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CN101001481A - 降低耳机噪声装置和方法、降噪耳机和便携音频再现装置 - Google Patents

降低耳机噪声装置和方法、降噪耳机和便携音频再现装置 Download PDF

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CN101001481A
CN101001481A CNA2007100014428A CN200710001442A CN101001481A CN 101001481 A CN101001481 A CN 101001481A CN A2007100014428 A CNA2007100014428 A CN A2007100014428A CN 200710001442 A CN200710001442 A CN 200710001442A CN 101001481 A CN101001481 A CN 101001481A
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signal
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microphone
audio signal
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CNA2007100014428A
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Samsung Electronics Co Ltd
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Abstract

一种在使用耳机的便携音频再现装置中降低噪声的装置和方法。该装置包括：具有扬声器单元和麦克风的耳机单元，用于输出音频信号，并且生成相对于外部噪声的反噪声；和电路单元，用于补偿耳机单元的麦克风所产生的反噪声的频率特性，将反噪声与输入音频信号相加，以及通过将加有反噪声的音频信号输出到扬声器单元，利用反噪声信号除去背景噪声信号。

Description

降低耳机噪声装置和方法、降噪耳机和便携音频再现装置
相关申请交叉引用
本申请要求于2006年1月14日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2006-0004174的优先权，其全部内容通过引用并入这里。
技术领域
本发明总的发明构思涉及便携音频再现装置，尤其涉及一种在使用耳机的便携音频再现装置中降低噪声的装置和方法。
背景技术
随着相关行业的发展，能够再现声音(如音乐和话音)的音频再现装置正变得更易于携带。这些便携音频再现装置使得能够不拘于地点地例如在地铁中、公交车上或者路上，听音乐或学习语言。这些便携音频再现装置的例子包括MP3播放器、媒体播放器、迷你磁带播放机和CD播放器。
总的来说，便携音频再现装置是再现在存储器中或记录介质(如CD)上记录的数据、或者再现从广播台接收的广播信号的装置。便携音频再现装置所再现的音频信号通过放大器放大，并被输出到耳机。耳机通过扬声器单元输出单向(unilaterally)放大的音频信号。然而，由于从外部环境进入的噪声，便携音频再现装置的耳机降低了音质。
因此，为了在考虑外部噪声的情况下保持音量，用户将需要增加便携音频再现装置的声压。这在用使用耳机的便携音频再现装置收听过长时间的时候，会导致一些问题，如对用户听力的伤害。
发明内容
本发明总的发明构思提供一种在使用耳机的便携音频再现装置中使进入耳机的背景噪声最小化的降噪装置和方法。
本发明总的发明构思还提供一种便携音频再现装置，可以对其应用使进入耳机的背景噪声最小化的降噪装置和方法。
本发明总的发明构思的其他方面将在下面描述中部分地阐述，并且将通过描述部分地变得显而易见，或者可以通过本发明总的发明构思的实践习得。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面可以通过提供一种降低耳机设备中的噪声的方法来实现，该方法包括：使用具有与输入信号反相的输出特性的麦克风，产生与背景噪声信号反相的反噪声信号；补偿所产生的反噪声信号的频率特性；将补偿的反噪声信号与音频信号相加，来产生相加信号；以及通过将相加信号输出到扬声器单元，利用对应于反噪声信号的反噪声分量，除去背景噪声信号。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面也可以通过提供一种降噪方法来实现，该方法包括：检测背景噪声作为噪声信号；接收音频信号，并且将反相噪声信号与音频信号综合；以及输出综合的音频信号，使得当实时再现综合的音频信号时，背景噪声的噪声信号与反相噪声信号相抵消。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面也可以通过提供一种降噪耳机装置来实现，该装置包括：麦克风，用于检测背景噪声作为噪声信号；电路单元，用于接收音频信号，并且将反相噪声信号与音频信号综合；和扬声器单元，用于输出综合的音频信号，使得当实时再现综合的音频信号时，背景噪声的噪声信号与反相噪声信号相抵消。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面也可以通过提供一种便携音频系统来实现，该系统包括：具有扬声器单元和麦克风的耳机单元，用于输出音频信号，并且生成相对于外部噪声的反噪声；和电路单元，用于补偿耳机单元的麦克风所产生的反噪声的频率特性，将反噪声与输入音频信号相加，以及通过将加有反噪声的音频信号输出到扬声器单元，利用反噪声信号除去背景噪声信号。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面也可以通过提供一种音频再现系统来实现，该系统包括：声源，用于提供要再现的音频信号；和降噪电路单元，用于接收检测的外部噪声信号，并且在再现音频信号之前对音频信号施加外部噪声信号的反相信号，使得对于系统周围出现的外部噪声预补偿音频信号。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面也可以通过提供一种便携音频系统来实现，该系统包括：音频再现单元；噪声检测器；端子，其第一和第二端口连接到音频再现单元和噪声检测器；和与该端子相连的外部耳机设备，其具有分别连接到第一和第二端口的第一线和第二线、连接到第一线的扬声器单元和连接到第二线的麦克风单元，其中，外部耳机设备是以一体式形成的。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面也可以通过提供一种耳机设备来实现，包括：第一线；第二线；扬声器单元；和麦克风单元，其中，第一线、第二线、扬声器单元和麦克风单元是以一体式形成的。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，本发明总的发明构思的这些和/或其他方面将变得清楚且更易于理解，其中：
图1示出根据本发明总的发明构思的实施例的、便携音频再现装置中使用的耳机；
图2示出根据本发明总的发明构思的实施例的、相对于麦克风的类型呈现与输入信号有关的输出信号的相位特性的波形；
图3示出根据本发明总的发明构思的实施例的、便携音频再现装置的降噪装置；
图4是示出根据本发明总的发明构思的实施例的、图3的降噪装置的滤波单元的详细电路图；
图5是示出根据本发明总的发明构思的实施例的、降低耳机装置中的噪声的方法的流程图；
图6示出根据本发明总的发明构思的实施例的、具有降噪效果的频率特性；以及
图7示出根据本发明总的发明构思的实施例的便携音频再现装置。
具体实施方式
现在将详细介绍本发明总的发明构思的实施例，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记指代相同的元件。下面描述实施例以便通过参照附图描述本发明总的发明构思。
图1示出根据本发明总的发明构思的便携音频再现装置中使用的耳机。
参照图1，耳机包括耳塞(earpiece)110、扬声器单元120、耳机壳130和麦克风140。
麦克风140面向耳朵外侧，接收外部噪声并且输出相对于接收的外部噪声具有反相输出特性的麦克风信号(MIC+、MIC-)。换而言之，麦克风接收输入信号(例如，外部噪声)，并且输出与输入信号完全异相(out of phase)的输出信号(例如，反噪声)。
扬声器单元120的后侧背靠着麦克风140放置，扬声器单元120通过耳塞110再现音频再现装置中产生的音频信号(Audio+、Audio-)。
麦克风140可以放置得靠近扬声器单元120，并且可以面向与扬声器单元120所面向的方向相反的方向，从而可以尽可能多地接收外部噪声。
图2示出根据本发明总的发明构思的实施例的、相对于麦克风的类型呈现与输入信号有关的输出信号的相位特性的波形。
参照图2，同相麦克风具有与输入的输入信号同相的输出特性。反相耳机具有与输入的输入信号反相的输出特性。
在本实施例中，使用具有与输入信号异相(即，反相)的输出特性的反相耳机。在这种情况下，输入信号可以与输出信号完全异相(即，180度异相)。
图3示出根据本发明总的发明构思的实施例的、便携音频再现装置的降噪装置。应当理解，尽管本发明总的发明构思的实施例描述了便携音频再现装置，但本发明总的发明构思的实施例可以应用到任何使用头戴耳机或耳机的音频再现装置(例如，膝上型计算机、台式计算机、立体声系统等)。
噪声再现装置包括耳机单元310和噪声再现电路单元320。耳机单元310包括扬声器单元120(类似于图1中的扬声器单元120)和麦克风140(类似于图1中的麦克风140)。噪声再现电路320包括滤波单元332、加法单元324和放大器单元326。
首先，假设人耳的背景噪声(即，外部噪声)是n(t)。
装在耳机单元310上的麦克风140具有相对于输入信号反相(即，异相)的输出特性。麦克风140接收背景噪声(噪声信号)(n(t))，并且产生相对于输入的噪声信号(n(t))反相的反噪声信号(-n(t))。
滤波单元332补偿从麦克风140输出的反噪声信号(-n(t))的频率特性，并且执行输出端的阻抗匹配。
加法单元324将从滤波单元332输出的反噪声信号(-n(t))与从声源芯片输入到降噪电路单元320的音频信号(s(t))相加。即，加法单元324输出通过将反噪声信号(-n(t))与音频信号(s(t))相加获得的信号(s(t)-n(t))。音频信号(s(t))是具有要被音频再现装置通过耳机单元320再现的声音集合(例如，音乐、录音等)的信号。
放大器单元326放大从加法单元324输出的信号(s(t)-n(t))的电平。
装在耳机单元310上的扬声器单元120再现从放大器单元326输出的信号(s(t)-n(t))。
因此，通过使用对应于扬声器单元120中产生的反噪声信号(-n(t))的反噪声分量，最小化对应于耳朵内的声场中存在的噪声信号(n(t))的噪声分量，从而耳机单元310提供最佳音频信号(s(t))。
图4是示出根据本发明总的发明构思的实施例的、图3的降噪装置的滤波单元332的详细电路图。
滤波单元332包括阻抗匹配单元410和低通滤波单元420。
更具体地说，参照图4，第一电阻器(R1)利用电压源(VDC)上拉麦克风140的信号(MIC IN)。
阻抗匹配单元410使用第一电容器(C1)。阻抗匹配单元410除去通过麦克风140输入的反噪声信号(-n(t))中的直流(DC)分量，同时匹配阻抗，使得尽可能多的信号可以传输到下一电路端(即，从麦克风140到低通滤波器420)。
低通滤波单元420包括第二电阻器(R2)、第三电阻器(R3)、第二电容器(C2)和第三电容器(C3)。理论上其中可以除去噪声的频率区域是1KHz及以下。因此，通过使用第二和第三电阻器(R2、R3)以及第二和第三电容器(C2、C3)，低通滤波单元420除去从阻抗匹配单元410输出的反噪声信号的高频区域，并且产生低频区域的反噪声信号。
图5是示出根据本发明总的发明构思的实施例的、降低耳机装置中的噪声的方法的流程图。图5的方法可以由图3的噪声再现装置执行。
首先，在操作510中，具有与麦克风中接收的背景噪声信号反相的输出特性的麦克风产生反噪声信号。
然后，在操作520中，补偿所产生的反噪声信号的频率特性，并且将阻抗与输出端匹配。
在操作530中，将声源芯片产生的音频信号与阻抗匹配后的反噪声信号相加，以产生相加信号。
然后，在操作540中，通过将相加信号输出到扬声器单元，耳朵内的声场中存在的背景噪声被对应于反噪声信号的反噪声分量除去。
图6示出根据本发明总的发明构思的实施例的、具有降噪效果的频率特性。
参照图6，细实线表示当安装了降噪耳机且对应于(如上所述的)降噪装置的电子电路关断时的频率特性，而粗实线标识当安装了降噪耳机且对应于降噪装置的电子电路工作时的频率特性。参照图6的频率特性，可以看出，当对应于降噪装置的电子电路工作时，声压电平降低，并且尤其在300到500Hz之间降噪效果良好。
图7示出根据本发明总的发明构思的实施例的便携音频再现装置300。便携音频再现装置300包括用于提供要再现的音频信号的声源单元311、降噪电路单元320(类似于图3)、耳机单元310(类似于图3)和通信信道301。
通信信道301可以是软线、导线或无线通信信道。耳机单元310包括麦克风140(类似于图1和3)和扬声器单元120(类似于图1和3)。此外，尽管图7示出降噪电路单元320没有放置于耳机单元310中，但应当理解，在本发明总的发明构思的其他实施例中，降噪电路单元320可以放置于耳机单元310中与麦克风140和扬声器单元120通信。
本发明总的发明构思可以作为计算机可读代码在计算机可读记录介质上实现。计算机可读记录介质是可以存储其后计算机系统可读取的数据的任何数据存储器件。计算机可读记录介质的例子包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光数据存储设备和载波(例如通过因特网数据传输)。计算机只读记录介质也可以分布在网络互连的计算机系统上，从而以分布式存储和执行计算机可读代码。
根据上述本发明总的发明构思的各个实施例，通过当用使用耳机或头戴耳机的便携音频再现装置来收听时，通过除去外部噪声，可以再现没有噪声的音频信号。此外，由于不需要将音量设到高水平以压过外部噪声，因此可以防止对用户听力的伤害。
尽管示出和描述了本发明总的发明构思的若干实施例，但本领域技术人员应当理解，在不背离总的发明构思的原理和宗旨的前提下，可以对这些实施例进行修改，本发明范围由权利要求书及其等效物限定。

Claims (19)

1.一种降低耳机设备中的噪声的方法，该方法包括：
通过使用具有与输入信号反相的输出特性的麦克风，产生与背景噪声信号反相的反噪声信号；
补偿所产生的反噪声信号的频率特性；
将补偿的反噪声信号与音频信号相加，来产生相加信号；以及
通过将相加信号输出到扬声器单元，利用对应于反噪声信号的反噪声分量，除去背景噪声信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述频率特性的补偿包括仅补偿反噪声信号的低频分量。
3.一种降低耳机设备中的噪声的装置，该装置包括：
麦克风单元，用于产生与输入的噪声信号反相的反噪声信号；
滤波单元，用于补偿从麦克风单元输出的反噪声信号的频率特性；
加法单元，用于将从滤波单元输出的反噪声信号与输入的音频信号相加；和
扬声器单元，用于输出在加法单元中相加的音频信号。
4.如权利要求3所述的装置，其中，麦克风单元具有与输入信号反相的输出特性。
5.如权利要求3所述的装置，其中，滤波单元包括：
阻抗匹配单元，用于匹配阻抗，使得麦克风单元所产生的反噪声信号尽可能多地传输到输出端；和
低通滤波器，用于使从阻抗匹配单元输出的反噪声信号的低频分量通过。
6.一种降噪方法，包括：
检测背景噪声作为噪声信号；
接收音频信号，并且将反相噪声信号与音频信号综合；以及
输出综合的音频信号，使得当实时再现综合的音频信号时，背景噪声的噪声信号与反相噪声信号相抵消。
7.一种降噪耳机装置，包括：
麦克风，用于检测背景噪声作为噪声信号；
电路单元，用于接收音频信号，并且将反相噪声信号与音频信号综合；和
扬声器单元，用于输出综合的音频信号，使得当实时再现综合的音频信号时，背景噪声的噪声信号与反相噪声信号相抵消。
8.如权利要求7所述的降噪耳机装置，其中，麦克风通过将检测的噪声信号的相位移动180度，向电路单元提供反相噪声信号。
9.如权利要求7所述的降噪耳机装置，还包括：
耳机壳，用于容纳麦克风和扬声器单元，使得麦克风和扬声器单元面对的方向彼此相反。
10.如权利要求9所述的降噪耳机装置，其中，麦克风的后侧背靠着扬声器单元的后侧放置。
11.如权利要求7所述的降噪耳机装置，其中，电路单元包括：
低通滤波器，用于使反相噪声信号的低频带通过；
加法单元，用于将反相噪声信号与音频信号相加；和
放大器，用于放大综合后的音频信号，并且将放大后的音频信号输出到扬声器单元。
12.一种便携音频系统，包括：
具有扬声器单元和麦克风的耳机单元，用于输出音频信号，并且生成相对于外部噪声的反噪声；和
电路单元，用于补偿耳机单元的麦克风所产生的反噪声的频率特性，将反噪声与输入音频信号相加，以及通过将加有反噪声的音频信号输出到扬声器单元，利用反噪声信号除去背景噪声信号。
13.如权利要求12所述的系统，其中，耳机单元具有麦克风，麦克风具有与输入信号反相的输出特性。
14.如权利要求12所述的系统，其中，耳机单元的扬声器单元和麦克风彼此靠近地放置，并且装在耳机单元上。
15.一种音频再现系统，包括：
声源，用于提供要再现的音频信号；和
降噪电路单元，用于接收检测的外部噪声信号，并且在再现音频信号之前对音频信号施加外部噪声信号的反相信号，使得对于系统周围出现的外部噪声预补偿音频信号。
16.如权利要求15所述的系统，其中，当预补偿的音频信号被以声音再现时，音频信号中的反相外部噪声信号与外部噪声抵消。
17.如权利要求15所述的系统，还包括：
耳机单元，用于检测外部噪声并由此产生反相外部噪声，以及以声音再现预补偿的音频信号。
18.一种便携音频系统，包括：
音频再现单元；
噪声检测器；
端子，其第一和第二端口连接到音频再现单元和噪声检测器；和
与该端子相连的外部耳机设备，其具有分别连接到第一和第二端口的第一线和第二线、连接到第一线的扬声器单元和连接到第二线的麦克风单元，其中，外部耳机设备是以一体式形成的。
19.一种耳机设备，包括：
第一线；
第二线；
扬声器单元；和
麦克风单元，
其中，第一线、第二线、扬声器单元和麦克风单元是以一体式形成的。
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