用于确定启用噪声消除的音频设备的响应函数的方法与流程

本公开涉及一种用于确定启用噪声消除的音频设备(例如，头戴式耳机)的响应函数的方法。

如今，包含耳塞式耳机在内的大量头戴式耳机配备了噪声消除技术。例如，这种噪声消除技术被称为主动噪声消除或环境噪声消除，两者缩写为anc。anc大体上利用记录的环境噪声，对该环境噪声进行处理以产生抗噪信号，然后将抗噪信号与有用的音频信号进行组合，以在耳机的扬声器上播放。anc也能够用于其他音频设备，例如手机或移动电话。

各种anc方法利用反馈(fb)麦克风、前馈(ff)麦克风或反馈和前馈麦克风的组合。

ff和fbanc是通过基于给定的系统声学来调谐滤波器而实现的。

已知几种方法来测量前馈环境噪声消除头戴式耳机中的声学和电气路径，并推导出用于环境噪声消除系统的理想滤波器。

木村(kimura)等人在us5138664中完整描述了一种用于推导滤波器的理想形状的标准方法。该方法包括：使用标准实验室仪器(例如频谱分析仪)测量如图1中所示的各个响应函数ae、am、de，然后组合响应以产生理想的anc滤波器形状。

专利gb2445984b中描述了木村的方法的改进，进一步公开了一种确定针对anc滤波器参数的值的滤波器设计工具。

现有技术方法的缺点在于它们需要访问头戴式耳机内部的测试点和刺激点来进行测量。当头戴式耳机完全组装好时，这些通常是无法访问的。当安装头戴式耳机的部件时，电声转移函数也会变化。例如，在封闭pcb时，通过头戴式耳机的声学路径变化。当安装电池时，头戴式耳机的外壳的质量也会发生变化，导致共振特性变化。尤其由于这些原因，现有技术的方法不太准确。

要实现的目的是提供一种改进的测量概念，以用于诸如头戴式耳机或手机之类的音频设备中的噪声消除，从而可以提高噪声降低性能。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中定义了改进的测量概念的实施例和改进。

改进的测量概念是基于对嵌入在表征头戴式耳机声学的现有方法中的系统误差的深刻理解。应当理解，除非对最终产品进行测量，否则测量是有缺陷的，这将导致性能下降。因此，根据改进的测量概念，能够在完全组装头戴式耳机或其他启用anc的音频设备时进行测量，而不改变设备的物理设计以容纳特殊的测试端口，从而消除了与装配相关的系统误差。除了头戴式耳机之外，该启用噪音消除的音频设备也可以是手机、移动电话或者类似的设备。

改进的测量概念的一个方面是了解如何能够以某种方式修改通过设备的电气系统的不同路径，该方式允许提取内部电声转移函数。

使用改进的测量概念，能够通过在不同条件下、从环境声源(例如环境喇叭)至位于测量夹具的耳道表现内的测试麦克风(例如耳道麦克风)的声学响应来执行所有的测量。这使得过程非常简单，并且不易出错。相比之下，传统的方法需要以至少两种不同的方式配置装置以进行三次测量。例如，测试麦克风位于耳道表示内的、对应于用户的耳膜的位置处。该点也能够称为鼓膜参考点drp。

改进的测量概念的另一个好处是，因为测量是用通过anc处理器的信号进行的，因此，所产生的模型转移函数自动包括与anc处理器相关的响应形状或延迟(例如输入和输出耦合、模数转换和数模转换)。

总之，所提出的方法简化了进行准确的声学响应测量的过程，并避免了测量误差会破坏结果。结果是，针对使用该方法开发的头戴式耳机或其他启用anc的音频设备，声学噪声消除性能将增加。

改进的测量概念能够解决两类人的测量问题：第一类，声学实验室中的头戴式耳机设计者将能够使用此方法创建更准确的滤波器。第二类，oem可能会在生产线上使用该方法作为质量控制过程的一部分，以选择针对每个附件进行优化的anc滤波器。这将有助于对制造过程中的声学响应的微小变化进行补偿。

在根据改进的测量概念的实施例中，用于确定启用噪声消除的音频设备(尤其是头戴式耳机)的响应函数的方法包括：将音频设备设置在测量夹具上，其中，音频设备的扬声器面向测量夹具的耳道表示。当以第一增益因子将所述音频设备的噪声处理器的参数设置到比例转移函数时，在环境声源与位于所述耳道表示内的测试麦克风之间测量第一响应函数。类似地，当以第二增益因子将噪声处理器的参数设置到比例转移函数时，在环境声源和测试麦克风之间测量第二响应函数，该第二增益因子不同于第一增益因子。基于所述第一响应函数、第二响应函数以及所述第一和第二增益因子确定用于所述噪声处理器的模型响应函数。

例如，模型响应函数是噪声处理器的滤波器的转移函数的理想表示，以实现最佳的噪声消除性能。因此，模型响应函数能够作为对噪声处理器的滤波器参数修整的基础，以尽可能地匹配模型响应函数。

因此，在各个实施例中，该方法还包括：基于模型响应函数确定噪声处理器的滤波器函数的参数。

在一些实施方式中，该方法还包括：基于第一和/或第二响应函数确定环境至耳朵响应函数，以及基于第一响应函数、第二响应函数以及第一增益因子和第二增益因子确定总处理器响应函数。模型响应函数根据环境至耳朵响应函数和总处理器响应函数确定。特别地，总处理器响应函数表示从环境声源到音频设备的麦克风以及从音频设备的扬声器到测试麦克风的组合转移函数。

表示为公式，其中ae是环境至耳朵响应函数，且am.de是总处理器响应函数，则模型响应函数f能够表示为

因此，可以根据以下公式确定模型响应函数f

其中，a1为第一增益因子，a2为第二增益因子，x为第一响应函数，且y为第二响应函数。

在一些实施方式中，当以第三增益因子将噪声处理器的参数设置到比例转移函数时，在环境声源和测试麦克风之间测量第三响应函数，该第三增益因子不同于第一增益因子和第二增益因子。在这种实施方式中，模型响应函数基于第一、第二和第三响应函数以及第一、第二和第三增益因子确定。

例如，在这种具有三次测量的实施方式中，基于第一响应函数或第一、第二和第三响应函数确定环境至耳朵响应函数。基于第一、第二和第三响应函数以及第一、第二和第三增益因子确定总处理器响应函数。与具有两次响应函数测量的实施方式类似，模型响应函数根据环境至耳朵响应函数和总处理器响应函数确定。例如，在这种情况下，也能够应用等式(1)。

例如，在三次测量的情况下，能够根据以下公式确定模型响应函数f

其中，a1为第一增益因子，a2为第二增益因子，a3为第三增益因子，x为第一响应函数，y为第二响应函数，且z为第三响应函数。

在用户佩戴的音频设备的一些配置中，音频设备的扬声器与音频设备的前馈anc麦克风之间可能发生泄漏。声学泄漏路径可以是通过音频设备的结构中的内部通风孔，或是通过音频设备与用户之间的密封件中的泄漏。声学路径可以忽略不计。但是，在具有三次响应函数测量的一些实施方式中，基于第一、第二和第三响应函数以及第一、第二和第三增益因子确定泄漏响应函数。然后，进一步基于泄漏响应函数确定总处理器响应函数。

例如，泄漏响应函数表示启用anc的音频设备的输出和输入之间的组合转移函数，以及音频设备的扬声器和测试麦克风(相应地，用户的耳膜)之间的转移函数，也称为驱动器至耳朵响应函数。

利用三次测量的响应函数和三个未知响应函数(即环境耳朵响应函数、总处理器响应函数和泄漏响应函数)，能够形成表示各种声学路径的等式系统。该等式系统的解允许根据等式(1)得到模型响应函数。

在将噪声处理器设置为比例转移函数的两次或三次测量的配置中，将用于噪声处理器的或多或少的频率独立的转移函数设置为具有相应定义的增益因子。频率独立性至少在所关注的频率范围中给定。

在各种实施方式中，第一增益因子等于0。因此，在第一增益因子为0的情况下，在测量期间音频设备的扬声器不输出信号。例如，在第一响应函数的测量期间，禁用噪声处理器和/或使噪声处理器静音以实现零增益因子。

将第一个增益因子设置为零可以简化模型响应函数的确定，因为在这种情况下，测量的第一响应函数直接对应于环境至耳朵的响应函数。

进一步发现，存在更通用的测量组，其允许评估模型响应函数。特别地，更通用的解决方案是，噪声处理器为每次测量实现不同但已知的且预定义的滤波器转移函数，而不是仅使用具有相应增益因子的比例转移函数。在对第一、第二和可选的第三响应函数进行测量之后，能够对噪声处理器实现的已知响应函数进行补偿

一种可能有用的场景是为噪声处理器配置用于所有测量的anc滤波器。改进的方法将产生“误差”函数，必须将其添加到已实现的anc滤波器中，该滤波器将产生更好的anc。这在实施具有多与一个的滤波器级的模拟anc解决方案时可能很有用。在这种场景中，该方法可以对每个滤波器级运行一次，并提供连续改进的anc滤波器。

第二种场景是你选择对这两次或三次测量实施不同但已知的滤波器。实施滤波器的原因可能是提高测量的信噪比。在计算出单独的第一、第二和可选的第三响应函数之后，将必须对这些已知的滤波器形状进行校正。优选地，预定义的滤波器转移函数仅相差所应用的总增益因子。

因此，在根据改进的测量概念的其他实施例中，用于确定启用噪声消除的音频设备(尤其是头戴式耳机)的模型响应函数的方法包括：将音频设备设置在测量夹具上，其中，音频设备的扬声器面向测量夹具的耳道表示。当结合第一增益因子将音频设备的噪声处理器的参数设置到预定义的转移函数时，在环境声源与位于耳道表示内的测试麦克风之间测量第一响应函数。类似地，当结合第二增益因子将噪声处理器的参数设置到预定义的转移函数时，在环境声源和测试麦克风之间测量第二响应函数，该第二增益因子不同于第一增益因子。基于预定义的转移函数、第一响应函数、第二响应函数以及第一和第二增益因子确定用于噪声处理器的模型响应函数。

在这些实施方式的一些中，当结合第三增益因子将噪声处理器的参数设置到预定义的转移函数时，在环境声源和测试麦克风之间测量第三响应函数，该第三增益因子不同于第一增益因子和第二增益因子。在这种实施方式中，基于预定义的转移函数、第一、第二和第三响应函数以及第一、第二和第三增益因子确定模型响应函数。

可以通过播放来自环境声源的测试信号、用测试麦克风记录响应于播放的测试信号的响应信号、以及确定(例如计算)来自测试信号和响应信号的响应函数来实现对各种响应函数的测量。测试信号可以是各种离散频率信号或特定的噪声测试模式等的组合。例如，可以使用频谱分析仪确定测量的响应函数。

在上述所有实施方式中，在环境声源和测试麦克风之间测量的响应函数中的每个优选是在不访问音频设备中的任何测试点的情况下测量的。类似地，在环境声源和测试麦克风之间测量的响应函数中的每个优选是在相应测量期间不拆卸音频设备的情况下测量的。

例如，启用音频设备和噪声处理器以用于前馈噪声消除。

下面借助附图将更详细地描述改进的测量概念。在附图中，具有相同或相似功能的元件具有相同的附图标记。因此，在以下附图中不必重复其描述。

在附图中：

图1示出了用户佩戴的示例头戴式耳机，该头戴式耳机具有来自环境声源的几个声音路径；

图2示出了根据改进的测量概念的测量配置的示例实施方式；

图3示出了根据改进的测量概念的方法的示例实施方式；以及

图4示出了模型响应函数的示例频率响应。

图1示出了用户佩戴的头戴式耳机hp的示例配置，该头戴式耳机具有来自环境声源的几个声音路径。图1中所示的头戴式耳机hp作为任何启用噪声消除功能的音频设备的示例，尤其能够包含入耳式头戴式耳机或耳塞式耳机，贴耳式头戴式耳机或包耳式头戴式耳机。除了头戴式耳机之外，该启用噪音消除的音频设备也可以是移动电话或者类似的设备。

在此示例中，头戴式耳机hp具有麦克风ff_mic和扬声器ls的特征，麦克风ff_mic特别设计为前馈噪声消除麦克风。为了更好地概述，此处未示出头戴式耳机hp的内部处理细节。

在图1中所示的配置中，存在几个声音路径，每个声音路径能够由相应的响应函数或转移函数表示。例如，环境至耳朵的声音路径ae表示：从环境声源通过用户耳道到用户的耳膜的声音路径。从环境声源至麦克风ff_mic的声音路径能够由响应函数am表示，也称其为环境至麦克风响应函数am。头戴式耳机hp的响应函数或转移函数、特别是在麦克风ff_mic和扬声器ls之间的响应函数或转移函数能够由处理器函数p表示，可以在常规操作期间将该处理器函数p参数化为噪声消除滤波器。规范de表示头戴式耳机的扬声器ls与耳膜之间的声学路径，且可以称为驱动器至耳朵响应函数。能够考虑到从头戴式耳机hp到前馈麦克风ff_mic的另外的路径g，该另外的路径是通过头戴式耳机hp中的内部和/或外部泄漏所产生的。该路径g可以表示驱动器至前馈麦克风ffmic响应，并且也可以称为泄漏响应或泄漏路径。

因此，在操作过程中，存在一个直接的声音路径、即声音路径ae以及从环境声源到耳膜的一个组合声音路径。组合的声音路径是由声音路径am、处理器路径p(包含了噪声消除电子器件的所有电子元件的频率响应)和驱动器至耳朵声音路径de的组合所产生的。组合的声音路径可以写为am.p.de。

为了最佳的噪声消除性能，可以对处理器噪声路径p进行参数化，以或多或少地表示如等式(1)中所定义的模型响应函数f，使得

将结合如图2中所示的测量配置的示例实施方式和如图3中所示的相应方法的示例流程图来更详细地解释模型响应函数f的确定。

图2示出了根据改进的测量概念的测量配置的示例实施方式，其包含环境声源ass，该环境声源ass包括环境放大器adr和用于播放测试信号tst的环境喇叭asp。启用噪声消除的音频设备hp包括麦克风ff_mic，该麦克风的信号由噪声处理器proc处理并经由扬声器ls输出。噪声处理器proc具有控制接口ci的特征，在该控制接口上能够设置噪声处理器proc的处理参数，例如用于各个比例转移函数的增益因子a1、a2、a3或滤波器参数。音频设备hp设置在测量夹具mf上，该测量夹具mf可以是具有耳道表示ec的人造头，测试麦克风ecm位于耳道表示的端部，以用于记录经由麦克风放大器micamp的测量信号mes。应该注意的是，在不排除更复杂的实现方式的情况下，至少测量夹具mf和环境声源ass用其基本函数表示，即播放测试信号tst和记录测量信号mes。

现在参考图3，示出了示例框图，该框图示出用于确定启用噪声消除的音频设备、特别是头戴式耳机的响应函数的方法的方法流程。该方法可以使用图2中所示的示例测量设置进行操作。

如框310中所示，作为前提，将音频设备设置在测量夹具mf上，使得音频设备hp的扬声器ls面向测量夹具mf的耳道表示ec。

框320包含对两个或更多个响应函数x、y以及可选的z测量。响应函数中的每个都是在环境声源ass和位于耳道表示ec内的测试麦克风ecm之间测量的，该耳道表示优选地模拟了用户的耳膜的位置。

根据改进的测量概念，针对待测量的响应函数中的每个，以特定增益因子将噪声处理器proc的参数设置到比例转移函数。例如，通过将第一增益因子选择为因子a1来测量第一响应函数x，通过将第二增益因子设置为因子a2来测量第二响应函数y，通过将第三增益因子设置为因子a3来测量可选的第三响应函数z。所有增益因子a1、a2和a3的选择都不同。

例如，通过播放来自环境声源ass的适当测试信号tst并通过测试麦克风ecm记录相关的响应信号mes，来执行对响应函数x、y和z的测量。然后能够根据测试信号tst和相应的响应信号mes确定响应函数x、y和z。例如，所测量的响应函数x、y和z表示在给定频率范围内具有相位和振幅的频率响应。这种频率响应也可以用具有实部和虚部的复数符号表示，这在信号处理领域是众所周知的。

现在参考图3的框330，至少基于第一和第二响应函数x、y以及相关的增益因子a1、a2确定模型响应函数f。在一些实施方式中，还可以使用可选的第三响应函数z和相应的第三增益因子a3。

该模型响应函数f表示噪声处理器proc的理想响应，以用于基于之前执行的测量来获得最佳的噪声消除性能。

因此，在可选的框340中，能够基于模型响应函数f确定对于处理器proc的滤波器函数。尤其是，能够例如利用各种设计工具确定处理器proc的滤波器函数的参数，以用于使滤波器参数尽可能接近或在技术上可行地适应于模型响应函数f。

最后，例如，如果用户使用音频设备或头戴式耳机，则以这种方式确定的滤波器参数能够用于音频设备的正常操作。

参照图4，示出了模型响应函数f的示例频率响应，其中，上图中为其振幅，且下图中为其相位。

优选地，滤波器函数被设计为使得尽可能接近地匹配模型响应函数f的频率响应。

返回参考图3，在下面将更详细地解释用于确定模型响应函数的方法的各种实施方式。

例如，如果忽略泄漏路径g的影响，在测试麦克风的ecm位置处的响应函数m基本上导致响应函数am、处理器传输函数p和驱动器至耳朵响应函数de的组合，以及环境至耳朵响应函数ae。因此，这能够表示为

(5)m＝ae+am.p.de，

其中，am.p.de表示上述组合。

在一些实施方式中，对第一响应函数x和第二响应函数y执行两次不同的测量，其中，噪声处理器proc的参数以第一增益因子a1设置到比例转移函数以用于第一响应函数x，并且以第二增益因子a2设置到比例转移函数以用于第二响应函数y。利用等式(5)，第一响应函数x能够写成

(6)x＝ae+am.a1.de，

并且，第二响应函数能够写成

(7)y＝ae+am.a2.de，

其中，a1、a2分别表示等式(5)的处理器转移函数p。

采用等式(6)和(7)，能够得出以下等式

(8)y-x＝am.(a2-a1).de，

对于环境至麦克风am和驱动器至耳朵de的组合响应，得出以下表达式：

例如，从等式(6)开始，能够将环境至耳朵响应函数ae推导为

将等式(9)和(10)的表达式代入等式(1)中，能够将模型响应函数f写为

综上，当头戴式耳机或其他音频设备完全组装，并且不需要访问内部测试点或类似物时，确定模型响应函数f。

能够简化等式(11)，例如通过将第一增益因子a1选择为零，使得不会有信号从音频设备的麦克风ff_mic转移到其扬声器ls。除了实际设置处理器转移函数p的滤波器参数以实现零增益因子外，这还能够通过在测量第一响应函数x期间禁用噪声处理器proc和/或使噪声处理器静音来实现。在这种配置中，模型响应函数f简化为

在一些实施方式中，还能够执行第三测量，即，能够通过用于噪声处理器proc的比例转移函数的第三增益因子a3来测量第三响应函数z。再次考虑等式(5)，得出

(13)z＝ae+am.a3.de。

与上面的等式(9)类似，现在能够根据等式(7)和(13)确定组合响应am.de，得出

与等式(10)类似，能够将环境至耳朵响应函数ae确定为

使用等式(1)，例如，模型响应函数f得出

其中，对熟练的读者来说显而易见的是，三个测量的响应函数x、y，z的其他组合也是可能的。

如上所述，如果将第一增益因子a1选择为零，则等式(16)简化为

此外，如果例如将第二和第三增益因子a2、a3选择为a2＝+1和a3＝-1，则等式(17)进一步简化为

尽管在先前的示例实施方式中，泄露响应g已被忽略，但是能够在以下所述的实施方式中考虑该泄漏响应。例如，如上所述，执行对三个响应函数x、y、z的测量，这些函数能够表示为

(19)x＝(ae+am.a1.de)/(1-g.a1.de)，

(20)y＝(ae+am.a2.de)/(1-g.a2.de)，

以及

(21)z＝(ae+am.a3.de)/(1-g.a3.de)。

通过这三次测量，可以确定三个未知数ae、am.de和g.de，以最终根据等式(1)得到模型响应函数f的表示。

采用具有选择为a1＝0，a2＝+1和a3＝-1的三个增益因子a1、a2和a3这样的配置的示例实现方式，则等式(19)、(20)和(21)简化为

(22)x＝ae，

(23)y＝(ae+am.de)/(1-g.de)，

以及

(24)z＝(ae-am.de)/(1+g.de)。

通过这些简化，能够将组合泄漏响应g.de(缩写为l)表示为：

然后能够将组合响应函数am.de表示为

最后，使用等式(22)、(26)和(25)，则等式(1)能够重写为

(27)f＝-2·x/(y·(1-l)-z·(1+l))。

在替代的实施方式中，还可以使用一种方法，其中，噪声处理器proc为每次测量实现不同但已知的且预定义的滤波器转移函数p，而不是仅使用具有相应增益因子a1、a2和可选的a3的比例转移函数。在对第一、第二和可选的第三响应函数x、y和z进行测量之后，能够对噪声处理器proc实现的已知响应函数进行补偿。

例如，能够为两次或三次测量实现不同但已知的滤波器，这能够提高测量的信噪比。在计算出单独的第一、第二和可选的第三响应函数x、y和z之后，必须对这些已知的滤波器形状进行校正。优选地，预定义的滤波器转移函数仅相差所应用的总增益因子。

因此，在这种实施方式中，可以将噪声处理器proc的滤波器转移函数p设置为与相应的增益因子a1、a2以及可选的a3结合的预定义的转移函数r，使得得到两个或三个已知的滤波器函数。类似地使用控制接口ci完成此操作。基于等式(5)，得出类似于等式(6)、(7)和(13)的等式，即：

(28)x＝ae+am.r.a1.de，

(29)y＝ae+am.r,a2.de，

以及，可选的

(30)z＝ae+am.r.a3.de。

基于预定义的转移函数r、响应函数x、y和可选的z、以及增益因子a1、a2和可选的a3，确定用于噪声处理器proc的模型响应函数f。

例如，所有计算的结果都得到答案f/r，而不是所期望的答案f，但是由于知道了预定义的转移函数r，所以能够对该答案进行补偿。对于使用增益因子a1、a2和可选的a3的实施方式，本领域技术人员能够容易地从上面的描述中推导出必要等式的详细实施方式。

如前所述，通过上述示例实现方式中的每个所确定的模型响应函数f能够用作模型，以为噪声处理器proc的转移函数p设计适当的滤波器参数。例如，能够在知道模型响应函数f的情况下离线确定各个滤波器参数，然后经由控制接口ci将各个滤波器参数转移到音频设备或头戴式耳机hp。

例如，改进的测量概念的主要受益者是设计anc头戴式耳机的声学工程师。改进的测量概念使工程师以更方便的方式对参考头戴式耳机设计进行更精确地测量。其在耳机生产线上具有辅助应用区域，在该辅助应用区域允许进行测量，这些测量可以用于在每个单元时为该单元选择最佳的anc滤波器。

附图标记

hp音频设备

ff_mic麦克风

ls扬声器

am环境至麦克风响应函数

ae环境至耳朵响应函数

de驱动器至耳朵响应函数

g泄漏响应函数

p处理器转移函数

f模型响应函数

proc噪声处理器

ci控制接口

ass环境声源

adr环境驱动器

asp环境喇叭

ec耳道表示

ecm测试麦克风

micamp麦克风放大器

tst测试信号

mes测量信号

mf测量夹具。

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