反馈不稳定性的实时检测

背景技术

各种音频设备结合了主动降噪(ANR)特征，也称为主动噪声控制或取消(ANC)，其中一个或多个麦克风检测声音，该声音诸如由前馈麦克风捕获的外部声音或由反馈麦克风捕获的内部声音。处理来自前馈麦克风和/或反馈麦克风的信号，以提供要馈送到声换能器(例如，扬声器、驱动器)的抗噪声信号，从而抵消否则可能被用户听到的噪声。反馈麦克风拾取由驱动器产生的声学信号，并且由此形成闭环系统，该闭环系统可有时或在某些条件下变得不稳定。可提供反馈降噪的各种音频系统包括例如耳机、耳塞、头戴式耳机和其他便携式或个人音频设备，以及用于减小或移除引擎和/或道路噪声的汽车系统，办公室或环境声学系统等。因此，在各种情况下，希望检测何时存在反馈不稳定性状况。

发明内容

各方面和示例涉及检测反馈降噪系统中的不稳定性的音频系统、设备和方法。系统和方法操作以检测装置传递函数(例如，从驱动器信号到反馈麦克风)何时变得类似于反馈滤波器的传递函数(应用于麦克风信号)的倒数，使得闭环系统可通过例如在一个或多个频率下具有为一的回路增益而表现出不稳定性。

根据一个方面，提供了一种耳机系统，该耳机系统包括：声换能器，该声换能器用于将驱动器信号转换成声学信号；麦克风，该麦克风用于提供反馈信号；第一处理部件，该第一处理部件被配置为处理反馈信号并提供抗噪声信号，该抗噪声信号通过第一传递函数与反馈信号相关，并且驱动器信号至少部分地基于抗噪声信号；滤波器，该滤波器用于对驱动器信号进行滤波并提供参考信号，该滤波器被配置为具有作为第一传递函数的倒数的第二传递函数；和第二处理部件，该第二处理部件用于将反馈信号与参考信号进行比较以基于比较来确定反馈不稳定性。

在一些示例中，第二处理部件被配置为通过计算互相关性来将反馈信号与参考信号进行比较。

在各种示例中，第二处理部件被配置为通过计算比较信号和反馈信号的总和的第一包络并且计算比较信号和反馈信号之间的差值的第二包络来将反馈信号与参考信号进行比较。在某些示例中，第二处理部件可被配置为通过进一步计算第一包络与第二包络的比率来将反馈信号与参考信号进行比较。

在某些示例中，第二处理部件被配置为响应于比较在预先确定数量的样本内超过阈值而确定反馈不稳定性。

在一些示例中，第二处理部件被配置为在预先确定频率范围内将反馈信号与参考信号进行比较。

在各种示例中，第一处理部件被进一步配置为响应于第二处理部件确定反馈不稳定性而引起对一个或多个参数的一个或多个调整。

根据另一个方面，提供了一种检测噪声控制系统中的反馈不稳定性的方法。该方法包括：向声换能器提供驱动器信号以用于转换为声学信号；从反馈麦克风接收反馈信号；通过反馈传递函数处理反馈信号以提供抗噪声信号；通过滤波器处理驱动器信号以提供参考信号，滤波器的传递函数为反馈传递函数的倒数；将反馈信号与参考信号进行比较；确定反馈信号是否与参考信号具有阈值相似性；以及响应于确定反馈信号与参考信号具有阈值相似性而指示反馈不稳定性。

在一些示例中，确定反馈信号是否与参考信号具有阈值相似性包括确定预先确定数量的样本内的相似性。

在各种示例中，确定反馈信号是否与参考信号具有阈值相似性包括计算反馈信号和参考信号之间的互相关性。

根据各种示例，确定反馈信号是否与参考信号具有阈值相似性包括计算参考信号和反馈信号的总和的第一包络，以及计算参考信号和反馈信号之间的差值的第二包络。在某些示例中，量化相似性还包括计算第一包络与第二包络的比率。

在某些示例中，反馈信号和参考信号可以是限于预先确定频率范围的频带。

各种示例包括响应于确定反馈信号与参考信号具有阈值相似性，生成用于调整噪声控制系统的一个或多个参数的一个或多个控制信号。

根据另一个方面，提供了一种个人声学设备，该个人声学设备包括：声换能器，该声换能器用于将驱动器信号转换成声学信号；麦克风，该麦克风用于提供反馈信号；第一滤波器，该第一滤波器用于对反馈信号进行滤波并提供抗噪声信号，驱动器信号至少部分地基于抗噪声信号；第二滤波器，该第二滤波器用于对驱动器信号进行滤波并提供参考信号，该第二滤波器具有第一滤波器的逆响应；和处理部件，该处理部件用于将反馈信号与参考信号进行比较以基于比较来确定反馈不稳定性。

在各种示例中，处理部件可被配置为通过使反馈信号与参考信号相关联来将反馈信号与参考信号进行比较。在一些示例中，使反馈信号和参考信号相关联包括计算比较信号和反馈信号的总和的第一包络并且计算比较信号和反馈信号之间的差值的第二包络。在某些示例中，使反馈信号和参考信号相关联还可包括计算第一包络与第二包络的比率。

在一些示例中，处理部件被配置为响应于相关性在预先确定数量的样本内超过阈值而确定反馈不稳定性。

在某些示例中，处理部件被配置为在预先确定频率范围内将反馈信号与参考信号进行比较。

以下仍然详细讨论了这些示例性方面和示例的其他方面、示例和优点。本文所公开的示例可以与本文所公开的至少一个原理一致的任何方式与其他示例组合，并且对“示例”、“一些示例”、“另选的示例”、“各种示例”、“一个示例”等的引用不一定互相排斥，并且旨在指示所述的特定特征、结构或特性可包括在至少一个示例中。本文中此类术语的出现未必全都指代相同的示例。

附图说明

下面参考附图讨论至少一个示例的各个方面，这些附图并非旨在按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和示例的例证和进一步理解，并且附图并入本说明书且构成本说明书的一部分，但并非旨在作为本发明的限制的定义。在附图中，在各个附图中示出的相同或几乎相同的部件可以相同或类似的数字表示。为清楚起见，并不是在每个图中给每个部件都注上标记。在附图中：

图1为一个示例性头戴式耳机形状因数的透视图；

图2为另一示例性头戴式耳机形状因数的透视图；

图3为可结合到各种音频系统中的示例性音频处理系统的示意性框图；

图4为结合有前馈部件和反馈部件的示例性降噪系统的示意图；

图5为用于不稳定性检测的示例性系统的示意图；

图6为用于不稳定性检测的另一个示例性系统的示意图；并且

图7为用于不稳定性检测的另一个示例性系统的示意图。

具体实施方式

本公开的各方面涉及检测噪声消除系统中的不稳定性的噪声消除耳机、头戴式耳机或其他音频系统和方法。噪声消除系统操作以减小由音频系统的用户听到的声学噪声分量。噪声消除系统可包括前馈和/或反馈特性。前馈部件检测头戴式耳机外部的噪声(例如，经由外部麦克风)，并且用于提供抗噪声信号以抵消预期传输到用户耳朵的外部噪声。反馈部件检测到达用户耳朵的声学信号(例如，经由内部麦克风)，并且处理检测到的信号以抵消不旨在作为用户的声学体验的一部分的任何信号分量。本文所公开的示例可通过有线或无线装置耦接到其他系统或被设置成与其他系统连接，或者可独立于任何其他系统或设备。

在一些示例中，本文所公开的系统和方法可包括头戴式耳机、耳机、助听器或其他个人音频设备，以及可应用于家庭、办公室或汽车环境的声学降噪系统或在其中操作。在整个本公开中，术语“头戴式耳机”、“耳机”、“耳塞”和“耳机组”可互换使用，并且除非上下文另外明确指明，否则使用一个术语代替另一个术语并非意在作出区分。另外，根据本文所公开的各方面和示例适用于各种形状因数，诸如入耳式换能器或耳塞以及帖耳式或耳罩式耳机等。

本文所公开的示例可以与本文所公开的至少一个原理一致的任何方式与其他示例组合，并且对“示例”、“一些示例”、“另选的示例”、“各种示例”、“一个示例”等的引用不一定互相排斥，并且旨在指示所述的特定特征、结构或特性可包括在至少一个示例中。本文中此类术语的出现未必全都指代相同的示例。

应当理解，本文讨论的方法和装置的示例不限于应用到以下描述中列出的或附图中示出的构造细节和部件布置。这些方法和装置能够在其他示例中实施，并且能够以各种方式操作或执行。本文提供的具体实施的示例仅出于进行示意性的目的，并非旨在进行限制。此外，本文所用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。本文使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型形式旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。对“或”的引用可以被理解为是包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示所述术语中的单个、多于一个和全部中的任何一种。对前和后、左和右、顶部和底部、上部和下部以及垂直和水平的任何引用是为了便于描述，而不是为了将本系统和方法或它们的部件限制成任何一个位置或空间取向。

对于本文所述的各种部件，附图标号中“a”或“b”的指定可用于指示一个或多个部件的“右”或“左”型式。当不包括此类指定时，描述不考虑左侧或右侧，并且同样地适用于左侧或右侧中的任一者，这通常是本文所述的各种示例的情况。另外，本文所述的各方面和示例同样适用于单耳或单侧个人声学设备，并且不一定需要左右侧两者。

图1和图2示出了两个示例性头戴式耳机100A、100B。每个头戴式耳机100包括由用户佩戴的支撑结构106(例如，头带、颈带等)互耦接的右听筒110a和左听筒110b。在一些示例中，两个听筒110可以彼此独立，而不是通过支撑结构互耦接。每个听筒110可包括一个或多个麦克风，诸如前馈麦克风120和/或反馈麦克风140。前馈麦克风120可被配置为在听筒110被正确佩戴时感测该听筒外部的声学信号，例如被配置为在周围环境中的声学信号到达用户耳部之前对其进行检测。反馈麦克风140可被配置为在听筒110被正确佩戴时感测由用户耳部形成的声学体积内部的声学信号，例如被配置为检测到达用户耳部的声学信号。每个听筒还包括驱动器130，该驱动器是用于将例如电信号转换成用户可听到的声学信号的声换能器。在各种示例中，可将一个或多个驱动器包括在听筒中，并且在一些情况下，听筒可仅包括前馈麦克风或仅包括反馈麦克风。

虽然附图标记120和140用来指代一个或多个麦克风，但在一些示例中，附图中所示的该视觉元素可表示声孔，声学信号从其进入以最终到达可能位于内部且在物理上从外部不可见的此类麦克风。在示例中，麦克风120、140中的一个或多个麦克风可紧邻声学端口的内部或者可从声学端口移开一定距离，并且可包括声学端口与相关联的麦克风之间的声波导。

图3中示出了处理单元310的示例，该处理单元可物理地容纳在头戴式耳机100之上或之内的某个位置处。处理单元310可包括处理器312、音频接口314和电池316。在各种示例中，处理单元310可耦接到一个或多个前馈麦克风120、驱动器130和/或反馈麦克风140。在各种示例中，接口314可以是用于接收音频信号(诸如回放音频信号或程序内容信号)的有线或无线接口，并且可包括另外的接口功能，诸如用于接收用户输入和/或配置选项的用户界面。在各种示例中，电池316可以是可替换的和/或可再充电的。在各种示例中，处理单元310可经由不同于电池316或除电池316之外的装置供电，诸如通过有线电源等。在一些示例中，系统可被设计用于仅降噪并且可以不包括用于接收回放信号的接口314。

图4示出了处理麦克风信号以减小到达用户耳朵的噪声的系统和方法。图4呈现了突出降噪系统的特征的简化示意图。完整系统的各种示例可包括放大器、模数转换(ADC)、数模转换(DAC)、均衡、子频带分离与合成以及其他信号处理等。在一些示例中，回放信号410,p(t)可被接收以由驱动器130呈现为声学信号。前馈麦克风120可提供前馈信号122，该前馈信号由具有前馈传递函数126,K

本文所述的各种示例包括反馈降噪系统，例如反馈麦克风140和反馈处理器144，该反馈处理器具有反馈传递函数146以提供反馈抗噪声信号148以包括在驱动器信号132中。反馈麦克风140可被配置为检测包括用户耳朵的声学体积内的声音，并且因此可检测由驱动器130产生的声学信号136，使得存在回路。因此，在各种示例中和/或在各种时间，可存在反馈回路，该反馈回路从驱动器信号132通过驱动器130，产生声学信号136，该声学信号由反馈麦克风140拾取，通过反馈传递函数146,K

图4所示的电气和物理系统表现出装置传递函数134,G，该装置传递函数表征驱动器信号132一直到反馈信号142的传递。换句话讲，反馈信号142对驱动器信号132的响应通过装置传递函数134,G来表征。因此，反馈降噪回路的系统通过组合(回路)传递函数GK

具有驱动器130和反馈麦克风140的听筒110的各种示例可被设计成避免反馈不稳定性，例如，通过设计成避免或最小化具有不期望特性的回路传递函数GK

因此，本文所述的各种示例性系统和方法进行操作以监测其中回路传递函数GK

如前所讨论，反馈信号142可包括驱动器信号132的分量。当存在反馈不稳定性时，反馈信号142的分量可通过反馈传递函数146的倒数与驱动器信号132相关，因为在不稳定状况期间，装置传递函数134可与反馈传递函数146逆相关。根据本文所述的那些的各种系统和方法可通过监测反馈信号142中与驱动器信号132相关的分量来检测反馈不稳定性，使得关系为反馈传递函数146的倒数。在一些示例中，驱动器信号132由反馈传递函数146的倒数进行滤波，并且将所得的信号与反馈信号142进行比较。相似性的阈值水平可指示装置传递函数134几乎等于反馈传递函数146的倒数，并且因此可指示存在反馈不稳定性。

参考图5，示出了示例性系统和方法，其中由比较器510将反馈信号142与驱动器信号132进行比较，并且如果它们的关系类似于反馈传递函数146的倒数，则可提供不稳定性指示符520。不稳定性指示符520可为例如用于指示存在或不存在不稳定性的标志、指示符或逻辑电平信号(例如，具有高输出电平和低输出电平)，或者可为用于由各种其他部件解释的任何合适类型的信号。例如，其他部件可接收不稳定性指示符520并且可响应于不稳定性而采取动作，诸如减小反馈传递函数146中的增益(例如，以一个或多个频率或频率范围)。

参考图6，示出了比较器510的至少一个示例，该比较器适用于通过反馈传递函数146的倒数来比较反馈信号142是否与驱动器信号132相关。驱动器信号132由具有传递函数K

在一些示例中，可进行多个相关性测量，其中的每个相关性测量可与阈值进行比较，其中的任一者或多者可被认为是指示不稳定性所需的。例如，在某些示例中可实现两个不同的相关性测量，并且可能要求两者均满足阈值以指示不稳定性。在另外的示例中，如果两个不同的相关性测量中的一者超过较高阈值，则这可能足以指示不稳定性，即使两个不同的相关性测量中的另一者无法满足其阈值。在另外的示例中，具有其自身阈值的第三相关性测量可确认和/或覆写由前两个相关性测量生成的不稳定性的指示等。

参见图7，示出了比较器510A的另一示例。如上所述，参考图6，通过反馈传递函数146的反传递函数K

参考图7，示例性比较器510A包括将参考信号512加到反馈信号142以提供求和信号712的组合器710，以及将参考信号512从反馈信号142中减去(或在其他示例中反之亦然)以提供差值信号722的组合器720。如上所述，当G＝K

在一些示例中，求和信号712和差值信号722中的每一者可由平方块730和平滑块740处理。例如，信号的平方产生总是正的并且可被认为指示信号能量的输出。信号的平滑减轻了信号的快速变化，这可被认为是低通滤波，其可提供信号包络或被认为是信号包络。可能以各种方式应用平滑。至少一个示例可包括α平滑，其中随时间推移(例如，在数字域中)接收的每个新信号样本s[n]根据权重因子α被添加到先前样本的滑动平均值s_avg[n-1]，如等式(1)所示。

s_avg[n]＝αs[n]+(1-α)s_avg[n-1] (1)

权重因子α可被认为是例如可调时间常数。应当认识到，在各种示例中，可在模拟域或数字域中的任一者中执行各种信号处理，并且各种信号可通过时间参数t或数字样本指数n中的任一者等效地表达。在各种示例中，权重因子α在两个平滑块740中可为相同的。在其他示例中，权重因子α对于两个平滑块740可为不同的。

继续参考图7，求和信号712的平方和平滑提供当存在不稳定性时预期具有相对较大值的主要信号714。相比之下，预期差值信号722具有相对较低的振幅，使得预期经平方和平滑版本具有相对较低值。在一些示例中，可采用比率750以提供相对信号724，该相对信号提供指示求和信号712对于彼此较大并且差值信号722相对于彼此较小的程度的单个信号。因此，当存在不稳定性时，预期相对信号724具有相对较大值。

可针对相应阈值760来测试主要信号714和相对信号724中的每一者，该相应阈值中的每一者可应用不同的阈值，包括数量阈值和任选的时间阈值(例如，必须满足数量阈值的时间量或数字样本的数量)。在各种示例中，主要信号714的阈值760a可以是固定或可变阈值，其基于与系统整体的各种分量(诸如驱动器信号132的电平)相关的各个方面和/或设置(例如，增益)来选择。相对信号724的阈值760b也可以是基于系统的各个方面、分量和/或设置选择的固定或可变阈值。在各种示例中，在导致不稳定性的条件和不导致不稳定性的条件下，可基于作为整体的系统的测试和表征来选择阈值760中的任一者或两者。在一些示例中，阈值760b是在5dB至25dB的范围内的固定阈值。在某些示例中，阈值760b是在12dB至18dB的范围内的固定阈值，并且在特定示例中可以是12dB、15dB、18dB或其他值。

继续参考图7，逻辑770可组合来自阈值760的输出。在图7的示例中，逻辑770应用与逻辑，其要求主要信号714和相对信号724两者满足其相应阈值760a、760b。在一些示例中，数字样本的最小时间和/或数量可由逻辑770应用，例如，主要信号714和相对信号724中的每一者(潜在地组合)必须满足其相应阈值760、760b的样本的最小数量。各种示例可使用逻辑770的其他组合，其也可结合来自附加处理的信号。在一些示例中，满足相应阈值760的主要信号714或相对信号724中的任一者可被认为足以产生输出不稳定性指示符520。在一些示例中，可将附加阈值760应用于所示的信号和/或其他信号。例如，可将附加阈值应用于相对信号724，其在得到满足时可由逻辑770结合以便即使主要信号714未能满足阈值760a也会产生输出不稳定性指示符520。

根据一些示例，系统可被测试和表征，并且可被确定为更可能在一个或多个频率和/或一个或多个子频带下表现出反馈不稳定性。因此，在一些示例中，例如图6至图7所示的各种处理可在其中可能发生不稳定性的频率范围和/或一个或多个子频带内执行。除此之外或另选地，多个子频带或频率范围中的每一者可具有由各种处理应用的不同参数。例如，阈值760b可以是相对信号724的一个子频带的固定值和相对信号724的另一个子频带的不同固定值。

根据一些示例，系统可被测试和表征，并且可被确定为更可能在一个或多个频率和/或一个或多个子频带下表现出高信号能量，尽管不存在反馈不稳定性。因此，在一些示例中，例如图6至图7所示的各种处理可被配置为省略或忽略一个或多个子频带和/或频率范围。

根据一些示例，系统可被测试和表征，并且可被确定，即可以有利地将更复杂或较不复杂的信号处理和/或逻辑应用于一个或多个子频带或频率范围而不是其他子频带或频率范围。因此，在一些示例中，例如图6至图7所示的各种处理可针对不同的频率范围和/或一个或多个子频带显著变化。

在各种示例中，如上所述，通过分析反馈麦克风信号和驱动器信号之间的关系(例如，通过比较反馈信号142与驱动器信号132)来实现反馈不稳定性的检测，并且提供不稳定性指示符520。当不稳定性指示符520指示检测到反馈不稳定性时，根据本文的各方面和示例的各种系统和方法可响应于反馈不稳定性而采取不同的措施，例如，以减轻或消除反馈不稳定性和/或不稳定性的不期望后果。例如，根据所描述的那些的音频系统可以改变或替换反馈传递函数146，更改反馈控制器或反馈处理器144，改变为反馈降噪的不太激进的形式，将降噪系统的各种参数更改为不太激进的，更改驱动器信号振幅(例如，使驱动器信号132静音、减小或限制驱动器信号)，更改例如驱动器信号132和/或反馈信号142的处理相位响应，以尝试破坏不稳定性，向用户提供指示符(例如，可听或声音消息、指示符灯等)和/或其他措施。

上述各方面和示例为包括反馈降噪的个人音频设备提供了多个潜在益处。反馈控制的稳定性标准可在控制器设计阶段由工程师来定义，并且各种考虑因素假设在系统的寿命期间(系统特性的)变化范围有限。例如，驱动器输出和麦克风灵敏度可随时间变化，并且有助于驱动器和反馈麦克风之间的电声传递函数。进一步的可变性可能影响设计标准，诸如生产变化、头对头变化、用户处理的变化以及环境因素。任何此类变化都可能导致违反稳定性限制，并且设计者通常必须采取保守的方法进行反馈系统设计，以确保避免不稳定性。此类不稳定性可导致降噪系统添加不期望的信号分量而不是减少它们，因此常规设计实践可采用高度保守的方法来避免发生可能给系统性能带来严重代价的不稳定性。

然而，如本文所述，检测反馈不稳定性的各方面和示例允许采取纠正措施以在此类状况发生时消除不稳定性，从而允许系统设计者设计在更接近不稳定性边界的条件下操作的系统，并且因此在更宽的反馈带宽上实现改进的性能。本文的各方面和示例允许可靠地检测是否越过或何时越过不稳定性边界。例如，在入耳式噪声消除耳机中，用户的抓握通常可阻挡耳塞的“喷嘴”(例如，手指暂时覆盖音频端口)，这可导致驱动器和反馈麦克风之间的电声耦接的极端物理变化。常规系统需要被设计成即使在阻挡喷嘴的情况下也避免不稳定性，但根据本文所述的方面和示例的不稳定性检测允许在没有“阻挡喷嘴”条件作为约束的情况下设计反馈控制器或处理器。因此，本文的系统和方法可使带宽范围加大到两倍以上，在该带宽范围内由反馈处理器进行的降噪可能为有效的。

应当理解，本文所述的系统和方法的任何功能均可在数字信号处理器(DSP)、微处理器、逻辑控制器、逻辑电路等或这些部件的任何组合中实施或执行，并且可包括相对于任何特定实施方式的模拟电路部件和/或其他部件。本文所公开的功能和部件可在数字域中操作，并且某些示例包括由麦克风生成的模拟信号的模数(ADC)转换，即便各个附图中没有ADC的图示。此类ADC功能可结合到信号处理器中或以其他方式在信号处理器内部。任何合适的硬件和/或软件(包括固件等)可被配置为实施或实现本文所公开的各方面和示例的部件，并且各方面和示例的各种实施方式可包括除所公开的那些之外的部件和/或功能。

已经在上文描述了至少一个示例的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。此类改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。因此，上述说明书和附图仅是示例性的，并且本发明的范围应由所附权利要求书的适当构造及其等同内容来确定。