具有低频反馈回路调制的可穿戴主动降噪（ANR）设备的制作方法

具有低频反馈回路调制的可穿戴主动降噪(anr)设备
技术领域
1.本公开整体涉及用于控制主动降噪(anr)设备中的过载状况的技术。

背景技术：

2.为了将用户的耳朵与不需要的环境声音隔离开而佩戴在用户耳朵周围的个人anr设备的耳机和其他物理配置已变得司空见惯。anr设备通过主动生成抗噪信号来抵消不需要的环境噪声。这些anr设备与被动降噪(pnr)头戴式耳机形成对比，后者只是简单地将用户的耳朵与环境噪声物理隔离。用户特别感兴趣的是anr音频设备，诸如耳机、听筒和/或其他头戴式音频设备，这些音频设备也结合有音频收听功能，从而使用户能够收听以电子方式提供的音频(例如，录制音频或从另一设备接收的音频的回放)，而没有不需要的环境噪声的干扰。然而，常规的anr音频设备可能无法在某些状况下(例如，在过载状况下)充分管理噪声。

技术实现要素：

3.下文提及的所有示例和特征均可以任何技术上可能的方式组合。
4.公开了描述具有反馈补偿器的anr设备的系统和方法，该反馈补偿器采用可调谐滤波器以解决由不利低频事件引起的过载状况。
5.在一些方面，提供了一种具有anr的可穿戴音频设备。该设备包括：反馈麦克风；电声换能器；和反馈补偿器，该反馈补偿器被配置为响应于来自该反馈麦克风的反馈信号而向该电声换能器输出降噪信号。该反馈补偿器包括可调谐滤波器，该可调谐滤波器响应于在从该可调谐滤波器输出的该降噪信号中检测到不利低频事件而调制回路增益，其中该可调谐滤波器被配置为当低频交叉在回路增益调制期间变化时，在该低频交叉附近保持基本上类似的回路增益形状。
6.在特定方面，提供了一种用于anr设备的反馈补偿器，并且该反馈补偿器被配置为响应于来自反馈麦克风的反馈信号而向电声换能器输出降噪信号。该反馈补偿器包括可调谐滤波器，该可调谐滤波器响应于在从该可调谐滤波器输出的该降噪信号中检测到不利低频事件而调制回路增益。该可调谐滤波器被配置为当低频交叉在回路增益调制期间变化时，在该低频交叉附近保持基本上类似的回路增益形状。
7.具体实施可包括以下特征中的一个特征、或它们的任何组合。
8.在某些情况下，该反馈补偿器包括逻辑处理器，该逻辑处理器被配置为响应于在从该可调谐滤波器输出的该降噪信号中检测到不利低频事件来计算倍频器值。
9.在特定方面，根据包括下述操作的方法来计算该倍频器值：将该降噪信号与指示不利低频事件的阈值进行比较；以及响应于该降噪信号超过该阈值，计算当前倍频器值。
10.在一些情况下，该方法还包括将该当前倍频器值与先前倍频器值进行比较以确定该不利低频事件是增加的还是耗散的。
11.在一些具体实施中，响应于该当前倍频器值大于该先前倍频器值，将该当前倍频
器值输出到该可调谐滤波器。
12.在一些具体实施中，响应于该当前倍频器值小于该先前倍频器值，基于由该逻辑处理器实现的衰减函数将经调节的倍频器值输出到该可调谐滤波器。
13.在一些情况下，基于预测不利低频事件的估计器将经调节的倍频器值输出到该可调谐滤波器。
14.在某些情况下，该反馈补偿器还包括固定滤波器，该固定滤波器被配置为对反馈麦克风信号进行滤波并且将经滤波的信号输出到该可调谐滤波器。
15.在各种具体实施中，在该低频交叉附近的该基本上类似的回路增益形状包括形状上基本类似的量值和相位。
16.在一些情况下，该可调谐滤波器被配置为通过由输入的倍频器值所确定的因子来改变该低频交叉。
17.本公开中所述的两个或更多个特征，包括本发明内容部分中所述的那些，可组合以形成在本文未具体描述的具体实施。
18.一个或多个具体实施的细节在附图和以下描述中论述。其他特征、对象和有益效果在说明书、附图和权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
19.图1示出了根据各种具体实施的anr设备。
20.图2示出了根据各种具体实施的具有包括可调谐滤波器的反馈补偿器的anr设备的框图。
21.图3示出了根据各种具体实施的示出用于可调谐滤波器的不同反馈回路增益的曲线图。
22.图4示出了根据各种具体实施的示出用于可调谐滤波器的不同滤波器设置的回路增益灵敏度的曲线图。
23.图5示出了用于实现图3的回路增益的可调谐滤波器设计。
24.需注意，各种具体实施的附图未必按比例绘制。附图仅旨在示出本公开的典型方面，因此不应视为限制具体实施的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间类似的元件。
具体实施方式
25.本公开至少部分地基于这样一种认识，即可以在可穿戴主动降噪(anr)音频设备中引入反馈补偿器以提供改进的性能。例如，anr音频设备可以包括被配置为解决不利低频事件的反馈补偿器。
26.本公开的实施方案涉及一种具有反馈补偿器的主动降噪(anr)设备，该反馈补偿器被配置为解决由不利低频事件引起的过载状况。在一些实施方案中，该anr设备可以包括可配置的数字信号处理器(dsp)，该dsp可用于实现各种信号流拓扑和滤波器配置。此类dsp的示例在美国专利8,073,150和8,073,151中有所描述，这些专利全文以引用方式并入本文。图1示出例示性入耳式anr设备100，其包括前馈麦克风102、反馈麦克风104、输出换能器106(其也可称为电声换能器或声换能器)以及耦接到两个麦克风和输出换能器以基于在两个麦克风处检测到的信号向该输出换能器提供抗噪信号的降噪电路(未示出)。电路的附加
输入(图1中未示出)提供附加音频信号，诸如音乐信号或通信信号，以用于独立于降噪信号在输出换能器106上回放。美国专利9,082,388(同样全文以引用方式并入本文)描述了类似于图1所示的入耳式anr设备的具体实施。
27.尽管在图1中示出为入耳式设备，但anr设备100的特征可以结合到任何类型的可穿戴个人声学设备中，包括头戴式耳机、耳机、入耳式耳机、耳罩式耳机或包耳式耳机、听筒和助听器。典型的头戴式耳机或耳机可包括用于每个耳朵的耳塞或耳罩。耳塞或耳罩可彼此物理地系在一起，例如通过绳索、头戴桥接部或头带或头后保持结构。在一些具体实施中，耳机的耳塞或耳罩可经由无线链路彼此连接。
28.图2示出anr设备200的例示性框图，该anr设备包括反馈补偿器110，用以减少由一个或多个反馈麦克风124拾取的噪声信号的影响。在这种情况下，反馈降噪路径130驱动输出换能器126以产生抗噪信号。该例示性信号流拓扑还包括其他音频信号122，诸如前馈降噪信号、音乐信号或通信信号，以用于在输出换能器126上回放。
29.在标称的操作条件下，典型anr设备尝试减小的声学噪声能量足够小以使得系统硬件保持在正常操作容量内。然而，在一些情况下，由反馈麦克风拾取的在本文中被称为“不利低频事件”的离散声学信号或低频压力干扰(例如，大声爆裂声、爆炸声、门砰声等)可使降噪电路在试图减小所产生的噪声时超出电子器件或输出换能器的容量，从而产生可令一些用户反感的听觉伪像。在其他情况下，不利低频事件在内部产生，例如当用户以沉重的脚步声行走或咀嚼松脆食物时，用户的耳道壁可能振动并通过插入的耳塞产生大量压力。在本文中被称为过载状况的这些状况可通过例如放大器的削波、达到或超过声驱动器或换能器的硬性偏移限制或者引起声学响应的充分变化从而引起振荡和/或导致驱动器出现非线性和失真音频的偏移水平来体现。
30.在小外形anr设备(诸如入耳式耳机)中过载状况的问题可能尤其严重。例如，为了补偿不利低频事件(例如，公交车经过坑洼、门砰声或飞机起飞的声音)，在标称条件下工作的常规反馈补偿器可生成需要声换能器超过对应物理偏移限制的信号。由于声泄漏，产生给定压力的偏移或驱动器位移通常随频率减小而增大。例如，特定的声换能器可能需要位移1mm才能生成针对100hz噪声的抗噪信号，位移2mm才能生成针对50hz噪声的抗噪信号，依此类推。许多声换能器，尤其是用于小外形anr设备中的小换能器，在物理上不能产生此类大的位移。在此类情况下，补偿器的高位移需求可使得换能器生成引起听觉伪像的声音，这可能导致令人反感的用户体验。听觉伪像可包括振荡、可能令人反感的瞬态声音(例如“重击声”、“断裂声”，“爆裂声”或“咔嗒声”)或劈啪/蜂鸣声。
31.图2所示的反馈补偿器110通过提供可调谐滤波器114来解决上述问题，该可调谐滤波器响应于在从可调谐滤波器114输出的降噪信号130中检测到的不利低频事件而调制回路增益。在该例示性实施方案中，固定滤波器112首先从反馈麦克风124接收信号，然后将滤波信号传递到可调谐滤波器114。固定滤波器112可以例如包括用于提供基于反馈的anr并提供标称回路增益的典型滤波器。通过可调谐滤波器114响应于反馈信号而调节的回路增益通常包括反馈滤波器响应(如由可调谐滤波器114实现)乘以工厂传递函数，即，从换能器126电压到麦克风124电压的传递函数。
32.在一些实施方案中，可调谐滤波器114被配置为以低频交叉增加和减小，同时在该交叉附近保持类似回路增益形状的方式调制回路增益。这样，可调谐滤波器114能够基于反
馈信号改变其滤波器响应，使得当低频交叉移动时，反馈回路增益在该低频交叉附近保持形状上基本类似的量值和相位。保持基本上类似的回路增益形状确保始终保持稳定裕度与anr性能之间的期望权衡，同时确保设备200不尝试对太响亮以至设备无法处理的低频噪声(通常为亚音速)做出反应。
33.此外，在一些实施方案中，采用逻辑处理器116来确定反馈补偿器110何时需要调制、调制多少，以及何时返回到标称条件。在一种方法中，当检测到不利事件时，逻辑处理器116利用快速攻击策略使得可调谐滤波器114立即降低低频anr性能(以尽快解决不利影响)，然后是缓慢衰减，其中较低频率性能逐渐地恢复(以最大限度地减少瞬态伪像和由于重复或连续的过载事件而引起的不必要的来回调制)。在一些情况下，提供估计器120以确定在调制可调谐滤波器114时是否遇到另外的不利事件，以便直到不再发生问题事件为止才移回标称操作。尽管未示出，但在一些方法中，估计器120还可以处理来自反馈和前馈麦克风的信号或其他输入，诸如来自远程附件设备(诸如电话)上的机器学习模型的输出。
34.在所示的例示性实施方案中，阈值处理器118将降噪信号130与指示不利低频事件的阈值进行比较。在各种具体实施中，如果阈值处理器118检测到未超过阈值，则低频anr性能保持在标称水平以提供期望的anr处理。响应于阈值处理器118检测到降噪信号130超过阈值，基于超过阈值的量来确定倍频器值(fmv)134(例如，连续取值范围从1到6，其中1表示标称条件)。例如，如果仅略微超过阈值，则分配倍频器值fmv＝2。如果超过阈值很大量，则分配倍频器值fmv＝6。然后将倍频器值134发送到逻辑处理器116，该逻辑处理器在延迟132之后将经调节的倍频器值136发送到可调谐滤波器114以潜在地调制回路增益。在一些实施方案中，逻辑处理器116基于以下各项调节倍频器值134：(1)延迟的(即，先前的)倍频器值138；和(2)估计器输出140。
35.在一种方法中，逻辑处理器116将当前倍频器值134与先前倍频器值138进行比较以确定不利低频事件是增加的还是耗散的。如果不利低频事件是增加的(即，当前值134大于先前值138)，则可将当前倍频器值134输出到可调谐滤波器114，而无需修改为快速攻击，以立即解决该事件。另选地，如果当前倍频器值134小于先前倍频器值138，则基于以下各项对当前倍频器值134进行调节并输出到可调谐滤波器114：(1)由逻辑处理器116实现的衰减函数128；和(2)估计器输出140。
36.衰减函数128可以例如包括基于时间的函数，其在一段时间内逐渐地减少初始的快速攻击倍频器值直到其达到标称状态。例如，衰减函数128可以指定用于可调谐滤波器114的连续值范围。如果估计器120确定正在发生附加的不利事件，则估计器输出140可以进一步改变衰减函数128的行为。例如，如果设备200的用户正在跑步，则每一步都可能产生不利低频事件。在这些条件下，估计器120可以使逻辑处理器116保持中等倍频器值，而不是重复地生成更高的快速攻击值或更低的衰减值。
37.在例示性示例中，fmv可能首先达到高值，例如5。在短时间(例如，四分之一秒)之后，fmv将随后在一定时间长度内衰减到例如3。然后，fmv将在一段时间(例如，两秒)内保持在该水平，然后逐渐衰减回1。如果估计器120检测到另外的不利事件，则这两秒的时间段将被重置。因此，如果不利事件在少于两秒之间继续发生，则fmv将保持在3，直到它们停止发生为止。
38.在例示性方法中，估计器120将当前驱动器信号130传递通过另一调制滤波器。这
种调制滤波器与可调谐滤波器114不同，而是使用估计值，它将当前驱动器信号130转变为在未施加可调谐滤波器114的情况下的状态，从而基本上撤销了可调谐滤波器114所做的操作(尽管不是以反向方式，因为估计器120在回路之外。
39.在各种实施方案中，实现可调谐滤波器114以当低频交叉在调制期间增加或减小时，保持基本上类似的回路增益形状。这种示例在图3中示出，其中描绘了与示出为fmv＝1、fmv＝2、fmv＝4和fmv＝8的四个不同回路增益(例如，由不同的输入倍频器值产生)相关联的量值和相位图300，fmv＝1对应于初始或标称信号，fmv＝2对应于高于初始信号一个倍频程，fmv＝4对应于高于初始信号两个倍频程，并且fmv＝8对应于高于初始信号三个倍频程。如在顶部的量值曲线图中所见，每个回路增益图在低频交叉(即，量值过零的近似点)处具有基本上类似的形状(即，斜率)，如箭头310所示。类似地，如在底部的相位图中所见，每个回路增益在低频交叉处具有相对于180度的基本上类似的相位偏移，如箭头320所示。
40.图4示出用于经调制的灵敏度的量值和相位的另外的曲线图。可以看出，可调谐滤波器114的灵敏度对于各种倍频器值也保持一致。灵敏度在数学上等于
[0041][0042]
，其取决于是否将回路增益定义为包括反馈回路的负号(就图3而言，该回路增益包括负号，因此第一表达式适用)。灵敏度表示反馈麦克风124处的主动降噪(其与在高频率下的耳中的情况略有不同)，即越低越好。此外，在接近交叉处观察到的高于零的峰值的量是稳定裕度的直接衡量标准。裕度越低，峰值越高，放大率也越高。灵敏度的相位检查系统应为稳定的。
[0043]
图5示出了用于实现图3的回路增益的例示性可调谐滤波器设计。可以看出，图3(fmv＝1)所示的标称回路增益仅由固定滤波器112实现。
[0044]
返回到图2，在各种具体实施中，可调谐滤波器114以低频交叉可以增加和减小，同时在该交叉附近保持类似回路增益形状的任何方式实现。在一个例示性实施方案中，使用查表来基于输入的倍频器值136选择一组滤波器系数。这样，每次接收到新的倍频器值136时对可调谐滤波器114进行调制，以在低频交叉处保持类似形状。在此类实施方案中，可利用一组双二阶滤波器(也称为二阶块(sos)滤波器)来实现可调谐滤波器114，该组滤波器可以动态地更新以改变回路增益并满足交叉要求。在一种方法中，针对一组阶梯式fmv(例如，10)预先计算滤波器系数。当被馈送到可调谐滤波器114中的fmv发生变化时，选择10个中在任何给定时间最接近的值，并且将查表中的对应滤波器系数加载到可调谐滤波器中。在另外的变型中，当fmv落在查表中的两个值之间时，计算插值系数以获得更平滑变化的滤波器。在另外的变型中，基于fmv对动态地计算系数，并且然后将其加载到滤波器中，从而消除了对查表的需要，但需要更多的计算资源。
[0045]
在另一个实施方案中，利用一组“固定”双二阶滤波器来实现可调谐滤波器114，其中每个滤波器均与一个或多个倍频器值相关联。在这种情况下，当倍频器值136发生变化时，系数不变，而是选择性地利用不同的实际滤波器。
[0046]
应当理解，anr设备200中的一个或多个功能可被实现为硬件和/或软件，并且各种部件可包括通过任何常规方式(例如，硬连线和/或无线连接)连接部件的通信路径。例如，一个或多个非易失性设备(例如，诸如闪存存储器设备的集中式或分布式设备)可存储和/
或执行用于anr设备200中的一个或多个系统的程序、算法和/或参数。另外，本文所述的功能或其部分，以及其各种修改(下文称为“功能”)可至少部分地经由计算机程序产品实现，例如在信息载体中有形实施的计算机程序，诸如一个或多个非暂态机器可读介质，用于执行，或控制一个或多个数据处理装置，例如可编程处理器、计算机、多个计算机和/或可编程逻辑部件的操作。
[0047]
计算机程序可以任何形式的编程语言被写入，包括编译或解释语言，并且它可以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适于用在计算环境中的其他单元。计算机程序可被部署在一个计算机上或在一个站点或多个站点分布以及通过网络互联的多个计算机上执行。
[0048]
与实现全部或部分功能相关联的动作可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以执行功能。功能的全部或部分可被实现为专用目的逻辑电路，例如fpga(现场可编程门阵列)和/或asic(专用集成电路)。适用于执行计算机程序的处理器例如包括通用微处理器和专用微处理器两者，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般来讲，处理器可接收来自只读存储器或随机存取存储器或两者的指令和数据。计算机的部件包括用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。
[0049]
另外，可由一个或多个联网计算设备执行与实现本文所述的全部或部分功能相关联的动作。联网计算设备可通过网络例如一个或多个有线和/或无线网络诸如局域网(lan)、广域网(wan)、个人局域网(pan)、互联网连接设备和/或网络和/或基于云的计算(例如，基于云的服务器)来连接。
[0050]
在各种具体实施中，被描述为“耦接”的电子部件可以经由常规的硬连线和/或无线装置链接，使得这些电子部件可以彼此传送数据。另外，给定部件内的子部件可被认为是经由常规路径链接的，这可能不一定被示出。
[0051]
出于说明的目的，附图中通常标记的部件被认为是基本上等同的部件，并且为了清楚起见，省略了对那些部件的冗余讨论。根据各种具体实施描述的数值范围和值仅仅是此类范围和值的示例，并且不旨在限制那些具体实施。在一些情况下，术语“大约”用于修改值，并且在这些情况下，可以指值+/-误差(诸如测量误差)的裕度，该误差可以在最高至1％到5％的范围内。
[0052]
已描述了多个具体实施。然而，应当理解，在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下，可进行附加修改，并且因此，其他具体实施在以下权利要求书的范围内。

技术特征：

1.一种具有主动降噪(anr)的可穿戴音频设备，包括：反馈麦克风；电声换能器；以及反馈补偿器，所述反馈补偿器被配置为响应于来自所述反馈麦克风的反馈信号向所述电声换能器输出降噪信号，其中所述反馈补偿器包括可调谐滤波器，所述可调谐滤波器响应于在从所述可调谐滤波器输出的所述降噪信号中检测到不利低频事件而调制回路增益，并且其中所述可调谐滤波器被配置为当低频交叉在回路增益调制期间变化时，在所述低频交叉附近保持基本上类似的回路增益形状。2.根据权利要求1所述的可穿戴音频设备，其中所述反馈补偿器还包括逻辑处理器，所述逻辑处理器被配置为响应于在从所述可调谐滤波器输出的所述降噪信号中检测到不利低频事件来计算倍频器值。3.根据权利要求2所述的可穿戴音频设备，其中根据包括以下操作的方法来计算所述倍频器值：将所述降噪信号与指示不利低频事件的阈值进行比较；以及响应于所述降噪信号超过所述阈值，计算当前倍频器值。4.根据权利要求3所述的可穿戴音频设备，其中所述方法还包括：将所述当前倍频器值与先前倍频器值进行比较以确定所述不利低频事件是增加的还是耗散的。5.根据权利要求4所述的可穿戴音频设备，其中响应于所述当前倍频器值大于所述先前倍频器值，将所述当前倍频器值输出到所述可调谐滤波器。6.根据权利要求4所述的可穿戴音频设备，其中响应于所述当前倍频器值小于所述先前倍频器值，基于由所述逻辑处理器实现的衰减函数将经调节的倍频器值输出到所述可调谐滤波器。7.根据权利要求4所述的可穿戴音频设备，其中响应于所述当前倍频器值小于所述先前倍频器值，基于预测不利低频事件的估计器将经调节的倍频器值输出到所述可调谐滤波器。8.根据权利要求1所述的可穿戴音频设备，其中所述反馈补偿器还包括固定滤波器，所述固定滤波器被配置为对所述反馈信号进行滤波并且将经滤波的信号输出到所述可调谐滤波器。9.根据权利要求1所述的可穿戴音频设备，其中在所述低频交叉附近的所述基本上类似的回路增益形状包括形状上基本的量值和相位。10.根据权利要求1所述的可穿戴音频设备，其中所述可调谐滤波器被配置为通过由输入的倍频器值所确定的因子来改变所述低频交叉。11.一种用于主动降噪(anr)设备的反馈补偿器，所述反馈补偿器被配置为响应于来自反馈麦克风的反馈信号向电声换能器输出降噪信号，其中所述反馈补偿器包括：可调谐滤波器，所述可调谐滤波器响应于在从所述可调谐滤波器输出的所述降噪信号中检测到不利低频事件而调制回路增益，其中所述可调谐滤波器被配置为当低频交叉在回路增益调制期间变化时，在所述低频交叉附近保持基本上类似的回路增益形状。12.根据权利要求11所述的反馈补偿器，还包括逻辑处理器，所述逻辑处理器被配置为
响应于在从所述可调谐滤波器输出的所述降噪信号中检测到不利低频事件来计算倍频器值。13.根据权利要求12所述的反馈补偿器，其中根据包括以下操作的方法来计算所述倍频器值：将所述降噪信号与指示不利低频事件的阈值进行比较；以及响应于所述降噪信号超过所述阈值，计算当前倍频器值。14.根据权利要求13所述的反馈补偿器，其中所述方法还包括：将所述当前倍频器值与先前倍频器值进行比较以确定所述不利低频事件是增加的还是耗散的。15.根据权利要求14所述的反馈补偿器，其中响应于所述当前倍频器值大于所述先前倍频器值，将所述当前倍频器值输出到所述可调谐滤波器。16.根据权利要求14所述的反馈补偿器，其中响应于所述当前倍频器值小于所述先前倍频器值，基于由所述逻辑处理器实现的衰减函数将经调节的倍频器值输出到所述可调谐滤波器。17.根据权利要求14所述的反馈补偿器，其中响应于所述当前倍频器值小于所述先前倍频器值，基于预测未来不利低频事件的估计器将经调节的倍频器值输出到所述可调谐滤波器。18.根据权利要求11所述的反馈补偿器，其中所述反馈补偿器还包括固定滤波器，所述固定滤波器被配置为对所述反馈信号进行滤波并且将经滤波的信号输出到所述可调谐滤波器。19.根据权利要求11所述的反馈补偿器，其中在所述低频交叉附近的所述基本上类似的回路增益形状包括形状上基本类似的量值和相位。20.根据权利要求11所述的反馈补偿器，其中所述可调谐滤波器被配置为通过由输入的倍频器值所确定的因子来改变所述低频交叉。

技术总结

各个方面包括具有主动降噪(ANR)的可穿戴音频设备，其中该ANR设备包括：反馈麦克风；电声换能器；和反馈补偿器，该反馈补偿器被配置为响应于来自该反馈麦克风的反馈信号向该电声换能器输出降噪信号，其中该反馈补偿器包括可调谐滤波器，该可调谐滤波器响应于在从该可调谐滤波器输出的该降噪信号中检测到不利低频事件而调制回路增益，其中该可调谐滤波器被配置为当低频交叉在回路增益调制期间变化时，在该低频交叉附近保持基本上类似的回路增益形状。形状。形状。