頭戴式消噪耳機的製作方法
2023-09-14 18:40:45 2
專利名稱：頭戴式消噪耳機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種頭戴式消噪耳機，其通過反饋式誤差信號補償電路對現有的前饋式頭戴式消噪耳機不能完全消除的噪音進行消除。
背景技術：
頭戴式消噪耳機構成為對麥克風所集音的噪音進行分析，以與使用者通過頭戴式耳機能夠聽到的噪音相反的相位生成相同音量的消除音，通過用消除音消除噪音來降低噪音。作為與本發明的技術思想比較接近的頭戴式消噪耳機，例如在專利文獻1中所述的發明中，公開了一種頭戴式耳機，其具備由樂音信號驅動的揚聲器單元，通過基於麥克風單元所檢測出的噪音信號而生成的噪音消除信號來驅動揚聲器單元的框架。現有的頭戴式消噪耳機中，作為噪音消除方式有反饋式、前饋式以及組合兩者的特徵得到消音效果的混合型。反饋式的優點在於，由於其是一種壓縮外來噪音的方法，所以能夠以較前饋式更寬的頻帶降低外來噪音。前饋式的優點在於，若能將消除音的相位和電平與噪音的相位和電平完全保持一致的話，則在理論上可以徹底消除噪音。但是，前饋式有如下缺點若要在一定帶寬的頻帶上得到消音效果，則每個帶寬的消音效果會下降。而反饋式中，在高頻帶寬中，或者由於佩戴人的耳朵的形狀不同，可能產生嘯叫等不穩定動作。此外，使用反饋式頭戴式消噪耳機時，隨著播放的樂音的頻率發生變化，可能會導致播放音質下降。為此，有必要事先以有源電路對音質進行補償，或者改良頭戴式耳機的結構將其音質調整為可消除的音質，使之符合噪音消除的特性，而在多數情況下，關閉消噪功能後，其無法作為頭戴式耳機使用。此外，在組合了前饋式與反饋式的混合型頭戴式消噪耳機中，雖然提高了噪音消除的效果，但是存在音質惡化、引起嘯叫等問題。 亦即，尚未出現一種能夠發揮前饋式與反饋式兩者的優點以提高消噪性能，並彌補兩者缺陷的頭戴式消噪耳機。另一方面，普通的頭戴式耳機出於保護使用者耳朵的目的，設計有抵靠於使用者的耳朵或側頭部的彈性耳墊。耳墊為環狀的形狀，設置於頭戴式耳機筐體的放音面一側。通過該結構，頭戴式耳機在使用時，形成由耳墊的環狀圍成的空間、使用者的外耳道以及頭戴式耳機筐體所構成的空間，即所謂的「前氣室」的空間。前饋式頭戴式消噪耳機中，即使想通過朝向外部的麥克風消除噪音，上述前氣室中也仍然殘留有噪音，不易被消除。專利文獻1日本專利特開公報第2008-99127號
發明內容
本發明的目的在於提供一種頭戴式消噪耳機，其為即使在關閉消噪的狀態下，也能夠發揮頭戴式耳機的作用，消除殘留於前氣室裡的噪音。依據本發明的頭戴式消噪耳機，具有筐體、設置於上述筐體的驅動器單元、朝向外側安裝於上述筐體、對外部噪音進行集音的麥克風單元、及產生與經由頭戴式耳機進來的噪音的相位相反的消噪信號的消除信號生成裝置，其以前饋式消除上述噪音，其特徵在於，包括用於檢測以上述前饋式未能完全消除的誤差噪音的誤差檢測用麥克風單元，和產生用於消除上述誤差噪音的誤差補償信號、並以反饋式進行噪音消除的誤差噪音消除信號生成裝置。 根據本發明所涉及的頭戴式消噪耳機，對於以前饋式未能完全消除的噪音，能夠以反饋式進行消除，可提高消音效果。同時，即便在關閉消噪功能的狀態下，也能發揮頭戴式耳機的作用。
圖1是表示本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的實施例的剖面圖。
圖2是表示本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的控制系統的一例的方框圖。
圖3是表示本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的控制系統的另外一例的方框圖
圖4是表示本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的控制系統的其他例的方框圖。
圖5是表示本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的消音性能測試結果的圖。
附圖標記說明
1麥克風單元
2麥克風放大器
3FFNC信號發生電路
4頭戴式耳機單元
5頭戴式耳機放大器
6誤差檢測用麥克風單元
7誤差補償電路
8加法器
9樂音輸入端子
10樂音用頭戴式耳機放大器
12前氣室
14帶寬限制濾波器電路
15比較器
16標準電壓發生電路
17積分器
18自動增益控制放大器
19開關
20第二加法器
101頭戴式消噪耳機
102誤差噪音消除信號生成裝置
具體實施例方式下面，參照附圖對本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的實施例進行說明。圖1中，頭戴式消噪耳機101具有筐體22、設置於筐體22的驅動器單元4以及朝向外側安裝在筐體22的麥克風單元1。頭戴式消噪耳機101與普通的頭戴式耳機的結構相同，具備作為整體的支持基板的隔音板25，在其一側面的周邊安裝有覆蓋使用者的耳朵M 的耳墊23。而且，筐體22內部(後述的後氣室)的其他結構，除了上述的結構和利用圖2至圖 4後述的結構以外，還可以基於適當的設計思想附加以下的結構。例如，為將其設計成為可通過與外部的通信實現聽辯音的無線式耳機，也可具備用於通信的電子部件和電路，還可在內部設置電源。另外，雖未圖示，頭戴式消噪耳機101的構成與普通的頭戴式耳機相同， 亦通過耳機帶以左右一對的方式構成並覆蓋使用者的兩耳或者戴在兩耳的上方。上述驅動器單元4也被稱作頭戴式耳機驅動器，例如，其與電動式揚聲器相同，具有振動膜、固定安裝於該振動膜的音圈、基於輸入到該音圈的聲音信號驅動音圈的磁性電路以及支持該磁性電路和上述振動膜外周的框架。驅動器單元4安裝於隔音板25的背面(圖1中的左側面)的中央部，通過受聲音信號驅動，從設置於隔音板25的中央部的放音孔朝向隔音板25的表面側放音。驅動器單元4的放音面朝向使用者的外耳道21的方向。在隔音板25的背面側固定有木碗狀的筐體 22，其覆蓋著該驅動器單元4。如圖1所示，頭戴式消噪耳機101出於保護使用者的耳朵對的目的，在隔音板25的表面側固定安裝有環狀彈性耳墊23。通過該結構，頭戴式消噪耳機 101在使用時形成由被環狀耳墊23圍成的空間、使用者的耳朵M以及隔音板25所構成的空間。將此空間稱為「前氣室12」。此外，將由隔音板25、筐體22以及間隔部件27所形成的空間稱為「後氣室」。如圖所示，麥克風單元1設置為由固定安裝於筐體22內部、剖面為L字型且沿筐體22的內周面呈環狀的間隔部件27、與筐體22的內側面形成空間28，從設置於筐體22的孔將外部噪音集音至該空間觀。麥克風單元1將外部噪音集音後轉換成聲音信號。基於該聲音信號生成相位相反的消噪信號，由消噪信號和樂音信號的合成信號驅動驅動器單元4。進入前氣室12的噪音被消噪信號的播放音消除，使用者可只聽到樂音信號的播放音。該消噪方式稱為前饋式。在隔音板25上配置有將集音部朝向前氣室12的誤差檢測用麥克風單元6，用於檢測以前饋式無法完全消除的前氣室12內的誤差噪音。圖1中，誤差檢測用麥克風單元6，配置在偏離驅動器單元4的中心軸A且靠近耳墊23的位置。誤差檢測用麥克風單元6可不直接受驅動器單元4播放的樂音的影響，對通過上述麥克風單元6以前饋式消噪方式沒能完全消音的噪音進行檢測，並可基於該檢測信號，通過進行反饋式消噪，進行更高精度的消噪。此外，頭戴式消噪耳機101的尺寸可根據適宜的設計思想而變化，但是如圖所示，以耳墊23的尺寸恰好可以覆蓋使用者的耳朵M為宜，可以減少漏音。當然，亦可使用所謂耳掛型頭戴式耳機。下面，使用方框圖對適用於本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的控制系統的各種示例進行說明。圖2中，頭戴式消噪耳機具有用於檢測外部噪音13的麥克風單元1、用於放大其信號的麥克風放大器2、作為生成與使用者通過頭戴式耳機聽到的噪音的相位相反的消噪信號的消除信號生成裝置的前饋式噪音消除(以下，簡稱為FFNC)信號發生電路3、驅動器單元4、用於驅動驅動器單元4的頭戴式耳機放大器5、誤差檢測用麥克風單元6、依據由誤差檢測用麥克風單元6所集音的誤差噪音生成誤差補償信號的誤差補償電路7、以及用於將FFNC信號累加至上述誤差補償信號的加法器8。此外，還具備用於將播放樂音11等的電信號傳送到驅動器單元4的樂音輸入端子9以及樂音用頭戴式耳機放大器10。頭戴式耳機放大器5的輸出端子連接於驅動器單元4的一側的端子，樂音用頭戴式耳機放大器10的輸出端子連接於驅動器單元4的另一側的端子。外部噪音13被麥克風單元1集音並轉換為電信號。該電信號在麥克風放大器2 被放大。該放大的電信號在FFNC信號發生電路3轉換為FFNC信號並輸入到加法器8。由加法器8輸入到頭戴式耳機放大器5的信號在頭戴式耳機放大器5被放大，頭戴式耳機放大器5驅動驅動器單元4，將聲音放音至前氣室12。該被播放的FFNC信號實時抵消進入到前氣室12內的噪音使其衰減。進入前氣室12內的噪音難以完全抵消，會有噪音殘留於前氣室12。殘留於前氣室 12內的噪音被誤差檢測用麥克風單元6作為誤差信號所集音，其在誤差補償電路7生成誤差補償信號，誤差補償信號與上述FFNC信號在加法器8中被累加，並被輸入到頭戴式耳機放大器5。進而，由頭戴式耳機放大器5驅動驅動器單元4，由驅動器單元4將基於誤差補償信號的消除音放音至前氣室12內，以使殘留的噪音衰減。由此，誤差補償電路7發揮著誤差噪音消除信號生成裝置102的作用。誤差檢測用麥克風單元6將已由誤差補償信號衰減的噪音同樣視為誤差信號繼續予以檢測，並以與前述相同的動作使殘留於前氣室12內的誤差信號衰減，由此，誤差補償電路7即作為反饋式誤差信號補償電路運行。樂音11經由樂音輸入端子9輸入，通過樂音用頭戴式耳機放大器10被提供給驅動器單元4。另外，由驅動器單元4放音的樂音11被誤差檢測用麥克風單元6所集音後，會經過誤差補償電路7被重新從驅動器單元4放音到前氣室12內。但因該放音的量畢竟不多，上述反饋式消噪功能對於樂音11施加的影響有限。這樣，若能在設計為使誤差補償信號變得足夠小的話，則無需進行音量調節以應對樂音用頭戴式耳機放大器10所引起的外部噪音13。而且，該音量調節的調節量少量即可，並且僅需非常簡單的電路即可進行該調節。因此，其對樂音11本來的音質造成的影響較小，能夠以較低成本製得高音質的頭戴式消噪耳機。另外，設計時不必拘泥於上述結構的限制，例如，還可採用將相位反轉的誤差信號輸入到樂音用頭戴式耳機放大器10的方案。以上說明的頭戴式消噪耳機的實施例中，在前氣室12內配置有用於檢測以前饋式未能完全消除的誤差噪音的誤差檢測用麥克風單元6，且具有產生用於消除誤差噪音的誤差補償信號並以反饋式進行噪音消除的誤差噪音消除信號生成裝置102。因此，能夠減少反饋的音量，不易造成嘯叫等，能夠避免音質的變化或惡化。而且，即使在消噪功能處於關閉狀態、即關閉圖1中的麥克風單元1和誤差檢測用麥克風單元6的狀態下，仍能發揮頭戴式耳機的作用。假如通過前饋式消噪功能使噪音衰減20dB，進而通過上述反饋式消噪功能使誤差噪音衰減6dB，則總消音量達到46dB，即便較大的外部噪音也能夠被充分消除。播放音樂信號時，音樂信號也有6dB的衰減，但其對樂音11的影響非常小。如果需僅靠反饋式實現該消音特性，由於樂音11衰減至二十分之一，因而需要強大的樂音用音質補償電路。與之相比，根據上述實施例所涉及的頭戴式消噪耳機101，可將樂音11的衰減控制到二分之一。 為了對樂音11的衰減進行補償，可事先提高放大器10的放大幅度，以使音樂播放器的輸出電平升高比如上述的6d左右。此外，若事先將樂音用頭戴式耳機放大器10的放大幅度提高衰減了的頻帶帶寬的量，也能將樂音11與外部噪音的SN比改善6dB左右。另外，誤差噪音的衰減量大致以6dB至IOdB左右為宜。接下來，結合圖3對可適用於本發明的控制系統的變形例進行說明。圖3所示的頭戴式消噪耳機的控制系統，是在圖2的頭戴式消噪耳機的控制系統中的誤差噪音消除信號生成裝置102的結構中，增加了作為數字濾波器的帶寬限制濾波器電路14。即，其基本結構與圖2相同，但在連接加法器8與誤差補償電路7的信號通路上設置有僅允許規定的頻率通過的帶寬限制濾波器電路14。而且，帶寬限制濾波器電路14也可設置在誤差檢測用麥克風單元6與誤差補償信號發生電路7的信號傳送電路上，還可設置在作為消除信號生成裝置的FFNC信號發生電路3與加法器8之間，或者麥克風放大器2與 FFNC信號發生電路3之間。可以通過組合低通濾波器與高通濾波器，得到帶寬限制濾波器電路14。通過這些措施，帶寬限制濾波器電路14對進行反饋式誤差補償的頻帶加以限制， 故在上述效果以外，因其僅在必要頻帶提高消音效果，可以彌補前饋式誤差補償中「隨著帶寬的增加消噪功能下降」的缺點。而且，由於應用了上述反饋式消噪功能的誤差補償頻帶受到限制，其對樂音11產生的影響愈加受到限制。也就是說，能夠同時發揮前饋式與反饋式兩者的特長，克服兩者的缺點，提高消噪功能。圖4表示可適用於本發明的控制系統的其他的變形例。圖4中，頭戴式消噪耳機的結構，在圖2的頭戴式消噪耳機的誤差噪音消除信號生成裝置102的結構上增加了自動增益控制放大器18、標準電壓發生電路16、用於接通/斷開誤差檢測用麥克風單元6的輸出信號輸入至自動增益控制放大器18的開關19、用於對誤差檢測用麥克風單元6的輸出信號進行積分的積分器17、以及對該積分器17的輸出信號與標準電壓發生電路16的輸出信號進行比較並對開關19實施切換的比較器15。並且，添加有第二加法器20，用於將自動增益控制放大器18的輸出信號疊加至樂音信號。圖4中所示控制系統的誤差噪音消除信號生成裝置102的動作如下。首先，將規定的聲壓電平的外部噪音13設定為標準聲壓電平，使標準電壓發生電路16生成對應於該標準聲壓電平的電壓作為標準電壓。積分器17將誤差檢測用麥克風單元6的輸出進行積分並生成對應於積分值的電壓。其構成為當積分器17的積分值、即作為上述誤差檢測用麥克風單元6的輸出電平的誤差噪音的電平高於上述標準電壓時，開關19關閉；並且，其電路構成為開關19接通時， 誤差檢測用麥克風單元6的輸出被輸入到自動增益控制放大器18。比較器15對積分器17 的輸出電壓與標準電壓發生電路16的輸出電壓進行比較，若積分器17的輸出電壓高於標準電壓發生電路16的輸出電壓，開關19關閉。並且，一旦開關9關閉，誤差檢測用麥克風單元6向自動增益控制放大器18的輸出即被切斷。另一方面，誤差補償電路7發揮作用， 誤差補償電路7基於誤差檢測用麥克風單元6的輸出以反饋式實施消噪，前饋式造成的消除誤差得到補償。若積分器17中誤差檢測用麥克風單元6的輸出電壓的積分值低於標準電壓發生電路16中設定的標準電壓時，開關19接通，誤差檢測用麥克風單元6的輸出由自動增益控制放大器18保持在一定的輸出電平上。該一定的電平信號在第二加法器20中被疊加到從樂音輸入端子9輸入的樂音11的信號上，該疊加信號被輸入至樂音用頭戴式耳機放大器10。樂音用頭戴式耳機放大器10基於上述疊加信號驅動驅動器單元4，樂音被從驅動器單元4放音至前氣室12。亦可在圖4所示的控制系統的結構中設置圖3所示實施例中用到的帶寬限制濾波器14。根據圖4所示實施例，以反饋式對前饋式導致的噪音的消除誤差進行補償時，若前氣室12內的誤差噪音的聲壓低於標準聲壓電平，可將反饋式消除誤差補償的電平保持恆定。另外，若前氣室12內的誤差噪音的聲壓高於標準聲壓電平時，反饋式消除誤差補償的電平被控制為相應於誤差檢測用麥克風單元6的輸出電平的電平，可得到顯著的消音效果。外部噪音13較小、前氣室12內的誤差噪音的聲壓低於標準聲壓電平時，為聽到外部的聲音，將其設計為可將反饋式消除誤差補償的電平調整為使用者所期望的電平即可。 如此一來，想聽到外面的聲音時，不必進行摘下頭戴式消噪耳機或關閉消噪功能等繁瑣的操作，即能聽到外部的聲音。進一步，還可配置音量可調阻尼器或切換開關等適當的操作裝置，以便對外部噪音電平或樂音的聲壓電平進行任意調整。再者，還可將標準電壓發生電路16中設定的標準電壓設計成可通過比如手動操作的調節措施進行調節。圖5示出了本發明所涉及的頭戴式消噪耳機的消音特性。圖5是表示具有圖2所示結構的頭戴式消噪耳機101的消音特性測試結果的圖。 在該圖中，橫軸表示頻率Hz，縱軸表示聲壓dB。粗線表示頭戴式消噪耳機的消噪功能被關閉時的隔音特性，細線表示上述消除信號生成裝置為有效時的隔音特性，虛線表示消除信號生成裝置與誤差噪音消除信號生成裝置為有效時的頭戴式消噪耳機的隔音特性。通過參照圖5可知，本發明的頭戴式消噪耳機尤其在低音域中可獲得有效的消音特性。如本發明的頭戴式消噪耳機那樣，若將消除信號生成裝置與誤差噪音消除信號生成裝置102設定為有效，則能夠獲得比現有的僅通過消除信號生成裝置進行噪音消除的頭戴式耳機更高的消音特性。本發明並不局限於以上說明過的實施例的結構，可在不脫離專利請求範圍所記載的技術思想的範圍內進行設計變更。例如，也可以提高本發明的頭戴式消噪耳機的防音功能作為耳罩使用，還可以作為具備用於使用者通話的麥克風的耳麥使用。
權利要求
1.一種頭戴式消噪耳機， 具有筐體，設置於上述筐體的驅動器單元，朝向外側安裝於上述筐體、對外部噪音進行集音的麥克風單元，及消除信號生成裝置， 其產生與經由頭戴式耳機進來的噪音的相位相反的消噪信號；其以前饋式消除上述噪音， 其特徵在於包括用於檢測以上述前饋式未能完全消除的誤差噪音的誤差檢測用麥克風單元，和產生用於消除上述誤差噪音的誤差補償信號、並以反饋式進行噪音消除的誤差噪音消除信號生成裝置。
2.根據權利要求1所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於上述前饋式所使用的上述消除信號生成裝置或者上述反饋式所使用的上述誤差噪音消除信號生成裝置的至少一者中，使用數字濾波器。
3.根據權利要求1所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於 上述誤差噪音的特定頻帶被消除。
4.根據權利要求1所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於 誤差噪音消除信號生成裝置包括誤差補償電路，其根據誤差檢測用麥克風單元集音的誤差噪音生成誤差補償信號，以及標準電壓發生電路，其以規定的噪音電平作為標準聲壓電平，產生與該標準聲壓電平相當的標準電壓；上述誤差檢測用麥克風單元的輸出電壓高於上述標準電壓時，上述誤差補償電路發生作用。
5.根據權利要求4所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於誤差噪音消除信號生成裝置具有將噪音消除量保持在一定程度的自動增益控制放大器，上述誤差檢測用麥克風單元的輸出電壓低於上述標準電壓時，上述自動增益控制放大器發生作用。
6.根據權利要求4所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於具有開關，其用於在上述誤差檢測用麥克風單元的輸出電壓高於上述標準電壓時，切斷自上述誤差檢測用麥克風單元傳送至上述自動增益控制放大器的信號。
7.根據權利要求4所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於具備可以對上述標準電壓發生電路所產生的標準電壓進行調節的調節裝置。
8.根據權利要求1所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於上述誤差檢測用麥克風單元被設置為偏離驅動器單元的中心軸。
9.根據權利要求1所述的頭戴式消噪耳機，其特徵在於在頭戴式消噪耳機的使用狀態下，所述誤差檢測用麥克風單元被配置在形成於筐體與使用者的外耳道之間的前氣室內。
全文摘要
本發明提供一種採用前饋式消噪的頭戴式消噪耳機，其具有安裝在筐體上的驅動器單元，朝向外側安裝在筐體上、對外部噪音進行集音的麥克風單元，以及產生與經由頭戴式耳機進來的噪音的相位相反的消噪信號的消除信號生成裝置。本發明的頭戴式消噪耳機包括用於檢測以前饋式未能完全消除的誤差噪音的誤差檢測用麥克風單元，和產生用於消除誤差噪音的誤差補償信號、並以反饋式進行噪音消除的誤差噪音消除信號生成裝置。
文檔編號H04R1/10GK102340717SQ20111019934
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月14日 優先權日2010年7月15日
發明者木村富至 申請人:歐力天工股份有限公司