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CN109565626B - 具有主动降噪功能的声学开放式耳机 - Google Patents

具有主动降噪功能的声学开放式耳机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耳机，该耳机包括电声换能器和支撑结构，该支撑结构用于在用户佩戴时将换能器悬挂在用户的耳部附近，使得耳机为声学开放式的。第一麦克风耦接到换能器和支撑结构中的一者或多者，使得第一麦克风位于换能器的基本上宽带声学零点中。处理器耦接到耳机。麦克风接收声压波并将相关的电子信号输出到处理器。处理器使用电子信号操作换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。

Description

具有主动降噪功能的声学开放式耳机
相关申请的交叉引用
本申请可涉及均提交于2016年1月12日的待审美国专利申请14/993,443和14/993,607。
技术领域
本公开涉及音频设备领域，更具体地，涉及具有主动降噪功能的声学开放式耳机。
背景技术
耳机通常位于耳部里、耳部上或耳部上方。一种结果是阻隔外界声音。这对佩戴者参与对话的能力以及佩戴者的环境/情境感知有影响。因此，期望至少在一些情况下允许外界声音到达使用耳机的人的耳部。
耳机可被设计为位于耳外，以便允许外界声音到达佩戴者的耳部。此类型的耳机有时被称为开放式耳机。开放式耳机的两个益处是情境意识和无遮挡。
随着外部环境开始变得越来越嘈杂并且用户无法欣赏他们正在收听的音频，这些益处的价值会降低。在上面的嘈杂环境中，例如70dBA(特别是潺潺声)，开放式耳机体验迅速恶化。正是在这些环境中，开放式耳机可得益于主动降噪(ANR)。
发明内容
一般来讲，在一个方面，耳机包括电声换能器和支撑结构，该支撑结构用于在用户佩戴时将换能器悬挂在用户的耳部附近，使得耳机为声学开放式的。第一麦克风耦接到换能器和支撑结构中的一者或多者，使得第一麦克风位于换能器的基本上宽带声学零点中。处理器耦接到耳机。麦克风接收声压波并将相关的电子信号输出到处理器。处理器使用电子信号操作换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。
具体实施可以任何组合包括以下各项中的一者或多者。第二麦克风耦接到换能器和支撑结构中的一者或多者。第二麦克风是位于换能器和用户的耳部之间的反馈麦克风。第二麦克风接收声压波并将相关电子信号输出到处理器。处理器使用这些电子信号操作换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。第一麦克风基本上位于换能器的框的周边。耳机还包括一个或多个附加麦克风，该一个或多个附加麦克风还耦接到换能器和支撑结构中的一者或多者，使得一个或多个附加麦克风也位于换能器的基本上宽带声学零点中。该一个或多个附加麦克风接收声压波并将相关电子信号输出到处理器。处理器使用这些电子信号操作换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。当耳机附近的噪声水平下降到一定水平以下时，处理器停止使用电子信号来操作换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。在电声换能器的后部和前部处的声阻抗是基本上相同的。耳机还包括围绕电声换能器的隔膜的一对框。每个框具有一个或多个开口，使得在电声换能器的后部和前部处的声阻抗是基本上相同的。
一般来讲，在另一个方面，耳机包括电声换能器和支撑结构，该支撑结构用于在用户佩戴时将换能器悬挂在用户的耳部附近，使得耳机为声学开放式的。第一麦克风耦接到换能器和支撑结构中的一者或多者。处理器耦接到耳机。麦克风接收声压波并将相关的电子信号输出到处理器。处理器使用电子信号操作换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。
具体实施可以任何组合包括上面和下面的特征中的一者或多者。第一麦克风是前馈麦克风。
一般来讲，在另一个方面，用于产生声音的装置包括电声换能器和耦接到该换能器的第一麦克风，使得第一麦克风位于换能器的基本上宽带声学零点中。处理器耦接到麦克风。麦克风接收声压波并将相关的电子信号输出到处理器。处理器使用电子信号操作换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。
具体实施可以任何组合包括上面和下面的特征中的一者或多者。在电声换能器的后部和前部处的声阻抗是基本上相同的。
可以任何技术上可能的方式组合上文所提及的所有示例和特征。其他特征和优点在具体实施方式和权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
图1示出了人戴着一副耳机时的前视图；
图2A是图1所述耳机中的一个的侧视图，其背离用户的耳部；
图2B是图1所述一个耳机的另一侧的透视图，其面向用户的耳部；
图3是处理器、两个麦克风和电声换能器的框图；
图4是示出相对于频率的ANR幅度的曲线图；
图5是示出在后框上具有网片的电声驱动器的偶极行为的曲线图；
图6是示出从后框移除网片的电声驱动器的偶极行为的曲线图；
图7A是用于耳机的音频单元的仰视图；并且
图7B是沿图7A的线7B-7B截取的横截面图。
具体实施方式
下面的描述公开了位于耳外的开放式耳机，以便允许外界声音到达佩戴者的耳部。一个或多个麦克风用于感测耳机附近的环境中的噪声。然后，处理器使用麦克风信号来操作耳机的电声换能器，以减少耳机用户听到的噪声。因此，即使在嘈杂的环境中，用户也能够更清楚地听到他们正在通过他们的耳机收听的音频节目。ANR具有增大音量的等同效果，并且可使耳机更适合于高于70dBA的嘈杂环境。
参考图1，一对耳机10、12各自包括电声换能器(在下文中更详细地讨论)。耳机各自连接到支撑结构14，该支撑结构用于在由用户18佩戴时将相应换能器悬挂在用户的耳部16附近。因此，耳机为声学开放式的，这意味着耳机仅在最小程度上被动地干扰用户在其环境中听到声音。这有助于保持完全自然的自我声音(用户的声音自己听起来很自然)以及情境意识。
在该示例中，支撑结构14呈放置在用户18的颈背上的颈带的形式。支撑结构14还环绕并放置在每个用户的耳部的耳廓上方，然后延伸以将每个耳机10、12支撑在与用户的相应耳部稍微间隔开的位置。这种布置在用户佩戴耳机时提供舒适性。另选地，支撑结构可为更传统的头带，其横跨用户头部的顶部和侧面延伸。
转到图2A，第一麦克风20耦接到电声换能器22。在该示例中，麦克风20是前馈麦克风，其连接到并基本上位于电声换能器22的后框24的周边。另选地或除此之外，麦克风20可连接到支撑结构14的一部分。优选的是，麦克风20位于电声换能器22的基本上宽带声学零点中。这意味着电声换能器22位于从移动隔膜两侧输出的声能(下文进一步讨论)在宽频带上基本上相互抵消的位置。低频带宽限制来自换能器抵消噪声(例如，约50Hz)的能力。高频前馈带宽由零点的带宽控制(在图6中，这约为4kHz)。因此，在该示例中，该宽带声学零点在约50-4000Hz的范围内。一个或多个附加的前馈麦克风(未示出)可耦接到电声换能器22和支撑结构14中的一者或多者，使得一个或多个附加麦克风也位于换能器的基本上宽带声学零点中。
参考图2B，第二麦克风26耦接到电声换能器22的前框28。在该示例中，麦克风26是反馈麦克风。另选地或除此之外，麦克风26可连接到支撑结构14的一部分。麦克风26位于换能器和用户的耳部之间。同样可见的是隔膜30以及电声换能器22的环绕件32。环绕件32是悬架，该悬架允许隔膜30振动以产生声波。
转到图3，处理器34与麦克风20和26以及电声换能器22电连接。处于电声换能器22的宽带声学零点中的麦克风20拾取耳机附近的声压波，该声压波完全或大部分不由电声换能器22产生。麦克风20向处理器34输出电子信号，该电子信号与被拾取的声压波(即环境噪声)有关。
麦克风26还拾取耳机附近的声压波，但也拾取由电声换能器22产生的声压波。麦克风26向处理器34输出电子信号，该电子信号与被拾取的声压波有关。处理器34从麦克风26发送的信号中减去用于驱动电声换能器22的电子信号。所得信号表示耳机附近的环境噪声。处理器34使用来自麦克风20和26的电子信号操作电声换能器22以减少用户的耳部处的目标声压波。这是本领域技术人员已知的主动降噪系统。处理器使用本领域技术人员已知的麦克风20和26的信号(参见，例如美国专利8,184,822和8,416,960)。
当来自麦克风20和26中的一者或两者的信号向处理器34指示耳机附近的噪声水平已下降到低于某一水平(例如，大约65dBA)时，处理器停止使用来自麦克风的电子信号，以操作电声换能器22减少用户的耳部处的目标声压波。实质上，当用户周围的环境相对安静时，关闭主动降噪系统以节省电池电量是有意义的。
参考图4，曲线图示出了在单个人头上测量的图1的颈带式开放式耳机的相对于频率的降噪幅度(以dB为单位)。虚线示出了仅使用反馈麦克风26的降噪。实线示出了使用前馈麦克风20和反馈麦克风26两者的降噪。该曲线图表明，主动降噪系统在中高频区是有效的。如果从实线中减去虚线，剩下的是仅使用前馈麦克风20的降噪。在这种情况下，从约300Hz到约2kHz，降噪>10dB。
转到图5和图6，示出了在电声换能器22的后框24上有(图5)和没有(图6)布网片36(图2A)的情况下电声换能器22的偶极行为的曲线图。偶极行为由离开电声换能器22的前部(实线)和后部(虚线)的声能表示，其在变化的频率下基本相等。离轴声能由虚线表示。通过仅移除后部的网片，偶极带宽显著增加(从～2kHz的顶端到～4kHz)。这些测量是在距离驱动器5cm处进行的，并且也适用于前馈麦克风20看到的情况。
图7A和图7B示出了具有可在耳机中使用的音频单元50的另一个示例。音频单元50包括驱动器(或换能器)52，其包括隔膜/环绕件54、磁体/线圈组件62和结构或框56。后隔音室55位于隔膜54的后面。开口58、60和81-86形成于框56的后侧。可以有一个或多个此类开口。选择每个开口的面积和开口的总面积，以在驱动器的后部实现所需的声阻抗。开口还可包括管，并且可选择每个管的长度以在驱动器的后部实现所需的声阻抗。在非限制性示例中，声阻材料59位于开口58中或上方，并且声阻材料61位于开口60中或上方。通常但不一定每个开口都被声阻材料覆盖，以便在驱动器的后部产生特定的声阻抗。
在一个示例中，驱动器后部和前部的声阻抗大致相同，以实现更宽的远场抵消带宽。这可通过包括位于隔膜/环绕件54前面并围绕该隔膜/环绕件的第二框或结构66来实现，使得隔音室65在驱动器的前部形成。框66可以但不必与框56相同，并且可包括相同的开口和开口中相同的声阻材料，以便在驱动器的前部和后部产生相同的声阻抗。前馈麦克风67在换能器52的宽带声学零点中固定到框56和66中的一者或两者的周边。反馈麦克风73固定到换能器52。示出了填充有声阻材料69和71的开口68和70，以示意性地示出该方面。声阻材料有助于控制所需的声阻抗以实现低频下的偶极图案和高频下的高阶定向图案。但是，增加的阻抗可能导致降低的低频输出。
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，其他实施方案在以下权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种耳机，包括：
电声换能器；
支撑结构，所述支撑结构用于在用户佩戴时将所述电声换能器悬挂在用户的耳部附近，使得所述耳机为声学开放式的；
第一麦克风，所述第一麦克风被耦接到所述电声换能器和所述支撑结构中的一者或多者，使得所述第一麦克风位于所述电声换能器的基本上宽带声学零点中；和
处理器，所述处理器被耦接到所述耳机，其中所述第一 麦克风接收声压波并且将相关的电子信号输出到所述处理器，并且其中所述处理器使用所述电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波。
2.根据权利要求1所述的耳机，第二麦克风被耦接到所述电声换能器和所述支撑结构中的一者或多者，所述第二麦克风是位于所述电声换能器和所述用户的耳部之间的反馈麦克风，其中所述第二麦克风接收声压波并且将相关的电子信号输出到所述处理器，并且其中所述处理器使用这些电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波。
3.根据权利要求1所述的耳机，其中所述第一麦克风基本上位于所述电声换能器的框的周边。
4.根据权利要求1所述的耳机，还包括一个或多个附加麦克风，所述一个或多个附加麦克风也被耦接到所述电声换能器和所述支撑结构中的一者或多者，使得所述一个或多个附加麦克风也位于所述电声换能器的基本上宽带声学零点中，其中所述一个或多个附加麦克风接收声压波并且将相关的电子信号输出到所述处理器，并且其中所述处理器使用这些电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波。
5.根据权利要求1所述的耳机，其中当所述耳机附近的噪声水平下降到一定水平以下时，所述处理器停止使用所述电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波。
6.根据权利要求1所述的耳机，其中在所述电声换能器的后部和前部处的声阻抗是基本上相同的。
7.根据权利要求1所述的耳机，还包括围绕所述电声换能器的隔膜的一对框，每个框具有一个或多个开口，使得所述电声换能器的后部和前部处的声阻抗是基本上相同的。
8.一种耳机，包括：
电声换能器；
支撑结构，所述支撑结构用于在用户佩戴时将所述电声换能器悬挂在用户的耳部附近，使得所述耳机为声学开放式的；
第一麦克风，所述第一麦克风被耦接到所述电声换能器和所述支撑结构中的一者或多者；和
处理器，所述处理器被耦接到所述耳机，其中所述第一 麦克风接收声压波并且将相关的电子信号输出到所述处理器，所述处理器使用所述电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波，
其中所述第一麦克风为前馈麦克风，以及
其中所述第一麦克风位于所述电声换能器的基本上宽带声学零点中。
9.根据权利要求8所述的耳机，其中所述第一麦克风基本上位于所述电声换能器的框的周边。
10.根据权利要求8所述的耳机，还包括将电子信号输出到所述处理器的反馈麦克风。
11.根据权利要求8所述的耳机，其中当所述耳机附近的噪声水平下降到一定水平以下时，所述处理器停止使用所述电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波。
12.一种用于产生声音的装置，包括：
电声换能器；
第一麦克风，所述第一麦克风被耦接到所述电声换能器使得所述第一麦克风位于所述电声换能器的基本上宽带声学零点中；和
处理器，所述处理器被耦接到所述麦克风，其中所述第一 麦克风接收声压波并且将相关的电子信号输出到所述处理器，并且其中所述处理器使用所述电子信号来操作所述电声换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。
13.根据权利要求12所述的装置，第二麦克风被耦接到所述电声换能器，所述第二麦克风是位于所述电声换能器和用户的耳部之间的反馈麦克风，其中所述第二麦克风接收声压波并且将相关的电子信号输出到所述处理器，并且其中所述处理器使用这些电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一麦克风基本上位于所述电声换能器的框的周边。
15.根据权利要求12所述的装置，还包括一个或多个附加麦克风，所述一个或多个附加麦克风也被耦接到所述电声换能器，使得所述一个或多个附加麦克风也位于所述电声换能器的基本上宽带声学零点中，其中所述一个或多个附加麦克风接收声压波并且将相关的电子信号输出到所述处理器，并且其中所述处理器使用这些电子信号来操作所述电声换能器以减少用户的耳部处的目标声压波。
16.根据权利要求12所述的装置，其中当所述耳机附近的噪声水平下降到一定水平以下时，所述处理器停止使用所述电子信号来操作所述电声换能器以减少所述用户的耳部处的目标声压波。
17.根据权利要求12所述的装置，其中在所述电声换能器的后部和前部处的声阻抗是基本上相同的。
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