提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法及有源降噪耳机 |
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| 申请号 | CN201510489141.9 | 申请日 | 2015-08-11 | 公开(公告)号 | CN105049979A | 公开(公告)日 | 2015-11-11 |
| 申请人 | 青岛歌尔声学科技有限公司; | 发明人 | 华洋; 李鹏; 王若蕙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种提高反馈型有源降噪 耳 机降噪量的方法和有源降噪耳机。所述提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法包括：将反馈型有源降噪耳机的降噪麦克 风 设置在偏离扬声器正前方的 位置 ；调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置，使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系，以增大耳道口处的实际降噪量。将所述方法应用于贴耳式反馈型有源降噪耳机，能克服在喇叭正前方安装降噪麦克风造成的增加贴耳式耳机的厚度或造成佩戴不舒适的问题。将所述方法应用于 耳罩 式反馈型有源降噪耳机，能克服 现有技术 为避免啸叫而在喇叭和佩戴者耳道口之间使用较厚的填充物或衰减 电路 增益，从而严重减小佩戴者耳道口处的降噪量问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法，其特征在于，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法及有源降噪耳机技术领域[0001] 本发明涉及有源主动降噪耳机领域，特别涉及一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法及有源降噪耳机。 背景技术[0002] 贴耳式耳机的开环传递函数稳定性差，做反馈降噪设计时，要考虑到全情况下的稳定性问题，为了保证稳定性，不得不牺牲耳机的降噪量；并且贴耳式耳机有别于耳罩式耳机的一个显著特点是体积小巧，在喇叭正前方安装降噪麦克风会增加贴耳式耳机的厚度或造成佩戴不舒适；综上贴耳式反馈降噪耳机目前还没有广泛应用推广。 [0003] 耳罩式反馈型有源降噪耳机通常体态较大，设计上优先考虑密封，其耳罩不透气，佩戴后会形成一个较刚性的腔体，刚性腔体内强烈的声波反射会造成反馈有源降噪耳机的啸叫。为了吸收和减小腔体内的声波反射，通常会采用较厚的羊毛毡或压缩海绵进行内填充，该填充物分布在喇叭和佩戴者耳道口之间，起到保护喇叭和降噪麦克风以及减小墙体内反射的作用，但是同时也严重减小了佩戴者耳道口处的降噪量。 发明内容[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法及有源降噪耳机。 [0005] 依据本发明的一个方面，本发明提供了一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法，该方法包括: [0006] 将反馈型有源降噪耳机的降噪麦克风设置在偏离扬声器正前方的位置； [0007] 调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置，使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系，以增大耳道口处的实际降噪量。 [0008] 其中，所述使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系包括： [0009] 将开环传递函数相对量B在其Nyquist图中落在圆|B+1|＝1内侧，其中B为耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)的差。 [0010] 其中，所述方法还包括：设计所述耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)，在所述L1(s0)和所述L2(s0)的相位为圆周率π的偶数倍时，所述L1(s0)和所述L2(s0)的幅度均小于1。 [0011] 其中，在所述方法应用于贴耳式反馈型有源降噪耳机时，将所述降噪麦克风设置在贴耳式反馈型有源降噪耳机的耳罩下面，所述扬声器正对佩戴者耳道口。 [0012] 其中，在所述方法应用于耳罩式反馈型有源降噪耳机时，所述降噪麦克风设置在耳罩式反馈型有源降噪耳机的阻尼垫下面，所述扬声器正对佩戴者耳道口且之间无阻尼垫。 [0013] 其中，所述阻尼垫采用羊毛毡或压缩海绵内填充耳罩形成。 [0014] 依据本发明的另一方面，本发明提供了一种贴耳式反馈型有源降噪耳机，所述贴耳式反馈型有源降噪耳机的降噪麦克风设置在偏离扬声器正前方的耳罩下面，所述扬声器正对佩戴者耳道口； [0015] 佩戴时调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置，使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系，以增大耳道口处的实际降噪量。 [0016] 其中，所述耳道口处的开环传递函数L2(s0)和所述降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)，在相位为圆周率π的偶数倍时，所述L1(s0)和所述L2(s0)的幅度均小于1。 [0017] 依据本发明的又一方面，本发明提供了一种耳罩式反馈型有源降噪耳机，所述耳罩式反馈型有源降噪耳机的降噪麦克风设置在偏离扬声器正前方的阻尼垫下面，所述扬声器正对佩戴者耳道口且之间无阻尼垫； [0018] 佩戴时调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置，使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系，以增大耳道口处的实际降噪量。 [0019] 其中，所述耳道口处的开环传递函数L2(s0)和所述降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)，在相位为圆周率π的偶数倍时，所述L1(s0)和所述L2(s0)的幅度均小于1。 [0020] 本发明提供的一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法，可以有效地提高贴耳式有源降噪耳机的降噪量和稳定性，解决在喇叭正前方安装降噪麦克风会增加厚度或造成佩戴不舒适的问题。也可以使耳罩式反馈型有源降噪耳机在维持反馈系统闭环稳定性的基础上，有效提高佩戴者耳道处的降噪量。附图说明 [0022] 图2为本发明实施例中耳道口处和降噪麦克风处的模拟ANR框图； [0023] 图3为本发明实施例中开环传递函数相对量B的Nyquist图； [0024] 图4为本发明实施例提供的一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法流程图； [0025] 图5为本发明实施例提供的贴耳式反馈型有源降噪耳机方案示意图； [0026] 图6为本发明实施例提供的一种贴耳式降噪耳机的降噪量测试结果； [0027] 图7为传统耳罩式反馈型有源降噪耳机方案示意图； [0028] 图8为本发明实施例提供的耳罩式反馈型有源降噪耳机方案示意图。 具体实施方式[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 [0030] 首先分析一下模拟有源降噪耳机反馈系统的降噪原理： [0031] 图1为本发明实施例中ANR(Active Noise Reduction，有源降噪)系统框图。如图1所示，G(s)为喇叭到降噪麦克风之间的传递函数，H(s)为控制电路，d(t)为外界噪声信号，e(t)为降噪麦克风拾取到的误差信号。 [0032] 定义误差信号e(t)到外界噪声d(t)之间的传递函数为系统灵敏度函数S：可见误差信号E越小降噪效果越好。在S小于1的频带噪声得到降低， S大于1的频带噪声将增强；降噪效果(降噪频带和降噪量)取决于开环传递函数L(L＝GH)。 [0033] 模拟反馈系统开环传递函数L设计时要注意下面几点。 [0034] (1)从闭环系统稳定性考虑，不发生啸叫的临界条件是L的相位在圆周率π的偶数倍时，幅度小于1，实际上幅度和相位在设计过程中还必须留有足够的裕量。因此设计耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)时，在所述L1(s0)和所述L2(s0)的相位为圆周率π的偶数倍时，所述L1(s0)和所述L2(s0)的幅度均小于1。 [0035] (2)水床效应：噪声在某些频段降低就会在其他频带增强。 [0036] (3)过渡带：噪声由降低到增强的频率范围。 [0037] (4)另外，G(s)通道传播时延造成的相位衰减随频率升高而增加，减小了反馈系统的相位余量，增大了反馈系统高频段降噪难度。 [0038] 图2为本发明实施例中耳道口处和降噪麦克风处的模拟ANR框图。如图2所示，g1为喇叭到降噪麦克风之间空气的传递函数，降噪麦克风灵敏度M1、接收信号e1，g2为喇叭到人耳之间空气的传递函数，耳道口处灵敏度M2、接收信号e2，控制电路H，控制信号Y，喇叭频响R，假设耳罩内声场稳定为d。 [0039] 对于降噪麦克风，灵敏度函数： G1＝g1RM1 [0040] 而对于耳道口处，灵敏度函数为： G2＝g2RM1 [0041] 其中，Rg2M2为测量值，需要引入两个灵敏度函数的归一化因子k，[0042] G2＝g2RM2·k k＝M1/M2 [0043] 令L1＝HG1，L2＝HG2，B＝L2-L1，B为耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)的差。耳道口处灵敏度函数可写为S2＝S1*(1+B)，噪声残余量|e2|＝|e1|*|1+B|。耳道口处与降噪麦克风处降噪效果的差别就取决于B的值。 [0044] L2和L1相似的频段内，B的值接近0，|1+B|接近1，这时耳道口处和降噪麦克风处的降噪效果相近；当B位于圆|B+1|＝1外时，|e2|>|e1|耳道口处和降噪麦克风处相比，降噪效果变差；当B位于圆|B+1|＝1内时，|e2|<|e1|耳道口处和降噪麦克风处相比，降噪效果增强。 [0045] 图3为本发明实施例中开环传递函数相对量B的Nyquist图。如图3所示，图3(a)中，降噪麦克风处开环传递函数幅度最大为L1(s0)，对应相位在-180°，耳道口处开环函数值为L2(s0)，若控制信号传到降噪麦克风处的能量强于耳道口处，表现为|L2(s0)|<|L1(s0)|，那么不论L2(s0)的相位如何，B都会落在一四象限，此时|1+B|>1，耳道口处的降噪量总是比降噪麦克风处小；图3(b)中，当L2(s0)落在L1(s0)端点垂直线左侧时，B有可能落在圆|r+1|＝1内侧，只有落在圆内，即将开环传递函数相对量B在其Nyquist图中落在圆|B+1|＝1内侧，耳道口处降噪量和降噪麦克风处相比才增强，若B落到中心小圆内降噪量提升将会超过6dB。 [0046] 图4为本发明实施例提供的一种提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法流程图，如图4所示，所述方法包括： [0047] 步骤401，将反馈型有源降噪耳机的降噪麦克风设置在偏离扬声器正前方的位置； [0048] 步骤402，调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置，使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系，以增大耳道口处的实际降噪量。当调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置后，g1、g2、喇叭到佩戴者耳道口之间的阻尼大小以及M1、M2等参数也将随之调整，传递函数L1、L2会随着这些参数的调整而改变。 [0049] 其中，步骤402中所述使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系包括：将开环传递函数相对量B在其Nyquist图中落在圆|B+1|＝1内侧，其中B为耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)的差。 [0050] 此外，从闭环系统稳定性考虑，为避免啸叫发生，设计所述耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)，在所述L1(s0)和所述L2(s0)的相位为圆周率π的偶数倍时，所述L1(s0)和所述L2(s0)的幅度均小于1。 [0051] 因为贴耳式耳机佩戴稳定性差造成耳腔内声学路径稳定性差，这样由ANC电路板、SPK、耳腔内声学路径和MIC形成的整个闭环其回路增益不能设置过大，否则有啸叫的风险。正是因为此，常规ANC设计用于贴耳式耳机的降噪量小，该种类型的降噪耳机不常见。 [0052] 图5为本发明实施例提供的贴耳式反馈型有源降噪耳机方案示意图。如图5所示，本发明提供的贴耳式反馈型有源降噪耳机，其降噪麦克风设置在偏离扬声器正前方的耳罩下面，所述扬声器正对佩戴者耳道口，由于SPK的声音被耳套衰减了一部分，整个反馈回路的增益有所下降，有利于反馈回路的稳定性。 [0053] 佩戴时通过调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置，g1、g2、喇叭到佩戴者耳道口之间的阻尼大小以及M1、M2等参数也将随之调整，传递函数L1、L2会随着这些参数的调整而改变，使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系，以增大耳道口处的实际降噪量。设计所述耳道口处的开环传递函数L2(s0)和所述降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)，在相位为圆周率π的偶数倍时，所述L1(s0)和所述L2(s0)的幅度均小于1，从而避免啸叫发生，并实现耳道口处的实际使用的降噪量有所增加。 [0054] 图6本发明实施例提供的一种贴耳式降噪耳机的降噪量测试结果。如图6所示，下面降噪量较少的曲线是降噪麦克风处测试的降噪曲线，上面降噪量较多的曲线是佩戴者人耳处降噪曲线，可见佩戴者耳道口处实际使用的降噪量有3db的增加。 [0055] 图7为传统耳罩式反馈型有源降噪耳机方案示意图，图8为本发明实施例提供的耳罩式反馈型有源降噪耳机方案示意图。如图7、图8所示，本发明提供的耳罩式反馈型有源降噪耳机，与传统耳罩式反馈型有源降噪耳机相比，降噪麦克风设置在偏离扬声器正前方的阻尼垫下面，所述扬声器正对佩戴者耳道口且之间无阻尼垫。佩戴时通过调整降噪麦克风与佩戴者耳道口的相对位置后，g1、g2、喇叭到佩戴者耳道口之间的阻尼大小以及M1、M2等参数也将随之调整，传递函数L1、L2会随着这些参数的调整而改变，使得耳道口处的开环传递函数L2(s0)和降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)满足：|L2(s0)|＞|L1(s0)|的关系，以增大耳道口处的实际降噪量。 [0056] 设计所述耳道口处的开环传递函数L2(s0)和所述降噪麦克风处的开环传递函数L1(s0)，在相位为圆周率π的偶数倍时，所述L1(s0)和所述L2(s0)的幅度均小于1，既能保证闭环系统稳定性，又可避免啸叫发生。 [0057] 综上所述，本发明提供的提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法和有源降噪耳机，相对于现有技术的有益效果有： [0058] 1、本发明提供的提高反馈型有源降噪耳机降噪量的方法，通过调整降噪麦克风的位置和佩戴者耳道口的声音传递函数关系，提高反馈系统闭环稳定性且同时增强佩戴者耳道口的实际降噪量。 [0059] 2、本发明提供的贴耳式反馈型有源降噪耳机，克服了现有技术中在喇叭正前方安装降噪麦克风造成的增加贴耳式耳机的厚度或造成佩戴不舒适的问题。 [0060] 3、本发明提供的耳罩式反馈型有源降噪耳机，克服了现有技术为保证系统稳定性而在喇叭和佩戴者耳道口之间使用较厚的填充物或衰减电路增益，从而严重减小佩戴者耳道口处的降噪量问题。 |
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