一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统

摘要

本发明涉及有源噪声控制技术领域，具体为一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统，该方法包括：S100：关闭耳机前馈降噪，测量得到被动降噪频响；S200：配置前馈滤波器为n组不同预设值，测量每组预设值对应的外部音箱到声音采集设备麦克风的频响，n大于等于2；S300：计算耳机泄露频响与耳机数字电路频响的总频响，数字电路频响和外部音箱到耳机麦克风以及耳机喇叭到声音采集设备麦克风的总频响；S400：计算得到降噪耳机前馈滤波器的目标频响。本发明提供的一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统，通过外部设备测试前馈滤波器，无需导出耳机内部音频数据，简化了测试复杂度；考虑耳机泄露通路，可以得到更加准确的目标频响结果。

说明书

技术领域

本发明涉及有源噪声控制技术领域，具体为一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统。

背景技术

随着工业化的不断发展，噪声污染逐渐成为影响人们生活的一个重要问题，而针对噪声问题处理，目前主要可分为两大类：主动降噪(ANC)和被动降噪(PNC)。被动降噪对于低频噪声的处理能力较弱，而主动降噪由于采用相消性干涉的手段能有效地抑制低频噪音。随着对各种问题的理论和技术解决方案的日益复杂，ANC的趋势是走向更广泛的算法，以抑制复杂的噪声模式，来实现更加完美的听觉体验。

而对于目前的ANC算法来说，大多采用的是滤波器拟合目标频响的方法，因此，目标频响的测量精准度也极大地影响着降噪耳机的最终性能。传统的目标频响测量方法需要测量耳机内部的通道响应，一方面增加了检测的复杂度和检测时长，另一方面也会引入更多的误差因素，导致降噪质量降低。考虑到其上述的局限性，亟需新的目标频响的检测方法来提高ANC性能。

发明内容

本发明提供了一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统，通过外部设备测试前馈滤波器，无需导出耳机内部音频数据，简化了测试复杂度；考虑耳机泄露通路，可以得到更加准确的目标频响结果。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法，包括以下步骤：

S100：关闭耳机前馈降噪，测量得到被动降噪频响；

S200：启用并配置耳机的前馈滤波器为n组不同预设值，测量每组预设值对应的外部音箱到声音采集设备麦克风的频响，所述n大于等于2；

S300：根据S100和S200的测量结果计算耳机泄露频响与耳机数字电路频响的总频响，计算耳机数字电路频响和外部音箱到耳机麦克风以及耳机喇叭到声音采集设备麦克风的总频响；

S400：计算得到降噪耳机前馈滤波器的目标频响。

进一步，还包括：

S90：固定降噪耳机，将音频分析设备与外部音箱以及声音采集设备的麦克风进行连接；所述声音采集设备为人工耳或假人头，所述音频分析设备包括音频分析仪或电脑和声卡。

进一步，所述S300包括：

S301：计算闭环响应的频响；

S302：计算外部音箱到声音采集设备麦克风的频响。

进一步，所述S301包括：

S3011：耳机麦克风处的总信号频响为：

X(z)+Y(z)E(z)

其中，X(z)为外部音箱在耳机麦克风处的信号频响，Y(z)为耳机喇叭处的输出频响；

S3012：根据S3011可得耳机喇叭处输出频响为：

Y(z)＝C(z)P(z)[X(z)+Y(z)E(z)]

其中，P(z)为降噪耳机数字电路的频响；C(z)为前馈滤波器频响；E(z)为耳机喇叭到耳机外部麦克风的频响，包括耳机喇叭的频响，耳机喇叭泄露到耳机麦克风的声学频响以及耳机麦克风的频响；

S3013：根据以下公式得到所述闭环响应的频响：

其中，H(z)为闭环响应的频响。

进一步，S302中外部音箱到声音采集设备麦克风的频响为：

其中，A(z)为被动降噪频响，D(z)为耳机喇叭到声音采集设备麦克风的频响，包含耳机喇叭的频响，耳机喇叭经过耳道到声音采集设备麦克风的声学频响以及声音采集设备麦克风的频响。

进一步，所述S400包括：

S401：带入S200的多组数据到S302的频响方程，得到耳机泄露频响与耳机数字电路频响的总频响、耳机数字电路频响和外部音箱到耳机麦克风以及耳机喇叭到声音采集设备麦克风的总频响；

S402：根据降噪耳机的目标运行模式构建目标频响求解方程并求解得到目标频响。

进一步，S401中若所述n＝2，则采用联立方程组的方式进行求解；若n>2，则采用线性规划方式进行求解，得到降噪耳机前馈滤波器的目标频响。

进一步，所述S402中降噪耳机的目标运行模式包括降噪模式和通透模式。

进一步，所述S402中目标运行模式为降噪模式时，目标频响求解方程如下：

其中，F(z)为外部音箱到声音采集设备麦克风的频响，M(z)＝E(z)P(z)，M(z)为耳机泄露频响与耳机数字电路频响的总频响：N(z)＝B(z)D(z)P(z)，N(z)为耳机数字电路频响和外部音箱到耳机麦克风以及耳机喇叭到声音采集设备麦克风的总频响。

进一步，本申请还公开了一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测系统，使用了上述的一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法。

本发明技术方案的有益效果为：

相比于传统的目标频响测量方法需要测量耳机内部的通道响应，本发明技术方案中，通过外部设备测试前馈滤波器，无需导出耳机内部音频数据，简化了测试复杂度；同时考虑耳机泄露通路，可以得到更加准确的目标频响结果，进而提高降噪耳机的降噪性能。

附图说明

图1为本发明中一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统实施例中的测试流程图；

图2为本发明中一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统实施例中前馈主动噪声控制系统图；

图3为本发明中一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法及系统实施例中测试过程数据信号图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如图3所示，本实施例使用音频分析设备进行检测分析，音频分析设备与外部音箱以及声音采集设备的麦克风进行连接。具体工作时，音频分析设备输出20Hz～20kHz频段的声音信号，经过外部音箱播放。当耳机降噪关闭时，声音信号经过耳机阻隔由声音采集设备获取，再输入给音频分析设备；当耳机降噪开启时，声音信号经过耳机外部麦克风，再经由耳机内部的前馈滤波器，然后通过耳机内喇叭播放出去，分别被声音采集设备和耳机麦克风获取，其中被耳机麦克风获取的声音信号称为泄漏信号，被声音采集设备获取的声音信号输入到音频分析设备进行处理。

如图2所示，将图3中的信号过程用控制系统框图表示为，由耳机外麦克风输出的声音信号为x(n)，一路经过初级通道P(z)，另一路经过次级通道G(z)和前馈滤波器W(z)，两个信号叠加产生相消性干涉，从而实现前馈降噪。

如图1所示，本实施例的一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法，包括以下步骤：

S90：固定降噪耳机，将音频分析设备与外部音箱以及声音采集设备的麦克风进行连接；所述声音采集设备为人工耳或假人头，所述音频分析设备包括音频分析仪或电脑和声卡。

S100：关闭耳机前馈降噪，测量得到被动降噪频响；

S200：启用并配置耳机的前馈滤波器为n组不同预设值，测量每组预设值对应的外部音箱到声音采集设备麦克风的频响，所述n大于等于2；

S300：根据S100和S200的测量结果计算耳机泄露频响与耳机数字电路频响的总频响，计算耳机数字电路频响和外部音箱到耳机麦克风以及耳机喇叭到声音采集设备麦克风的总频响；

S400：计算得到降噪耳机前馈滤波器的目标频响。

具体地，本实施例中，步骤1所述声音采集设备为人工耳或假人头等，所述音频分析设备为音频分析仪或电脑+声卡等。

更具体地，本实施例中，S300还包括对前馈滤波器频响C(z)和外部音箱到声音采集设备麦克风的频响F(z)关系式的推导：

记P(z)为从麦克风数字输入到喇叭数字输出链路，降噪耳机数字电路的频响。B(z)为外部音箱到耳机麦克风的频响，包含外部音箱的频响，外部音箱经过空气到耳机麦克风的声学频响以及耳机麦克风的频响。D(z)为耳机喇叭到声音采集设备麦克风的频响，包含耳机喇叭的频响，耳机喇叭经过耳道到声音采集设备麦克风的声学频响以及声音采集设备麦克风的频响。E(z)为耳机喇叭到耳机外部麦克风的频响，包含耳机喇叭的频响，耳机喇叭泄露到耳机麦克风的声学频响以及耳机麦克风的频响。

对于耳机麦克风、前馈滤波器频响C(z)、耳机喇叭和泄露频响E(z)组成的反馈系统，假设外部音箱在耳机麦克风处的信号频响为X(z)、耳机喇叭处的输出频响为Y(z)，则耳机麦克风处的总信号频响为：

X(z)+Y(z)E(z)

该信号经过耳机数字电路P(z)及前馈滤波器C(z)，在耳机喇叭处输出，即：

Y(z)＝C(z)P(z)[X(z)+Y(z)E(z)]

可以得到所述闭环响应的频响为：

于是有，外部音箱到声音采集设备麦克风的频响为：

记M(z)＝E(z)P(z)和N(z)＝B(z)D(z)P(z)，则：

[F(z)-A(z)][1-C(z)M(z)]＝C(z)N(z)

[F(z)-A(z)]C(z)M(z)+C(z)N(z)＝F(z)-A(z)

本实施例中，以n＝2为例，采用联立方程组的方式进行求解；在本申请的其他实施例中，若n>2，则采用线性规划方式进行求解。

将两组测量值带入上述方程，有：

求解二元一次方程，得到：

降噪耳机在降噪模式下，滤波目标是使得声音采集设备处声音最小；在通透模式下，滤波目标是使得声音采集设备处各频点频响幅度近似相同。

更具体地，本实施例中，以降噪模式为例，设计前馈滤波器使得：

则目标频响为：

本实施例还公开了一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测系统，使用了本实施例的一种降噪耳机前馈滤波器目标频响检测方法。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。