CN106911982B - 外部耦接扬声器*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扬声器***，所述扬声器***包括布置在车辆乘客室与乘客室外部之间的挡板中的扬声器。所述扬声器被配置来将声学信号传播到所述乘客室。所述扬声器***还包括有源噪声控制***，其中麦克风通过辅助路径来声学耦接到所述扬声器，并且所述扬声器通过有源噪声控制滤波器来电耦接到所述麦克风。

Description

外部耦接扬声器***
技术领域
本公开涉及外部耦接扬声器***，并且更具体地涉及车辆中的外部耦接扬声器***。
背景技术
汽车声音***通常包括定位在车辆乘客室内的各个位置中的若干扬声器。典型的扬声器位置包括门板或内饰板。低频再现扬声器(也称为低音喇叭或超低音喇叭)经常定位在行李箱、后板支架、底盘或车辆的任何框架元件中。因为扬声器的前侧和后侧分别通过后板支架或底盘而彼此隔离，以这种方式可省略否则必要的扬声器外壳。因此，这种方式在不损失声学性能的情况下允许非常紧凑且重量上有效的布置。然而，在没有外壳的情况下，扬声器组件必须忍受极端的环境条件，这使得有必要(例如，通过抗天气隔膜)保护扬声器。另外，正常将由以其他方式密闭的乘客舱阻挡的噪声可能进入车辆，这导致更高的噪声污染。
发明内容
扬声器***包括扬声器，其布置在车辆乘客室与乘客室外部之间的挡板中。所述扬声器被配置来将声学信号传播到所述乘客室。所述扬声器***还包括有源噪声控制***，其中麦克风通过辅助路径来声学耦接到所述扬声器，并且所述扬声器通过有源噪声控制滤波器来电耦接到所述麦克风。
减少噪声的声音再现方法包括通过扬声器将声学信号传播到乘客室内部，所述扬声器布置在乘客室与乘客室外部之间的挡板中。所述方法还包括通过有源噪声控制***减少干扰信号，所述有源噪声控制***包括通过辅助路径来声学耦接到扬声器的麦克风，其中所述扬声器通过有源噪声控制滤波器来电耦接到麦克风。
本领域的技术人员将在查阅以下详述和附图后明白或变得明白其他***、方法、特征和优点。意图是，所有此类额外***、方法、特征和优点包括于本说明书内，包括于本发明的范围内，并且受随附权利要求书保护。
附图说明
可参考以下描述和附图更好地理解***。附图中的组件不一定按比例绘制，而是强调示出本发明的原理。此外，在附图中，相同参考数字在所有不同视图中指示对应的部分。
图1是示出车辆中的扬声器的示意图。
图2是通用反馈型有源噪声减少***的框图，在所述***中有用信号供应到扬声器信号路径。
图3是通用反馈型有源噪声减少***的框图，在所述***中有用信号供应到麦克风信号路径。
图4是通用反馈型有源噪声减少***的框图，在所述***中有用信号供应到扬声器信号路径和麦克风信号路径。
图5是图4的有源噪声减少***的框图，在所述***中有用信号通过频谱整形滤波器供应到扬声器路径。
图6是示出带有麦克风的外部耦接扬声器***的示意图。
图7是示出减少噪声的声音再现方法的流程图。
具体实施方式
图1示出带有扬声器110的车辆100。扬声器110可以是汽车声音***的一部分。汽车声音***通常包括若干扬声器。在图1中示例性地示出的仅一个扬声器110。扬声器110可定位在车辆100的乘客室101内的不同位置中。如果扬声器110在乘客室101与车辆100的外部102之间定位在车辆100的底盘中，那么可忽略否则必要的扬声器外壳。因此，这种方式在不损失声学性能的情况下是非常紧凑且重量上有效的。
然而，在没有外壳的情况下，扬声器组件(在图1中未详细示出)必须忍受极端的环境条件，这使得有必要(例如，通过抗天气隔膜)保护扬声器110。由于扬声器110直接耦接到车辆100的外部102引起的另一个缺点是(例如，当以高速行驶到隧道中时或当在升高的速度中打开天窗时)汽车内部101与外部102之间的瞬时空气压力差。这可影响薄膜静止位置和/或移动音圈的位移以及由此影响扬声器110的整体性能。这还可导致动态改变的操作点，所述操作点影响扬声器110的声学性能，例如，谐波失真。另外，通常将由以其他方式密闭的乘客舱101阻挡的噪声可能进入乘客舱101，这导致更高的噪声污染。
因此，扬声器110耦接到噪声减少***，即反馈有源噪声控制(ANC)***。反馈ANC***通常旨在通过在收听站点处提供噪声减少信号来减少或甚至抵消干扰信号(诸如噪声)，所述噪声减少信号理想地与噪声信号相比具有随时间推移相同的振幅但相反的相位。通过叠加噪声信号和噪声减少信号，所产生的信号(也称为误差信号)理想地趋向于零。噪声减少的质量取决于所谓的辅助路径的质量，即扬声器与表示收听者耳朵的麦克风之间的声学路径。噪声减少的质量还取决于所谓的ANC滤波器的质量，所述ANC滤波器连接在麦克风与扬声器之间并且对麦克风所提供的误差信号进行滤波，以使得当扬声器再现滤波的误差信号时，它进一步减少误差信号。然而，当在收听站点处提供除滤波的误差信号之外的诸如音乐或语音的有用信号(尤其通过也再现滤波的误差信号的扬声器)时，发生问题。随后，有用信号可能被***劣化。
为了简洁起见，本文中未在电信号与声学信号之间进行区分。然而，扬声器所提供的或麦克风所接收的所有信号实际上具有声学本质。所有其他信号在本质上是电的。扬声器和麦克风可以是具有由扬声器形成的输入级和由麦克风形成的输出级的声学子***(例如，扬声器-室-麦克风***)的一部分；所述子***供应有电输入信号并且提供电输出信号。“路径”在此方面指还可包括元件(诸如信号传导装置、放大器、滤波器等)的电连接或声学连接。频谱整形滤波器是其中输入信号和输出信号的频谱在频率上不同的滤波器。
现在参考图2，图2是示出通用反馈型有源噪声减少(ANC)***的框图，其中干扰信号d[n](也被称为噪声信号)通过主路径221传递(传播)到收听站点(例如，收听者的耳朵)。主路径221具有传递特性P(z)。此外，输入信号v[n]通过辅助路径222从扬声器223传递(传播)到收听站点。辅助路径222具有传递特性S(z)。
定位在收听站点处的麦克风224接收从扬声器223产生的由辅助路径S(z)滤波的信号、连同由主路径P(z)滤波的干扰信号d[n]。麦克风224提供表示这些接收信号的总和的麦克风输出信号y[n]。麦克风输出信号y[n]作为滤波器输入信号u[n]供应到ANC滤波器225，所述ANC滤波器225将误差信号e[n]输出到加法器226。可以是自适应滤波器或静态滤波器的ANC滤波器225具有传递特性W(z)。加法器226还接收任选预过滤(例如，通过频谱整形滤波器(附图中未示出))的有用信号x[n](诸如音乐或语音)，并且将输入信号v[n]提供到扬声器223。
信号x[n]、y[n]、e[n]、u[n]和v[n]处于离散时间域中。出于以下考虑因素，使用它们的频谱表示X(z)、Y(z)、E(z)、U(z)和V(z)。描述图2所示的***的微分方程如下：
Y(z)＝S(z)·V(z)＝S(z)·(E(z)+X(z)) (1)
E(z)＝W(z)·U(z)＝W(z)·Y(z) (2)
在图2的***中，有用信号传递特性M(z)＝Y(z)/X(z)因此是
M(z)＝S(z)/(1-W(z)·S(z)) (3)
假设W(z)＝1，那么
Figure BDA0001178684770000051
Figure BDA0001178684770000052
Figure BDA0001178684770000053
假设W(z)＝∞，那么
Figure BDA0001178684770000054
可以从等式(4)-(7)看出，当ANC滤波器225的传递特性W(z)增加，而辅助路径传递函数S(z)保持中立，即在大约为1的水平处(即0[dB])时，有用信号传递特性M(z)接近0。出于这个原因，有用信号x[n]必须相应地适配，以确保当ANC开或关时收听者同样地理解有用信号x[n]。另外，有用信号传递特性M(z)还取决于辅助路径222的传递特性意思是：有用信号x[n]的适配还取决于传递特性S(z)以及由于老化、温度、收听者改变等的传递特性S(z)波动，以使得“开”与“关”之间的特定差别将是明显的。
虽然在图2的***中在扬声器223上游连接的加法器226处将有用信号x[n]供应到声学子***(扬声器、室、麦克风)，而在图3的***中在麦克风224处供应有用信号x[n]。因此，在图3的***中，加法器226省略并且加法器227布置在麦克风224的下游以计算(例如,预过滤的)有用信号x[n]和麦克风输出信号y[n]的总和。相应地，扬声器输入信号v[n]是误差信号[e]，即v[n]＝[e]，并且滤波器输入信号u[n]是有用信号x[n]与麦克风输出信号y[n]的总和，即u[n]＝x[n]+y[n]。
描述图3所示的***的微分方程如下：
Y(z)＝S(z)·V(z)＝S(z)·E(z) (8)
E(z)＝W(z)·U(z)＝W(z)·(X(z)+Y(z)) (9)
在不考虑干扰信号d[n]的情况下，图3的***中有用信号传递特性M(z)因此为
M(z)＝(W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z)) (10)
Figure BDA0001178684770000061
Figure BDA0001178684770000062
Figure BDA0001178684770000063
可以从等式(11)-(13)看出，当开环传递特性(W(z)·S(z))增加或降低并且接近0时，当开环传递特性(W(z)·S(z))接近0时，有用信号传递特性M(z)接近1或-1。出于这个原因，有用信号x[n]必须附加地适配在较高频谱范围中，以确保当ANC开或关时收听者同样地理解有用信号x[n]。然而，较高的频谱范围中的补偿是非常困难的，以使得“开”与“关”之间的某个差别将是明显的。在另一方面，有用信号传递特性M(z)不取决于辅助路径222的传递特性S(z)以及由于老化、温度和收听者改变等的传递特性S(z)波动。
图4是示出通用反馈型有源噪声减少***的框图，在所述***中有用信号供应到扬声器路径和麦克风路径两者。为了简明起见，以下省略主路径221，尽管噪声(干扰信号d[n])仍然存在。具体地，图4的***基于图2的***，然而带有附加减法器228以及加法器229，所述减法器228从麦克风输出信号y[n]减去有用信号x[n]以形成ANC滤波器输入信号u[n]，所述加法器229将有用信号x[n]加到误差信号e[n]。
描述图4所示的***的微分方程如下：
Y(z)＝S(z)·V(z)＝S(z)·(E(z)+X(z)) (14)
E(z)＝W(z)·U(z)＝W(z)·(Y(z)-X(z)) (15)
图4的***中有用信号传递特性M(z)因此为
M(z)＝(S(z)-W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z)) (16)
Figure BDA0001178684770000071
Figure BDA0001178684770000072
Figure BDA0001178684770000073
可以从等式(17)-(19)看出，图4***的行为类似于图3***的行为。唯一差别是当开环传递特性(W(z)·S(z))接近0时，有用信号传递特性M(z)接近S(z)。类似图2的***，图4的***取决于辅助路径222的传递特性S(z)以及由于老化、温度和收听者改变等因素的传递特性S(z)波动。
在图5中，示出了一种***，所述***基于图4的***并且附加地包括连接在加法器229上游的均衡滤波器230，以便用反辅助路径传递函数1/S(z)来过滤有用信号x[n]。描述图5所示的***的微分方程如下：
Y(z)＝S(z)·V(z)＝S(z)·(E(z)+X(z)/S(z)) (20)
E(z)＝W(z)·U(z)＝W(z)·(Y(z)-X(z)) (21)
图5的***中有用信号传递特性M(z)因此为
M(z)＝Y(z)/X(z)＝(1-W(z)·S(z))/(1-W(z)·S(z))＝1 (22)
可以从等式(22)看出，麦克风输出信号y[n]与有用信号x[n]相同，这意味着如果均衡器滤波器正好是辅助路径传递特性S(z)的倒数，那么信号x[n]不被***更改。均衡器滤波器230可以是最佳结果的最小相位滤波器，即其实际传递特性与辅助路径传递特性S(z)的倒数(理想最小相位)的最佳近似，并且因此y[n]＝x[n]。此配置充当理想的线性化器，即它补偿有用信号由于其从扬声器223传递到表示收听者耳朵的麦克风224的任何劣化。它因此补偿或线性化辅助路径S(z)对有用信号x[n]的干扰影响，以使得有用信号如同源所提供的那样到达收听者处，而不带有由于耳机声学性质的任何负效果，即y[z]＝x[z]。这样，在这种线性化滤波器的帮助下，有可能使设计较差的声学***听起来像完美声学调整过的、即线性的声学***。
图5所示的***示出可以如何将例如像音乐的需求信号馈送到ANC电路(具体地反馈ANC电路)中。此电路能够在不引起需求信号的无动机衰减的情况下消除噪声。它还提供扬声器操作点的动态外部驱动修改的自动补偿的解决方案。此类修改可以例如由(如之前已经解释过的)外部声音压力的改变引起。另外，甚至可以补偿引起谐波失真的驱动器固有的非线性，并且可以在没有关于附加平衡等的任何限制的情况下优化***的最终声学性能。
然而，有源噪声控制***通常仅仅能够处理噪声的低频谱成分。为了减少噪声的上频谱贡献，其他***可实现。此类***可以是无源噪声减少***。例如，隔离绒毛可以被布置邻近扬声器隔膜。例如，隔离绒毛可布置在隔膜前面，从而覆盖扬声器的前侧。例如，它还可布置在隔膜的后面、隔膜的前面和后面、或者它可整合在隔膜中。然而，隔离绒毛的使用仅是一个实例。也可实现适用于减少噪声的上频谱贡献的任何其他无源噪声减少***，例如像亥姆霍兹共振器。
参考图6，示意地示出包括有源噪声减少***和无源噪声减少***两者的扬声器布置。扬声器610布置在车辆乘客室的内部601与外部602之间的挡板640中。挡板640可包括扬声器610布置在其中的开口641。扬声器610的第一侧可指向到内部601，并且扬声器610的第二侧可指向到外部602，以使得声学信号传播到乘客室的内部601。扬声器610的隔膜或振动膜可定位在扬声器610的第一侧处或扬声器610的第二侧处。
扬声器610可以这种方式布置，以使得在挡板640与扬声器610之间没有或基本上没有声压隔离。麦克风624可布置扬声器610在乘客室内部601上的一侧。麦克风624可通过任何合适的保持装置(图6中未示出)保持在其位置中。也有可能麦克风布置在扬声器610的内部，位于扬声器610的第一侧与第二侧之间。麦克风624可以是有源噪声控制***的一部分(即误差麦克风)，如以上结合图2至5所描述的。因此，麦克风624通过辅助路径来声学耦接到扬声器610。ANC滤波器(图6中未示出)可连接在麦克风624与扬声器610之间。
有源噪声控制通常最适用于低频，即低于约1kHz或低于约500Hz。在另一方面，无源噪声控制在高频处是更有效的，即高于约1kHz或高于约500Hz。有源噪声***的麦克风624可以布置邻近无源噪声***。例如，麦克风可布置在扬声器610的前面，其中隔离绒毛布置在扬声器610的隔膜与麦克风624之间。在另一个实例中，无源噪声控制***642的隔离绒毛可封闭麦克风624。然而，这些仅是实例。任何其他合适的实现方式是可能的。
因此，图6的扬声器***提供外部耦接扬声器中动态问题以及噪声问题的有效解决方案。来自外部602或来自内部601的任何噪声或其他干扰(即扬声器610的失真)、以及更改操作点的其他干扰(诸如压力改变)例如可与扬声器***抵消。
图7是示出减少噪声的声音再现方法的流程图。在方法中，扬声器将声学信号传播到乘客室内部(步骤701)，所述扬声器布置在车辆乘客室与乘客室外部之间的挡板中。另外，有源噪声控制***减少乘客室中的干扰信号(步骤702)，所述有源噪声控制***包括通过辅助路径来声学耦接到扬声器的麦克风。
虽然已描述了本发明的各种实施方案，但是本领域的普通技术人员将显而易见的是，在本发明的范围内，更多的实施方案和实行方式是可能的。因此，除了根据随附权利要求书及其等效物，本发明不受限制。

Claims (13)

1.一种扬声器***，其包括：
扬声器，其布置在车辆乘客室与所述乘客室外部之间的挡板中，其中所述扬声器被配置来将声学信号传播到所述乘客室；
无源噪声减少***，其被配置来消除高频噪声；以及
有源噪声控制***，其中
麦克风通过辅助路径来声学耦接到所述扬声器，所述扬声器通过有源噪声控制滤波器来电耦接到所述麦克风，
所述扬声器包括第一侧和第二侧，并且其中所述第一侧面向所述车辆的所述乘客室并且所述第二侧面向所述车辆的外部，并且
所述麦克风布置在所述扬声器的所述第一侧并且邻近所述无源噪声减少***。
2.如权利要求1所述的扬声器***，其中
所述扬声器连接到扬声器输入路径；
所述麦克风连接到麦克风输出路径；
减法器连接在所述麦克风输出路径和第一有用信号路径的下游；
所述有源噪声控制滤波器连接在所述减法器的下游；
加法器连接在所述有源噪声控制滤波器与所述扬声器输入路径之间并且连接到第二有用信号路径；并且
第一有用信号路径和第二有用信号路径都供应有将被再现的有用信号。
3.如权利要求2所述的扬声器***，其中
所述第一有用信号路径和第二有用信号路径中的至少一个包括一个或多个频谱整形滤波器。
4.如权利要求1至3中任一项所述的扬声器***，其中所述有源噪声控制滤波器被配置来消除低频噪声。
5.如权利要求1所述的扬声器***，其中所述有源噪声控制滤波器被配置来消除频率低于1kHz的噪声，并且所述无源噪声减少***被配置来消除频率高于1kHz的噪声。
6.如权利要求1所述的扬声器***，其中所述有源噪声控制滤波器被配置来消除频率低于500Hz的噪声，并且所述无源噪声减少***被配置来消除频率高于500Hz的噪声。
7.如权利要求1所述的扬声器***，其中所述无源噪声减少***包括至少一层隔离绒毛。
8.如权利要求7所述的扬声器***，其中所述至少一层隔离绒毛被布置邻近所述扬声器的隔膜，并且其中
所述隔膜布置在所述乘客室与所述至少一层隔离绒毛之间，
所述至少一层隔离绒毛布置在所述乘客室与所述隔膜之间，或者
所述隔膜布置在所述至少一层隔离绒毛中的两层隔离绒毛之间。
9.如权利要求7或8所述的扬声器***，其中所述麦克风布置在所述扬声器的前面，使得所述至少一层隔离绒毛布置在所述麦克风与所述扬声器的隔膜之间。
10.如权利要求7或8所述的扬声器***，其中所述麦克风由所述无源噪声减少***的所述至少一层隔离绒毛封闭。
11.如权利要求1所述的扬声器***，其中所述挡板包括所述扬声器设置在其中的开口。
12.一种减少噪声的声音再现方法，其中：
通过扬声器将声学信号传播到车辆乘客室的内部，所述扬声器布置在所述乘客室与所述乘客室的外部之间的挡板中；
通过无源噪声减少***来消除高频噪声；以及
通过有源噪声控制***减少干扰信号，所述有源噪声控制***包括通过辅助路径声学耦接到所述扬声器的麦克风，其中所述扬声器通过有源噪声控制滤波器来电耦接到所述麦克风；
其中，所述扬声器包括第一侧和第二侧，并且其中所述第一侧面向所述车辆的所述乘客室并且所述第二侧面向所述车辆的外部；所述麦克风布置在所述扬声器的所述第一侧并且邻近所述无源噪声减少***。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
将输入信号供应到所述扬声器；
由提供麦克风输出信号的所述麦克风接收所述扬声器传播的所述声学信号；
从有用信号减去所述麦克风输出信号以生成滤波器输入信号；
在有源噪声控制滤波器中对所述滤波器输入信号进行滤波以生成误差信号；
将所述有用信号加到所述误差信号以生成所述扬声器输入信号。
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