头戴式耳机装置的制作方法

1.本公开涉及一种具有两个听筒的头戴式耳机装置。


背景技术：

2.期望的是高品质立体声头戴式耳机(具有两个听筒)再现没有明显染色的声源，并根据原始录音提供不失真的立体声图像。最终，声学图像应在与典型扬声器设置相当的角度范围内投射到头部前方，例如与面部的水平中线轴的偏差为
±
30
°…
45
°
，如当由录音工程师在工作室环境中制作时。除了这第一个要求，即，播放用于扬声器的立体声材料外，第二个要求是允许以尽可能高的音色和空间保真度来回放双路(仿真人头)录音。


技术实现要素：

3.一种头戴式耳机装置包括两个听筒，其中每个听筒包括外壳，所述外壳包含低频换能器和至少三个高频换能器的阵列。每个听筒的低频换能器在用户佩戴所述听筒时设置在用户的耳道上或上方，并且被配置成广播与输入信号的低频分量对应的低频声音。每个阵列中的至少三个高频换能器被配置成广播与输入信号的高频分量对应的高频声音，并且每个阵列中的至少三个高频换能器中的每一个被设置成与低频换能器相邻，并且当用户佩戴所述听筒时，它位于低频换能器周围一整圈的较低的嘴侧象限中。
4.在对以下详细描述及附图的研究之后，其他装置、特征及优点对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的或将变得显而易见。旨在将所有此类附加装置、特征和优点包括在本说明书中。
附图说明
5.可参考以下图式和描述来更好地理解所述系统。各图中的部件未必按比例绘制，而是将重点放在图解说明本发明的原理上。此外，在各图中，相似元件符号指定遍及不同视图中的对应部分。
6.图1是振幅与频率的关系图，图示了同侧增量头部相关传递函数。
7.图2是图示如g.theile所描述的“关联模型”的信号流程图。
8.图3是图示如s.arnott等人描述的“双通路模型”的信号流程图。
9.图4是振幅与频率的关系图，图示了六个测试对象与二双二阶模型相比的扩散场头部相关传递函数。
10.图5是振幅与频率的关系图，图示了六个测试对象与二双二阶模型相比的侧入射头部相关传递函数。
11.图6是振幅与频率的关系图，图示了六个测试对象的描述可调节耳道入口参考点目标函数的一组频率特性(也称为频率响应)(参数模型)。
12.图7是振幅与频率的关系图，图示了针对六个女性测试对象测量的耳道传递函数的频率特性。
13.图8是振幅与频率的关系图，图示了针对六个男性测试对象测量的耳道传递函数的频率特性。
14.图9是振幅与频率的关系图，图示了与示例性固定目标函数的频率特性相比在鼓膜参考点处示例性传递函数(参数版本)的频率特性。
15.图10是图示用于耳罩式耳机的信号处理结构的信号流程图。
16.图11是振幅与频率的关系图，图示了使用beyerdynamic dt880头戴式耳机的示例性阻塞耳道响应和均衡滤波器频率响应。
17.图12是振幅与频率的关系图，图示了使用stax sr-307头戴式耳机的示例性阻塞耳道响应和均衡滤波器频率响应。
18.图13是振幅与频率的关系图，图示了取自数据库的在
±
45
°
处的一组四个示例性原始头部相关传递函数。
19.图14是振幅与频率的关系图，图示了使用个人入耳式耳机在
±
45
°
处测量的一组四个示例性原始头部相关传递函数。
20.图15是图示用于入耳式耳机的信号处理结构的信号流程图。
21.图16是图示在原型头戴式耳机中使用的37个小型换能器的阵列的示意图。
22.图17是图示图16所示的阵列的示例性电连接的信号流程图。
23.图18是振幅与频率的关系图，图示了中心频率特性和针对图16所示的阵列的驱动电路的第一配置中对应均衡滤波器的频率特性。
24.图19是振幅与频率的关系图，图示了前部频率特性和针对图16所示的阵列的驱动电路的第二配置中对应均衡滤波器的频率特性。
25.图20是图示具有大低频换能器和小高频换能器阵列的示例性双向头戴式耳机的换能器布置的示意图。
26.图21是图20中部分示出的双向头戴式耳机的横截面顶视图。
27.图22是振幅与频率的关系图，图示了在通过分频滤波器重新组合之前低音扬声器的耳道入口参考点频率响应和高音扬声器阵列的耳道入口参考点频率响应。
28.图23是振幅与频率的关系图，图示了阻塞耳道处均衡后针对组合系统的均衡滤波器的频率响应和针对耳道入口参考点平坦响应的频率响应(左/右)。
29.图24是图示了用于图20和21中所示的双向头戴式耳机的示例性信号处理结构的信号流程图。
具体实施方式
30.为了更好地理解以下公开内容，将更详细地解释被称为“位置相关频率响应补偿(lfrc)”的非广为人知的效应。lfrc效应几乎可以在瞬间以高精度影响人脑。图1是振幅a[db]与频率f[hz]的关系图，图示了分别在堵塞耳道入口处测量并在0
°
(面部的水平中线轴)处归一化为前部头部相关传递函数(hrtf)的在入射方向45
°
(101)、90
°
(102)和135
°
(103)处的远场声源的同侧增量hrtf 101、102和103。所示示例来自法国巴黎ircam的room acoustics team的listen hrtf数据库(http://recherche.ircam.fr/equipes/salles/listen/)。可以看出，与平坦频率响应的偏差越大，声源从前面移动到侧面越远。然而，正如日常生活中所经历的那样，在聆听者(例如边走路边说话的人)面前移动的声源的音色实际
上几乎没有变化。如图1所示，在人脑中，这些粗糙和有裂缝的位置相关响应曲线会被自动检测并立即补偿或均衡。
[0031]
试图解释lfrc的第一个模型由g
ü
nther theile在1980年引入，即“关联模型”，并通过图2中的信号流程图进行了说明。theile使用该模型来解释立体幻象成像效应并推导出头戴式耳机的补偿曲线，正如他在“equalization of studio monitor headphones”(g.theile,aes conference on headphone technology,aalborg，2016年8月)中所述。图2中描绘的模型将外耳201描述为具有传递函数hrtf的滤波器级202并且将人脑203描述为两个阶段：位置确定阶段204，其中发生外耳201的hrtf的逆转；以及随后的“gestalt”确定阶段205，其中源及其频谱特征被识别并分配给听觉事件。这种机制的准确性是惊人的，因为通常在扬声器设计中，与中性频率响应的微小偏差也可能会在聆听者前面或与其侧面成45
°
角被当做染色听到，这与扬声器的位置无关。
[0032]
在brain research中，已经建立了略有不同但功能相同的模型，即在s.arnott等人“assessing the auditory dual-pathway model in humans”(neuroimage22,2004,第401-408页)中提出的“双路径模型”，并通过图3中的信号流程图进行描绘。采用功能磁共振成像(fmri)的实验表明方向信息提取301(“何处”)和源识别302(“何物”)在大脑203中被分成不同的(平行的)流：背侧流和前侧流，它们可以在大脑的不同区域中观察到。这些任务似乎非常复杂，因为大脑的大部分区域在对其进行执行时都会变得活跃。
[0033]
lfrc需要从足够远的声源到耳道的完整、不间断的声学路径。这不是由覆盖耳廓的头戴式耳机提供的(例如，使用包耳式耳机)，甚至也不是由通过延伸到耳道中完全绕过路径hrtf的头戴式耳机提供的(例如，在入耳式耳机或助听器的情况下)。然而，人脑试图进一步推断方向信息并识别声音的来源和音色，这里的来源是头戴式耳机。仍然可以执行lfrc，但可预测性和准确性降低，这取决于耳机换能器相对于耳廓的确切位置，并且取决于例如由耳廓周围的耳机耳杯或耳垫中的反射引起的声场的形状和时间色散。
[0034]
一些方法试图优化耳机换能器的位置及其声学路径。willberg的us9392354b2建议将换能器放置在耳廓前下方附近，经由短波导进行声学连接。这导致改进但仍不完整的头外成像，但也表现出染色问题。woelfl的us2021/0058693a1公开了一种带有换能器的开放头戴式耳机，所述换能器内置在耳朵周围的框架中，并且也位于耳廓前面。然而，问题包括声音泄漏和低频(低音)表现较弱。
[0035]
头部相关传递函数通常在耳道入口参考点(eep)处使用阻塞耳道的麦克风来测量。对于耳机均衡(eq)来说重要的是传递函数，其为头部周围所有hrtf的平均值，即所谓的扩散场hrtf。在第一步骤中，耳机响应在eep处被均衡为平坦响应，然后应用扩散场hrtf作为目标函数。已经表明，此类测量会产生相当中性的声音，因为大脑无法从传入的声音中提取有意义的方向信息，并且因此假设了如在g.theile“equalization of studio monitor headphones”(aes conference on headphone technology,aalborg,2016年8月)中提出的扩散场。
[0036]
图4图示了六个对象的扩散场hrtf 401-406。hrtf 401-406随机取自法国巴黎ircam的room acoustics team的listen hrtf数据库。另外示出了由两个eq双二阶滤波器组成的低阶近似的传递函数407。传递函数在大约8db时在4khz附近达到峰值，但在高于该频率的不同个体之间显示出相当大的差异。
[0037]
替代地，基于耳机换能器通常以这种方式定向的假设，可以使用侧入射hrtf(例如，与面部的水平中线轴偏离90
°
)作为目标函数。六个不同测试对象的示例性侧hrtf 501-506表现出相似的形状，但以5khz为中心，在5khz以上具有较大的个体变化，如图5所示。图5还描绘了基于两个eq双二阶滤波器的低阶近似的传递函数507以进行比较。因此，针对每个个体调整目标函数可能是有利的。
[0038]
图6示出了一组频率特性601-606(六个测试对象的)，其描绘采用峰滤波器和陷波滤波器的耳机均衡的可调eep目标函数(参数模型)。耳机均衡可以集成到智能手机应用程序中，例如，可以在其中调整2-3个参数以获得最佳声音。
[0039]
鼓膜参考点(drp)通常用于耳机均衡，因为存在合适且标准化的人工耳(耦合器)。图7和图8图示了针对五个女性测试对象测量的耳道传递函数(tcrf)701-705(见图7)和针对九个男性测试对象测量的耳道传递函数(tcrf)801-809(见图8)的频率特性分别与建模女性传递函数的频率特性707(见图7)和建模男性传递函数的频率特性810(见图8)的对比。传递函数被计算为在阻塞耳道入口处和鼓膜处测量的传递函数之间的复商，具有扩散的入射方向，如在florian denk等人“adapting hearing devices to the individual ear acoustics:database and target response correction functions for various device styles”,(trends in hearing vol.22:1-19,2018,并且从该数据库中下载为“target response correction functions trcf”)中提出的。特别地，两个传递函数集都显示出峰增益和高频倾斜增益的强烈变化。平均而言，男性对象的增益更高。中心频率在2.5-2.8khz处相当稳定。用于个体调整的参数版本(或者至少是男性/女性切换器)是有益的。将trcf(耳道共振)与eep目标函数相结合，可以在鼓膜参考点(drp)处生成针对耳机均衡的目标函数。
[0040]
图9图示了与示例性固定目标函数907的频率特性相比的示例性drp传递函数901-906(参数版本)的频率特性。事实证明，结合使用自然耳道共振，使耳机频率特性相对于eep目标而非drp目标进行均衡可能是有利的，从而可以减少未知参数的数量。
[0041]
图10是图示用于耳罩式耳机的信号处理结构的信号流程图。在输出侧，左l和右r两个通道均通过一对有限脉冲响应(fir)滤波器1001和1002进行均衡，这些滤波器可具有128-512个抽头，并且被配置成反转电输入端和位于阻塞耳道入口(eep参考点)的探管麦克风之间的响应。
[0042]
图11和图12示出了分别使用beyerdynamic dt880头戴式耳机(图11)和stax sr-307头戴式耳机(图12)的特定头戴式耳机1102、1202的阻塞耳道响应1101、1201和eq滤波器频率响应的示例。eq滤波器包括高通目标和频率上限(例如，12khz)，在高于所述上限时不应用均衡。原始响应在均衡之前已被平滑，以避免出现尖峰并降低对头戴式耳机在头部上的位置变化的灵敏度。可以很容易地看出，stax头戴式耳机是一款高品质的静电头戴式耳机，其对均衡的要求较低。
[0043]
再次参考图10，所示的信号处理结构还包括用于每个通道(l、r)的切换器1003、1004，用于在两种聆听模式之间进行选择。在第一聆听模式中，切换器1003、1004的第一输入路径以一组滤波器1005-1008(例如，具有512个抽头的fir滤波器)为特征，具有原始(即，未扩散场均衡的)头部相关传递函数hd1、hi1、hi2和hd2，其中两个滤波器是同侧的(hd1和hd2)，另外两个是对侧的(hi1和hi2)。滤波器1005和1006从正常录音源(未示出)接收第一
信号l1，并且滤波器1007和1008从正常录音源接收第二信号r1。滤波器1005和1007的输出由加法器1009相加以将第一和信号提供给切换器1003，并且滤波器1006和1008的输出由加法器1010相加以将第二和信号提供给切换器1004。
[0044]
图13和图14分别描绘了两组四个原始头部相关传递函数1301-1304和1401-1404。所选方向在两个图中均为
±
45
°
。这样做的目的是在头部前方形成一对虚拟声源。第一聆听模式适用于在工作室中针对标准立体声扬声器设置混合的正常源材料。没有必要像上文结合图4至图6所做的那样添加另一个目标函数，因为它已经是同侧hrtf滤波器1005和1008的一部分。图13所指的一组头部相关传递函数取自法国巴黎ircam的room acoustics team的listen hrtf数据库，而图14中所示的一组是用入耳式麦克风和一对小扬声器在办公室中测量的。虽然曲线之间没有明显的总频谱差异，但它们听起来非常不同。大脑似乎基于不同的声学模式处理信息。到目前为止，简单的参数模型无法提供可比较的结果。需注意，图14中所示的hrtf曲线已经过后处理。它们是带限的、最小相位的，并且已经单独实现了耳间时间延迟路径。
[0045]
在图10所示的信号处理结构的第二聆听模式中，具有对扩散场hrtf进行建模的传递函数hd的滤波器1011和1012分别用于切换器1003和1004的其他输入路径中。滤波器1011和1012被提供来自双路录音源(未示出)的信号l2和r2。传递函数hd是根据图4和图6中所示的曲线设计的。第二聆听模式旨在用于使用双耳麦克风(例如，使用仿真人头)产生的源材料。由于此类录音通常是经扩散场均衡的，因此需要外部目标滤波器来逆转扩散场均衡。该模式也表示“正常”耳机聆听，其中当源材料不是仿真人头录音时，图像位于头部。
[0046]
入耳式耳机需要不同的信号处理结构，如图15所示的信号流程图所示。在输出端，信号通过每个通道的均衡器滤波器1501、1502使用耳模拟器或根据特定方法被均衡到鼓膜处的平坦响应。该方法包括：当入耳式耳机置于用户的耳道内时，生成声音信号并通过入耳式耳机中的换能器再现该声音信号，用第一麦克风接收反射的声音信号，基于反射的声音信号生成频率响应，以及基于该频率响应生成用户鼓膜响应。该方法还包括：生成第二声音信号，基于用户鼓膜响应修改该第二声音信号，以及在换能器处播放修改的第二声音信号。
[0047]
在图15所示的信号处理结构中，两个(即每个通道一个)tcrf滤波器1503和1504连接在均衡器滤波器1501、1502的上游，表示模拟耳道共振的目标，如上文结合图7和图8所述。tcrf滤波器1503和1504上游的其余结构与图10所示结构的相应部分(即，元件1003-1010)相同，除了已用直线替换的滤波器1011和1012。
[0048]
聆听测试表明，耳罩式耳机所需的扩散场hrtf目标滤波器会引入不需要的染色，并且因此在入耳式耳机的情况下可能会被省略。大脑似乎认识到所有头部相关特征都缺失了，因此不需要补偿。这可以看作是上述lfrc效应存在的证据。可以直接应用双路录音源(图15中的底部路径)，并且用于模拟扬声器对的hrtf设置是经扩散场均衡的，以使声音保持中性。
[0049]
为了研究换能器大小和换能器位置的影响，并进一步研究lfrc效应，原型头戴式耳机的换能器布置被设置为具有37个小(12mm)换能器1602(例如，扬声器)的阵列1601，所述阵列可以连接到单独的放大器和数字信号处理器(dsp)通道，如图16所示。换能器1602可以电性组合到(例如，7个)由数字0-6表示的子集，如图17结合图16示意性地示出的。存在包括子集0、1、5的中央换能器阵列、包括子集2、4的前阵列、以及包括子集3、6的后阵列。
[0050]
在进一步的实验中，子集0-6被分配到三种布置：中央通道ch1 center、前通道ch2 front和后通道ch3 rear(连接到三个dsp通道)，如图17所示。每种布置包括多个并联连接路径群组1702-1708，每个路径具有一个相互子集1-6的三个串联连接的换能器，除了与电阻电容器(rc)元件1701串联的子集0的换能器1702之外。在dsp中形成了两种配置，配置1侧重于中心部分，而其他布置使用低通滤波器1709和1710进行低通滤波，两者都具有4khz的转角频率。类似地，配置2侧重于耳廓的前部区域，而其他布置使用低通滤波器1711(中心，2khz的临界频率)和1712(后部，1.5khz的临界频率)进行低通滤波。然后将两种配置被均衡为eep点处的平坦响应。对应的频率特性在图18和图19中示出。图18示出了第一配置的对应eq滤波器的中心频率特性(响应)1801和频率特性1802。图19示出了第二配置的对应eq滤波器的前频率特性(响应)1901和频率特性1902。
[0051]
在聆听测试期间，两种配置之间的强烈音色差异变得明显。尽管两者都被均衡为相同的平坦响应，并且具有如前所述的适当目标函数，但前部换能器配置(第二配置)听起来更自然、更明亮，而中心配置(第一配置)听起来相当低沉且乐器之间的区别不太明显。前部配置的立体图像更宽、更靠前。这个结果可以用lfrc效应来解释。前部换能器更好地保留自然耳廓提示，并且更适合生成期望的前部、头部外图像。由此得出结论，换能器位置在耳机设计中很重要。耳廓前面的位置优于侧面的位置。阵列头戴式耳机可用于多声道、环绕声头戴式耳机等应用程序，其中后换能器部分可代表环绕声道，以主动控制耳杯中的反射，从而模拟“开放”头戴式耳机，以及作为具有360
°
成像特征的游戏头戴式耳机。
[0052]
图20图示了示例性双向听筒2001的部分，其具有从正面角度看设置在耳朵的前面(也称为头侧设置)的大低频换能器(例如，诸如低音扬声器的低频扬声器)2002和至少三个(例如，六个)小高频换能器2003(例如，诸如高音扬声器的高频扬声器)的阵列。分频滤波器，例如y配置中的3阶高通和低通butterworth滤波器对，在约1khz处将两者分开。低频换能器2002的直径可以为40-50mm，高频换能器2003可以为8-12mm。例如，在图20所示的设置中，六个(例如，相同的)高音扬声器被用作高频换能器2003。高频换能器2003可以并联(或串联或两者的组合)电性连接。低频换能器2002和高频换能器2003可以安装在相互平面中，例如，平面载板2004上，并且可以具有彼此对齐并且垂直于载板的主广播方向。
[0053]
假设低频换能器2002的中心z与两个垂直轴线的交点一致，即水平(前后)轴x和竖直(底部)轴y。所有高频换能器2003被设置在低频换能器2002附近，例如在曲线(诸如可以由与中心z同轴的假想圆线f定义的弧)上。轴x和y将与圆线f同轴并且直径大于圆线f的另一个假想圆线e内的区域划分为四个象限：下嘴(即底部，前)象限a、上嘴(即，顶部，前)象限b、上尾(即，顶部，前)象限c和下尾(即，底部，后)象限d。高频换能器2003中的三个位于下嘴象限a中。高频换能器2003中的两个位于上嘴象限b。高频换能器2003中的一个位于四分之一a和b之间的y轴上，即，部分包含在象限a中，并且部分包含在象限b中。例如，高频换能器2003彼此间隔相等的距离，而低频换能器2002和每个听筒的至少三个高频换能器2003具有例如彼此对齐的主广播方向。已发现图20中所示的布置满足上述要求。
[0054]
图21是图20的听筒2001的横截面顶视图，所述听筒可以形成头戴式耳机2101的一部分。听筒2001包括外壳2104，带有集成的板2004以承载低频换能器2002和高频换能器2003。听筒2001还包括两个腔，低音腔2105和高音腔2106，分别包含低频换能器2002和高频换能器2003。听筒2001具有部分开放式设计，在单独的低音扬声器和高音扬声器腔2105、
2106的背面具有大的后通风孔2107、2108，以及穿孔(呼吸)耳垫2109。与完全密封的设计相反，这种设计减少了外壳2105(例如，耳杯)中的不想要的反射。在1khz的分频点以下，封闭空间充当压力腔，其中换能器的位置没有产生影响，并且无法被检测到。
[0055]
图22示出了在通过分频滤波器重新组合之前，低音扬声器的eep频率响应(左、右)2201、2202和高音扬声器阵列的eep频率响应(左、右)2203、2204。高音扬声器的频率响应明显更平滑，并且在其频带中没有出现陷波。图23描绘了在阻塞的耳道处均衡后的组合系统的eq滤波器的频率响应(左/右)2303、2304和eep平坦响应的频率响应(左/右)2301、2302。
[0056]
图24是流程图，其基本上为图10中所示并结合该图描述的信号处理结构，在输出端具有附加的分频滤波器2501和2502。每个分频滤波器包括以y配置连接的高通滤波器2403、2404和低通滤波器2405、2406。通过这种设计，在音色、透明度、声音对象的分离和远远超出头部的前部成像方面，可以实现对传统头戴式耳机的音质的明显改进。
[0057]
上述头戴式耳机包括排列成阵列的更多数量的换能器(例如，≥3、≥5和更多)，与专用信号处理相结合以提高音调和空间精度，同时考虑到lfrc效应。换能器可以是允许将电信号转换成声音的任何可能的类型。
[0058]
数字信号处理可通过硬件、软件、固件或其任意组合实现。软件和/或固件可以存储在计算机可读介质、机器可读介质、传播信号介质和/或信号承载介质之上或之中。所述介质可包括含有、存储、传达、传播或传输可执行指令以供指令可执行系统、设备或装置使用或结合指令可执行系统、设备或装置而使用的任何装置。所述机器可读介质可选择性地是但不限于电子信号、磁信号、光学信号、电磁信号或红外信号或者半导体系统、装置、设备或传播介质。机器可读介质的示例的非详尽列表包括：磁盘或光盘、易失性存储器诸如随机存取存储器“ram”、只读存储器“rom”、可擦除可编程只读存储器(即，eprom)或快闪存储器、或光纤。机器可读介质还可包括在上面印刷有可执行指令的有形介质，因为可通过电子方式将逻辑存储为图像或呈另一格式(例如，通过光学扫描)，随后进行编译和/或解译或以其他方式处理。随后可将经处理的介质存储在计算机和/或机器存储器中。
[0059]
所述数字信号处理可包括附加的或不同的逻辑并且可通过许多不同的方式实现。可将控制器实现为微处理器、微控制器、专用集成电路(asic)、分立的逻辑或其他类型的电路或逻辑的组合。类似地，存储器可以是dram、sram、闪存或其他类型的存储器。
[0060]
已出于说明及描述目的而呈现对实施方案的描述。可鉴于以上描述来执行对实施方案的适合修改及改变，或者可通过实践方法来获取所述适合修改及改变。举例而言，除非另外指出，否则可通过适合装置及/或装置的组合来执行所描述方法中的一或多者。还可按照除在本技术案中做描述的次序之外的各种次序、并行地及/或同时地执行所描述方法及相关联动作。所描述系统在本质上是示例性的，且可包含额外元件及/或省略元件。
[0061]
如本技术案中所使用，通过单数形式并且继以词语“一个(a或an)”叙述的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非规定此类排除。此外，对本公开的“一个实施例”或“一个示例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施方案的存在。术语“第一”、“第二”及“第三”等仅用作标签，并且无意对其对象强加数值要求或特定位置次序。
[0062]
虽然已描述了本发明的各种实施方案，但所属领域的技术人员将明了，许多实施方案及实现方式在本发明的范围内是可能的。特定来说，技术人员将认识到来自不同实施
方案的各种特征的可互换性。尽管已在某些实施方案及示例的背景下公开了这些技术及系统，但将理解，可使这些技术及系统超出具体公开的实施方案扩展到其他实施方案及/或用途以及其明显修改。