CN112235674B - 一种基于噪声分析的主动降噪处理方法、系统及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于噪声分析的主动降噪处理方法、系统及芯片，其处理方法主要包括：由设置在耳机与使用者耳部所包围的腔体内的麦克风接收腔体内的原声声波并将其转换为原声信号；将原声信号与在时域上做延迟处理的音源信号比对，得到噪声信号及其音频参数；根据噪声信号的音频参数与音源信号的音频参数，分析噪声信号的类型、主观属性和声学效应；根据噪声信号的类型、主观属性和声学效应选择降噪模式；根据降噪模式以及噪声信号和音源信号的音频参数生成降噪信号；将降噪信号与音源信号调制为目标信号；由换能器将目标信号转换为目标声波并输出。本发明通过分析噪声的音频参数获取噪声信号的类型和心理声学特点，以生成基于心理声学降噪策略的降噪信号，降低了降噪信号延迟对主动降噪效果的影响。

Description

一种基于噪声分析的主动降噪处理方法、系统及芯片

技术领域

本发明涉及音频分析及处理技术领域，尤其涉及一种基于噪声分析的主动降噪处理方法、系统及芯片。

背景技术

声音是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定频率范围内(20～20000Hz)的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。噪声(noise)通常定义为“不需要的声音”(unwanted sound)。从生理学观点来看，噪声是一类引起人烦躁或音量过强危害人体健康的声音，即凡是干扰人们休息、学习和工作以及对人们所要听到的声音产生干扰的声音，都属于噪声。为了保障人们的正常生活与身体健康，应当尽可能地杜绝噪声对人体或人耳的作用，而在该过程中所应用的技术手段，即降噪技术。

降噪技术通常分为被动降噪技术与主动降噪技术。主动降噪技术，即“有源消声”技术，其与传统的在声源处、在传播过程中以及在人耳处通过阻挡、谐振、吸振的被动降噪方式不同。在高音质耳机领域，主动降噪技术通过制造与噪声频谱相同、相位相反的消噪声来抵消所要消除的噪声，从而主动地消除噪声。主动降噪技术实现的关键，在于如何快速、准确地获得消噪声。

现有的主动降噪耳机通过安置在耳机内的麦克风收集使用者耳部附近能够接收到的环境噪声信号，再将噪声信号滤波、反相调制，最终通过换能器输出与噪声信号振幅相同、相位相反的消噪声波来抵消噪声。但是，由于上述获取噪声信号以及消噪信号的调制、输出过程需要一定的处理时间，这使得消噪声波与噪声声波的传播存在一定延迟，导致主动降噪效果的减弱，特别是对于短促的脉冲噪声，例如物体间的碰撞噪声，消噪声波将延迟于噪声声波被人耳接收，导致噪声不能够被完全消除，并且延迟出现的消噪声波反而增加了人耳处“不需要的声音”输入，更加影响使用者的收听体验。

发明内容

针对现有技术中的上述缺点，本发明提供一种基于噪声分析的主动降噪处理方法，其具体包括：

步骤S110：由设置在耳机与使用者耳部所包围的腔体内的麦克风接收腔体内的原声声波并将其转换为原声信号。

步骤S120：将原声信号与在时域上做延迟处理的音源信号比对，得到噪声信号以及噪声信号的音频参数。

步骤S130：根据噪声信号的音频参数与音源信号的音频参数，分析噪声信号的类型、主观属性和声学效应。

步骤S140：根据噪声信号的类型、主观属性和声学效应选择降噪模式。

步骤S150：根据降噪模式以及噪声信号和音源信号的音频参数生成降噪信号。

步骤S160：将降噪信号与音源信号调制为目标信号。

步骤S170：由换能器将目标信号转换为目标声波并输出。

优选地，所述音频参数包括噪声信号的振幅、频率和相位参数。

优选地，所述主观属性包括强度阈、差阈、响度、音调、音色和音长。

优选地，所述声学效应包括余音、声掩蔽、非线性和双耳效应。

优选地，所述降噪模式包括忽略模式、减法模式、掩蔽模式、反相模式以及预估补偿模式。

优选地，所述忽略模式不对噪声信号进行处理。

优选地，所述减法模式根据噪声信号的主观属性和声学效应，将噪声信号中不会引起使用者听觉反应的部分滤除。

优选地，所述掩蔽模式根据噪声信号的类型、音频参数和音源信号的音频参数生成能够对噪声信号形成声掩蔽的消噪信号。

优选地，所述反相模式根据时间延迟处理噪声信号，根据处理后的噪声信号反相获得降噪信号。

优选地，所述预估补偿模式根据噪声信号的周期性特征直接基于已接收到的噪声信号生成降噪信号。

优选地，所述步骤S150采用所述降噪模式中的一种降噪模式；或者，所述步骤S150采用多种所述降噪模式的组合生成降噪信号。

优选地，所述步骤S120中音源信号在时域上的延迟时间为从所述麦克风接收原声声波到所述换能器输出目标声波所需的时间。

优选地，所述延迟时间不大于0.5毫秒。

本发明还提供了一种基于噪声分析的主动降噪处理系统，包括：

设置在耳机与使用者耳部所包围的腔体内的麦克风，用于接收所述腔体内的原声声波并将其转换为原声信号；解析单元，用于将原声信号与在时域上做延迟处理的音源信号比对，得到噪声信号以及噪声信号的音频参数；分析单元，用于根据噪声信号的音频参数与音源信号的音频参数，分析噪声信号的类型、主观属性和声学效应；选择单元，用于根据噪声信号的类型、主观属性和声学效应选择降噪模式；信号生成单元，用于根据降噪模式以及噪声信号和音源信号的音频参数生成降噪信号；调制单元，用于将降噪信号与音源信号调制为目标信号；换能器，用于将目标信号转换为目标声波并输出。

本发明还提供了一种基于噪声分析的主动降噪处理芯片，包括所述主动降噪处理系统中的解析单元、分析单元、选择单元、信号生成单元。其中，所述主动降噪处理芯片为SIP封装芯片，所述解析单元、分析单元、选择单元、信号生成单元分别为具有相应功能的功能型集成电路芯片，通过分层封装工艺进行封装；或者，所述主动降噪处理芯片为处理器芯片，所述解析单元、分析单元、选择单元、信号生成单元分别为具有相应功能的程序，所述主动降噪处理芯片通过执行各功能程序实现所述主动降噪处理方法中的步骤S120至步骤S150。

本发明提供了一种基于噪声分析的主动降噪处理方法、系统及芯片，通过分析噪声的音频参数获取噪声信号的类型和心理声学特点，并将其与音源信号的音频参数结合分析，以基于心理声学的降噪策略生成降噪信号，降低了降噪信号延迟对主动降噪处理效果的影响。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于噪声分析的主动降噪处理方法流程图。

图2为本发明实施例一种基于噪声分析的主动降噪处理系统工作原理图。

其中，主动降噪处理系统-100、麦克风-110、主动降噪处理芯片-120、解析单元-121、分析单元-122、选择单元-123、信号生成单元-124、调制单元-130、换能器-140、原声声波-21、目标声波-22、原声信号-31、降噪模式-32、噪声信号-33、降噪信号-34、目标信号-35。

具体实施方式

为了提高主动降噪设备的降噪效果，本发明所提供的基于噪声分析的主动降噪处理方法及系统是通过以下技术方案实现的：

实施例1：

请参阅图1，其中，图1为本发明实施例一种基于噪声分析的主动降噪处理方法流程图。

本实施例提供一种基于噪声分析的主动降噪处理方法，其具体包括：

步骤S110：由设置在耳机与使用者耳部所包围的腔体内的麦克风110接收腔体内的原声声波21并将其转换为原声信号31。

步骤S120：将原声信号31与在时域上做延迟处理的音源信号比对，得到噪声信号33以及噪声信号33的音频参数。

步骤S130：根据噪声信号33的音频参数与音源信号的音频参数，分析噪声信号33的类型、主观属性和声学效应。

步骤S140：根据噪声信号33的类型、主观属性和声学效应选择降噪模式32。

步骤S150：根据降噪模式32以及噪声信号33和音源信号的音频参数生成降噪信号34。

步骤S160：将降噪信号34与音源信号调制为目标信号35。

步骤S170：由换能器140将目标信号35转换为目标声波22并输出。

本实施例基于心理声学和音频分析，根据不同噪声的不同特点并将其结合音源信号的特点进行分析，针对不同的噪声信号33和音源信号特点有针对性地选择主动降噪的降噪信号34生成模式，降低了降噪信号34延迟对主动降噪处理效果的影响，降低了降噪信号34成为新的噪声源信号的可能。

实施例2：

本实施例提供一种基于噪声分析的主动降噪处理方法，其具体包括五种降噪模式32，分别为忽略模式、减法模式、掩蔽模式、反相模式以及预估补偿模式。

忽略模式，即对造成忽略模式的噪声信号33有选择性地进行忽略处理。忽略模式根据噪声信号33的持续时间、周期性以及声压级强度进行判断，对于同时满足持续时间小于阈值、声压级强度大于阈值的噪声成分或噪声信号33进行忽略，不针对其输出降噪信号34或目标声波22。

忽略模式适用于突发的、持续时间极短且声强极大的单次噪声，例如，物体碰撞引发的短暂噪音。此类噪音作用时间短，甚至可以短于麦克风110接收原声声波21到换能器140输出目标声波22所需的延迟时间，因而目标声波22的输出时间节点可能明显晚于噪声声波的作用时间节点，造成二次噪声污染；此外，此类噪声所携带的能量较大，可能导致换能器140和相关驱动电路过载而损害元器件的工作寿命。对于此类噪声，现有的主动降噪处理系统暂时无法提供即时的反相声波信号进行噪声消除，出于保护系统元器件和减少噪声源的考虑，对于此类噪声选择性忽略，以获得更好的主观听觉评价。

减法模式，根据噪声信号33的主观属性和声学效应，将噪声信号33中不会引起使用者听觉反应的部分滤除。其中，主观属性包括强度阈、差阈、响度、音调、音色和音长；声学效应包括余音、声掩蔽、非线性和双耳效应。减法模式针对噪声信号33中无法被人耳感知的成分或能够被音源信号掩蔽的成分进行滤除，以减少降噪信号34的复杂程度。

例如，在人耳的实际听音过程中，没有达到一定强度的声音是不能引起人耳听觉的，其在多次作用中能有50％的次数引起听觉的最小声压级称为强度阈，而两个声音能够引起听觉差别的最小可觉差则为差阈。当噪声信号33所代表的噪声的声压级小于使用者的听觉强度阈或噪声信号33中声压级小于使用者的听觉强度阈时，执行减法模式将该部分噪声信号33去除。

又如，当一个声信号与一种噪声同时出现时，声信号将变得微弱或完全听不清楚，即掩蔽效应。一般来说，两种声信号之间的的频率越接近，掩蔽效应也越大，且低频信号对高频信号的掩蔽常大于高频噪声对低频信号的掩蔽。对于可传入耳机腔室内的噪音，受益于耳机罩体良好的被动降噪效果，其强度明显降低，则可利用掩蔽效应，将处于音源信号同步时刻的声信号的掩蔽效应作用频带内的噪声信号33去除，以减小降噪信号34的复杂程度。具体地，当音源信号播放同步时刻的噪声信号33与当前时刻的音源信号进行比对，若噪声信号33处于音源信号的掩蔽效应作用频带内，则将噪声信号33的该部分信号去除。

此外，由于听阈具有个体差异，所述基于噪声分析的主动降噪处理方法还可以包括听觉测试步骤，以提供针对包括使用者听觉强度阈、差阈等内容的听觉测试并根据测试结果建立使用者的个性化数据库，并根据该数据库强设定强度阈、差阈的阈值。

掩蔽模式，根据噪声信号33的类型、音频参数和音源信号的音频参数生成能够对噪声信号33形成声掩蔽的消噪信号。掩蔽模式是减法模式的一种反向应用，其通过分析噪声信号33的类型、音频参数和音源信号的音频参数，针对不能够使用减法模式的部分噪声信号33，生成能够对该部分噪声信号33形成掩蔽效应，又能够被在差阈上不引起使用者听觉的降噪信号34。

掩蔽模式适用于强度较小，作用时间略长于忽略模式判断时间阈值，基频距离音源信号的掩蔽效应作用频带较为接近的噪声信号33或噪声信号成分。具体地，若噪声信号33或噪声信号成分同时满足：1.基频与音源信号的掩蔽效应作用频带较为接近的临界值间差值的绝对值小于阈值；2.作用时间与延迟时间差值小于阈值且大于零；3.强度小于对应时刻音源信号强度的80％，则对该噪声信号33或噪声信号成分执行掩蔽模式生成相应降噪信号34。

预估补偿模式，根据噪声信号33的周期性特征直接基于已接收到的噪声信号33生成降噪信号34。预估补偿模式适用于周期性噪音，例如，具有周期规律的钟摆声，建筑工地中有规律敲击声等。在预估补偿模式中，首先根据噪声信号33在一个判断周期内的录入信息判断是否存在周期性噪声信号33或周期性噪声信号成分，若是，则截取周期性噪声信号33或周期性噪声信号成分，并根据其音频参数、主观属性以及声学效应选择相应的降噪模式32生成降噪信号34并缓存，当检测到与该周期性噪声信号33或周期性噪声信号成分的音频参数再次出现时，则输出该缓存的降噪信号34或执行相应的降噪模式32或策略。具体地，判断周期可根据周期性噪音或周期性噪音成分的周期作适应性调整。更具体地，该判断周期为周期性噪音或周期性噪音成分的周期的2.5倍。

预估补偿模式针对周期性噪声的输入周期，提前判断噪声类型、制定降噪策略并生成噪声信号33，当周期性噪声再次输入时可直接输出降噪信号34，缩短了主动降噪处理设备的响应时间。

反相模式，根据时间延迟处理噪声信号33，根据处理后的噪声信号33反相获得降噪信号34。反相模式的信号生成方式即传统主动降噪处理方法中根据噪声信号33生成反相信号并输出反相声波的降噪信号34生成方式，在本发明所提出的基于噪声分析的主动降噪处理方法中，反相模式被应用于不属于上述其它降噪模式32应用范畴的噪声信号33或噪声信号33的成分。

具体地，为了消除目标声波22在输出时的时间延迟影响，反相模式首先根据延迟时间对获得噪声信号33进行处理，将时间轴上从零至延迟时间的噪声信号33去除，再根据处理后的噪声信号33生成反相降噪信号34，以消除目标声波22与噪声声波间的时间间隔，防止目标声波22与噪声声波间因时间不匹配而产生二次噪声污染。

本实施例提供了针对不同的噪声输入场景特点提供了多种主动降噪的降噪模式32，降低了主动降噪设备的响应时间，保护了主动降噪设备的元器件，提升了主动降噪设备的主观听觉感受。

实施例3：

请参阅图2，图2为本发明实施例一种基于噪声分析的主动降噪处理系统工作原理图。

本实施例提供一种基于噪声分析的主动降噪处理系统100，包括，麦克风110，设置在耳机与使用者耳部所包围的腔体内，用于接收所述腔体内的原声声波21并将其转换为原声信号31；解析单元121，用于将原声信号31与在时域上做延迟处理的音源信号比对，得到噪声信号33以及噪声信号33的音频参数；分析单元122，用于根据噪声信号33的音频参数与音源信号的音频参数，分析噪声信号33的类型、主观属性和声学效应；选择单元123，用于根据噪声信号33的类型、主观属性和声学效应选择降噪模式32；信号生成单元124，用于根据降噪模式32以及噪声信号33和音源信号的音频参数生成降噪信号34；调制单元130，用于将降噪信号34与音源信号调制为目标信号35；换能器140，用于将目标信号35转换为目标声波22并输出。

具体地，麦克风110设置在耳机扬声器异于使用者耳部的一侧，采用全向型麦克风110，同时接收来自扬声器和耳机外部的声音信号。其中，由于麦克风110与人耳分别位于扬声器的两侧，麦克风110接收到的音源信号与扬声器向人耳播放的声音信号相位相反，解析单元121可直接将在时域上延迟后的音源信号与麦克风110接收到的原声信号31相加以抵消原声信号31中的音源信号成分，从而得到噪声信号33。

特别地，本发明提供的主动降噪处理方法中的步骤S120至步骤S150由一个基于噪声分析的主动降噪芯片实现。具体地，该主动降噪处理芯片120为SIP封装芯片，封装有上述主动降噪处理系统100中的解析单元121、分析单元122、选择单元123、信号生成单元124，各单元分别为具有相应功能的功能型集成电路芯片，通过分层封装工艺进行封装；或者，该主动降噪处理芯片120为处理器芯片，上述解析单元121、分析单元122、选择单元123、信号生成单元124分别为具有相应功能的程序，该主动降噪处理芯片120通过执行各功能程序实现所述主动降噪处理方法中的步骤S120至步骤S150。

更具体地，该主动降噪处理芯片120可布置于头戴式耳机内部或外置的音频处理设备中。该主动降噪处理芯片120基于3.0nm制程，采用128位字长，体积不大于于4.1cm³，厚度不大于2.66cm。

此外，本发明所提供的主动降噪处理系统100在15℃至40℃环境温度，20％至80％相对湿度1标准大气压的条件下，全频带平均主动降噪深度能够达到-22dB，全频带最大主动降噪深度能够达到-55dB，144Hz至466Hz频带平均主动降噪深度能够达到31dB。

本实施例提供了一种基于噪声分析的主动降噪处理方法的设备实施基础，其通过软件或硬件方式实现了本发明所提供的基于噪声信号33分析选择降噪模式32生成降噪信号34的主动降噪处理方法，具有较高的主动降噪效率和较优的主观听觉感受效果。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于噪声分析的主动降噪处理方法，其特征在于，包括：

步骤S110：由设置在耳机与使用者耳部所包围的腔体内的麦克风接收腔体内的原声声波并将其转换为原声信号；

步骤S120：将原声信号与在时域上做延迟处理的音源信号比对，得到噪声信号以及噪声信号的音频参数；

步骤S130：根据噪声信号的音频参数与音源信号的音频参数，分析噪声信号的类型、主观属性和声学效应；

步骤S140：根据噪声信号的类型、主观属性和声学效应选择降噪模式；

所述降噪模式包括忽略模式、减法模式、掩蔽模式、反相模式以及预估补偿模式；

所述忽略模式不对噪声信号进行处理；当所述噪声信号的持续时间小于所述延迟时间时，选择所述忽略模式；

所述减法模式根据噪声信号的主观属性和声学效应，将噪声信号中不会引起使用者听觉反应的部分滤除；当所述噪声信号所代表的噪声的声压级小于使用者的听觉强度阈，和/或噪声信号中声压级小于使用者的听觉强度阈，和/或当噪声信号处于音源信号的掩蔽效应作用频带内时，执行减法模式将该部分噪声信号去除；

所述掩蔽模式根据噪声信号的类型、音频参数和音源信号的音频参数生成能够对噪声信号形成声掩蔽的消噪信号；若噪声信号或噪声信号成分同时满足：1）基频与音源信号的掩蔽效应作用频带较为接近的临界值间差值的绝对值小于阈值；2）作用时间与延迟时间差值小于阈值且大于零；3）强度小于对应时刻音源信号强度的80%，则对该噪声信号或噪声信号成分执行掩蔽模式生成相应降噪信号；

所述反相模式根据时间延迟处理噪声信号，根据处理后的噪声信号反相获得降噪信号；

所述预估补偿模式根据噪声信号的周期性特征直接基于已接收到的噪声信号生成降噪信号；

步骤S150：根据降噪模式以及噪声信号和音源信号的音频参数生成降噪信号；

步骤S160：将降噪信号与音源信号调制为目标信号；

步骤S170：由换能器将目标信号转换为目标声波并输出；

所述步骤S120中音源信号在时域上的延迟时间为从所述麦克风接收原声声波到所述换能器输出目标声波所需的时间。

2.根据权利要求1所述的基于噪声分析的主动降噪处理方法，其特征在于：所述音频参数包括噪声信号的振幅、频率和相位参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于噪声分析的主动降噪处理方法，其特征在于：所述主观属性包括强度阈、差阈、响度、音调、音色和音长。

4.根据权利要求1所述的基于噪声分析的主动降噪处理方法，其特征在于：所述声学效应包括余音、声掩蔽、非线性和双耳效应。

5.根据权利要求1所述的基于噪声分析的主动降噪处理方法，其特征在于：所述步骤S150采用所述降噪模式中的一种降噪模式；或者，所述步骤S150采用多种所述降噪模式的组合生成降噪信号。

6.根据权利要求1所述的基于噪声分析的主动降噪处理方法，其特征在于：所述延迟时间不大于0.5毫秒。

7.根据权利要求1所述的基于噪声分析的主动降噪处理方法，其特征在于：还包括听觉测试步骤，所述听觉测试步骤对包括使用者听觉强度阈、差阈等的听觉测试并根据测试结果建立使用者的个性化数据库，并根据该数据库强设定强度阈、差阈的阈值。

8.一种基于噪声分析的主动降噪处理系统，其特征在于，包括：

设置在耳机与使用者耳部所包围的腔体内的麦克风，用于接收所述腔体内的原声声波并将其转换为原声信号；

解析单元，用于将原声信号与在时域上做延迟处理的音源信号比对，得到噪声信号以及噪声信号的音频参数；

分析单元，用于根据噪声信号的音频参数与音源信号的音频参数，分析噪声信号的类型、主观属性和声学效应；

选择单元，用于根据噪声信号的类型、主观属性和声学效应选择降噪模式；

所述降噪模式包括忽略模式、减法模式、掩蔽模式、反相模式以及预估补偿模式；

所述忽略模式不对噪声信号进行处理；当所述噪声信号的持续时间小于所述延迟时间时，选择所述忽略模式；

所述减法模式根据噪声信号的主观属性和声学效应，将噪声信号中不会引起使用者听觉反应的部分滤除；当所述噪声信号所代表的噪声的声压级小于使用者的听觉强度阈，和/或噪声信号中声压级小于使用者的听觉强度阈，和/或当噪声信号处于音源信号的掩蔽效应作用频带内时，执行减法模式将该部分噪声信号去除；

所述掩蔽模式根据噪声信号的类型、音频参数和音源信号的音频参数生成能够对噪声信号形成声掩蔽的消噪信号；若噪声信号或噪声信号成分同时满足：1）基频与音源信号的掩蔽效应作用频带较为接近的临界值间差值的绝对值小于阈值；2）作用时间与延迟时间差值小于阈值且大于零；3）强度小于对应时刻音源信号强度的80%，则对该噪声信号或噪声信号成分执行掩蔽模式生成相应降噪信号；

所述反相模式根据时间延迟处理噪声信号，根据处理后的噪声信号反相获得降噪信号；

所述预估补偿模式根据噪声信号的周期性特征直接基于已接收到的噪声信号生成降噪信号；

信号生成单元，用于根据降噪模式以及噪声信号和音源信号的音频参数生成降噪信号；

调制单元，用于将降噪信号与音源信号调制为目标信号；

换能器，用于将目标信号转换为目标声波并输出。

9.一种基于噪声分析的主动降噪处理芯片，包括权利要求8所述解析单元、分析单元、选择单元、信号生成单元，其特征在于：所述主动降噪处理芯片为SIP封装芯片，所述解析单元、分析单元、选择单元、信号生成单元分别为具有相应功能的功能型集成电路芯片，通过分层封装工艺进行封装；或者，所述主动降噪处理芯片为处理器芯片，所述解析单元、分析单元、选择单元、信号生成单元分别为具有相应功能的程序，所述主动降噪处理芯片通过执行各功能程序实现权利要求1至7所述主动降噪处理方法中的步骤S120至步骤S150。

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