WO2010040705A1 - Device for the active reduction of foreign noise - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a device for reducing external noise by a counter-sound, wherein an included sound transducer is used both for detecting the external sound and for the output of the counter-noise simultaneously.
- a preferred application is a headset that includes appropriate components for actively reducing environmental noise.
- an active sound generator generates a counter sound to the background noise.
- the sounder is to be controlled so that the counter sound produced at the ear corresponds as closely as possible to the incoming portion of the sound at the ear, but has the opposite sign.
- a typical application for implementing this approach is in headphones.
- the earpiece cap 1 shows the schematic representation of a headphone with a device for the active reduction of background noise according to the prior art.
- the headphone has at least one cap 1, a sounder 3, a microphone 4, a control unit 9 and an amplifier 11.
- the cap 1 serves to receive the sounder 3 and the microphone 4.
- the cap 1 is worn so that the sounder 3 is positioned in front of the ear 2 of a user.
- the microphone 4 is normally positioned between the sounder 3 and the ear 2.
- the cap 1 can be made circumaural or supraaural.
- the cap 1 can also serve to provide a passive damping against the external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1.
- the sound generator 3 If the sound generator 3 is driven by an electrical voltage 12, it generates a useful sound 7 in the interior of the cap. At the entrance of the ear 2, a superposition of the passive vaporized Storschalls 6 takes place with the useful sound 7 generated by the sounder 3.
- the microphone 4 is used to detect this superimposition and generates therefrom the measurement signal 8
- the measurement signal 8 is fed to the control unit 9
- the control unit 9 generates on the basis of Measuring signal 8 an actuating signal 10
- This control signal 10 is supplied to an amplifier 11, which generates therefrom the electrical voltage 12 for the sounder 3
- the sounder 3 generates the useful sound from it 7
- the reigning unit 9 is designed so that the resulting useful sound 7 at the entrance of the ear 2 is suitable for the compensation of the incoming at the ear portion of the Storschalls 6
- a decisive feature of the previously known solutions is that one or more microphones 4 are used to measure the Storschall 5 or a portion of the Storschalls 6 or the superposition of Storschall with a useful sound and in addition a sounder 3 for generating the useful sound 7 is required
- An object of the present invention is then to simplify the acoustic / mechanical construction of an active noise compensation device over the prior art and to improve the effect of the active noise compensation
- a device for reducing extraneous sound has at least one sound transducer for receiving a useful signal for outputting a useful sound, which in the overlay with existing external sound to Reduction of the extraneous sound leads, and for simultaneously outputting a first signal, which images the effect of the incoming to the transducer extraneous sound in superposition with the effect of the applied to the transducer useful signal.
- the first signal is processed to generate the wanted signal.
- the device further comprises a first filter for receiving the useful signal, for simulating the behavior of the sound transducer when operating without external sound and for outputting a second signal.
- the device further comprises a subtraction unit for subtracting the second signal from the first signal so that the difference signal depicts the extraneous sound arriving at the sound transducer.
- the apparatus further comprises a second filter for receiving the difference signal and for generating the useful signal, which is supplied to the sound transducer for generating counter-sound.
- the useful signal which is supplied to the sound transducer is designed so that the reduction of the external sound unfolds its greatest effect in the ear canal of the user.
- the device may be a headphone, an in-ear earpiece or a hearing protector.
- the invention also relates to a device with a sound transducer for receiving a useful signal, for outputting a useful sound, which leads to the reduction of the external sound when superimposed with existing external sound.
- the device further comprises a control unit for forming the useful signal, for receiving the signal of one or more microphones, for evaluating the signal of one or more microphones, which receive the noise to be reduced or a portion thereof or a superposition of noise and useful sound and / or for evaluating one or more signals directly provided by an interfering sound source.
- the control unit evaluates a first signal for generating counter-noise, which is detected at the sound transducer and which images the effect of the sound arriving at the sound transducer in superposition with the effect of the useful sound applied to the sound transducer.
- the invention relates to the idea of using the sound generator which serves to generate the useful sound simultaneously for detecting the noise and to use the signal thus detected for active noise compensation.
- an extinction of interference and counter sound in particular in the ear canal of a wearer of the head horers
- an acoustic transducer can be used both as an actuator (sounder) and as a sensor (microphone).
- sound generators so-called “dynamic transducers” are usually used in headphones. The sound is emitted here from a membrane onto which a coil is applied The coil is in a magnetic field If an electrical voltage is applied to this coil, a current flows in the coil.
- the magnetic field creates a force on the current-carrying coil, which causes the coil and thus also the membrane to move.
- the transducer works as a sound generator If, however, the membrane of an incoming sound is set in motion, this leads to the fact that in the coil, which is thereby moved in the magnetic field, a voltage is induced in this case the transducer as a microphone
- acoustic transducers that work on other principles, such as “electrostatic" Transducers or piezo elements can be used both as a sensor and as an actuator
- FIG. 1 shows a schematic representation of a headphone with a device for the active reduction of Storschall according to the prior art
- Figure 2 shows a schematic representation of a headphone with a noise detection using a sound generator according to a first exemplary embodiment
- FIG. 4 shows a block diagram for determining an approximation of the noise signal from the metrologically accessible signals according to a second exemplary embodiment
- FIG. 5 shows a schematic illustration of a headphone and a block diagram of a device for the active reduction of Storschall measure according to a third exemplary embodiment
- 6 shows a schematic representation of a headphone and a control unit for the active reduction of background noise according to a fourth exemplary embodiment.
- FIG. 2 shows a schematic representation of a headphone with an interference sound detection based on a sound generator according to a first exemplary embodiment.
- the headphone has a cap 1 and a sounder 3.
- the cap 1 is used for the passive acoustic damping of external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1.
- the sounder 3 is supplied with an electrical voltage 12a and outputs a useful signal 7 from.
- a resistor 15 is connected.
- a voltage u ä 14 can be detected.
- the sounder 3 is provided here as a "dynamic converter".
- the electrical voltage 12a which is also referred to here as u a , is provided by an amplifier 11 (not shown here) as shown in FIG. However, it is not applied directly to the sounder 3, but to a series circuit of the sounder 3 with the resistor 15.
- the amplifier 11 is designed so that the reaction of the connected series circuit of sounder 3 and resistor 15 to the value of the voltage 12a negligible is small. If now the voltage 12a is applied to the series circuit of sound generator 3 and resistor 15, then a current 13a will flow.
- the current 13a is in part an effect of the voltage 12a applied to the series circuit of sounder 3 and resistor 15. In addition, there is a further proportion, which results from movements of the membrane, which are generated by an incoming sound generator 3 noise 6. From the current 13a, the background noise 6 can be determined by further processing. For the evaluation according to the invention, therefore, the measurement of the current 13a is required in this exemplary embodiment.
- FIG. 2 shows by way of example a possibility for measuring the current 13a.
- the resistor 15 which is connected in series with the sounder 3.
- the voltage 12a is applied to the series circuit of the sounder 3 and the resistor 15 here.
- Uj is also referred to here as Uj and which is proportional to the current 13a.
- Uj is also referred to here as Uj and which is proportional to the current 13a.
- FIG. 3 shows a schematic illustration of an interference sound source 16 and a headphone with the transfer functions to be considered, the headphone in this case not being worn by a person but being mounted on an artificial head.
- the artificial head contains an artificial ear 17, which serves to simulate the acoustic conditions of a real ear, as well as a microphone 18.
- the interfering sound source 16 is supplied with a disturbance excitation signal d, so that it emits an interference sound.
- the sound transducer 3 contained in the headphones an electrical voltage signal u is supplied so that it emits a useful sound.
- the microphone 18 detects the total sound arriving at the microphone 18 and generates therefrom the measurable microphone signal e. As a further measured variable, the current signal i is detected at the sound transducer 3.
- Fdi (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which results from the disturbance excitation signal d to the current signal i in this structure.
- Fde (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which in this structure results from the interference signal d to the microphone signal e.
- Fui (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which results in this structure from the voltage signal u to the current signal i.
- Fue (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which in this structure results from the voltage signal u to the microphone signal e.
- i (f) Fdi (f) ⁇ d (f) + Fui (f) ⁇ u (f) (1)
- the current signal i (f) from equation (1) thus consists of one component
- the proportion i d (f) is due to external sound, which arrives at the sound transducer 3.
- the signal i d thus represents an image of the interfering sound to be compensated.
- the proportion i u is additionally the response of the sound transducer 3 to the applied voltage u images.
- FIG. 4 shows a block diagram for determining an approximation of the interference sound signal i d from the metrologically accessible signals u and i according to a second exemplary embodiment.
- the disturbance excitation signal d generates the component i d via the transfer function Fdi (f) and the voltage signal u generates the component i u via the transfer function Fui (f). These two components result in their superposition the measurable current signal i.
- the voltage signal u is additionally supplied to a filter having the transfer function FuiM (f).
- the filter FuiM (f) is designed so that it simulates the transmission behavior Fui (f) as much as possible in terms of magnitude and phase as a function of the frequency f.
- the filter FuiM (f) delivers a signal i uM which represents a simulation of the portion i u of the current signal i which can not be measured alone in normal operation.
- the signal i uM is subtracted from the measurable signal i in FIG. 4. The result of this subtraction is the signal i dM .
- i dM is therefore too
- the components i u and i uM are removed from the signal i dM , so that the signal i dM is a good approximation for the component i d that can not be measured alone in normal operation is available.
- these three transfer functions are each metrologically detectable in magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, with the excitation signals d and u, respectively, being considered as response signals of the structure Storlarm in a real environment, however, usually not from a single source at a particular location, but is composed of several sources in different locations In particular, there is no Storanregungssignal d, which could be used for the generation of a compensation signal
- the signal i d is regarded as the input signal and the signal e as the output signal, and the measurement directly yields the quotient (Fde (f) / Fdi (f) ) by magnitude and phase as a function of the excitation frequency f.
- the equation (6) can be interpreted so that a "virtual" signal d is determined by 1 / Fdi (f) • d i (f), which in the arrangement according to Fig. 3 to the gemesse- NEN signal i d would belong.
- the signal e resulting from the virtual signal d is determined directly from the virtual signal d by multiplication with the transfer function Fde (f). Since this process is performed in one step, the actual determination of the signal d is not required.
- the transmission behavior of the signal i d to the signal e due to the defined acoustic conditions between the transducer 3 and the microphone 18 is not dependent on whether the noise is actually from a noise source 16 as shown in FIG. 3 is generated.
- the transmission behavior of the signal i d to the signal e does not change when the distance of the noise source 16 to the listener is varied. Even a superposition of background noise from a plurality of noise sources at different distances to the listener does not change the relationship between the signal i d and the signal e. With increasing frequency, however, an increasing dependence of this transmission behavior on the direction of the incident noise is to be observed. This side effect is not considered in the other versions.
- Equation (2) the signal e of the microphone 18 during normal operation - ie under the influence of noise and when applying a signal u to the transducer 3 - can be stated as follows:
- the signal e which detects the microphone 18 in the artificial ear 17, represents the sound that results in the ear canal of a user of the device.
- the goal for the active noise compensation is therefore to make the signal e to zero for as wide a frequency range as possible.
- equation (7) can be changed so that a desired transfer function Fset (f) can be specified, which would have to have a filter with the signal i d as input and the voltage signal u as output, so that an optimal compensation of the noise in the user's ear canal results in:
- an approximation of the signal i d is available with the signal i dM , which can be used as an input for the compensation filter .
- the nominal transfer function can be calculated for each measured frequency point f
- FIG. 5 shows a schematic illustration of a headphone and a block diagram of a device according to the invention for the active reduction of background noise according to a third exemplary embodiment.
- the signal processing for generating the useful signal u is carried out according to the approach given in equation (8).
- the useful signal u is fed to the sound transducer 3 in FIG. 5, so that it emits the useful sound 7.
- the cap 1 can be made circumaural or supraaural.
- the cap 1 can serve to provide a passive damping against the external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1.
- the handset may be provided as an in-ear earphone without a cap. At the ear 2 of the user of the listener, the superposition of background noise 6 and useful sound 7 arrives.
- the useful signal u is also fed to a filter FuiM (f), which generates the signal i uM .
- FuiM In the transducer 3 is formed in response to the useful signal u and the noise 6, the current signal i. From the measured signal i, the signal i uM is subtracted a replica of the reaction of the transducer 3 to the useful signal u represents. The result of this subtraction is the signal i dM , which represents an approximation for the response of the sound transducer 3 to the background noise 6.
- the signal i dM is fed to a filter Fcomp (f), which generates the useful signal u from it.
- Fig. 5 also an audio signal a is shown, which can be added to the useful signal u to produce a desired sound signal.
- Fsoll (f) is not the direct result of the measurement of a real system, but the course has developed by offsetting different shares, it is generally not to be assumed that the complete course of magnitude and phase with a feasible filter Fcomp (f ).
- a real filter is always "causal” (it can not show a response before a stimulus hits), and for a real application, the filter itself must be “stable” (in the absence of excitation, the output must aim for a finite constant end value). From these two conditions, there are compelling relationships between the course of the magnitude and the phase of the transfer function of the filter as a function of the frequency f.
- Fcomp (f) will generally only approximate Fsoll (f).
- FIG. 5 there is the possibility shown in FIG. 5 of adding to the useful signal u an audio signal a.
- the useful sound 7 arriving at the input of the ear 2 is then a combination of the antinoise signal and a sound signal desired according to the audio signal a.
- the generation of the antinoise signal is not impaired by adding the audio signal a to the useful signal u:
- the audio signal a is in FIG. 5 a component of the useful signal u, which is supplied to both the sound transducer 3 and the filter FuiM (f). Consequently, the audio signal a will precipitate in the same way both in the signal i measured at the sound transducer 3 and in the filter output i uM .
- the device for generating the GE sound signal does not affect the desired reproduction of the audio signal a.
- Another object of the present invention is to improve the effect of active noise cancellation devices having a prior art acoustic / mechanical structure.
- a decisive feature of the previously known solutions is that one or more microphones are used to measure the background noise or a portion of the noise or the superposition of background noise with a useful sound and additionally at least one sounder for generating the counter sound is included.
- signals are used to generate the antinoise signal, which signals are provided directly by an interfering sound source.
- the generation of the antinoise signal is based on the prior art on a processing of the signal from the microphone (s) contained or on signals which are provided by an interfering sound source or a combination of said signals.
- the noise compensation effect of such devices can be improved in that in addition to the Sounder a signal is detected, which images the effect of the sound arriving at the sounder in superposition with the effect of the applied to the sounder useful signal, and this signal is additionally processed to generate the counter sound.
- a signal is detected, which images the effect of the sound arriving at the sounder in superposition with the effect of the applied to the sounder useful signal, and this signal is additionally processed to generate the counter sound.
- the cap 1 includes a sound transducer 3 and a microphone 4.
- the cap 1 is supported so that the sound transducer 3 is positioned in front of the ear 2.
- the microphone 4 is positioned here between the sound transducer 3 and the ear 2.
- the cap 1 can serve to provide a passive damping against the external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1. If the sound transducer 3 is driven with a useful signal u, it generates a useful sound 7 in the interior of the cap. At the input of the ear 2, a superposition of the passively damped noise 6 with the useful sound 7 generated by the sound transducer 3 takes place.
- the microphone 4 is used to detect this superimposition and generates therefrom the measuring signal 8.
- the signal i is detected, which images the effect of the incoming sound 3 on the external sound 6 in superposition with the effect of the applied to the transducer 3 useful signal u.
- the signal i is supplied together with the signal 8 to a control unit 19.
- the control unit 19 is supplied with an audio signal a, which represents a desired sound signal.
- the control unit 19 generates from the three input signals i, 8 and a the useful signal u, which is supplied to the sound transducer 3.
- the signal i is evaluated to generate the antinoise signal. From this approach there are numerous possibilities to improve the effect of the active noise compensation of known acoustic / mechanical devices according to the prior art:
- the microphone 4 is mounted inside the cap, so that it detects the superposition of the noise 6 with the useful sound 7.
- the incoming interference sound 6 first reaches the sound transducer 3 in FIG. 6 and, due to the sound propagation in air, only reaches the microphone 4 with a slight delay. From this delay, the generation of the antinoise signal according to the prior art results in restrictions with respect to the maximum frequency up to which a noise compensation effect is achieved. Since the background noise 6 first reaches the sound transducer 3 and only then the microphone 4, is available with the signal i an input to the control unit 19 is available, which does not have this delay. According to the invention, therefore, the additional evaluation of the signal i offers the possibility of widening the frequency range of the noise compensation effect compared to the prior art.
- the sounder 3 can be used via the signal i as an additional sensor for detecting the noise.
- the Störschaller stretched in different places information about the direction of the Störschalls are available in the thus available signals.
- suitable processing of the additional signal the frequency range in which a noise compensation effect is achieved can be broadened and the directionality can be reduced.
- the above-described device for the reduction of external sound can be implemented in a headset, in an in-ear earpiece or in a hearing protection
- An in-ear earphone according to the invention has a smaller footprint since an additional microphone for recording the interference signal can be omitted
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Abstract
The invention relates to a device for the reduction of foreign noise. The device has at least one sound converter (3) for receiving a wanted signal (u), for emitting a wanted sound (7), which leads to reduction of the foreign noise (6) when layered over the present foreign noise (6), and for simultaneously emitting a first signal which maps the action of the foreign noise (6) arriving at the sound converter (3) layered with the action of the wanted signal (u) applied to the sound converter (3). The first signal is processed to produce the wanted signal (u). The device also has a first filter (FuiM) for receiving the wanted signal (u), for emulating the behavior of the sound converter (3) during operation without foreign noise, and for emitting a second signal (iuM). The device also has a subtraction device for subtracting the second signal (iuM) from the first signal, such that the difference signal (idM) maps the foreign noise (6) arriving at the sound converter (3). The device also has a second filter (Fcomp) for receiving the difference signal (idM) and for producing the wanted signal (u) which is fed to the sound converter (3) to produce anti-noise.
Description
Vorrichtung zur aktiven Reduzierung von Fremdschall Device for active reduction of external noise
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall durch einen Gegenschall, wobei ein enthaltener Schallwandler gleichzeitig sowohl zur Erfassung des Fremdschalls als auch zur Abgabe des Gegenschalls verwendet wird. Eine bevorzugte Anwendung ist ein Kopfhörer, der entsprechende Komponenten zur aktiven Reduktion von Umgebungsstörschall enthält.The present invention relates to a device for reducing external noise by a counter-sound, wherein an included sound transducer is used both for detecting the external sound and for the output of the counter-noise simultaneously. A preferred application is a headset that includes appropriate components for actively reducing environmental noise.
Um in einer lärmerfüllten Umgebung den Störschall, welcher die Ohren einer Person erreicht, zu verringern, besteht neben der Verwendung von passiven Lärmschutzvorrichtungen die Möglichkeit, den Störschall aktiv zu kompensieren. Hierzu wird mit einem aktiven Schallgeber ein Gegenschall zu dem Störschall erzeugt. Am Ohr der Person findet eine Überlagerung von dem Stör- und dem Gegenschall statt. Der Schallgeber ist dabei so anzusteuern, dass der am Ohr entstehende Gegenschall möglichst genau dem am Ohr ankommenden Anteil des Störschalls entspricht, jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen besitzt. Eine typische Anwendung für die Umsetzung dieses Ansatzes findet sich in Kopfhörern.In order to reduce the background noise, which reaches the ears of a person in a noisy environment, there is the possibility, in addition to the use of passive noise protection devices, to actively compensate for the background noise. For this purpose, an active sound generator generates a counter sound to the background noise. At the ear of the person there is a superposition of the noise and the counter sound. The sounder is to be controlled so that the counter sound produced at the ear corresponds as closely as possible to the incoming portion of the sound at the ear, but has the opposite sign. A typical application for implementing this approach is in headphones.
Fig.1 zeigt die schematische Darstellung eines Kopfhörers mit einer Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Störschall gemäß dem Stand der Technik. Hier ist nur die Hörerkappe 1 für eines der beiden Ohren einer Person skizziert. Der Kopfhörer weist mindestens eine Kappe 1 , einen Schallgeber 3, ein Mikrofon 4, eine Reglereinheit 9 und einen Verstärker 11 auf. Die Kappe 1 dient zur Aufnahme des Schallgebers 3 und des Mikro- fons 4. Die Kappe 1 wird so getragen, dass der Schallgeber 3 vor dem Ohr 2 eines Nutzers positioniert wird. Das Mikrofon 4 wird normalerweise zwischen dem Schallgeber 3 und dem Ohr 2 positioniert. Die Kappe 1 kann ohrumschließend oder ohraufliegend ausgeführt sein. Die Kappe 1 kann außerdem dazu dienen, eine passive Dämpfung gegen den äußeren Störschall 5 vorzusehen, sodass nur ein verminderter Störschall 6 im Innern der Kappe 1 ankommt. Wird der Schallgeber 3 mit einer elektrischen Spannung 12 angesteuert, so erzeugt er im Innern der Kappe einen Nutzschall 7.
Am Eingang des Ohrs 2 findet eine Überlagerung des passiv gedampften Storschalls 6 mit dem vom Schallgeber 3 erzeugten Nutzschall 7 statt Das Mikrofon 4 dient zur Erfassung dieser Überlagerung und erzeugt daraus das Messsignal 8 Das Messsignal 8 wird der Regiereinheit 9 zugeführt Die Regiereinheit 9 erzeugt anhand des Messsignals 8 ein Stellsignal 10 Dieses Stellsignal 10 wird einem Verstarker 11 zugeführt, der daraus die elektrische Spannung 12 für den Schallgeber 3 erzeugt Der Schallgeber 3 erzeugt draus den Nutzschall 7 Die Regiereinheit 9 wird dabei so ausgelegt, dass der entstehende Nutzschall 7 am Eingang des Ohrs 2 sich zur Kompensation des am Ohr ankommenden Anteils des Storschalls 6 eignet1 shows the schematic representation of a headphone with a device for the active reduction of background noise according to the prior art. Here only the earpiece cap 1 is sketched for one of the two ears of a person. The headphone has at least one cap 1, a sounder 3, a microphone 4, a control unit 9 and an amplifier 11. The cap 1 serves to receive the sounder 3 and the microphone 4. The cap 1 is worn so that the sounder 3 is positioned in front of the ear 2 of a user. The microphone 4 is normally positioned between the sounder 3 and the ear 2. The cap 1 can be made circumaural or supraaural. The cap 1 can also serve to provide a passive damping against the external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1. If the sound generator 3 is driven by an electrical voltage 12, it generates a useful sound 7 in the interior of the cap. At the entrance of the ear 2, a superposition of the passive vaporized Storschalls 6 takes place with the useful sound 7 generated by the sounder 3. The microphone 4 is used to detect this superimposition and generates therefrom the measurement signal 8 The measurement signal 8 is fed to the control unit 9 The control unit 9 generates on the basis of Measuring signal 8 an actuating signal 10 This control signal 10 is supplied to an amplifier 11, which generates therefrom the electrical voltage 12 for the sounder 3 The sounder 3 generates the useful sound from it 7 The reigning unit 9 is designed so that the resulting useful sound 7 at the entrance of the ear 2 is suitable for the compensation of the incoming at the ear portion of the Storschalls 6
Die Prinzipien einer aktiven Larmkompensation sind durch S M Kuo and D R Morgan in Active Noise Control Systems Algoπthms and DSP Implementations Wiley-Interscience Publication, New York, 1996 beschriebenThe principles of active noise compensation are described by S M Kuo and D R Morgan in Active Noise Control Systems Algorithms and DSP Implementations Wiley-Interscience Publication, New York, 1996
Ein entscheidendes Merkmal der vorbekannten Losungen besteht darin, dass ein oder mehrere Mikrofone 4 verwendet werden, um den Storschall 5 oder einen Anteil des Storschalls 6 oder die Überlagerung von Storschall mit einem Nutzschall zu messen und zusätzlich ein Schallgeber 3 zur Erzeugung des Nutzschalls 7 erforderlich istA decisive feature of the previously known solutions is that one or more microphones 4 are used to measure the Storschall 5 or a portion of the Storschalls 6 or the superposition of Storschall with a useful sound and in addition a sounder 3 for generating the useful sound 7 is required
US 5,862,234 zeigt eine doppelte Verwendung eines Schallwandlers als Geber und Empfanger für eine Verwendung zur aktiven Larmkompensation (Fig 5 in US 5,862,234) Eine konkrete Anleitung zur Auswertung des so empfangenen Signals für die Schallkom- pensation fehlt jedoch Es ist auch kein Produkt bekannt, welches die in der zugehörigen Patentfamihe in 1992 beschriebene doppelte Verwendung des Schallwandlers für eine aktive Larmkompensation umsetztNo. 5,862,234 shows a double use of a sound transducer as transducer and receiver for use for active noise compensation (FIG. 5 in US Pat. No. 5,862,234). However, there is no specific instruction for evaluating the signal for sound compensation received in this way in the related Patentfamihe in 1992 described double use of the transducer for active Larmkompensation
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dann, den akustisch/mechanischen Aufbau einer Vorrichtung zur aktiven Larmkompensation gegenüber dem Stand der Technik zu vereinfachen und die Wirkung der aktiven Larmkompensation zu verbessernAn object of the present invention is then to simplify the acoustic / mechanical construction of an active noise compensation device over the prior art and to improve the effect of the active noise compensation
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 5 gelostThis object is achieved by a device according to claim 1 and according to claim 5
Somit wird eine Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall vorgesehen Die Vorrichtung weist mindestens einen Schallwandler zum Empfangen eines Nutzsignals zum Abgeben eines Nutzschalls, der bei der Überlagerung mit vorhandenem Fremdschall zur
Reduzierung des Fremdschalls führt, und zum gleichzeitigen Ausgeben eines ersten Signals, das die Wirkung des an dem Schallwandler eintreffenden Fremdschalls in Überlagerung mit der Wirkung des an den Schallwandler angelegten Nutzsignals abbildet. Das erste Signal wird zur Erzeugung des Nutzsignals verarbeitet. Die Vorrichtung weist ferner einen ersten Filter zum Empfangen des Nutzsignals, zum Nachbilden des Verhaltens des Schallwandlers bei Betrieb ohne Fremdschall und zum Ausgeben eines zweiten Signals auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Subtraktionseinheit zum Subtrahieren des zweiten Signals von dem ersten Signal auf, so dass das Differenzsignal den Fremdschall abbildet, der am Schallwandler eintrifft. Die Vorrichtung weist ferner ein zweites Filter zum Emp- fangen des Differenzsignals und zum Erzeugen des Nutzsignals auf, das dem Schallwandler zur Erzeugung von Gegenschall zugeführt wird.Thus, a device for reducing extraneous sound is provided. The device has at least one sound transducer for receiving a useful signal for outputting a useful sound, which in the overlay with existing external sound to Reduction of the extraneous sound leads, and for simultaneously outputting a first signal, which images the effect of the incoming to the transducer extraneous sound in superposition with the effect of the applied to the transducer useful signal. The first signal is processed to generate the wanted signal. The device further comprises a first filter for receiving the useful signal, for simulating the behavior of the sound transducer when operating without external sound and for outputting a second signal. The device further comprises a subtraction unit for subtracting the second signal from the first signal so that the difference signal depicts the extraneous sound arriving at the sound transducer. The apparatus further comprises a second filter for receiving the difference signal and for generating the useful signal, which is supplied to the sound transducer for generating counter-sound.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Nutzsignal, das dem Schallwandler zugeführt wird, so ausgelegt, dass die Reduzierung des Fremdschalls ihre größte Wirkung im Ohrkanal des Nutzers entfaltet.According to one aspect of the present invention, the useful signal which is supplied to the sound transducer is designed so that the reduction of the external sound unfolds its greatest effect in the ear canal of the user.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung einen Kopfhörer, einen In-Ear Hörer oder einen Gehörschutz darstellen.According to one aspect of the present invention, the device may be a headphone, an in-ear earpiece or a hearing protector.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung mit einem Schallwandler zum Empfangen eines Nutzsignals, zum Ausgeben eines Nutzschalls, der bei der Überlagerung mit vorhandenem Fremdschall zur Reduzierung des Fremdschalls führt. Die Vorrichtung weist ferner eine Kontrolleinheit zum Bilden des Nutzsignals, zum Empfangen des Signals einer oder mehrerer Mikrofone, zum Auswerten des Signals einer oder mehrerer Mikrofone, welche den zu reduzierenden Störschall oder einen Anteil davon oder eine Überlagerung von Stör- und Nutzschall empfangen und/oder zum Auswerten eines oder mehrerer Signale, die von einer Störschallquelle direkt zur Verfügung gestellt wird. Die Kontrollein- heit wertet ein erstes Signal zur Erzeugung von Gegenschall aus, das an dem Schallwandler erfasst wird und das die Wirkung des an dem Schallwandler eintreffenden Fremdschalls in Überlagerung mit der Wirkung des an dem Schallwandler angelegten Nutzschalls abbildet.The invention also relates to a device with a sound transducer for receiving a useful signal, for outputting a useful sound, which leads to the reduction of the external sound when superimposed with existing external sound. The device further comprises a control unit for forming the useful signal, for receiving the signal of one or more microphones, for evaluating the signal of one or more microphones, which receive the noise to be reduced or a portion thereof or a superposition of noise and useful sound and / or for evaluating one or more signals directly provided by an interfering sound source. The control unit evaluates a first signal for generating counter-noise, which is detected at the sound transducer and which images the effect of the sound arriving at the sound transducer in superposition with the effect of the useful sound applied to the sound transducer.
Die Erfindung betrifft den Gedanken, den Schallgeber, der zur Erzeugung des Nutz- schalls dient, gleichzeitig zur Erfassung des Störschalls zu verwenden und das so erfass- te Signal für eine aktive Lärmkompensation zu verwenden. Hierbei erfolgt eine Auslöschung von Stör- und Gegenschall insbesondere im Ohrkanal eines Trägers des Kopf-
horers Grundsatzlich ist bekannt, dass ein akustischer Wandler sowohl als Aktor (Schallgeber) als auch als Sensor (Mikrofon) einsetzbar ist Als Schallgeber werden in Kopfhörern meist sogenannte "dynamische Wandler" verwendet Der Schall wird hier von einer Membran abgegeben, auf welche eine Spule aufgebracht ist Die Spule befindet sich in einem Magnetfeld Wird nun an diese Spule eine elektrische Spannung angelegt, so fließt ein Strom in der Spule Durch das Magnetfeld entsteht eine Kraft auf die stromdurchflos- sene Spule, welche die Spule und somit auch die Membran in Bewegung versetzt, was zur Schallabgabe fuhrt In diesem Fall arbeitet der Wandler als Schallgeber Wird hingegen die Membran von einem eintreffenden Schall in Bewegung versetzt, so fuhrt dies dazu, dass in der Spule, die dabei in dem Magnetfeld bewegt wird, eine Spannung induziert wird In diesem Fall arbeitet der Wandler als Mikrofon Auch akustische Wandler, die nach anderen Prinzipien arbeiten, wie z B "elektrostatische" Wandler oder Piezo- Elemente, sind sowohl als Sensor als auch als Aktor einsetzbarThe invention relates to the idea of using the sound generator which serves to generate the useful sound simultaneously for detecting the noise and to use the signal thus detected for active noise compensation. In this case, an extinction of interference and counter sound, in particular in the ear canal of a wearer of the head horers In principle, it is known that an acoustic transducer can be used both as an actuator (sounder) and as a sensor (microphone). As sound generators, so-called "dynamic transducers" are usually used in headphones. The sound is emitted here from a membrane onto which a coil is applied The coil is in a magnetic field If an electrical voltage is applied to this coil, a current flows in the coil. The magnetic field creates a force on the current-carrying coil, which causes the coil and thus also the membrane to move. what causes the sound output In this case, the transducer works as a sound generator If, however, the membrane of an incoming sound is set in motion, this leads to the fact that in the coil, which is thereby moved in the magnetic field, a voltage is induced in this case the transducer as a microphone Also acoustic transducers that work on other principles, such as "electrostatic" Transducers or piezo elements can be used both as a sensor and as an actuator
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der UnteransprucheFurther embodiments of the invention are the subject of the dependent claims
Vorteile und Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher erläutertAdvantages and exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to the drawings
Fig 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kopfhörers mit einer Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Storschall gemäß dem Stand der Technik, Fig 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kopfhörers mit einer Stor- schallerfassung anhand eines Schallgebers gemäß einem ersten Aus- fuhrungsbeispiel,1 shows a schematic representation of a headphone with a device for the active reduction of Storschall according to the prior art, Figure 2 shows a schematic representation of a headphone with a noise detection using a sound generator according to a first exemplary embodiment,
Fig 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Storschallquelle und eines3 shows a schematic representation of a Storschallquelle and a
Kopfhörers mit den zu betrachtenden Ubertragungsfunktionen, Fig 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Bestimmung einer Näherung des Stor- schallsignals aus den messtechnisch zugänglichen Signalen gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel,4 shows a block diagram for determining an approximation of the noise signal from the metrologically accessible signals according to a second exemplary embodiment, FIG.
Fig 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kopfhörers und ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Storschall ge- maß einem dritten Ausfuhrungsbeispiel, und
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Kopfhörers und einer Kontrolleinheit zur aktiven Reduktion von Störschall gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.5 shows a schematic illustration of a headphone and a block diagram of a device for the active reduction of Storschall measure according to a third exemplary embodiment, and 6 shows a schematic representation of a headphone and a control unit for the active reduction of background noise according to a fourth exemplary embodiment.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kopfhörers mit einer Störschallerfas- sung anhand eines Schallgebers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Kopfhörer weist eine Kappe 1 und einen Schallgeber 3 auf. Die Kappe 1 dient der passiven akustischen Dämpfung von äußerem Störschall 5, so dass nur ein verminderter Störschall 6 im Inneren der Kappe 1 ankommt. Der Schallgeber 3 wird mit einer elektrischen Spannung 12a versorgt und gibt ein Nutzsignal 7 ab. An dem Schallgeber 3 ist ein Wider- stand 15 angeschlossen. An dem Widerstand 15 kann eine Spannung uä14 erfasst werden. Der Schallgeber 3 ist hier als "dynamischer Wandler" vorgesehen. Um den Schallgeber 3 neben der Nutzschallerzeugung erfindungsgemäß zusätzlich zur Erfassung des Störschalls zu verwenden, ist hier die Messung des Stroms 13a erforderlich, der im Schallgeber 3 fließt und der hier auch mit ia gekennzeichnet ist. Die elektrische Spannung 12a, die hier auch als ua bezeichnet wird, wird entsprechend der Darstellung in Fig.1 von einem (hier nicht gezeigten) Verstärker 11 zur Verfügung gestellt. Sie wird hier jedoch nicht direkt an den Schallgeber 3 angelegt, sondern an eine Reihenschaltung aus dem Schallgeber 3 mit dem Widerstand 15. Der Verstärker 11 wird so ausgelegt, dass die Rückwirkung der angeschlossenen Reihenschaltung aus Schallgeber 3 und Widerstand 15 auf den Wert der Spannung 12a vernachlässigbar klein ist. Liegt nun die Spannung 12a an der Reihenschaltung aus Schallgeber 3 und Widerstand 15 an, so wird ein Strom 13a fließen. Der Strom 13a ist zum Teil ein Effekt der Spannung 12a, die an der Reihenschaltung aus Schallgeber 3 und Widerstand 15 anliegt. Hinzu kommt ein weiterer Anteil, der aus Bewegungen der Membran resultiert, welche durch einen am Schallgeber 3 eintreffenden Störschall 6 erzeugt werden. Aus dem Strom 13a kann durch weitere Verarbeitung der Störschall 6 ermittelt werden. Zur erfindungsgemäßen Auswertung ist in diesem Ausführungsbeispiel also die Messung des Stroms 13a erforderlich.FIG. 2 shows a schematic representation of a headphone with an interference sound detection based on a sound generator according to a first exemplary embodiment. The headphone has a cap 1 and a sounder 3. The cap 1 is used for the passive acoustic damping of external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1. The sounder 3 is supplied with an electrical voltage 12a and outputs a useful signal 7 from. At the sound generator 3, a resistor 15 is connected. At the resistor 15, a voltage u ä 14 can be detected. The sounder 3 is provided here as a "dynamic converter". In order to use the sound generator 3 in addition to the useful sound generation according to the invention in addition to the detection of noise, here the measurement of the current 13a is required, which flows in the sounder 3 and which is also marked here with i a . The electrical voltage 12a, which is also referred to here as u a , is provided by an amplifier 11 (not shown here) as shown in FIG. However, it is not applied directly to the sounder 3, but to a series circuit of the sounder 3 with the resistor 15. The amplifier 11 is designed so that the reaction of the connected series circuit of sounder 3 and resistor 15 to the value of the voltage 12a negligible is small. If now the voltage 12a is applied to the series circuit of sound generator 3 and resistor 15, then a current 13a will flow. The current 13a is in part an effect of the voltage 12a applied to the series circuit of sounder 3 and resistor 15. In addition, there is a further proportion, which results from movements of the membrane, which are generated by an incoming sound generator 3 noise 6. From the current 13a, the background noise 6 can be determined by further processing. For the evaluation according to the invention, therefore, the measurement of the current 13a is required in this exemplary embodiment.
In Fig. 2 ist beispielhaft eine Möglichkeit zur Messung des Stroms 13a dargestellt. Zur Messung des Stroms dient hier der Widerstand 15, der in Reihe mit dem Schallgeber 3 geschaltet ist. Die Spannung 12a liegt hier an der Reihenschaltung aus dem Schallgeber 3 und dem Widerstand 15 an. Am Widerstand 15 entsteht dann eine Spannung 14, die hier auch als Uj bezeichnet wird und die proportional zu dem Strom 13a ist. Mit der Erfassung der Spannung 14 steht also eine Messung des Stroms 13a, der im Schallgeber 3 fließt, zur Verfügung.
Die weitere Aufgabe besteht nun darin, den gemessenen Strom 13a so zu verarbeiten, dass ein Stellsignal 10 erzeugt wird, welches über einen Verstärker 11 und den Schallgeber 3 zu einem Nutzschall 7 führt, der als Gegenschall zu dem Störschall 6 geeignet ist.FIG. 2 shows by way of example a possibility for measuring the current 13a. To measure the current here is the resistor 15, which is connected in series with the sounder 3. The voltage 12a is applied to the series circuit of the sounder 3 and the resistor 15 here. At the resistor 15 then creates a voltage 14, which is also referred to here as Uj and which is proportional to the current 13a. With the detection of the voltage 14 so is a measurement of the current 13 a, which flows in the sounder 3, available. The further object is to process the measured current 13a in such a way that an actuating signal 10 is generated, which leads via an amplifier 11 and the sound generator 3 to a useful sound 7, which is suitable as a counter-sound to the noise 6.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Störschallquelle 16 und eines Kopfhö- rers mit den zu betrachtenden Übertragungsfunktionen, wobei der Kopfhörer in diesem Falle nicht von einer Person getragen wird, sondern auf einem Kunstkopf angebracht ist. Der Kunstkopf enthält ein künstliches Ohr 17, welches dazu dient, die akustischen Gegebenheiten eines realen Ohrs nachzubilden, sowie ein Mikrofon 18. Der Störschallquelle 16 wird ein Störanregungssignal d zugeführt, sodass sie einen Störschall abgibt. Dem im Kopfhörer enthaltenen Schallwandler 3 wird ein elektrisches Spannungssignal u zugeführt, sodass er einen Nutzschall abgibt. Das Mikrofon 18 erfasst den am Mikrofon 18 eintreffenden Gesamtschall und erzeugt daraus das messbare Mikrofonsignal e. Als weitere Messgröße wird am Schallwandler 3 das Stromsignal i erfasst.FIG. 3 shows a schematic illustration of an interference sound source 16 and a headphone with the transfer functions to be considered, the headphone in this case not being worn by a person but being mounted on an artificial head. The artificial head contains an artificial ear 17, which serves to simulate the acoustic conditions of a real ear, as well as a microphone 18. The interfering sound source 16 is supplied with a disturbance excitation signal d, so that it emits an interference sound. The sound transducer 3 contained in the headphones, an electrical voltage signal u is supplied so that it emits a useful sound. The microphone 18 detects the total sound arriving at the microphone 18 and generates therefrom the measurable microphone signal e. As a further measured variable, the current signal i is detected at the sound transducer 3.
In Fig. 3 sind außerdem die vier Übertragungsfunktionen Fdi(f), Fde(f), Fui(f) und Fue(f) eingetragen:In Fig. 3, the four transfer functions Fdi (f), Fde (f), Fui (f) and Fue (f) are also entered:
• Fdi(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Störanregungssignal d zu dem Stromsignal i ergibt.• Fdi (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which results from the disturbance excitation signal d to the current signal i in this structure.
• Fde(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Störanregungssignal d zu dem Mikrofonsignal e ergibt.• Fde (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which in this structure results from the interference signal d to the microphone signal e.
• Fui(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Spannungssignal u zu dem Stromsignal i ergibt.• Fui (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which results in this structure from the voltage signal u to the current signal i.
• Fue(f) beschreibt das Übertragungsverhalten nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f, welches sich bei diesem Aufbau von dem Spannungssignal u zu dem Mikrofonsignal e ergibt.• Fue (f) describes the transfer behavior in terms of magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, which in this structure results from the voltage signal u to the microphone signal e.
In der komplexen Darstellung der Übertragungsfunktionen ergeben sich die messbaren Signale i(f) und e(f) somit als Funktion der Anregungssignale d(f) und u(f) zu:
i(f) = Fdi(f) ■ d(f) + Fui(f) ■ u(f) (1 )In the complex representation of the transfer functions, the measurable signals i (f) and e (f) thus result as a function of the excitation signals d (f) and u (f): i (f) = Fdi (f) ■ d (f) + Fui (f) ■ u (f) (1)
e(f) = Fde(f) ■ d(f) + Fue(f) ■ u(f) (2)e (f) = Fde (f) ■ d (f) + Fue (f) ■ u (f) (2)
Das Stromsignal i(f) aus Gleichung (1 ) setzt sich also aus einem AnteilThe current signal i (f) from equation (1) thus consists of one component
id(f) = Fdi(f) • d(f) (3)i d (f) = Fdi (f) • d (f) (3)
und einem Anteiland one share
iu(f) = Fui(f) • u(f) (4)i u (f) = Fui (f) • u (f) (4)
zusammen. Der Anteil id(f) ist auf Fremdschall zurückzuführen, welcher an dem Schallwandler 3 eintrifft. Das Signal id stellt somit eine Abbildung des zu kompensierenden Störschalls dar. Für eine Messung zugänglich ist im normalen Betrieb jedoch nur die Überlagerung i=id+iu, in der sich mit dem Anteil iu zusätzlich die Reaktion des Schallwandlers 3 auf die anliegende Spannung u abbildet.together. The proportion i d (f) is due to external sound, which arrives at the sound transducer 3. The signal i d thus represents an image of the interfering sound to be compensated. However, in normal operation, only the superposition i = i d + i u , in which the proportion i u is additionally the response of the sound transducer 3 to the applied voltage u images.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Bestimmung einer Näherung des Störschallsignals id aus den messtechnisch zugänglichen Signalen u und i gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Störanregungssignal d erzeugt über die Übertragungsfunktion Fdi(f) den Anteil id und das Spannungssignal u erzeugt über die Übertragungsfunktion Fui(f) den Anteil iu. Diese beiden Anteile ergeben in ihrer Überlagerung das messbare Stromsignal i. In Fig. 4 wird das Spannungssignal u zusätzlich einem Filter zugeführt, welches die Übertragungsfunktion FuiM(f) besitzt. Das Filter FuiM(f) ist dabei so ausgelegt, dass es das Übertragungsverhalten Fui(f) nach Betrag und Phase als Funktion der Frequenz f möglichst genau nachbildet. Als Ausgang liefert das Filter FuiM(f) ein Signal iuM, das eine Nachbildung des im normalen Betrieb nicht allein messbaren Anteils iu am Stromsignal i darstellt. Das Signal iuM wird in Fig. 4 von dem messbaren Signal i abgezogen. Das Ergebnis dieser Subtraktion ist das Signal idM. Insgesamt ergibt sich idM also zu4 shows a block diagram for determining an approximation of the interference sound signal i d from the metrologically accessible signals u and i according to a second exemplary embodiment. The disturbance excitation signal d generates the component i d via the transfer function Fdi (f) and the voltage signal u generates the component i u via the transfer function Fui (f). These two components result in their superposition the measurable current signal i. In Fig. 4, the voltage signal u is additionally supplied to a filter having the transfer function FuiM (f). The filter FuiM (f) is designed so that it simulates the transmission behavior Fui (f) as much as possible in terms of magnitude and phase as a function of the frequency f. As an output, the filter FuiM (f) delivers a signal i uM which represents a simulation of the portion i u of the current signal i which can not be measured alone in normal operation. The signal i uM is subtracted from the measurable signal i in FIG. 4. The result of this subtraction is the signal i dM . Overall, i dM is therefore too
IdM = i ■ 1UM = id + iu ■ iuM ~ id (5)IdM = i ■ 1 UM = id + iu ■ iuM ~ id (5)
Da das Signal iuM eine Näherung für das Signal iy darstellt, heben sich die Anteile iu und iuM aus dem Signal idM heraus, sodass mit dem Signal idM eine gute Näherung für den im normalen Betrieb nicht allein messbaren Anteil id zur Verfügung steht.
Zur Auslegung des Filters FuιM(f) in Fig 4 ist eine Messung des Ubertragungsverhaltens von Fuι(f) über der Frequenz f nach Betrag und Phase erforderlich Der Frequenzgang von Fuι(f) kann direkt gemessen werden, indem in dem Aufbau aus Fig 3 die Storungs- anregung d=0 gewählt wird, sodass auch der Anteil ιd=0 wird Folglich kann ein Anre- gungssignal u an den Schallwandler 3 angelegt und das daraus resultierende Stromsignal i gemessen werden, das unter dieser Vorraussetzung nur aus dem Anteil ιu besteht Das gewünschte Ubertragungsverhalten für FuιM(f) ist aus dieser Messung bekannt und die zugehörige Filterschaltung kann entsprechend ausgelegt werden Jegliche enthaltene Filterschaltungen sowie Summations- oder Subtraktionspunkte können wahlweise analog oder digital realisiert werdenSince the signal i uM represents an approximation for the signal i y , the components i u and i uM are removed from the signal i dM , so that the signal i dM is a good approximation for the component i d that can not be measured alone in normal operation is available. For the design of the filter FuιM (f) in Figure 4, a measurement of the transmission behavior of Fuι (f) on the frequency f for magnitude and phase is required The frequency response of Fuι (f) can be measured directly by in the structure of Figure 3 the Disturbance excitation d = 0 is selected, so that the proportion ι d = 0 Consequently, an excitation signal u applied to the transducer 3 and the resulting current signal i are measured, which consists under this condition only from the proportion ι u The desired transmission behavior for FuιM (f) is known from this measurement and the associated filter circuit can be designed accordingly. Any filter circuits included as well as summation or subtraction points can be realized either analog or digital
Für die aktive Larmkompensation muss nun ein Ubertragungsverhalten bestimmt werden, das ein Filter aufweisen muss, damit es aus der Näherung für ιd ein Signal u erzeugt, welches zu einem Gegenschall fuhrt, der am Ohr des Nutzers zur Reduzierung des Storschalls fuhrt Die Bestimmung dieses Soll-Ubertagungsverhaltens erfolgt anhand der in Fig 3 eingetragenen Ubertragungsfunktionen Fdι(f), Fde(f) und Fue(f)For the active noise compensation now a transmission behavior must be determined, which must have a filter so that it generates from the approximation for d a signal u, which leads to a counter sound, which leads to the user's ear to reduce the Storschalls The determination of this target Transfer behavior takes place on the basis of the transfer functions Fdι (f), Fde (f) and Fue (f) entered in FIG.
Für die Anordnung in Fig 3 sind diese drei Ubertagungsfunktionen jeweils nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f messtechnisch erfassbar, wobei als Anregungssignale jeweils d bzw u und als Antwortsignale des Aufbaus ι bzw e betrachtet werden Anders als bei dem Aufbau aus Fig 3 entsteht der Storlarm in einer realen Umgebung jedoch normalerweise nicht aus einer einzigen Quelle an einem bestimmten Ort, sondern setzt sich aus mehreren Quellen an verschiedenen Orten zusammen Insbesondere existiert auch kein Storanregungssignal d, das für die Erzeugung eines Kom- pensationssignals herangezogen werden konnteFor the arrangement in FIG. 3, these three transfer functions are each metrologically detectable in magnitude and phase as a function of the excitation frequency f, with the excitation signals d and u, respectively, being considered as response signals of the structure Storlarm in a real environment, however, usually not from a single source at a particular location, but is composed of several sources in different locations In particular, there is no Storanregungssignal d, which could be used for the generation of a compensation signal
Trotzdem lasst sich anhand des Aufbaus aus Fig 3 ein Ubertragungsverhalten ermitteln, das für viele Falle von Storlarmquellen Gültigkeit besitzt und das die Erzeugung des Kompensationssignais ohne Kenntnis eines Storanregungssignals d erlaubt Hierzu muss zunächst eine Messung durchgeführt werden, bei welcher das Signal u=0 gewählt wird Das bedeutet, dass die beiden Zuleitungen des Schallwandlers 3 miteinander verbunden werden Das messbare Stromsignal ι besteht dann nur aus dem Anteil ιd, da der Anteil ιu hier zu Null wird Für die Messung erfolgt die Anregung des Aufbaus mit einem Storanregungssignal d Das Signal d selbst wird bei dieser Messung jedoch nicht als Messgroße berücksichtigt Vielmehr wird die dabei entstehende Beziehung zwischen dem Signal ιd und dem Signal e nach Betrag und Phase in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz f
erfasst. Mit u=0 lässt sich aus den Gleichungen (1 ) und (2) die folgende Beziehung zwischen den Signalen id und e herleiten:Nevertheless, based on the structure of FIG. 3, it is possible to determine a transmission behavior which is valid for many cases of Storlarm sources and which allows the generation of the compensation signal without knowledge of a Storanregungssignals d For this purpose, a measurement must first be performed, in which the signal u = 0 is selected This means that the two leads of the transducer 3 are connected to each other The measurable current signal ι then consists only of the proportion ι d , since the proportion ι u here is zero For the measurement, the excitation of the structure takes place with a Storanregungssignal d The signal d However, this measurement is not taken into account as a measured variable. Rather, the relationship between the signal ι d and the signal e according to magnitude and phase as a function of the excitation frequency f detected. With u = 0, the following relationship between the signals i d and e can be derived from equations (1) and (2):
e(f) = (Fde(f) / Fdi(f)) ■ id(f) bei u=0 (6)e (f) = (Fde (f) / Fdi (f)) ■ i d (f) if u = 0 (6)
Für die resultierende Übertragungsfunktion (Fde(f) / Fdi(f)) wird also das Signal id als Eingangs- und das Signal e als Ausgangssignal angesehen und die Messung liefert als Ergebnis direkt den Quotienten (Fde(f) / Fdi(f)) nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f.For the resulting transfer function (Fde (f) / Fdi (f)), therefore, the signal i d is regarded as the input signal and the signal e as the output signal, and the measurement directly yields the quotient (Fde (f) / Fdi (f) ) by magnitude and phase as a function of the excitation frequency f.
Anschaulich lässt sich die Gleichung (6) so interpretieren, dass mit 1/Fdi(f) • id(f) ein "virtuelles" Signal d bestimmt wird, das in der Anordnung nach Fig. 3 zu dem gemesse- nen Signal id gehören würde. Jedoch wird im gleichen Schritt aus dem virtuellen Signal d durch Multiplikation mit der Übertragungsfunktion Fde(f) direkt das aus dem virtuellen Signal d entstehende Signal e ermittelt. Da dieser Vorgang in einem Schritt vollzogen wird, ist die tatsächliche Bestimmung des Signals d nicht erforderlich. Zu beachten ist an dieser Stelle, dass das Übertragungsverhalten von dem Signal id zu dem Signal e auf- grund der definierten akustischen Gegebenheiten zwischen dem Schallwandler 3 und dem Mikrofon 18 nicht davon abhängig ist, ob der Störschall tatsächlich von einer Störschallquelle 16 gemäß Fig. 3 erzeugt wird. Beispielsweise verändert sich das Übertragungsverhalten von dem Signal id zu dem Signal e nicht, wenn der Abstand der Störschallquelle 16 zu dem Hörer variiert wird. Auch eine Überlagerung von Störschall aus mehreren Störschallquellen in unterschiedlichem Abstand zu dem Hörer verändert die Beziehung zwischen dem Signal id und dem Signal e nicht. Mit steigender Frequenz ist allerdings eine steigende Abhängigkeit dieses Übertragungsverhaltens von der Richtung des eintreffenden Störschalls zu beobachten. Dieser Nebeneffekt wird in den weiteren Ausführungen aber nicht betrachtet.Intuitively, the equation (6) can be interpreted so that a "virtual" signal d is determined by 1 / Fdi (f) • d i (f), which in the arrangement according to Fig. 3 to the gemesse- NEN signal i d would belong. However, in the same step, the signal e resulting from the virtual signal d is determined directly from the virtual signal d by multiplication with the transfer function Fde (f). Since this process is performed in one step, the actual determination of the signal d is not required. It should be noted at this point that the transmission behavior of the signal i d to the signal e due to the defined acoustic conditions between the transducer 3 and the microphone 18 is not dependent on whether the noise is actually from a noise source 16 as shown in FIG. 3 is generated. For example, the transmission behavior of the signal i d to the signal e does not change when the distance of the noise source 16 to the listener is varied. Even a superposition of background noise from a plurality of noise sources at different distances to the listener does not change the relationship between the signal i d and the signal e. With increasing frequency, however, an increasing dependence of this transmission behavior on the direction of the incident noise is to be observed. This side effect is not considered in the other versions.
Durch Zusammenführung von Gleichung (2) und (6) lässt sich das Signal e des Mikrofons 18 im normalen Betrieb - also unter der Einwirkung von Störschall und bei Anlegen eines Signals u an den Schallwandler 3 - folgendermaßen angeben:By combining Equations (2) and (6), the signal e of the microphone 18 during normal operation - ie under the influence of noise and when applying a signal u to the transducer 3 - can be stated as follows:
e(f) = (Fde(f) / Fdi(f)) ■ id(f) + Fue(f) ■ u(f) (7)
Das Übertragungsverhalten Fue(f) kann direkt nach Betrag und Phase als Funktion der Anregungsfrequenz f gemessen werden, indem in dem Aufbau aus Fig. 3 die Störungsanregung d=0 gewählt wird.e (f) = (Fde (f) / Fdi (f)) ■ i d (f) + Fue (f) ■ u (f) (7) The transmission behavior Fue (f) can be measured directly by magnitude and phase as a function of the excitation frequency f by selecting the disturbance excitation d = 0 in the structure of FIG.
Das Signal e, welches das Mikrofon 18 im künstlichen Ohr 17 erfasst, repräsentiert den Schall, der sich im Ohrkanal eines Nutzers der Vorrichtung ergibt. Das Ziel für die aktive Lärmkompensation besteht also darin, das Signal e für einen möglichst breiten Frequenzbereich zu Null zu machen. Mit e=0 lässt sich Gleichung (7) so umstellen, dass sich eine Sollübertragungsfunktion Fsoll(f) angeben lässt, welche ein Filter mit dem Signal id als Eingang und dem Spannungssignal u als Ausgang besitzen müsste, damit sich eine optimale Kompensation des Störschalls im Ohrkanal des Nutzers ergibt:The signal e, which detects the microphone 18 in the artificial ear 17, represents the sound that results in the ear canal of a user of the device. The goal for the active noise compensation is therefore to make the signal e to zero for as wide a frequency range as possible. With e = 0, equation (7) can be changed so that a desired transfer function Fset (f) can be specified, which would have to have a filter with the signal i d as input and the voltage signal u as output, so that an optimal compensation of the noise in the user's ear canal results in:
u(f) = - (Fde(f) / Fdi(f)) • 1/Fue(f) ■ id(f) = Fsoll(f) • id(f) (8)u (f) = - (Fde (f) / Fdi (f)) • 1 / Fue (f) ■ i d (f) = Fsoll (f) • i d (f) (8)
Gemäß der Anordnung aus Fig. 4 steht mit dem Signal idM eine Näherung für das Signal id zur Verfügung, welche als Eingang für das Kompensationsfilter verwendet werden kann. Aus den gemessenen Übertragungsfunktionen (Fde(f) / Fdi(f)) und Fue(f) lässt sich rechnerisch für jeden vermessenen Frequenzpunkt f die SollübertragungsfunktionAccording to the arrangement of FIG. 4, an approximation of the signal i d is available with the signal i dM , which can be used as an input for the compensation filter . From the measured transfer functions (Fde (f) / Fdi (f)) and Fue (f), the nominal transfer function can be calculated for each measured frequency point f
Fsoll(f) = - (Fde(f) / Fdi(f)) ■ 1/Fue(f) (9)Fsoll (f) = - (Fde (f) / Fdi (f)) ■ 1 / Fue (f) (9)
nach Betrag und Phase angeben.state according to amount and phase.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kopfhörers und eines Blockschaltbildes einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Störschall gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Signalverarbeitung zur Erzeugung des Nutzsignals u wird gemäß dem in Gleichung (8) angegebenen Ansatz ausgeführt. Das Nutzsignal u wird in Fig. 5 dem Schallwandler 3 zugeführt, sodass dieser den Nutzschall 7 abgibt. Die Kappe 1 kann ohrumschließend oder ohraufliegend ausgeführt sein. Die Kappe 1 kann dazu dienen, eine passive Dämpfung gegen den äußeren Störschall 5 zu bieten, sodass nur ein verminderter Störschall 6 im Innern der Kappe 1 ankommt. Alternativ dazu kann der Hörer als In-Ear Hörer ohne Kappe vorgesehen werden. Am Ohr 2 des Nutzers des Hörers trifft die Überlagerung von Störschall 6 und Nutzschall 7 ein. Das Nutzsignal u wird außerdem einem Filter FuiM(f) zugeführt, welches das Signal iuM erzeugt. Im Schallwandler 3 entsteht als Reaktion auf das Nutzsignal u und den Störschall 6 das Stromsignal i. Von dem gemessenen Signal i wird das Signal iuM abgezogen, das
eine Nachbildung der Reaktion des Schallwandlers 3 auf das Nutzsignal u darstellt. Das Ergebnis dieser Subtraktion ist das Signal idM, das eine Näherung für die Reaktion des Schallwandlers 3 auf den Störschall 6 darstellt. Das Signal idM wird einem Filter Fcomp(f) zugeführt, das daraus das Nutzsignal u erzeugt. In Fig. 5 ist außerdem ein Audiosignal a dargestellt, welches zu dem Nutzsignal u hinzuaddiert werden kann, um ein erwünschtes Schallsignal zu erzeugen.5 shows a schematic illustration of a headphone and a block diagram of a device according to the invention for the active reduction of background noise according to a third exemplary embodiment. The signal processing for generating the useful signal u is carried out according to the approach given in equation (8). The useful signal u is fed to the sound transducer 3 in FIG. 5, so that it emits the useful sound 7. The cap 1 can be made circumaural or supraaural. The cap 1 can serve to provide a passive damping against the external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1. Alternatively, the handset may be provided as an in-ear earphone without a cap. At the ear 2 of the user of the listener, the superposition of background noise 6 and useful sound 7 arrives. The useful signal u is also fed to a filter FuiM (f), which generates the signal i uM . In the transducer 3 is formed in response to the useful signal u and the noise 6, the current signal i. From the measured signal i, the signal i uM is subtracted a replica of the reaction of the transducer 3 to the useful signal u represents. The result of this subtraction is the signal i dM , which represents an approximation for the response of the sound transducer 3 to the background noise 6. The signal i dM is fed to a filter Fcomp (f), which generates the useful signal u from it. In Fig. 5 also an audio signal a is shown, which can be added to the useful signal u to produce a desired sound signal.
Eine optimale Reduzierung des Störschalls am Eingang des Ohrs 2 ergibt sich, wenn das Filter Fcomp(f) das Übertragungsverhalten von Fsoll(f) aus Gleichung (9) nach Betrag und Phase als Funktion der Frequenz f nachbildet. Aus den beschriebenen Messungen steht somit eine vollständige Beschreibung des anzustrebenden Übertragungsverhaltens von Fcomp(f) zur Verfügung. Da das gesamte Übertragungsverhalten vom Schallwandler 3 zum Ohr des Nutzers sowohl für den Fremdschall 6 als auch für den Nutzschall 7 für die hier erfindungsgemäß beschriebene Auslegungsvorgabe für das Filter Fcomp(f) berücksichtigt wird, entsteht im Ergebnis eine Vorrichtung, welche das Nutzsignal u, das dem Schallwandler 3 zugeführt wird, so erzeugt, dass die Reduzierung des Fremdschalls ihre größte Wirkung im Ohrkanal des Nutzers entfaltet.An optimal reduction of the noise at the input of the ear 2 results when the filter Fcomp (f) simulates the transmission behavior of Fsoll (f) from equation (9) by magnitude and phase as a function of the frequency f. From the measurements described, a complete description of the desired transmission behavior of Fcomp (f) is thus available. Since the entire transmission behavior of the sound transducer 3 to the user's ear is taken into account both for the external sound 6 and the useful sound 7 for the design specification for the filter Fcomp (f) described here according to the invention, the result is a device which transmits the useful signal u the sound transducer 3 is supplied, so generated that the reduction of the external sound develops its greatest effect in the ear canal of the user.
Da Fsoll(f) nicht das direkte Resultat der Vermessung eines realen Systems ist, sondern der Verlauf durch Verrechnung verschiedener Anteile entstanden ist, ist im allgemeinen allerdings nicht davon auszugehen, dass sich der vollständige Verlauf nach Betrag und Phase mit einem realisierbaren Filter Fcomp(f) nachbilden lässt. Ein real aufgebautes Filter ist stets "kausal" (es kann eine Reaktion nicht vor Eintreffen einer Anregung zeigen) und für eine reale Anwendung muss das Filter selbst "stabil" sein (bei Ausbleiben einer Anregung muss der Ausgang gegen einen endlichen konstanten Endwert streben). Aus diesen beiden Voraussetzungen ergeben sich zwingende Zusammenhänge zwischen dem Verlauf des Betrags und der Phase der Übertragungsfunktion des Filters als Funktion der Frequenz f. Da sich der Betrags- und der Phasenverlauf von Fcomp(f) somit nicht unabhängig voneinander einstellen lassen, wird Fcomp(f) im Allgemeinen nur eine Annäherung an Fsoll(f) darstellen können. Für einen eingeschränkten Frequenzbereich ist es auch mit einem kausalen stabilen Filter meist möglich, einen vorgegebenen Verlauf nach Betrag und Phase gut anzunähern. Eine sinnvolle Annäherung ergibt sich daher durch Auswahl eines Frequenzbereichs, in dem Fcomp(f) dem Verlauf von Fsoll(f) nach Betrag und Phase gut folgen kann. In diesem Frequenzbereich entsteht letztendlich die gewünschte Lärmkompensationswirkung, da der Gegenschall im Ohrkanal nach Betrag und Phase korrekt erzeugt wird. Außerhalb des gewählten Frequenzbereichs sollte der Betrag
von Fcomp(f) möglichst gering gewählt werden, da aufgrund der nicht definierten Phasenbeziehung zwischen Stör- und Kompensationsschall sonst sogar Überhöhungen des Störschalls auftreten können. Wird diese Bedingung eingehalten, so unterliegt der Phasenverlauf von Fcomp(f) außerhalb des gewählten Frequenzbereichs keinen Restriktio- nen, woraus sich die notwendigen Freiheitsgrade ergeben, welche die Auslegung eines kausalen stabilen Filters ermöglichen.Since Fsoll (f) is not the direct result of the measurement of a real system, but the course has developed by offsetting different shares, it is generally not to be assumed that the complete course of magnitude and phase with a feasible filter Fcomp (f ). A real filter is always "causal" (it can not show a response before a stimulus hits), and for a real application, the filter itself must be "stable" (in the absence of excitation, the output must aim for a finite constant end value). From these two conditions, there are compelling relationships between the course of the magnitude and the phase of the transfer function of the filter as a function of the frequency f. Thus, since the magnitude and phase history of Fcomp (f) can not be independently set, Fcomp (f) will generally only approximate Fsoll (f). For a limited frequency range, it is usually possible with a causal stable filter to approximate a given course in terms of magnitude and phase. A reasonable approximation is thus obtained by selecting a frequency range in which Fcomp (f) can well follow the course of Fsoll (f) in terms of magnitude and phase. Ultimately, the desired noise compensation effect arises in this frequency range, since the counter sound in the ear canal is generated correctly in terms of magnitude and phase. Outside the selected frequency range, the amount should be be selected by Fcomp (f) as low as possible, because due to the undefined phase relationship between noise and compensation sound otherwise even increases in noise can occur. If this condition is adhered to, the phase characteristic of Fcomp (f) outside the selected frequency range is not subject to any restrictions, which results in the necessary degrees of freedom permitting the design of a causally stable filter.
Optional besteht die in Fig. 5 dargestellte Möglichkeit, dem Nutzsignal u ein Audiosignal a hinzuzuaddieren. Der am Eingang des Ohrs 2 eintreffende Nutzschall 7 ist dann eine Kombination aus dem Gegenschallsignal und einem gemäß dem Audiosignal a er- wünschten Schallsignal. Die Erzeugung des Gegenschallsignals wird durch das Zufügen das Audiosignals a zum Nutzsignal u nicht beeinträchtigt: Das Audiosignal a ist in Fig. 5 Bestandteil des Nutzsignals u, das sowohl dem Schallwandler 3 als auch dem Filter FuiM(f) zugeführt wird. Folglich wird sich das Audiosignal a sowohl in dem am Schallwandler 3 gemessenen Signal i als auch in dem Filterausgang iuM in gleicher Weise niederschlagen. Da das Signal iuM von dem gemessenen Signal i abgezogen wird, heben sich die auf das Audiosignal a zurückzuführenden Anteile heraus, sodass sich das Audiosignal a nicht in dem so erzeugten Signal idM niederschlägt, welches als Eingang für das Filter Fcomp(f) dient. Folglich nimmt das Audiosignal keinen Einfluss auf die Erzeugung des Gegenschallsignals. Entsprechend nimmt die Vorrichtung zur Erzeugung des Ge- genschallsignals keinen Einfluss auf die erwünschte Wiedergabe des Audiosignals a.Optionally, there is the possibility shown in FIG. 5 of adding to the useful signal u an audio signal a. The useful sound 7 arriving at the input of the ear 2 is then a combination of the antinoise signal and a sound signal desired according to the audio signal a. The generation of the antinoise signal is not impaired by adding the audio signal a to the useful signal u: The audio signal a is in FIG. 5 a component of the useful signal u, which is supplied to both the sound transducer 3 and the filter FuiM (f). Consequently, the audio signal a will precipitate in the same way both in the signal i measured at the sound transducer 3 and in the filter output i uM . Since the signal i uM is subtracted from the measured signal i, the components attributable to the audio signal a cancel out, so that the audio signal a is not reflected in the thus generated signal i dM , which serves as the input for the filter Fcomp (f) , Consequently, the audio signal has no influence on the generation of the antinoise signal. Accordingly, the device for generating the GE sound signal does not affect the desired reproduction of the audio signal a.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirkung von Vorrichtungen zur aktiven Lärmkompensation mit einem akustisch/mechanischen Aufbau gemäß dem Stand der Technik zu verbessern. Ein entscheidendes Merkmal der vorbekannten Lösungen besteht darin, dass ein oder mehrere Mikrofone verwendet werden, um den Störschall oder einen Anteil des Störschalls oder die Überlagerung von Störschall mit einem Nutzschall zu messen und zusätzlich mindestens ein Schallgeber zur Erzeugung des Gegenschalls enthalten ist. Alternativ oder zusätzlich zu den Mikrofonsignalen werden gemäß dem Stand der Technik in einigen Fällen Signale zur Erzeugung des Gegenschallsignals herangezogen, welche von einer Störschallquelle direkt zur Verfügung gestellt werden. Die Erzeugung des Gegenschallsignals beruht nach dem Stand der Technik auf einer Verarbeitung des Signals von dem oder den enthaltenen Mikrofonen oder auf Signalen, welche von einer Störschallquelle zur Verfügung gestellt werden oder einer Kombination der genannten Signale. Erfindungsgemäß lässt sich die Lärmkompensationswirkung solcher Vorrichtungen dadurch verbessern, dass zusätzlich an dem
Schallgeber ein Signal erfasst wird, das die Wirkung des am Schallgeber eintreffenden Fremdschalls in Überlagerung mit der Wirkung des an den Schallgeber angelegten Nutzsignals abbildet, und dieses Signal zusätzlich zur Erzeugung des Gegenschalls verarbeitet wird. Als Beispiel für eine entsprechende akustisch/mechanische Vorrichtung nach dem Stand der Technik dient in Fig. 6 ein Kopfhörer.Another object of the present invention is to improve the effect of active noise cancellation devices having a prior art acoustic / mechanical structure. A decisive feature of the previously known solutions is that one or more microphones are used to measure the background noise or a portion of the noise or the superposition of background noise with a useful sound and additionally at least one sounder for generating the counter sound is included. As an alternative or in addition to the microphone signals, according to the prior art, in some cases signals are used to generate the antinoise signal, which signals are provided directly by an interfering sound source. The generation of the antinoise signal is based on the prior art on a processing of the signal from the microphone (s) contained or on signals which are provided by an interfering sound source or a combination of said signals. According to the invention, the noise compensation effect of such devices can be improved in that in addition to the Sounder a signal is detected, which images the effect of the sound arriving at the sounder in superposition with the effect of the applied to the sounder useful signal, and this signal is additionally processed to generate the counter sound. As an example of a corresponding acoustic / mechanical device according to the prior art serves in Fig. 6, a headphone.
Fig. 6 zeigt die schematische Darstellung eines Kopfhörers und einer Kontrolleinheit zur aktiven Reduktion von Störschall gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Die Kappe 1 enthält einen Schallwandler 3 und ein Mikrofon 4. Die Kappe 1 wird so getragen, dass der Schallwandler 3 vor dem Ohr 2 positioniert wird. Das Mikrofon 4 ist hier zwischen dem Schallwandler 3 und dem Ohr 2 positioniert. Die Kappe 1 kann dazu dienen, eine passive Dämpfung gegen den äußeren Störschall 5 zu bieten, sodass nur ein verminderter Störschall 6 im Innern der Kappe 1 ankommt. Wird der Schallwandler 3 mit einem Nutzsignal u angesteuert, so erzeugt er im Innern der Kappe einen Nutzschall 7. Am Eingang des Ohrs 2 findet eine Überlagerung des passiv gedämpften Störschalls 6 mit dem vom Schallwandler 3 erzeugten Nutzschall 7 statt. Das Mikrofon 4 dient zur Erfassung dieser Überlagerung und erzeugt daraus das Messsignal 8. Am Schallwandler 3 wird das Signal i erfasst, das die Wirkung des am Schallwandler 3 eintreffenden Fremdschalls 6 in Überlagerung mit der Wirkung des an den Schallwandler 3 angelegten Nutzsignals u abbildet. Das Signal i wird gemeinsam mit dem Signal 8 einer Kontrolleinheit 19 zugeführt. Zusätz- lieh wird der Kontrolleinheit 19 ein Audiosignal a zugeführt, welches ein erwünschtes Schallsignal repräsentiert. Die Kontrolleinheit 19 erzeugt aus den drei Eingangssignalen i, 8 und a das Nutzsignal u, das dem Schallwandler 3 zugeführt wird.6 shows the schematic illustration of a headphone and a control unit for the active reduction of background noise according to a fourth exemplary embodiment. The cap 1 includes a sound transducer 3 and a microphone 4. The cap 1 is supported so that the sound transducer 3 is positioned in front of the ear 2. The microphone 4 is positioned here between the sound transducer 3 and the ear 2. The cap 1 can serve to provide a passive damping against the external noise 5, so that only a reduced noise 6 arrives inside the cap 1. If the sound transducer 3 is driven with a useful signal u, it generates a useful sound 7 in the interior of the cap. At the input of the ear 2, a superposition of the passively damped noise 6 with the useful sound 7 generated by the sound transducer 3 takes place. The microphone 4 is used to detect this superimposition and generates therefrom the measuring signal 8. At the transducer 3, the signal i is detected, which images the effect of the incoming sound 3 on the external sound 6 in superposition with the effect of the applied to the transducer 3 useful signal u. The signal i is supplied together with the signal 8 to a control unit 19. In addition, the control unit 19 is supplied with an audio signal a, which represents a desired sound signal. The control unit 19 generates from the three input signals i, 8 and a the useful signal u, which is supplied to the sound transducer 3.
Erfindungsgemäß wird in Abgrenzung zum Stand der Technik in Fig. 6 zusätzlich zum Signal 8 das Signal i zur Erzeugung des Gegenschallsignals ausgewertet. Aus diesem Ansatz ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, die Wirkung der aktiven Lärmkompensation von bekannten akustisch/mechanische Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zu verbessern:According to the invention, in contrast to the prior art in Fig. 6 in addition to the signal 8, the signal i is evaluated to generate the antinoise signal. From this approach there are numerous possibilities to improve the effect of the active noise compensation of known acoustic / mechanical devices according to the prior art:
Bei dem Aufbau aus Fig. 6 ist das Mikrofon 4 im Innern der Kappe angebracht, sodass es die Überlagerung des Störschalls 6 mit dem Nutzschall 7 erfasst. Der eintreffende Stör- schall 6 erreicht in Fig. 6 zuerst den Schallwandler 3 und trifft aufgrund der Schallausbreitung in Luft erst mit einer geringen Verzögerung an dem Mikrofon 4 ein. Aus dieser Verzögerung ergeben sich für die Erzeugung des Gegenschallsignals nach dem Stand der Technik Beschränkungen hinsichtlich der Maximalfrequenz, bis zu der eine Lärm-
kompensationswirkung erzielt wird. Da der Störschall 6 zuerst den Schallwandler 3 und erst danach das Mikrofon 4 erreicht, steht mit dem Signal i eine Eingangsgröße für die Kontrolleinheit 19 zur Verfügung, die diese Verzögerung nicht aufweist. Erfindungsgemäß bietet daher die zusätzliche Auswertung des Signals i die Möglichkeit, den Frequenzbe- reich der Lärmkompensationswirkung gegenüber dem Stand der Technik zu verbreitern.In the structure of Fig. 6, the microphone 4 is mounted inside the cap, so that it detects the superposition of the noise 6 with the useful sound 7. The incoming interference sound 6 first reaches the sound transducer 3 in FIG. 6 and, due to the sound propagation in air, only reaches the microphone 4 with a slight delay. From this delay, the generation of the antinoise signal according to the prior art results in restrictions with respect to the maximum frequency up to which a noise compensation effect is achieved. Since the background noise 6 first reaches the sound transducer 3 and only then the microphone 4, is available with the signal i an input to the control unit 19 is available, which does not have this delay. According to the invention, therefore, the additional evaluation of the signal i offers the possibility of widening the frequency range of the noise compensation effect compared to the prior art.
Bei einem Kopfhörer nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 ergeben sich durch Kopfbewegungen des Nutzers des Kopfhörers Druckschwankungen im Innern der Kappe 1. Diese werden von dem Mikrofon 4 erfasst und können erhebliche Amplituden aufweisen. Bei der Verarbeitung gemäß dem Stand der Technik aus Fig. 1 kann dies zu Über- Steuerungen bei der Erzeugung des Gegenschallsignals führen. Um dies zu verhindern, werden normalerweise Begrenzungsmaßnahmen in der zugehörigen Schaltung ergriffen, die jedoch die Wirkung der aktiven Lärmkompensation beeinträchtigen. Da die genannten Druckschwankungen vorwiegend in einem Frequenzbereich unterhalb des menschlichen Hörbereichs liegen, ist eine Reaktion der Schaltung auf diese Druckschwankungen nicht erwünscht. Um dem Problem der Übersteuerung zu begegnen, kann daher das Signal i, in dem sich die genannten Druckschwankungen ebenfalls niederschlagen, erfindungsgemäß und gemäß Fig. 6 dazu verwendet werden, die auf Kopfbewegungen beruhenden Anteile des Signals 8 zu erkennen und von dem Signal 8 zu subtrahieren, sodass es in der Signalkette nicht zur Übersteuerung und somit nicht zur Beeinträchtigung der Lärm- kompensationswirkung kommt.1 head movements of the user of the headphone pressure fluctuations in the interior of the cap 1. These are detected by the microphone 4 and can have significant amplitudes. In the processing of the prior art of Fig. 1, this may result in over-steering in the generation of the antinoise signal. To prevent this, usually limiting measures are taken in the associated circuit, but affect the effect of active noise compensation. Since the mentioned pressure fluctuations are predominantly in a frequency range below the human audible range, a reaction of the circuit to these pressure fluctuations is not desired. In order to counter the problem of overdriving, therefore, the signal i, in which the pressure fluctuations mentioned are likewise reflected, can be used according to the invention and according to FIG. 6 to recognize the parts of the signal 8 based on head movements and to subtract them from the signal 8 so that it does not overdrive in the signal chain and thus not affect the noise compensation effect.
Anders als in Fig. 6 dargestellt ist es nach dem Stand der Technik auch bekannt das Mikrofon 4 außen an der Kappe 1 anzubringen. Bei derartigen Systemen ist die Wirkung der aktiven Lärmkompensation oft in erheblichem Maße von der Richtung des eintreffenden Störschalls abhängig. Erfindungsgemäß kann hier der Schallgeber 3 über das Signal i als zusätzlicher Sensor zur Erfassung des Störschalls verwendet werden. Durch die Störschallerfassung an verschiedenen Orten stehen in den so verfügbaren Signalen Informationen über die Richtung des Störschalls zur Verfügung. Durch eine geeignete Verarbeitung des zusätzlichen Signals lässt sich der Frequenzbereich, in dem eine Lärmkompensationswirkung erzielt wird, verbreitern und die Richtungsabhängigkeit reduzie- ren.Unlike in Fig. 6, it is also known in the prior art to mount the microphone 4 on the outside of the cap 1. In such systems, the effect of active noise cancellation often depends to a considerable extent on the direction of the incoming noise. According to the invention, the sounder 3 can be used via the signal i as an additional sensor for detecting the noise. By the Störschallerfassung in different places information about the direction of the Störschalls are available in the thus available signals. By suitable processing of the additional signal, the frequency range in which a noise compensation effect is achieved can be broadened and the directionality can be reduced.
Des Weiteren sind nach dem Stand der Technik auch "adaptive" Verfahren bekannt, bei denen das Übertragungsverhalten der Filter zur Erzeugung des Gegenschallsignals im laufenden Betrieb an veränderliche Gegebenheiten der akustischen Aufbauten und des
Storschalls angepasst wird Auch bei derartigen Aufbauten kann erfindungsgemaß das Signal ι, das am Schallwandler 3 erfassbar ist, als zusatzliches Messsignal zur Verbesserung der Larmkompensationswirkung oder des Anpassungsverhaltens der adaptiven Algorithmen berücksichtigt werdenFurthermore, according to the state of the art, "adaptive" methods are known in which the transmission behavior of the filters for generating the antinoise signal during operation to varying circumstances of the acoustic structures and the Storschalls adapted Even with such structures according to the invention, the signal ι, which is detectable on the transducer 3, be taken into account as an additional measurement signal for improving the Larmkompensationswirkung or the adaptation behavior of the adaptive algorithms
Die oben beschriebene Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall kann in einem Kopfhörer, in einem In-Ear Hörer oder in einem Gehorschutz implementiert werden Ein In-Ear Hörer gemäß der Erfindung weist einen geringeren Platzbedarf auf, da ein zusätzliches Mikrofon zum Aufzeichnen des Storsignals entfallen kann
The above-described device for the reduction of external sound can be implemented in a headset, in an in-ear earpiece or in a hearing protection An in-ear earphone according to the invention has a smaller footprint since an additional microphone for recording the interference signal can be omitted
Claims
1. Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall mit mindestens einem Schallwandler (3) zum Empfangen eines Nutzsignals (u), zum Abgeben eines Nutzschalls (7), der bei der Überlagerung mit vorhandenem Fremdschall (6) zur Reduzierung des Fremdschalls (6) führt und zum gleichzeitigen Abgeben eines ersten Signals (i), das die Wirkung des an dem Schallwandler (3) eintreffenden Fremdschalls (6) in Überlagerung mit der Wirkung des an den Schallwandler (3) angelegten Nutzsignals (u) abbildet, wobei das erste Signal (i) zur Erzeugung des Nutzsignals (u) verarbeitet wird, einem ersten Filter (FuiM) zum Empfangen des Nutzsignals (u), zum Nachbilden des Verhaltens des Schallwandlers (3) bei Betrieb ohne Fremdschall und zum Ausgeben eines zweiten Signals (iuM), einer Subtraktionseinheit zum Subtrahieren des zweiten Signals (iuM) von dem ersten Signal (i), so dass das Differenzsignal (idM) den Fremdschall (6) abbildet, der am Schallwandler (3) eintrifft, und einem zweiten Filter (Fcomp) zum Empfangen des Differenzsignals (idM) und zum Erzeugen des Nutzsignals (u), welches dem Schailwandler (3) zur Erzeugung von Gegenschall zugeführt wird.1. A device for reducing extraneous sound with at least one sound transducer (3) for receiving a useful signal (u), for outputting a useful sound (7), which leads to the interference with existing external sound (6) to reduce the external sound (6) and the simultaneously emitting a first signal (i) which maps the effect of the extraneous sound (6) arriving at the sound transducer (3) in superposition with the effect of the useful signal (u) applied to the sound transducer (3), the first signal (i) for generating the useful signal (u) is processed, a first filter (FuiM) for receiving the useful signal (u), for simulating the behavior of the sound transducer (3) when operating without external sound and for outputting a second signal (i uM ), a subtraction unit for subtracting the second signal (i uM ) from the first signal (i), such that the difference signal (i dM ) maps the external sound (6) arriving at the sound transducer (3) and a second filter (Fcomp) for Receiving the difference signal (i dM ) and for generating the useful signal (u), which is supplied to the Schailwandler (3) for generating counter-sound.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Nutzsignal (u), das dem Schallwandler (3) zugeführt wird, so ausgelegt wird, dass die Reduzierung des Fremdschalls (6) ihre größte Wirkung im Ohrkanal eines Nutzers entfaltet.2. Device according to claim 1, wherein the useful signal (u) which is supplied to the sound transducer (3) is designed so that the reduction of the external sound (6) unfolds its greatest effect in the ear canal of a user.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Kopfhörer, ein In-Ear Hörer oder ein Gehörschutz ist.3. Device according to one of the preceding claims, wherein the device is a headphone, an in-ear earpiece or hearing protection.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem Nutzsignal (u) zusätzlich ein Anteil aus einer Audiosignalquelle (a) zugefügt wird.4. Device according to one of the preceding claims, wherein the useful signal (u) in addition a portion of an audio signal source (a) is added.
5. Vorrichtung, mit mindestens einem Schallwandler (3) zum Empfangen eines Nutzsignals (u), und zum Ausgeben des Nutzschalls (7), der bei der Überlagerung mit vorhandenem Fremd- schall (6) zur Reduzierung des Fremdschalls (6) führt, und einer Kontrolleinheit (CU) zum Bilden des Nutzsignals (u), zum Empfangen des Signals eines oder mehrerer Mikrofone, zum Auswerten des Signals eines oder mehrerer Mikrofone, welche den zu reduzierenden Storschall oder einen Anteil davon oder eine Überlagerung von Stör- und Nutzschall empfangen und/oder zum Auswerten eines oder mehrerer Signale, die von einer Storschallquelle direkt zur Verfugung gestellt werden, wobei die Kontrolleinheit (CU) zur Erzeugung von Gegenschall zusätzlich ein ers- tes Signal (ι) auswertet, das an dem Schallwandler (3) erfasst wird und das die Wirkung des an dem Schallwandler (3) eintreffenden Fremdschalls (6) in Überlagerung mit der Wirkung des an den Schallwandler (3) angelegten Nutzsignals (u) abbildet5. Device, with at least one sound transducer (3) for receiving a useful signal (u), and for outputting the useful sound (7), which leads to the interference with the existing foreign sound (6) to reduce the external sound (6), and a control unit (CU) for forming the payload signal (u), for receiving the signal of one or more microphones, for evaluating the signal of one or more Microphones which receive the Storschall to be reduced or a portion thereof or a superposition of noise and Nutzschall and / or for evaluating one or more signals that are provided directly from a Storschallquelle, wherein the control unit (CU) for generating counter-noise additionally evaluates a first signal (ι) which is detected at the sound transducer (3) and which superimposes the effect of the external sound (6) impinging on the sound transducer (3) with the effect of the useful signal applied to the sound transducer (3) (u) maps
6 Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung ein Kopfhörer, ein In-Ear Hörer oder ein Gehorschutz istA device according to claim 5, wherein the device is a headphone, an in-ear earpiece or a hearing protector
7 Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kontrolleinheit zusätzlich ein Signal aus einer Audiosignalquelle (a) zugeführt wird7. Apparatus according to claim 5 or 6, wherein the control unit is additionally supplied with a signal from an audio signal source (a)
8 Verfahren zur Reduzierung von Fremdschall in einem Kopfhörer, einem In-Ear Hörer oder einem Gehorschutz mit mindestens einem Schallwandler (3), mit den Schritten Empfangen eines Nutzsignals (u), Abgeben eines Nutzschalls (7), der bei der8 Method for reducing external noise in a headphone, an in-ear earpiece or a hearing protection with at least one sound transducer (3), with the steps of receiving a useful signal (u), outputting a useful sound (7), in the
Überlagerung mit vorhandenem Fremdschall zur Reduzierung des Fremdschalls fuhrt, und gleichzeitiges Abgeben eines ersten Signals durch den Schallwandler, wobei das erste Signal die Wirkung des an dem Schallwandler eintreffenden Fremdschalls (6) in Überlagerung mit der Wirkung des an dem Schallwandler (3) angelegten Nutzsignals (u) abbildet, wobei das erste Signal zur Erzeugung des Nutzsignals (u) verarbeitet wird, Empfangen des Nutzsignals, Nachbilden des Verhaltens des Schallwandlers bei Betrieb ohne Fremdschall und Ausgeben eines zweiten Signals (IUM) durch einen ersten Filter (FuiM), Subtrahieren des zweiten Signals (ιuM) von dem ersten Signal (ι), so dass dasOverlay with existing external sound to reduce the extraneous sound leads, and simultaneously outputting a first signal through the transducer, wherein the first signal, the effect of the sound arriving at the transducer extraneous sound (6) in superposition with the effect of the sound transducer (3) applied useful signal ( u), wherein the first signal is processed to generate the useful signal (u), receiving the useful signal, emulating the behavior of the transducer when operating without extraneous sound and outputting a second signal (I U M) by a first filter (FuiM), subtracting of the second signal (ι uM ) of the first signal (ι), so that the
Differenzsignal den Fremdschall (6) abbildet, der am Schallwandler (3) eintritt, undDifference signal the foreign sound (6), which occurs at the sound transducer (3), and
Empfangen des Differenzsignals und Erzeugen des Nutzsignals (u), welches dem Schallwandler (3) zur Erzeugung von Gegenschall zugeführt wird Receiving the difference signal and generating the useful signal (u) which is supplied to the sound transducer (3) for generating counter-sound
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