消除噪聲和減小噪聲的設備的製作方法

2023-09-19 07:08:00 4

專利名稱：消除噪聲和減小噪聲的設備的製作方法
相關申請本申請是1994年11月14日提交的待審查美國專利申請08/339126號的部分繼續申請，前者又是1992年10月29日提交的美國專利申請968180號(現在是美國專利US5381473,1995年1月10日授權)的後續申請，這兩份專利申請被援引於此作為參考。還參考了1993年10月5日授權的美國專利5251263，它也被援引於此作為參考。
背景技術：
發明領域本發明涉及當和頭戴送受話器或自由伸縮式送受話器等一起使用時、通過衰減不想要的環境噪聲使之不到達鼓膜和消除來自自由伸縮式話筒或定向話筒的背景噪聲來進行噪聲消除及噪聲減小的方法及設備。
本發明還涉及在頭戴送受話器中、尤其在耳機附近使用的有源減噪系統，該系統利用傳感式話筒檢測不想要的背景噪聲。由傳感式話筒輸出的這種噪聲信號被電-聲裝置進行處理，產生一反相信號，以便在位於輸出換能器和鼓膜之間的聲波導中形成靜區。因此所需要的原始聲音信號在傳送至用戶的耳朵時，將不受到噪聲的幹擾。聲波導吸收從耳朵返回話筒的任何聲音(阻止反饋)和消除從話筒返回到耳朵的任何聲音。
本發明還涉及與頭戴送受話器、自由伸縮式話筒或定向話筒等中一起使用的消除噪聲設備，其中系統使用了兩個話筒，用於接收包括話音和背景噪聲的聲音的第一話筒，和用於接收主要包括背景噪聲的聲音的第二話筒，結合使用了用於從第一信號中減去第二信號的裝置。
在本發明的噪聲消除系統中的話筒利用雙端頭系統，其中由話音和用來驅動該系統功率支持輸入組成的輸出音頻信號在一個端頭上被發送，而第二端頭接地。
本發明的噪聲消除設備還涉及在遠區話筒裝置中所使用的定向話筒，它能夠在某一方向上比其它方向更好地接收聲音。
本發明的消噪和減噪系統可通過包括以下特性來提高其性能自動音頻話筒傳輸特性，把一部分信號傳送給說話人的耳機的側音特性，以及通過從電路中去除話音話筒和提高噪聲話筒放大器的增益來把有源消噪話筒轉換為標準全向話筒的特性。這種性能提高使得通過提高側音通路增益可把外界的全部聲音傳送給揚聲器(speaker)的耳塞機，不用增加任何其它話筒部件。
已有技術說明將看到在許多情況下不希望存在背景噪聲。一個例子是考慮話務員正在試圖進行和位於噪聲區域的電話或這樣的類似裝置的電話對話的情況。在這種情況下，聲音很響的背景噪聲被電話手持送受話器中的話筒接收並被變換為電信號，該電信號被傳送給與話務員進行通話的人的電話機，在其中被變換為聲音信號。於是正在與話務員通話的那個人持續地聽到很響的背景噪聲。此外，當那人在說話時，他的話音與背景噪聲混在一起，這會使其它人難於聽懂。因此話務員可能不得不對著電話話筒大聲喊叫。而且，代表背景噪聲的信號還作為側音從話務員手機中的話筒傳送至話務員手持送受話器中的揚聲器。於是話務員也持續地聽到來自其手持送受話器中的揚聲器的背景噪聲，一旦其它人正在說話，這種背景噪聲會妨礙聽懂說些什麼。
作為另一個例子，考慮駕駛直升飛機等的駕駛員想利用射頻(RF)通信與其它人通話的情況。在這種情況下，駕駛員通常對著與無線電發送/接收裝置連接的所謂懸掛式話筒或懸掛式送受話器說話，話音被變換為RF信號，這些RF信號被傳送給第二個接收/發送裝置，在該裝置中被變換為話音以便被其它人聽到。如同以上在噪聲區域內的電話的情況一樣，直升飛機的很響的背景噪聲被懸掛式話筒或送受話器裝置接收，並被變換為電信號，然後被傳送給接收裝置。因此，與駕駛員通話的人聽到很響的背景噪聲。這在駕駛員在駕駛直升飛機的同時使無線電發送/接收設備處於「接通」(正在工作的話筒)位置時尤其令人厭煩。
作為再一個例子，考慮語音驗證和/或識別系統，操作者必需對著該系統說話來接入例如一實際設施或者操作計算機或自動售貨機。背景噪聲會妨礙接入(因背景噪聲而無法識別或驗證)或因錯誤的驗證而造成錯誤的進入。
在試圖減小背景噪聲來改進在噪聲環境等中的電話或懸掛式話筒或送受話器等的性能時，可以使用壓差式話筒。一般來說，壓差式話筒對兩個靠近的間隔點處的壓力差作出響應。當在背景噪聲的壓力差是各向同性的環境中使用時，壓差式送受話器因這種背景噪聲而產生的電信號實際上為零。但是，在大多數的實際情形中，背景噪聲的壓力差不是各向同性的，因此在這些情形中，壓差式話筒的性能受到不利影響。另外，由於話音或聲音沿一個以上的方向傳播，所以對話音或聲音作出響應的話筒產生的電信號常常被惡化。因此，即使在電話送受話器或懸掛式話筒中使用了壓差式話筒，所希望的背景噪聲消除量還不是足夠大，性能還不能滿足要求。
還有，如上所述，由於壓差式話筒的相對兩側面對聲壓作出響應，所以必需對已有電話的手持送受話器進行很大的改動，以使話筒的這兩個側面能夠對聲壓作出響應。而且，由於在電話送受話器中使用了這樣的話筒，就應對由這種話筒所產生的電信號進行放大。因此，用壓差式話筒代替已有電話的電話送受話器中的傳統話筒通常將需要用新的手持送受話器來代替該電話送受話器，這樣做將是相當昂貴的。
作為對使用壓差式話筒的一種替代方案，可以使用聲反饋型系統。這種系統一般包括用來均衡輸出換能器的傳遞函數的補嘗濾波器。由於揚聲器的特性受到這些濾波器的嚴格控制，所以濾波器的成本是相當高的。於是這種聲反饋系統一般來說也是相當昂貴的。
與消噪和減噪設備一起使用的許多話筒本來就是無方向性的或全方向的，例如靜電的、壓電的、磁性的和碳粒的話筒。對於全向小型話筒，在低頻下，在話筒的附近有足夠的聲音繞射，所以膜片運動對聲音的方向是不敏感的。在高頻下，相應地在較短波長下，話筒對於聲波而言變得較大，呈現出有利於沿垂直膜片方向到達的聲音。因此，話筒的尺寸越小，它就在越高的頻率下保持全向性。於是全向話筒與波長相比是小的，且話筒外殼保住膜片的背面，使它不能夠接收某些以不同角度的聲波。因此，由於壓強是標量，不是矢量，所以已有技術的這些話筒被稱為聲壓式話筒。於是對於在有源消噪系統中的話筒裝置，需要能夠提高沿各個方向的在遠場區域中聲音的靈敏度的定向話筒響應。就是說，通過把全向方向圖和雙向或「8字形」方向圖的輸出相加來實現定向性話筒響應，然後僅調整被相加的輸出信號的振幅和相位來產生所需要的方向圖。8字形方向圖還被稱為餘弦方向圖，在數學上用極坐標表示為P=COSθ。在定向性話筒中，距離是一個因子。距離因子可衡量定向話筒相對於全向方向圖來說，可以在距聲源多遠處使用以及仍保持直接獲取與反射的獲取的相同比值。於是已有技術沒能夠提供在基於全向方向圖和心形方向圖的有源減噪設備中的定向話筒器，在這種設備中，到達被確定位置處的聲壓被矢量相加。
在設計與包括至少兩個話筒的懸掛式話筒裝置或定向話筒裝置一起使用的有源消噪設備的電路時，已知可使用三端頭話筒結構。就是說，具有兩個或兩個以上的連接到放大器的話筒的消噪系統，例如，需要具有三個端頭的電路電源輸入端、音頻信號輸出端和接地端。為了降低在可任選地與減噪設備的頭戴送受話器一起使用的話筒或懸掛式話筒等中所使用的消噪系統的複雜性和成本，希望有兩端頭的話筒結構。希望有一種話筒結構，其中電源提供的直流電壓在一個和話筒輸出交流音頻信號的端頭相同的端頭處輸入，藉此交流信號被疊加在直流信號上。於是已有技術沒能夠提供供有源消噪設備使用的雙端頭話筒結構，在其中電源和信號被疊加在第一個端頭上，而第二個端頭接地。
在進一步試圖減小背景噪聲以便改善藉使用具有話筒的頭戴送受話器的電-聲通信的清晰度時，已開發了被稱為有源減噪的技術，這種技術採用放置在揚聲器和處在揚聲器的聲場中的耳朵之間的傳感話筒，該傳感話筒感受背景噪聲和編程音頻。對於這種有源型頭戴耳機裝置，使用了負反饋環，倒相地反饋由話筒單元從外界噪聲變換的電信號，以便減小在該頭戴耳機單元附近的噪聲。如已有技術中所示，採用閉環方式的反饋電路提供在揚聲器和耳朵之間的「靜區」，這消除了背景噪聲。這是因為在有噪聲的環境中，耳朵將不僅檢測到受話器的輸出，還將檢測到背景噪聲的緣故。
參看以下的提供閉環有源減噪系統的文獻，這些文獻被援引於此作為參考Hawley等人的美國專利US2972018,Wadsworth的美國專利US3098121,Carme等人的美國專利US4833719,Kimura等人的美國專利US5138664,Saeki的日本專利文摘JP-3-161999。
以上引用的專利描述了各種消噪裝置。例如，Hawley等人的專利涉及耳機的減噪系統，耳機具有位於受話器和話筒之間的塑料外殼；Wadsworth提供了具有位於頭戴受話器(headband)的頂部的話筒的耳機；Carme等人的專利針對具有位於揚聲器和話筒之間的中空環形部分的耳機；Kimura等人的專利涉及具有位於揚聲器和話筒之間的杯形部件的減噪耳機；Saeki的專利涉及具有位於兩個互相面對的揚聲器之間的話筒的消噪耳機。
但是，普通有源減噪系統存在各種不足。已有的消噪系統例如採用由以下相關的公式表示的閉環式電路P=S(H1H2+H21+BH1H2)+N(11+BH1H2)]]>其中P=輸出S=標準音頻信號H1=高通濾波器H2=頭戴送受話器中的揚聲器N=噪聲分量B=可變的增益/相位控制由於為了把輸出(P)的噪聲分量(N)減小至零需要非常大的直接傳輸增益(1+BH1H2)，所以普通閉環減噪系統不是理想的。這種系統存在不穩定的問題。這造成了振蕩的缺陷，即揚聲器、反饋話筒和包括這些部件和用戶頭戴受話器的聲腔的傳遞函數的變化造成的不穩定環路條件引起的嘯聲。普通閉環減噪裝置產生的減噪程度在任何頻率下都直接與該頻率下的直接傳輸增益相關。但是，增益越高，裝置就越不穩定。
普通有源減噪頭戴送受話器裝置還具有這樣的不足，即當機械振動(例如連接電線時的衝擊、摩擦引入的振動、用戶夾緊裝置移動引入的振動等)被傳送至噪聲反饋話筒時，這些振動噪聲被該話筒變換為電信號。這些信號被放大，造成不穩定性和其它非線性效應，例如音頻中斷、大的噪聲或聲壓衝擊。普通有源減噪頭戴送受話器裝置的另一個不足是為了避免消除想要的音頻信號而給該裝置所增加的複雜性，該音頻信號是被作為電信號輸入的。普通裝置所想要的音頻信號(S)被輸入給兩個相加節點來產生傳送給用戶耳朵的信號。第一相加節點把負反饋話筒信號與想要的輸入音頻信號相加。但在普通閉環反饋裝置中，從話筒反饋的信號包含所想要的音頻信號和必需被消除的環境噪聲。該反饋信號從所想要的輸入音頻信號中被減去，產生不含所想要的音頻信號成份的抗噪聲信號。然後用第二相加節點來把所想要的音頻信號加回到環路中去，以便可把其傳送給輸出換能器。這種產生所想音頻信號的方法增加了普通減噪裝置的複雜性和成本。普通裝置中的附加的相加節點處理還增大了在所想要的音頻信號中產生失真的機會和提高了不穩定性的可能性。
此外，還開發了各種其它已有技術的頭戴送受話器結構來構成有源減噪裝置，其中輸入和輸出換能器相對於耳朵來設置，例如以下三篇文獻，它們被援引於此作為參考。
Moseley的美國專利US5134659，Moseley的美國專利US5117461，Moseley的美國專利US5001763。
Moseley的美國專利US5133659涉及具有障板、兩個受話器和兩個話筒的頭戴送受話器減噪系統，障板的作用是通過迫使噪聲繞過該障板走更長的距離和迫使噪聲通過泡沫阻擋層而妨礙噪聲源直接傳送至輸入換能器。Moseley的美國專利US5117461針對使用頭戴受話器時的包括消噪的電聲功能，該頭戴受話器具有固定在其上的對著耳孔的相同方向的話筒。Moseley的美國專利US5001763涉及對於具有揚聲器、話筒和障板的頭戴受話器的消噪系統。
因此，一般來說，Moseley的專利涉及作為輸出換能器的揚聲器和作為輸入換能器的話筒的位置。事實上，這些專利要求揚聲器和話筒在同一平面上或基本上在同一平面上。還有，這些專利還教導了被處理的信號輸出基本上與原始聲波在相同的時域內，即信號是同相的。
與Moseley的專利不同，本發明不是專門涉及揚聲器和話筒在同一平面內的設置(雖然這種設置不必明確地被排除在外)。在本發明的開環有源減噪系統中使用的輸出換能器和話筒可以垂直、相切或在非同一平面的任何位置上(也可在同一平面內)。本發明提供了能夠把原始輸入音頻信號傳送給揚聲器、不對該輸入音頻信號進行再相加的減噪系統。這是因為作為開環的控制部分的傳感話筒相對於音頻信號的設置使得該音頻信號不被拾音器或傳感話筒所檢測的緣故。就是說，在本發明的開環系統中，原先的想要的音頻信號是與由話筒檢測的環境噪聲無關地被傳送給揚聲器。此外，在本發明中，聲材料可以被放在輸出換能器和用戶的鼓膜之間，把音頻信號傳送至用戶的耳朵，形成該換能器的聲波導。輸出換能器和話筒之間的聲材料起聲濾波器的作用，通過在拾音話筒和輸出換能器的通道上形成聲障來減小開環增益。聲材料使所想要的原先的輸入音頻信號與被拾音話筒檢測和消除的噪聲隔離開來。由拾音話筒檢測的背景噪聲信號被產生抗噪聲信號的電-聲處理裝置進行反相，該抗噪聲信號被傳送給聲波導以便產生一個靜區。這個靜區位於輸出換能器和用戶的鼓膜之間。
因此，已有技術沒能提供在通信系統等中使用的把背景噪聲減小至可接受程度的相對低成本的裝置，也沒能提供使已有音頻通信系統能夠把背景噪聲減小至可接受程度的成本有效的裝置。
發明的目的和概要本發明的目的是提供有源消除噪聲設備和有源減小噪聲設備來構成克服了與已有技術有關的問題的減噪系統。
更具體來說，本發明的目的是提供把背景噪聲減小到可接受程度的有源消除噪聲設備和有源減小噪聲設備。
本發明的另一個目的是提供在頭戴送受話器裝置和懸掛式話筒中使用的減噪設備或提供消噪設備等。
本發明的再一個目的是提供如上所述的相當廉價的減噪和消噪設備以及有源減噪系統。
本發明的還一個目的是提供在能以標準的可供使用的在線電源運行的電信系統中使用的成本相當低的減噪和消噪設備。
本發明的另一個目的是通過增加說話直通功能來提供增強的有源消噪和減噪的頭戴送受話器，這種說話直通功能使用戶能夠聽到話筒音頻信號和來自周圍環境的外界聲音，而不必實際增加任何其它的話筒部件。本發明的目的是提供有源消噪和減噪的頭戴送受話器，其中通過提高側音通路的增益來把外部區域的全部聲音都傳送至揚聲器的耳機。本發明的這種有源消噪話筒通過從電子電路中去除話音話筒和提高噪聲話筒放大器的增益而變成標準的全向話筒。
本發明的再一個目的是提供易被用於已有通信系統的手持送受話器的和能以標準的可供使用的在線電源運行的成本相當低的消噪裝置。
本發明的還一個目的是提供在音頻通信系統中使用的成本相當低的減噪裝置，該減噪裝置使用戶能夠有選擇地放大接收的信號，或者它可在具有頭戴式耳機的懸掛式話筒中使用，或者它可被用作為消噪話筒。
在此處所描述的許多應用中，想要有非全向特性的話筒。這種話筒抑制來自某些方向的信號，由此改善了信噪比。本發明的基於求和方法的定向話筒可依賴於具有相位差的聲壓信號的代數組合，這些相位差是唯一地由系統的電子電路產生的。與壓差式話筒不同，這種話筒的方向性依賴於線性尺寸與波長之比值。
當把兩個或兩個以上的話筒饋入到同一個放大器時，距這些話筒一定距離的聲源的信號有可能以180°的相位差到達這些話筒，彼此抵消。因此，本發明的目的正是為了保證全向和定向話筒被正確地定相。
本發明的另一個目的是，在此公開的以預定角度和/或以預定距離設置的第一和第二話筒連同減法裝置還能夠用於話筒的聲頻監測或遙測或甚至如具有旁瓣的定向話筒之類的定向話筒的環境噪聲消除。
因此，本發明的目的是提供在具有非全向特性的消噪系統中使用的低成本話筒。
本發明的另一個目的是提供基于振幅和相位波瓣結構的話筒的可控的各種方向圖。
本發明的再一個目的是通過在預定位置處對從全部簡單聲源到達該位置的聲壓求矢量和來提供定向話筒。
本發明的還一個目的是提供在有源消噪環境中的包括上述定向話筒的雙端頭話筒系統，該雙端頭話筒系統允許音頻輸出信號在同一端子處被疊加在電壓輸入信號上。
本發明的另一個目的是提供在頭戴送受話器中使用的新穎的有源減噪設備，該減噪設備通過把部件放置在開環系統中而使電路簡單和降低了成本。
本發明的再一個目的是提供消噪設備，其中環境噪聲以常規公式被衰減、而性能不被由機械部分或振動產生的話筒信號惡化。
本發明的還一個目的是提供包括帶有懸掛式話筒或定向話筒等的頭戴送受話器、手持送受話器等的有源減噪系統，這些話筒由於其開環結構而是無條件地穩定的。
本發明的另一個目的是通過有源地耦合電聲換能器來減少減噪設備所需的功率。
本發明的再一個目的是通過利用在單個相加節點中把所想要音頻信號和抗噪信號組合輸送給輸出換能器的方法來降低有源減噪電路的複雜性和/或成本。
本發明的還一個目的是在減噪系統中減小由抗噪處理引入的對所想要的輸入電信號的失真，該所想要的輸入電信號在減噪系統被變換為聲信號並被傳送至耳朵。
本發明的另一個目的是減噪設備包括被放置在輸出換能器後面或前面的以及在揚聲器聲場和平面之外的傳感話筒或拾音話筒，這樣話筒通過利用完成雙重功能的聲材料而只檢測背景噪聲。
本發明的再一個目的是提供一種聲學材料，當它被放在話筒上面時就作為聲濾波器而當它被放在輸出換能器和用戶的耳朵之間時就作為聲波導。
正是話筒作為系統的控制部分，該話筒獨立於輸入的音頻信號，即所想要的輸出。最好在揚聲器/話筒和耳朵之間設置彈性聲波導來形成靜區。這種波導最好不僅僅是出於舒適目的而在耳機上通常都帶有的那種一般橡膠海綿。一種這樣的材料是所謂的「緩慢流動(Slo-Flo)」泡沫材料，它的密度和結構使得它能夠確定無噪聲響應，並作為聲濾波器能夠阻止從收聽者的臉和/或耳返回至話筒的任何聲音反射；而已有技術採用信號從話筒的負反饋，但在本發明中沒有這種負反饋，而是採用開環結構，在這種結構中，不需要增加另一音頻信號，而是把原始輸入音頻信號傳送給揚聲器。因為信號沒有受到開環系統的幹擾。
懂得普通閉環減噪設備和本發明新穎的開環減噪設備之間的區別是很重要的。
本發明的開環系統是其中控制動作獨立於輸出或所想要的結果的系統。閉環系統是控制動作依賴於輸出的系統。這些定義中的關鍵術語是控制動作。一般來說，該術語指系統的驅動信號，驅動信號又表示為啟動系統來產生所想要的輸出而應負責的程度。在開環系統的情況下，輸入命令是提供控制動作的唯一因素，而對於閉環系統，控制動作由輸入命令和相應輸出之間的差值來提供。
為了進行閉環和開環操作比較，每一系統的一些操作特性如下開環系統具有兩個突出的特點，即，能夠執行由校準所確定的功能，以及例如因為不會出現不穩定的問題而在結構上的簡單性。對於閉環系統，值得指出的特點是由於驅動信號是輸出與輸入的偏差的函數，所以因反饋的作用能夠精確地再現輸入；這種控制動作迫使驅動信號幾乎為零。這種反饋因素的主要不足是它要對在採用閉環系統時的最大的困難之一(即容易振蕩)負責。
有源減噪設備和消噪設備可在飛行器(例如直升飛機或飛機)上所使用的任何電信系統中或在其它裝置、例如電話，或例如用於接入一實際設施或(經由直接或間接接口或經由電話線)進入計算機或自動售貨機的語音識別和/或驗證系統中、或在其它識別和/或驗證系統中使用。
消噪設備包括一外殼，該外殼具有第一話筒裝置，用來接收由操作所述消噪設備的操作者發出的話音和背景噪聲組成的第一聲音並把它變換為第一信號，第二話筒裝置，緊靠所述第一話筒裝置並以預定角度φ設置，用來接收主要由所述背景噪聲組成的第二聲音並把它變換為第二信號；以及用於從第一信號中減去第二信號的裝置，以便獲得基本上代表了所述話音的信號。在用於減小背景噪聲的消噪設備中使用的雙端頭換能器包括與該消噪設備的放大器裝置連接的多個話筒；該放大器裝置用於從具有第一端頭和第二端頭的話筒接收音頻信號，其中的該第二端頭接地；在第一端頭上輸入直流信號的電壓裝置；與第一端頭連接、並用於從話筒連接交流信號的電晶體裝置；用於把交流信號疊加在第一端頭上的直流信號的裝置；用於從直流信號中濾除交流信號的裝置，以便用該直流信號對放大器裝置供電；以及用於輸出由話筒在第一端子處產生的交流信號的裝置。用來在對著有源消噪設備的懸掛式話筒說話時獲得遠場響應的定向話筒，該定向話筒器以各種不同的方向性圖接受聲音，它包括具有間隔開的話筒裝置的陣列的外殼，這些話筒裝置用來接收聲音信號和輸出具有在這些話筒之間的間距的電信號；被作為具有振幅和相位的正弦聲波輸入到外殼的聲壓源，該正弦聲波和在預定距離處的這些話筒交叉以形成一角度；用於計算從每一話筒至聲源的距離的裝置；用於把話筒陣列的輸出信號相加以獲得一總和輸出信號的求和通道；產生只代表總和輸出信號中的話音的聲信號的信號處理裝置；以及用於調整該總和信號的振幅以產生所希望的響應模式的裝置。用於減小鼓膜附近的環境噪聲的開環有源減噪設備包括用於接收輸入信號的外殼；位於外殼內的輸出換能器；與輸出換能器基本上不在同一平面內的、用於檢測和減小環境噪聲的輸入換能器；減小被輸入換能器檢測的環境噪聲的開環信號處理裝置；用於把輸入音頻信號傳送給鼓膜而不受環境噪聲的幹擾的裝置；把輸出換能器與輸入換能器隔離開以便在輸出換能器和鼓膜之間形成主要表示話音的輸入音頻信號的通路的聲裝置，其中形成了靜區來隔離由輸入換能器發送的聲音。與有源消噪設備一起使用的開環減噪系統包括用於檢測噪聲信號並將其變換為電信號的拾音話筒；位於具有聲裝置的頭戴送受話器內的揚聲器；音頻傳輸信號；以電方式抑制電信號的振動的裝置；用於調整噪聲信號的可變的增益/控制裝置；用於濾除機械振動引入的低頻幹擾以阻止這種幹擾到達揚聲器的裝置；組合抗噪聲信號和噪聲信號用來在聲裝置中形成靜區的相加節點；把音頻信號傳送給揚聲器的裝置；以及保持在揚聲器中的噪聲信號和抗噪聲信號之間的相位一致的裝置。
用於減小在鼓膜附近的環境噪聲的開環有源減噪設備，包括用於接收輸入音頻信號的外殼；位於外殼內的輸出換能器；位於外殼內的、用來檢測和減小環境噪聲的輸入換能器；減少被輸入換能器檢測的環境噪聲的開環信號處理裝置；用於把輸入音頻信號傳送給鼓膜而沒有噪聲幹擾的裝置；把輸出換能器與輸入換能器隔離開來以便在輸出換能器和鼓膜之間形成主要表示話音的輸入音頻信號的通路並且形成靜區來隔離由輸入換能器發送的聲音的聲裝置。
在用來傳送來自話筒的音頻信號和接收周圍環境的外界聲音的頭戴送受話器中使用的有源消噪和減噪系統，包括具有第一開關裝置的第一話筒裝置，該第一開關裝置具有消噪模式和最先說話直通模式；第二話筒裝置；通過第二開關裝置與這兩個話筒連接的話筒放大器裝置；在第一開關裝置和第二開關裝置工作在消噪模式時用於連接放大器裝置的音頻話筒傳輸裝置，其中話筒傳輸裝置在第一開關裝置和第二開關裝置工作在說話直通模式時被旁路；在第一開關裝置和第二開關裝置都處於消噪模式時把兩個話筒裝置的音頻信號都傳送給緩衝放大器的傳輸門，該傳輸門在第二開關裝置處於說話直通模式時被禁止；該緩衝放大器裝置在第一開關裝置和第二開關裝置都工作在消噪模式時把從傳輸門接收的音頻信號傳送給音頻系統和定標放大器；該緩衝放大器裝置在第一開關裝置和第二開關裝置都工作在說話直通模式時用於直接輸出由話筒放大器裝置接收的音頻信號；包括具有消噪模式和說話直通模式的第三開關裝置的該定標放大器在全部開關裝置都工作在消噪模式時把由兩個話筒裝置傳送的和來自外界聲音的側音信號提供給揚聲器的耳塞機；定標放大器具有增益控制，其中全部開關裝置都工作在說話直通模式時增加增益控制來增大輸入給揚聲器的側音信號；有源減噪系統接收側音信號並將其輸出給頭戴送受話器內的揚聲器。
當結合附圖閱讀以下的對所說明的實施例的詳細描述時將明了本發明的其它目的、特點和優點，圖中相應的部件用相同的標號來表示。
附圖簡述

圖1表示具有按照本發明的實施例的消噪設備的電話；圖2是在圖1的電話中使用的消噪設備的方框圖3A是圖1的電話的接收器部分的正視圖；圖3B是除去了上蓋的圖1的電話的接收器部分的側視圖；圖4是圖2的方框圖的原理圖；圖5是示於圖2的消噪設備的另一原理圖；圖6A、6B和6C表示使用按照本發明的實施例的減噪設備的懸掛式話筒裝置；圖7A和7B是用來說明本發明的操作時所參考的示意圖；圖8是表示按照本發明的減噪設備；圖9A、9B、9C、9D、9E和9F表示本發明的懸掛式話筒和頭戴送受話器的實施例(圖9A和9B每個表示話筒特定放置的一實施例；圖9C表示具有有源減噪設備的頭戴送受話器的總貌，圖9D、9E和9F表示懸掛式話筒的側視圖)，且圖9F表示在頭戴送受話器中使用的有源減噪設備的優選實施例；圖10A和10B是圖8的減噪設備的原理圖；圖11表示倒相電路；圖12表示反向充電的話筒電路；圖13A和13B表示本發明各實施例的有源消噪曲線；圖14是定向話筒的原理圖；圖15是用來說明本發明一實施例的操作時所參考的話筒的線性陣列的示意圖；圖16A和16B表示排成圓柱形的話筒陣列的示意圖和電路陣列的原理圖的另一實施例；圖17A和17B表示已有技術三端頭話筒結構和本發明雙端頭話筒結構的方框圖；圖18是簡單雙端頭話筒電路的原理圖；圖19表示在有源消噪系統中使用的雙端頭話筒電路的優選實施例；圖20是在有源消噪系統中使用的雙端頭話筒電路的另一個實施例；圖21是已有技術閉環有源減噪系統的原理圖；圖22是本發明開環有源減噪系統的原理圖；圖23A和23B表示本發明聲波導的透視圖和側視圖；圖24是藉利用有源減噪系統實現的靜區的圖示；圖25表示本發明的有源減噪系統的優選實施例；
圖26表示本發明的有源減噪系統的另一個優選實施例；圖27表示包括高通濾波器的本發明有源減噪系統的另一個實施例；圖28是在具有說話直通、側音和自動音頻話筒傳輸特性的頭戴送受話器中使用的有源減噪和消噪系統的方框圖。
優選實施例詳述圖1表示使用按照本發明的實施例的減噪設備的電話8。如圖所示，電話8一般來說包括一具有一揚聲器部分41和一接收器部分42的手持送受話器10和一電話單元18，它們可以藉助於話機繩30被連接在其間。或者，該電話可以是無繩電話，於是手機10可通過RF(射頻)電波與電話單元18耦合。接收器部分42包括第一和第二話筒12和14(圖2)、用於調整提供給揚聲器部分41的信號的音量的開關40、以及具有凹進部分44及網孔部分46的蓋子48。
圖2以方框圖形式表示電話8。如圖所示，手持送受話器10一般來說包括第一和第二話筒12和14、減法裝置16(在最佳實施例中是一運算放大器)、放大器20(最好也是一運算放大器)、以及揚聲器22。第一和第二話筒12和14、運算放大器16以及放大器20最好被包括在接收器部分(見圖1)內。
由話音之類和背景噪聲組成的聲信號被提供給第一話筒12並在其內被變換為相應的電信號，該電信號然後被提供給運算放大器16的正端。背景噪聲被提供給第二話筒14並在其內被變換為相應的電信號，該電信號然後被提供給運算放大器16的負端。運算放大器16適合於從來自第一話筒12的話音和噪聲信號中減去來自第二話筒14的噪聲信號，並把基本上代表話音的電信號傳送給電話單元18，以便通過電話線把話音信號傳送給所想要的一臺電話或多臺電話。運算放大器16的輸出信號還在電話單元18中與來自電話線的接收信號組合，傳送給放大器20。運算放大器16和17最好是相當低功率的集成電路(IC)，例如互補金屬氧化物半導體(CMOS)，可以用一片或多片CMOS IC晶片來構成。雖然在圖2中沒有示出，但操作者可以利用開關40(圖1)有選擇地設定放大器20，以便把接收信號的放大量調整為所希望的程度。放大器20的放大信號提供給揚聲器22，揚聲器22把該放大信號變換為操作者聽得見的聲信號。
圖3A和3B表示接收部分42的兩個視圖，圖3A的圖中除掉了蓋子48。如這兩個視圖所示，接收部分42一般來說包括外殼74、電路板組件78、第一和第二話筒12及14、以及蓋子48。最好是駐極體話筒或類似這樣的話筒的第一和第二話筒12及14分別被如在後面所描述的那樣安放或設置。這兩個話筒被固定部件76固定，固定部件76例如可以用泡沫狀材料製成，它再被固定在外殼74上。第一和第二話筒12和14各自的輸出通過各自的導線(未示出)傳送給運算放大器16，運算放大器16被包括在電路板組件78上，電路板組件78再被固定在外殼74上。如以下詳細描述的，電路板78可以包括其它電路元件，這些電路元件用來處理和放大從第一和第二話筒接收的信號，並將它們傳送給揚聲器22(圖2)。可以使用覆蓋物72，它通過使用粘著劑被固定在外殼74上，或者可以被聲波焊接在外殼74上。覆蓋物72和帶有電路板組件78、固定部件76和第一及第二話筒12和14的外殼74構成組件71。
可以用塑性材料、例如聚碳酸脂製成的蓋子48包括環狀邊沿部件43和通常厚度為T的部分45，該部分45與邊沿部件43相接，比該邊沿部件的頂部低例如0.020英寸的最小預定量，由此形成了凹進部分44。部分45包括具有比厚度T小的厚度T′的部分46，該部分46具有多個通孔，可以類似一網孔狀部分。在一優選實施例中，部分46的厚度T′小於0.030英寸。由於部分46隻是部分45的相當小的一部分，所以其厚度的減小不會對蓋子48的整個結構剛度有不利影響。或者部分46可以用較硬材料、例如不鏽鋼或類似材料來製成，與部分45結合在一起。如將看到的，通過使部分45和46從邊沿部分43的頂部凹進，即使把接收器部分42放在平面上時，只是邊沿部件43與該平面接觸，而部分45或46不與該平面接觸。因此載荷不直接作用給部分45和/或部分46，而是作用給邊沿部件43。
蓋子48被安置在組件71上，第一和第二話筒12和14被分別安放在部分46之下，第一話筒相當接近部分46的底面。因此，離接收器部分42最好小於1英寸距離的操作者對著其說話時發出的話音穿過部分46到達第一話筒只走了相當短的距離，從而將聲失真減至最小。
第一和第二話筒12或14分別在接收器部分42內的安放如圖3A和3B所示。具體來說，如圖3B所示，第一和第二話筒被安排成其相互間有一角度φ，該角φ的值最好在30°和60°之間。第一和第二話筒還分別被安排成使得在平行於第一話筒12的接收面或「敏感」面的平面和操作者的話音的方向之間的角度是θ，在垂直於第二話筒14的敏感面的軸線和話音方向之間的角度是[(90-θ)+φ]，如圖3B所示；以及在話音的方向和第二話筒之間的角度是ψ，如圖3A所示，在一優選實施例中，角θ的值約小於35°，而角ψ的值約是180°。這樣安放第一和第二話筒的結果是，第一話筒12接收操作者的話音和附近的背景噪聲，而第二話筒14基本上只接收被第一話筒接收的相同的背景噪聲。
如上所述，雖然角φ的值最好在30°和60°之間，但即使第一和第二話筒被安排成具有在這一範圍之外的角度值，它們仍可令人滿意地操作。但是，當角φ比30°小得多或比60°大得多時，性能會受到不利影響。就是說，當角φ比30°小得多時，第二話筒14就既接收話音也接收背景噪聲。於是，當從第一話筒12的輸出信號中減去第二話筒14的輸出信號時，一部分或全部話音就會被抵消。相反地，當角φ比60°大得多時，第二話筒14接收的背景噪聲就可能與第一話筒12接收的背景噪聲不相同。於是，從第一話筒12的輸出信號中減去第二話筒14的輸出信號就可能沒有充分抵消第一話筒接收的背景噪聲。
同樣地，雖然如上所述角θ和ψ的值最好分別是小於35°和約為180°，但即使第一和第二話筒被安排成使這些角具有不同於這些值的值，它們仍可令人滿意地操作。但是，當角θ和ψ的值與各自最佳值顯著不同時，性能會受到不利影響。就是說，當角θ比35°大得多時，第二話筒14可能既接收話音又接收背景噪聲。同樣地，當角ψ比180°小得多或大得多時，第二話筒14可能既接收話音又接收背景噪聲。結果，在這兩種情況的任一種情況下，當從第一話筒12的輸出信號中減去第二話筒14的輸出信號時，一部分或甚至全部話音會被抵消。
如將會看到的，通過使用上述裝置和材料作為接收器部分42的部件，則構成這種接收器部分的成本相當低。此外，如上所述，通過使用CMOS晶片可使接收器部分的功耗保持相當低。於是可以用在手持送受話器內的可供使用的標準電源給接收器部分供電，這樣一來就不需要附加電源或變壓器等。還有，雖然接收器部分42是對於接收器部分和電話8的手持送受話器10的一個組件(它是一個新的電話)來被描述，但這種接收器部分或其微小的改變可以在現有電話的手持送受話器中被使用。就是說，在後一種情況下，被包括在已有電話的手持送受話器內部的蓋子和話筒僅僅被接收器部分42所代替。於是接收器部分42的這種應用就提供了相當簡便和低成本的裝置來修改已有電話的手持送受話器，使其包括本發明的減噪設備。
圖4表示圖1和2所示電話8的一種電路的原理圖。如圖4所示，第一話筒12通過電阻202與輸入電源端200連接，該電阻202是一限流電阻，用來校正第一話筒的輸出的偏壓。第一話筒12還通過電阻210與運算放大器16的正端連接，再通過電阻212與可變電阻214連接。第二話筒14通過可變電阻208與輸入端201和運算放大器16的負端連接，該可變電阻208也是一限流電阻，用來校正第二話筒的輸出的偏壓。限流電阻208最好是可變限流電阻，使第二話筒輸出信號的電平能夠在預定值範圍內與第一話筒輸出信號的電平相匹配。具體來說，限流電阻208可使第二話筒14的輸出信號被加權，以便當具有相同電平的信號從第一話筒12中被輸出時，可使它們之間的差的幅值最小。可以根據最小化準則選擇限流電阻208的值。電源端198與電阻204和206連接，還與運算放大器16的負端連接，電阻204和206把在輸入電源端198處接收的電壓進行分壓。運算放大器16的輸出端與電容220,222和226以及電阻224和228連接，電阻228再與電話單元18的「話筒輸入」端連接。運算放大器16的輸出端還通過可變電阻214、電阻216和電容218接地。電阻210、212和216以及可變電阻214向運算放大器16的輸出端提供例如20至1的放大倍數的可變增益。電容218、220和222的作用是去除可能在運算放大器的輸出信號中存在的殘留DC(直流)電平。電阻224和228以及電容226起低通濾波器的作用，具有一個在一個預定值例如可以是3.7KH2處的斷點。
電話單元18還與電話線連接，能夠利用通過話筒輸入端接收信號並通過電話線把這些信號提供給所要的一臺或多臺電話。電話單元18還能夠籍助於電話線接收來自另外的電話的信號，把這種信號如上所述的和通過話筒輸入端接收的信號相組合，並把組合的信號提供給受話器輸入端231。輸入端231通過隔直電容230和電阻232與運算放大器17的負端連接，再通過電阻234與可變電阻240連接。電源端199與運算放大器17的正端連接。運算放大器17的輸出端通過電容242和244以及電阻246與受話器22連接。運算放大器的輸出端還通過可變電阻240、電阻238和電容236連接到地。
以下將描述圖4所示電話8的操作。
一旦要啟動手持送受話器10把其從開關叉簧(未示出)等上拿起時，標準電話線電壓就傳送至輸入端198、199、200和201。已被限流電阻202進行了偏壓校正的第一話筒12的信號通過電阻210傳送至運算放大器16的正端。已被限流電阻208進行了偏壓校正的第二話筒14的輸出信號傳送至運算放大器16的負端。運算放大器16從接收自第一話筒12的信號中減去接收自第二話筒14的信號，輸出得到的被減信號。去除可能在該輸出信號中存在的DC電平並放大該信號。然後從被放大輸出信號中去除例如那些超過3.7KHz的高頻信號，把得到的信號提供給電話單元18。於是向電話單元18提供了正比於在由第一和第二話筒12和14分別產生的電壓之間的差值的電壓信號。
電話單元18的輸出信號(它是通過話筒輸入端接收的通過電話線接收的信號的組合)被提供給放大器17的輸入端231。輸入端231的信號提供給電容230，去除可能存在的任何DC信號。電容230的輸出通過電阻232提供給運算放大器17的負端。運算放大器17緩衝來自電話單元18的信號，並將加上側音的接收信號傳送至運算放大器輸入端231。這種信號可由操作者通過使用開關40(圖1)而利用電阻232、234和238以及可變電阻240有選擇地進行放大。可能存在被放大信號中的任何DC信號隨後被電容242、244和236消除。電容244的輸出信號被電阻246限流，然後被提供給揚聲器22，在揚聲器22處被變換為聲信號。
圖5表示對於分別從第一和第二話筒12和14獲得的信號進行處理以便產生提供給電話單元18的電流輸出的另一種電路結構，該電流輸出正比於由第一和第二話筒產生的電壓的差值。
具體來說，圖5的電路結構包括具有多個輸入端300、301、370和390的手持送受話器10′，這些輸入端的每一個都適合於接收可供使用的標準在線電源。第一話筒12通過限流電阻302與輸入電源端300連接，還與減法裝置316的負端連接，該減法裝置最好是一CMOS運算放大器。第二送受話器14的輸出通過可變限流電阻308與輸入端301連接，還與運算放大器316的負端連接。由運算放大器316輸出的信號通過濾波級350提供給最好是一CMOS運算放大器的減法裝置351的負端。濾波級350提供預定的頻率響應特性，例如在預定頻率處的信號滾降。如將看到的，雖然圖5中示出了兩個濾波級，但可以使用任意個數的濾波級。輸入電源端390與電阻392和394連接，這兩個電阻能減小提供給它們的信號，輸入電源端390還與運算放大器351的正端連接。運算放大器351的輸出信號傳送至電晶體366的基極。輸入電源端391與齊納二極體360、電容362和電阻364連接，電阻364再與電晶體366的集電極和電話單元18的話筒輸入端連接。電晶體366的發射極通過電阻367和368與運算放大器351的負端連接，形成至運算放大器351的反饋環路。運算放大器351及相關的元件在濾波級350和電晶體366之間提供電隔離。電晶體366能夠對提供給電話單元18的信號進行放大。
電話單元18的輸出被傳送至輸入端231(圖4)，然後按照以上參照圖4的手持送受話器10所描述的方式被進行處理，以便從揚聲器22提供聲信專。
以下將描述電話8′的操作。
一旦要把電源供給手持送受話器，把其從開關叉簧(未示出)等上拿起時，一部分電話線電壓就被提供給輸入端300、301、370、390和391。已被限流電阻302進行了偏壓校正的第一話筒12的信號被提供給運算放大器316的正端。已被限流電阻308進行了偏壓校正的第二話筒14的輸出信號被提供給運算放大器316的負端。電阻308最好是可變限流電阻，它按照基本上與上述對於電阻208所描述的方式相同的方式使第二話筒14的輸出信號的電平能夠在預定值範圍內與第一話筒12的輸出信號的電平相匹配。運算放大器316的輸出差信號通過濾波級350來被提供，該濾波級350可以包括一個或多個RC網絡或等價電路，把輸出信號的上限頻率限制至預定值，例如可以是3.7KHz。濾波級350的輸出信號被提供給運算放大器351的負端，來自輸入電源端390的電壓信號(它已被分壓為預定值，例如電源的一半)被提供給運算放大器351的正端，運算放大器351放大輸入到電晶體366的基極的相應輸出信號。輸入電源端391的電壓通過電阻364提供給電晶體366的集電極。於是，被放大器信號按照與以上參照圖4所描述的方式相同的方式，從手持送受話器10′傳送給電話單元18，從電路單元18通過電話線傳送至所想要的電話，或者與來自電話的接收信號組合後再傳送至輸入端231。
由於圖4和5中無標號的各個電路元件的連接和元件值對於本領域普通技術人員而言是顯而易見的，對於理解本發明不是必不可少的，所以它們就如圖所示地連接，不作進一步的說明。
圖6A、6B和6C表示採用按照本發明的實施例的消噪設備的懸掛式話筒100。具體來說，該懸掛式話筒100一般來說包括外殼174、電話板組件178、第一和第二話筒112和114以及部分147。外殼174(它可以用塑料類或金屬類材料來製成)包括具有一個孔的圓形部分，軸106可以插入該孔。於是懸掛式話筒100可以如圖6A所示地繞軸106旋轉。
第一和第二話筒112和114分別通過導線102和104與電路板組件178連接。電路板組件178包含類似於在電路板組件78上的如上所述的處理來自第一和第二話筒12和14的信號以便傳送給電話單元18(為簡明起見，在此不再詳述)的電路的電路。因此，該電路板組件178從第一話筒112接收話音和背景噪聲信號，從該話音和背景噪聲信號中減去來自第二話筒114的背景噪聲信號，產生基本上代表話音的信號。這種信號被傳送給發送裝置(未示出)，被變換為RF信號並被發送給遠端接收裝置(未示出)。第一和第二話筒112和114分別被例如可用泡沫狀材料製成的固定部件176固定。例如可以用塑料類或金屬材料等製成的格網屏146被固定在切掉部分147上，以便保護第一和第二話筒。格網146具有例如可以是約0.030或小於0.030英寸的預定厚度。
可以是電駐極體話筒的第一和第二話筒112和114的安放方式與上述手持送受話器10的第一和第二話筒12和14的安放方式相同。就是說，如圖5A所示，第一和第二話筒被分別安排成使得在平行於第一話筒的接收面或敏感面的平面和操作者的話音的方向之間的角度是θ′，在垂直於第二話筒的敏感面的軸線和話音方向之間的角度是[(90-θ)′+φ′]。此外，第一和第二話筒112和114被安排成其相互間有一角度φ′，該角φ′的值最好在30°和60°之間。第一和第二話筒112和114的安放位置相當接近格網146和外殼174的切掉部分147，以便不接收其失真程度為不可接受的聲音。
雖然以上描述的實施例只是有一個第一話筒12(112)和一個第二話筒14(114)，但本發明不受限制，第一和/或第二話筒可以具有任意個數的話筒。例如，可以把接收器部分42′(未示出)設計成為包括作為第一話筒12′(未示出)進行工作的兩個或兩個以上的話筒和作為第二話筒14′(未示出)進行工作的兩個或兩個以上的話筒。在這種設計中，當使用多個話筒作為第一和/或第二話筒時，最好為第一話筒12′的除一個外的全部話筒和第二話筒14′的全部話筒設置各自的可變限流電阻。於是分別從第一和第二話筒12′和14′的輸出都將包括幾個這樣的話筒輸出電壓的加權和。最好分別確定各個限流電阻的值，以便使第一和第二話筒12′和14′的某些功能性差別減至最小。用於選擇限流電阻值的準則或等價各個話筒的加權函數可以按照任何眾所周知的梯度搜索算法來確定。
圖9A表示具有如圖所示地放置的第一話筒300和第二話筒302的話筒架320。第一話筒300包括一個壓敏表面301，第二話筒302包括第二壓敏表面303。如圖9A所示，第一和第二話筒300和302的安放使得各自的壓敏表面301和303彼此構成約180°的角。在話筒300和302之間還有一結構反射板322。這種結構反射板322可以由能夠在話筒之間產生聲分離的結構部件組成。或者可以用聲反射裝置來代替結構部件。此外，如圖9A所示，第一和第二話筒300和302、尤其是它們各自的壓敏表面301和303位於一個距離或尺度b之內。
第一話筒300能接收聲音、例如來自用戶的語音並將這種接收的聲音變換為相應於這種語音的信號。這種第一話筒300還可以接收可能存在的背景噪聲。如將看到的，這種背景噪聲與接線員的話音相組合，於是由第一話筒提供的信號相應於來自用戶的語音和背景噪聲。相反地，安放在話筒架300內的第二話筒302基本上只接收背景噪聲。具體來說，第二話筒302的壓敏表面303最好與第一話筒300的壓敏表面301成約180°的角。還有，如上所述，第一和第二話筒300和302之間安有反射板322。這種反射板能夠使第二話筒302接收最少的這種用戶話音或根本接收不到。還有，第一和第二話筒300和302最好彼此靠得相當近，即在距離b以內。作為一個例子，這一距離b可以在0.10至0.50英寸的範圍內，最好是約0.25英寸，或小於0.25英寸。本領域的普通技術人員根據本說明書的內容而不必進行過度的實驗就能夠確定合適的距離b，本發明不必受b的具體值的限制。
圖9B表示具有以略微不同於圖9A的話筒架320內的兩個話筒的安放方式安放的第一和第二話筒300和302的話筒架330。就是說，如圖9B所示，第一和第二話筒300和302彼此並排錯開地放置。此外，反射板332設置在第一和第二話筒300和302之間，按照與圖9A的反射板322相同的方式提供話音的聲隔離。
圖9C表示採用了有源減噪裝置的頭戴送受話器組件400。如圖所示，這種頭戴送受話器組件400一般來說包括頭戴送受話器401、具有左蓋403和左軟墊409的左外殼402、具有右蓋405和右軟墊410的右外殼404、話筒架組件413、以及話筒架440。這種話筒架440包括可以按照以上參照圖9A和9B所描述的方式安放的第一和第二話筒300和302。此外，這種話筒架440還包括上話筒外殼406、下話筒外殼407、第一和第二話筒300和302、以及風向袋(Windsock)408。圖9C表示包括相對於輸出換能器460和可以是泡沫塑料、襯墊等的聲濾波器470安放的傳感話筒450的結構。優選聲濾波器470是流動緩慢的泡沫塑料，如將在圖23A和23B中所詳細描述的，用這種泡沫塑料在揚聲器和用戶的耳朵之間形成聲波導。部分覆蓋了傳感話筒450的聲濾波器470的功能是將該拾音話筒與輸出換能器隔離開來。拾音話筒450不是必須與輸出換能器460在同一平面，而是可以在輸出換能器460的平面之上、之下、與該平面相切或相鄰。不覆蓋傳感話筒450的聲濾波器470的部分也起到在輸出換能器460和用戶的耳朵之間的聲波導475的作用。如圖24所示，在聲波導475內形成靜區。聲波導475把用戶耳朵耦合至輸出換能器以便提高揚聲器的效率。傳感話筒450與揚聲器不在一平面的這種設置使得離靜區更近，實現噪聲和抗噪信號之間精確的相位一致。此外，傳感話筒450的安放和取向將沿揚聲器聲場的方向的話筒靈敏度波瓣方向圖減至最小。在本有源減噪設備中使用的傳感話筒450是全向話筒，它可接收來自所有角度的噪聲。傳感話筒的這一特性使其能夠相對於頭戴送受話器的耳機被靈活地放置。
圖9D表示頭戴送受話器組件400的側視圖。如圖所示，左外殼402包括電路板組件412，該電路板組件412可以包含用來如以下詳細描述的那樣對聲信號進行處理的電路，該左外殼402還包括把信號傳送給外界或主設備(未示出)和從它們那裡接收信號的電纜組件411。圖9E表示右外殼404的側視圖。
圖9F表示在減噪設備內的傳感話筒450的另一實施例。在圖9F中，傳感話筒與輸出換能器460鄰近，但不必與換能器在同一平面內。聲波導475覆蓋揚聲器的相當大的部分，話筒450在波導475形成的靜區之外。
如上所述，第一和第二話筒300和302最好被安排在距離b之內，並且還被設置成使第一話筒300接收話音和背景噪聲，而第二話筒基本上只接收背景噪聲。如圖7A和7B所示，這種背景噪聲可以是由位置304的壓力聲源發出的。就是說，如圖所示，這種位置304可以與第一和第二話筒300和302之間的中點相距距離r，它們之間有一角度θ。於是第一話筒300和位置304之間的距離約等於[r-(b/2)(Sinθ)]，位置304和第二話筒之間的距離約等於[r+(b/2)(Sinθ)]。
圖8表示適合於處理由話筒300和302產生的信號的差分放大器500。如圖所示，這種差分放大器500包括放大器310、放大器312和相加電路314。第一話筒300產生的信號傳送給放大器310，該放大器310適合於為這樣的信號提供基本上為1的增益，並提供這一信號作為輸出信號。這一輸出信號提供給相加電路314的一個輸入端。第二話筒302產生的信號傳送給放大器312，該放大器312實質上使接收的信號反相，並把其提供給相加電路314的第二個輸入端。相加電路314把接收的信號進行相加，產生相加的輸出信號e(out)。如將看到的，這一相加的輸出信號e(out)表示基本上只相應於用戶的話音的信號。
圖10A和10B更詳細地表示圖8的差分放大器500。就是說，圖10A表示這種差分放大器500的第一種結構，圖10B表示這種差分放大器500的第二結構。現在更詳細地描述這兩個原理圖的每一個圖。
如圖10A所示，由第一話筒300產生的信號被提供給輸入端600，並從該輸入端通過電容C1和電阻R被提供給運算放大器V1A的反相輸入端。由第二話筒302產生的信號被提供給輸入端602。這樣的輸入端602與電位器RA連接，電位器RA又被連接到地。輸入端602還通過電容C2以及電阻R1和2R與運算放大器V1A的非反相輸入端連接。這一運算放大器能夠以差分模式進行工作，把輸出信號提供給端子606，端子606又與該運算放大器V1A的反相輸入端連接。運算放大器V1A的這一輸出還被傳送給電位器608，該電位器608的一端接地。電位器608通過耦合電容C3與運算放大器V1B的非反相輸入端連接。該運算放大器V1B的輸出被提供給電晶體610的基極。電晶體610的發射極與端子612連接，端子612再通過電容C4與輸出端614連接。相加的信號e(out)由端子614提供。電晶體610的集電極與端子616連接，端子616再與給本電路提供電壓V+的電源(未示出)連接。端子616與適合於提供直流偏壓的電阻R3和R4連接。沒有被具體描述的元件如圖10A所示地連接。
通過使用圖10A所示的上述電路，對於第一和第二話筒300和302所呈現的阻抗被對稱地平衡，以便使頻率之間的差分相移減至最小。此外，該電路的輸出信號具有相當低的阻抗。
圖10B表示上述的圖8的差分放大器500的第二種電路或一替代電路。圖10B的電路適合於通過源電阻從電源(未示出)接收功率。就是說，驅動圖10B的電路的功率由具有有限輸出電阻R的電源提供，而不是由具有零輸出電阻的電源提供(例如圖10A的電路)。如將看到的，圖10B所示電路在其它方面基本上與圖10A的電路相同，因此在此不再描述。
圖11表示一個倒相電路，它可被用來代替圖10A或圖10B所示電路。如圖所示，該電路700一般來說包括第一和第二話筒300和302、幅度調整電位器RA、電阻R1和R3以及電容C，它們的連接如圖11所示。第一和第二話筒300和302的每一個都可包括一場效應電晶體(FET)，可把該FET的漏極看作是正(+)的，把其源極看作是負(-)的。漏極和源極間的相位約是180°。例如，其漏極可以具有180°的相位，而源極具有0°的相位。於是第一和第二話筒300和302的每一個都包括兩個端子，即正(+)端和負(-)端。在圖11的電路中，第一和第二話筒的正(+)端可以是其上端，而這些話筒的負(-)端可以是其下端。此外，幅度調整電位器可以在該電路的初始組裝期間進行調整或設定，或者可由圖9C的頭戴送受話器組件400的操作者進行調整。當相同聲壓的聲音被第一和第二話筒300和302接收時，輸出信號e(out)的值就是零(0)。
同12表示可用來代替圖11的倒相電路700的電路800。在電路800中，話筒300和302被相反地充電。於是，在第一和第二話筒接收相同聲壓的聲音的情況下，一旦對它們的輸出進行相加時，則輸出信號e(out)的值基本上是零(0)。電路800的其餘部分基本上與圖11的電路700的相同，因此不再描述。
這樣，在本發明中可以使用圖10A、10B、11或12所示的任一電路。這些電路使對可以是駐極體型的話筒的第一和第二話筒300和302執行的校準處理便於實現。此外，這些電路可被包括在一印製電路(PC)板上，該印製電路(PC)板可被安裝在頭戴送受話器組件400內，例如就像圖9D所顯示的PC板412。或者，這種PC板可被包括在頭戴送受話器組件400的其它部分內，或位於與頭戴送受話器組件400分開的主設備內。
於是本發明提供了能夠減小或消除背景噪聲的組件、尤其是頭戴送受話器組件。本發明的設備能夠使用起偶極子作用的第一和第二話筒，這兩個話筒可以由製造商進行匹配，或者可以在製造後通過測試來進行匹配，它們的頻率響應在預期的工作範圍內基本上是平坦的。此外，如上所述，第一和第二話筒最好設置成使它們各自的壓敏表面彼此構成180°，並且彼此靠得較近。通過這樣設置第一和第二話筒，就能夠使從聲源(其至話筒的距離遠遠大於兩話筒之間的距離)發出的聲音(尤其是背景噪聲)能夠被這兩個話筒同時接收。於是在它們之間不會出現顯著的相位差。還有，本發明還使消噪量可在本頭戴式送受話器組件的製造期間進行調整或替換地由使用這種組件的操作者進行調整。
例如圖7A至13B的懸掛式話筒可以基於支配在近場和遠場內的全向話筒的方向性圖和該話筒的壓敏表面的正確安放的原理。圖9A和9B所示的話筒的結構設計是增大S/N的決定因素。細看這些圖會發現話筒壓敏表面最好彼此形成180°，並提供了傳向近場內的話音話筒和噪聲話筒的信號的最佳分離。這種分離是確定信號的S/N比值的主要因素。一般來說，為了在遠場中獲得信號，需要在所希望的位置處對從全部簡單聲源到達該位置的聲壓進行矢量相加。這種分析的一個基本部件就是這裡所謂的「偶極子聲接收器」。
幾何關係如圖7A和7B所示。假定從兩個接收話筒(300，302)至產生聲壓P的點A的距離r大於這兩個話筒(300,302)之間的間距b。從點A到達該接收偶極子的球面聲波對於話筒300而言已走了(r-b/2Sinθ)的距離，對於話筒302而言已走了(r+b/2Sinθ)的距離。如果知圖7A和7B所示r＞＞b，則球面波走過的距離就是r，每一接收話筒(300,302)的輸出相等。如果這兩個話筒(300,302)的相加的輸出如圖8所示為零，則相關比例因數是相同的。如果它們的相關比例因數不相同，則聲壓的任意相位和振幅就可以如圖8所示是e(ort)。可以以電的方式實現對振幅的調整，但對於所有頻率未必都能夠實現相位調整。因為再現性是在話筒的製造中所固定的，並且它們提供了隨頻率的跟蹤相位輸出，所以不需要進行相位調整。這種方法被稱為振幅和相位話筒波瓣結構，這種結構是本發明的定向話筒的基礎。這些話筒將能夠在某些方向上比其它方向更好地接收聲音。
剛剛描述的話筒是兩個偶極子聲源，類似於偶極子理論。此外，如果話筒之間的間距b在任何距離處與波長(λ)相比是很小的(b＜＜λ)，則這兩個話筒基本上是結合的，在任何頻率下，對於匹配的比例因數(振幅/相位)，在任何角度φ處的輸出都將是零。此外，可以以電的方式定標和定相任何角度θ處的輸出來獲得所希望的波瓣強度輸出。如果b不是遠小於r，則接收輸入聲波的兩個話筒之間的相位關係是；=360bfv---(1)]]>其中b=傳感話筒和噪聲話筒之間的間距f=以hz為單位的頻率
v=波速(英寸/秒)φ=在特定頻率下的相移由公式(1)可看到，這種相位關係是對於消噪話筒的近場和遠場交叉時的理論限制。由於頻率改變，在固定的b的情況下，相位改變，即在φ=90°處，可能根本設有任何抵消噪。在沒有聲濾波器的情況下，這種相位變化可以是消噪帶寬的決定性因素。
本發明的圖7A至13B的實施例可在用於消噪的話筒的遠場模式中使用。通過利用這樣的聲設計來獲得減小b的影響，即這種聲學設計在圖9A中是使尺寸b減至最小或減至零，以及在圖9B中，則是被用來減小所示探頭的厚度。這兩種設計都利用了b和r之間的關係(即b＜＜r)。
為了保證近場響應是所想要的響應，電路濾波器(例如包括圖14所示的低通濾波器)只允許在輸出中存在有話音頻帶的頻率e(out)=(mic1-mic2)K/(B+W)，並使把對b和λ的限制保持在實際約束範圍內。
如果元件數目增多，並如圖15所示地採用話筒陣列，則抵消/增強的波瓣圖就是側瓣(θ=90°,θ=270°),θ=0°和θ=270°處的波瓣圖增大，線性陣列的元件數目越大，θ=0°加上θ=180°的波瓣圖就越尖銳。圖15表示話筒922沿x軸均勻間隔開便於分析，但間距不必是均勻的。中間一對元件M2和M3的間距是b，最外一對元件M1和NN的間距是d。當聲壓作用於話筒時就產生正弦波，該正弦波入射到單元或話筒的陣列。波傳播方向與x軸在單元M2、M3之間的中點918處形成角度θ。波(未示出)的振幅是該點處瞬時聲音振幅304的量度。距離d是第一個話筒和第n個話筒之間的線性距離。這些斷言都是基於相同的話筒和使用了合適的電濾波器，使得當r不是遠大於b時，該電濾波器允許根據波瓣結構以數學方法計算話筒偶極子。波瓣結構的概念對於本領域技術人員是熟悉的。
在利用陣列來把接收波瓣調整為θ=0°和θ=180°之後，通過把該線性陣列裝入圖16A所示的半徑為a/2的圓柱體能夠大大地衰減180°波瓣，其中值a是聲音輸入，180°側在物理上用內部吸音填充物905來裝填，防止產生任何駐波。在與話筒陣列主軸平行的平面內將開縫或孔，以保證對進入的聲信號產生偶極子作用是在θ=90°和θ=270°的方向。
還應指出陣列兩端的話筒、即圖16A的1加上n是沿圓柱狀吸音填充物905的軸以線性距離d被放置，填充物905起聲阻的作用。由於該距離足夠大，所以話筒是彼此獨立的，進一步增強了沿θ=0°軸的聲音，這樣就提高了定向性。
圖16B與圖8B的相同之處在於差分放大器能夠處理由話筒900至第n個話筒產生的送到放大器910的信號的線性陣列，其輸出被輸入給相加電路914，其中輸出信號被傳送給在如圖7A至13B所描述的這些電路中所使用的一最後的相加放大器。其輸出信號相應於幾乎只是用戶的話音。
圖10A和10B的電路與在上面參照圖1至9描述的電路實施例中所利用的電路相同。該電路中的U1A用於相減，而U1B用作輸出接口。倒相電路如圖11所示。如果(在製造時)使話筒1和2是匹配的，則該電路將在點A和B提供給這兩個話筒以兩個具有180°相位差的相等的聲音信號。通過調整RA和電容C能夠調整輸出，使在基準頻率下實現振幅匹配。當把話筒放在上述恰當的實際環境中時，信號e(out)就是消噪輸出。
分析圖11的電路能夠得出以下信息。A處的輸出是來自被包括在話筒(最好是駐極體型)內的內部FET的源極，該源極的輸出相對於輸入聲壓信號具有0度的電角度，B處的輸出是來自被包括在駐極體話筒內的內部FET的漏極，該漏極的輸出相對於輸入聲壓信號具有180度的電角度。當這兩個遠場信號以電壓模式進行相加時，如果在基準頻率下利用電位器RA調整振幅，並且振幅響應在頻譜範圍內是平坦的，則輸出就是零。
在圖12的電路中，被反向充電的話筒在A處和B處提供相位相差180°的兩個信號，這兩個信號分別與話筒1和2的聲音信號相同。這種倒相作用是通過在駐極體話筒電容極板製造過程中進行反向充電來實現的。
倒相電路的所有其它特性如上所述。在圖11和12中看到的電路類型不需要使用運算放大器就實現了電方式的減法運算。
此外，本發明的懸掛式話筒/系統由話筒的壓敏表面的位置最佳地被確定，在懸掛式話筒的情況下最好是180度，但因為圖10A-12所示的是減法類型的系統，所以在全部角度下都出現消噪效果。實際上，當話筒壓敏表面彼此成0角度時，在理論上能夠獲得全部消噪，但就不會有音頻信號被傳送。本發明的系統能夠依賴於在近場和遠場時的話筒的方向性圖、它們的壓敏表面的取向以及電方式的減法處理。
可用於減法的典型電路如圖10A-12所示。本發明的頭戴送受話器裝置(例如圖7A-13B)能夠提供計算機話音識別。該頭戴送受話器提供對不想要的背景噪聲的出色抑制和優越的話音響應。頭戴送受話器可被設計成與所有Sound BlasterTM音效卡兼容。還能夠容易地適應所有其它音效卡接口。
與最新的高質量語音識別軟體連接的本發明的頭戴送受話器(例如圖7A-13B)把利用話音的計算機控制提高到等同於鍵盤和滑鼠的可靠性和用戶友好程度。利用本發明，語音識別不再局限於在安靜的關了門辦公室，而是可在真實世界有噪聲的環境中、例如在飯店前廳、醫院急診室、製造廠和有噪聲的辦公區域中使用。於是本頭戴送受話器可以與計算機、電話或真實世界中的其它設備相接口，或者懸掛式話筒(無受話器)可在各種語音識別應用中使用。
本發明的頭戴送受話器被設計成對於離聲源的距離是敏感的。基本上把從距話筒大於幾英寸的距離發出的任意聲場消噪達到30dB(3200％)。
本發明的頭戴送受話器最好與3米長的電纜連接，電纜的一頭是3.5毫米的微型插頭(未示出)。為了將其接至音效卡，用戶只需把該微型插頭插入到該音效卡的話筒輸入插座(未示出)。然後把本發明的頭戴話筒呈送給用戶。頭戴送受話最好具有以下兩個特點，以便把話筒安放在恰當的位置進行可靠的語音識別(1)在左右兩側的可調整的邊撐(temple)墊襯和(2)可調彎曲的吊槓。在該可彎曲吊槓末端處的話筒最好具有白色或其它顏色編碼的小點，以指出該話筒的話音側，該話音側應調到正對著嘴。近距離地對著本發明的話筒說話有助於準確的工作。優選地從嘴至話筒的距離應當在約1/4至約3/4英寸的範圍內，最好約為1/2英寸或小於1/2英寸。
在與Sound BlasterTM音效卡一起使用時，在消噪應用中採用本發明之前使音效卡上的自動增益控制(AGC)失效是重要的。如果AGC起作用，則當用戶沒有在說話時，AGC將自動使輸入聲音的音量增大，破壞了話筒的消噪性能。通過運行Creative MixerTM和在「記錄設定……」條件下用滑鼠點擊AGC軟體控制就能夠使AGC失效。利用Creative MixerTM程序可容易地使輸入音頻增益滿足目標應用的需要。利用Creative Labs WaveStudioTM程序的記錄和重放特性可容易地對本發明的頭戴送受話器進行測試。
圖13A和13B是在一頭戴送受話器實施例中的懸掛式話筒的有源消噪曲線，圖13A中的上部曲線表示近場響應，下部曲線表示遠場響應。在圖13B中，上部曲線表示靠近說話的響應，下部曲線表示背景噪聲響應。本發明的懸掛式話筒實施例的典型技術指標如下頻響20Hz至10KHz輸出阻抗低阻(能夠驅動560歐姆)靈敏度-47dB±2dB(0dB=1伏/帕，1KHz,5伏)工作電壓2伏至10伏電流＜1毫安(5伏電源)電信噪比60dB(最小)消噪見圖13B電纜類型不可拆屏蔽型電纜長度3000±50毫米插頭類型3.5毫米，立體聲微型陽插頭；重量56克(不帶電纜)利用話音可懂度AI和ANSI S3.5-1969的說明，對本發明的懸掛式話筒和標準(已有技術)動態消噪話筒進行了測試，結果如下可懂度指數本發明的懸掛式話筒
可懂度指數標準(已有技術)動態消噪話筒
AI和ANSI S3.5-1969對話音可懂度的說明顯示本發明具有93％的準確度，而標準動態消噪話筒只具有45％的準確度。這一數據的比較反映了本發明約8∶1的差錯率的減小(即標準動態消噪話筒具有45％的AI(可懂度)，本發明具有93％的消噪AI)。此外，當把常數校正為有效地減為50個周期或小於50個周期時，可以期望額外的AI。對AI計算的逐字評估表明對於所說的每100個字，本發明只犯7個錯，而標準動態話筒將犯55個錯。全部數據和計算在Andrea電子公司進行收集和執行。這兩個話筒系統的測試是在相同條件下在Andrea電子公司進行的。
周17A表示具有用來輸出信號或從使用在任何類型話筒裝置中的標準在線電源的電源輸入的三端頭電路結構的已有技術的放大器和話筒1004的方框圖，它包括在電話頭戴送受話器等中被連接的一放大器1004。該三端結構包括電源輸入端1001、電壓輸出端1005和接地端1003。為了使信號處理電路簡單，圖17B的方框圖表示本發明的具有雙端話筒的一話筒加放大器結構。端子1005通過電阻1006接收電源輸入1001(它是從電源接收的直流信號)，並在同一端子即1005上傳送音頻輸出，端子1003接地。因此，在端子1005上，直流電被提供給上述有源消噪系統，還共存有由話筒1004產生的音頻信號。該點1005就是圖18所示電晶體1050的集電極。
圖18表示用於處理分別從第一和第二話筒12和14獲得的信號基本電路，該基本電路提供由話筒信號1060產生的、被運算放大器1070輸出的音頻信號輸出1050和在端子1020通過電阻1005輸入的直流電，該信號和直流電在同一個端子上同時出現。就是說，在同一個端子1015上輸出音頻信號並提供直流電。需要有一種分離在點1035處的直流和交流的方法，這種方法最好是使電阻1030與電容1040連接。在點1035處獲得的直流用來供電給運算放大器1070和話筒1060，點1015處的端子用來輸出音頻信號。在點1015處，音頻信號從電晶體1050的集電極進行傳送，與電容(C)1040連接的電阻R(1030)使AC信號與DC信號分離。與電容連接的該電阻形成了提供AC(音頻)和DC(電源分離)的一低通濾波器，它從DC中濾除AC。點1015處的AC和DC信號在點1035處被分離，因為電阻1030外加電容1040的濾波作用，所以在該點1015處只允許DC存在。點1015處的音頻輸出由話筒1060的AC信號產生。由於所需的話筒的相減的緣故，這種分離是用於本發明操作的優選裝置。在1015處，來自輸入端的AC信號和直流電被傳送給電阻1030。AC信號然後被與電容1040連接的電阻1030濾除，直流電用來給電路1070供電。音頻信號(它是AC信號)在1015處作為輸出信號被傳送。
圖19表示雙線話筒的一個不同的實施例，電源2020通過電阻2005輸入，所產生的DC(電流)信號在同一條導線2015上傳送。因此，電晶體2050的集電極輸出的音頻AC(交流)信號在點2015的同一個端子處疊加在DC信號上，組合信號被提供給電阻2030。AC分量然後被與電容器電路2040連接的電阻2030濾除，剩下的DC信號用來給包括運算放大器2070的電路2055供電。在2015處傳送的音頻輸出信號由兩個話筒2060輸出的AC信號產生，該信號由電路2055和運算放大器2070(這些電路都是本領域普通技術人員所熟悉的)進行處理，並在點2015處的同一個端子上被輸出。這種雙線話筒電路比圖17A所示的包括輸入端、電壓輸出端和接地端的已有三線話筒電路簡單得多。這種雙線話筒電路可在圖4-5、10-12所描述的任一電路中使用，在這些電路中，信號至少由兩個話筒產生。此外，該雙線話筒電路還可在圖14-16所示的遠場定向話筒中使用。
圖20是採用雙線話筒電路的圖19的一替代實施例，在同一個引線端3015傳送音頻信號輸出和電源輸入。電晶體3050的集電極產生的AC信號與電源3020通過電阻3005饋送的直流電信號都在同一個引線端子3015上被輸出。因此，AC信號在3015處被疊加在輸入DC信號上，該組合(AC+DC)信號被傳送給電阻3030。在此處組合的AC和DC信號的AC分量被與該電阻3030連接的電容器電路3040濾除，剩下的DC信號用來驅動其餘電路3055和運算放大器3070，該電路3055是本領域普通技術人員所熟悉的。由話筒電路3055和3070輸出的AC音頻信號與在點3015處的提供DC的同一個端子上被傳送，該DC是提供給在此描述的有源消噪系統。
在圖19-20中沒有用參考數字表示的各個電路元件被如圖所示那樣地連接，並且不再被討論，因為其連接和數值對本領域技術人員而言是顯而易見的，以及對理解本發明並不是必要的。
圖21表示在已有技術的有源減噪中採用的閉環系統。基本公式是P=S(H1H2+H21+BH1H2)+(11+BH,H2)N]]>其中P代表試聽聲壓，S是音頻信號，H1是高通濾波器，H2是頭戴送受話器的揚聲器，B是可變的增益/相位控制，N是拾音話筒處的噪聲。因為傳輸增益(1+BH1H2)非常大，所以噪聲分量(N)1210在P(聲壓輸出1200)處為零。為了使作為電信號輸入的想要的音頻信號(S)1220不被消除，增加了兩個相加節點(1230,1240)。音頻信號1220輸入給這兩個相加節點(1230,1240)，產生傳送至用戶耳朵的信號。第一個相加節點1230把負反饋信號與想要的輸入音頻信號相加。但是，從話筒反饋的該信號包含想要的音頻信號和環境噪聲信號，噪聲信號是需要被消除的信號。從想要的輸入音頻信號1220中減去該反饋信號，產生不包含音頻信號的抗噪信號1250。第二個相加節點1240把音頻信號1220加入到環路中去，以便把其傳送給揚聲器。
圖22涉及本發明的有源消噪系統，它受公式P=AH2-(N+D)BH1H2+N1支配。在該公式中，P代表聲壓1330,A代表標準音頻傳輸1340；H2代表頭戴送受話器1370中的揚聲器；N是拾音話筒1315處的噪聲；D代表甚低頻幹擾1320；B是可變的增益/相位控制器或校準盒1350；H1代表高通濾波器1380,N1是在用戶耳朵處的靜區處的噪聲1390。該有源減噪系統由具有以下元件的一開環電路組成音頻信號1340；能夠檢測並消除噪聲1315的傳感話筒1310；位於用戶耳朵附近的輸出換能器1370；調整抗噪信號1315的振幅的可變的增益/相位控制器1350；把抗噪信號和音頻信號1340相加的相加節點1360；防止機械震動產生的頻率幹擾分量1320到達輸出換能器的高通濾波器1380。該系統通過傳感話筒或拾音話筒檢測環境噪聲1315並對其進行電聲處理來產生消除了環境噪聲的聲信號。可用該系統來消除所有噪聲，獲得代表話音的信號，該信號就是用戶耳朵將聽到的想要的信號。
圖22的有源減噪系統通過利用傳感話筒1310檢測噪聲1315和產生與輸入噪聲信號(N1)1315的振幅相同但反相180°的抗噪信號來消除空間中一特定位置處的噪聲。通過調整可變的增益/相位控制器1350產生與噪聲信號1315振幅相同但反相180°的抗噪信號、並且在一個相加節點1360處把輸入音頻信號1300和該抗噪信號相加來得到抗噪加音頻信號，從而就衰減了環境噪聲且輸入音頻信號1300不被機械震動產生的話筒信號所惡化。
本發明的可變的增益/相位控制器或校準盒1350遙控地協調或平衡在傳感話筒與頭戴送受話器中或任何其它通信裝置內的輸出揚聲器，這種通信裝置具有耳機，該耳機又具有用來傳送可懂話音的話筒裝置。該控制器或校準盒平衡拾音話筒1310檢測的噪聲信號的頻率響應的增益及相位以使它與在空間中一預定位置處的噪聲分量信號的增益及相位相一致。空間中的這一位置接近位於頭戴送受話器的耳機處的輸出換能器。由於該話筒非常接近該輸出換能器和該輸出換能器的頻率響應是線性的緣故，噪聲信號的相位分量通常是相當平坦的。通過在有源減噪裝置中獨立地校準話筒的增益和相位以及頭戴送受話器的輸出換能器的信號，使它們與耳機中的增益和相位一致，就能夠在空間的一位置處產生一個理論上的零點或一靜區。一般來說，通過調整增益和相位來把環境噪聲信號變換為抗噪信號，以便與空間一預定位置即靜區處的噪聲分量相抵消。本發明的增益/相位控制器或校準盒使頭戴送受話器可靈活地應用於任何通信系統、即飛行控制系統、計算機接口、電話網絡等，這是由於這些頭戴送受話器的適應性很強、可適用於任何通信系統的緣故。
因此，想要的音頻輸入信號1340被傳送給耳機的輸出換能器，不受背景噪聲的幹擾。到達用戶耳朵的輸出音頻信號具有公式P=AH2，它是原先輸入給頭戴送受話器等的想要的音頻傳輸。開環設計的降低了的複雜性便於使所有類型的噪聲即伴隨、重複和瞬時噪聲都被消除。
圖22所示的消噪系統可被稱為沒有閉環電反饋補償的開環系統。圖22的系統通過採用藉可變的增益/相位控制器1350來調整開環系統的參數和/或對傳感話筒進行正確的聲濾波的方法能夠驅動揚聲器。最佳的聲濾波是使用專門選擇的泡沫塑料，最好是如圖23B所示的緩慢流動(Slo-Flo)泡沫塑料。拾音話筒1310相對於揚聲器和泡沫塑料的放置在頭戴送受話器的揚聲器1370或任何合適的揚聲器和用戶耳朵之間形成了聲波道1400。這種話筒的放置把想要的音頻信號引導至用戶的耳孔，並把產生的任何音頻信號與被拾音話筒1310檢測的噪聲隔離開來。拾音話筒1310最好與揚聲器不在同一平面並在聲波導之外，但接近用戶的耳孔，在耳孔內形成了如圖24所示的靜區。圖24的靜區保持了在由話筒拾取的噪聲信號和在位於揚聲器之後的聲波導內的抗噪信號之間的相位一致。本發明與基本上在同一平面的話筒和揚聲器無關。它們可以在同一平面內；但是，它們不一定是在同一平面內。本發明的減噪設備涉及通過使用在該設備的揚聲器和用戶耳朵之間的聲濾波器形成一聲波導來把音頻輸入信號引導到用戶的耳道而不受由拾音話筒1310檢測的任何噪聲的幹擾(該噪聲已被消除)。在相位差是90度或1/4波長時可以沒有消噪效果，在180度或1/2波長情況下消噪得到增強。支配這一距離的公式是=lf360v]]>其中φ=特定頻率的相位l=距離f=頻率v=聲速(英寸/秒)圖22所示開環公式的H1傳遞函數1380是一高通濾波器。在頻率範圍內，該高通濾波器在H1=1處有效，而在H1≈0處無效。該高通濾波器1380的目的是按常規方式抑制低頻機械震動造成的瞬態現象以使有源減噪性能以常規的方式繼續，而不是如在標準閉環反饋系統中那樣被用作前置穩定網絡。在開環公式中，支配圖22中的本發明的斷點的是位置，該斷點的位置提供裝置的最佳性能。斷點就是振幅從零(0)達到通帶前沿的位置。在低於斷點的頻率範圍內，H1≈0，及乘積(D×H1)=0。調整步驟於是如下P=AH2-(N+D)BHlH2+N1變成P=AH2-NBHlH2+N1，如果調整B使得NBHlH2=N1，則P=AH2，這就是所想要的音頻信號。
在斷點之上，H1=1和D=0。乘積H1D=0，進行相同的推理，P=A×H2，這就是想要的音頻信號。斷點過渡的正確位置和斜率規定了最優選的有源減噪和最佳幹擾性能。由於開環系統所固有的穩定性，機械震動的低頻信號可被以電的方式濾除而不會顯著增加電路的複雜性，也不需要滿足閉環穩定性要求。
圖22的傳遞函數的測量已表明開環概念存在於本發明的實施例中。從N至P的傳遞函數已表明振幅小於1，如果該系統是G=1、H=1的閉環系統，則最大消噪是50％。CLTF=eoutein=G1+GH]]>，如果GH＜1 G＜1eoem=11+1=12,]]>或eo=12ein]]>在這些條件下，開環系統實際上將達到100％的消噪。
在本發明中，不必如圖22所示地增加第二個相加節點。但是，已有技術的閉環消噪系統如圖21所詳述的對聲音進行兩次求和來減小拾音話筒相減的影響。由於本發明涉及僅消除被話筒1310檢測的噪聲，並且該話筒獨立於被傳送給揚聲器來獲得想要的音頻信號1340的音頻信號，所以本系統顯示出在圖22中只用一個音頻相加節點1360沒有音頻減小。
本發明的有源消噪設備的結構圖如圖23A和23B所示。圖23B的聲波導1400可以執行以下功能中的任一種功能1)在揚聲器1410和用戶耳朵1430之間傳導聲音和2)隔離從揚聲器/用戶耳朵1430的靜區1440發出的聲音到達在該揚聲器邊緣處的噪聲拾音話筒1420。本發明的裝置的結構設計的元件可以採取以下形式中的任一種1)噪聲拾音話筒和靜區之間相距很近，使噪聲和抗噪信號之間的相位嚴格一致，2)話筒的安放、取向和隔離使話筒靈敏度波瓣圖沿揚聲器聲場的方向最小，3)使用聲濾波器或隔音板1440(最好使用緩慢流動(Slo-Flo)泡沫塑料)、但也可使用其它合適的材料來形成聲波導。聲波導如圖23A所示使噪聲拾音話筒與受話器隔離開來，如圖23A所示地在用戶耳朵前方形成靜區1440，以提高揚聲器的效率。聲波導起接收器的作用，用於接收由對於話筒的電信號的信號處理裝置產生的抗噪信號。該抗噪信號產生聲波導的靜區。具有聲波導的裝置可應用於任何類型的具有打開的後蓋的頭戴耳機，即無耳狀物的無源耳機或密閉後蓋型的頭戴送受話器，它們具有無源降噪耳機或採用了接收器和換能器的任何其它合適的頭戴送受話器。
圖24是空間中一靜區的測定，其中第一矢量1500是噪聲矢量，第二矢量是本發明的有源減噪系統產生的抗噪矢量1501。這兩個矢量形成一角度θ，可變增益/相位控制器對振幅進行衰減，藉此控制和減小想要的電輸入信號的抗噪處理造成的失真，該電輸入信號被變換成聲信號並被傳送給用戶耳朵。
圖25表示圖22所示的有源減噪系統的詳細的原理圖。該原理圖包括一拾音話筒1600、一揚聲器1650、一可變的增益/相位控制器1610、一信號變換器1620、一求和放大器1630、一功率放大器1640、一抗噪輸出信號1660。標準音頻信號1605輸入給頭戴送受話器的用戶。傳感話筒1600檢測環境噪聲並產生一電信號。該信號輸入至由可變的增益/相位控制器1610、信號變換器1620和相加放大器1630構成的的電一聲處理單元，產生用於消除環境噪聲的一聲信號，該聲信號是指在1600處輸出的抗噪信號。該抗噪信號被放置在空間中某一位置處的揚聲器的前方，以便產生如圖24所示的一靜區。使想要的輸入音頻信號1605與拾音話筒隔離開來，於是該輸入音頻信號就與被該拾音話筒1600檢測的環境噪聲無關。原先的輸入音頻信號1605能夠不受噪聲幹擾地經揚聲器進入靜區。因此，在本發明的開環系統中，有源減噪系統產生的音頻輸入信號不受環境噪聲的幹擾，該環境噪聲被傳感話筒電路檢測和減小，該傳感話筒電路包括可變增益調整器1610、信號變換器1620、相加放大器1630和功率放大器1640。於是不需要如在閉環系統中那樣對音頻輸入信號1605進行兩次相加。
圖26表示與圖25不同的一實施例，它是有源減噪開環系統的具體化，使用了傳感話筒1700、可變增益/相位控制器或校準盒1710、音頻信號變換器1720、相加放大器1730、功率放大器1740和揚聲器1750。該電路的操作與參照圖22和25描述的相同。
圖27是圖25的優選實施例，給有源消噪系統增加了一高通濾波器電路1840以按常規方式抑制低頻機械震動產生的瞬態現象，使其不對有源減噪性能造成幹擾。該高通濾波器電路1840不是如在標準反饋系統中那樣要被用作為前置穩定網絡。圖27還包括用來箝位二極體的飽和降低電路1860。圖27中箝位二極體的功能是防止輸出換能器達到其物理極限。即限制輸入給換能器的信號的幅值，防止揚聲器或輸出換能器超過其物理額定值。
在圖25-27中沒有用參考數字表示的各個電路元件被如圖所示那樣地連接，並且不再被討論，因為其連接和數值對本領域技術人員而言是顯而易見的，以及對理解本發明並不是必要的。
圖28是在具有「說話直通」功能的頭戴送受話器中使用的有源消噪和減噪系統的增強形式。
圖28的增強是通過包括以下功能而達到的有源消噪系統中檢測話音的自動音頻話筒傳輸(「VOX電路」)1950，把一部分接收的話筒信號傳送至揚聲器的耳塞機的能力(「側音電路」)1960、1907、1970和1930，通過從電路中去除話音話筒和提高噪聲話筒放大器(「說話直通」)的增益把有源消噪話筒變換為標準全向話筒的能力1930。利用「說話直通」功能，外界的全部聲音(1990)都通過增益被增大的側音通道1907傳送至耳塞式揚聲器1980。圖28的增強有源消噪和減噪頭戴送受話器包括僅檢測音頻信號的有源消噪話筒1900和檢測音頻信號及背景噪聲的有源消噪話筒1901；具有消噪模式和說話直通模式或位置的第一S1A開關1910；具有消噪模式和說話直通模式的第二S1B開關1925；具有消噪模式和說話直通模式的第三S1C開關；具有在工作的話筒位置和模仿話音信號模式的按鍵通話(PTT)開關1920；有源消噪話筒放大器1940；VOX電路1950，話音信號1955；傳輸門1945；緩衝放大器1935；音頻系統1915；具有增益控制功能1907的定標放大器1970，在1906處輸入的側音信號1960；耳塞式揚聲器1980；外部音頻系統1990；以及最好是圖21-24所示的並參看這些圖所描述的有源減噪系統。圖28的這一頭戴送受話器不是按消噪模式就是按說話直通模式進行工作。
在消噪模式中，開關S1處於「N」位置1910，有源消噪話筒1900和1901如上所述地進行工作。PTT(按鍵通話)開關1920在消噪模式下不工作。在A點(1945)處與話筒放大器1940的話筒輸出端連接的VOX電路1950監測放大器1940的話筒輸出信號。VOX包括起動時間(接通音頻的平均電路的時間)和復原時間(關斷音頻的平均電路的時間)，它被調整來將寄生信號的響應減至最小和在消噪模式中使話筒「接通時間」保持最短。這樣做實際上將提高系統的話音與噪聲的比值「S/N」。一旦VOX1950已確認話筒輸出端處的信號是可用音頻信號，它就使C點(1955)處的「話音信號」有效，該「話音信號」將啟動傳輸門1945，使有源消噪話筒放大器裝置1940輸出的話筒音頻信號能夠進入緩衝放大器1935，然後在E點(1915)處進入音頻系統。此處該音頻信號1915在W(1906)處被傳送給定標放大器1970，以便在第三開關S1C(1960)處於N位置(消噪模式)時把側音信號提供給耳塞式揚聲器1980。定標放大器1970也能同時從外部音頻系統1990接收輸入，即來自周圍的截然不同的聲音，例如喇叭聲、在場的人的聲音或不是由話筒1900和1901傳送的其它外界聲音。在耳塞式揚聲器1980處的組合信號是側音1960和外界聲音1990的線性相加。
在說話直通模式中，開關S1(第一、第二和第三開關1910、1925和1960)處於說話直通模式或顯示為1930的位置。話音話筒1900不工作。話音和噪聲話筒1901工作。話筒放大器1940在A點(1905)的輸出就是噪聲全向話筒1901的輸出。在說話直通模式中，VOX電路1950被處於說話直通位置的第二開關S1B(1925)旁路，使噪聲全向話筒信號1901的輸出在D點(1903)處直接進入緩衝放大器1935，然後在E點處被輸出給音頻系統1915。於是，因為門1945被禁止，所以在傳輸門1945的B點(1904)處的輸出端處沒有話音信號被輸出。由於處於說話直通位置1930的開關S1C(1960)的作用，在W(1906)處加強定標放大器1970的增益控制功能1907。於是(圖21-27所描述的)有源減噪系統輸出的側音信號在揚聲器1980處被增大。
由於圖28所描述的裝置，在實際上不增加任何其它話筒部件的情況下，就給圖9 27所示的並參照這些圖描述的頭戴送受話器增加了說話直通功能。這一功能使得不摘下頭戴送受話器就能夠在耳塞式揚聲器1980中聽到話音的音頻傳輸。這種增強給頭戴送受話器用戶提供了總是戴著頭戴送受話器來接收話筒傳送的音頻信號以及周圍環境中的任何其它截然不同的外界噪聲的選擇。這種外界噪聲可以是任何聲音，例如爆炸聲、緊急喇叭聲或向頭戴送受話器用戶說話的在場的人的說話聲。這種增強避免了整天不斷地摘下頭戴送受話器來聽不是在頭戴送受話器中的內部傳送的直通信號的外界噪聲的不便。用戶現在能夠一邊戴著圖28所示的並參照該圖描述的有源減噪和消噪裝置，一邊聽內部音頻信號和從周圍環境來的外界的聲音。
此外，雖然描述了本發明的上述實施例在電話手持送受話器和懸掛式話筒等中的應用，但本發明不限於此，它可應用於許多其它裝置，例如內部通話系統、遙測技術、聲監測話筒、定向話筒等。此外，本發明還可應用諸如語音識別和/或驗證系統這樣的系統，用於接入實際設施、訪問電腦程式，接入計算機或自動售貨機等。還有，本發明還可應用於按照預定處理算法、例如在美國專利US5251263中描述的處理算法進行運行的處理設備，該專利和本申請具有共同受讓人，它被引用於此，作為參考；但這樣做對於本發明並不是必需的。
此外，雖然在此詳細描述了本發明的優選實施例及其改進，但應懂得本發明不受這些具體實施例及其改進的限制，以及本領域普通技術人員在不違背所附權利要求書所限定的發明的精神和不超出其範圍可作出其它改進和變動。
權利要求
1．消除噪聲設備，包括外殼，具有第一話筒裝置和第二話筒裝置，該第一話筒裝置用於接收由操作所述消噪設備的操作者發出的話音和背景噪聲組成的第一聲音和用於將所述第一聲音變換為第一信號，該第二話筒裝置緊靠著所述第一話筒裝置與其成預定角度φ設置，用於接收基本上由所述背景噪聲組成的第二聲音和用於把所述第二聲音變換為第二信號；以及用於從所述第一信號中減去所述第二信號的裝置以便獲得基本上代表所述話音的信號。
2．權利要求1的消噪設備，其特徵在於，其中所述第一和第二話筒裝置中的至少一個包括多個話筒。
3．在權利要求1的消噪設備中用來減小背景噪聲的雙端換能器，包括與消噪設備的放大器裝置連接的多個話筒；該放大器裝置用於從具有第一端子和第二端子的話筒接收音頻信號，其中第二端子接地。電壓裝置，在第一端子上輸入直流信號；與該第一端子連接的電晶體裝置，用於從話筒接收交流信號；用於在該第一端子處把交流信號疊加在直流信號上的裝置；用於從直流信號中濾除交流信號的裝置，以便用該直流信號給放大器裝置供電；以及用於在該第一端子處輸出由話筒產生的交流信號的裝置。
4．權利要求3的雙端換能器，其特徵在於，其中放大器裝置是運算放大器。
5．權利要求3的雙端換能器，其特徵在於，其中用於從直流信號中濾除交流信號的裝置是與電容器電路連接的電阻。
6．在對著有源消噪設備的懸掛式話筒說話時用來獲得遠場響應的定向話筒，它以各種不同方向性圖接收聲音，包括a)外殼，裝置了間隔開的話筒裝置的陣列，用來接收聲信號和輸出具有在這些話筒之間的間距的電信號；b)作為具有振幅和相位的正弦聲波輸入該外殼的聲壓源，該正弦聲波在預定距離處與話筒交叉以形成一個角度；c)用來計算從每一話筒至聲源的距離的裝置；d)用於把話筒陣列的輸出信號相加以獲得一總和輸出信號的相加通道裝置；e)用來產生只代表總和輸出信號中的話音的聲信號的信號處理裝置；以及f)用來調整總和信號的振幅以產生所希望的響應模式的裝置。
7．權利要求6的定向話筒，其特徵在於，其中的話筒裝置包括第一話筒和第二話筒。
8．權利要求6的定向話筒，其特徵在於，其中從每一話筒至聲源的距離大於話筒之間的間距。
9．權利要求6的定向話筒，其特徵在於，其中用於計算的裝置計算出從第一話筒至聲源的間距等於[r-(b/2)(siuθ)]。
10．權利要求6和7的定向話筒，其特徵在於，其中用於計算的裝置計算出從第二話筒至聲源的間距等於[r+(b/2)(siuθ)]。
11．權利要求6的定向話筒，其特徵在於，其中信號處理裝置是具有用於話筒陣列中的每一個話筒的運算放大器的差分放大器。
12．權利要求11的定向話筒，其特徵在於，其中運算放大器能夠提供單位增益給由第一話筒產生的信號並提供相同的信號作為輸出信號。
13．權利要求11的定向話筒，其特徵在於，其中的運算放大器能夠基本上反相由第二話筒產生的信號並提供相同的信號作為輸出信號。
14．權利要求6的定向話筒，其特徵在於，其中相加通道裝置是能夠從間隔開的話筒裝置的運算放大器接收輸出信號的相加電路。
15．權利要求6的定向話筒，其特徵在於，當總和輸出信號不是零時，用於調整球面聲波的振幅的裝置包括一電路。
16．權利要求6的定向話筒，其特徵在於，其中當相角是零度時，話筒之間的間距與球面聲波的波長相比被減小。
17．權利要求16的定向話筒，其特徵在於，其中該間距被聲濾波器減小。
18．權利要求17的定向話筒，其特徵在於，其中聲濾波器是隔音板。
19．用於減小鼓膜附近的環境噪聲的開環有源減噪設備，包括用於接收輸入音頻信號的外殼；位於外殼內的輸出換能器；與輸出換能器不在同一平面內的、用於檢測和減小環境噪聲的輸入換能器；減小由輸入換能器檢測的環境噪聲的開環信號處理裝置；用於不受環境噪聲幹擾地把輸入音頻信號傳送給鼓膜的裝置；把輸出換能器與輸入換能器隔離開來以便在輸出換能器和鼓膜之間形成主要表示話音的輸入音頻信號的通路的聲裝置，其中形成靜區來隔離從輸入換能器發送的聲音。
20．權利要求19的有源減噪設備，其特徵在於，其中的聲裝置當靠近輸入換能器放置時是聲濾波器，而當被放置在輸出換能器和鼓膜之間時是聲波導。
21．開環有源減噪設備，包括具有耳機的外殼；安放在耳機內、用於檢測不想要的環境噪聲的話筒裝置；把噪聲變換為電信號的裝置；與話筒裝置連接、以提供反相的抗噪信號的移相及衰減裝置；與話筒裝置基本上不同於一平面、用來把音頻信號傳送給用戶耳朵的輸出換能器；用來防止機械震動產生的低頻幹擾傳送給輸出換能器的裝置；用來產生非常靠近輸出換能器的靜區的裝置；用來防止不想要的環境噪聲到達用戶耳朵的裝置。
22．在具有懸掛式話筒的頭戴送受話器中使用的開環有源減噪設備，用以減小到達該用戶耳朵的環境噪聲，而不幹擾輸出到收聽者耳朵的所想要的音頻信號，該減噪設備包括在頭戴送受話器內的耳機；用於檢測耳機內的噪聲信號的拾音話筒；用於把噪聲信號變換為電信號的開環裝置；用於把電信號作用於耳機以產生與環境噪聲反相180°的聲信號的電-聲裝置；安放在耳機內的、具有聲濾波器的輸出換能器，該聲濾波器用於把話音傳送至用戶耳朵，並防止震動產生的低頻幹擾到達用戶耳朵。
23．與有源消噪設備一道使用的開環減噪系統，包括用於檢測噪聲信號以便把其變換為電信號的拾音話筒；放置在頭戴話筒內的、具有聲裝置的揚聲器；音頻傳輸信號；用於以電的方式抑制電信號的振動的裝置；用於使噪聲信號反相以產生抗噪信號的可變的增益/控制裝置；用於濾除機械震動產生的低頻幹擾以防止其到達揚聲器的裝置；用於組合抗噪信號和噪聲信號以便在聲裝置中產生靜區的相加節點；用於把音頻信號傳送給揚器的裝置；以及用於保持在噪聲信號和揚聲器的抗噪信號之間的相位一致性的裝置。
24．權利要求23的開環減噪系統，其特徵在於，其中抑制低頻響應的裝置是高通濾波器。
25．權利要求24的開環減噪系統，其特徵在於，其中靜區裝置是聲濾波器。
26．權利要求23的減噪系統，其特徵在於，其中有源消噪設備包括外殼，具有第一話筒裝置和第二話筒裝置，該第一話筒裝置用於接收由操作所述消噪設備的操作者發出的話音和背景噪聲組成的第一聲音和用於將所述第一聲音變換為第一信號，該第二話筒裝置緊靠著所述第一話筒裝置與其成預定角度φ設置，用於接收基本上由所述背景噪聲組成的第二聲音和用於把所述第二聲音變換為第二信號；以及用於從所述第一信號中減去所述第二信號的裝置以便獲得基本上代表所述話音的信號。
27．用於減小鼓膜附近的環境噪聲的開環有源減噪設備，包括用於接收輸入音頻信號的外殼；位於外殼內的輸出換能器；位於外殼內的、用於檢測和減小環境噪聲的輸入換能器；減小由輸入換能器檢測的環境噪聲的開環信號處理裝置；用於不受環境噪聲幹擾地把輸入音頻信號傳送給鼓膜的裝置；把輸出換能器與輸入換能器隔離開來的聲裝置以便在輸出換能器和鼓膜之間形成主要表示話音的輸入音頻信號的通路、並且形成靜區來隔離從輸入換能器發送的聲音的聲裝置。
28．權利要求23的減噪系統，其特徵在於，其中可變的增益/控制裝置自動地進行調整，以便與通信系統對接。
29．如圖28所示的有源消噪和有源減噪系統。
30．在用於傳送來自話筒的音頻信號和用於接收來自周圍環境的外界聲音的頭戴送受話器中使用的有源消噪和減噪系統，包括包括具有消噪模式和說話直通模式的第一開關裝置的第一話筒裝置和第二話筒裝置；通過具有消噪模式和說話直通模式的第二開關裝置而被連接到話筒的話筒放大器裝置；用於在第一開關裝置和第二開關裝置工作在消噪模式下時連接放大器裝置的音頻話筒傳輸裝置，其中當第一開關裝置和第二開關裝置工作在說話直通模式下時，該話筒傳輸裝置被旁路；用於在第一開關裝置和第二開關裝置工作在消噪模式下時把兩個話筒裝置的音頻信號傳送給緩衝放大器的傳輸門，其中當第二開關裝置工作在說話直通模式下時該傳輸門被禁止；該緩衝放大器裝置用於當第一開關裝置和第二開關裝置工作在消噪模式下時把接收自傳輸門的音頻信號傳送給音頻系統和定標放大器；該緩衝放大器裝置用於在第一開關裝置和第二開關裝置工作在說話直通模式下時直接輸出由話筒放大器裝置接收的音頻信號；該定標放大器包括具有消噪模式和說話直通模式的第三開關裝置，在全部開關裝置都工作在消噪模式下時把由兩個話筒裝置傳送的和來自外界聲音的側音信號傳送給揚聲器的耳塞機；該定標放大器具有增益控制，其中當全部開關裝置都工作在說話直通模式下時增大增益控制來增大側音。
全文摘要
本發明涉及與頭戴送受話器或連接到懸掛式話筒裝置等的懸掛式頭戴送受話器一道使用的、用於減小環境噪聲的方法和設備。該設備可以包括檢測背景噪聲信號的傳感話筒、想要的輸入聲音傳輸、以及用於消除噪聲信號以便在與頭戴送受話器的耳機相鄰的聲波導內產生反相抗噪信號的信號處理裝置。本發明的減噪方法由一開環電路來提供,該開壞電路允許來自操作者或呼叫者的輸入音頻信號不受不希望有的環境噪聲幹擾地被傳送至用戶耳朵。該方法調整用於消除在聲波導內被檢測的噪聲分量的噪聲信號的增益或/和相位,以便為要被傳送的想要的話音產生一靜區。該設備還可包括消噪話筒發射器系統,該系統內的第一和第二話筒的安放使得第一話筒接收想要的話音輸入和在話音附近存在的背景噪聲,而第二話筒基本上只接收背景噪聲。第二話筒的背景噪聲被變換為相應的電信號並從相應於第一話筒的話音和背景噪聲的信號中被減去,以便產生主要代表話音的信號。有源消噪和減噪系統因具有以下功能而得到增強:通過檢測話音的自動音頻話筒傳輸(「VOX」電路),利用增益被增大的側音通道把一部分話筒信號傳送給耳塞式揚聲器(「側音」),以及通過從電路設計中去除話音話筒和增大噪聲話筒放大器的增益來把有源消噪話筒變換為標準全向話筒。根據本發明,在需要遠場響應時,第一和第二話筒可被用作為定向話筒。本發明的方法還涉及雙端頭話筒結構的應用。
文檔編號H04R3/00GK1234895SQ96198472
公開日1999年11月10日 申請日期1996年6月4日 優先權日1995年6月7日
發明者D·安德烈亞, M·託普夫 申請人:安德烈電子公司