《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》是歌爾股份有限公司於2014年12月31日申請的專利，該專利申請號為2014108541481，公布號為CN104602163A，公布日為2015年5月6日，發明人是劉崧、王林章、李波。
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》公開了一種主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統。該方法通過在主動降噪耳機的每隻耳機的外側各設定一個前饋麥克風，利用前饋麥克風檢測外界噪聲的大小，計算噪聲信號的計權能量，根據計權能量確定是否需要打開主動降噪系統，在需要主動降噪控制時，計算噪聲信號中的分別對應前饋降噪量和反饋降噪量的兩個子帶的能量值，從而確定出前饋降噪系統和反饋降噪系統的降噪量，並控制耳機對應進行前饋降噪和反饋降噪。該發明的技術方案對主動降噪耳機的環境進行檢測，針對當前噪聲的類型和頻率分布，採用動態的可調的降噪方案對周圍噪聲進行抑制，相比於相關固定降噪的主動降噪技術，能夠使降噪效果達到最佳。
2021年6月24日，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
（概述圖為《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統
- 公布號：CN104602163A
- 申請人：歌爾股份有限公司
- 發明人：劉崧、王林章、李波
- 申請號：2014108541481
- 申請日：2014年12月31日
- 公布日：2015年5月6日
- 地址：山東省濰坊市高新技術產業開發區東方路268號
- 代理機構：北京市隆安律師事務所
- 代理人：權鮮枝、吳昊
- Int. Cl.：H04R3/00(2006.01)I; H04R1/10(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
耳機在人們的尋常生活和工作中已經得到了廣泛套用，耳機除了用來欣賞音樂，娛樂的功能之外，也被廣泛的套用於隔離噪聲，保持相對安靜的環境，但是耳機對低頻噪聲的隔噪效果和能力是有局限性的。
主動降噪技術採用的方法是產生一個與外界噪聲幅度相同相位相反的信號來抵消進入耳機的噪聲。截至2014年12月31日，耳機中採用的主動降噪技術多是固定降噪的技術，這種固定降噪技術存在以下缺陷：外界環境不停變化，當外界噪聲和固定降噪量相當的時候會產生比較好的降噪效果，但是，當外界噪聲高於固定降噪量，就會出現降噪效果達不到最優，或者當外界噪聲低於固定降噪量的時候，主動降噪模組實質上會產生一個新的噪聲到達人的耳朵。
發明內容
專利目的
基於專利背景中的問題，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》的主要目的在於提供一種套用於主動降噪耳機的降噪控制方法和系統及一種主動降噪耳機，用於解決固定降噪的主動降噪技術不能使降噪效果達到最優的技術問題。
技術方案
為達到專利目的，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例的技術方案實現如下：
一方面，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供了一種套用於主動降噪耳機的降噪控制方法，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個前饋麥克風，所述前饋麥克風設定在耳機的外側，所述降噪控制方法包括：對前饋麥克風當前時刻採集到的噪聲信號進行頻域計權和時域計權，得到計權能量；根據所述計權能量判斷當前時刻是否需要主動降噪控制；當需要主動降噪控制時，計算當前時刻前饋麥克風采集到的噪聲信號的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值，其中，所述第一子帶和第二子帶分別根據耳機的前饋降噪曲線和反饋降噪曲線確定；根據所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量；控制耳機根據所述前饋降噪量進行前饋降噪，控制耳機根據所述反饋降噪量進行反饋降噪。
優選地，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個反饋麥克風，所述反饋麥克風設定在耳機和人耳的耦合腔內，所述降噪控制方法進一步包括：在判斷揚聲器中無聲音播放時，計算當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量；所述控制耳機根據所述反饋降噪量進行反饋降噪還包括：根據計算出的當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量對所述反饋降噪量進行調整；控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪。
進一步優選地，所述控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪包括：在控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪後，獲取反饋麥克風采集到的降噪後的信號，計算降噪後的信號的能量；比較當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量是否小於所述降噪後的信號的能量，若是，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪，若否，控制耳機根據調整前的反饋降噪量進行反饋降噪。
優選地，所述根據所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量包括：將所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值與不同降噪等級對應的閾值分別進行比較，分別確定出前饋降噪量初始值和反饋降噪量初始值。
進一步優選地，所述根據所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量還包括：為相鄰的兩個降噪等級分別設定上升門限閾值和下降門限閾值，而且上升門限閾值大於下降門限閾值；記錄各個時刻獲取到的前饋麥克風采集到的噪聲信號的所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值；在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從小變大的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量增大一個降噪等級；在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從大變小的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量降低一個降噪等級。
優選地，所述降噪控制方法還包括：計算當前時刻主動降噪耳機的兩隻耳機上的兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，根據所述相關性的計算結果判斷當前時刻是否存在風噪；如果判斷當前時刻存在風噪，則控制耳機停止根據所述前饋降噪量進行前饋降噪，並根據所述前饋降噪量確定出反饋降噪量的增量，控制耳機根據增量後的反饋降噪量進行反饋降噪。
另一方面，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例還提供了一種套用於主動降噪耳機的降噪控制系統，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個前饋麥克風，所述前饋麥克風設定在耳機的外側，所述降噪控制系統包括：能量計權單元，用於對前饋麥克風當前時刻採集到的噪聲信號進行頻域計權和時域計權，得到計權能量；主動降噪判斷單元，用於根據所述能量計權單元得到的計權能量判斷當前時刻是否需要主動降噪控制；子帶能量計算單元，用於當所述主動降噪判斷單元判斷需要主動降噪控制時，計算當前時刻前饋麥克風采集到的噪聲信號的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值，其中，所述第一子帶和第二子帶分別根據耳機的前饋降噪曲線和反饋降噪曲線確定；降噪量確定單元，用於根據所述子帶能量計算單元計算出的所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量；前饋降噪控制單元，用於控制耳機根據所述前饋降噪量進行前饋降噪；反饋降噪控制單元，用於控制耳機根據所述反饋降噪量進行反饋降噪。
優選地，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個反饋麥克風，所述反饋麥克風設定在耳機和人耳的耦合腔內，所述降噪控制系統進一步包括：反饋能量計算單元，用於在判斷揚聲器中無聲音播放時，計算當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量；所述反饋降噪控制單元還包括：反饋降噪量調整模組，用於根據所述反饋能量計算單元計算出的當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量對所述反饋降噪量進行調整，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪。進一步優選地，所述反饋降噪量調整模組，還具體用於在控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪後，獲取反饋麥克風采集到的降噪後的信號，計算降噪後的信號的能量；比較當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量是否小於所述降噪後的信號的能量，若是，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪，若否，控制耳機根據調整前的反饋降噪量進行反饋降噪。
優選地，所述降噪量確定單元包括：初始值確定模組，用於將所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值與不同降噪等級對應的閾值分別進行比較，分別確定出前饋降噪量初始值和反饋降噪量初始值；雙閾值設定模組，用於為相鄰的兩個降噪等級分別設定上升門限閾值和下降門限閾值，而且上升門限閾值大於下降門限閾值；能量值記錄模組，用於記錄各個時刻獲取到的前饋麥克風采集到的噪聲信號的所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值；增大降噪等級模組，用於在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從小變大的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量增大一個降噪等級；降低降噪等級模組，用於在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從大變小的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量降低一個降噪等級。
優選地，所述降噪控制系統還包括：風噪判斷單元，用於計算當前時刻主動降噪耳機的兩隻耳機上的兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，根據所述相關性的計算結果判斷當前時刻是否存在風噪；風噪處理單元，用於所述風噪判斷單元判斷當前時刻存在風噪時，控制耳機停止根據所述前饋降噪量進行前饋降噪，並根據所述前饋降噪量確定出反饋降噪量的增量，控制耳機根據增量後的反饋降噪量進行反饋降噪。
又一方面，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供了一種主動降噪耳機，在所述主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個前饋麥克風和一個反饋麥克風，其中前饋麥克風設定在耳機的外側，反饋麥克風設定在耳機和人耳的耦合腔內；所述主動降噪耳機的每隻耳機內設定有上述技術方案提供的降噪控制系統。
改善效果
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例的有益效果是：
該發明實施例的技術方案，通過從頻域和時域兩個角度計算信號的計權能量的技術手段，能夠根據人耳的聽覺特性，檢測用戶佩戴主動降噪耳機的環境狀況，針對當前噪聲的類型和頻率分布綜合判斷是否需要主動降噪控制；通過計算麥克風實時採集到的噪聲信號的子帶能量值的技術手段，能夠動態計算出調整降噪量的大小；以及，通過前饋降噪量進行前饋降噪和反饋降噪量進行反饋降噪的技術手段，對不同的降噪系統智慧型地採用不同的減噪方案。該方案能夠準確的降噪控制，動態的智慧型降噪調整，相比於固定降噪的主動降噪技術，能夠使降噪效果達到最佳。
在一優選方案中，該發明還可以在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個反饋麥克風，利用設定在耳機和人耳的耦合腔內的反饋麥克風，微調反饋降噪系統的反饋降噪量，保證噪聲抑制達到最佳效果。在另一優選方案中，該發明採用動態雙門限閾值，使得動態調整過程是一個緩變的過程，從而避免頻繁調整降噪等級而帶來的噪聲。在又一優選方案中，該發明還可以根據兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，判斷當前是否存在風噪，並對風噪情況下進行特殊的降噪控制。
附圖說明
圖1為《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供的設定兩個麥克風的主動降噪耳機的示意圖；
圖2為《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供的一種套用於主動降噪耳機的降噪控制方法的流程圖；
圖3為《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供的降噪系統等級跳動示意圖；
圖4為《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供的一種套用於主動降噪耳機的降噪控制系統結構示意圖；
圖5為《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供的一種主動降噪耳機的結構示意圖。
技術領域
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》涉及智慧型耳機的主動降噪技術領域，特別涉及一種套用於主動降噪耳機的降噪控制方法和系統及一種主動降噪耳機。
權利要求
1、一種套用於主動降噪耳機的降噪控制方法，其特徵在於，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個前饋麥克風，所述前饋麥克風設定在耳機的外側，所述降噪控制方法包括：對前饋麥克風當前時刻採集到的噪聲信號進行頻域計權和時域計權，得到計權能量；根據所述計權能量判斷當前時刻是否需要主動降噪控制；當需要主動降噪控制時，計算當前時刻前饋麥克風采集到的噪聲信號的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值，其中，所述第一子帶和第二子帶分別根據耳機的前饋降噪曲線和反饋降噪曲線確定，在前饋降噪曲線的最大幅值點附近的一定頻帶範圍內選取出所述第一子帶，在反饋降噪曲線的最大幅值點附近的一定頻帶範圍內選取出所述第二子帶；根據所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量；控制耳機根據所述前饋降噪量進行前饋降噪，控制耳機根據所述反饋降噪量進行反饋降噪。
2、根據權利要求1所述的降噪控制方法，其特徵在於，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個反饋麥克風，所述反饋麥克風設定在耳機和人耳的耦合腔內，所述降噪控制方法進一步包括：在判斷揚聲器中無聲音播放時，計算當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量；所述控制耳機根據所述反饋降噪量進行反饋降噪還包括：根據計算出的當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量對所述反饋降噪量進行調整；控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪。
3、根據權利要求2所述的降噪控制方法，其特徵在於，所述控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪包括：在控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪後，獲取反饋麥克風采集到的降噪後的信號，計算降噪後的信號的能量；比較當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量是否小於所述降噪後的信號的能量，若是，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪，若否，控制耳機根據調整前的反饋降噪量進行反饋降噪。
4、根據權利要求1所述的降噪控制方法，其特徵在於，所述根據所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量包括：將所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值與不同降噪等級對應的閾值分別進行比較，分別確定出前饋降噪量初始值和反饋降噪量初始值。
5、根據權利要求4所述的降噪控制方法，其特徵在於，所述根據所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量還包括：為相鄰的兩個降噪等級分別設定上升門限閾值和下降門限閾值，而且上升門限閾值大於下降門限閾值；記錄各個時刻獲取到的前饋麥克風采集到的噪聲信號的所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值；在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從小變大的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量增大一個降噪等級；在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從大變小的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量降低一個降噪等級。
6、根據權利要求1-5任一項所述的降噪控制方法，其特徵在於，所述降噪控制方法還包括：計算當前時刻主動降噪耳機的兩隻耳機上的兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，根據所述相關性的計算結果判斷當前時刻是否存在風噪；如果判斷當前時刻存在風噪，則控制耳機停止根據所述前饋降噪量進行前饋降噪，並根據所述前饋降噪量確定出反饋降噪量的增量，控制耳機根據增量後的反饋降噪量進行反饋降噪。
7、一種套用於主動降噪耳機的降噪控制系統，其特徵在於，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個前饋麥克風，所述前饋麥克風設定在耳機的外側，所述降噪控制系統包括：能量計權單元，用於對前饋麥克風當前時刻採集到的噪聲信號進行頻域計權和時域計權，得到計權能量；主動降噪判斷單元，用於根據所述能量計權單元得到的計權能量判斷當前時刻是否需要主動降噪控制；子帶能量計算單元，用於當所述主動降噪判斷單元判斷需要主動降噪控制時，計算當前時刻前饋麥克風采集到的噪聲信號的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值，其中，所述第一子帶和第二子帶分別根據耳機的前饋降噪曲線和反饋降噪曲線確定；降噪量確定單元，用於根據所述子帶能量計算單元計算出的所述第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量；前饋降噪控制單元，用於控制耳機根據所述前饋降噪量進行前饋降噪；反饋降噪控制單元，用於控制耳機根據所述反饋降噪量進行反饋降噪。
8、根據權利要求7所述的降噪控制系統，其特徵在於，在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個反饋麥克風，所述反饋麥克風設定在耳機和人耳的耦合腔內，所述降噪控制系統進一步包括：反饋能量計算單元，用於在判斷揚聲器中無聲音播放時，計算當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量；所述反饋降噪控制單元還包括：反饋降噪量調整模組，用於根據所述反饋能量計算單元計算出的當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量對所述反饋降噪量進行調整，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪。
9、根據權利要求8所述的降噪控制系統，其特徵在於，所述反饋降噪量調整模組，還具體用於在控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪後，獲取反饋麥克風采集到的降噪後的信號，計算降噪後的信號的能量；比較當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量是否小於所述降噪後的信號的能量，若是，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪，若否，控制耳機根據調整前的反饋降噪量進行反饋降噪。
10、根據權利要求7所述的降噪控制系統，其特徵在於，所述降噪量確定單元包括：初始值確定模組，用於將所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值與不同降噪等級對應的閾值分別進行比較，分別確定出前饋降噪量初始值和反饋降噪量初始值；雙閾值設定模組，用於為相鄰的兩個降噪等級分別設定上升門限閾值和下降門限閾值，而且上升門限閾值大於下降門限閾值；能量值記錄模組，用於記錄各個時刻獲取到的前饋麥克風采集到的噪聲信號的所述第一子帶的能量值和所述第二子帶的能量值；增大降噪等級模組，用於在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從小變大的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量增大一個降噪等級；降低降噪等級模組，用於在判斷當前時刻所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從大變小的過程中時，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述上升門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當所述第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於所述下降門限閾值時，確定所述前饋降噪量或反饋降噪量降低一個降噪等級。
11、根據權利要求7-10任一項所述的降噪控制系統，其特徵在於，所述降噪控制系統還包括：風噪判斷單元，用於計算當前時刻主動降噪耳機的兩隻耳機上的兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，根據所述相關性的計算結果判斷當前時刻是否存在風噪；風噪處理單元，用於所述風噪判斷單元判斷當前時刻存在風噪時，控制耳機停止根據所述前饋降噪量進行前饋降噪，並根據所述前饋降噪量確定出反饋降噪量的增量，控制耳機根據增量後的反饋降噪量進行反饋降噪。
12、一種主動降噪耳機，其特徵在於，在所述主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個前饋麥克風和一個反饋麥克風，其中前饋麥克風設定在耳機的外側，反饋麥克風設定在耳機和人耳的耦合腔內；所述主動降噪耳機的每隻耳機內設定有權利要求7-11任一項所述的降噪控制系統。
實施方式
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》的主要技術構思是：利用多麥克風對用戶佩戴主動降噪耳機的環境進行檢測，基於人耳的聽覺效應，針對當前噪聲的類型和頻率分布，判定是否使用主動降噪，並採用動態的可調的降噪方案，並智慧型結合耳機中前饋和反饋兩個降噪系統保證噪聲抑制達到最佳效果。
為了改善傳統主動降噪耳機不會考慮外界噪聲的種類，對所有噪聲都做統一的處理的缺陷，該方案採用了多麥克風對外界環境的檢測。圖1示出了該發明實施例的設定兩個麥克風的主動降噪耳機的示意圖。其中一個為前饋麥克風，如圖1中的MIC_1，設定在耳機的外側；另一個是反饋麥克風，如圖1中的MIC_2，設定在耳機和人耳的耦合腔內。當耳機打開上電後，主動降噪耳機便開始工作(可強制關閉)。整個降噪系統也可以分為前饋降噪系統和反饋降噪系統。這兩個系統在降噪的頻帶偏重上是不相同的，所以需要對外界環境智慧型檢測，智慧型組合兩個降噪系統，從而達到最佳的降噪量。
主動降噪耳機的原理是通過產生與外界噪聲相位相反的信號來抵消噪聲，從而實現降噪的目的。如圖1所示MIC_1安裝在耳機的外側(如外側上角)，用來檢測外界的噪聲，從而控制揚聲器產生相位相反的信號，這是前饋降噪系統。MIC_2安裝在耳機和人耳朵的耦合腔裡面，它會檢測耦合器腔裡面殘留的噪聲的大小，同時也產生一個與耦合腔噪聲相位相反的信號，進一步降低進入人耳的噪聲，使得降噪量達到最大化。
圖2示出了《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例的一種套用於主動降噪耳機的降噪控制方法的流程圖。如圖2所示，該方法包括：
步驟S210，對前饋麥克風當前時刻採集到的噪聲信號進行頻域計權和時域計權，得到計權能量。
因為人耳的特殊性，人耳對低頻和高頻信號的敏感度都要低於中頻，為了更加真實的計算出人對噪聲的感覺，該實施例對輸入的信號進行計權衡量，以針對當前噪聲的類型和頻率分布，採用動態的可調的降噪方案。
該計權衡量包括頻域計權和時域計權兩個方面。
第一步頻域計權。根據下述的頻率計權公式設計頻率濾波器R(f)，其中f為信號的頻率，RA(f)為頻率計權係數：
若聲音信號是s1，經過頻率計權後得到y(n)，則有
。
第二步時域計權。頻率計權後的數據，更符合人耳在頻域的聽覺，但是在時域上，如果噪聲突然消失，其聲級並不會馬上消失，會有一個下降速率，這時採用一個時間常數來對信號平滑，執行時域計權處理。
可以使用如下的時間計權方式進行時域計權：
，其中SPL(n)是聲級，即是最終得到的計權能量；α是時間計權係數，Energy(n)是當前幀的能量值，Energy(n)為上述頻率計權後y(n)的平方。
步驟S220，根據計權能量判斷當前時刻是否需要主動降噪控制。
上述步驟S210得到的計權能量SPL(n)會跟一個閾值進行比較。當SPL(n)大於閾值就進行主動降噪，如果SPL(n)小於閾值就無需主動降噪。閾值的大小需要根據實際設計的耳機進行選擇。
步驟S230，當需要主動降噪控制時，計算當前時刻前饋麥克風采集到的噪聲信號的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值。
該實施例對外界環境噪聲的抑制是分頻帶的，即在不同的頻率上面降噪的效果也是不一樣的。這主要考慮到，如果主動降噪主要集中在低頻部分，而進入人耳的噪聲主要是高頻噪聲，這個時候若不同頻帶仍採用相同的主動降噪方法，實質上對降噪是沒有幫助的，反而會引入更多噪聲，造成人耳的不舒適。所以該實施例通過不同頻帶進行不同的降噪處理，提高了降噪效果。
其中，第一子帶和第二子帶分別根據主動降噪耳機的前饋降噪曲線和反饋降噪曲線確定。具體地，可以通過檢測主動降噪耳機的前饋降噪性能得到前饋降噪曲線，通過檢測主動降噪耳機的反饋降噪性能得到反饋降噪曲線，在前饋降噪曲線的最大幅值點附近的一定頻帶範圍(該一定頻帶範圍中最大幅值的頻點與整個前饋降噪曲線的最大幅值點的頻點之間的差值小於設定值)內選取出第一子帶，在反饋降噪曲線的最大幅值點附近的一定頻帶範圍(該一定頻帶範圍中最大幅值的頻點與整個反饋降噪曲線的最大幅值點的頻點之間的差值小於設定值)內選取處第二子帶。
當噪聲達到閾值要求時，需要執行主動降噪控制時，就需要分別來求第一子帶的能量值和第二子帶的能量值。
計算方式有兩種：一種是可以使前饋麥克風MIC_1當前時刻採集到的噪聲信號s1通過第一子帶A的帶通濾波器hA(n)和第二子帶B的帶通濾波器hB(n)。第二種是可以把s1通過FFT變換(Fast Fourier Transformation，快速傅氏變換)到頻域，然後統計第一子帶A和第二子帶B的能量值的大小。現以第一子帶A為示例進行說明。
方式一，通過子帶濾波器的方法計算第一子帶A的能量值EnergyA，參見如下公式：
，其中，y(n)表示s1經過hA(n)後的帶限信號，n表示時間。
方式二，通過FFT計算第一子帶A的子帶能量EnergyA的方法，參見如下公式：
，
，其中，α為加權係數，α的數值可以根據頻響曲線確定；(subband1，subband2)為子帶A的頻域範圍。
步驟S240，根據第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量。
得到第一子帶和第二子帶的能量之後，把兩個子帶的能量值和預先設定的閾值進行比較。具體地，該實施例是將第一子帶的能量值和第二子帶的能量值與不同降噪等級對應的閾值分別進行比較，分別確定出前饋降噪量初始值和反饋降噪量初始值。
需要說明的是，當打開耳機時，默認當前不需要主動降噪。當確定需要開啟主動降噪後，計算出兩個子帶能量的初始值，然後按照該初始值對應的降噪等級，確定初始時刻前饋降噪量和反饋降噪量。
由於耳機所處的環境噪聲會不停的發生變化，為了跟蹤變化，該實施例每隔一定時間(例如每秒)跟蹤計算一次子帶能量值。噪聲的變化使得前饋主動降噪和反饋主動降噪模組會重新調整自己的降噪量。不過其調整過程是一個緩變的過程，為了防止噪聲在閾值附近變化而造成降噪等級來回跳動，引起人耳聽覺不舒適性，該方案採用了雙門限的方式。
具體地，為相鄰的兩個降噪等級分別設定上升門限閾值和下降門限閾值，而且上升門限閾值大於下降門限閾值；記錄各個時刻獲取到的前饋麥克風采集到的噪聲信號的子帶的能量值。需說明的是，第一子帶的能量值和第二子帶的能量值都需要分別記錄，由於利用第一子帶的能量值確定前饋降噪量的方法與利用第二子帶的能量值確定反饋降噪量方法相同，下述統稱為子帶進行描述，不再區分第一子帶和第二子帶。
在判斷當前時刻子帶的能量值處於能量值從小變大的過程中時(可以利用記錄的子帶的能量值的大小獲知能量值的變化趨勢)，當子帶的能量值大於該下降門限閾值時，確定前饋降噪量(對應第一子帶)或反饋降噪量(對應第二子帶)保持原降噪等級不變，當子帶的能量值大於該上升門限閾值時，確定前饋降噪量或反饋降噪量增大一個降噪等級。
在判斷當前時刻子帶的能量值處於能量值從大變小的過程中時，當子帶的能量值小於該上升門限閾值時，確定前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當子帶的能量值小於該下降門限閾值時，確定前饋降噪量或反饋降噪量降低一個降噪等級。
圖3示出了該發明實施例的降噪系統等級跳動示意圖。如圖3所示，在相鄰的兩個降噪等級(如降噪等級A、降噪等級B)中，採用了上升門限閾值Threshold0_up和下降門限閾值Threshold0_down，而且Threshold0_up＞Threshold0_down恆成立：
1.第一種變化情況，外界環境噪聲的子帶能量從小變大的過程中，即系統在降噪等級A時，當子帶能量大於Threshold0_down，主動降噪系統不跳動降噪等級，但是如果能量繼續變大，當子帶能量大於Threshold0_up的時候，主動降噪系統的前饋降噪量或反饋降噪量向上跳動一級到降噪等級B。
2.反之，第二種變化情況下，外界環境噪聲子帶能量從大變小，即當系統處在降噪等級B時，當子帶能量小於Threshold0_up，主動降噪系統不跳動降噪等級，但是如果能量繼續變小，當子帶能量小於Threshold0_down的時候，主動降噪系統的前饋降噪量或反饋降噪量向下跳動一級到降噪等級A。
上述降噪等級的數量要根據主動降噪耳機的需要選取劃分，即降噪等級還可以在降噪等級B，降噪等級C等等之間跳動。比如，可以將降噪等級選取為10個，若主動降噪耳機所能實現的降噪幅度範圍為25分貝，則各降噪等級對應的分貝數量遞增，第一等級為2.5分貝的降噪量，第二等級為5分貝的降噪量，第三等級為7.5分貝的降噪量，以此類推。
步驟S250，控制耳機根據確定出的前饋降噪量進行前饋降噪，控制耳機根據確定出的反饋降噪量進行反饋降噪。例如控制耳機中的前饋降噪模組根據確定出的前饋降噪量進行前饋降噪，控制耳機中的反饋降噪模組根據確定出的反饋降噪量進行反饋降噪
至此完成了圖2所示的套用於主動降噪耳機的降噪控制方法。上述步驟S210至S250的操作可以由耳機中的控制晶片執行。
該發明實施例的技術方案，通過從頻域和時域兩個角度計算信號的計權能量的技術手段，能夠根據人耳的聽覺特性，檢測用戶佩戴主動降噪耳機的環境狀況，針對當前噪聲的類型和頻率分布綜合判斷是否需要主動降噪控制；通過計算麥克風實時採集到的噪聲信號的子帶能量值的技術手段，能夠動態計算出調整降噪量的大小；以及，通過前饋降噪量進行前饋降噪和反饋降噪量進行反饋降噪的技術手段，對不同的降噪系統智慧型地採用不同的減噪方案。該方案能夠準確的降噪控制，動態的智慧型降噪調整，相比於固定降噪的主動降噪技術，能夠使降噪效果達到最佳。
通過該發明可以根據用戶使用耳機的環境，自適應的調整耳機的主動降噪量，保證耳機獲得對外界環境噪聲的最大降噪量，同時，判斷用戶的使用狀態，不產生對音樂信號的任何損傷。
在上述實施例的基礎上，又一優選實施例中的降噪控制方法提供了一種對反饋麥克風的降噪量自適應微調的方案，以提高反饋降噪控制的準確度，該方法進一步包括：
在判斷揚聲器中無聲音播放時，利用主動降噪耳機的每隻耳機上在耳機和人耳的耦合腔內各設定的反饋麥克風，計算當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量。
則上述步驟S250中控制耳機根據確定出的反饋降噪量進行反饋降噪還包括：根據計算出的當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量對該反饋降噪量進行調整，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪。從而根據反饋麥克風的降噪結果，對反饋降噪量進行適當的自適應修改。
對反饋降噪量進行適當的自適應修改的過程如下：在控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪後，獲取反饋麥克風采集到的降噪後的信號，計算降噪後的信號的能量；比較當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量是否小於該降噪後的信號的能量，若是，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪，若否，控制耳機根據調整前的反饋降噪量進行反饋降噪。即首先套用圖2所示的方案執行降噪控制，判斷反饋麥克風采集到的信號s2的能量，超過一定閾值時，就提高反饋降噪量使用新的降噪等級，對反饋降噪量進行調整；然後比較調整前的信號能量與調整後的信號能量，如果提高反饋降噪量能夠降低s2的能量，就繼續使用調整後的新的降噪等級；如果提高反饋降噪量不能降低s2的能量，就恢復為調整前的原來的降噪等級。
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》的該優選實施例，利用在耳機和人耳的耦合腔內設定的反饋麥克風，通過自適應微調反饋降噪系統的反饋降噪量，保證了噪聲抑制達到最佳效果。
在《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》另一優選實施例中，該發明的降噪控制方法提供了一種風噪的解決方案，該方法還進一步包括：計算當前時刻主動降噪耳機的兩隻耳機上的兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，根據相關性的計算結果判斷當前時刻是否存在風噪；如果判斷當前時刻存在風噪，則控制耳機停止根據前饋降噪量進行前饋降噪，並根據該前饋降噪量確定出反饋降噪量的增量，控制耳機根據增量後的反饋降噪量進行反饋降噪。
考慮到前饋主動降噪系統對於風噪不能起到降噪的效果，相反，還會放大噪聲，所以當風噪出現時，該實施例採用關閉前饋主動降噪，增大反饋降噪量的方案。
該實施例採用的風噪的檢測是根據信號的相關性實現的。發明人通過對風噪產生原理的分析發現，風經過麥克風時，在麥克風上產生壓強。每一個麥克風采集到的風噪都是隨機的，即，任何兩個麥克風采集的風噪是不相關的。而對於任何有源噪聲和信號，其麥克風采集到的信號與信號源之間都是有相關性的。因為耳機是立體聲的，可以利用前饋麥克風的兩個輸入進行相關性判斷：如果到達兩個前饋麥克風的信號是不相關的，即可判斷當前遇到了風噪。而其他任何噪聲和語音都會有極強的相關性。所以，風噪的判斷可通過計算兩個前饋麥克風的信號的相關性來判斷。其具體計算過程是：
1.假設兩個前饋麥克風采集的信號分別是x1(n),x2(n)。首先計算兩路信號的FFT，得到兩路信號的頻域信號X1(k),X2(k)。
2.根據如下自相關的公式，計算兩路信號頻域的自相關函式R(k)，其中，conj表示求複數共軛：
。
3.歸一化計算結果R(k)，平滑計算結果。可以通過該步驟得出的平滑計算結果的相關性來確認是否存在風噪，即平滑計算結果指示相關性低時，確認存在風噪。或者進入步驟4，對該步驟得出的平滑計算結果進行抽取之後再執行判斷。
4.抽取設定頻帶(如93.75赫茲～781.25赫茲)的信號的相關性進行判斷。
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》的該優選實施例，可以判斷當前是否存在風噪，並對風噪情況下進行消除風噪的降噪控制。
圖4為該發明實施例提供的一種套用於主動降噪耳機的降噪控制系統的結構示意圖，該降噪控制系統包括：能量計權單元41、主動降噪判斷單元42、子帶能量計算單元43、降噪量確定單元44、前饋降噪控制單元45和反饋降噪控制單元46。其中，能量計權單元41，用於對前饋麥克風當前時刻採集到的噪聲信號進行頻域計權和時域計權，得到計權能量。
因為人耳的特殊性，人耳對低頻和高頻信號的敏感度都要低於中頻，為了更加真實的計算出人對噪聲的感覺。對輸入的信號進行計權衡量，以針對當前噪聲的類型和頻率分布，採用動態的可調的降噪方案。
能量計權單元41具體用於依次計算頻域計權和時域計權的計權能量。
第一步頻域計權。根據下述的頻率計權公式設計頻率濾波器R(f)，其中f為信號的頻率，RA(f)為頻率計權係數：
若聲音信號是s1，則經過頻率計權後得到y(n)，則有。
第二步時域計權。頻率計權後的數據，更符合人耳在頻域的聽覺，但是在時域上，如果噪聲突然消失，其聲級並不會馬上消失，會有一個下降速率，這時採用一個時間常數來對信號平滑，執行時域計權處理。
可以使用如下的時間計權方式進行時域計權：，其中SPL(n)是聲級，即是最終得到的計權能量；α是時間計權係數，Energy(n)是當前幀的能量值，Energy(n)為上述頻率計權後y(n)的平方。
主動降噪判斷單元42，用於根據能量計權單元41得到的計權能量判斷當前時刻是否需要主動降噪控制。
子帶能量計算單元43，用於當主動降噪判斷單元42判斷需要主動降噪控制時，計算當前時刻前饋麥克風采集到的噪聲信號的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值，其中，第一子帶和第二子帶分別根據耳機的前饋降噪曲線和反饋降噪曲線確定。
該實施例對外界環境噪聲的抑制是分頻帶的，即在不同的頻率上面降噪的效果也是不一樣的。這主要考慮到，如果主動降噪主要集中在低頻部分，而進入人耳的噪聲主要是高頻噪聲，這個時候若不同頻帶仍採用相同的主動降噪方法，實質上對降噪是沒有幫助的，反而會引入更多噪聲，造成人耳的不舒適。所以該實施例通過不同頻帶進行不同的降噪處理，提高了降噪效果。
具體地，可以通過檢測主動降噪耳機的前饋降噪性能得到前饋降噪曲線，通過檢測主動降噪耳機的反饋降噪性能得到反饋降噪曲線，分別在前饋降噪曲線的最大幅值點附近的一定頻帶範圍(該一定頻帶範圍中最大幅值的頻點與整個前饋降噪曲線的最大幅值點的頻點之間的差值小於設定值)內選取出第一子帶，在反饋降噪曲線的最大幅值點附近的一定頻帶範圍(該一定頻帶範圍中最大幅值的頻點與整個反饋降噪曲線的最大幅值點的頻點之間的差值小於設定值)內選取處第二子帶。
當噪聲達到閾值要求時，需要執行主動降控制噪時，就需要分別來求第一子帶的能量值和第二子帶的能量值。
計算方式有兩種：一種是可以使前饋麥克風MIC_1當前時刻採集到的噪聲信號s1通過第一子帶A的帶通濾波器hA(n)和第二子帶B的帶通濾波器hB(n)。第二種是可以把s1通過FFT變換(Fast Fourier Transformation，快速傅氏變換)到頻域，然後統計第一子帶A和第二子帶B的能量值的大小。現以第一子帶A為示例進行說明。
方式一，通過子帶濾波器的方法計算第一字帶A的能量值EnergyA，參見如下公式：，
，其中，y(n)表示s1經過hA(n)後的帶限信號，n表示時間。
計算方法2，通過FFT計運算元帶能量方法：，，其中，α為加權係數，α的數值可以根據頻響曲線確定；(subband1，subband2)為子帶A的頻域範圍。
降噪量確定單元44，用於根據子帶能量計算單元43計算出的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值分別確定出前饋降噪量和反饋降噪量。
優選地，降噪量確定單元44包括初始值確定模組、雙閾值設定模組、能量值記錄模組、增大降噪等級模組和降低降噪等級模組：初始值確定模組，用於將第一子帶的能量值和第二子帶的能量值與不同降噪等級對應的閾值分別進行比較，分別確定出前饋降噪量初始值和反饋降噪量初始值；雙閾值設定模組，用於為相鄰的兩個降噪等級分別設定上升門限閾值和下降門限閾值，而且上升門限閾值大於下降門限閾值；能量值記錄模組，用於記錄各個時刻獲取到的前饋麥克風采集到的噪聲信號的第一子帶的能量值和第二子帶的能量值；增大降噪等級模組，用於在判斷當前時刻第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從小變大的過程中時，當第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於下降門限閾值時，確定前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當第一子帶的能量值或第二子帶的能量值大於上升門限閾值時，確定前饋降噪量或反饋降噪量增大一個降噪等級；降低降噪等級模組，用於在判斷當前時刻第一子帶的能量值或第二子帶的能量值處於能量值從大變小的過程中時，當第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於上升門限閾值時，確定前饋降噪量或反饋降噪量保持原降噪等級不變，當第一子帶的能量值或第二子帶的能量值小於下降門限閾值時，確定前饋降噪量或反饋降噪量降低一個降噪等級。
前饋降噪控制單元45，用於控制耳機根據前饋降噪量進行前饋降噪。
反饋降噪控制單元46，用於控制耳機根據反饋降噪量進行反饋降噪。
在一優選實施例中，上述降噪控制系統在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個反饋麥克風，該反饋麥克風設定在耳機的耦合腔內。該降噪控制系統還包括：反饋能量計算單元，用於在判斷揚聲器中無聲音播放時，計算當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量。
優選地，圖4所示實施例中的反饋降噪控制單元46還包括：反饋降噪量調整模組，用於根據所述反饋能量計算單元計算出的當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量對所述反饋降噪量進行調整，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪。
進一步優選地，反饋降噪量調整模組，還具體用於在控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪後，獲取反饋麥克風采集到的降噪後的信號，計算降噪後的信號的能量；比較當前時刻反饋麥克風采集到的信號的能量是否小於所述降噪後的信號的能量，若是，控制耳機根據調整後的反饋降噪量進行反饋降噪，若否，控制耳機根據調整前的反饋降噪量進行反饋降噪。
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》的該優選實施例，利用在耳機和人耳的耦合腔內設定的反饋麥克風，通過自適應微調反饋降噪系統的反饋降噪量，保證了噪聲抑制達到最佳效果。
在另一優選實施例中，上述降噪控制系統進一步包括：風噪判斷單元，用於計算當前時刻主動降噪耳機的兩隻耳機上的兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，根據所述相關性的計算結果判斷當前時刻是否存在風噪；風噪處理單元，用於所述風噪判斷單元判斷當前時刻存在風噪時，控制耳機停止根據所述前饋降噪量進行前饋降噪，並根據所述前饋降噪量確定出反饋降噪量的增量，控制耳機根據增量後的反饋降噪量進行反饋降噪。
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》的該優選實施例，可以判斷當前是否存在風噪，並對風噪情況下進行消除風噪的降噪控制。
《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》的另一方面，還提供了一種主動降噪耳機，在該主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個前饋麥克風和一個反饋麥克風，其中前饋麥克風設定在耳機的外側，反饋麥克風設定在耳機的耦合腔內；該主動降噪耳機的每隻耳機內設定有上述技術方案提供的降噪控制系統。
參見圖5，圖5為該發明實施例提供的一種主動降噪耳機的結構示意圖。包括環境噪聲檢測模組51、噪聲分析和控制模組52、前饋降噪模組531和反饋降噪模組532，其中前饋降噪模組531和反饋降噪模組532共同構成主動降噪模組53，而環境噪聲檢測模組51和噪聲分析和控制模組52執行的功能也可以由圖4示出的套用於主動降噪耳機的降噪控制系統來實現。
主動降噪耳機工作時，環境噪聲檢測模組51通過前饋麥克風實時採集當前時刻的噪聲信號，對環境噪聲進行檢測。噪聲分析和控制模組52對前饋麥克風當前時刻採集到的噪聲信號進行計權能量計算，根據計權能量分析判斷當前時刻是否需要主動降噪控制，如果判斷需要主動降噪控制時，則進一步計算並確定出前饋降噪量和反饋降噪量，控制主動降噪模組53中的前饋降噪模531根據前饋降噪量進行前饋降噪，控制主動降噪模組53中的反饋降噪模532根據反饋降噪量進行反饋降噪。
綜上所述，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》實施例提供的一種套用於主動降噪耳機的降噪控制方法和系統及一種主動降噪耳機，能夠通過對主動降噪耳機的環境進行檢測，針對當前噪聲的類型和頻率分布，採用動態的可調的降噪方案對周圍噪聲進行抑制，相比於固定降噪的主動降噪技術，能夠使降噪效果達到最佳。
在一優選方案中，該發明還可以在主動降噪耳機的每隻耳機上各設定一個反饋麥克風，利用設定在耳機和人耳的耦合腔內的反饋麥克風，微調反饋降噪系統的反饋降噪量，保證噪聲抑制達到最佳效果。在另一優選方案中，該發明採用動態雙門限閾值，使得動態調整過程是一個緩變的過程，從而避免頻繁調整降噪等級而帶來的噪聲。在又一優選方案中，該發明還可以根據兩個前饋麥克風采集到的噪聲信號的相關性，判斷當前是否存在風噪，並對風噪情況下進行特殊的降噪控制。
專利榮譽
2021年6月24日，《主動降噪耳機及套用於該耳機的降噪控制方法和系統》獲得第二十二屆中國專利銀獎。
