用于主动式降噪的音频调校方法以及相关音频调校装置与流程

2021-01-28 15:01:42|

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本发明涉及一种音频调校方法以及相关装置，尤其涉及一种能够改善主动式降噪(activenoisecancellation，anc)耳机的降噪效果的方法以及相关装置。

背景技术：

使用耳机聆听音乐时，降噪功能是极为重要的环节，其中被动式降噪是通过耳机本身的材质或构造来稍微降低噪音最后传到人耳的音量，然而对于特定类型的声音(例如一些较不悦耳的声音或特定频率的声音)则没有太大的改善。相对于被动式降噪，主动式降噪效果比被动式降噪效果显著许多，也因此越来越多耳机产品采用主动式降噪的技术。

然而，在主动式降噪耳机的产品开发上，首要面临的难题即是需要精准调校的降噪程度，这需要一并考虑耳机结构、组件、耳塞/耳罩等材质对于环境噪音所造成的响应，这些响应也常被称为主路径响应(primarypathresponse)，现有技术的处理方式为考虑上述所有因素的影响，而所需的各种运算、测量也不可避免地需要昂贵的精密仪器(例如，音频分析仪(audioanalyzer))来实现。

技术实现要素：

考虑到上述精密仪器的高成本问题，本发明提出一种低成本、高降噪效果的方案，能够在无副作用或是仅有较低副作用的情况下解决现有技术所面临的问题。

本发明的一实施例提供了一种用于主动式降噪的音频调校方法，包含：播放频率为fk的单频声音；接收该单频声音，并且对该单频声音进行滤波，以产生m组滤波系数(filteringcoefficients)，其中该m组滤波系数中每一组滤波系数包含振幅以及相位的组合，且该m组滤波系数彼此为不同值；从该m组滤波系数中决定出一第m组滤波系数，使得对应频率fk的能量为最小；以及以该第m组滤波系数来对该单频声音进行调整，以得到对应频率fk的调整后单频声音。

本发明的一实施例提供了一种用于主动式降噪的音频调校装置，包含一外部音源、一耳机、一人工头装置以及一音频调校电路。该外部音源是用以播放频率为fk的单频声音；该人工头装置包含一音源接收器，用以接收该单频声音，其中该耳机放置于该人工头装置上；该音频调校电路用以耦接于该人工头装置，用以进行以下操作：接收该单频声音，并且对该单频声音进行滤波，以产生m组滤波系数，其中该m组滤波系数中每一组滤波系数包含振幅以及相位的组合，且该m组滤波系数彼此为不同值；从该m组滤波系数中决定出一第m组滤波系数，使得对应频率fk的能量为最小；以及以该第m组滤波系数来对该单频声音进行调整，以得到对应频率fk的调整后单频声音，以供该耳机进行播放。

综上所述，本发明的音频调校方法以及相关音频调校装置能够以容错率高且成本较低的方式来改善主动式降噪耳机的降噪效果。

附图说明

图1是根据本发明实施例的音频调校装置的示意图。

图2是根据本发明实施例的对耳机进行测试的方法的流程图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的权利要求范围并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在整篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」是一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在本文中是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

本发明提出一种包含前向反馈(feedforward)滤波器(filter)的主动降噪电路，其设计目的是让扬声器播放的声音尽可能没有来自周遭的噪音，并且可利用简单的滤波器(例如全通滤波器(all-passfilter，apf)，通过反复试验(trialanderror)多组不同频率的方式来取得最佳的降噪效果。前向反馈滤波器的设计上即是要仿照主路径响应，利用外部麦克风所收到的声音，经过滤波器运算产生反相的反噪音(anti-noise)，最后扬声器(speaker)播出减去反噪音后的声音来达到降噪的效果，本发明具体作法如下。

参见图1，图1是根据本发明实施例的音频调校装置100的示意图，如图1所示，音频调校装置100包含待测的耳机120、人工头装置190、音频调校电路130以及外部音源170。耳机120可以是有线或无线耳机(例如蓝牙耳机)，且包含耳罩120l、120r(若为耳道式耳机，此处“耳罩”宜作“耳塞”理解)；人工头装置190包含人工耳150l、150r以及耳内麦克风160；音频调校电路130包含主动式降噪(anc)电路132、测量电路134以及声卡136。声卡136与耳内麦克风160之间是通过音源线140来连接，而声卡136与音源170之间是通过音源线180来连接，且耳内麦克风160是作为收音用，用以模拟实际人耳听到声音的情境。应当注意，人工耳150l、150r是模拟人耳构造的结构，可适用于耳罩式耳机或耳道式(in-ear，或称入耳式)耳机进行调校。人工头装置190的形状可趋近于真实头型或单纯只是个柱状物，然而就耳罩式的耳机而言，耳机在进行测试时应实际跨过一个有隔音效果的物体；若是对入耳式(或耳道式)耳机进行测试，则不一定需要上述真实头型或柱状物，仅需能够模拟出两个耳道的装置来取代人工头装置190。相对于现有技术所采用的昂贵设备，外部音源170可用一般的喇叭来实际操作。此外，需注意的是，测量电路134、声卡136的效果可用软件工具(softwaretool)来实现，也就是说，本发明并不限定一定要设置硬件的测量电路、声卡，可以用计算机执行程序来达到同样目的。

在本实施例中，主动式降噪的响应是在耳机120组装完成的状态下、使用者常配戴的时候进行测量，但本发明不限于此。在测量的环境基础上需要使用到人工头190(或人工耳150l、150r)，其内部通过耳内麦克风160来收音。以上操作优选为在消声室(anechoicchamber)内进行，可进一步与外界隔音，以确保测量的准确性。本发明并不限定一次只能测量人工耳150l、150r中的一个，本发明也可同时对两者进行测量。此外，虽然以上举例中包含对左右耳的测试，本发明也可只对耳机做单边的测试，且本发明所述的方法可应用于单耳耳机。

主动式降噪电路132可为包含滤波功能的数字电路，可以让外部测量电路134通过控制接口来修改滤波系数，例如符合通用异步收发传输器(universalasynchronousreceiver/transmitter，uart)、集成电路总线(inter-integratedcircuit，i2c)或蓝牙(bluetooth，bt)规格的控制接口。声卡136可以是内置或是外接的，其可实现播音与录音的功能。其中，电路132可视为包含可以改变滤波系数的滤波器，而其滤波效果会因设定不同的滤波系数而有所不同。

请参考图2，图2是根据本发明实施例对耳机120进行测试的方法200的流程图。应当注意，如果可获得实质上相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图2所示的执行次序来执行。图2所示的方法可被图1所示的音频调校装置100所采用，并可简单归纳如下：

步骤202：开始。

步骤204：针对频率fk，播放单频声音(singletone)。

步骤206：针对频率fk产生m组滤波系数，其中每一组滤波系数hm[k]包含频率fk的不同振幅(音量大小)与相位的组合，m＝1～m(当未知响应的情况下，所产生的hm[k]的密度要够高，才不容易遗漏优选的系数)，其中此步骤可由主动式降噪电路132来进行。

步骤208：分别计算并且暂存对应这些滤波系数的对应频率fk的能量，以进行比较并从这些滤波系数中取得第m组滤波系数作为最佳系数，该最佳系数使对应频率fk的能量pm＝e(|ck*rm|²)为最小，其中rm为第m组系数所接收的声音信号，ck为针对fk的带通滤波(band-passfilter，bpf)参数，e为函数符号。

步骤210：检查是否所有系数都已计算完毕(也就是判断当前第m组系数是否已经是最后一组系数，也就是第m组系数)，如果是，进入步骤212；如果不是，回到步骤208。

步骤212：使用第m组滤波系数来作为对应频率fk的调整参数，其中第m组滤波系数所对应的振幅与相位即代表fk的频率响应。

步骤214：判断是否需要针对其他频率进行下一组测试，如果是，回到步骤204；如果不是，流程结束。

频率fk的范围可例如20hz～3khz(主动式降噪的主要范围)，但本发明不限于此。在步骤208中，函数符号e可代表取期望值，也就是声音信号rm信号经过带通滤波后的信号能量取平均(但本发明不限于此，可采用其他方法来取平均)。此外，可重复执行图2所示流程来计算各个频率所对应的降噪系数，由此可得到所有测试频率的最佳降噪响应，得到最佳降噪响应后，再由此决定主动式降噪电路的滤波系数。通过前述方法所估得的各频率前向反馈最佳降噪效果响应，可用来产生一组有降噪效果的滤波系数。产生滤波系数的方式有很多，举例来说，本发明可采用matlab的invfreqz、fitfrd等函式来产生系数，而这样的系数可以套用在各种具有相同功能的滤波电路的芯片(或是直接由数字信号处理(digitalsignalprocessing，dsp)来实现)，以实现降噪效果。另外，本发明并不限定步骤206产生多组系数的方式，可通过各种算法来实现，只是这些系数的大小及/或相位等应彼此不同，否则如果计算到重复的值在求解上没有实质的帮助。

关于流程步骤208描述的最佳系数，可将其理解为流程中针对待测频率fk所尝试过的多组滤波系数中效果最好的一组，但因为这组系数只是针对频率fk最好，对其他频率则不然，因此需记录第m组滤波系数所对应的振幅与相位来作为频率fk的频率响应。最后主动式降噪电路132要使用的主动式降噪系数是针对所有测得的频率响应而设计出来的一组系数，以尽可能在每个频率都逼近该频率的响应。举例来说，可针对频率fk之外的n个频率，分别取得能够使该n个频率的能量为最小的n个特定滤波系数，并且根据该n个特定滤波系数以及该第m组滤波系数所对应的频率响应来决定出一最终主动式降噪系数，以进行整体的音频调校，而此最终主动式降噪系数可保存于耳机的芯片中。

在一实施例中，本发明可在实验室(例如消声室)内实现，因此在取得耳机120系数后，音频调校电路130不需要设置在耳机120内；在另一实施例中，音频调校电路130可实际操作在耳机120内，搭配使用者的操作来进行个人调校，进而实现更多元化的应用。

对于耳机制造商而言，如何去设计滤波系数来搭配自家的耳机会是影响降噪效果的关键。现有技术在设计滤波系数时必须考虑耳机各个部件的材质、电路配置等，以及这些部件、电路组装之后对彼此的影响，一旦漏掉其中一个参数就无法得到理想的降噪效果，并且需要昂贵、精密的仪器来进行高精度的测量。通过上述本发明反复试验(trialanderror)的方式，可以只用简单的结构来实现理想的降噪效果，而不需要昂贵、精密的仪器。再者，本发明优于现有技术之处在于通过前向反馈的方式去模仿人耳实际听到的声音，再利用电路造出反向噪音，使得反向的声波能够抵消原来的噪音，在这样的过程中，耳机的构造、材质对最终播放声音的影响因素已经一并被消除，而现有技术在计算环境噪音之余还需额外计算耳机的结构、材质等参数，且对于这些参数的精度要求极高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

【符号说明】

100音频调校装置

120耳机

190人工头装置

130音频调校电路

170外部音源

120l、120r耳罩(耳塞)

150l、150r人工耳

160耳内麦克风

130音频调校电路

132主动式降噪电路