CN114257913A - 入耳式耳机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种入耳式耳机(10)，该入耳式耳机包括位于解剖学外壳(14)中的适于传播声音的电声换能器(18)、适于接收待再现信号的控制电声换能器(18)的控制单元(20)，该控制单元包括应用于待再现信号的均衡滤波器，该控制单元(20)连接耳机的内部麦克风(30)。该控制单元(20)还包括次声路径的估计装置，以及根据次声路径的估计来定义和连续应用均衡滤波器的装置。该耳机包括外部麦克风(32)。该次声路径的估计装置适于还根据外部麦克风(32)测量的声信号来估计次声路径。

Description

入耳式耳机
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年9月25日提交法国专利局的、申请号为2009767的专利申请的优先权和权益，该专利申请的全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及一种入耳式耳机，通常包括位于解剖学外壳中的适于在耳道中传播声音的电声换能器、适于接收待再现信号的电声换能器控制单元，该控制单元包括应用于待再现信号的均衡滤波器，该控制单元连接耳机的内部麦克风，内部麦克风配置成用于测量耳道中的音频信号，该控制单元还包括被定义为换能器和内部麦克风之间的次声路径的连续估计装置，以及根据次声路径的估计来定义和连续应用均衡滤波器的装置。
背景技术
入耳式耳机具有解剖学形状，可以***到耳道中。其限定了基本上封闭在耳机和鼓膜之间的少量空气，这样可以产生低至5Hz的相对低频的声音。然而，鉴于耳朵大小存在很大差异，有时无法在耳机和鼓膜之间获得完全封闭的空间，在耳道和耳机之间会出现泄漏。
这些泄漏极大地改变了耳机对于低频的频率响应。
这种现象是已知的，并且已经提出了信号处理方案，从而通过由耳机电声换能器校正待再现信号，可以来补偿这些泄漏。
例如，该方案如美国专利文献US 9,264,823B2所述。在该文献中，提出处理来自均衡滤波器的信号，该均衡滤波器由文献中英文“Shelving filter”所指的搁架式滤波器构成。这种滤波器的增益随着测量耳道内声波的麦克风的信号而连续变化。滤波器的增益根据电磁换能器产生的信号能量和内部麦克风在不同频率范围内测量的音频信号能量之间的比值来调整。
发明内容
该方案只能部分地补偿入耳式耳机在低频范围内的泄漏问题。
本发明的目的是提出一种可以更好地校正音频信号的方案，以考虑到入耳式耳机和耳道之间的泄漏。
为此，本发明的目的在于提供一种上述类型的入耳式耳机，其特征在于该入耳式耳机包括配置成用于测量耳道以外的声信号的外部麦克风，并且次声路径估计装置适于还根据外部麦克风测量的耳道以外的声信号来估计次声路径。
根据具体实施方式，该入耳式耳机包括以下一项或多项特征：
-控制单元包括根据适于耳机的衰减模型来校正由耳道以外的外部麦克风测量的声信号的装置；
-该入耳式耳机包括当入耳式耳机和耳道之间的泄漏水平高于预定阈值时，忽略外部麦克风测量的耳道以外的声信号的装置；
-定义和应用装置适于根据次声路径的估计来定义滤波器的增益、截止频率和品质因数，并连续应用于均衡滤波器；
-次声路径连续估计装置包括次声路径传递函数模型；
-估计装置包括调节回路，以运行应用于模型的优化算法；
-次声路径连续估计装置包括基于中频范围内的频率信号能量计算由低频范围内的频率信号能量商数构成的能量因数的计算装置；
-滤波器定义装置包括计算滤波器的增益、截止频率和品质因数的计算装置，该计算是通过应用根据能量因数预定义的函数来完成的；
-该入耳式耳机包括置信度得分建立装置，该置信度得分根据施加到换能器的待再现均衡音频信号，以及应用了由模型提供的次声路径估计的待再现音频信号与内部麦克风测量的信号之间的误差定义；该入耳式耳机还包括置信度得分低于预定阈值时的滤波器增益、截止频率和品质因数的停止和变化装置。
附图说明
通过下文中仅作为示例给出的描述，并结合附图，将能够更好地理解本发明，其中：
图1为单耳佩戴的入耳式耳机的示意图；
图2为入耳式耳机的功能示意图；
图3为入耳式耳机的声处理流程图；
图4、图5、图6为分别示出了滤波器的增益、截止频率和品质因数随能量因数而变化的曲线。
具体实施方式
在图1中用虚线示出了人脸8的一部分。入耳式耳机10嵌入到耳朵的耳道(附图标记12)内。实际上，用户拥有一对彼此对称的耳机并将其佩戴在双耳中。在此仅描述一个。
众所周知，入耳式耳机10包括解剖学外壳14，其形状略微呈圆台形，适于尽可能紧密地***到耳道12中。
该圆台部分的末端形成作为声音出口的开口16，面对该开口设置有电声换能器18，电声换能器连接控制单元20以进行激励。
该耳机包括待再现音频信号的接收装置22，该音频信号来自播送装置，例如移动电话24。移动电话与入耳式耳机的接收装置22之间的通信是通过例如蓝牙来提供的。
控制单元20还包括适于提供下文所述信息处理的计算器26和放大换能器18的激励信号的放大装置28。放大装置28的输出端连接换能器18。
计算器26还包括第一内部麦克风30，该第一内部麦克风设置在置于耳道12中的外壳的外表面。该麦克风适于测量耳道中的声波，更确切是指作用于耳膜的声波。
同样地，耳道12处的外壳14外表面上包括外部麦克风32，该外部麦克风也连接计算器26并且适于测量耳腔以外对应于环境噪声的声信号。
在图2中，示出了电声换能器18和内部麦克风30。次声路径50被定义为在其之间，并且英语中通常称为“secondary path”。次声路径是指由换能器18发出并由鼓膜接收的声流并且实际上是由麦克风30测量的，该测量被设定为代表鼓膜上的测量。主声路径是指鼓膜接收到耳机外部的声流，对应于环境噪声。
在该图中，接收装置22的输出端连接均衡滤波器52，具有在计算器26中获得的可变参数。例如，滤波器是Shelving滤波器或者法语中称为搁架式滤波器。作为改型，均衡滤波器52是无限脉冲响应式(IIR)或有限脉冲响应式(FIR)滤波器、级联滤波器或任何其他滤波器。
用于这种均衡的待再现信号的滤波器52的输出端通过数/模转换器54连接放大装置28。
耳机还包括在计算器26中实现的连续估计次声路径50的连续估计装置60，该估计装置与用于定义和连续应用均衡滤波器52的参数的定义和连续应用装置62关联。
更确切地，估计装置60包括次声路径50的传递函数模型70。该模型70的输入端接收来自均衡滤波器52的待再现均衡信号。
在减法器72中，从复合信号中，尤其是来自内部麦克风30的复合信号中，减去模型70的输出信号。
内部麦克风30输出端的模拟信号被路由到模/数转换器86中，模/数转换器的输出端通过***减法器88连接减法器72的输入端。减法器88的负输入端依次通过模/数转换器89和对耳机结构建模的无源衰减建模模块90连接外部麦克风32。由控制单元20控制的开关92置于模块90和减法器88之间。
模块90适于将对应外部声流的数字化信号应用于对应耳机结构所致衰减的滤波器，使得模块90的输出信号在有耳机时代表耳道内由唯一外部声流产生的声流。
滤波器的衰减函数是通过试验在耳机上测得的并保存在存储器中。
减法器72的输出端连接估计单元100的输入端，该估计单元在另一个输入端处接收来自滤波器52输出端的均衡信号。
估计单元100适于运行最小二乘算法并且连接模型70，以确保其根据适当的优化算法进行调节。因此，估计单元100形成模型70的调节回路。
滤波器参数定义装置62包括连续计算滤波器52的参数的连续计算装置120，尤其是计算附图标记为G的增益、附图标记为Fc的截止频率和附图标记为Q的品质因数。
图3中示出了由耳机计算器26运行的算法。
另外，在顶部示出了声信号源22、滤波器52、内部麦克风30和外部麦克风32以便于理解。
次声路径的估计装置60，根据从待再现均衡信号和从两个麦克风30、32接收的信息，生成次声路径50的脉冲响应。
在步骤212中，对于模型70获得的脉冲响应，应用了快速傅立叶变换。
在步骤214中进行了低频范围内的频率信号能量计算。低频范围在例如50赫兹与200赫兹之间。
同样，在同一步骤214中进行了中频范围内的频率信号能量计算，该中频范围选自受到泄漏影响的声音频率范围之外。中频范围在例如300赫兹与500赫兹之间。
在步骤216中，计算出的能量随时间变化是平滑的，使得其相对于外部噪声更稳定，这是因为其是随时间变化的。
在步骤218中，根据平滑的能量值连续定义了能量因数EF。基于中频范围内的频率信号能量，其等于低频范围内的频率信号的能量商数。
另外，不依赖于能量因数EF的计算，装置60产生误差信号，旨在产生如下所述的置信度得分SNE。
误差信号对应于在减法器72输出端所得的信号，并且等于待再现均衡信号与数字化信号之间的差，一方面对所述待再现均衡信号应用了由模块70建模的次声路径传递函数，另一方面所述数字化信号来自内部麦克风30，经过外部麦克风32测得的数字化信号校正并经过了滤波以考虑到耳机结构的衰减。
在步骤312中，误差信号和来自滤波器52的待再现均衡信号在例如50Hz到750Hz的中频范围内经过滤波。然后在步骤314中使其变得平滑。
在步骤316中计算了置信度得分SNE。其等于待再现均衡信号的振幅商数，该待再现均衡信号经过了滤波，并且通过经滤波且平滑的误差信号幅度变得平滑。
步骤400包括根据能量因数EF和置信度得分SNE定义并应用滤波器参数。
在置信度得分SNE高于预定阈值的情况，这些参数中的每一个都是利用预定义的多项式函数，根据步骤218中得到的能量因数EF计算的。如果该置信度得分SNE高于预定阈值，则将滤波器的新参数应用于滤波器52并再次运行该算法。否则，在不改变参数的情况下再次运行算法。
在图4、图5、图6中示出了多项式函数，该函数分别根据能量因数EF得出增益G(图4)、截止频率Fc(图5)和品质因数Q(图6)。
这些曲线是根据对耳机上进行的测试，通过连续试验建立的。
在算法的整个实施过程中，开关72在控制单元20的控制下保持闭合。后者确保该开关仅在能量因数EF低于预定阈值时暂时断开。因此泄漏水平过高时，不考虑对应于外部麦克风32测量的外部流的声信号。
可以理解的是，由于考虑到了外部麦克风32的声信号，滤波器以改进的方式稳定地适于耳机周围可能发生的任何泄漏。

Claims (9)

1.一种入耳式耳机(10)，所述入耳式耳机包括：位于解剖学外壳(14)中的适于在耳道(12)中传播声音的电声换能器(18)；适于接收待再现信号的控制所述电声换能器(18)的控制单元(20)，所述控制单元包括应用于待再现信号的均衡滤波器(52)，所述控制单元(20)连接所述耳机的内部麦克风(30)，所述内部麦克风配置成用于测量耳道(12)中的音频信号，所述控制单元(20)还包括连续估计在所述电声换能器(18)和内部麦克风(30)之间定义的次声路径(50)的连续估计装置(60)、以及根据所述次声路径(50)的估计来定义和连续应用所述均衡滤波器(52)的装置(62)，
其特征在于，所述耳机包括配置成用于测量耳道(12)以外的声信号的外部麦克风(32)，并且所述次声路径的估计装置(60)适于还根据所述外部麦克风(32)测量的耳道(12)以外的声信号来估计所述次声路径(50)。
2.根据权利要求1所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，所述控制单元(20)包括根据适于所述耳机的衰减模型(90)来校正由耳道(12)以外的所述外部麦克风(32)测量的声信号的装置(90)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，所述入耳式耳机包括当所述入耳式耳机(10)和耳道(12)之间的泄漏水平高于预定阈值时，忽略所述外部麦克风(32)测量的耳道(12)以外的声信号的装置(92)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，定义和应用装置(62)适于根据所述次声路径(50)的估计来定义所述滤波器的增益、截止频率和品质因数，并连续应用于所述均衡滤波器(52)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，所述次声路径(50)的所述连续估计装置(60)包括所述次声路径(50)的传递函数模型(70)。
6.根据权利要求5所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，所述估计装置(60)包括调节回路(100)，所述调节回路运行应用于所述模型(70)的优化算法。
7.根据权利要求5或6所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，所述次声路径(50)的所述连续估计装置(60)包括基于中频范围内的频率信号能量计算由低频范围内的频率信号能量商数构成的能量因数(FE)的计算装置(218)。
8.根据权利要求7所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，滤波器定义装置(62)包括计算所述滤波器的增益(G)、截止频率(Fc)和品质因数(Q)的计算装置(400)，所述计算是通过应用根据所述能量因数(EF)预定义的函数来完成的。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的入耳式耳机(10)，其特征在于，所述入耳式耳机包括置信度得分建立装置(312、314、316)，置信度得分根据施加到所述电声换能器(18)的待再现均衡音频信号、以及应用了由所述模型(70)提供的次声路径估计的待再现音频信号与所述内部麦克风(30)测量的信号之间的误差限定，所述入耳式耳机还包括所述置信度得分低于预定阈值时的所述滤波器的增益(G)、截止频率(Fc)和品质因数(Q)的停止和变化装置(400)。
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