專利名稱：高頻補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本說明書涉及主動降噪頭戴式耳機中的反饋控制。
背景技術：
參考Bose公司的美國專利No.4,494,074，其名稱為“FeedbackControl”。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，一種用于主動降噪頭戴式耳機的反饋電路，包括聲學元件，其特征在于第一幅度頻率響應；補償器，其特征在于第二幅度頻率響應，用于把第一幅度頻率響應與第二幅度頻率響應相組合從而提供組合的幅度頻率響應，其中第二幅度頻率響應的特征在于在10kHz以上頻譜部分中頻率間隔處具有正斜率的圖案。反饋電路可以在20kHz和50kHz之間具有正斜率。該圖案可以在20kHz和100kHz之間具有正斜率。補償器可以包括數(shù)字濾波器。補償器可以包括模擬濾波器。
在另一方面中，一種方法包括在其特征在于幅度頻率響應的主動降噪頭戴式耳機中，通過在20kHz和50kHz之間具有正斜率的圖案來補償幅度頻率響應。該補償可以包括通過在20kHz和100kHz之間具有正斜率的圖案來補償幅度頻率響應。
在另一方面中，一種用于主動降噪頭戴式耳機的補償圖案(pattern)，其特征在于在20kHz和50kHz之間的頻率范圍中的正斜率。補償圖案的特征可以是在20kHz和100kHz之間的頻率范圍中的正斜率。該補償圖案的特征可以是在20kHz和100kHz之間的大于2階正斜率。
在另一方面中，一種用于主動降噪頭戴式耳機的補償圖案，其特征在于10kHz以上至少一個倍頻程范圍中的正斜率。補償圖案的特征可以是在至少兩個倍頻程范圍中的正斜率。補償圖案的特征可以是在至少三個倍頻程范圍中的正斜率。
在另一方面中，一種方法包括提供其特征在于幅度頻率響應的主動降噪頭戴式耳機以及通過在10kHz以上至少一個倍頻程的頻譜范圍的至少一部分中具有正斜率的圖案來補償幅度頻率響應。該補償可以包括通過在10kHz以上至少兩個倍頻程中具有正斜率的圖案來補償幅度頻率響應。該補償可以包括通過在10kHz以上至少三個倍頻程中具有正斜率的圖案來補償幅度頻率響應。
在本發(fā)明的另一方面中，一種用于在主動降噪頭戴式耳機的反饋電路中增加相位裕度的方法，包括提供包括聲學驅動器的聲學模塊。該聲學驅動器包括沿連接線機械連接到聲能輻射膜片的音圈。聲學模塊還包括沿平行于聲學膜片的預期振動方向并與連接線相交的線定位的麥克風。該聲學模塊的特征在于幅度頻率響應。該方法包括通過在10kHz以上至少一個頻譜范圍上具有正斜率的補償圖案來補償幅度頻率響應。
在另一方面中，一種主動降噪裝置包括聲學驅動器。該聲學驅動器包括膜片和音圈，用于沿施力線將機械力施加到膜片；麥克風，具有在平行于膜片運動的預期方向并與施力線相交的線的2mm內(nèi)定位的麥克風開口；以及用于削弱由聲學驅動器的組件的共振引起的頻率響應偏差的結構。該裝置還包括聲學模塊，其特征在于第一幅度頻率響應，以及補償器，其特征在于第二幅度頻率響應，用于把第一幅度頻率響應與第二幅度頻率響應相組合從而提供組合的幅度頻率響應。第二幅度頻率響應的特征在于在10kHz以上頻譜部分中頻率間隔處具有正斜率的圖案。


當結合附圖閱讀時，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點將從以下詳細描述中變得顯而易見，附圖中圖1A是降噪頭戴式耳機的示意圖；圖1B是圖1A的頭戴式耳機中使用的反饋回路的邏輯布置的框圖；圖2A是減少在聲學驅動器的聲能輻射與在與降噪頭戴式耳機相關聯(lián)的麥克風的聲能到達之間的延時的布置的示意性頂視圖；圖2B是圖2A的布置的示意性剖視圖；圖3是非最小相位延遲的圖示；圖4是作為頻率的函數(shù)的幅度響應的圖示；圖5是作為頻率的函數(shù)的幅度補償圖案的圖示；以及圖6是采用圖5的補償圖案的主動降噪頭戴式耳機的開環(huán)增益的改進的圖示。
具體實施例方式
盡管可以示出多個視圖的元件并在框圖中描述為分立元件以及可以稱為“電路”，除非特別指出，元件可以實現(xiàn)為模擬電路、數(shù)字電路、或一個或多個執(zhí)行軟件指令的微處理器其中之一或其組合。軟件指令可以包括數(shù)字信號處理(DSP)指令。一些處理操作可以用系數(shù)的計算和應用來表示。計算和應用系數(shù)的等同操作可以通過其他模擬或數(shù)字信號處理技術來執(zhí)行，并且這些技術包含在本專利申請的范圍之內(nèi)。
參照圖1A，示出了主動降噪頭戴式耳機110。頭戴式耳機110包括通過頭帶117連接的兩個耳機112。每個耳機112可以包括杯形殼114和襯墊116。頭帶117沿如箭頭119所示向內(nèi)方向施加力，使得將襯墊116推向用戶的頭部并圍繞耳朵(典型地稱為包耳式)以圍住可以包括外耳和耳道的腔；或者使得將襯墊116推向用戶的耳朵(典型地稱為壓耳式)以圍住可以包括外耳和耳道的腔；或者使得將襯墊116推到耳道中(典型地稱為插耳式)以限定可以包括耳道的腔。插耳式頭戴式耳機可以沒有頭帶而實現(xiàn)，而是將耳機的一部分插入到耳道中。在腔中是降噪元件，下面將在圖1B的論述中對其進行描述。
參照圖1B，示出了主動降噪頭戴式耳機中反饋回路的邏輯布置的框圖。信號組合器30組合地連接到用于輸入音頻信號VI的端子24和反饋前置放大器35并連接到補償器37，其則連接到功率放大器32。功率放大器32連接到在由虛線12表示的腔中的聲學驅動器17。聲學驅動器17連接到組合器36，同樣連接到組合器36的是表示進入腔12的噪聲PI的端子25。組合器36的聲學輸出PO施加到連接至輸出前置放大器35的麥克風11，輸出前置放大器35則差動連接到信號組合器30。
腔12表示當降噪頭戴式耳機壓入、壓向或圍繞用戶耳朵時形成的腔。組合器36不是物理元件，而是表示從外部環(huán)境進入腔12的噪聲P1和由聲學驅動器17輻射到腔12中的聲學輸出的聲學和，該和導致腔12中呈現(xiàn)的聲能PO。共同地，圖1B中的聲學元件，包括麥克風11、聲學驅動器17和腔12可以稱為“聲學模塊”100，下面將對其進行論述。
在操作中，在信號組合器30處，放大的誤差信號VE與輸入音頻信號VI相減地組合?？傂盘柼峁┙o補償器37。補償器37提供相位和增益裕度以符合尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。增加相位裕度可以擴展系統(tǒng)在其上保持穩(wěn)定的帶寬，可以增加施加到頻率范圍上的反饋量以增加主動降噪，或者二者都實現(xiàn)。下面將更詳細論述補償器37的各方面。包括應用其中幅度隨頻率變化的圖案的補償類似于稱為“均衡”的處理，并用于本說明書的目的，在反饋電路10內(nèi)應用的均衡相當于補償。系統(tǒng)中可以有其他均衡，例如音頻信號VI可以在施加到組合器30之前被均衡。功率放大器32放大提供給聲學驅動器17的補償?shù)男盘枴Ｂ晫W驅動器17將放大的音頻信號轉換為聲能，其與進入腔12的噪聲PI組合以形成組合的聲能PO。麥克風11將組合的聲能PO轉換為音頻信號，其由前置放大器35放大并作為誤差信號VE相減地提供給信號組合器30。
圖1的電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)是POVI=EBD1+EBDMA,]]>其中E、B、D、M和A分別表示補償器、功率放大器、聲學驅動器、麥克風和前置放大器的依賴于頻率的傳遞函數(shù)。如果分母的EBDMA項＝-1(相當于|EBDMA|＝1并且相位角為-180°)，則電路變得不穩(wěn)定。因此期望布置電路使得存在相位裕度(如下所述)，從而EBDMA的相位角對于任何|EBDMA|≥1的頻率不接近-180°。例如，如果電路布置為使得在任何|EBDMA|≥1的頻率，相位角不負于-135°，則相位裕度至少為180°-135°或45°。換言之，為了維持不少于45°的典型期望相位裕度，在交叉頻率(EBDMA的增益為1或0dB的頻率)的EBDMA的相位角應該小于等于-135°。使得傳遞函數(shù)EBDMA的相位在交叉頻率附近不那么負可以允許交叉頻率的增大，從而擴展系統(tǒng)的有效帶寬。
作為頻率的函數(shù)的相位角的改變是至少兩個原因的結果延時以及與傳遞函數(shù)E、B、D、M和A的幅度相關聯(lián)的相移，其可以是依賴于頻率的。延時(例如圖1的延遲Δt，其表示在由聲學驅動器17產(chǎn)生的聲能的輻射與在麥克風11處聲能的到達之間的延時)作為這樣的相移，其作為頻率的函數(shù)是線性的。延時的其他實例是例如圖1的組件的信號處理組件中，特別是數(shù)字DSP系統(tǒng)中的延遲。與傳遞函數(shù)E、B、D、M和A相關聯(lián)的相移典型地相對于頻率可變。期望減少延時以及減少或補償與傳遞函數(shù)EBDMA相關聯(lián)的相移，使得電路的相位角對于EBDMA的幅度超過1或0(如果以dB表示)的頻率不接近-180°并優(yōu)選地不超過-135°。
參照圖2A和圖2B，分別示出減少在由聲學驅動器17’產(chǎn)生的聲能的輻射與在麥克風11’處聲能的到達之間的延時Δt(圖1)的布置的頂視圖和沿圖2A的線2B-2B的剖視圖。聲學驅動器17’包括沿線42機械連接到膜片40的音圈43。音圈典型地是管狀的，并且連接線42典型地是圓形的，對應于管形的一端。音圈與磁結構47協(xié)作以引起音圈沿由箭頭48指示的期望運動方向線性運動。音圈43對膜片40施加力，引起膜片40在由箭頭48指示的方向上振動以輻射聲能。麥克風11’沿與連接線42相交并平行于由箭頭48指示的期望運動方向的線49在膜片40附近定位。在一些實施方式中，用垂直于運動方向48并相對于膜片40徑向向內(nèi)的開口53為麥克風11’定向。優(yōu)選地，麥克風11’這樣放置使得開口在線49的2mm以內(nèi)并可以與線49對齊。在由箭頭48指示的方向上，麥克風11’定位為盡可能接近膜片40以最小化來自膜片40d的聲能的輻射到達其的延時，但并不太接近而干擾膜片40的振動或負面地影響壓力梯度。
為了說明目的，麥克風11’示出為薄圓柱形麥克風。其他類型的麥克風也是適用的。
根據(jù)圖2A和圖2B的布置是有利的，這是因為在沿線42由音圈到膜片的力的施加與聲能的輻射之間的延時(以及因此在由音圖產(chǎn)生的力的施加與在麥克風11’處聲能的到達之間的延時)小于在麥克風位于不與在音圈43與膜片40之間的連接線42對齊的位置的情況下的延時，例如在膜片的中心上方的點52或在膜片的邊緣上方的點50的延時。
根據(jù)圖2A和圖2B的布置可能經(jīng)受頻率響應偏差，例如尖峰或低谷，原因是音圈43的共振?？梢酝ㄟ^多種方法減少該偏差。一種方法是提供高度阻尼膜片，例如具有薄片層58和60的膜片。在一些實施中，頂層58是平均厚度55微米的聚氨酯，底層60是平均厚度20微米的聚醚酰亞胺。另一種方法是使用剛性材料用于音圈43或提供用于音圈43的加強結構51以將共振頻率移出聲學驅動器的工作范圍。
圖3示出膜片中心上方的點52(圖2A)處放置的麥克風的作為頻率的函數(shù)的非最小相位延遲(由延時引起)的圖示(曲線62)以及根據(jù)圖2A的麥克風11’放置的麥克風的圖示(曲線63)。在圖3的圖示中，相位延遲表示為正度數(shù)。圖3的正度數(shù)相當于本說明書其他部分中的負度數(shù)。例如，圖3中+40度相當于圖1的論述中-40度。
圖4示出包括圖1的聲學驅動器17、麥克風11和腔12的典型聲學模塊的作為頻率的函數(shù)的幅度響應68。在10kHz和20kHz之間存在大約2階的滾降(rolloff)，而在20kHz以上存在非常重要的5階或更高階滾降。換言之，曲線在10kHz和100kHz之間具有低通傾斜響應。通常，認為在10kHz和100kHz之間的頻率范圍是不重要的，這是因為對于大多數(shù)是在頻率的可聽范圍上，并且因為其比主動降噪頭戴式耳機反饋回路的典型高交叉頻率的十倍還要高。然而，與10kHz以上的陡峭滾降相關聯(lián)的相位改變可以影響在頻率的可聽范圍中頻率處的反饋回路的相位角。
圖5示出可由補償器37應用的作為頻率的函數(shù)的幅度補償?shù)膱D案。曲線70表示傳統(tǒng)補償圖案，具有在10kHz和100kHz之間的頻率范圍中應用的輕微滾降的補償。曲線72表示的補償圖案具有在10kHz和50kHz以及直到100kHz之間頻率范圍的至少一部分中應用的陡峭增加的補償量。在20kHz和50kHz以及直到100kHz之間的范圍中，曲線在與曲線68滾降相同的階上具有高的正斜率(大于2階，例如5階)。斜率對于至少一個倍頻程保持正的；例如20kHz到50kHz大于一個倍頻程，并且20kHz到100kHz大于兩個倍頻程。對于這種主動降噪裝置的設計的實例在Roman Sapiejewski的共同未決專利申請“Active Reduction Microphone Placing”中給出，其與本申請同一天提交并在此并入作為參考。
圖6示出采用圖5的曲線72的補償圖案的主動降噪頭戴式耳機的開環(huán)增益(曲線78)相對于使用傳統(tǒng)補償圖案(例如圖5的曲線70)的主動降噪頭戴式耳機(曲線76)的改進。采用圖5中曲線72的補償圖案的頭戴式耳機提供比額外的開環(huán)增益的帶寬的倍頻程更多的倍頻程。
圖5的補償圖案可以由模擬或數(shù)字電路來實現(xiàn)，但更便利地是作為模擬濾波器來實現(xiàn)，包括一個或多個具有足夠增益-帶寬積的運算放大器以及適當布置的電阻器和電容器和電源。
其他實現(xiàn)在權利要求的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于主動降噪頭戴式耳機的反饋電路，包括聲學模塊，其特征在于第一幅度頻率響應；補償器，其特征在于第二幅度頻率響應，用來把第一幅度頻率響應與第二幅度頻率響應相組合從而提供組合的幅度頻率響應，其中第二幅度頻率響應的特征在于在10kHz以上頻譜部分中頻率間隔處具有正斜率的圖案。
2.根據(jù)權利要求1的反饋電路，其中所述圖案在20kHz和50kHz之間具有正斜率。
3.根據(jù)權利要求2的反饋電路，其中所述圖案在20kHz和100kHz之間具有正斜率。
4.根據(jù)權利要求1的反饋電路，其中所述補償器包括數(shù)字濾波器。
5.根據(jù)權利要求1的反饋電路，其中所述補償器包括模擬濾波器。
6.一種方法，包括在其特征在于幅度頻率響應的主動降噪頭戴式耳機中，通過在20kHz和50kHz之間具有正斜率的圖案來補償所述幅度頻率響應。
7.根據(jù)權利要求6的方法，其中所述補償包括通過在20kHz和100kHz之間具有正斜率的圖案來補償所述幅度頻率響應。
8.一種用于主動降噪頭戴式耳機的補償圖案，其特征在于在20kHz和50kHz之間的頻率范圍中的正斜率。
9.根據(jù)權利要求8的補償圖案，其特征進一步在于在20kHz和100kHz之間的頻率范圍中的正斜率。
10.根據(jù)權利要求8的補償圖，其特征進一步在于在20kHz和100kHz之間的大于2階正斜率。
11.一種用于主動降噪頭戴式耳機的補償圖案，其特征在于10kHz以上至少一個倍頻程范圍中的正斜率。
12.根據(jù)權利要求11的補償圖案，其特征在于在至少兩個倍頻程范圍中的正斜率。
13.根據(jù)權利要求12的補償圖案，其特征在于在至少三個倍頻程范圍中的正斜率。
14.一種方法，包括提供其特征在于幅度頻率響應的主動降噪頭戴式耳機；以及通過在10kHz以上至少一個倍頻程的頻譜范圍的至少一部分中具有正斜率的圖案來補償所述幅度頻率響應。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述補償包括通過在10kHz以上至少兩個倍頻程中具有正斜率的圖案來補償所述幅度頻率響應。
16.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述補償包括通過在10kHz以上至少三個倍頻程中具有正斜率的圖案來補償幅度頻率響應。
17.一種用于在主動降噪頭戴式耳機的反饋電路中增加相位裕度的方法，包括提供包括聲學驅動器的聲學模塊，所述聲學驅動器包括沿連接線機械連接到聲能輻射膜片的音圈，所述聲學模塊還包括沿平行于所述聲學膜片的預期振動方向并與所述連接線相交的線定位的麥克風，所述聲學模塊的特征在于幅度頻率響應；以及通過在10kHz以上至少一個頻譜范圍上具有正斜率的補償圖案來補償所述幅度頻率響應。
全文摘要
一種用于增加主動降噪頭戴式耳機的反饋電路中相位裕度的方法和裝置。該方法包括提供聲學模塊，其包括聲學驅動器，該聲學驅動器包括沿連接線機械連接到聲能輻射膜片的音圈，該聲學模塊還包括沿平行于聲學膜片的預期振動方向并與連接線相交的線定位的麥克風，該聲學模塊的特征在于幅度頻率響應，通過在10kHz以上至少一個頻譜范圍上具有正斜率的補償圖案補償該幅度頻率響應。
文檔編號H03G3/32GK101068445SQ200710104499
公開日2007年11月7日 申請日期2007年4月24日 優(yōu)先權日2006年4月24日
發(fā)明者R·薩皮杰維斯基 申請人:伯斯有限公司