用於方向相關空間噪聲減低的設備和方法

2023-09-19 07:01:05

專利名稱：用於方向相關空間噪聲減低的設備和方法
技術領域：
本發明涉及方向相關空間噪聲減低，例如，用於在雙耳助聽器中使用。
背景技術：
對於非穩定信號，諸如在具有多個說話者的複雜聽覺環境中的語音，為了通過增強期望信號來改善語音可懂度，方向信號處理至關重要。例如，傳統助聽器利用簡單的差動麥克風來聚焦於用戶前方或後方的目標。在許多聽覺境況中，期望的說話者方位角不同於這些預定方向。因而，讓聚焦方向可導引的方向信號處理在增強期望源方面將是有效的。最近，已經提出用於雙耳波束形成的方法。文獻
T. Rohdenburg, V.Hohmann, B.KollmeierjaRobustnessAnalysis of BinauralHearing Aid Beamformer Algorithms by Means of objective Perceptual QualityMeasures，，，in 2007 IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audioand Acoustics，pp. 315-318，Oct 2007中使用具有兩個3通道助聽器的配置來設計雙耳波束形成器。基於期望觀察方向設置波束形成器約束，以利用每個助聽器中的三個麥克風來實現可導引波束，這在現有技術助聽器的狀態下是不實用的。顯示該系統性能依賴於在表述導引矢量(steeringvector)時使用的傳播模型。文獻S. Doclo, M. Moonen, T. Van den Bogaert, J. Wouters, 「Reduced-Bandwidthand Distributed MWF-Based Noise Re-duction Algorithms for Binaural HearingAids, 」IEEETransactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol.17, no. I,pp. 38-51, Jan 2009中使用雙耳多通道維納濾波器(MWF)，以通過估計每個助聽器中的語音信號的統計值來獲得可導引波束。MWF計算量大，而且給出的結果是使用完全VAD (話音活動檢測)來估計噪音同時假定噪音在話音活動期間穩定而取得的。文獻M. Ihle, 「Differential Microphone Arrays for Spectral Subtraction，，，inIht』 I Workshop on Acoustic Echo and Noise Control(IWAENC 2003), Sep 2003中示出用於在期望方向形成一個空間零位(spatial null)的另一種技術,但其對麥克風陣列幾何形狀敏感，因而不適用於助聽器配置。

發明內容
本發明的目的在於提供用於方向相關空間噪聲減低的設備和方法，其可以用於將具有最大靈敏度的角度聚焦於處在任意給定方位角的目標聲源，即，包括除0° (S卩，用戶正前方)或180° (即，用戶正後方)之外的方向。藉助根據權利要求I所述的方法和根據權利要求8所述的設備實現上述目的。本發明的基本思路在於獲得目標信號信號電平和噪聲信號電平的估計的方式，以使得聚焦於位於任意方向的期望聲源。通過結合在信號方向相互具有最大響應的至少兩個方向輸出(一個單耳和一個雙耳)獲得目標信號功率估計。通過測量在期望源的方向相互具有最小敏感度的至少兩個方向信號(一個單耳和一個雙耳)的最大功率獲得噪聲信號功率估計。因而，本發明的根本特徵在於結合單耳和雙耳方向信號用於估計目標和噪聲信號電平。在一個實施例中，為了獲得在聲信號源方向的期望目標信號電平，提出的方法進一步包括通過選擇在聲源方向相互具有最大響應的至少一個單耳方向信號和至少一個雙耳方向信號的最小值來估計目標信號電平。在一個實施例中，為了在聲源的方向導引波束，提出的方法進一步包括通過選擇在聲源的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號 和至少一個雙耳方向信號的最大值來估計噪聲信號電平。在替換實施例中，提出的方法進一步包括通過計算在聲源方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號和至少一個雙耳方向信號的和來估計噪聲信號電平。在另一實施例中，提出的方法進一步包括使用下列公式從估計的目標信號電平和估計的噪聲信號電平計算維納濾波器放大增益放大增益=目標信號電平/ [噪聲信號電平+目標信號電平]。將上述增益應用於輸入信號產生增強的信號輸出，其具有在聲源方向減低的噪聲。在預期實施例中，由於方向信號處理電路的響應是聲頻的函數，將聲輸入信號分成多個頻帶，並且對所述多個頻帶分別使用上述方法。在多種不同的實施例中，對於所述信號電平，使用下列單位的一種或多種功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、絕對電平。


以下參照附圖中示出的實施例進一步描述本發明，其中圖I圖示可以應用本發明的實施例的具有無線鏈路的雙耳助聽器配置；圖2是圖示一階差動麥克風陣列電路的框圖；圖3是圖示自適應差動麥克風陣列電路的框圖；圖4是側視導引系統的框圖；圖5是圖示根據本發明的可導引雙耳波束形成器的示意圖；圖6A至圖6D圖示用於單耳和雙耳情形的差動麥克風陣列輸出，圖6A示出side_select=l時的輸出，圖6B不出side_select=0時的輸出，圖6C不出plane_select=l時的輸出，圖6D示出plane_select=0時的輸出；圖7是根據本發明的一個實施例的用於方向相關空間噪聲減低的設備的框圖；圖8A圖示如何估計目標信號電平的示例；圖8B圖不如何估計噪聲/[目號電平的不例；以及圖9A至圖9D圖示為多種測試情形形成的導引波束樣式，圖9A圖示以250Hz導引至左側的波束的樣式；圖9B圖示以2kHz導引至左側的波束的樣式；圖9C圖示以250Hz導引至45°的波束的樣式，圖9D圖示以500Hz導引至45°的波束的樣式。
具體實施例方式以下討論的本發明的實施例提供用於方向相關空間噪聲減低的設備和方法，其可以在如圖I所示的雙耳助聽器配置I中使用。配置I包括右助聽器，包括第一對單耳麥克風2、3 ;以及左助聽器，包括第二對單耳麥克風4、5。左右助聽器分別安裝在用戶6的左右耳中。每個助聽器中的單耳麥克風以距離I1分開，由於尺寸限制，距離I1例如可以近似等於10mm。左右助聽器以距離I2分開，並且通過雙向音頻鏈路8連接，音頻鏈路8典型地是無線鏈路。為了最小化功耗，只有一個麥克風信號可以從一個助聽器傳送至另一助聽器。該示例中，左右助聽器的前麥克風4、2分別形成雙耳對，通過音頻鏈路8傳輸信號。圖I中，Xei [n]和XK2 [n]代表由右助聽器的前麥克風2和後麥克風3分別測量的第n個全向信號,而Xli [n]和Xli2Iin]代表由左助聽器的前麥克風4和後麥克風5分別測量的第n個全向信號。因而，信號Xki[n]和Xu [n]分別對應於從左右助聽器的前麥克風4、2分別傳送的信號。單耳麥克風對2、3和單耳麥克風對4、5各自提供對直接位於用戶6前方或後方的目標聲源的方向敏感度。藉助雙耳麥克風2、4，實現側視波束導引，其提供對位於用戶6側 方(左或右)的目標聲源的方向敏感度。本發明的基本思路在於提供方向相關空間噪聲減低，其可以用於將助聽器的最大敏感度的角度聚焦至位於任意給定方位角0st_處的目標聲源7，該方位角esteOT包括除0° /180° (前後方向)以及270° /90° (左右側方)以外的角度。在討論本發明的實施例之前，以下段落討論如何實現單耳方向敏感度(用於前後方向)和雙耳側視導引(用於左右側方)。藉助方向信號處理電路實現方向敏感度，方向信號處理電路通常包括差動麥克風陣列(DMA)。參照圖2說明典型的一階DMA電路22。這樣的一階DMA電路22通常在包括以距離I (大約IOmm)分開的兩個全向麥克風23、24以產生方向響應的傳統助聽器中使用。只要間距I相對於聲波波長、較小的假設成立，該方向響應就與頻率無關。該示例中，考慮麥克風23位於聚焦側，並且考慮麥克風24位於幹擾側。DMA 22包括延時電路25，用於將位於幹擾側的麥克風24的響應延遲時間間隔T。在節點26處，從麥克風23的響應中減去麥克風24的延遲響應以得到方向輸出信號y[n]。對於以角度0撞擊到一階DMA 22上的信號X[n]，在遠場條件下，DMA 22的頻率和角度相關響應的幅值由下式給出
,,I* cijsif)!= I -I(I)其中，c是聲速。可以調整延遲T以消除來自特定方向的信號，從而獲得期望的方向性響應。在助聽器中，將該延遲T固定以匹配麥克風間距1/c，並且代以使用如圖3的自適應差動麥克風陣列(ADMA) 27中所示的背對背心形系統來實現期望的方向性響應。如圖所示，ADMA電路27包括延時電路30和31，用於延遲來自以距離I隔開的麥克風28和29的響應。Cf是從衰減來自幹擾方向的信號的節點33獲得的心形波束形成器輸出，而Ck是從衰減來自聚焦方向的信號的節點32獲得的反心形(反向心形)波束形成器輸出。將反心形波束形成器輸出(^乘以增益P，並且在節點35處從心形波束形成器輸出Cf中減去，使得陣列輸出y[n]由下式給出
y [n] Cf- ^ Ce ⑵對於來自等式(2)的y[n]，來自0°的信號不被衰減，而且在由下式給出的對於3值的方向9 :形成單一空間凹口(notch):ft = arccos ---(3)
/i + l '在用於助聽器的ADMA中，將參數P適配為將凹口導引至噪聲源的方向0 i以優化方向性指數。這是通過最小化輸出信號y[n]的MSE (均方差)執行的。使用梯度下降技術來跟蹤MSE代價函數的負梯度，通過下列等式(4)來適配參數3 B[h +1] = P\n][/ ])( 4 )OfJ在聽覺情形下，當期望聲源位於用戶一側時，使用具有雙向音頻鏈路的雙耳助聽器實現側視波束導引。已知在高頻率處，由於頭部遮蔽效應，頭部兩側處測得信號之間的耳間電平差(ILD)顯著。ILD隨頻率而增大。在用於較高頻率的雙耳維納濾波器的設計中可以利用該頭部遮蔽效應。在較低頻率處，聲波波長X s相對於頭部直徑較長。因而，在頭部兩側的聲壓等級之間有最小變化，並且發現耳間時間差(ITD)是更顯著的聲線索。在較低頻率處，設計雙耳一階DMA以建立側視。因而，可以將側視導引的問題分解為兩個較小的問題，將雙耳DMA用於較低頻率，並且將雙耳維納濾波器方法用於較高頻率，如圖4中的側視導引系統36所示。這裡，輸入的有噪聲輸入信號x[n]由下式給出x[n]=s[n]+d[n]其中，s[n]是與聚焦側對應的來自方向0 s G [90°，-90° ]的目標信號，而d[n]是與幹擾側對應的從方向ed (這裡ed=-es)入射的噪聲信號。通過分析濾波器組37將輸入信號x[n]分解成頻率子帶。分解的子帶信號由高頻帶方向信號處理模塊38和低頻帶方向信號處理模塊39分別處理，前者包括維納濾波器，而後者包括DMA電路。最後,合成濾波器組40重建輸出信Ss其導引於聚焦側的方向0 S。在高頻帶方向信號處理模塊38處，在雙耳系統的設計中利用頭部遮蔽效應以在較高頻率(例如，對大於Ik Hz的頻率)下執行側視。來自幹擾側的信號在這些較高頻率下橫跨頭部被衰減，下面給出提出的系統的分析。考慮這樣的情景，根據圖1，目標信號s[n]從助聽器用戶的左側(-90° )到達，而幹擾信號d[n]位於右側(90° )，在左前麥克風處記錄的信號Xu [n]和在右前麥克風處記錄的信號Xki [n]由下式給出xL1 [n] =s [n] +hL1 [n] *d [n] (5)xE1 [n] = hE1[n]*s[n]+d[n] (6)其中，hu[n]是從右前麥克風到左前麥克風的傳遞函數，而hK1[n]是從左前麥克風到右前麥克風的傳遞函數。將等式(5)、(6)變換到頻域得到Xli ( Q )=S( Q )+IIL1 (Q)*D(Q) (7)XE1(Q)=IIE1(Q)*S(Q)+D(Q) (8)將信號Xa(Q)的短時間譜功率記作Oa(Q)。由於左側是聚焦側，而右側是幹擾偵牝可以推導出經典維納濾波器為
權利要求
1.一種用於方向相關空間噪聲減低的方法，包括無特定次序的下列步驟 —測量來自聲源(7)的聲輸入信號(XK1，XK2，Xu)； 一從所述輸入信號(XK1，XE2, Xu)獲得至少一個單耳方向信號(Y1, N1)和至少一個雙耳方向信號(Y2, N2)； 一通過結合所述單耳方向信號的至少一個(Y1)和所述雙耳方向信號的至少一個(Y2)來估計目標信號電平，該至少一個單耳方向信號(Y1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應；以及 一通過結合所述單耳方向信號的至少一個(N1)和所述雙耳方向信號的至少一個(N2)來估計噪聲信號電平(4>d ),該至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度。
2.根據權利要求I所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 一通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應的至少一個單耳方向信號(1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)的最小值來估計所述目標信號電平。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 一通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)的最大值來估計所述噪聲信號電平(0
4.根據權利要求I或權利要求2所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 一通過計算在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)與至少一個雙耳方向信號(N2)的和來估計所述噪聲信號電平(Od )o
5.根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，包括無特定次序的更多步驟 使用下列公式從所述估計的目標信號電5h CD )和所述估計的噪聲信號電平(佔D!計算維納濾波器放大增益(W) 放大增益(W)=目標信號電平/[噪聲信號電平(『D )+目標信號電平(￠, ) I
6.根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其中，將聲輸入信號(Xki, XK2, Xu )分成多個頻帶，而且其中，對於所述多個頻帶分別地使用所述方法。
7.根據前述權利要求中任一項權利要求所述的方法，其中，對於所述信號電平(4, )，使用下列單位的一種或多種功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、絕對電平。
8.一種用於方向相關空間噪聲減低的設備(70),包括 一多個麥克風(。。，^〖允用於測量來自聲源^彡的聲輸入信號丨乂…乂…乂^義所述多個麥克風(2，3，4，5)形成至少一個單耳對(2，3)和至少一個雙耳對(2，4)； 一方向信號處理電路(71，72，73，74)，用於從所述輸入信號(XK1，XK2，XU)獲得至少一個單耳方向信號(Y1, N1)和至少一個雙耳方向信號(Y2，N2)； -目標信號電平估計器(76 )，用於通過結合所述單耳方向信號的至少一個(Y1)和所述雙耳方向信號的至少一個(Y2)來估計目標信號電平，該至少一個單耳方向信號(Y1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應；以及 -噪聲信號電平估計器(75 )，用於通過結合所述單耳方向信號的至少一個(N1)和所述雙耳方向信號的至少一個(N2)來估計噪聲信號電平(Od )，該至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度。
9.根據權利要求8所述的設備(70)，其中所述目標信號電平估計器(76)被配置用於通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最大響應的至少一個單耳方向信號(Y1)和至少一個雙耳方向信號(Y2)的最小值來估計所述目標信號電平(o )。
10.根據權利要求8或權利要求9所述的設備(70)，其中，所述噪聲信號電平估計器(75)被配置用於通過選擇在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)和至少一個雙耳方向信號(N2)的最大值來估計所述噪聲信號電平o
11.根據權利要求8或權利要求9所述的設備(70)，其中，所述噪聲信號電平估計器(75)被配置用於通過計算在所述聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一個單耳方向信號(N1)與至少一個雙耳方向信號(N2)的和來估計所述噪聲信號電5 ( Cl))。
12.根據權利要求8至權利要求11中任一項權利要求所述的設備UO)進一步包括信號放大器(77，78)，用於基於使用下列公式計算的基於維納濾波器的放大增益(W)來放大聲輸入信號 放大增益(W)=目標信號電平(邊)/[噪聲信號電平(『D)+目標信號電平(I)]。
13.根據權利要求8至權利要求12中任一項權利要求所述的設備(70)，其中，對於所述信號電平(￠,, )，使用下列單位的一種或多種功率、能量、幅值、平滑幅值、平均幅值、絕對電平。
14.根據權利要求8至權利要求13中任一項權利要求所述的設備(70)，包括用於將聲輸入信號(XK1，XK2，Xu)分成多個頻帶的部件，其中，對於所述多個頻帶分別地計算所述目標信號電平和所述噪聲信號電平。
15.根據權利要求8至權利要求14中任一項權利要求所述的設備(70)，其中，所述方向信號處理電路進一步包括 一單耳差動麥克風陣列電路(71，72)，用於獲得所述至少一個單耳方向信號(YnN1);以及 一雙耳差動麥克風陣列電路(73，74)，用於獲得所述至少一個雙耳方向信號(Y2，N2)。
16.根據權利要求14或權利要求15所述的設備，其中，所述方向信號處理電路進一步包括雙耳維納濾波器電路，用於獲得所述至少一個雙耳方向信號，對於門限值以上的頻帶，所述雙耳維納濾波器電路具有基於與麥克風的雙耳對(2，4)之間的傳遞函數相對應的信號衰減而計算的放大增益。
全文摘要
本發明涉及用於減低方向相關空間噪聲的設備和方法。該設備包括用於測量來自聲源(7)的聲輸入信號(XR1，XR2，XL1)的多個麥克風(2，3，4，5)，其形成至少一單耳對(2，3)和至少一雙耳對(2，4)。方向信號處理電路(71，72，73，74)從輸入信號(XR1，XR2，XL1)獲得至少一單耳方向信號(Y1，N1)和至少一雙耳方向信號(Y2，N2)。目標信號電平估計器(76)通過結合在聲源(7)的方向相互具有最大響應的至少一單耳方向信號(Y1)和至少一雙耳方向信號(Y2)來估計目標信號電平噪聲信號電平估計器(75)通過結合在聲源(7)的方向相互具有最小敏感度的至少一單耳方向信號(N1)和至少一雙耳方向信號(N2)來估計噪聲信號電平
文檔編號H04R25/00GK102771144SQ201080064240
公開日2012年11月7日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年2月19日
發明者E.費舍爾, N.查特拉尼 申請人:西門子醫療器械公司