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CN120826916A - 包括配置有波束成型扬声器系统的头部可佩戴式载体元件的音频系统 - Google Patents

包括配置有波束成型扬声器系统的头部可佩戴式载体元件的音频系统

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CN120826916A
CN120826916A CN202480015228.XA CN202480015228A CN120826916A CN 120826916 A CN120826916 A CN 120826916A CN 202480015228 A CN202480015228 A CN 202480015228A CN 120826916 A CN120826916 A CN 120826916A
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CN
China
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speaker
beamforming
parameters
head
ear
Prior art date
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Pending
Application number
CN202480015228.XA
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English (en)
Inventor
汤姆·奥斯塔德
汉斯·兹瓦特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tk&h Holdings Co ltd
Original Assignee
Tk&h Holdings Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tk&h Holdings Co ltd filed Critical Tk&h Holdings Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种头部可佩戴式载体系统(10)，头部可佩戴式载体系统(10)被构造成具有波束成型扬声器系统(16)，其中载体系统(10)被构造成：将波束成型的扬声器系统(16、16a、16b)设置成在使用时位于至少一个耳部(14)的侧部附近，其中，波束成型的音频信号(15)被引导成朝向至少一个耳部(14)的耳部通道开口(18)。

Description

包括配置有波束成型扬声器系统的头部可佩戴式载体元件的 音频系统
技术领域
本发明涉及音频系统，音频系统包括配置有波束成型扬声器系统的头部可佩戴式载体元件，其中，波束成型能够被配置成使得能够传输音频信号，该音频信号被引导成朝向佩戴该系统的使用者的耳部通道开口。
背景技术
当大约1979年通过索尼公司在市场中引入所谓的随身听(Walkman)时，使大多数人能够在户外行走时听音乐的能力成为可能。现今，移动电话可以用作包括播放音乐的移动娱乐系统。
移动电话的共同特点是，当听音乐或讲话时会使用无线耳塞式耳机或头戴式耳机。与本发明相同发明人的专利申请WO 2021/165238公开了一种集成在眼镜框架中的助听系统，该眼镜框架包括由数字信号处理器控制的多个麦克风，数字信号处理器提供麦克风的波束成型。由助听系统接收的音频信号被无线传输至耳塞式耳机，耳塞式耳机插入系统的使用者的相应耳部通道开口中。
在现有技术中，与移动电话无线通信的耳塞式耳机或头戴式耳机是常见的解决方案。然而，一个可能的问题是，耳塞式耳机或头戴式耳机会掩盖这种设备的使用者的周围环境中的其他声音源。例如，当在交通拥挤的区域行走或驾驶时，这可能是个问题。尤其是行人在户外时，应当能够听到正在靠近行人位置的汽车。
在现有技术中，存在一些将音频信号无线传输至人类耳部通道开口的替代性解决方案的示例。
例如，US1148366 B2公开了一种骨传导扬声器及其复合振动装置。该复合振动装置包括振动传导片和振动板，该振动传导片被设置为第一环形件(torus)，其中，传导片内的至少两个第一杆汇聚至传导片的中央；该振动板被设置为第二环形件，其中振动板内的至少两个第二杆汇聚至振动板的中央。该振动传导片被固定于振动板；第一环形件被固定在磁性系统上，以及第二环形件包括固定式音圈，该固定式音圈由磁性系统驱动。该公开中的骨传导扬声器及其复合振动装置采用固定式振动传导片和振动板，使得技术更简单且成本更低；由于复合振动装置中的两个可调节部件能够调节低频率区域和高频率区域这两者，因此所获得的频率响应更加平滑且声音更加宽广。
WO 2017/144269公开了一种可设置在耳部的外部区域中的音频系统，该音频系统包括可附接至使用者的头部的载体元件。该音频系统包括具有初级开口的腔，当音频系统安装在使用者的头部上时，该初级开口指向耳部通道开口。该腔设置有扬声器和音频声音，音频声音随后从扬声器传输并且经由腔被引导朝向耳部通道开口。该音频系统可以例如被布置在眼镜框架的镜腿内。
然而，使用者对朝向耳部通道开口传输的音频信号的控制是有益的，例如，能够改善所接收的音频信号的音频质量。例如，参考WO 2017/144269，所接收音频的质量取决于腔的初级开口如何指向耳部通道开口。当安装在眼镜框架中时，眼镜框架相对于耳部通道开口的相对位置可能会因人而异，例如，在成人和儿童之间存在差异。这种相对位置应该是可控制的，以便在使用过程中提供更好的音频质量，或者如果所接收的音频信号与使用者需要或想要以改善的质量接收的来自使用者周围环境中的其他音频信号发生竞争或产生干扰时，也会降低所接收的音频信号的功率。
因此，需要一种扬声器系统，该扬声器系统可以将音频信号传输至耳部通道开口，其中，当音频信号从扬声器系统被传输时，音频信号的方向、信号功率等应该是使用者可控制的。
本发明的目的
本发明的目的在于提供现有技术的替代方案。
特别地，提供对来自相应扬声器的音频信号的改善的接收可以被视为本发明的目的，相应的扬声器被设置成阵列，该阵列被构造以提供波束成型。
发明内容
因此，在本发明的第一方面中，上述目的以及一些其他目的旨在通过提供构造成具有扬声器波束成型系统的可佩戴式载体系统来实现。
特别地但非唯一地，本发明对于实现一种构造成具有波束成型扬声器系统的头部可佩戴式载体系统是有利的，
-其中，载体系统被构造成：将波束成型扬声器系统设置成在使用时位于至少一个耳部的侧部附近，
-其中，波束成型的音频信号被引导朝向至少一个耳部的耳部通道开口。
本发明的各个方面均可以与其他方面中的任一方面进行组合。本发明的这些方面和其他方面将参考本文描述的实施方式被公开和说明。
附图说明
图1示出了本发明的实施方式的示例。
图2示出了人类外耳部的解剖学细节。
图3示出了本发明的实施方式的另一示例。
具体实施方式
尽管结合了实施方式的具体示例来公开本发明，但不应该将本发明理解为以任何方式限制于所呈现的示例。随附的权利要求组限定了本发明的保护范围。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”并不排除其他可能的元素或步骤。此外，对诸如“一”或“一个”之类的引用的提及不应被认为排除多个。在权利要求中相对于图中指示的元件所使用的附图标记也不应被理解为对本发明范围的限制。
此外，将不同权利要求中提及的单独特征进行组合可能是有利的，而且在不同的权利要求中提及这些特征并不排除特征的组合是不可能的且有利的。
图1示出了本发明实施方式的示例。在本实施方式的示例中，音频系统包括头部可佩戴式载体元件，该头部可佩戴式载体元件体现为眼镜框架10。眼镜框架10与和本发明相同发明人的WO 2021/165238中所公开的助听系统几乎相同。例如，来自其他人的声音11由多个麦克风12、13接收，多个麦克风12、13由数字信号处理器进行配置和控制，该数字信号处理器由布置在眼镜框架10内的嵌入式SOC(片上系统)监督。系统例如提供麦克风12、13的阵列的波束成型，使得可以加强音频信号的接收。然后根据WO 2021/165238，接收到的音频输入11通过无线方式传输至插入耳部通道开口处的适配式耳塞中。
在本发明图1中描绘的眼镜框架10和WO 2021/165238的眼镜框架之间的不同之处在于存在扬声器16的阵列，该阵列包括至少两个扬声器，扬声器能够被控制以实现扬声器音频输出15的波束成型，以及扬声器16的阵列被配置成朝向耳部14传输音频信号15。在图1所公开的实施方式的示例中，扬声器阵列被布置在眼镜框架10的镜腿(temple)上，位于镜腿的搁置在耳体上的部分附近。从扬声器阵列16传输的音频波在所有方向上向外扩散，但是当扬声器阵列16的波束成型启动时，大部分音频波功率到达耳部14。因此，有益的但非必须的是：在扬声器阵列16与扬声器波束被引导朝向的耳部通道的开口之间存在自由视距(afree line of sight)。
眼镜框架10也可以被构造成具有无线接口，该无线接口使得能够与例如移动电话进行通信。然后，眼镜框架可以被配置将成将来自移动电话的音频信号传输到扬声器阵列16。
图2示出了外耳部部分14的解剖学部分。声波11正在靠近被称为耳廓的可见部分14。耳廓收集声波并且将声波朝向耳部通道开口18(外耳道)引导，耳部通道开口18在声波抵达耳部鼓膜之前对声波进行放大。
在图3中示出了本发明的实施方式的另一示例。
在本发明的实施方式的示例中，对扬声器阵列进行支撑的载体元件19被体现为头戴式耳机，该头戴式耳机包括第一构件21和第二构件22，第一构件21和第二构件22被构造成当附接至头部时平行地延展且在耳部14的相应侧部附近延展。载体元件19包括支撑元件20，当使用时，支撑元件20搁置在使用者的头部上。第一构件21和第二构件22由支撑元件20经由相应的第二臂20b和第一臂20a进行支撑，第一臂20a和第二臂20b从附接元件20的底部端部延展而出。
第一构件21被设置有扬声器阵列16a，扬声器阵列16a在本示例中被示出为具有三个扬声器元件。第二构件22被设置有扬声器阵列16b，扬声器阵列16b包括例如三个扬声器元件。
在本实施方式的示例中，载体元件19可以包括例如蓝牙接口，该蓝牙接口使得能够将音频信号无线传输至头戴式耳机。相应的构件21和构件22可以例如被设置有数字信号处理器，该数字信号处理器使得能够使例如立体声朝向耳部14的耳部通道开口波束成型。
在图3中所示的实施方式的示例的范围内，还可以将麦克风附接在与头戴式耳机19进行附接的臂上，使得能够将麦克风定位在使用者的嘴部(未示出)前面。来自麦克风的音频信号可以与从其他音频源无线接收的外部音频信号混合，然后经由相应的扬声器阵列16a、16b传输到耳部通道开口处。
本实施方式的示例的有益效果在于：除了通过无线方式传输的声音以及/或者来自附接的麦克风的声音之外，来自使用该头戴式耳机19的人周围的声音也有可能被使用者听到。一种示例可以是当报道足球比赛时，来自观众的欢呼可能会相当响亮。来自电视台的控制中心的无线语音通信也可以例如被佩戴该头戴式耳机19的记者以无线方式接收。
在本发明的范围内，作为扬声器阵列16的替代性方案，还能够使图1中所示的眼镜框架10以无线方式将音频信号传输至头戴式耳机19的示例。
扬声器的波束成型是现有技术中已知的信号处理技术，提供来自对同一信号输入进行接收的扬声器阵列的方向性信号传输。对相应扬声器之间的相对相位和振幅差异进行控制使得可以对相应音频信号的发射模型进行整形，例如对音频信号进行整形，以通过改进的方向性信号功率抵达图2中所示的耳部通道输入端18。
对来自扬声器阵列的声音波束的波束成型算法使得能够例如对输出音量、声音波束的方向、波束的形状等进行控制，例如，通过使用取消技术以及/或者使传输至扬声器阵列的相应扬声器的相同的相应音频信号延迟来进行控制。
音频波束成型系统的示例可以由扬声器阵列构成，其中每个扬声器通过数字信号处理器(DSP)控制。该DSP使用例如有限脉冲滤波器(FIR)和/或其他信号处理器算法来控制相应的扬声器输出。
例如，一组特定的FIR滤波器系数可以在房间的特定空间点位处产生所需的声音信号的强度。
在对这样的系统进行数学表达时，可以创建第一矩阵，该第一矩阵描述在不同频率ω下系统中的每个单独扬声器在每个单独方向(MxN矩阵)上的声音传播。对相应的扬声器进行描述的相应系数可以设置成第二矩阵。那么系统的整体响应可以被表示为第一矩阵和第二矩阵的矩阵乘积。
当选定目标响应时，例如在耳部通道开口前，在整体系统响应与目标响应之间的差异可以被最小化，并且可以识别正确的FIR滤波器系数。
计算是耗时的，因此在本发明的范围内，可以对例如与扬声器阵列和相应的耳部通道开口18(参照图2)的不同位置相关的FIR系数进行预计算。
例如，可以对儿童与成人之间的解剖学差异等进行解释。在本发明的范围内，还可以当波束成型算法允许音频音量控制时，对不同的目标音量进行预计算。用于特定的波束成型的相应FIR参数可以例如被存储在存储器中，该存储器能够被例如图1中公开的眼镜框架10中嵌入的数字信号处理器访问，并且使用者可以经由使用者界面选择期望的一组FIR参数。
参照图1，所示出的眼镜框架10被构造成具有如上所述的SOC系统以及数字信号处理器。接下来，通过经由例如与SOC系统无线通信的移动电话提供正确指令，该SOC系统和数字信号处理器系统可以通过正确的指令集进行初始化，例如通过对来自扬声器16的输出进行控制的FIR系数进行初始化。
在本发明的实施方式中，也可以采用其他已知的扬声器波束成型算法。
例如，实现波束成型的已知的简单方法是所谓的“延迟叠加”(DAS)算法。DAS波束成型器也可以包括由表示为qDAS滤波器所提供的近场振幅补偿。
DAS方法依赖于在空间的特定位置处所重现的场的建设性和破坏性的声音干涉。qDAS滤波器被设计成使得波束成型在空间中被标记为亮点的点处产生统一压力，即，在空间的该点处，波束应该提供音频信号的最大化功率。
在本发明的上下文中可用的其他已知的扬声器波束成型方法是压力匹配(PM)方法、声学对比度最大化(ACM)方法以及能量差异最大化(EDM)方法。
《声学与振动》杂志，2016年3月，第373卷第9期的文章“在给定性能限制下对扬声器阵列波束成型的方法的理论与实验对比分析(Theoretical and experimentalcomparative analysis of beam forming methods for loudspeaker arrays undergiven performance constraints)”提供了相应的波束成型算法的更多细节。
根据本发明的实施方式的示例，头部可佩戴式载体系统10、19被构造成具有波束成型扬声器系统16、16a、16b，其中，载体系统10、19被构造成将波束成型扬声器系统16、16a、16b定位成在使用时位于至少一个耳部14的侧部附近，其中，波束成型的音频信号15被引导成朝向至少一个耳部14的耳部通道开口18。
根据以上公开的实施方式的示例，相应的扬声器系统16、16a、16b被设置为扬声器阵列，扬声器阵列包括至少两个扬声器。
根据以上公开的实施方式的示例，载体系统10、19可以包括无线接口，无线接口使得能够对无线传输的音频信号进行接收，其中，相应的扬声器系统16、16a、16b被配置成重现所接收的音频信号。
根据以上公开的实施方式的示例，波束成型是经由设置在头部可佩戴式载体系统10、19中的至少一个经配置的数字信号处理器(DSP)来提供的。
根据以上公开的实施方式的示例，至少一个数字信号处理器是由设置在头部可佩戴式载体系统19、20中的经配置的片上系统(SOC)来控制的。
根据以上公开的实施方式的示例，在经配置的片上系统(SOC)将至少一个数字信号处理器(DSP)初始化为具有实现波束成型方法的相应的参数，相应的参数提供扬声器系统的特定的波束成型。
根据以上公开的实施方式的示例，提供扬声器系统的特定的波束成型的相应的参数是提供不同波束成型的不同参数的集合中的一种参数。
根据以上公开的实施方式的示例，可佩戴式载体系统是眼镜框架10，其中，扬声器系统16被设置在眼镜框架10的至少一个镜腿的端部区域附近。
根据以上公开的实施方式的示例，可佩戴式载体系统是头戴式耳机19，其中，扬声器系统16a、16b被设置在至少一个支撑构件20、21上。
根据以上公开的实施方式的示例，头戴式耳机19包括位于臂上的麦克风，臂能够连接至头戴式耳机19，使得能够将麦克风定位在头戴式耳机19的使用者的嘴部前面。
根据以上公开的实施方式的示例，至少一个数字信号处理器(DSP)的波束成型参数是适于有限冲激响应滤波器的参数，该有限冲激响应滤波器适于执行波束成型。
根据以上公开的实施方式的示例，用于至少一个数字信号处理器(DSP)的波束成型参数是用于延迟叠加方法(DAS)的参数，或者是用于压力匹配滤波器(PM)方法的参数，或者是用于声学对比度最大化方法的参数。

Claims (12)

1.一种头部可佩戴式载体系统(10、19)，所述头部可佩戴式载体系统(10、19)被构造成具有至少一个波束成型扬声器系统(16、16a、16b)，
-其中，所述载体系统(10、19)被构造成：将至少一个所述波束成型扬声器系统(16、16a、16b)设置成在使用时位于至少一个耳部(14)的侧部附近，
-其中，波束成型的音频信号(15)被引导成朝向至少一个所述耳部(14)的耳部通道开口(18)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，相应的扬声器系统(16、16a、16b)被设置成扬声器阵列，所述扬声器阵列包括至少两个扬声器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述载体系统(10、19)包括无线接口，所述无线接口使得能够对无线传输的音频信号进行接收，其中，相应的扬声器系统(16、16a、16b)被配置成重现所接收的音频信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，波束成型是经由设置在所述头部可佩戴式载体系统(10、19)中的至少一个经配置的数字信号处理器(DSP)来提供的。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，至少一个所述数字信号处理器是由设置在所述头部可佩戴式载体系统(19、20)中的经配置的片上系统(SOC)来控制的。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述经配置的片上系统(SOC)将至少一个所述数字信号处理器(DSP)初始化为具有相应的参数，所述相应的参数提供所述扬声器系统的特定的波束成型。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，提供所述扬声器系统的特定的波束成型的相应的参数是提供不同波束成型的不同参数的集合中的一种参数。
8.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其中，所述可佩戴式载体系统是眼镜框架(10)，其中，至少一个所述扬声器系统(16、16a、16b)被设置在所述眼镜框架(10)的至少一个镜腿的端部区域附近。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的系统，其中，所述可佩戴式载体系统是头戴式耳机(19)，其中，至少一个所述扬声器系统(16a、16b)被设置在至少一个支撑构件(20、21)上，当所述头戴式耳机(19)附接至头部时，所述支撑构件(20、21)位于所述耳部(14)的至少一个侧部附近。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述头戴式耳机(19)包括位于臂上的麦克风，所述臂能够连接至所述头戴式耳机(19)，使得能够将所述麦克风定位在所述头戴式耳机(19)的使用者的嘴部前面。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，至少一个所述数字信号处理器(DSP)的波束成型参数是适于有限冲激响应滤波器的参数，所述有限冲激响应滤波器适于执行所述波束成型。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，用于至少一个所述数字信号处理器(DSP)的波束成型参数是用于延迟叠加方法(DAS)的参数，或者是用于压力匹配滤波器(PM)方法的参数，或者是用于声学对比度最大化方法的参数。
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