CN117278900A - 一种耳机监听的啸叫抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种耳机监听的啸叫抑制方法，其显著特征在于：在耳机内部参考麦克风与次级扬声器形成的闭合反馈回路中，加入一超前校正装置，破坏闭合环路产生自激振荡的条件，对啸叫进行抑制，设计的超前校正装置能够获得很好的啸叫抑制效果，适用于各种头戴式耳机和小型入耳式耳机。

Description

一种耳机监听的啸叫抑制方法

技术领域

本发明涉及环境监听技术领域，尤其涉及一种耳机监听的啸叫抑制方法。

背景技术

目前，大多数头戴式耳机均具有环境监听功能，这类具有监听功能的耳机能将环境中的微小声音进行放大，深受大众喜爱，在日常生活中被广泛应用。在环境监听技术领域，目前被广泛使用的环境监听方法为：当人佩戴耳机环境监听功能开启时，耳机中的参考麦克风将环境中的声音采集后，根据短时能量法计算出此时声音的能量，并由增益控制电路控制耳机中的次级扬声器对声音进行放大，使人耳能够清楚地听到外界的声音，同时也能够保证声音一直处于人耳的舒适区。在专利《一种环境音监听的装置及方法》中就是使用的上述方法。

但是由于耳机需要追求小巧轻便这一的特殊要求，大多数耳机的参考麦克风和次级扬声器距离很近，次级扬声器的发出的声音会传到参考麦克风，形成一个闭环反馈系统，声音信号的这一闭环反馈系统容易出现不稳定，即出现自激振荡，从而产生啸叫，啸叫会使耳机环境监听功能失灵并对佩戴者听力造成损伤，因此在环境监听功能下，需要对啸叫进行抑制。

现有技术中提出了多种耳机啸叫检测的方法，目前通用的方法是：根据短时能量法对采集的声信号的能量进行计算，若能量超过某一阈值，则说明发生了啸叫。这一方法能够很好地检测出耳机发生了啸叫，但对于啸叫的抑制，目前技术的做法是直接断开闭环反馈系统，即关闭环境监听功能，如在专利《耳机啸叫抑制的控制方法、装置及耳机》中，进行啸叫抑制的措施为关闭监听功能，具体方式为：根据第一传感器的采集信号进行耳机啸叫检测，得到耳机啸叫检测结果：根据第二传感器的采集信号进行耳机佩戴状态检测，得到当前耳机佩戴状态，并根据先前检测得到的耳机佩戴状态，确定耳机佩戴状态是否发生改变；根据所述耳机啸叫检测结果以及所述耳机佩戴状态是否发生改变，来控制耳机啸叫抑制的开启和关闭。这并没有从根本上解决此问题，同时也给使用者带来了较差的使用体验。现有技术中并没有提出在不断开声音的闭环反馈系统的情况下，即不关闭环境监听功能的情况下，对耳机的啸叫进行抑制。

发明内容

为克服上述技术中的不足，本发明提出了一种在不关闭耳机监听功能的前提下，耳机监听的啸叫抑制方法。

为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：

一种耳机监听的啸叫抑制方法，如附图3所示，包括参考麦克风、次级扬声器、控制器，参考麦克风实时采集环境声音信号，由控制器计算其瞬时能量，然后控制可变增益电路，即控制滤波器H(z)，对声音信号进行不同程度的放大，并通过次级扬声器输出，其中，H(z)为根据环境监听指标要求由控制器计算得到的实现监听功能的滤波器，F(z)为次级扬声器到参考麦克风的反馈路径，y(n)为次级扬声器发出的声音信号，外界声音信号x(n)与次级扬声器发出的信号y(n)经过反馈路径的反馈信号x_f(n)的叠加为参考麦克风收到的信号，R(z)为该方法中加入的超前校正装置，根据滤波器H(z)和反馈路径F(z)计算得到能够对耳机监听的啸叫进行抑制。

进一步地，耳机使用瞬时能量法实现监听功能，监听的实现过程为：耳机的参考麦克风采集环境声音信号，经过固定增益电路后传入处理器，由控制器计算其瞬时能量，然后控制可变增益电路，对声音信号进行放大，并保证放大后的声音处于人耳舒适区，再通过次级扬声器输出。

进一步地，环境监听的指标为，当外界声音信号大小低于75dB时，次级扬声器输出声音提高10dB，当外界声音信号介于75dB-85dB时，次级扬声器输出声音维持在85dB，当外界声音信号高于85dB时，次级扬声器不发声。

进一步地，该技术实施使用的控制器基于通用平台设计，搭载专用音频ADDA芯片，具有高速、低时延、低功耗等特性，在控制器中根据指标要求计算出H(z)对应的数字滤波器的系数为h(n)，实施时h(n)和R(z)对应的数字滤波器的阶数都为256阶。

附图说明

图1为本发明环境监听原理图；

图2为声音闭环系统原理框图；

图3为进行啸叫抑制后声音闭环系统原理框图；

图4为加入超前校正装置即任意相位滤波器的幅频相频响应图；

图5为测试时未加入超前校正装置时耳罩内录音的时域图；

图6为测试时加入超前校正装置后耳罩内录音的时域图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，来说明本发明的环境音监听方法及装置的具体实施方案：

环境监听原理如附图1所示，通过麦克风及麦克风驱动将环境音从声压级信号转换成电信号x(n)，x(n)经过固定增益电路后的信号为d(n)，计算d(n)的短时能量E(n)，根据E(n)和E₀可得到可变增益器的增益K(n)，最后将d(n)经过可变增益器得到的电信号y(n)，经扬声器发出变成声信号。

声音闭环系统如附图2所示。图中，x(n)为初级声源经过AD转换后的输入；系统计算输入信号的瞬时能量后，根据环境监听的指标要求，通过增益控制系统计算出H(z)，对输入信号进行增益调节，调节完成后，得到输出为y(n)，经DA转换后通过扬声器进行输出；由于耳机的特殊构造，次级扬声器距离参考麦克风很近，次级扬声器发出的声音会通过反馈路径F(z)到达参考麦克风处，这部分信号我们命名为x_f(n)。反馈信号x_f(n)与初级声源信号x(n)叠加得到的输入信号被增益控制系统放大，如此循环往复，系统闭环增益失调，开始自激，引起啸叫。

此系统的闭环增益表达式为：

由信号与系统的理论，我们可以知道，此时HF≈1，增益控制系统的相移与反馈路径相移/>之和为2π整数倍，满足系统自激的幅度和相位条件，故系统会产生自激振荡。

为解决上述系统自激即啸叫问题，我们在增益控制系统前加入一个校正滤波器R，加入校正滤波器后，系统框图如附图3所示：R(z)为加入的校正滤波器。

此时，系统的闭环增益表达式为为抑制反馈路径的影响，加入的校正滤波器应该使/>解得/>根据H(z)和F(z)设计出的R(z)的幅频响应和相频响应如附图4所示，加入R(z)的相频响应为非线性。

此时，尽管系统HRF≈1，但是加入了任意相位滤波器的增益控制系统的相移与反馈路径相移/>之和不再为2π整数倍，破坏了系统自激的相位条件，系统不再满足闭环系统自激的条件，不会再产生自激，啸叫得到抑制。

为验证该方法的有效性，进行如下测试：在耳机外播放频率为1kHz的正弦音，开启耳机监听功能，在耳机的耳罩内放置麦克风进行录音，采集耳机次级扬声器发出的声音，分析比较加入超前校正装置前后录音的区别。

附图5为未加入超前校正装置时耳罩内录音的时域图，从图中可以看出，未加入超前校正装置时，耳机内部发生啸叫，次级扬声器发出的声音不再为正弦音，是多个频率声音的叠加。附图6为加入超前校正装置后耳罩内录音的时域图，从图中可以看出，加入超前校正装置后，监听功能开启时耳机内部不再发生啸叫，次级扬声器发出的声音仍为正弦音。由此可以看出，该方法能够有效进行啸叫抑制，改善耳机进行环境监听时的听感。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替换及以此为基础扩充等若干改进均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (4)

1.一种耳机监听的啸叫抑制方法，其特征在于，耳机包括参考麦克风、次级扬声器和控制器，参考麦克风实时采集环境声音信号，由控制器计算其瞬时能量，然后控制可变增益电路，即控制滤波器H(z)，对声音信号进行不同程度的放大，并通过次级扬声器输出，其中，H(z)为根据环境监听指标要求由控制器计算得到的实现监听功能的滤波器，F(z)为次级扬声器到参考麦克风的反馈路径，y(n)为次级扬声器发出的声音信号，外界声音信号x(n)与次级扬声器发出的信号y(n)经过反馈路径的反馈信号x_f(n)的叠加为参考麦克风收到的信号，R(z)为该方法中加入的超前校正装置，根据滤波器H(z)和反馈路径F(z)计算得到能够对耳机监听的啸叫进行抑制。

2.根据权利要求1所述的一种耳机监听的啸叫抑制方法，其特征在于，耳机使用瞬时能量法实现监听功能，监听的实现过程为：耳机的参考麦克风采集环境声音信号，经过固定增益电路后传入处理器，由控制器计算其瞬时能量，然后控制可变增益电路，对声音信号进行放大，并保证放大后的声音处于人耳舒适区，再通过次级扬声器输出。

3.根据权利要求1所述的一种耳机监听的啸叫抑制方法，其特征在于，监听的指标为，当外界声音信号大小低于75dB时，次级扬声器输出声音提高10dB，当外界声音信号介于75dB-85dB时，次级扬声器输出声音维持在85dB，当外界声音信号高于85dB时，次级扬声器不发声，该指标能够使次级扬声器发出的声音处于人耳舒适区。

4.根据权利要求1所述的一种耳机监听的啸叫抑制方法，其特征在于，控制器基于通用平台设计，搭载专用音频ADDA芯片，具有高速、低时延、低功耗等特性，在控制器中根据指标要求计算出H(z)对应的数字滤波器的系数为h(n)，实施时h(n)和R(z)对应的数字滤波器的阶数都为256阶。