调节头戴式耳机中的降噪的制作方法
2026-09-15 21:11:46
本专利针对传统耳机因佩戴松紧变化导致无源降噪效果波动的问题，提出通过传感器检测头带配置，由主动降噪电路动态调整降噪量及频率响应的解决方案。当头带施加不同压力时，系统自动切换降噪模式，确保总降噪效果稳定，同时兼顾舒适性与环境感知需求。
【专利摘要】一种头戴式耳机包括：第一耳杯和第二耳杯，各自具有适于与用户的各个耳朵相邻的前开口并且包括电声换能器；头带，耦合到所述耳杯中的每个耳杯；以及有源降噪电路，耦合到电声换能器。头带是在至少两个配置之间可配置的，该至少两个配置各自使用不同力量对着使用者的头部按压耳杯。有源降噪电路被配置为确定头带可能以该至少两个配置中的哪个配置来配置，当头带可能以不同力量中的每个力量来配置时提供不同的降噪量，并且响应于头带在该至少两个配置之间的配置的变化而在不同的降噪量之间自动转换。
[0002]有源降噪(ANR)头戴式耳机(诸如在美国专利7，412，070中描述的那些头戴式耳机)使用电子器件来生成抗噪声信号，该抗噪声信号随着其到达佩戴者的耳朵而抵消环境噪声。围绕耳朵而接触头部的头戴式耳机被称为绕耳式(circum-aural)，而直接靠在外耳(也称为耳朵的耳廓)上的那些头戴式耳机则被称为耳上式(supra-aural)。ANR头戴式耳机可以是绕耳式、耳上式或者耳内式，并且通常采用一些无源降噪测量来在由有源电子器件提供的带宽和能量水平上提供降噪。一副绕耳式头戴式耳机10示于图1A中供参考。这样的头戴式耳机具有两个耳杯12和14，其各自具有接触佩戴者的头部的垫子16、18。在耳上式头戴式耳机中，垫子将接触佩戴者的外耳。耳杯12和14经由轭22和24通过头带20彼此连接。还使用其它配置，诸如头带的端部与耳杯之间的直接连接而没有轭或者被称为“颈带(nape band) ”的带，该颈带在佩戴者的颈部后面而不是在头顶上通行。
[0003]ANR头戴式耳机可以使用反馈、前馈或者两者的某种组合来生成抗噪声信号，例如如图1B中所示。在图1B的示例中，ANR电路100接收来自前馈麦克风102、反馈麦克风104和音频输入106的输入。实施方式可以包括这些输入或者另外的输入中的任何一个或者所有输入。将来自前馈麦克风和反馈麦克风的信号通过滤波器108和110，其产生抗噪声信号。抗噪声信号与任意音频输入信号组合(如通过求和节点112所指出的)、被放大器114放大并且作为输出信号116被提供到电声换能器118 (也称为驱动器或者扬声器)。在一些示例中，使用多于一个的输出换能器。ANR头戴式耳机还可以提供用于娱乐和通信的音频，并且可以使用与用于生成抗噪声信号相同的扬声器或者另外的扬声器来这么做。ANR头戴式耳机还可以再现通过耳杯外部上的麦克风检测到的声音，以允许用户在需要的时候听到环境中的声音。该特征有时被称为话音自动转发(talk-through)。提供话音自动转发特征的前馈ANR头戴式耳机可以使用相同的麦克风用于前馈噪声抵消和话音自动转发两者，或者可以针对每个特征具有单独的麦克风。图1B中的信号路径以及组件的相对位置和数目仅仅是一个示例。各种信号路径(诸如前馈和反馈)各自可以具有施加不同增益的专用放大器级。ANR电路100可以以模拟电子器件或数字电子器件或者两者的某种组合的形式来实施。
[0004]无源降噪头戴式耳机使用机械措施来降低到达佩戴者耳朵的环境噪声量。这些机械措施通常包括声学绝缘材料，其被置于耳杯内或者被置于耳朵内以堵塞耳道。对于耳上式和绕耳式头戴式耳机，除绝缘材料自身的特性外，影响降噪量的主要因素是耳杯密封到佩戴者的耳朵或者头部的良好程度。所施加的用于对着佩戴者的头部按压耳杯的力(称为夹紧力(clamping force))是影响密封质量的若干因素之一。其它因素是耳杯与耳朵或头部之间的垫子的柔量(compliance)以及在垫子和佩戴者之间或者通过耳杯的部分是否存在任何漏缝(leak)。在一些示例中，有意地提供漏缝以便控制头戴式耳机的声学特性。无源降噪头戴式耳机可以包括用于针对娱乐音频、电子通信中的任何一个或所有来再现音频或者用于使用外部麦克风来提供话音自动转发的电子元件。
[0005]总体上，在一个方面，一种头戴式耳机包括:第一耳杯和第二耳杯，各自具有适于与用户的各个耳朵相邻的前开口并且包括电声换能器；头带，耦合到所述耳杯中的每个耳杯；以及有源降噪电路，耦合到电声换能器。头带是在至少两个配置之间可配置的，该至少两个配置各自使用不同力量对着使用者的头部按压耳杯。有源降噪电路被配置为确定头带可能以该至少两个配置中的哪个配置来配置，当头带可能以不同力量中的每个力量来配置时提供不同的降噪量，并且响应于头带在该至少两个配置之间的配置的变化而在不同的降噪量之间自动转换。
[0006]实施方式可以包括下列特征中的一个或多个特征。头戴式耳机可以包括被布置在头带上以检测头带配置的传感器。头戴式耳机可以包括被布置在第一耳杯内以检测力量的传感器，可以使用该力量对着用户的头部按压耳杯。有源降噪电路可以被配置为基于从麦克风接收的信号来确定头带配置。头带还可以包括用于在不同力量之间进行选择的用户致动的调节控制器。由头带施加的力量以电子方式被控制。对于由头带施加的第一力量，有源降噪电路可以不提供降噪。头戴式耳机还可以包括电源和控制电子器件，该控制电子器件被配置为当头带可能正在施加第一力量时将电源从有源降噪电路解耦，并且当头带可能正在施加第二力量时将电源耦合到有源降噪电路。第二力量可以小于第一力量。控制电子器件可以包括通过由头带施加的力量的调节而被激活的开关。有源降噪电路还可以被配置为当头带以不同力量中的每个力量来配置时施加具有不同频率响应的降噪。
[0007]有源降噪电路可以具有至少两种模式，当头带被配置为提供第一力量时提供第一降噪量的第一模式，以及当头带被配置为提供第二力量时提供第二降噪量的第二模式，第二降噪量比第一降噪量降低更多的总噪声，并且第二模式比第一模式在更大程度上降低低频噪声，并且在与第一模式相同的程度上降低高频噪声。有源降噪电路还可以被配置为控制头戴式耳机的总降噪的频率响应，以使得总频率响应基本上独立于由头带施加的力量。有源降噪电路还可以被配置为控制头戴式耳机的总降噪的频率响应，以使得头戴式耳机的总降噪的动态范围基本上独立于由头带施加的力量。第一耳杯和第二耳杯各自可以耦合到相应的第一垫子和第二垫子，第一垫子和第二垫子按尺寸被制作以使得垫子围绕用户的耳朵将耳杯耦合到用户的头部。第一耳杯和第二耳杯各自可以耦合到相应的第一垫子和第二垫子，以使得垫子将耳杯耦合到用户的耳朵的耳廓。
[0013]提供高的无源降噪水平经常导致长期佩戴不舒适的头戴式耳机和头戴式耳机。这对于处于诸如士兵、工厂工人和飞行员之类的角色中(其中头戴式耳机需要长期佩戴)的用户尤其成问题。该舒适性可以通过在不需要降噪的时候对其妥协而得以改善，诸如通过在环境噪声降低时松开头戴式耳机的配合。这可以例如在工厂车间的休息期间或者在飞机上起飞之后来完成。然而，对于有源降噪(ANR)头戴式耳机而言，松开头戴式耳机可能增加耳杯内空气的柔量，这需要更多功率用于ANR电路来提供相同的有源降噪水平。其还能够导致反馈回路的换能器的过驱动(over-driving)，这造成其它的可听问题。
[0014]由头戴式耳机提供的无源衰减量受夹紧力的影响，因为夹紧力控制垫子和佩戴者的头部之间的密封质量。密封质量与垫子和头部之间的空气泄漏量有关。对于典型的、柔顺的垫子，增加夹紧力产生泄漏的相应减少。即，夹紧力加倍使泄漏量减少大约一半。使泄漏量减半可以使无源衰减增加多达6dB。在另外的理想系统中，将夹紧力增加10倍将减少泄漏90%，并且使无源衰减增加20dB。当然，将夹紧力增加10倍一般将是非常不舒服的。然而，对于典型的头戴式耳机，夹紧力减半可以提供舒适性的显著增加，并且仅耗费6dB的无源衰减。在一些示例中，该6dB可以通过有源降噪电路的调节来恢复，尽管如下文所讨论的存在取舍(trade-off)。
[0015]如果有源降噪(ANR)头戴式耳机将要被松开，则对于ANR电路的调节存在若干相互抵触的关注。如上所述，所增加的前腔的柔量(由于垫子和头部之间所增加的泄漏而产生的)在需要来自该驱动器的增加的压力以抵消声音的同时允许输出换能器的过驱动。过驱动问题能够通过减少ANR电路的增益来解决，但是这减小了系统的输出水平，使得不太能够在还已经降低了无源衰减的同时抵消环境噪声。提供使用紧配合所实现的相同的降噪水平将需要增加ANR电路的增益，这能够导致过驱动或者限幅(通过在过驱动发生之前削减功率来防止过驱动)。这两个替换方式可以与另一因素(ANR电路的动态范围)进行平衡。
[0016]ANR系统的动态范围描述了其能够抵消的声音范围。在保持其稳定的同时增加ANR系统的增益可以提供足够的增加的抵消来补偿松散配合，但是其将减小系统的动态范围。特别是，其将失去抵消大的低频噪声的能力。如果要保留动态范围，则可以减小ANR系统的增益。这将提供较少的总衰减，但是它将保持其音调平衡并且避免过驱动。考虑到这些取舍，则可以设计可调节的头戴式耳机，其提供两种模式一第一模式，提供良好的动态范围和良好的衰减，但是提供导致不太舒适的配合的较高夹紧力；以及第二模式，其对动态范围和衰减妥协以通过减小夹紧力来提高舒适性。
[0017]图2示出了抽象的衰减曲线，其针对三种配置示出了作为频率的函数的相对降噪。线示出了针对三种不同夹紧力量的无源衰减。对于最高夹紧力，线示出了最高无源衰减。对于中等夹紧力，线示出了略少的无源衰减。对于最低夹紧力，线示出了最少无源衰减。在所有三种情况中，无源衰减在较高频率是非常显著的。
[0018]线示出了由噪声抵消电路中的三种不同增益量产生的有源衰减。对于最高夹紧增益，线示出了最大有源衰减。对于中等增益，线示出了略微减少的有源衰减。对于最低增益，线示出了有源衰减中的最大减少。无论增益如何，有源衰减在较低频率中是非常显著的。
[0019]增益值可以与相应的夹紧力量配对，以使得对于每个夹紧力值，有源衰减被调节为对应于无源衰减的减少，以使得低频衰减和高频衰减大致保持相同。结果，总衰减线。因为增益被调节为匹配减小的夹紧力，所有三条总衰减曲线的整体形状是大致相同的，仅调节水平。这保持了每个夹紧力值的动态范围和音调平衡。
[0020]在一个实施例中，如图3所示，头戴式耳机中的ANR电路300通过输入302检测到夹紧力已经被减小。该检测可以以下文讨论的若干方式来完成。作为回应，当生成要由换能器118输出的抗噪声信号116时，ANR电路300的增益304被自动调节以补偿所减小的夹紧力。注意到，这不一定意味着ANR水平被增加以弥补无源降噪的损失，尽管那是一种可能。在其它情况下，ANR水平与无源降噪一起被减小，以使得ANR系统未开始限幅。正如图1B的通用电路100，图3中的ANR电路300可以以模拟电路或数字电路或者两者的某种组合来实施。在模拟示例中，夹紧力输入302可以仅控制到施加增益304的放大器级的控制输入的电压水平(如所示出的)。在数字示例中，夹紧力可以是到集成的数字信号处理器(DSP)的输入,该数字信号处理器内部施加增益304并且输出抗噪声信号166。在一些不例中，施加到存在的信号路径(反馈、前馈和音频输入)中的无论哪种信号路径的增益各自被单独地调节。
[0021]对于飞行员，若干实施方式可能具有价值。在一个示例中，无源降噪和有源降噪两者可以在起飞和着陆期间被增加，并且在巡航时被减小。在巡航时减小夹紧力提供了增加的舒适性，并且具有改善的态势感知的额外好处，因为飞行员能够较好地听见未连接到飞机的对讲机的环境声音，诸如其他机组成员或者乘客。巡航模式期间的ANR可以仅在水平上减小以避免限幅、维持音调平衡并且提高意识，或者其可以另外地调节其均衡化以补偿无源降噪的频率响应的变化。在一些示例中，ANR滤波器(图3中的108和/或110)可以被调谐为不积极地抵消声音频带或者根本不抵消声音频带，而继续滤除飞机的背景噪声。
[0022]在另一示例中，ANR头戴式耳机的一些用户希望在头戴式耳机必须关机(诸如对于起飞和着陆期间的商用飞机的乘客而言)或者电池已经耗尽的时候保持某一降噪水平。在该情况下，头戴式耳机可以提供一种模式，其中夹紧力被增加超过当ANR系统被通电时所需要的，以提供某一额外的无源降噪。牺牲了舒适性，但是通常仅仅每个航班的几分钟需要该模式。在一些示例中，用于物理上调节夹紧力的机制被连接到ANR电路的电源。这允许使配合松散以接通ANR电路。在其它示例中，头戴式耳机的正常状态可以是施加较高的夹紧力，同时每当ANR电路被通电时减小该力。以下讨论了用于夹紧力的通电控制的若干机制。
[0023]无源衰减量可以以各种方式来调节。简单地说，对于具有可调节配合的头戴式耳机，用户可以仅使调节松散。在典型的头戴式耳机中，头带的长度可以被调节以将头戴式耳机配合到不同尺寸的头部。对于单一用户，增加长度导致松配合。虽然这样的配合还可能导致耳杯以不太期望的角度被呈现给头部，但是其能够服务于减小无源降噪并且增加舒适性的目的。对于松紧之间的调节被期望定期发生的情况，头戴式耳机可以提供两种设置之间的迅速切换，诸如使用增加或者减少两个设置位置之间的头带张力或者长度的杠杆或者旋钮。另一可能的调节是头戴式耳机的转动部分(诸如连接耳杯到图1A的示例中的头带的轭)的柔量。这具有减小夹紧力而不改变耳杯与头部之间的角度的优点。
[0024]对于配合的调节可以使用连接到可调节部分并且通过ANR电路控制的马达或者其它有源机制来自动进行。有源控制该配合的其它方法可以包括耳杯、垫子或者头带结构中的磁性或者气动组件，该结构以电子方式被控制以改变组件的机械特性或者相互作用。除了改变夹紧力以外，无源衰减还可以通过打开或者关闭耳杯中的裂缝来控制，其再次可以是手动的或者自动的。
[0025]若干方法可以用来检测对无源降噪的改变，以使得ANR系统可以以上述方式来响应。传感器可以用来检测头戴式耳机的物理配置，其包括机械位置传感器、应变仪或者压力传感器。如果某种开关被用来在无源配置之间进行调节，则该开关可以被仪表化以提供其状态或者状态变化的电信号。相反地，如果该配合能够以电子方式被控制，则该系统可能已经意识到配合状态是什么或者能够检测变化。已经存在于许多情况中的一个压力传感器是基于反馈的ANR系统的系统麦克风，即，图3中的反馈麦克风104。通过检测耳杯内的稳态压力的变化，反馈麦克风可以用来检测配合的变化。如果使用反馈系统和前馈系统两者，则可以通过比较两个麦克风信号来测量无源降噪量。配合的变化可以从无源降噪的变化推断出来，或者ANR系统可以仅直接响应实际的无源降噪，而没有特别地具有不同配合状态的模式。
1.一种头戴式耳机，包括:第一耳杯和第二耳杯，各自具有适于与用户的各个耳朵相邻的前开口并且包括电声换能器；头带，耦合到所述耳杯中的每个耳杯；以及有源降噪电路，耦合到所述电声换能器；其中所述头带是在至少两个配置之间可配置的，所述至少两个配置各自使用不同力量对着所述使用者的头部按压所述耳杯；并且所述有源降噪电路被配置为:确定所述头带以所述至少两个配置中的哪个配置来配置，当所述头带以所述不同力量中的每个力量来配置时，提供不同的降噪量，并且响应于所述头带在所述至少两个配置之间的配置的变化而在所述不同的降噪量之间自动转换。
8.根据权利要求7所述的头戴式耳机，还包括电源和控制电子器件，其中所述控制电子器件被配置为当所述头带正在施加所述第一力量时将所述电源从所述有源降噪电路解耦，并且当所述头带正在施加第二力量时将所述电源耦合到所述有源降噪电路。
12.根据权利要求11所述的头戴式耳机，其中:所述有源降噪电路具有至少两种模式，当所述头带被配置为提供第一力量时提供第一降噪量的第一模式，以及当所述头带被配置为提供第二力量时提供第二降噪量的第二模式，所述第二降噪量比所述第一降噪量降低更多的总噪声；并且所述第二模式比所述第一模式在更大程度上降低低频噪声，并且在与所述第一模式相同的程度上降低高频噪声。
15.根据权利要求1所述的头戴式耳机，其中所述第一耳杯和所述第二耳杯各自耦合到相应的第一垫子和第二垫子，所述耳杯以及所述第一垫子和所述第二垫子按尺寸被制作以使得所述垫子围绕所述用户的耳朵将所述耳杯耦合到所述用户的所述头部。
16.根据权利要求1所述的头戴式耳机，其中所述第一耳杯和所述第二耳杯各自耦合到相 应的第一垫子和第二垫子，所述耳杯以及所述第一垫子和所述第二垫子按尺寸被制作以使得所述垫子将所述耳杯耦合到用户的耳朵的耳廓。