CN101068445B - 高频补偿 - Google Patents

Abstract

一种用于增加主动降噪头戴式耳机的反馈电路中相位裕度的方法和装置。该方法包括提供声学模块，其包括声学驱动器，该声学驱动器包括沿连接线机械连接到声能辐射膜片的音圈，该声学模块还包括沿平行于声学膜片的预期振动方向并与连接线相交的线定位的麦克风，该声学模块的特征在于幅度频率响应，通过在10kHz以上至少一个频谱范围上具有正斜率的补偿图案补偿该幅度频率响应。

Description

高频补偿

技术领域

本说明书涉及主动降噪头戴式耳机中的反馈控制。

背景技术

参考Bose公司的美国专利No.4,494,074，其名称为“FeedbackControl”。

发明内容

在本发明的一个方面中，一种用于主动降噪头戴式耳机的反馈电路，包括声学元件，其特征在于第一幅度频率响应；补偿器，其特征在于第二幅度频率响应，用于把第一幅度频率响应与第二幅度频率响应相组合从而提供组合的幅度频率响应，其中第二幅度频率响应的特征在于在10kHz以上频谱部分中频率间隔处具有正斜率的图案。反馈电路可以在20kHz和50kHz之间具有正斜率。该图案可以在20kHz和100kHz之间具有正斜率。补偿器可以包括数字滤波器。补偿器可以包括模拟滤波器。

在另一方面中，一种方法包括在其特征在于幅度频率响应的主动降噪头戴式耳机中，通过在20kHz和50kHz之间具有正斜率的图案来补偿幅度频率响应。该补偿可以包括通过在20kHz和100kHz之间具有正斜率的图案来补偿幅度频率响应。

在另一方面中，一种用于主动降噪头戴式耳机的补偿图案(pattern)，其特征在于在20kHz和50kHz之间的频率范围中的正斜率。补偿图案的特征可以是在20kHz和100kHz之间的频率范围中的正斜率。该补偿图案的特征可以是在20kHz和100kHz之间的大于2阶正斜率。

在另一方面中，一种用于主动降噪头戴式耳机的补偿图案，其特征在于10kHz以上至少一个倍频程范围中的正斜率。补偿图案的特征可以是在至少两个倍频程范围中的正斜率。补偿图案的特征可以是在至少三个倍频程范围中的正斜率。

在另一方面中，一种方法包括提供其特征在于幅度频率响应的主动降噪头戴式耳机以及通过在10kHz以上至少一个倍频程的频谱范围的至少一部分中具有正斜率的图案来补偿幅度频率响应。该补偿可以包括通过在10kHz以上至少两个倍频程中具有正斜率的图案来补偿幅度频率响应。该补偿可以包括通过在10kHz以上至少三个倍频程中具有正斜率的图案来补偿幅度频率响应。

在本发明的另一方面中，一种用于在主动降噪头戴式耳机的反馈电路中增加相位裕度的方法，包括提供包括声学驱动器的声学模块。该声学驱动器包括沿连接线机械连接到声能辐射膜片的音圈。声学模块还包括沿平行于声学膜片的预期振动方向并与连接线相交的线定位的麦克风。该声学模块的特征在于幅度频率响应。该方法包括通过在10kHz以上至少一个频谱范围上具有正斜率的补偿图案来补偿幅度频率响应。

在另一方面中，一种主动降噪装置包括声学驱动器。该声学驱动器包括膜片和音圈，用于沿施力线将机械力施加到膜片；麦克风，具有在平行于膜片运动的预期方向并与施力线相交的线的2mm内定位的麦克风开口；以及用于削弱由声学驱动器的组件的共振引起的频率响应偏差的结构。该装置还包括声学模块，其特征在于第一幅度频率响应，以及补偿器，其特征在于第二幅度频率响应，用于把第一幅度频率响应与第二幅度频率响应相组合从而提供组合的幅度频率响应。第二幅度频率响应的特征在于在10kHz以上频谱部分中频率间隔处具有正斜率的图案。

附图说明

当结合附图阅读时，本发明的其他特征、目的和优点将从以下详细描述中变得显而易见，附图中：

图1A是降噪头戴式耳机的示意图；

图1B是图1A的头戴式耳机中使用的反馈回路的逻辑布置的框图；

图2A是减少在声学驱动器的声能辐射与在与降噪头戴式耳机相关联的麦克风的声能到达之间的延时的布置的示意性顶视图；

图2B是图2A的布置的示意性剖视图；

图3是非最小相位延迟的图示；

图4是作为频率的函数的幅度响应的图示；

图5是作为频率的函数的幅度补偿图案的图示；以及

图6是采用图5的补偿图案的主动降噪头戴式耳机的开环增益的改进的图示。

具体实施方式

尽管可以示出多个视图的元件并在框图中描述为分立元件以及可以称为“电路”，除非特别指出，元件可以实现为模拟电路、数字电路、或一个或多个执行软件指令的微处理器其中之一或其组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。一些处理操作可以用系数的计算和应用来表示。计算和应用系数的等同操作可以通过其他模拟或数字信号处理技术来执行，并且这些技术包含在本专利申请的范围之内。

参照图1A，示出了主动降噪头戴式耳机110。头戴式耳机110包括通过头带117连接的两个耳机112。每个耳机112可以包括杯形壳114和衬垫116。头带117沿如箭头119所示向内方向施加力，使得将衬垫116推向用户的头部并围绕耳朵(典型地称为包耳式)以围住可以包括外耳和耳道的腔；或者使得将衬垫116推向用户的耳朵(典型地称为压耳式)以围住可以包括外耳和耳道的腔；或者使得将衬垫116推到耳道中(典型地称为插耳式)以限定可以包括耳道的腔。插耳式头戴式耳机可以没有头带而实现，而是将耳机的一部分插入到耳道中。在腔中是降噪元件，下面将在图1B的论述中对其进行描述。

参照图1B，示出了主动降噪头戴式耳机中反馈回路的逻辑布置的框图。信号组合器30组合地连接到用于输入音频信号V_I的端子24和反馈前置放大器35并连接到补偿器37，其则连接到功率放大器32。功率放大器32连接到在由虚线12表示的腔中的声学驱动器17。声学驱动器17连接到组合器36，同样连接到组合器36的是表示进入腔12的噪声P_I的端子25。组合器36的声学输出P_O施加到连接至输出前置放大器35的麦克风11，输出前置放大器35则差动连接到信号组合器30。

腔12表示当降噪头戴式耳机压入、压向或围绕用户耳朵时形成的腔。组合器36不是物理元件，而是表示从外部环境进入腔12的噪声P_I和由声学驱动器17辐射到腔12中的声学输出的声学和，该和导致腔12中呈现的声能P_O。共同地，图1B中的声学元件，包括麦克风11、声学驱动器17和腔12可以称为“声学模块”100，下面将对其进行论述。

在操作中，在信号组合器30处，放大的误差信号V_E与输入音频信号V_I相减地组合。总信号提供给补偿器37。补偿器37提供相位和增益裕度以符合尼奎斯特稳定性判据。增加相位裕度可以扩展系统在其上保持稳定的带宽，可以增加施加到频率范围上的反馈量以增加主动降噪，或者二者都实现。下面将更详细论述补偿器37的各方面。包括应用其中幅度随频率变化的图案的补偿类似于称为“均衡”的处理，并用于本说明书的目的，在反馈电路10内应用的均衡相当于补偿。系统中可以有其他均衡，例如音频信号V_I可以在施加到组合器30之前被均衡。功率放大器32放大提供给声学驱动器17的补偿的信号。声学驱动器17将放大的音频信号转换为声能，其与进入腔12的噪声P_I组合以形成组合的声能P_O。麦克风11将组合的声能P_O转换为音频信号，其由前置放大器35放大并作为误差信号V_E相减地提供给信号组合器30。

图1的电路的闭环传递函数是 $\frac{P_O}{P_I}=\frac{\mathrm{EBD}}{1+\mathrm{EBDMA}},$ 其中E、B、D、M和A分别表示补偿器、功率放大器、声学驱动器、麦克风和前置放大器的依赖于频率的传递函数。如果分母的EBDMA项＝-1(相当于|EBDMA|＝1并且相位角为-180°)，则电路变得不稳定。因此期望布置电路使得存在相位裕度(如下所述)，从而EBDMA的相位角对于任何|EBDMA|≥1的频率不接近-180°。例如，如果电路布置为使得在任何|EBDMA|≥1的频率，相位角不负于-135°，则相位裕度至少为180°-135°或45°。换言之，为了维持不少于45°的典型期望相位裕度，在交叉频率(EBDMA的增益为1或0dB的频率)的EBDMA的相位角应该小于等于-135°。使得传递函数EBDMA的相位在交叉频率附近不那么负可以允许交叉频率的增大，从而扩展系统的有效带宽。

作为频率的函数的相位角的改变是至少两个原因的结果：延时以及与传递函数E、B、D、M和A的幅度相关联的相移，其可以是依赖于频率的。延时(例如图1的延迟Δt，其表示在由声学驱动器17产生的声能的辐射与在麦克风11处声能的到达之间的延时)作为这样的相移，其作为频率的函数是线性的。延时的其他实例是例如图1的组件的信号处理组件中，特别是数字DSP系统中的延迟。与传递函数E、B、D、M和A相关联的相移典型地相对于频率可变。期望减少延时以及减少或补偿与传递函数EBDMA相关联的相移，使得电路的相位角对于EBDMA的幅度超过1或0(如果以dB表示)的频率不接近-180°并优选地不超过-135°。

参照图2A和图2B，分别示出减少在由声学驱动器17’产生的声能的辐射与在麦克风11’处声能的到达之间的延时Δt(图1)的布置的顶视图和沿图2A的线2B-2B的剖视图。声学驱动器17’包括沿线42机械连接到膜片40的音圈43。音圈典型地是管状的，并且连接线42典型地是圆形的，对应于管形的一端。音圈与磁结构47协作以引起音圈沿由箭头48指示的期望运动方向线性运动。音圈43对膜片40施加力，引起膜片40在由箭头48指示的方向上振动以辐射声能。麦克风11’沿与连接线42相交并平行于由箭头48指示的期望运动方向的线49在膜片40附近定位。在一些实施方式中，用垂直于运动方向48并相对于膜片40径向向内的开口53为麦克风11’定向。优选地，麦克风11’这样放置使得开口在线49的2mm以内并可以与线49对齐。在由箭头48指示的方向上，麦克风11’定位为尽可能接近膜片40以最小化来自膜片40d的声能的辐射到达其的延时，但并不太接近而干扰膜片40的振动或负面地影响压力梯度。

为了说明目的，麦克风11’示出为薄圆柱形麦克风。其他类型的麦克风也是适用的。

根据图2A和图2B的布置是有利的，这是因为在沿线42由音圈到膜片的力的施加与声能的辐射之间的延时(以及因此在由音图产生的力的施加与在麦克风11’处声能的到达之间的延时)小于在麦克风位于不与在音圈43与膜片40之间的连接线42对齐的位置的情况下的延时，例如在膜片的中心上方的点52或在膜片的边缘上方的点50的延时。

根据图2A和图2B的布置可能经受频率响应偏差，例如尖峰或低谷，原因是音圈43的共振。可以通过多种方法减少该偏差。一种方法是提供高度阻尼膜片，例如具有薄片层58和60的膜片。在一些实施中，顶层58是平均厚度55微米的聚氨酯，底层60是平均厚度20微米的聚醚酰亚胺。另一种方法是使用刚性材料用于音圈43或提供用于音圈43的加强结构51以将共振频率移出声学驱动器的工作范围。

图3示出膜片中心上方的点52(图2A)处放置的麦克风的作为频率的函数的非最小相位延迟(由延时引起)的图示(曲线62)以及根据图2A的麦克风11’放置的麦克风的图示(曲线63)。在图3的图示中，相位延迟表示为正度数。图3的正度数相当于本说明书其他部分中的负度数。例如，图3中+40度相当于图1的论述中-40度。

图4示出包括图1的声学驱动器17、麦克风11和腔12的典型声学模块的作为频率的函数的幅度响应68。在10kHz和20kHz之间存在大约2阶的滚降(rolloff)，而在20kHz以上存在非常重要的5阶或更高阶滚降。换言之，曲线在10kHz和100kHz之间具有低通倾斜响应。通常，认为在10kHz和100kHz之间的频率范围是不重要的，这是因为对于大多数是在频率的可听范围上，并且因为其比主动降噪头戴式耳机反馈回路的典型高交叉频率的十倍还要高。然而，与10kHz以上的陡峭滚降相关联的相位改变可以影响在频率的可听范围中频率处的反馈回路的相位角。

图5示出可由补偿器37应用的作为频率的函数的幅度补偿的图案。曲线70表示传统补偿图案，具有在10kHz和100kHz之间的频率范围中应用的轻微滚降的补偿。曲线72表示的补偿图案具有在10kHz和50kHz以及直到100kHz之间频率范围的至少一部分中应用的陡峭增加的补偿量。在20kHz和50kHz以及直到100kHz之间的范围中，曲线在与曲线68滚降相同的阶上具有高的正斜率(大于2阶，例如5阶)。斜率对于至少一个倍频程保持正的；例如20kHz到50kHz大于一个倍频程，并且20kHz到100kHz大于两个倍频程。对于这种主动降噪装置的设计的实例在Roman Sapiejewski的共同未决专利申请“Active Reduction Microphone Placing”中给出，其与本申请同一天提交并在此并入作为参考。

图6示出采用图5的曲线72的补偿图案的主动降噪头戴式耳机的开环增益(曲线78)相对于使用传统补偿图案(例如图5的曲线70)的主动降噪头戴式耳机(曲线76)的改进。采用图5中曲线72的补偿图案的头戴式耳机提供比额外的开环增益的带宽的倍频程更多的倍频程。

图5的补偿图案可以由模拟或数字电路来实现，但更便利地是作为模拟滤波器来实现，包括一个或多个具有足够增益-带宽积的运算放大器以及适当布置的电阻器和电容器和电源。

其他实现在权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种用于主动降噪头戴式耳机的反馈电路，包括：

声学模块，具有第一幅度频率响应；

补偿器，具有第二幅度频率响应，用来把第一幅度频率响应与第二幅度频率响应相组合从而提供组合的幅度频率响应，

其中第二幅度频率响应的特征在于在20kHz以上频谱部分中的特定频率间隔处具有正斜率的图案。

2.根据权利要求1的反馈电路，其中所述图案在20kHz和50kHz之间具有正斜率。

3.根据权利要求1的反馈电路，其中所述图案在20kHz和100kHz之间具有正斜率。

4.根据权利要求1的反馈电路，其中所述补偿器包括数字滤波器。

5.根据权利要求1的反馈电路，其中所述补偿器包括模拟滤波器。

6.一种用于补偿幅度频率响应的方法，包括：

在具有特征为幅度频率响应的反馈回路的主动降噪头戴式耳机中，通过在20kHz和50kHz之间具有正斜率的图案来补偿所述幅度频率响应。

7.根据权利要求6的方法，其中所述补偿包括通过在20kHz和100kHz之间具有正斜率的图案来补偿所述幅度频率响应。

8.一种用于补偿幅度频率响应的方法，包括：

提供具有幅度频率响应的主动降噪头戴式耳机；以及

通过在20kHz以上至少一个倍频程的频谱范围的至少一部分中具有正斜率的图案来补偿所述幅度频率响应。

9.根据权利要求8的方法，其中所述补偿包括通过在20kHz以上至少两个倍频程中具有正斜率的图案来补偿所述幅度频率响应。

10.根据权利要求8的方法，其中所述补偿包括通过在20kHz以上至少三个倍频程中具有正斜率的图案来补偿幅度频率响应。

11.一种用于在主动降噪头戴式耳机的反馈电路中增加相位裕度的方法，包括：

提供包括声学驱动器的声学模块，所述声学驱动器包括沿连接线机械连接到声能辐射膜片的音圈，所述声学模块还包括沿平行于所述声学膜片的预期振动方向并与所述连接线相交的线定位的麦克风，所述声学模块的特征在于具有幅度频率响应；以及

通过在20kHz以上至少一个频谱范围上具有正斜率的补偿图案来补偿所述幅度频率响应。

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