調節(jié)頭戴式耳機中的降噪的制作方法
【專利摘要】一種頭戴式耳機包括：第一耳杯和第二耳杯，各自具有適于與用戶的各個耳朵相鄰的前開口并且包括電聲換能器；頭帶，耦合到所述耳杯中的每個耳杯；以及有源降噪電路，耦合到電聲換能器。頭帶是在至少兩個配置之間可配置的，該至少兩個配置各自使用不同力量對著使用者的頭部按壓耳杯。有源降噪電路被配置為確定頭帶可能以該至少兩個配置中的哪個配置來配置，當頭帶可能以不同力量中的每個力量來配置時提供不同的降噪量，并且響應于頭帶在該至少兩個配置之間的配置的變化而在不同的降噪量之間自動轉換。
【專利說明】調節(jié)頭戴式耳機中的降噪
【技術領域】
[0001]本公開涉及調節(jié)頭戴式耳機(headset/headphone)中的降噪。
【背景技術】
[0002]有源降噪(ANR)頭戴式耳機(諸如在美國專利7，412，070中描述的那些頭戴式耳機)使用電子器件來生成抗噪聲信號，該抗噪聲信號隨著其到達佩戴者的耳朵而抵消環(huán)境噪聲。圍繞耳朵而接觸頭部的頭戴式耳機被稱為繞耳式(circum-aural)，而直接靠在外耳(也稱為耳朵的耳廓)上的那些頭戴式耳機則被稱為耳上式(supra-aural)。ANR頭戴式耳機可以是繞耳式、耳上式或者耳內式，并且通常采用一些無源降噪測量來在由有源電子器件提供的帶寬和能量水平上提供降噪。一副繞耳式頭戴式耳機10示于圖1A中供參考。這樣的頭戴式耳機具有兩個耳杯12和14，其各自具有接觸佩戴者的頭部的墊子16、18。在耳上式頭戴式耳機中，墊子將接觸佩戴者的外耳。耳杯12和14經由軛22和24通過頭帶20彼此連接。還使用其它配置，諸如頭帶的端部與耳杯之間的直接連接而沒有軛或者被稱為“頸帶(nape band) ”的帶，該頸帶在佩戴者的頸部后面而不是在頭頂上通行。
[0003]ANR頭戴式耳機可以使用反饋、前饋或者兩者的某種組合來生成抗噪聲信號，例如如圖1B中所示。在圖1B的示例中，ANR電路100接收來自前饋麥克風102、反饋麥克風104和音頻輸入106的輸入。實施方式可以包括這些輸入或者另外的輸入中的任何一個或者所有輸入。將來自前饋麥克風和反饋麥克風的信號通過濾波器108和110，其產生抗噪聲信號。抗噪聲信號與任意音頻輸入信號組合(如通過求和節(jié)點112所指出的)、被放大器114放大并且作為輸出信號116被提供到電聲換能器118 (也稱為驅動器或者揚聲器)。在一些示例中，使用多于一個的輸出換能器。ANR頭戴式耳機還可以提供用于娛樂和通信的音頻，并且可以使用與用于生成抗噪聲信號相同的揚聲器或者另外的揚聲器來這么做。ANR頭戴式耳機還可以再現(xiàn)通過耳杯外部上的麥克風檢測到的聲音，以允許用戶在需要的時候聽到環(huán)境中的聲音。該特征有時被稱為話音自動轉發(fā)(talk-through)。提供話音自動轉發(fā)特征的前饋ANR頭戴式耳機可以使用相同的麥克風用于前饋噪聲抵消和話音自動轉發(fā)兩者，或者可以針對每個特征具有單獨的麥克風。圖1B中的信號路徑以及組件的相對位置和數(shù)目僅僅是一個示例。各種信號路徑(諸如前饋和反饋)各自可以具有施加不同增益的專用放大器級。ANR電路100可以以模擬電子器件或數(shù)字電子器件或者兩者的某種組合的形式來實施。
[0004]無源降噪頭戴式耳機使用機械措施來降低到達佩戴者耳朵的環(huán)境噪聲量。這些機械措施通常包括聲學絕緣材料，其被置于耳杯內或者被置于耳朵內以堵塞耳道。對于耳上式和繞耳式頭戴式耳機，除絕緣材料自身的特性外，影響降噪量的主要因素是耳杯密封到佩戴者的耳朵或者頭部的良好程度。所施加的用于對著佩戴者的頭部按壓耳杯的力(稱為夾緊力(clamping force))是影響密封質量的若干因素之一。其它因素是耳杯與耳朵或頭部之間的墊子的柔量(compliance)以及在墊子和佩戴者之間或者通過耳杯的部分是否存在任何漏縫(leak)。在一些示例中，有意地提供漏縫以便控制頭戴式耳機的聲學特性。無源降噪頭戴式耳機可以包括用于針對娛樂音頻、電子通信中的任何一個或所有來再現(xiàn)音頻或者用于使用外部麥克風來提供話音自動轉發(fā)的電子元件。

【發(fā)明內容】

[0005]總體上，在一個方面，一種頭戴式耳機包括:第一耳杯和第二耳杯，各自具有適于與用戶的各個耳朵相鄰的前開口并且包括電聲換能器；頭帶，耦合到所述耳杯中的每個耳杯；以及有源降噪電路，耦合到電聲換能器。頭帶是在至少兩個配置之間可配置的，該至少兩個配置各自使用不同力量對著使用者的頭部按壓耳杯。有源降噪電路被配置為確定頭帶可能以該至少兩個配置中的哪個配置來配置，當頭帶可能以不同力量中的每個力量來配置時提供不同的降噪量，并且響應于頭帶在該至少兩個配置之間的配置的變化而在不同的降噪量之間自動轉換。
[0006]實施方式可以包括下列特征中的一個或多個特征。頭戴式耳機可以包括被布置在頭帶上以檢測頭帶配置的傳感器。頭戴式耳機可以包括被布置在第一耳杯內以檢測力量的傳感器，可以使用該力量對著用戶的頭部按壓耳杯。有源降噪電路可以被配置為基于從麥克風接收的信號來確定頭帶配置。頭帶還可以包括用于在不同力量之間進行選擇的用戶致動的調節(jié)控制器。由頭帶施加的力量以電子方式被控制。對于由頭帶施加的第一力量，有源降噪電路可以不提供降噪。頭戴式耳機還可以包括電源和控制電子器件，該控制電子器件被配置為當頭帶可能正在施加第一力量時將電源從有源降噪電路解耦，并且當頭帶可能正在施加第二力量時將電源耦合到有源降噪電路。第二力量可以小于第一力量?？刂齐娮悠骷梢园ㄍㄟ^由頭帶施加的力量的調節(jié)而被激活的開關。有源降噪電路還可以被配置為當頭帶以不同力量中的每個力量來配置時施加具有不同頻率響應的降噪。
[0007]有源降噪電路可以具有至少兩種模式，當頭帶被配置為提供第一力量時提供第一降噪量的第一模式，以及當頭帶被配置為提供第二力量時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總噪聲，并且第二模式比第一模式在更大程度上降低低頻噪聲，并且在與第一模式相同的程度上降低高頻噪聲。有源降噪電路還可以被配置為控制頭戴式耳機的總降噪的頻率響應，以使得總頻率響應基本上獨立于由頭帶施加的力量。有源降噪電路還可以被配置為控制頭戴式耳機的總降噪的頻率響應，以使得頭戴式耳機的總降噪的動態(tài)范圍基本上獨立于由頭帶施加的力量。第一耳杯和第二耳杯各自可以耦合到相應的第一墊子和第二墊子，第一墊子和第二墊子按尺寸被制作以使得墊子圍繞用戶的耳朵將耳杯耦合到用戶的頭部。第一耳杯和第二耳杯各自可以耦合到相應的第一墊子和第二墊子，以使得墊子將耳杯耦合到用戶的耳朵的耳廓。
[0008]優(yōu)點包括:提供適合于給定環(huán)境的降噪，使舒適性和態(tài)勢感知(situat1nalawareness)與噪聲保護的需要之間保持平衡。
[0009]根據(jù)說明書和權利要求，其它特征和優(yōu)點將是顯而易見的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1A示出了一副頭戴式耳機。
[0011]圖1B和圖3示出了有源降噪電路。
[0012]圖2示出了衰減曲線的圖?！揪唧w實施方式】
[0013]提供高的無源降噪水平經常導致長期佩戴不舒適的頭戴式耳機和頭戴式耳機。這對于處于諸如士兵、工廠工人和飛行員之類的角色中(其中頭戴式耳機需要長期佩戴)的用戶尤其成問題。該舒適性可以通過在不需要降噪的時候對其妥協(xié)而得以改善，諸如通過在環(huán)境噪聲降低時松開頭戴式耳機的配合。這可以例如在工廠車間的休息期間或者在飛機上起飛之后來完成。然而，對于有源降噪(ANR)頭戴式耳機而言，松開頭戴式耳機可能增加耳杯內空氣的柔量，這需要更多功率用于ANR電路來提供相同的有源降噪水平。其還能夠導致反饋回路的換能器的過驅動(over-driving)，這造成其它的可聽問題。
[0014]由頭戴式耳機提供的無源衰減量受夾緊力的影響，因為夾緊力控制墊子和佩戴者的頭部之間的密封質量。密封質量與墊子和頭部之間的空氣泄漏量有關。對于典型的、柔順的墊子，增加夾緊力產生泄漏的相應減少。即，夾緊力加倍使泄漏量減少大約一半。使泄漏量減半可以使無源衰減增加多達6dB。在另外的理想系統(tǒng)中，將夾緊力增加10倍將減少泄漏90%，并且使無源衰減增加20dB。當然，將夾緊力增加10倍一般將是非常不舒服的。然而，對于典型的頭戴式耳機，夾緊力減半可以提供舒適性的顯著增加，并且僅耗費6dB的無源衰減。在一些示例中，該6dB可以通過有源降噪電路的調節(jié)來恢復，盡管如下文所討論的存在取舍(trade-off)。
[0015]如果有源降噪(ANR)頭戴式耳機將要被松開，則對于ANR電路的調節(jié)存在若干相互抵觸的關注。如上所述，所增加的前腔的柔量(由于墊子和頭部之間所增加的泄漏而產生的)在需要來自該驅動器的增加的壓力以抵消聲音的同時允許輸出換能器的過驅動。過驅動問題能夠通過減少ANR電路的增益來解決，但是這減小了系統(tǒng)的輸出水平，使得不太能夠在還已經降低了無源衰減的同時抵消環(huán)境噪聲。提供使用緊配合所實現(xiàn)的相同的降噪水平將需要增加ANR電路的增益，這能夠導致過驅動或者限幅(通過在過驅動發(fā)生之前削減功率來防止過驅動)。這兩個替換方式可以與另一因素(ANR電路的動態(tài)范圍)進行平衡。
[0016]ANR系統(tǒng)的動態(tài)范圍描述了其能夠抵消的聲音范圍。在保持其穩(wěn)定的同時增加ANR系統(tǒng)的增益可以提供足夠的增加的抵消來補償松散配合，但是其將減小系統(tǒng)的動態(tài)范圍。特別是，其將失去抵消大的低頻噪聲的能力。如果要保留動態(tài)范圍，則可以減小ANR系統(tǒng)的增益。這將提供較少的總衰減，但是它將保持其音調平衡并且避免過驅動?？紤]到這些取舍，則可以設計可調節(jié)的頭戴式耳機，其提供兩種模式一第一模式，提供良好的動態(tài)范圍和良好的衰減，但是提供導致不太舒適的配合的較高夾緊力；以及第二模式，其對動態(tài)范圍和衰減妥協(xié)以通過減小夾緊力來提高舒適性。
[0017]圖2示出了抽象的衰減曲線，其針對三種配置示出了作為頻率的函數(shù)的相對降噪。線202、204和206示出了針對三種不同夾緊力量的無源衰減。對于最高夾緊力，線202示出了最高無源衰減。對于中等夾緊力，線204示出了略少的無源衰減。對于最低夾緊力，線206示出了最少無源衰減。在所有三種情況中，無源衰減在較高頻率是非常顯著的。
[0018]線212、214和216示出了由噪聲抵消電路中的三種不同增益量產生的有源衰減。對于最高夾緊增益，線212示出了最大有源衰減。對于中等增益，線214示出了略微減少的有源衰減。對于最低增益，線216示出了有源衰減中的最大減少。無論增益如何，有源衰減在較低頻率中是非常顯著的。
[0019]增益值可以與相應的夾緊力量配對，以使得對于每個夾緊力值，有源衰減被調節(jié)為對應于無源衰減的減少，以使得低頻衰減和高頻衰減大致保持相同。結果，總衰減線222、224和226分別對應于經匹配的組202和212、204和214以及206和216。因為增益被調節(jié)為匹配減小的夾緊力，所有三條總衰減曲線的整體形狀是大致相同的，僅調節(jié)水平。這保持了每個夾緊力值的動態(tài)范圍和音調平衡。
[0020]在一個實施例中，如圖3所示，頭戴式耳機中的ANR電路300通過輸入302檢測到夾緊力已經被減小。該檢測可以以下文討論的若干方式來完成。作為回應，當生成要由換能器118輸出的抗噪聲信號116時，ANR電路300的增益304被自動調節(jié)以補償所減小的夾緊力。注意到，這不一定意味著ANR水平被增加以彌補無源降噪的損失，盡管那是一種可能。在其它情況下，ANR水平與無源降噪一起被減小，以使得ANR系統(tǒng)未開始限幅。正如圖1B的通用電路100，圖3中的ANR電路300可以以模擬電路或數(shù)字電路或者兩者的某種組合來實施。在模擬示例中，夾緊力輸入302可以僅控制到施加增益304的放大器級的控制輸入的電壓水平(如所示出的)。在數(shù)字示例中，夾緊力可以是到集成的數(shù)字信號處理器(DSP)的輸入,該數(shù)字信號處理器內部施加增益304并且輸出抗噪聲信號166。在一些不例中，施加到存在的信號路徑(反饋、前饋和音頻輸入)中的無論哪種信號路徑的增益各自被單獨地調節(jié)。
[0021]對于飛行員，若干實施方式可能具有價值。在一個示例中，無源降噪和有源降噪兩者可以在起飛和著陸期間被增加，并且在巡航時被減小。在巡航時減小夾緊力提供了增加的舒適性，并且具有改善的態(tài)勢感知的額外好處，因為飛行員能夠較好地聽見未連接到飛機的對講機的環(huán)境聲音，諸如其他機組成員或者乘客。巡航模式期間的ANR可以僅在水平上減小以避免限幅、維持音調平衡并且提高意識，或者其可以另外地調節(jié)其均衡化以補償無源降噪的頻率響應的變化。在一些示例中，ANR濾波器(圖3中的108和/或110)可以被調諧為不積極地抵消聲音頻帶或者根本不抵消聲音頻帶，而繼續(xù)濾除飛機的背景噪聲。
[0022]在另一示例中，ANR頭戴式耳機的一些用戶希望在頭戴式耳機必須關機(諸如對于起飛和著陸期間的商用飛機的乘客而言)或者電池已經耗盡的時候保持某一降噪水平。在該情況下，頭戴式耳機可以提供一種模式，其中夾緊力被增加超過當ANR系統(tǒng)被通電時所需要的，以提供某一額外的無源降噪。犧牲了舒適性，但是通常僅僅每個航班的幾分鐘需要該模式。在一些示例中，用于物理上調節(jié)夾緊力的機制被連接到ANR電路的電源。這允許使配合松散以接通ANR電路。在其它示例中，頭戴式耳機的正常狀態(tài)可以是施加較高的夾緊力，同時每當ANR電路被通電時減小該力。以下討論了用于夾緊力的通電控制的若干機制。
[0023]無源衰減量可以以各種方式來調節(jié)。簡單地說，對于具有可調節(jié)配合的頭戴式耳機，用戶可以僅使調節(jié)松散。在典型的頭戴式耳機中，頭帶的長度可以被調節(jié)以將頭戴式耳機配合到不同尺寸的頭部。對于單一用戶，增加長度導致松配合。雖然這樣的配合還可能導致耳杯以不太期望的角度被呈現(xiàn)給頭部，但是其能夠服務于減小無源降噪并且增加舒適性的目的。對于松緊之間的調節(jié)被期望定期發(fā)生的情況，頭戴式耳機可以提供兩種設置之間的迅速切換，諸如使用增加或者減少兩個設置位置之間的頭帶張力或者長度的杠桿或者旋鈕。另一可能的調節(jié)是頭戴式耳機的轉動部分(諸如連接耳杯到圖1A的示例中的頭帶的軛)的柔量。這具有減小夾緊力而不改變耳杯與頭部之間的角度的優(yōu)點。
[0024]對于配合的調節(jié)可以使用連接到可調節(jié)部分并且通過ANR電路控制的馬達或者其它有源機制來自動進行。有源控制該配合的其它方法可以包括耳杯、墊子或者頭帶結構中的磁性或者氣動組件，該結構以電子方式被控制以改變組件的機械特性或者相互作用。除了改變夾緊力以外，無源衰減還可以通過打開或者關閉耳杯中的裂縫來控制，其再次可以是手動的或者自動的。
[0025]若干方法可以用來檢測對無源降噪的改變，以使得ANR系統(tǒng)可以以上述方式來響應。傳感器可以用來檢測頭戴式耳機的物理配置，其包括機械位置傳感器、應變儀或者壓力傳感器。如果某種開關被用來在無源配置之間進行調節(jié)，則該開關可以被儀表化以提供其狀態(tài)或者狀態(tài)變化的電信號。相反地，如果該配合能夠以電子方式被控制，則該系統(tǒng)可能已經意識到配合狀態(tài)是什么或者能夠檢測變化。已經存在于許多情況中的一個壓力傳感器是基于反饋的ANR系統(tǒng)的系統(tǒng)麥克風，即，圖3中的反饋麥克風104。通過檢測耳杯內的穩(wěn)態(tài)壓力的變化，反饋麥克風可以用來檢測配合的變化。如果使用反饋系統(tǒng)和前饋系統(tǒng)兩者，則可以通過比較兩個麥克風信號來測量無源降噪量。配合的變化可以從無源降噪的變化推斷出來，或者ANR系統(tǒng)可以僅直接響應實際的無源降噪，而沒有特別地具有不同配合狀態(tài)的模式。
[0026]其它實施方式處于下面的權利要求和 申請人:可能被給予權利的其它權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種頭戴式耳機，包括: 第一耳杯和第二耳杯，各自具有適于與用戶的各個耳朵相鄰的前開口并且包括電聲換能器； 頭帶，耦合到所述耳杯中的每個耳杯；以及 有源降噪電路，耦合到所述電聲換能器； 其中 所述頭帶是在至少兩個配置之間可配置的，所述至少兩個配置各自使用不同力量對著所述使用者的頭部按壓所述耳杯；并且所述有源降噪電路被配置為: 確定所述頭帶以所述至少兩個配置中的哪個配置來配置， 當所述頭帶以所述不同力量中的每個力量來配置時，提供不同的降噪量，并且響應于所述頭帶在所述至少兩個配置之間的配置的變化而在所述不同的降噪量之間自動轉換。
2.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，還包括被布置在所述頭帶上以檢測所述頭帶配置的傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，還包括被布置在所述第一耳杯內以檢測所述力量的傳感器，使用所述 力量對著所述用戶的所述頭部按壓所述耳杯。
4.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中所述有源降噪電路被配置為基于從麥克風接收的信號來確定所述頭帶配置。
5.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中所述頭帶還包括用于在所述不同力量之間進行選擇的用戶致動的調節(jié)控制器。
6.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中由所述頭帶施加的所述力量以電子方式被控制。
7.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中對于由所述頭帶施加的第一力量，所述有源降噪電路不提供降噪。
8.根據(jù)權利要求7所述的頭戴式耳機，還包括電源和控制電子器件，其中 所述控制電子器件被配置為當所述頭帶正在施加所述第一力量時將所述電源從所述有源降噪電路解耦，并且當所述頭帶正在施加第二力量時將所述電源耦合到所述有源降噪電路。
9.根據(jù)權利要求8所述的頭戴式耳機，其中所述第二力量小于所述第一力量。
10.根據(jù)權利要求8所述的頭戴式耳機，其中所述控制電子器件包括通過由所述頭帶施加的所述力量的調節(jié)而被激活的開關。
11.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中所述有源降噪電路還被配置為當所述頭帶以所述不同力量中的每個力量來配置時施加具有不同頻率響應的降噪。
12.根據(jù)權利要求11所述的頭戴式耳機，其中: 所述有源降噪電路具有至少兩種模式， 當所述頭帶被配置為提供第一力量時提供第一降噪量的第一模式，以及 當所述頭帶被配置為提供第二力量時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總噪聲；并且所述第二模式比所述第一模式在更大程度上降低低頻噪聲，并且在與所述第一模式相同的程度上降低高頻噪聲。
13.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中所述有源降噪電路還被配置為控制所述頭戴式耳機的總降噪的頻率響應，以使得總頻率響應基本上獨立于由所述頭帶施加的所述力量。
14.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中所述有源降噪電路還被配置為控制所述頭戴式耳機的總降噪的頻率響應，以使得所述頭戴式耳機的所述總降噪的動態(tài)范圍基本上獨立于由所述頭帶施加的所述力量。
15.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中所述第一耳杯和所述第二耳杯各自耦合到相應的第一墊子和第二墊子，所述耳杯以及所述第一墊子和所述第二墊子按尺寸被制作以使得所述墊子圍繞所述用戶的耳朵將所述耳杯耦合到所述用戶的所述頭部。
16.根據(jù)權利要求1所述的頭戴式耳機，其中所述第一耳杯和所述第二耳杯各自耦合到相 應的第一墊子和第二墊子，所述耳杯以及所述第一墊子和所述第二墊子按尺寸被制作以使得所述墊子將所述耳杯耦合到用戶的耳朵的耳廓。
【文檔編號】H04R1/10GK104041070SQ201280057292
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年11月13日 優(yōu)先權日:2011年11月22日
【發(fā)明者】R·薩皮諸斯基 申請人:伯斯有限公司