前馈不稳定性的实时检测的制作方法

背景技术：
：：音频耳机、耳机、头戴式耳机系统和其他个人音频设备在各种环境中用于诸如娱乐、通信和专业应用等目的。许多系统结合了主动降噪(anr)特征，也称为主动除噪(anc)，其中一个或多个麦克风检测声音，该声音诸如由前馈麦克风捕获的外部声音或由反馈麦克风捕获的内部声音。在一些示例中，来自前馈麦克风的信号可被处理以提供用于馈送到声换能器(例如，扬声器、驱动器)来抵消噪声的抗噪声信号，并且还可被处理以增强声音，例如，改善用户对他/她的周围环境的意识，大体上改善听力，或者改善原本可能难以被用户听到的声音。前馈麦克风有时可拾取由驱动器产生的声学信号，从而形成有时可能变得不稳定的闭环系统。类似地，当麦克风拾取由扬声器产生的声学信号时，从麦克风向扬声器提供放大的信号的各种音频系统(诸如公共广播系统和工作室录制或表演场地音频系统)可能表现出不稳定性。尽管这通常可被称为“反馈”，尤其是来自这种情况的特征“啸声”通常被称为“反馈”，但这是由非预期或非期望的反馈回路(例如，从扬声器或驱动器反馈回麦克风的信号)引起的前馈不稳定性的问题。因此，在各种情况下，希望检测何时存在前馈不稳定性状况。技术实现要素：各方面和示例涉及检测前馈信号路径中的不稳定性的音频系统和方法。该系统和方法操作以检测可能的不稳定性(例如，通过检测音调特征)，并且当被检测到时，调节前馈信号路径(例如，从前馈麦克风到驱动器信号)的相位响应，例如以改变该不稳定性。如果不稳定性检测(例如，音调特征)对经调节的相位响应做出响应，则这可指示或确认前馈不稳定性存在。根据一个方面，提供了一种音频设备，该音频设备包括：麦克风，该麦克风用于提供第一信号；处理器，该处理器包括滤波器，该处理器被配置为接收该第一信号并提供第二信号，该第二信号至少部分地基于使用该滤波器处理该第一信号；以及声换能器，该声换能器用于至少部分地基于该第二信号将第三信号转换成声学信号，其中该处理器还被配置为检测该第一信号、该第二信号或该第三信号中的任一者的不稳定性指示，并且响应于检测到该不稳定性指示来调节该过滤器的相位响应。在一些示例中，处理器被进一步配置为通过监测由调节滤波器的相位响应引起的不稳定性指示的变化来确认不稳定性。在某些示例中，处理器还响应于确认不稳定性而调节提供第二信号所涉及的一个或多个参数，以减轻不稳定性的影响。根据各种示例，处理器被配置为通过检测第一信号、第二信号或第三信号中的任一者中的音调特征来检测不稳定性指示。处理器还可被配置为确定音调特征是否响应于调节滤波器的相位响应而改变，并且在确定该音调特征响应于调节该滤波器的相位响应而改变时确认不稳定性。在某些示例中，该音调特征的变化是音调特征的幅度或者音调特征的幅度的上升速率或下降速率中的至少一者的变化。在各种示例中，音调特征包括预先确定的频率范围内的分量。在一些示例中，预先确定的频率范围大体上介于1khz和6khz之间。在另外的示例中，预先确定的频率范围可大体上介于3khz和6khz之间。根据另一方面，提供了一种检测音频设备中的前馈不稳定性的方法。该方法包括：监测前馈信号路径中的潜在不稳定性；响应于检测到该前馈信号路径中的潜在不稳定性，调节该前馈信号路径的相位响应；监测该潜在不稳定性的变化，该变化由经调节的相位响应引起；以及基于所检测到的潜在不稳定性的变化来确认前馈不稳定性存在。在一些示例中，调节相位响应包括使相位响应中的拐点移位。在各种示例中，监测潜在不稳定性包括监测音调特征。在一些示例中，监测潜在不稳定性的变化包括监测音调特征的振幅或者该音调特征的振幅的上升速率或下降速率中的至少一者的变化。音调特征可以包括预先确定的频率范围内的分量，并且在一些示例中，该预先确定的频率范围大体上介于1khz和6khz之间。在另外的示例中，预先确定的频率范围可大体上介于3khz和6khz之间。某些示例包括响应于确认存在该前馈不稳定性，调节该前馈信号路径的一个或多个参数。根据另一方面，提供了一种耳机系统，该耳机系统包括：听筒，该听筒具有前馈麦克风，该前馈麦克风被配置为检测外部声学信号并提供前馈信号；前馈处理器，该前馈处理器用于处理该前馈信号以提供前馈驱动器分量信号；声换能器，该声换能器基于驱动器信号产生声学信号，该驱动器信号至少部分地基于该前馈驱动器分量信号；不稳定性检测器，该不稳定性检测器被配置为监测指示该声换能器和该前馈麦克风之间的不稳定闭环的信号；以及相位调节器，该相位调节器被配置为响应于检测到指示该声换能器和该前馈麦克风之间的不稳定闭环的该信号来调节与该前馈处理器相关联的传递函数的相位。在一些示例中，前馈处理器被配置为将传递函数应用于前馈信号。根据各种示例，不稳定性检测器被配置为监测指示该声换能器和该前馈麦克风之间的不稳定闭环的音调特征。在某些示例中，不稳定性检测器可被进一步配置为监测该音调特征响应于传递函数的经调节相位的变化，并且基于确定该音调特征响应于经调节相位而改变来确认该不稳定闭环。在一些示例中，该音调特征的变化是音调特征的幅度或者该音调特征的幅度的上升速率或下降速率中的至少一者的变化。在某些示例中，前馈处理器被进一步配置为响应于对不稳定闭环的确认，调节前馈处理的参数以减轻不稳定闭环。以下仍然详细讨论了这些示例性方面和示例的其他方面、示例和优点。本文所公开的示例可以与本文所公开的至少一个原理一致的任何方式与其他示例组合，并且对“示例”、“一些示例”、“另选的示例”、“各种示例”、“一个示例”等的引用不一定互相排斥，并且旨在指示所述的特定特征、结构或特性可包括在至少一个示例中。本文中此类术语的出现未必全都指代相同的示例。附图说明下面参考附图讨论至少一个示例的各个方面，这些附图并非旨在按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和示例的例证和进一步理解，并且附图并入本说明书且构成本说明书的一部分，但并非旨在作为本发明的限制的定义。在附图中，在各个附图中示出的相同或几乎相同的部件可以相同或类似的数字表示。为清楚起见，并不是在每个图中给每个部件都注上标记。在附图中：图1为一个示例性头戴式耳机形状因数的透视图；图2为另一示例性头戴式耳机形状因数的透视图；图3为可结合到各种音频系统中的示例性音频处理的示意性框图；图4为结合有前馈部件和反馈部件的示例性音频系统的示意图；图5为用于不稳定性检测和确认的示例性系统的示意图；并且图6为用于相位调节的示例性滤波器响应的示意图。具体实施方式本公开的各方面涉及包括前馈信号处理的音频系统(诸如声音增强和/或噪声消除耳机或头戴式耳机)，以及检测前馈系统中的不稳定性的方法。噪声消除系统用以减少用户(例如，头戴式耳机的佩戴者)听到的声学噪声分量。噪声消除系统可包括前馈和/或反馈特性。前馈部件检测头戴式耳机外部的噪声(例如，经由外部麦克风)，并且用于提供抗噪声信号以抵消预期传输到用户耳朵的外部噪声。反馈部件检测到达用户耳朵的声学信号(例如，经由内部麦克风)，并且处理检测到的信号以抵消不旨在作为用户的声学体验的一部分的任何信号分量。本文所公开的示例可通过有线或无线装置耦接到其他系统或被设置成与其他系统连接，或者可独立于任何其他系统或设备。在一些示例中，本文所公开的系统和方法可包括航空头戴式耳机、电话头戴式耳机、媒体耳机、网络游戏耳机、助听器耳机、助听器或这些或其他的任何组合，或者在它们中操作。在整个本公开中，术语“头戴式耳机”、“耳机”、“耳塞”和“耳机组”可互换使用，并且除非上下文另外明确指明，否则使用一个术语代替另一个术语并非意在作出区分。另外，根据本文所公开的各方面和示例适用于各种形状因数，诸如入耳式换能器或耳塞以及帖耳式或耳罩式耳机等。因此，如本文所用，术语“头戴式耳机”、“耳机”和“耳机组”设想了任何合适的形状因数。本文所公开的示例可以与本文所公开的至少一个原理一致的任何方式与其他示例组合，并且对“示例”、“一些示例”、“另选的示例”、“各种示例”、“一个示例”等的引用不一定互相排斥，并且旨在指示所述的特定特征、结构或特性可包括在至少一个示例中。本文中此类术语的出现未必全都指代相同的示例。应当理解，本文讨论的方法和装置的示例不限于应用到以下描述中列出的或附图中示出的构造细节和部件布置。这些方法和装置能够在其他示例中实施，并且能够以各种方式操作或执行。本文提供的具体实施的示例仅出于进行示意性的目的，并非旨在进行限制。此外，本文所用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。本文使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型形式旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。对“或”的引用可以被理解为是包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示所述术语中的单个、多于一个和全部中的任何一种。对前和后、左和右、顶部和底部、上部和下部以及垂直和水平的任何引用是为了便于描述，而不是为了将本系统和方法或它们的部件限制成任何一个位置或空间取向。对于本文所述的各种部件，附图标号中“a”或“b”的指定可用于指示一个或多个部件的“右”或“左”型式。当不包括此类指定时，描述不考虑左侧或右侧，并且同样地适用于左侧或右侧中的任一者，这通常是本文所述的各种示例的情况。另外，本文所述的各方面和示例同样适用于单耳或单侧个人声学设备，并且不一定需要左右侧两者。图1和图2示出了两个示例性头戴式耳机100a、100b。每个头戴式耳机100包括由用户佩戴的支撑结构106(例如，头带、颈带等)互耦接的右听筒110a和左听筒110b。在一些示例中，两个听筒110可以彼此独立，而不是通过支撑结构互耦接。每个听筒110可包括一个或多个麦克风，诸如前馈麦克风120和/或反馈麦克风140。前馈麦克风120可被配置为在听筒110被正确佩戴时感测该听筒外部的声学信号，例如被配置为在周围环境中的声学信号到达用户耳部之前对其进行检测。反馈麦克风140可被配置为在听筒110被正确佩戴时感测由用户耳部形成的声学体积内部的声学信号，例如被配置为检测到达用户耳部的声学信号。每个听筒还包括驱动器130，该驱动器是用于将例如电信号转换成用户可听到的声学信号的声换能器。在各种示例中，可将一个或多个驱动器包括在听筒中，并且在一些情况下，听筒可仅包括前馈麦克风或仅包括反馈麦克风。虽然附图标记120和140用来指代一个或多个麦克风，但在一些示例中，附图中所示的该视觉元素可表示声孔，声学信号从其进入以最终到达可能位于内部且在物理上从外部不可见的此类麦克风。在示例中，麦克风120、140中的一个或多个麦克风可紧邻声学端口的内部或者可从声学端口移开一定距离，并且可包括声学端口与相关联的麦克风之间的声波导。图3中示出了处理单元310的示例，该处理单元可物理地容纳在头戴式耳机100之上或之内的某个位置处。处理单元310可包括处理器312、音频接口314和电池316。在各种示例中，处理单元310可耦接到一个或多个前馈麦克风120、驱动器130和/或反馈麦克风140。在各种示例中，接口314可以是用于接收音频信号(诸如回放音频信号或程序内容信号)的有线或无线接口，并且可包括另外的接口功能，诸如用于接收用户输入和/或配置选项的用户界面。在各种示例中，电池316可以是可替换的和/或可再充电的。在各种示例中，处理单元310可经由不同于电池316或除电池316之外的装置供电，诸如通过有线电源等。在一些示例中，系统可以不包括用于接收回放信号的接口314。图4示出了无论是针对降噪还是针对增强声音而处理麦克风信号以向用户的耳部提供声音的系统和方法。图4给出了突出此类音频系统的特征的简化示意图。完整系统的各种示例可包括放大器、模数转换(adc)、数模转换(dac)、均衡、子频带分离与合成以及其他信号处理等。在一些示例中，回放信号410，p(t)可被接收以由驱动器130呈现为声学信号。前馈麦克风120可提供前馈信号122，该前馈信号由具有前馈传递函数126，kff的前馈处理器124处理以产生前馈驱动器分量信号128，该前馈驱动器分量信号可为抗噪声信号或可为增强的声音信号，或两者的组合。反馈麦克风140可提供反馈信号142，该反馈信号由具有反馈传递函数146，kfb的反馈处理器144处理以产生反馈抗噪声信号148。在各种示例中，回放信号410、前馈驱动器分量信号128和/或反馈抗噪声信号148中的任一者可以例如通过组合器420组合，以生成要提供给驱动器130的驱动器信号132，d(t)。在各种示例中，回放信号410、前馈驱动器分量信号128和/或反馈抗噪声信号148中的任一者可被省略，并且/或者支持这些信号中的任一者所需的部件可能未包括在系统的特定实施方式中。本文所述的各种示例包括前馈音频系统，例如前馈麦克风120和前馈处理器124，例如以提供前馈驱动器分量信号128以包括在驱动器信号132中。前馈麦克风120可被配置为在外部声音到达包括用户耳部的声学体积之前对该外部声音进行检测。然而，前馈麦克风120也可检测由驱动器130产生的声学信号136，使得存在闭环。例如，在头戴式耳机100以高音量播放时、在头戴式耳机100未被佩戴(例如，离开头部、减小驱动器130和前馈麦克风120之间的物理隔离)时，或者在有目的地处理前馈信号122以增强或改善外部声音而不是减少外部声音(例如，放大以通过听筒听取)时，或者在各种其他条件下，前馈麦克风120可拾取声学信号136。因此，在各种示例中和/或在各种时间，前馈信号路径可包括反馈回路(例如，闭合前馈回路)，该反馈回路例如从驱动器信号132通过驱动器130，产生声学信号136，该声学信号可到达前馈麦克风120并由该前馈麦克风拾取，并且通过前馈传递函数126，kff处理以被包括回到驱动器信号132中。因此，前馈信号122的至少一些分量可由声学信号136形成。换句话说，前馈信号122可包括与驱动器信号132相关的分量。如果闭环表现出不稳定性，则这可能导致驱动器信号132的至少一个频率分量的振幅逐渐增大。这可以被用户感知为听觉伪影，诸如音调或啸声，并且可以在驱动器130能够产生的最大振幅处达到极限，可能是极其大声的。因此，当存在这种状况时，前馈系统可被描述为不稳定的。图4所示的电气和物理系统表现出传递函数134，g，该传递函数表征驱动器信号132一直到前馈信号122的传递。换句话讲，前馈信号122对驱动器信号132的响应通过传递函数134，g来表征。因此，前馈降噪回路的系统通过组合传递函数gkff来表征。如果对于一个或多个频率，gkff＝1，则前馈降噪系统可能是不稳定的。在各种示例中，传递函数134，g通常很小(例如，g<<1)，但(如上所述)各种情况可导致传递函数134，g大于典型值，并且在各种情况或用户配置下，前馈传递函数126，kff可大于典型值(例如，kff>>1)(诸如当头戴式耳机用于放大一些外部声音时)，上述中的任一者均可在一个或多个频率下产生不稳定性。在各种示例中，前馈不稳定性可通过各种方式来检测。在至少一个示例中，处理系统可监测前馈信号122、前馈驱动器分量信号128、驱动器信号132和/或用于音调特征的其他信号中的任一者。例如，不稳定性可导致一个或多个音调升高(在振幅上，在信号能量上)到超过任何上述信号的各种分量的预期、平均或基本水平，并且升高的音调可通过各种方式来检测。在各种示例中，音调特征可以落在1khz至8khz的范围内、或3khz至6khz的范围内、或其他范围内，并且可以取决于系统的大小和规模(例如，耳罩式耳机与入耳式耳机)。检测到不稳定性的音调特征(诸如升高音调)的进一步细节包括在标题为“mitigationofunstableconditionsinanactivenoisecontrolsystem”的美国专利9,922,636中，该专利全文以引用方式并入本文以用于所有目的。各种示例可使用此类不稳定性检测或其他不稳定性检测，并且还可使用根据本文所述的各方面和示例的系统和方法来确认不稳定性检测是正确的而非误报的(例如，在不稳定性并非实际存在的情况下检测不稳定性)。本文所述的各方面和示例例如通过相位变化来调节前馈信号路径，这可确认不稳定性检测。例如，如果尽管调整了前馈信号路径，但不稳定性的音调特征仍保持不变，则音调特征可能是由于外部声音而不是不稳定性引起的。如果音调特征对经调整的前馈信号路径做出响应，则音调特征可能是由于不稳定性引起的，并且这可能是确认不稳定性检测的基础。因此，在各种示例中，检测不稳定性的系统或方法可在信号路径中使用各种经调节相位响应中的一者或多者(根据本文所述的那些)，并且可能要求检测系统或方法对经调节的相位响应做出反应(例如，由于调节了相位响应而移动得更靠近或更远离稳定性)以确认检测，从而减少误报。图5示出了示例性系统500，其包括用于检测前馈不稳定性的迹象的检测器510，该检测器可以是诸如如上所述的音调特征的检测等各种类型的检测中的任一种。在某些示例中，如果检测器510检测到不稳定性，则相位调节器520可调节前馈信号路径的相位响应，从而改变驱动器分量信号128。在各种示例中，相位调节器520可以是具有相位响应的全通滤波器(例如，所有感兴趣的频率下的单位增益)，该相位响应使得相位变化的各种频率从滤波器出现。在其他示例中，相位调节器520可以是添加了延迟的延迟块，从而有效地相移所有频率。例如，延迟块可提供数十或数百微秒的延迟，诸如125微秒或250微秒。例如，125微秒延迟可导致1khz下45°的相移、2khz下90°的相移以及4khz下180°的相移等。在其他示例中，可将相位调节器520结合在前馈处理器124中，例如，通过在前馈传递函数126之前或之后添加相位调节器520和/或通过响应于检测器510指示所检测到的不稳定性而改变前馈传递函数126。在各种示例中，可以在前馈信号路径的各种位置中的任一位置处提供相移(例如，通过相位调节器520)，诸如在组合器420之后(例如，作用于驱动器信号132)。调节前馈信号路径的相位响应(例如，通过相位调节器520)可改变或改变前馈信号路径中的不稳定性，从而改变所检测到的不稳定性的指示。因此，相位调节器520可有利地应用于确认不稳定性检测。例如，检测器510可监测不稳定性的各种征兆(指示标识)(例如，音调特征)，并且当被检测到时，相位调节器520可被激活以调节前馈信号路径的相位响应。如果不稳定性的征兆对经调节的相位响应做出响应，诸如通过音调特征增大或减小(例如，在幅度或频率上)，或者音调特征的变化率增大或减小，则这可确认不稳定性存在并且不是误报。在误报的示例性情况下，外部声音可以触发检测器510以指示潜在的不稳定性，并且这可能是误报，而调节前馈信号路径的相位响应(例如，通过相位调节器520)并不改变外部声源。因此，由检测器510检测到的征兆(外部声音)响应于相位调节而保持不变，从而检测器510(或其他处理)可确定检测到的征兆是误报的不稳定性指示，并且不存在实际的不稳定性。虽然图5和以上描述涉及在前馈信号路径中进行相位调节以确认前馈不稳定性的检测，但是相位调节也可同样以类似的方式置于反馈信号路径中以检测(或确认)反馈降噪系统的不稳定性。图6示出了相位调节器520的示例性响应600(例如，传递函数)。幅度响应610为统一值(增益＝1.0x，0db)，并且相位响应620通过各种相移来调整频率范围。在一些示例中，相位调节器520可被配置为使得相位响应620仅使一定频率范围(诸如其中可预期不稳定性的音调特征的频率范围)的相位移动。相位响应620仅为相位调节器520的合适相位响应的一个示例。在各种示例中，相位调节器520可以将一定频率范围的相位移动固定量(例如，相位响应620可以是非零相位值的直水平线)，或者可以将所有频率的定时移位固定延迟(例如，相位响应620可以是没有曲率的直倾斜线)，或者可以各种其他方式改变相位响应。在一些示例中，相位调节器520可被实现为前馈传递函数126的修改，该前馈传递函数本身具有基线相位响应。因此，相位调节器520可被实现为前馈传递函数126的基线相位响应的改变。例如，前馈传递函数126可具有类似于图6所示的相位响应(出于例示性目的)，并且可通过改变前馈传递函数126的相位响应(诸如通过移位拐点)或前馈传递函数126的相位响应的其他改变来应用相位调节。在一些示例中，来自检测器510的指示可以作为命令应用于前馈处理器124，以对前馈传递函数126的相位响应进行此类移位或改变。当检测器510指示检测到潜在的前馈不稳定性并且通过对相位调节器520进行响应来确认时，根据本文的各方面和示例的各种系统和方法可响应于不稳定性而采取不同的措施，例如，以减轻或消除不稳定性和/或不稳定性的不期望后果。例如，根据本文所述的音频系统可改变或替换前馈传递函数126，改变前馈控制器或前馈处理器124，更改为不太激进的前馈增益形式或其他处理，将前馈系统的各种参数改变为不太激进，改变驱动器信号(例如，减弱驱动器信号132的声音、减小或限制驱动器信号132)，向用户提供指示标识(例如，听觉或视觉消息、指示灯等)和/或其他措施。上述各方面和示例为包括前馈降噪的个人音频设备提供了多个潜在益处。前馈控制的稳定性标准可在控制器设计阶段由工程师来定义，并且各种考虑因素假设在系统的寿命期间(系统特性的)变化范围有限。例如，驱动器输出和麦克风灵敏度可随时间变化，并且有助于驱动器和前馈麦克风之间的电声传递函数。进一步的可变性可能影响设计标准，诸如生产变化、头对头变化、用户处理的变化以及环境因素。任何此类变化都可能导致违反稳定性限制，并且设计者通常必须采取保守的方法进行前馈系统设计，以确保避免不稳定性。此类不稳定性可导致降噪系统添加不期望的信号分量而不是减少它们，因此常规设计实践可采用高度保守的方法来避免发生可能给系统性能带来严重代价的不稳定性。然而，如本文所述，检测前馈不稳定性的各方面和示例允许采取纠正措施以在此类状况发生时消除不稳定性，从而允许系统设计者设计在更接近不稳定性边界的条件下操作的系统，并且因此在更宽的前馈带宽上实现改进的性能。本文的各方面和示例允许可靠地检测是否越过或何时越过不稳定性边界。常规系统需要被设计成避免不稳定性，但根据本文所述的各方面和示例的不稳定性检测允许前馈控制器或处理器被设计成具有宽松的约束，并且得到改进的性能。因此，本文的系统和方法可使带宽范围加大到两倍以上，在该带宽范围内由前馈处理器进行的降噪可能有效的。应当理解，本文所述的系统和方法的任何功能均可在数字信号处理器(dsp)、微处理器、逻辑控制器、逻辑电路等或这些部件的任何组合中实施或执行，并且可包括相对于任何特定实施方式的模拟电路部件和/或其他部件。本文所公开的功能和部件可在数字域中操作，并且某些示例包括由麦克风生成的模拟信号的模数(adc)转换，即便各个附图中没有adc的图示。此类adc功能可结合到信号处理器中或以其他方式在信号处理器内部。任何合适的硬件和/或软件(包括固件等)可被配置为实施或实现本文所公开的各方面和示例的部件，并且各方面和示例的各种实施方式可包括除所公开的那些之外的部件和/或功能。已经在上文描述了至少一个示例的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。此类改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。因此，上述说明书和附图仅是示例性的，并且本发明的范围应由所附权利要求书的适当构造及其等同内容来确定。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3 

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