CN113115154A - 环境声透听方法、装置、计算机设备及耳机 - Google Patents

环境声透听方法、装置、计算机设备及耳机 Download PDF

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CN113115154A CN202110367902.9A CN202110367902A CN113115154A CN 113115154 A CN113115154 A CN 113115154A CN 202110367902 A CN202110367902 A CN 202110367902A CN 113115154 A CN113115154 A CN 113115154A
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刘益帆
徐银海
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    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/10—Earpieces; Attachments therefor ; Earphones; Monophonic headphones
    • H04R1/1083—Reduction of ambient noise

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Abstract

本申请提供一种环境声透听方法、装置、计算机设备及耳机。本申请通过对所述麦克风单元所采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理，然后将补偿处理所获得的补偿信号通过扬声器进行输出，可以使得人耳所听到的声音与不佩戴耳机直接听取时效果一致，避免其因为耳机结构的隔挡而失真。

Description

环境声透听方法、装置、计算机设备及耳机
技术领域
本申请涉及信号处理领域，具体而言涉及一种环境声透听方法、装置、计算机设备及耳机。
背景技术
近年来，耳机逐渐发展成为人们日常所必需的消费电子产品。但是，对于同一个声信号，用户通过人耳鼓膜直接听取，与用户在佩戴耳机的情况下听取，二者并非同一效果。这是由于耳机结构的存在，声音经物理隔离路径进行传递不可避免地存在幅值、相位的失真，严重影响耳机用户对周围环境的感知能力。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，提供一种环境声透听方法及耳机，以期在佩戴耳机的情况下，用户听到的声音与不佩戴耳机直接听取时效果一致。本申请具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种环境声透听方法，应用于耳机，所述耳机包括麦克风单元和扬声器，所述方法包括：对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理，其中所述信号失真量由所述耳机的结构的隔声特性确定；驱动所述扬声器播放所述补偿处理后得到的补偿信号。
可选的，如上任一所述的环境声透听方法，其中，所述环境声信号包括目标声信号和噪声信号；在对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理之前，所述方法还包括：对所述目标声信号进行增益和/或对所述噪声信号进行抑制。
可选的，如上任一所述的环境声透听方法，其中，所述麦克风单元包括至少两个麦克风；对所述目标声信号进行增益包括：根据所述至少两个麦克风采集的至少两个环境声信号两两之间的互相关函数的峰值，确定每个环境声信号中的目标声信号两两之间的时延量；基于所述时延量，对齐所述至少两个环境声信号；将对齐后的至少两个环境声信号进行加权求和处理以对其中的目标声信号进行增益。
可选的，如上任一所述的环境声透听方法，其中，所述加权求和处理对应的增益系数大于等于1。
可选的，如上任一所述的环境声透听方法，其中，对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理包括：通过预设的滤波单元对所述加权求和处理后得到的环境声信号进行滤波，得到所述补偿信号；其中，所述滤波单元的***传递函数由用户耳道佩戴所述耳机前后所述耳机的外壳位置至所述耳机的出声孔边界面之间声场空间的第一传递函数之差、所述耳机的次级声学路径的第二传递函数及所述增益系数确定。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种环境声透听装置，应用于耳机，所述耳机包括麦克风单元和扬声器，所述装置包括：信号处理模块，用于对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理，其中所述信号失真量由所述耳机的结构的隔声特性确定；信号驱动模块，用于驱动所述扬声器播放所述补偿处理后得到的补偿信号。
同时，本申请还提供一种计算机设备，其包括：处理器；存储器，所述存储器包括存储在其上的计算机指令，所述计算机指令在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上任一项所述的环境声透听方法。
此外，本申请还提供一种耳机，其包括：麦克风单元，用于采集环境声信号；第一处理器，其连接所述麦克风单元，用于对所述环境声信号进行信号失真量的补偿处理，其中所述信号失真量由所述耳机的结构的隔声特性确定；扬声器，其连接所述第一处理器，用于播放所述补偿处理后得到的补偿信号。
可选的，如上任一所述的耳机，其中，所述第一处理器还用于在所述补偿处理之前，对所述环境声信号中的目标声信号进行增益和/或对所述环境声信号中的噪声信号进行抑制。
可选的，如上任一所述的耳机，其中，还包括：第二处理器，其连接在所述麦克风单元与所述扬声器之间，用于根据所述环境声信号确定与所述环境声信号对应的抗噪声信号，并驱动所述扬声器播放所述抗噪声信号。
有益效果
本申请通过对所述麦克风单元所采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理，然后将补偿处理所获得的补偿信号通过扬声器进行输出，可以使得人耳所听到的声音信号与不佩戴耳机直接听取时效果一致，避免其因为耳机结构的隔挡而失真。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1是本申请一实施例提供的耳机的框图；
图2是本申请一实施例提供的环境声透听方法对环境声信号进行补偿处理的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中，“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中，“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
本申请首先提供一种耳机以及应用于该耳机的环境声透听方法。
该耳机包括图1所示的麦克风(单元)、(第一)处理器和扬声器。麦克风单元用于采集环境声信号，第一处理器用于执行环境声透听方法10，包括步骤：
S12，对麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理；以及
S14，驱动扬声器播放补偿处理后得到的补偿信号。
其中，第一处理器进行补偿处理所基于的信号失真量由耳机的结构的隔声特性确定，因此，应用本申请的耳机能够使用户便利地听取外界的声音，同时确保其与不佩戴耳机时听取的效果完全一致，而不会因耳机结构导致信号失真。
由于麦克风单元所采集的环境声信号中包含目标声信号和噪声信号，因此，为针对目标声信号实现更好的透声效果，本申请实施例还可以在对麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理之前，通过第一处理器执行上述方法10进一步包括的步骤：
S16，对目标声信号进行增益和/或对噪声信号进行抑制，由此提升所采集环境声信号的信噪比，以改善最终用户透听的目标话音质量。
本领域技术人员应当理解，上述对目标声信号的透听过程，无需限定耳机麦克风的数量及布局形式，而通过对声信号的运算处理即可弥补耳机结构在声音传递过程中所带来的失真效果。
在其他实现方式下，本申请还提供一种环境声透听装置，其可设置在具有麦克风和扬声器的耳机中。该环境声透听装置包括：
信号处理模块，用于对麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理；以及
信号驱动模块，用于驱动扬声器播放补偿处理后得到的补偿信号。
其中，信号处理模块执行补偿处理所基于的信号失真量由耳机结构的隔声特性确定。
承上述，在本申请实施例所提供的耳机中，优选设置至少两个麦克风。
这种实现方式下，为改善最终用户透听的目标话音质量，上述步骤S16可进一步包括步骤：
S162，根据至少两个麦克风采集的至少两个环境声信号两两之间的互相关函数的峰值，确定每个环境声信号中的目标声信号两两之间的时延量。
S164，基于每两路中目标声信号之间的时延量，对齐各路所采集的环境声信号。
S166，将对齐后的至少两个环境声信号进行加权求和处理以对其中的目标声信号进行增益。
由于单一成分的声信号先后到达各麦克风的时延量(即时间差)取决于其声源与由至少两个麦克风组成的麦克风单元形成的方位角，因此来自非目标声源方向的环境噪声信号到达各麦克风的时间差不同于来自目标声源方向的目标声信号，则以步骤S162确定的时延量“对齐”各路环境声信号，其中的目标声信号被对齐但其中的噪声信号不会被对齐。
进而，加权求和“对齐”后的至少两个环境声信号，使得到的目标声成分相对于得到的噪声成分更为显著，也即增强了麦克风单元所采集的环境声信号的信噪比，最终用户透听的目标话音质量得以改善。
在本申请实施例中，上述加权求和例如可以是算术平均、加权平均、代数求和等，以使对目标声信号的增益系数大于等于1。本申请对具体的加权求和算法不做限定。
这种实现方式下，上述步骤S12可进一步包括步骤：
S122，通过滤波单元对步骤S166中加权求和处理后得到的环境声信号进行滤波，得到待扬声器播放的补偿信号。
其中，滤波单元的***传递函数由用户耳道佩戴耳机前后、耳机外壳位置至耳机出声孔边界面之间声场空间的第一传递函数之差，耳机次级声学路径的第二传递函数及上述对目标声信号的增益系数而预先确定。其中，耳机的次级声学路径的第二传递函数包括扬声器电声转换的传递函数与扬声器振膜面至出声孔边界面之间空间的传递函数。
具体实现时，佩戴耳机前后、耳机外壳位置至耳机出声孔边界面之间声场空间的第一传递函数，可在耳机设计阶段、将耳机佩戴于仿真人工头之前和之后，分别标定出两次的耳机外壳应处的位置至出声孔边界面应处的位置之间的空间传递函数；第二传递函数可在设计阶段通过对耳机本体直接标定而获得；加权求和处理对应的增益系数由对各路采集环境声信号设计的权值决定。
参照图2所示，图2下部分表示用户不佩戴耳机时对目标声信号s(t)的直接听取过程，上部分为用户佩戴耳机时对同一目标声信号s(t)的间接透听过程。为解决透听目标声信号s(t)时的失真问题，也即使鼓膜通过耳机透听获得的信号与直接听取的信号s'(t)相同，需满足：
s(t)·T'1·T2+ks(t)·H·T3·T2＝s'(t)＝s(t)·T1·T2 式(1)
其中，T'1为佩戴耳机时耳机外壳位置至出声孔边界面之间空间的传递函数，T1为不佩戴耳机时耳机外壳应处的位置至出声孔边界面应处的位置之间空间的传递函数；T2为出声孔边界面应处的位置至鼓膜之间空间的传递函数，与用户是否佩戴耳机无关；T3为上述耳机次级声学路径的传递函数；k为上述对目标声信号的增益系数，H为上述滤波单元(即图中所示补偿单元)的***传递函数。
对上式(1)进行化简，可以确定滤波单元的***传递函数：
Figure BDA0003008042770000071
由此，对于具有麦克风单元、处理器和扬声器的耳机来说，为实现上述对目标声信号s(t)的补偿效果，将第一处理器(包括：图中所示增益单元和补偿单元)连接麦克风单元和扬声器，依上式(2)设置补偿单元的***传递函数H以对经增益的环境声信号ks(t)进行滤波，驱动扬声器播放滤波得到的补偿信号
Figure BDA0003008042770000081
该补偿信号经扬声器播放到达鼓膜处成为补偿声信号(T1-T'1)T2s(t)，而目标声信号s(t)经耳机结构传至鼓膜处成为失真声信号T'1T2s(t)，二者叠加得到保真声信号T1T2s(t)，其与不佩戴耳机时鼓膜直接听到的声信号s'(t)相同。
由此，本申请提供的环境声透听方法能够使用户通过佩戴耳机听取外界的声音，例如：提示语音、同伴交谈内容、自己的讲话内容等，同时消除因耳机结构导致的声音失真，从而确保佩戴耳机与不佩戴耳机听取的效果完全一致，甚至佩戴耳机时听取的目标话音更为清晰。
在一些实施例中，本申请提供的耳机为主动降噪耳机，图1所示的麦克风单元例如可以实现为该主动降噪耳机的参考麦克风，设置于耳机外壳上，以使其采集的环境声信号中包含将传入用户耳道的环境噪声信号。相应地，该主动降噪耳机还包括：
连接在麦克风单元与扬声器之间的第二处理器，用于根据环境声信号确定与环境噪声信号对应的抗噪声信号。该抗噪声信号由扬声器播放以生成抗噪声波，于用户耳道区域实现主动降噪。
本申请的其他实施例还提供一种计算机设备，该计算机设备包括：处理器和存储器。
其中，存储器包括存储在其上的计算机指令，计算机指令在被处理器执行时，使得处理器执行如上述任一实施例所提供的环境声透听方法10。
以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种环境声透听方法，应用于耳机，其特征在于，所述耳机包括麦克风单元和扬声器，所述方法包括：
对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理，其中所述信号失真量由所述耳机的结构的隔声特性确定；
驱动所述扬声器播放所述补偿处理后得到的补偿信号。
2.如权利要求1所述的环境声透听方法，其特征在于，所述环境声信号包括目标声信号和噪声信号；在对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理之前，所述方法还包括：
对所述目标声信号进行增益和/或对所述噪声信号进行抑制。
3.如权利要求2所述的环境声透听方法，其特征在于，所述麦克风单元包括至少两个麦克风；对所述目标声信号进行增益包括：
根据所述至少两个麦克风采集的至少两个环境声信号两两之间的互相关函数的峰值，确定每个环境声信号中的目标声信号两两之间的时延量；
基于所述时延量，对齐所述至少两个环境声信号；
将对齐后的至少两个环境声信号进行加权求和处理以对其中的目标声信号进行增益。
4.如权利要求3所述的环境声透听方法，其特征在于，所述加权求和处理对应的增益系数大于等于1。
5.如权利要求4所述的环境声透听方法，其特征在于，对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理包括：
通过预设的滤波单元对所述加权求和处理后得到的环境声信号进行滤波，得到所述补偿信号；其中，所述滤波单元的***传递函数由用户耳道佩戴所述耳机前后所述耳机的外壳位置至所述耳机的出声孔边界面之间声场空间的第一传递函数之差、所述耳机的次级声学路径的第二传递函数及所述增益系数确定。
6.一种环境声透听装置，应用于耳机，所述耳机包括麦克风单元和扬声器，其特征在于，所述装置包括：
信号处理模块，用于对所述麦克风单元采集的环境声信号进行信号失真量的补偿处理，其中所述信号失真量由所述耳机的结构的隔声特性确定；
信号驱动模块，用于驱动所述扬声器播放所述补偿处理后得到的补偿信号。
7.一种计算机设备，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，所述存储器包括存储在其上的计算机指令，所述计算机指令在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-5中任一项所述的环境声透听方法。
8.一种耳机，其特征在于，包括：
麦克风单元，用于采集环境声信号；
第一处理器，其连接所述麦克风单元，用于对所述环境声信号进行信号失真量的补偿处理，其中所述信号失真量由所述耳机的结构的隔声特性确定；
扬声器，其连接所述第一处理器，用于播放所述补偿处理后得到的补偿信号。
9.如权利要求8所述的耳机，其特征在于，所述第一处理器还用于在所述补偿处理之前，对所述环境声信号中的目标声信号进行增益和/或对所述环境声信号中的噪声信号进行抑制。
10.如权利要求8所述的耳机，其特征在于，还包括：第二处理器，其连接在所述麦克风单元与所述扬声器之间，用于根据所述环境声信号确定与所述环境声信号对应的抗噪声信号，并驱动所述扬声器播放所述抗噪声信号。
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