率中)。该降级产生所有更显著的效果使得前馈滤波器i)具有高增益，以及ii)在扩展的频率范围上协作－这正是本文的情况。

US 2014/0126734 A1描述了上述US 2014/0126736 A1的变体，其中通过分析由内部反馈麦克风拾取的声波来提供对语音的存在或不存在的自动检测(由于喉部和耳道之间的骨传导的传播，当使用者说话时拾取增加的声压)。在语音被检测到的情况下，激活抗遮挡***，同时修改前馈和反馈滤波器响应。但是在上文中暴露的缺点仍未解决。

本发明的目的是通过提出一种允许通过纯电子和数字手段来转换“闭合式”类型的头戴式耳机以模拟“开放式”头戴式耳机的技术来补救这些不同的缺点和限制，该技术具有：

–当用户说话时抑制遮挡现象，使得用户自然地感知他的声音，就好像他没有佩戴头戴式耳机并且不再以静音方式感知自己的声音；以及

–根据需要主动抑制头戴式耳机的被动隔音，使得用户具有以下能力：正常使用用户的具有伴随的隔音的闭合式头戴式耳机，或者通过纯电子和数字手段来“打开”闭合式的头戴式耳机(通过激活允许用户如实地感知环境以收听由扬声器广播的消息从而更好地听到汽车通行等的功能)。

如将看见，本发明基于对声音活动检测***的使用，该声音活动检测***控制反馈和前馈滤波器对在存在或不存在检测到的语音的情况下的适应性适配。

本发明适用于包括混合ANC主动噪声控制(包括反馈滤波路径和前馈滤波路径)的所有闭合式头戴式耳机(无论它们是“罩耳式”、“压耳式”类型还是“入耳式”类型的耳机)。

更确切地，本发明的目的是这样一种头戴式耳机，该头戴式耳机以上述US 2014/0126734 A1本身已知的方式包括两个耳机，其中每个耳机包括用于要再现的音频信号的声音再现的换能器，该换能器被容纳在耳声腔中。

该头戴式耳机包括主动噪声控制***，该主动噪声控制***具有：

–内部麦克风，该内部麦克风被放置在所述声腔内并且被适配成递送第一信号；

–外部麦克风，该外部麦克风被放置在所述声腔外并且被适配成递送第二信号；以及

–数字信号处理器，包括：

·闭环反馈支路，该闭环反馈支路包括被适配成向由内部麦克风递送的所述第一信号应用反馈滤波传递函数HFB的反馈滤波器；

·开环前馈支路，该开环前馈支路包括被适配成向由所述外部麦克风递送的所述第二信号应用前馈滤波传递函数HFF的前馈滤波器；以及

·混合装置，其接收由反馈滤波器的出口处的反馈支路和前馈滤波器的出口处的前馈支路递送的信号以及要再现的可能的音频信号作为输入，并且递送被适配成引导换能器的信号作为输出。

该头戴式耳机进一步包括被适配成操作抗遮挡控制和对由头戴式耳机引入的被动衰减的消除的各个装置，其中包括：

–用于检测头戴式耳机用户的语音活动的装置，该装置被适配成区分头戴式耳机用户的语音活动的存在情况和不存在情况；以及

–用于选择性地根据语音活动检测的当前结果在施加到反馈和前馈滤波器的两对不同的传递函数{HFB，HFF}之间进行动态切换的装置。

本发明的特征在于，在没有语音活动的情况下，选择由动态切换装置施加到前馈滤波器以操作被动衰减的所述消除的前馈滤波传递函数的参数，以便在包括至少100和300Hz之间的频率范围内提供第一前馈滤波增益，该第一前馈滤波增益低于在语音活动存在的情况下由动态切换装置施加到前馈滤波器以操作所述抗遮挡控制的前馈滤波传递函数的第二前馈滤波增益。

相反，在声音活动存在的情况下，可以选择由动态切换装置施加到反馈滤波器以操作所述抗遮挡控制的反馈滤波传递函数的参数，以便在包括至少100和300Hz之间的频率范围内提供第一反馈滤波增益，该第一反馈滤波增益高于在没有语音活动的情况下由动态切换装置施加到反馈滤波器的反馈滤波传递函数的第二反馈滤波增益。

在没有语音活动的情况下，对于低于1kHz的频率，第一前馈滤波增益可以具体为至多8dB，并且在语音活动存在的情况下，在包括至少100和300Hz之间的频率范围内，第二前馈滤波增益可以具体为至少10dB。

在语音活动存在的情况下，在包括至少100和300Hz之间的频率范围内，第一反馈滤波增益可以具体为至少15dB，并且在没有语音活动的情况下，对于包括在200Hz和1kHz之间的频率，第二反馈增益可以具体为至多5dB。

此外，可以选择在没有语音活动的情况下由动态切换装置施加到前馈和反馈滤波器的前馈和反馈滤波传递函数的参数，以便一起为低于1kHz的频率提供低于在话音活动存在的情况下由动态切换装置施加的前馈和反馈滤波传递函数所提供的嘶嘶声。

具体地，可以选择由动态切换装置施加到前馈滤波器的前馈和反馈滤波传递函数的参数，以便一起为低于1kHz的频率提供接近外部噪声的最终恢复，该外部噪声的最终恢复接近由在没有语音活动的情况下由动态切换装置施加的前馈和反馈滤波传递函数所提供的外部噪声，以便避免在切换时的可听到的不连续。

在本发明的有利的特定的实施例中，前馈滤波器是在多个可选择性切换的预先配置的前馈滤波器之间的一个。数字信号处理器然后进一步包括：用于分析由内部麦克风递送的所述第一信号(e)的装置，该装置被适配成验证该第一信号的电流特性是否验证一组预定的准则；以及选择装置，该选择装置被适配成根据由分析装置对第一信号的特性执行的第一组准则的验证结果来选择预先配置的前馈滤波器中的一个。

第一信号的电流特性可具体包括该第一信号在多个频带中的能量值，预定的准则包括与所述能量值进行比较的一系列相应的阈值。

最后，预定的准则的集合还进一步包括要再现的音频信号的存在与否的准则。然后提供两个不同系列的相应的阈值，将它们对所述能量值进行比较，根据是否存在要再现的音频信号来选择这两个系列中的一个或另一个。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的示例性实施例，在所有附图中，相同的附图标记指示相同或功能上相似的元素。

图1一般地示出了放置在用户头上的组合的麦克风－头戴式耳机单元。

图2是示出不同声音和电信号以及涉及主动噪声控制音频头戴式耳机的操作的基本功能块的示意表示。

图3是根据本发明的头戴式耳机的各耳机之一的正视截面图，其示出该耳机的各机械元件和电机部件的配置。

图4a和4b分别示出了在有和没有由用户佩戴的头戴式耳机以及在没有信号的任何电子处理的情况下获得的语音和周围噪声的声信号的频谱。

图5示意性地示出了作为功能块的允许根据本发明进行抗遮挡处理的主要元件。

图6是示出由设备收集的不同信号被组合在一起的方式以及应用的传递函数的流程图。

图7a和7b分别示出了具有和不具有根据本发明允许获得抗遮挡和被动衰减消除的效果的电子处理的在头戴式耳机佩戴者的耳朵处拾取的语音和周围噪声的声信号的频谱。

图8以幅度和相位示出了在存在语音的情况下和在没有语音的情况下由本发明实现的反馈滤波器的图。

图9以幅度和相位示出了在存在语音的情况下和在没有语音的情况下由本发明实现的前馈滤波器的图。

图10示意性地示出了作为功能块的允许根据环境噪声类型和等级动态地适配抗遮挡处理的在本发明的改进中的主要元件。

图11更精确地示出了实现在反馈支路上收集的麦克风信号的分析以及选择要应用于在前馈支路中被处理的信号的滤波器的功能的元件。

图12是描述图11的分析和选择的功能的状态机的操作的流程图。

具体实施方式

现在将描述本发明的技术的实现的示例。

在图1中示出了放置在其中的用户头上的组合的音频麦克风－头戴式耳机单元。耳机本身以常规方式包括由保持头带12连接的两个耳机10、10'，并且每个耳机包括在落在用户耳廓上的外部外壳14，在外壳14与耳缘之间具有罩耳式柔性垫片16，该垫片旨在确保耳朵区域与外部声音环境之间的令人满意的松紧度(从声音角度看)。

如介绍部分所指出的，具有容纳在围绕耳朵或靠在耳朵上的外壳中的换能器的“头戴式耳机”类型的配置的这一示例不应被认为是限制性的，因为本发明也可应用于包括放置在耳道内的元件(因此该耳机没有外壳和围绕或覆盖耳朵的垫片)的入耳式或耳塞式耳机。

图2是示出不同声音和电信号以及涉及ANC(主动噪声控制)音频头戴式耳机的操作的基本功能块的示意表示。

耳机10包封有声音再现换能器18(后文简称为“换能器”)，该换能器由限定了两个腔(即，耳侧前腔22和对侧的后腔24)的分隔件20承载。

前腔22由内分隔件20、耳机的壁14、垫片16以及用户头部在耳朵区域内的外表面限定。除了垫片16的接触区域中的不可避免的声音泄漏之外，该腔为闭合腔。除了允许获得耳机前腔22中的低频增强的声音孔26之外，后腔24是闭合腔。

为了进行主动噪声控制，内部麦克风28被放置在最接近耳朵的耳道的位置来拾取内腔22中的声信号，存在其中将被用户感知的残余噪声分量的信号。噪声的抵消从来不是完美的，该内部麦克风允许获得被施加到闭环反馈滤波支路30的误差信号e。

另一方面，一个(或几个)外部麦克风32被放置在头戴组件耳机的外壳上，以拾取耳机外部存在的周围声信号。由外部麦克风32收集的信号被应用到主动噪声控制***的前馈滤波级34。来自反馈支路30的信号和来自前馈支路34的信号在36中被组合来引导换能器18。

换能器18可进一步接收来自音乐源(个人音乐播放器，收音机等)的要再现的音频信号或来自手机应用的远程说话者的语音信号。由于此信号经历使其失真的闭环的影响，因此该信号将必须通过均衡进行预处理以便呈现由开环的增益和没有主动控制的目标响应所确定的期望的传递函数。

头戴式耳机进一步包括旨在通信功能(具体来说是旨在确保“免提”电话功能)的另一外部麦克风38(图1)。此附加的外部麦克风38旨在拾取头戴式耳机佩戴者的语音，其不干涉对噪声的主动控制，并且在下文中，该外部麦克风38被认为是仅在麦克风32专用于主动噪声控制时由ANC***使用的外部麦克风。

图3以截面视图示出了用于耳机10之一(另一耳机10’被相同地制作)的图2中示意性示出的各种机械和电声元件的示例性实施例。我们从中可以看到，框架20将外壳14的内部划分成前腔22和后腔24，由网格承载的换能器18和内部麦克风28被安装在该框架上，该网格将后者保持在使用者的耳道的附近。

振动传感器40(加速度计传感器)被有利地合并到头戴式耳机的一个耳机的垫片16上，以便通过覆盖该耳垫的材料与使用者的下颚接触。它因此起到允许在脸颊和太阳穴处收集语音振动的生理传感器的作用，振动具有本质上很少被周围噪声破坏的特性：事实上，在存在外部噪声的情况下，且无论外部噪声的频谱组成如何，面颊和太阳穴的组织几乎不振动。

对这种振动传感器40的兴趣来自于它允许获得低频率的信号(归因于由传播到太阳穴的振动的传播生成的滤波)的事实，并且该信号自然地不含杂散噪声分量，而在通常环境(街道，地铁，列车等)中遇到的噪声主要地集中在低频。

图4a和4b分别示出了在有和没有由用户佩戴的头戴式耳机以及在没有信号的任何电子处理的情况下在耳朵处收集的声音信号、语音和周围噪声的频谱。

更确切地，图4a示出了在用户的耳朵处测得的用户的语音信号的频谱：虚线的特性对应于没有佩戴头戴式耳机的情况，而实线的特性是佩戴了头戴式耳机但是该头戴式耳机不具有根据本发明的抗遮挡处理的情况：应当注意，在低频中，直到大约550Hz，由于遮挡的现象，语音信号被放大多达+20dB。相反，超过该频率时，语音信号主要通过气道传输，因而其被头戴式耳机的被动机械元件衰减约-15dB的量级。

图4b示出了在头戴式耳机外部产生并且在用户耳朵处测得的粉红噪声信号的频谱。实线的特性对应于没有佩戴头戴式耳机的情况，而虚线的特性对应于佩戴头戴式耳机但是该头戴式耳机仍然不具有根据本发明的抗衰减处理的情况：可注意到，外部噪声在大约200Hz的频率之外衰减大约-15dB。

图5作为功能块示意性地示出了根据本发明的ANC主动噪声控制和抗遮挡以及抗衰减处理***。它有利地是由数字信号处理器(DSP)42实现的数字型ANC***。应当注意，尽管这些图被呈现为互连电路，但功能的实现基本是基于软件的，这种表示仅是解说性的。

我们在这里还可以看到反馈支路(上文参考图2已经描述了其原理)，其利用模数转换器(下文称为“ADC”)44将由内部麦克风28所拾取的误差信号e数字化。该数字化的误差信号由滤波器46处理，然后由数模转换器(以下称为“DAC”)48转换为模拟信号，以便由耳机10的腔22中的换能器18呈现。再现信号可能被组合成音频信号M(例如音乐信号或当电话功能有效时的远程说话者的语音信号)，该音频信号M在通过ADC 50可能的转换和在52中的均衡之后，在54中被组合到噪声消除信号中用于由DAC 48转换和由换能器18再现。

我们还可看到反馈支路(上文参考图2已经描述了其原理)，其利用ADC 56将由外部麦克风32所拾取的信号数字化。数字化信号由滤波器58处理，然后在52中被组合到反馈支路的信号和可能存在的均衡的音频信号中。

DSP 42还实现语音活动检测器(以下称为“VAD”)60，其功能包括基于由传感器提供的数字信号分析头戴式耳机用户的语音活动，该传感器可以是：

–内部麦克风28，和/或

–外部麦克风32，和/或

–加速度计(生理传感器)40。

语音活动分析可实现已知类型的算法，例如在WO 2007/099222 A1(Parrot SA)和EP 2 772 916 A1(Parrot SA)中描述的算法，可以参考其进一步的细节。这些算法根据被分析的信号实时地递送针对被分析的数字信号的每个帧的语音的存在(或不存在)概率的值(包括在0和100％之间)。该概率的当前值与给定的、预定的或动态的阈值的比较允许为每个帧获得被收集的信号中语音的存在/不存在的二元指示。

语音活动检测器60引导反馈46和前馈58滤波器，以便根据是否存在头戴式耳机用户的语音活动(即，根据后者是否在说话)、与远程说话者的“免提”电话对话的典型的情况、或与物理地存在于附近的说话者的对话来修改特性。

由外部麦克风32(前馈麦克风FF)拾取的信号由以下元素的组合形成：

–周围的外部噪声，在下面记为B；和

–由气道传输的用户语音信号，记为Va。

由内部麦克风28(反馈麦克风FB)拾取的信号由以下元件的组合形成：

–外部噪声由头戴式耳机的机械元件被动衰减，即B*H_ext，H_ext是外部源与内部麦克风28之间的传递函数；

–语音信号，i)其中一部分，记为V_c，通过骨传导传播到耳道，以及ii)其另一部分V_a通过气道传输并由头戴式耳机的机械元件被动衰减，即V_a*H_ext；和

–由换能器18产生的信号，组合均衡的音频信号M和来自前馈58和反馈46滤波器的信号，前馈和反馈滤波器的传递函数将分别记为H_FF和H_FB。

此外，加速度计40在几个轴上拾取来自下颚的微动的信号A_m。

本发明的原理典型地在于根据语音活动的存在或不存在来操作滤波器H_FB和H_FF的差异化调整，以便优化操作。

首先，在存在话音活动的情况下，建议操作对两个反馈滤波器46和前馈滤波器58的调整，以：

–有利于通过骨传导传输的语音信号V_c的电平降低到这样的电平，即，它将在没有头戴式耳机的情况下被听到，换句话说，消除V_c；并且

–同时，通过对H_ext的影响的补偿来消除与机械元件相关联的被动衰减，从而增加由气道传输的语音信号V_a的电平，使得它将在没有头戴式耳机的情况下被听到。

针对第一种情况调整的滤波器H_FB和H_FF对将被记为H_FB1和H_FF1。

另一方面，在没有语音活动的情况下，将搜索：

–有利于通过另滤波器对H_FB和H_FF对H_ext的影响的补偿，将外部噪声B增加到这样的等级，即如果用户没有佩戴头戴式耳机则会感知到外部噪声B。

针对第二种情况调整的滤波器对H_FB和H_FF将被标记为H_FB2和H_FF2。

滤波器H_FB2和H_FF2必须保证：

–低于H_FB1和H_FF1对的嘶嘶声的水平，通常是低至少10dB的水平；和

–对风的抗扰度比对H_FB1和H_FF1的抗扰度更好，通常这样的抗扰度使得信号/风噪比SWNR提高至少12dB。

SWNR被定义为当激活抗遮挡或衰减消除模式时由用户感觉到或由内部麦克风测得的信号/风噪比。

本发明基于对由反馈内部麦克风28拾取的信号和由前馈外部麦克风32拾取的信号的区分。

事实上，前者对与通过骨传导传播到耳道的语音信号相关联的低频中的放大敏感，而与通道的遮挡相关的这种放大不被安装在头戴式耳机的外部部分上前馈外部麦克风32感知。

从数学角度，它可被写成:

Ha是在换能器18和反馈麦克风28之间的声学传递函数，M是音频信号。

通过本发明的实现获得的结果由图7a和7b中的箭头示出，其分别是具有(以实线表示)和不具有(以虚线表示)允许以优化的方式获得抗遮挡和被动衰减消除的效果的本发明的电子处理的在头戴式耳机佩戴者的耳朵处拾取的语音和周围噪声的声信号的频谱。

为了衰减遮挡效应(图7a)，该处理应用滤波器对H_FF1和H_FB1：反馈滤波器H_FB1有效地衰减这种遮挡效应，并且前馈滤波器H_FF1操作i)再注入已被反馈滤波器衰减的外部噪声和语音的低频，此外ii)在较高的频率中再注入已被头戴式耳机的被动机械元件衰减的这些声音(图7b)。

在该模式中(即在已检测到用户语音存在的情况下)，由于麦克风的电噪声导致的嘶嘶声以及对风的灵敏度高于在其他模式中的(即在没有检测到用户语音的情况下)嘶嘶声以及对风的灵敏度。

另一方面，在没有检测到用户的话音活动的情况下，具有较低增益的滤波器对H_FB2和H_FF2将允许在可听频率的整个频带上再注入外部声音，其优点是相对于H_FF1和H_FB1对具有更少的嘶嘶声和更小的对风的灵敏度。

现在将描述在头戴式耳机用户的检测到的语音存在或不存在的情况下的两个替代操作模式。

首先，将检查VAD检测到语音存在的情况。

然后，抗遮挡处理将包括如图4a的曲线上所表征的遮挡效应的消除。

为了衰减说话者语音上的低频的增加，通过如下设置反馈滤波器H_FB1使用反馈控制：

图8用实线以幅度和相位示出了这种反馈滤波器的传递函数。

可以观察到，滤波H_FB1在低频中施加最大衰减增益，在该示例中，在100Hz和300Hz之间至少15dB的衰减增益，该衰减增益允许消除由骨传导传输的语音信号V_c。

滤波器H_FB1也对反馈ANC***的一般约束作出响应，即它在增益和相位上分配足够的余量，使得***因此通过防止任何振荡效应(Larsen效应)在所有使用条件下保持稳定。

为了补偿环境外部噪声信号中的低频的衰减并且改善在具有语音存在与不具有语音的模式之间的转换，增加前馈控制H_FF1。

图9以幅度和相位示出了这种前馈滤波器的图。在该示例中，前馈在100Hz和300Hz之间具有至少10dB的增益。

现在将描述VAD检测到不存在语音的情况。

然后，通过前馈控制，如图4b的曲线上所表征的，抗遮挡处理仅包括外部噪声的再注入。

前馈滤波器H_FF2根据以下表达式设置：

H_FF2＝H_a ^-1·(1-H_ext) (2)

这种前馈滤波器的幅度和相位的图在图9中以虚线示出。在该示例中，滤波器具有对于低于1kHz的频率至多8dB的增益。

添加反馈滤波器H_FB2的控制，以便少产生些诸如由佩戴头戴式耳机的用户的身体运动、呼吸、心跳等所产生的那些影响之类的麻烦。

用于该目的的反馈滤波器H_FB2被特别选择用于被动衰减消除模式。与前馈控制H_FF2组合的该反馈控制的期望性能是将由内部麦克风28测得的响应上的低频(低于1kHz)减小约5dB，以便在这种模式下使“用户体验”更舒适。

在图8所示的示例中，以虚线所示，反馈滤波器H_FB2的增益对于包括在200Hz和1kHz之间的频率至多为5dB。应当注意，在包括100Hz与300Hz之间的区域中，在没有语音的情况下使用的反馈滤波器H_FB2的增益尤其低于在存在语音的情况下使用的反馈滤波器H_FB1的增益至少15dB。

现在将解释本发明的一个特别有利的实施例，该实施例实现避免对于用户可感知的嘶嘶声的发生的自适应滤波。

因此，如上所述，抗遮挡自适应***将不仅能够自动适应头戴式耳机用户的语音的存在或不存在的情况，而且能够根据环境噪声的性质和等级自动适应。

事实上，上文所述的技术和给出H_FF的等式的应用使得头戴式耳机的被动衰减H_ext越高，前馈滤波支路中应用的增益就越高，因此当用户处于平静环境中时，嘶嘶声(即恢复链固有的电噪声)可能变得可听到，而在更吵闹的环境中，外部噪声掩盖了固有的电噪声，并且嘶嘶声不被感知。

为了补偿这个缺点，通过根据外部噪声的自适应调整来完成根据本发明调整的前馈滤波H_FF是有利的：如果被给出H_FF的上述等式的应用所需的增益使得电噪声变得可感知，则适配算法将向下调整平静环境中的增益，并且一旦外部环境声学噪声足以掩盖恢复链的固有电噪声时，该适配算法将在更吵闹的环境中恢复该增益。

图10示意性地示出了作为功能块的允许目的在于根据环境噪声的类型和等级动态地适配抗遮挡处理的该改进的实现的主要元件。

被实现的不同的元件与上文参考图5和图6示出和描述的那些元件相同，此外，还具有接收由反馈分支的内部麦克风28产生的信号作为输入，并且将控制信号作为输出传送到向前馈滤波器H_FF 58的附加的功能块64。

该功能块64可通过对与具有非常低的延迟(几毫秒的延迟)的ADC和DAC组件相关联的DSP 42的适当编程来实现，从而允许使用高效的数字滤波操作。

前馈滤波58的自适应调整可非常有利地通过实时切换在块58内实现的多个(X个)预定的滤波配置中选择的特定滤波配置来获得，这些X个滤波器中的每一个滤波器允许获得或多或少的强衰减以便于当嘶嘶声不能被周围的外部噪声掩盖时根据需要减少嘶嘶声的水平。

应当注意，数字***的选择允许容易地对大量的滤波器进行编程(与模拟***不同，在模拟***中大量的电子组件将必需具有这种等效)，并且最重要的是能够集成(例如状态机类型的)算法智能，从而允许实时分析信号并且以将提供更好的衰减/嘶嘶折衷的滤波器的非常短的响应时间来切换滤波器的算法智能。

此外，应当注意，重要的是，在不同的可选择的滤波器之间的切换是基于内部麦克风28拾取的信号操作的，因为是它(而不是外部麦克风32)在用户的耳朵附近向该ANC***提供用户真正感知到的残留噪声的映像，尤其将耳机外壳的内部和外部之间的可能的声音泄漏考虑在内：在前馈支路58的不同的滤波器之间的切换(其目的在于优化衰减/嘶嘶声折衷)将因此取决于头戴组件耳机的前腔22内部的频谱级和频谱内容。

图11更确切地示出了在CTRL(控制)块64中实现的用于信号分析和前馈支路58的滤波器的选择的元件。

由内部麦克风28收集的数字化信号e通过滤波器66的电池(例如，滤波器1将能够是低通滤波器，滤波器2是带通滤波器等)进行频率分解，以便在68中计算该信号e在其N个频率分量中的每一个分量中的能量Rms_i。

具体地，在通过音频头戴式耳机的主动噪声控制的框架中，能够经由周围噪声的“颜色”的频谱分析来研究周围噪声的“颜色”以区分各种显着情况是非常有用的：例如，对于在诸如运输工具(飞机、火车)的嘈杂环境中的头戴组件的使用，低频和高频之间的比值远远比在诸如办公室的更清静的环境中更重要。然后有可能确定低于100Hz的信号的功率Rms₁，大约800Hz的信号的功率Rms₂等。

所获得的值Rms₁，Rms₂...Rms_N被应用于状态机70，该状态机70将这些能量值与相应的阈值进行比较，并且根据这些比较来确定必须从前馈支路58选择的X个滤波器以实时地修改防遮挡处理的传递函数H_FF的滤波系数。

图12更确切地示出了该状态机70的操作方式。

状态机根据能量Rms₁、Rms₂…Rms_N的当前水平以及音频信号的存在与否(例如音乐(其由扬声器18呈现的信号也由内部麦克风28来呈现))，来决定是否需要修改传递函数H_FF，因为它处在初始状态。

音乐信号的存在或不存在(测试72)是从呈现链提供的指示符推导出的(例如与存在于旨在用于音乐的路径上的信号的阈值的简单比较)。在存在音乐的情况下，此后将被使用的阈值被调整为不同的相应值(框74、74')，以考虑音乐对由抗遮挡控制和被动衰减消除引入的电气嘶嘶声的感知起掩蔽作用作为外部噪声的事实。

如果当前能量水平Rms₁、Rms₂…Rms_N低于相应的预定的阈值(测试76)：

Rms₁<阈值(1,1)&&Rms₂<阈值(2,1)&&...&&Rms_N<阈值(N,1)，

则该算法认为外部噪声较低，这需要对滤波器H_FF的调适(框78)。

在相反情况中，即，如果前述条件未被验证，则执行新的比较(测试76')：

Rms₁<阈值(1,2)&&Rms₂<阈值(2,2)&&...&&Rms_N<阈值(N,2)

其使用更高的阈值，即，阈值(1,2)>阈值(1,1),阈值(2,2)>阈值(2,1)...阈值(N,2)>阈值(N,1)。

如果后一个测试是肯定的，则修改滤波器H_FF(框78')，但是使用不同于前一种情形的参数。

在否定的情况下，算法以相同的方式(测试76"、方框78"等等)以逐渐更高的阈值迭代地继续。

然后有可能确定对应于多个电平/类型的外部噪声的滤波器H_FF的X个配置，该算法在用于前馈支路58的X个可选择的滤波器中选择最佳滤波器H_FF，其原理是应用引入不可察觉的嘶嘶声的前馈滤波器，同时接近由上文给出的等式(2)定义的最接近H_FF的值。

最后将注意到，刚刚使用其不同的可能实现描述的本发明的技术与作用于反馈和前馈控制环路的传递函数H_FB和/或H_FF的其他技术完全兼容。

如在上述EP 2 930 942 A1中描述的“防扑”型的功能，之后有可能使用上述噪声抑制(ANR)和抗遮挡(AOC)的功能的补充。

该技术目的在于抵消在头戴式耳机的操纵期间或当用户剧烈地行走或跑步时发生的现象：头戴式耳机的移动于是在耳机的前腔中产生突然的超压。这些超压由内部麦克风拾取并转换成反馈支路的输入信号的杂散峰值，伴随因换能器造成的滤波器的饱和产生可听信号或“扑嗵声”作为输出，这对于用户而言是不满意的。

为了弥补这个缺点，DSP同时分析由内部麦克风传送的麦克风信号和由生理传感器传送的加速度计信号，以便临时地和选择性地切换提供在反馈ANC滤波器上游的抗饱和滤波器，以便将作为该反馈滤波器的输入施加的信号的电平恢复到与该反馈滤波器的正常操作兼容的电平。关于实现的进一步细节，可以参考上述文件。

Claims

1.一种音频头戴式耳机，包括两个耳机(10)，每个耳机包括用于对要重现的音频信号进行声音重现的换能器(18)，所述换能器被容纳在耳朵声腔(22)内，所述头戴式耳机包括主动噪声控制***，所述主动噪声控制***具有：

–内部麦克风(28)，所述内部麦克风被放置在所述声腔(22)内并且被适配成递送第一信号(e)；

–外部麦克风(32)，所述外部麦克风被放置在所述声腔(22)外并且被适配成递送第二信号，以及

–数字信号处理器(42)，包括：

·闭环反馈支路(30)，所述闭环反馈支路包括被适配成向由所述内部麦克风(28)递送的所述第一信号应用反馈滤波传递函数H_FB的反馈滤波器(46)；

·开环前馈支路(34)，所述开环前馈支路包括被适配成向由所述外部麦克风(32)递送的所述第二信号应用前馈滤波传递函数H_FF的前馈滤波器(34)；以及

·混合装置(54)，所述混合装置接收由在所述反馈滤波器(46)的出口处的所述反馈支路和在所述前馈滤波器的出口处的所述前馈支路递送的信号以及要再现的可能的音频信号(M)作为输入，并且递送作为输出的被适配成引导所述换能器(18)的信号。

所述头戴式耳机进一步包括被适配成操作对由所述头戴式耳机引入的抗遮挡控制和被动衰减的消除的多个装置，其中包括：

–用于检测头戴式耳机用户的语音活动的装置(60)，所述装置被适配成区分所述头戴式耳机用户的语音活动的存在情况和不存在情况；以及

–用于选择性地根据所述语音活动检测的当前结果在施加到所述反馈(46)和前馈滤波器(58)的两对不同的传递函数{H_FB，H_FF}之间进行动态切换的装置，

所述装置的特征在于：

–在没有语音活动的情况下，选择由所述动态切换装置施加到所述前馈滤波器(58)以操作所述被动衰减的所述消除的所述前馈滤波传递函数(H_FF2)的参数，以便在包括至少100和300Hz之间的频率范围内提供第一前馈滤波增益，所述第一前馈滤波增益低于由所述动态切换装置施加到所述前馈滤波器(58)以在所述语音活动存在的情况下操作所述抗遮挡控制的所述前馈滤波传递函数(H_FF1)的第二前馈滤波增益。

–在声音活动存在的情况下，选择由所述动态切换装置施加到所述反馈滤波器(46)以操作所述抗遮挡控制的所述反馈滤波传递函数(H_FB1)的参数，以便在包括至少100和300Hz之间的频率范围内提供第一前馈滤波增益，所述第一前馈滤波增益高于在没有语音活动的情况下由所述动态切换装置施加到所述反馈滤波器(46)的所述反馈滤波传递函数(H_FB2)的第二反馈滤波增益。

2.如权利要求1所述的头戴式耳机，其特征在于，其中在没有语音活动的情况下，对于低于1kHz的频率，所述第一前馈滤波增益为至多8dB。

3.如权利要求1所述的头戴式耳机，其特征在于，其中在存在话音活动的情况下，在包括至少100和300Hz之间的频率范围内，所述第二前馈滤波增益为至少10dB。

4.如权利要求1所述的头戴式耳机，其特征在于，其中在存在话音活动的情况下，在包括至少100和300Hz之间的频率范围中，所述第一反馈滤波增益为至少15dB。

5.如权利要求1所述的头戴式耳机，其特征在于，其中在没有语音活动的情况下，对于包括在200Hz和1kHz之间的频率，所述第二反馈增益为至多5dB。

6.如权利要求1所述的头戴式耳机，其特征在于，其中选择在没有语音活动的情况下由所述动态切换装置施加到所述前馈(58)和反馈滤波器(46)的前馈(H_FF2)和反馈滤波传递函数(H_FB2)的参数，以便一起为低于1kHz的频率提供低于在存在话音活动的情况下由所述动态切换装置施加的所述前馈(H_FF1)和所述反馈滤波传递函数(H_FB1)提供的嘶嘶声。

7.如权利要求6所述的头戴式耳机，其特征在于，其中选择在存在语音活动的情况下由所述动态切换装置施加到所述前馈(58)和反馈滤波器(46)的前馈(H_FF1)和反馈滤波传递函数(H_FB1)的参数，以便一起为低于1kHz的频率提供接近外部噪声的最终恢复，所述外部噪声的最终恢复接近由在没有语音活动的情况下由所述动态切换装置施加的所述前馈(H_FF2)和所述反馈滤波传递函数(H_FB2)所提供的外部噪声，以便避免在切换时的可听到的不连续。

8.如权利要求1所述的头戴式耳机，其特征在于，其中：

–所述前馈滤波器(58)是在多个可选择性切换的预配置的前馈滤波器之间的一个；和

–数字信号处理器(42)，所述数字信号处理器进一步包括：

·用于分析由所述内部麦克风(28)递送的所述第一信号(e)，被适配成检验所述第一信号的电流特性是否验证一组预定的准则的装置(64)；和

·选择装置(70)，所述选择装置被适配成根据由所述分析装置对所述第一信号(28)的特性进行的所述第一组准则的验证结果来选择所述预配置的前馈滤波器中的一个。

9.如权利要求8所述的音频头戴式耳机，其特征在于，其中所述第一信号的电流特性包括所述第一信号在多个频带(Filter1，Filter2，...)中的能量值(Rms1，Rms2，...)，并且所述预定的准则包括与所述能量值进行比较的一系列相应的阈值(阈值(1,1),阈值(2,1),...)。

10.如权利要求9所述的音频头戴式耳机，其特征在于，其中：

–所述预定的准则的集合进一步包括要再现的音频信号(M)的存在或不存在的标准；和

–提供两个不同系列的所述相应阈值，所述相应阈值与所述各能量值比较，根据是否存在要再现的音频信号，选择所述两个系列中的一个或另一个(74,74')。