DE3733132A1 - Schaltungsanordnung zur akustischen kompensation des umgebungsgeraeusches bei kopfhoererempfang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur akustischen Kompensation des Umgebungsgeräusches bei Kopfhörerempfang gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Aus der US-PS 29 72 018 ist eine Schaltungsanordnung zur akustischen Kompensation des Umgebungsgeräusches bekannt, bei der das Umgebungsgeräusch mittels eines außerhalb des Kopfhörers angebrachten Referenzmikrophons aufgenommen und dieses Referenzmikrophonsignal einem Kompensations­ filter zugeführt wird. Das Filterausgangssignal wird vom Nutzsignal subtrahiert. Im Ohr findet also eine Über­ lagerung zweier Geräusche mit dem Ziel einer Auslöschung des Umgebungslärms statt. Mit dem vorgeschlagenen fest eingestellten Kompensationsfilter ist jedoch eine An­ passung an geänderte akustische Verhältnisse nicht oder nur schwer möglich. Problematisch ist ferner die Plazierung des Referenzmikrophons außerhalb des Kopf­ hörers. Wegen der damit verbundenen schlechten Kohärenz zwischen den Umgebungsgeräuschen am Referenzmikrophon und am Ohr ist prinzipiell nur eine geringe Störunterdrückung erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung derartig auszugestalten, daß es bei Kopf­ hörerempfang und bei lautem Umgebungsgeräusch zu einer deutlichen Reduzierung des Störpegels an Ohr kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wie eine Vielzahl von praktischen Versuchen ergeben hat, ist eine Störkompensation am Referenzmikrophon (in un­ mittelbarer Nähe des Gehöreinganges) nahezu gleichbe­ deutend mit einer Störschallkompensation am Trommelfell (Knochenschall) und Schallübertragung durch den Mund bleiben dabei wegen ihres geringeren Einflusses unberück­ sichtigt).

Durch die Rückführung und Überlagung des Mikrophon­ signals wird bei geeigneter Einstellung des Störkompen­ sationsfilters eine teilweise Auslöschung des Umgebungs­ geräusches am Referenzmikrophons erzielt. Die durch die Anordnung des Referenzmikrophon im Kopfhörer auftretende Rückkopplung des Lautsprechersignals, und die dadurch bedingte Auslöschung bzw. Verzerrung des Nutzsignals, kann mittels eines Kompensationsfilters vermieden werden. Das Kompensationsfilter bildet dabei den Übertragungsweg nach, welcher aus dem Lautsprecher, der Luftstrecke vom Lautsprecher zum Referenzmikrophon und dem Referenzmikrophon besteht. Dadurch wird der vom Lautsprecher herrührende Signalanteil bzw. Nutzsignalanteil im Rückkopplungspfad kompensiert.

Die adaptive Ausführung der Kompensationsfilter gestattet eine automatische Anpassung an die jeweils vorliegenden akustischen Verhältnisse.

Die adaptive Einstellung der beiden Kompensationsfilter gemäß Patentanspruch 2 erfolgt nach Patentanspruch 3 so, daß die Varianz des Filtereingangssignals am Störkompen­ sationsfilter bzw. die Varianz des Mikrophonsignals minimiert werden. Diese automatische Einstellung der Filterkoeffizienten wird vorzugsweise bei kleinem oder verschwindendem Umgebungsgeräusch bzw. Nutzsignal durch­ geführt.

Bei einer Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 4 wird das Kompensationsfilter nicht vom gesamten Lautsprechersignal, sondern nur vom Nutzsignal gespeist, so daß am Eingang des zweiten Störkompensa­ tionsfilters das vom Referenzmikrophon aufgenommene Geräusch ohne Nutzsignalanteil erscheint. Die Einstellung des Kompensationsfilters sowie des zweiten Störkompensa­ tionsfilters geschieht so, daß die Varianz am Eingang des zweiten Störkompensationsfilters minimal wird. Die automatische Einstellung der Filterkoeffizienten wird vorzugsweise fortlaufend durchgeführt.

Wird gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 6 ein zusätzliches Referenzmikrophon außerhalb des Kopfhörers angeordnet, so kann eine weitere Störreduktion am ersten Referenzmikrophon erreicht werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsge­ mäßen Schaltungsanordnung sind in weiteren Patentan­ sprüchen angebeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher beschrie­ ben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform mit einem innerhalb des Kopfhörers angeordneten Referenzmikrophon und zwei Kompensationfiltern,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform unter Verwendung von zwei Referenzmikrophonen und von drei Kompen­ sationsfiltern,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Kompensationsfilter,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung des ersten Kompensationsfilters in den Anordnungen nach Fig. 2 und Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform für eine Anord­ nung eines Referenzmikrophons RM innerhalb eines Kopfhö­ rers K nach dem Ohreingang. Zur Reduktion des Umgebungs­ geräusches n(t) am Referenzmikrophon RM wird das Mikro­ phonsignal r ₁ (t) über das erste Störkompensationsfilter H _x zurückgeführt und dem Nutzsignal, d. h. dem Sprach­ signal s(t) überlagert. Das Mikrophonsignal r ₁ (t) enthält neben dem Umgebungsgeräusch n(t) auch das vom Laut­ sprecher L abgestrahlte Lautsprechersignal. Da wegen der Rückkopplung des Lautsprechersignals eine gewisse Aus­ löschung bzw. Verzerrung des Sprachsignals s(t) auftreten würde, ist ein Kompensationsfilter H _y vorgesehen, welches den Übertragungsweg bestehend aus dem Lautsprecher L, der Luftstrecke vom Lautsprecher L zum Referenzmikrophon RM und dem Referenzmikrophon RM nachbildet und den vom Laut­ sprecher L herrührenden Signalanteil im Rückkopplungspfad kompensiert.

Die beiden Filter H _x und H _y können adaptiv ausgeführt werden. Die Einstellung der Filterkoeffizienten des ersten Störkompensationsfilters H _x erfolgt derart, daß die Varianz des Mikrophonsignals r ₁ (t) minimal wird.

Bei einer automatischen Einstellung der Filterkoeffizien­ ten wird dies vorzugsweise bei kleinem bzw. verschwinden­ dem Nutzsignal s(t) durchgeführt. Die Einstellung der Filterkoeffizienten des Kompensationsfilters H _y wird derart durchgeführt, daß die Varianz des Eingangssignals des ersten Störkompensationsfilters H _x minimal wird. Die automatische Einstellung der Filterkoeffizienten des Kompensationsfilters H _y erfolgt vorzugsweise bei kleinem bzw. verschwindendem Umgebungsgeräusch n(t). Die Einstel­ lung der Filterkoeffizienten von H _x , H _y ist in Fig. 1 durch die strichlinierte Darstellung angedeutet.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnung zur akustischen Kompensation des Umgebungsgeräusches bei Kopfhörerempfang darge­ stellt. Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsan­ ordnung bildet das Kompensationsfilter H _y den Übertra­ gungsweg nach, welcher aus dem Lautsprecher L, der Luft­ strecke vom Lautsprecher L zum Referenzmikrophon RM und dem Referenzmikrophon RM besteht. Im Unterschied zur in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird das Kompensationsfilter H _y aber nicht vom gesamten Laut­ sprechersignal, sondern nur vom Nutzsignal (s(t) gespeist. Dadurch erscheint am Eingang des zweiten Störkompensationsfilters _x das vom Referenzmikrophon RM aufgenommene Geräusch ohne Nutzsignalanteil. Durch geeignete Einstellung des zweiten Störkompensations­ filters _x wird eine teilweise Auslöschung des Umgebungsgeräusches n(t) am Referenzmikrophon RM erreicht.

Die Filter _x bzw. H _y können adaptiv ausgeführt werden, wobei die Einstellung der Filterkoeffizienten der beiden Filter _x bzw. H _y derartig vorgenommen werden, daß die Varianz des Eingangssignal r ₃ (t) des zweiten Störkompen­ sationsfilters _x minimal wird. Die automatische Ein­ stellung der Filterkoeffizienten erfolgt fortlaufend.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform zur akustischen Kompensation des Umgebungsgeräusches bei Kopfhörerempfang dargestellt, bei der zusätzlich ein zweites Referenz­ mikrophon RM 2 vorgesehen ist, welches sich außerhalb des Kopfhörers K befindet. Das Mikrophonsignal vom zweiten Referenzmikrophon RM 2 wird einem dritten Störkompen­ sationsfilter H _z zugeführt und das Filterausgangssignal des dritten Störkompensationsfilters H _z wird dem Nutzsignal s(t) überlagert. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise eine weitere Störreduktion am ersten Referenzmikrophon RM 1 erreicht werden.

Die Einstellung der Filterkoeffizienten des dritten Stör­ kompensationsfilters H _z kann ebenso wie die Einstellung der Filterkoeffizienten der Filter H _x bzw. H _y adaptiv durchgeführt werden. Die automatische Einstellung der Filterkoeffizienten des dritten Störkompensationsfilters H _z erfolgt vorzugsweise bei kleinen bzw. verschwindendem Nutzsignal s(t). Eine Erweiterung auf mehrere Referenz­ mikrophone außerhalb des Kopfhörers K ist möglich.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform unter Verwen­ dung eines zweiten Referenzmikrophons RM 2 außerhalb des Kopfhörers K dargestellt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Kompensationsfilter H _y nicht, im Gegensatz zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, vom gesamten Lautsprechersignal, sondern nur vom Nutzsignal s(t) gespeist. Die Einstellung der Filterkoeffizienten des mit dem zweiten Referenzmikrophon RM 2 verbundenen dritten Störkompensationsfilters H _z kann ebenso wie die Einstellung der Filterkoeffizienten der Filter _x bzw. H _y adaptiv ausgeführt werden. Die automatische Einstellung der Filterkoeffizienten wird fortlaufend derart durchge­ führt, daß die Varianz des Eingangssignals des zweiten Störkompensationsfilters _x minimal ist. Eine Erweiterung auf mehrere Referenzmikrophone außerhalb des Kopfhörers K ist möglich.

Für die drei Filter H _x , H _y und H _z wird vorzugsweise ein Transversalfilter benutzt, welches in Fig. 5 dargestellt ist.

Das zweite Störkompensationsfilter _x wird vorzugsweise in der Struktur nach Fig. 6 realisiert. Es enthält ein Transversalfilter H im Vorwärtszweig und ein weiteres Transversalfilter _y im Rückführungszweig, dessen Filterkoeffizienten eine Kopie der eingestellten Filterkoeffizienten des Kompensationsfilters H _y sind.

Die adaptive Einstellung der Filterkoeffizienten h ₀, h ₁, . . . h _N kann beim Filter H _y z. B. nach dem in "Adaptive Filters, Structures, Algorithms and Applica­ tions" von M. L. Honig et al, Kluwer-Academic Publishers, 1984, beschriebenen stochastischen Gradienten-Algorithmus (LMS-Algorithmus) erfolgen.

Bei der adaptiven Einstellung der Filter H _x , H und H _z ist zu berücksichtigen, daß zwischen dem jeweiligen Filter­ ausgang und dem für die Filtereinstellung relevanten Fehlersignal eine Übertragungsstrecke auftritt. Dies erfordert ein aufwendigeres Einstellverfahren, wie es z. B. in "Active adaptive sound control in a duct: A computer simulation" von J. C. Burgess, J. Acoust. Soc. Amer., vol. 70, no. 3, 1981, S. 715-726, für ein ähnliches Problem vorgeschlagen wird.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zur akustischen Kompensation des Umgebungsgeräusches bei Kopfhörerempfang, bei der mittels eines Referenzmikrophons (RM) das Umgebungsgeräusch (n(t)) aufgenommen wird, bei der das Referenzmikrophon (RM) mit einem Störkompensationsfilter (H _x ) verbunden ist und bei der zur Rückkopplung des Referenzmikrophonsignals (r ₁ (t)) ein Lautsprecher (L) vorgesehen ist, welcher das negierte Filterausgangssignal dem Nutzsignal (s(t)) überlagert, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmikrophon (RM) innerhalb des Kopfhörers (K) angeordnet ist und daß das Referenzmikrophon (RM) und ein Kompensationsfilter (H _y ) mit dem Störkompensationsfilter (H _x ) in Verbindung stehen, wodurch der vom Lautsprecher (L) herrührende Signalanteil im Rückkopplungspfad kompensiert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kompensationsfilter (Hy) das Lautsprechereingangssignal zugeführt wird und daß das gefilterte und negierte Lautsprechereingangssignal dem Referenzmikrophonsignal (r ₁ (t)) überlagert wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filterkoeffizienten der Filter (H _x , H _y ) adaptiv einstellbar sind und daß die Ein­ stellung der Filterkoeffizienten des Störkompensations­ filters (H _x ) bei kleinem bzw. verschwindendem Nutzsignal (s(t)) und die Einstellung der Filterkoeffizienten des Kompensationsfilters (H _y) bei kleinem bzw. verschwinden­ dem Umgebungsgeräusch (n(t)) erfolgt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweites Störkompensationsfilter ( _x ) mit dem Referenzmikrophon (RM) in Verbindung steht, daß am Eingang des Kompensationsfilters (H _y ) das Nutzsignal (s(t)) anliegt und daß das negierte Filterausgangssignal des Kompensationsfilters (H _y ) und das Mikrophonsignal (r ₁ (t)) dem zweiten Störkompensationsfilter ( _x) zugeführt werden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkoeffizienten der Filter ( _x , H _y ) adaptiv einstellbar sind und daß die Einstellung fortlaufend erfolgt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Referenzmikrophon (RM 2) außerhalb des Kopfhörers (K) angeordnet ist, daß das zweite Referenzmikrophon (RM 2) mit einem dritten Stör­ kompensationsfilter (H _z ) verbunden ist und daß das negierte Filterausgangssignal dem Nutzsignal (s(t)) über­ lagert wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Störkompensationsfilter ( _x ) zwei Filter (H, _y ) enthält, daß das erste Filter (H) im Vorwärtszweig und das zweite Filter ( _y ) im Rückkopplungszweig des zweiten Störkompensationsfilters ( _x ) angeordnet ist, und daß die Filterkoeffizienten des zweiten Filters ( _y ) Kopien der Filterkoeffizienten des Kompensationsfilters (H _y ) sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und dritte Stör­ kompensationsfilter (H _x , H _z ), die beiden Filter (H, _y ) und das Kompensationsfilter (H _y ) als Transversalfilter ausgeführt sind und daß die Filterkoeffizienten adaptiv einstellbar sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filterkoeffizienten des Kompensationsfilters (H _y ) nach einem stochastischem Gradienten-Algorithmus einstellbar sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß weitere Referenzmikrophone außerhalb des Kopfhörers (K) angeordnet sind, wobei jedes dieser Referenzmikrophone mit jeweils einem weiteren Störkompen­ sationsfilter verbunden ist, dessen negiertes Filteraus­ gangssignal vom Nutzsignal (s(t)) überlagert wird.