CN100584113C

CN100584113C - 用于匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的方法和装置

Info

Publication number: CN100584113C
Application number: CN200510053194A
Authority: CN
Inventors: 埃戈尔特·费希尔; 亨宁·普德尔
Original assignee: Siemens Audioligische Technik GmbH
Current assignee: Xiwantuo Co ltd
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: EP1571881A2; EP1571881A3; DE102004010867B3; US20050244018A1; US20090285423A1; AU2005200996A1; US7587058B2; EP1571881B1; CN1665350A; DK1571881T3; AU2005200996B2; US7970152B2; JP2005253079A; JP4563218B2

Abstract

本发明涉及一种用于匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的方法和装置。为了减小助听器定向麦克风的麦克风相位差，将定向麦克风的输出信号(y1(t))的电平与全方向信号(y1′(t))进行比较。如果差分定向麦克风的输出信号(y1(t))的电平高于该全方向信号(y1′(t))的电平，则通过在各个频带中自适应地、选择频率地传播时间平衡(A)使该电平差值最小，由此实现麦克风(M1，M2)的相位匹配。在另一种方法中这样实现麦克风的匹配，即，自适应地在各个频带上将两个麦克风信号(x1，x2)可测的延迟限制到一个最大值，该最大值对应于在两个麦克风(M1，M2)之间的声音传播时间。由此，可以在不知道声源位置的情况下进行相位匹配。

Description

用于匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于匹配助听器定向麦克风的麦克风的相位的方法。此外，本发明还涉及一种对应的用于相位匹配的装置。

背景技术

差分多麦克风系统的定向效果取决于，所使用的麦克风在其幅度特性和相位特性的一致性的良好程度。只有当到达麦克风的信号根据频率相同地放大和延迟，才可以通过随后对麦克风信号构成差值而在一个或者多个方向(空间槽(raeumliche Notches))上产生精确的分辨率。

对于幅度频率特性的平衡已知这样的解决方案：将所使用的麦克风的幅度与一个被定义为参考麦克风的麦克风进行平衡。通过对麦克风信号的幅度与参考麦克风信号的时间上平均的幅度建立比值计算出对于麦克风的平衡/再调整所需的放大系数。

为了平衡(在考虑足够窄的频带时)可以解释为所观察的麦克风信号的运行时差别的麦克风相位差，迄今为止还没有已知的解决方案。其原因如下：运行时差别也通过声源相对于麦克风位置的不同位置而形成。为了分辨来自从特定入射方向的声音，在差分定向麦克风中差分地利用其位置。开发一种用于计算相位平衡的方法时遇到的问题是，首先不能确定不同延迟的信号是通过相位失配以及相位延迟还是通过声源至各个麦克风的不同距离而形成的。为此，必须已知声源的位置。如果不是这样，则通过实时平衡所希望达到的对来自各个方向(例如来自前面)信号的分辨不可靠。

结果是，为了保证良好的定向作用特性，必须使用精确地预先选择出的一对或者三个麦克风。

结合图1-3再次解释该问题。在图1的左边示出了扬声器L，在其前方有两个麦克风M1和M2。麦克风M1提供输出信号x1。第二麦克风M2的输出信号由于结构的原因延迟ΔT，从而给出输出信号x2。通过在图1右半部分中的结构可以得到相同的信号x1和x2。因为扬声器L离第二麦克风M2较远，由于在麦克风M1和麦克风M2之间的声音传播时间信号x2相对于信号x1具有一个延迟或者相位差。即，如果不知道扬声器的位置，就不可能对两个麦克风的相位或者延迟进行匹配。

在图2中简要示出了定向麦克风的信号处理。对麦克风M1和M2的输出信号x1和x2首先进行方向处理DV，然后进行补偿K，利用该补偿K来补偿方向处理DV的幅度频率特性。由此，专门为0°方向产生定向麦克风的输出信号Y的平坦的幅度频率特性。

不过，如果麦克风相互不匹配，则按照图3产生两个麦克风M1和M2的输出信号x1和x2之间的相位误差PF以及传播时间差ΔT。在方向处理DV和固定的补偿K之后则产生定向麦克风的输出信号Y′。如果传播时间误差ΔT引起大于由于麦克风距离引起的最大延迟的总延迟的话，则补偿K对于不匹配的麦克风来说是不够的。

由于这种原因迄今为止都使用预先选择的麦克风，这些麦克风的相位差极小或者是零。如果这不可能做到，则执行相位匹配，其中校正源的位置是已知的。

根据一种内部公知的方法这样地实现两个麦克风的相位匹配，即，从一个确定麦克风输出信号的麦克风模型考虑一个复合的传递函数。此外，文献US 6272229公开了，将线性相位差与非线性相位差分离并为麦克风分配非线性的相位差。

不过，上述方法或者花费大或者需要对声源位置的了解。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是，在不知道声源位置的情况下也可以在定向麦克风中进行有效的相位匹配。

按照本发明，上述技术问题是通过这样一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的方法解决的，即，测量或者预先给定定向麦克风的全方向信号的第一电平，测量该定向麦克风的定向信号的第二电平，以及在不考虑关于声源的位置信息的条件下，通过改变定向麦克风中的一个麦克风输出信号的传播时间将第二电平与第一电平进行匹配。其中，在所述匹配中确定，所述第二电平是否高于第一电平，并且仅在所述第二电平高于所述第一电平时才改变麦克风之一的输出信号的传播时间。

此外，上述技术问题还通过一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的装置解决的，该装置具有：测量装置，用于测量或者预先给定定向麦克风的全方向信号的第一电平，和用于测量该定向麦克风的定向信号的第二电平；以及匹配装置，用于在不考虑关于声源的位置信息的条件下，通过改变定向麦克风中的一个麦克风输出信号的传播时间将第二电平与第一电平进行匹配。其中，利用所述匹配可以确定，所述第二电平是否高于第一电平，并且仅在所述第二电平高于所述第一电平时才改变一个麦克风输出信号的传播时间。

同样，上述技术问题还通过一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的方法解决的，即，预先给定定向麦克风的第一麦克风的第一输出信号和第二麦克风的第二输出信号之间的最大传播时间差，测量两个输出信号之间的实测传播时间差，以及延迟两个输出信号之一，使得实测传播时间差不大于最大传播时间差。

与此相应的，提供了一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的装置，其具有：提供装置，用于提供定向麦克风的第一麦克风的第一输出信号和第二麦克风的第二输出信号之间的最大传播时间差，；测量装置，用于测量或者估计两个输出信号之间的实测传播时间差；以及延迟装置，用于延迟两个输出信号之一，使得实测传播时间差不大于最大传播时间差。

优选地，通过确定全方向信号的第一电平与定向信号的第二电平的差值并使该差值最小实现麦克风相位的匹配。其优点在于，可以容易地确定该电平差值，从而可以容易地进行相位匹配。

优选地，将最大传播时间差作为从第一麦克风至第二麦克风的声音传播时间预先给定。由此，可以将在助听器中对麦克风的单独定位引入到精确的计算中。

可以在专门的存储器中提供最大传播时间差的值。此外，该存储器可以任意地改写，从而使该电路可以用于对任意麦克风距离的相位匹配。

特别优选的是，将本发明的方法多次重复。由此，可以在不知道各声源位置的情况下在多个步骤中实现最佳相位匹配。

附图说明

下面借助附图对本发明作进一步的说明。图中：

图1示出产生麦克风信号的原理图；

图2示出一个定向麦克风的电路图；

图3示出包括带有相位差的麦克风的定向麦克风的电路图；

图4示出其麦克风具有相位差的定向麦克风的方向图；

图5示出依赖于麦克风信号的相位差的方向特性；

图6示出按照第一实施方式的匹配电路的电路图；

图7示出按照第二实施方式的匹配电路的电路图。

具体实施方式

下面详细描述的实施例代表了本发明的优选实施方式。

为了更好地理解本发明，首先根据图4和5解释差分定向麦克风的方向特性。在图4中示出了多个在定向麦克风的麦克风不同传播时间延迟下给出的方向图。图4的左上部示出了一个在麦克风信号的传播时间或者相位延迟相差0.3T0的条件下测量的方向图，其中T0对应于声音从一个麦克风至另一个麦克风的传播时间。在该极图中的0dB线对应于全方向信号。差分定向麦克风的理想方向图具有8的形状。由于两个麦克风的由于传播时间原因的相位差该8字形状有些变形。方向曲线在大约45°和315°与0dB线相交。在用双箭头表示的315°和45°之间的区域内，定向麦克风的电平高于0dB线，即，超过全方向麦克风的电平。

如果麦克风信号之间的相位传播时间为0.8T0，则定向麦克风的方向图进一步变形，如在图4的右上图所示的那样。在这种情况下，方向信号高于全方向信号的区域大致在285°和75°之间。在相位延迟或者传播时间差为1.5T0时，该区域在大致240°和120°之间，如在图4的左下图所示的那样。在传播时间差为2.3T0时，方向信号总是超过全方向信号，如在图4的右下方向图通过环绕的圆形所表示的那样。

在图5中根据相移示出了最小和最大的方向信号S_min和S_max。此外，在0dB线上标出了全方向麦克风的信号S_omni。

在其中在两个麦克风之间不存在传播时间差、即相位差为0的理想定向麦克风中，最大信号为0dB并由此对应于全方向信号。最小信号非常小并低于-30dB。两个麦克风之间的传播时间差越高，即在采样中测量的相位差越高，则最小方向信号S_min和最大方向信号S_max就越高。还可以看出，在大约两个采样的相位延迟之上方向信号S_min和S_max高于0dB线，这点如已经在对于图4右下方的方向图中具体的2.3T0的相位延迟解释过了。

当方向信号S_max的电平比全方向的信号S_omni减弱，则其就是表示麦克风输出信号具有相位差的标志。该事实可以用于两个麦克风信号的相位匹配。

为此，按照本发明的第一实施方式，检验差分定向麦克风的输出信号的电平是否高于全方向信号。如果高于，则通过在各个频带中自适应地、选择频率地传播时间平衡使该电平差值最小，由此实现麦克风的相位匹配。如果在适应过程中信号波任何时候都处于相对于定向麦克风的0°方向上，则有可能实现理想的匹配。也就是说，在这种情况下相对于全方向信号，差分定向麦克风输出信号的超出最大，因为此时方向信号对应于图5中的信号S_max(还参照图4上部的方向图)。

图6示出了用于这种方法的原理性电路图。与图2中的原理相对应，麦克风M1和M2的输出信号x1和x2首先得到方向处理DV。在此，输出信号x2经过延迟单元D以便为了相位匹配而延迟传播时间ΔT。在所选择的例子中方向处理DV对应于下列公式进行：

y1(t)＝x1(t)-x2(t-T0)+a[x1(t-T0)-x2(t)]。

其中，T0表示在两个麦克风之间声音传播时间，而a表示自适应控制参数。

为了实现平坦的频率特性，方向处理DV的输出信号y1(t)在补偿器K中对应于下列公式得到补偿：

y2(t)＝y1(t)+y2(t-2*T0)。

在电平估计单元PS中对输出信号y2(t)进行电平估计。

与此平行地，对应于下列公式对麦克风的信号进行全方向处理ODV：

y1′(t)＝x1(t)-x1(t-T0)+[x2(t)-x2(t-T0)]。

全方向处理ODV的输出信号y1′(t)又在补偿器K中对应于下列公式得到补偿：

y2′(t)＝y1′(t)+y2(t-2*T0)。

然后，所产生的信号y2′(t)同样通过电平估计单元PSO按其电平被估计。

将两个被估计的电平在比较单元V中相互进行比较。如果方向信号的电平大于全方向信号的电平，则产生用来激活匹配单元A中的匹配的使能信号。该匹配单元A的另一个输入信号是借助于一个减法器获得的、两个被估计电平的电平差值。在该匹配单元A中由此确定一个适当的新的传播时间差ΔT，并将其传送至延迟单元D。

在通常在开始使用助听器或者在重新设置助听器时的匹配阶段中，多次运行图6中的匹配调节电路。按照这种方式可以逐步地将两个麦克风信号之间的相位差减小到零。不过，这种方法具有这样的缺点，即，在叠加了传入信号的麦克风噪声情况下，所计算的信号可能发生相位改变，这会使得可以实现的相位匹配恶化。

出于这个原因，按照本发明的用于相位匹配的第二实施方式提供了第二种方法。该第二种方法的思路在于，对于差分定向麦克风的电平高于全方向信号的电平的情况，麦克风在各个频带中具有一个传播时间差，该传播时间差大于通过麦克风距离确定的、麦克风之间物理上可能的声音传播时间。因此，也可以这样实现麦克风的匹配，即，自适应地在各个频带上将两个麦克风信号可测的延迟限制到该物理上可能的值上。最迟如果信号从0°方向上到来，则可以实现一种理想的匹配。

在图7中再现了用于该第二方法的原理电路图。在估计单元SE中首先对麦克风M1的输出信号x1和麦克风M2的输出信号x2之间的传播时间差T1进行估计。在比较单元V中将所估计的传播时间T1与在存储器SP1中存放的最大可能传播时间T0进行比较。该最大可能传播时间T0又对应于在两个麦克风之间的声音传播时间。同时，在减法器S中在建立差值传播时间T2的条件下确定所估计的传播时间T1和最大可能传播时间T0之间的差值。如果所估计的传播时间T1大于最大可能传播时间T0，则比较单元V向存储器SP2送出一个使能信号，该存储器存储从减法器S得到的差值传播时间T2。在延迟单元D中将存储在存储器SP2中的差值传播时间T2用来将输出信号x1进行延迟。由此，可以提供经过延迟补偿的输出信号x1(t-T2)和x2(t)。

在匹配阶段总是一再检验，实际传播时间T1是否大于最大传播时间T0。如果在任意时刻声音从0°方向上进入，则实现了最佳匹配。随后确定的传播时间不再大于最大可能传播时间T0，则匹配可以结束。

因此，本发明使得可以在不知道声源位置的情况下，自适应地、特别是以在足够窄的频带上可调的延迟的形式对麦克风的相位进行平衡。由此，可以在特定的入射方向上设置方向特性中“理想”的槽(notches)，并且同时保证了来自所希望的入射方向(例如0°方向)的信号不被削弱或者变形。为此的前提是，在对于匹配的足够长的时间段内从0°方向上出现一次主导的信号。该方法不需了解这种情况发生的时刻。不过，匹配在该信号出现之后才结束。

因此，对于这种结构不必使用预先选择的麦克风，由此带来了更为经济的优点。一个特别的优点在于，同样可以使用所建议的方法来补偿可能通过在助听器携带者的头部形成的效应引起的以及在理想平衡的三个麦克风(首先是其中使用三个麦克风的两阶差分麦克风)而使方向效应受到极大限制的相位差。由此可以期待在头部使用定向麦克风时额外改善的定向效果。

Claims

1.一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的方法，其特征在于：

-测量或者预先给定定向麦克风的全方向信号(y1′(t))的第一电平(PSO)，

-测量该定向麦克风的定向信号(y1(t))的第二电平(PS)，以及

-在不考虑关于声源的位置信息的条件下，通过改变定向麦克风中的一个麦克风(M2)输出信号(x2)的传播时间将所述第二电平与所述第一电平进行匹配(A)，

其中，在所述匹配(A)中确定，所述第二电平是否高于第一电平，并且仅在所述第二电平高于所述第一电平时才改变麦克风(M1，M2)之一的输出信号的传播时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过确定所述第一与第二电平的差值(S)并使该差值最小来实现所述匹配(A)。

3.一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的装置，其特征在于，其具有：

-测量装置(PS，PSO)，用于测量或者预先给定定向麦克风的全方向信号(y1′(t))的第一电平，和用于测量该定向麦克风的定向信号(y1(t))的第二电平，以及

-匹配装置(A)，用于在不考虑关于声源的位置信息的条件下，通过改变定向麦克风中的一个麦克风(M2)输出信号(x2)的传播时间将所述第二电平与所述第一电平进行匹配，

其中，利用所述匹配(A，S，V)可以确定，所述第二电平是否高于第一电平，并且仅在所述第二电平高于所述第一电平时才改变一个麦克风(M2)输出信号(x2)的传播时间。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，利用所述匹配(A，S，V)可以确定所述第一与第二电平的差值并可以使该差值最小。

5.一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的方法，其特征在于：

-预先给定定向麦克风的第一麦克风(M1)的第一输出信号(x1)和第二麦克风(M2)的第二输出信号(x2)之间的最大传播时间差(T0)，

-测量两个输出信号(x1，x2)之间的实测传播时间差(T1)，以及

-延迟(D)两个输出信号之一(x1)，使得该实测传播时间差(T1)不大于最大传播时间差(T0)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述最大传播时间差(T0)对应于从所述第一麦克风(M1)至所述第二麦克风(M2)的声音传播时间。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，在存储器(SP1)中提供所述最大传播时间差(T0)的值。

8.一种用于相互匹配助听器定向麦克风的麦克风相位的装置，其特征在于，其具有：

-提供装置(SP1)，用于提供定向麦克风的第一麦克风(M1)的第一输出信号(x1)和第二麦克风(M2)的第二输出信号(x2)之间的最大传播时间差(T0)，

-测量装置(SE)，用于测量或者估计两个输出信号(x1，x2)之间的实测传播时间差(T1)，以及

-延迟装置(D)，用于延迟两个输出信号之一(x1)，使得该实测传播时间差(T1)不大于最大传播时间差(T0)。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述最大传播时间差(T0)对应于从所述第一麦克风(M1)至所述第二麦克风(M2)的声音传播时间。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述提供装置(SP1)包括一个存储器。

11.根据上述权利要求1至2和5至6中任一项所述的方法，其中，多次重复所述方法。