有源噪声控制耳机系统的功率消耗控制，所述系统包括：耳机，其具有至少一个耳罩；至少一个扬声器，其设置在所述至少一个耳罩中；至少一个麦克风，其设置在所述至少一个耳罩中或上、被配置来提供表示所述耳罩中存在的声音的麦克风输出信号；以及至少一个有源噪声控制模块，其具有至少两个操作状态并且连接到所述至少一个扬声器的上游和所述至少一个麦克风的下游，其中在可听频率范围内的至少两个不同评估频率下评估所述麦克风输出信号以提供至少两个评估输出信号并且基于所述至少两个评估输出信号的比较改变所述至少一个有源噪声控制模块的所述操作状态。
1.一种具有功率消耗控制功能的有源噪声控制耳机系统，所述系统包括：耳机，其包括耳罩以及设置在所述耳罩中的扬声器；
麦克风，其设置在所述耳罩中或所述耳罩上，其中所述麦克风被配置来提供表示所述耳罩中存在的声音的麦克风输出信号；
有源噪声控制模块，其具有至少两个操作状态并且连接到所述扬声器的上游和所述麦克风的下游；以及评估模块，其被配置来在可听频率范围内的第一评估频率下评估所述麦克风输出信号并且提供第一评估输出信号，在可听频率范围内的第二评估频率下评估所述麦克风输出信号并且提供第二评估输出信号，将第一评估输出信号与第二评估输出信号进行比较以提供代表两个评估输出信号的差的信号，以及基于代表两个评估输出信号的差的所述信号改变所述有源噪声控制模块的所述操作状态。
所述评估模块被配置来通过比较所述较低评估频率下和所述较高评估频率下的所述麦克风输出信号的电平来评估所述麦克风输出信号；并且所述评估模块还被配置来：当所述较低评估频率下的所述麦克风输出信号的所述电平比所述较高评估频率下的所述麦克风输出信号的所述电平低给定电平差时，将所述有源噪声控制模块的所述操作状态改变为降低功率消耗状态，所述给定电平差包括零。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述降低功率消耗状态是关断状态、待机状态和低功率状态中的至少一个。
4.如权利要求1所述的系统，其中两个不同评估频率中的一个在从50Hz至300Hz的频率范围内，并且另一个在从300Hz至1800Hz的频率范围内。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述评估模块还被配置来响应于发生持续预定时间量的比较结果改变所述操作状态。
当用户佩戴所述耳机时，所述耳罩接合用户的头部以限定有限体积，所述有限体积声学地耦合到所述扬声器；
当所述耳机未被佩戴时，无限体积声学地耦合到所述扬声器；
所述扬声器具有随声学地耦合到所述扬声器的所述体积变化的阻抗；并且所述评估模块还被配置来评估所述扬声器的所述阻抗并且基于所述阻抗的评估改变所述耳机系统的操作状态。
7.如权利要求6所述的系统，其中在单个频率或单个频率范围下评估所述扬声器的所述阻抗。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述阻抗的评估包括所述阻抗与阈值的比较。
9.一种被配置来控制有源噪声控制耳机系统的功率消耗的方法，所述系统包括：耳机，其具有耳罩；扬声器，其设置在所述耳罩中；麦克风，其设置在所述耳罩中或所述耳罩上,被配置来提供表示所述耳罩中存在的声音的麦克风输出信号；以及有源噪声控制模块，其具有至少两个操作状态并且连接到所述扬声器的上游和所述麦克风的下游；所述方法包括:在可听频率范围内的第一评估频率下评估所述麦克风输出信号以提供第一评估输出信号，在可听频率范围内的第二评估频率下评估所述麦克风输出信号以提供第二评估输出信号，将第一评估输出信号与第二评估输出信号进行比较以提供代表两个评估输出信号的差的信号，以及基于代表两个评估输出信号的差的信号改变所述有源噪声控制模块的所述操作状态。
10.如权利要求9所述的方法，其中两个不同评估频率包括较低评估频率和较高评估频率；所述方法还包括：通过比较所述较低评估频率下和所述较高评估频率下的所述麦克风输出信号的电平来评估所述麦克风输出信号；以及当所述较低评估频率下的所述麦克风输出信号的所述电平比所述较高评估频率下的所述麦克风输出信号的所述电平低时，将所述有源噪声控制模块的至少一个所述操作状态改变为降低功率消耗状态。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述降低功率消耗状态是关断状态、待机状态和低功率状态中的至少一个。
12.如权利要求9所述的方法，其中两个不同评估频率中的一个在从50Hz至300Hz的频率范围内，并且另一个在从300Hz至1800Hz的频率范围内。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述方法还包括响应于发生持续预定时间量的比较结果改变所述操作状态。
14.如权利要求9-13中任一项所述的方法，其中当用户佩戴所述耳机时，所述耳罩接合用户的头部以限定有限体积，所述有限体积声学地耦合到所述扬声器；当所述耳机未被佩戴时，无限体积声学地耦合到所述扬声器；并且所述扬声器具有随声学地耦合到所述扬声器的所述体积变化的阻抗；所述方法包括：评估所述扬声器的所述阻抗；以及
15.如权利要求14所述的方法，其中在单个频率或单个频率范围下评估所述扬声器的所述阻抗。
具有功率消耗控制的有源耳机
技术领域
[0001] 本公开涉及有源耳机，具体来说涉及具有功率消耗控制的有源耳机。
背景技术
[0002] 许多便携式耗能装置和专业音频设备利用耳机以便向用户提供音频内容。耳机通常包括佩戴在用户的耳朵上并且耦合到音频设备的立体声音频通道的两个耳承。可替代地，两个耳承可共用单个音频通道或者根本不需要音频通道，如降噪耳机的情况。每个耳承包括耳罩，至少一个扬声器(即，发声变换器)设置在所述耳罩中。提供例如有源噪声控制(ANC)或无线信号传输的越来越多的有源电路也包括在耳承中(或者可单独携带)以形成有源耳机。有源耳机常常是电池供电的并且包括通断开关以打开和关闭它们。电池供电的耳机，特别是具有自动降噪电路的耳机的一个问题涉及电池寿命。拥有这些耳机的用户通常多次戴上和摘下他们的耳机，常常忘记关闭它们，从而浪费昂贵的电池寿命。此外，对于不经常使用并且在使用之间长时间储存的耳机，通断问题更糟，不仅因为它们的电池更容易失效，而且因为给电池充电或找到新电池常常不方便。
发明内容
[0003] 具有功率消耗控制的有源噪声控制耳机系统包括以下：耳机，其具有至少一个耳罩；至少一个扬声器，其设置在至少一个耳罩中；至少一个麦克风，其设置在至少一个耳罩中或上、被配置来提供表示耳罩中存在的声音的麦克风输出信号；以及至少一个有源噪声控制模块，其具有至少两个操作状态并且连接到至少一个扬声器的上游和至少一个麦克风的下游。有源噪声控制耳机系统还包括评估模块，所述评估模块被配置来在可听频率范围内的至少两个不同评估频率下评估麦克风输出信号以提供至少两个评估输出信号并且被配置来基于至少两个评估输出信号的比较改变至少一个有源噪声控制模块的操作状态。
[0004] 一种方法被配置来控制包括以下的有源噪声控制耳机系统的功率消耗：耳机，其具有至少一个耳罩；至少一个扬声器，其设置在至少一个耳罩中；至少一个麦克风，其设置在至少一个耳罩中或上、被配置来提供表示耳罩中存在的声音的麦克风输出信号；以及至少一个有源噪声控制模块，其具有至少两个操作状态并且连接到至少一个扬声器的上游和至少一个麦克风的下游。所述方法包括以下：在可听频率范围内的至少两个不同评估频率下评估麦克风输出信号以提供至少两个评估输出信号，以及基于至少两个评估输出信号的比较改变至少一个有源噪声控制模块的操作状态。
[0005] 本领域的技术人员将在查阅以下详述和附图后，了解或更清楚其他系统、方法、特征和优点。预期的是，所有此类另外系统、方法、特征和优点包括于本说明书内，包括于本发明的范围内，并由随附权利要求书来保护
附图说明
[0006] 参阅以下的描述和附图可更好地理解系统。附图中的部件不一定按比例，而是着重示出本发明的原理。此外，在附图中，相同参考数字指示所有不同视图中的对应部分。
[0007] 图1是示出具有自动模式开关的示例性ANC耳机系统的框图。
[0008] 图2是示出可在图1中示出的ANC耳机系统中应用的评估模块的示例性配置的框图。
[0009] 图3是示出可在图1中示出的ANC耳机系统中应用的评估模块的可替代或另外配置的框图。
[0010] 图4是描绘当麦克风设置在耳罩内时封闭体积、当麦克风设置在耳道内时封闭体积以及开放体积的频率上的幅值和相位曲线的图。
[0011] 图5是描绘在耦合到封闭体积的有源系统的情况下ANC模块的阻尼性能的图。
[0012] 图6是描绘耦合到封闭体积的无源系统的阻尼性能的图。
[0013] 图7是描绘不同类型的环境噪声的频谱分布的图。
[0014] 图8是描绘针对耦合到封闭和开放体积的耳机的频率上的阻抗的图。
[0015] 图9是示出用于ANC耳机系统的自动模式切换的示例性方法的流程图。
[0016] 图10是示出用于ANC耳机系统的自动模式切换的替代或另外方法的流程图。
具体实施方式
[0017] 参考图1，示例性ANC耳机系统100可包括两个耳承(为简单起见，图1省略了第二耳承)，各自具有感测麦克风101，所述感测麦克风101的位置极为靠近扬声器102。麦克风101和扬声器102都位于罩耳式耳罩103内，所述罩耳式耳罩103用垫子104夹紧到用户头部105的侧面，形成具有有限体积系统的封闭空腔106。在封闭空腔106内，感测麦克风101对存在的声音进行采样。麦克风101的输出馈送到ANC模块107，极性反转并频率补偿以提供信号，所述信号通过驱动器放大器108馈送到扬声器102以便广播降低存在于空腔106内的声学噪声的声音。此外，期望的信号109(例如，通信信号、音乐信号等)可注入到ANC耳机系统100中，其方式为使得期望的信号109不被减少，而是被忠实地再现。例如，期望的信号109可输入到减法器110，所述减法器110连接在麦克风101与ANC模块107之间，和/或输入到减法器111，所述减法器111连接在ANC模块107与驱动器放大器108之间。ANC模块107、驱动器放大器108以及其他可能电路(未示出)通过可控开关113被供应电源电压112。开关113由评估模块114控制，所述评估模块114从麦克风101并且任选地还从扬声器102接收信号。
[0018] 示例性评估模块114在图2中示出，并且可包括两个限带滤波器201和202(例如，具有窄通带的带通滤波器或峰值滤波器)以及随后的电平检测器203和204。滤波器201和202接收由麦克风101输出的信号，并且以不同的通带/峰值频率(本文还称为评估频率)操作，所述频率可处于从50Hz到300Hz和/或从300Hz到1,800Hz的频率范围内。例如，一个评估频率可以是175Hz或200Hz或者介于两者之间，并且另一个可以是700Hz或1,000Hz或介于两者之间。在电平检测器203和204中，两个评估信号的电平被检测并馈送到减法器205中，所述减法器205将表示两个评估信号电平的差的信号供应到比较器206。比较器206将来自减法器205的信号与参考值207进行比较，所述参考值207可以是任何值，包括零。例如，值207可以使得如果较高评估频率下的电平比较低评估频率下的电平高特定值(例如，20dB)，则比较器206向开关113输出信号，所述信号指示耳机未被用户佩戴，并且控制开关113应切换模式，即改变ANC模块107和驱动器放大器108的操作状态(例如，将其改变为关断状态，其中不提供功率；待机状态，其中ANC模块107和驱动器放大器108仅消耗处于几乎接通状态所需的最小功率；低功率状态，其中放大器108接通并且ANC模块107关断；或任何其他降低功率状态)。
[0019] 可替代地或另外地(例如，结合输出的OR或AND运算[未示出])，可使用示例性评估模块114，如图3所示。图3所示的评估模块114包括阻抗评估模块301，所述阻抗评估模块301确定扬声器102的频率上的瞬时阻抗。扬声器102的阻抗可根据扬声器102上的电压和通过扬声器102的电流来计算。流过扬声器102的电流可通过与扬声器102串联连接的电阻器302测量，其中电阻器302上的电压表示流过扬声器102的电流。在特定频率(或窄带频率范围)下评估扬声器102的频率上的阻抗，其中当空腔106封闭并且相关体积因此受到限制时(即，当耳机被用户佩戴时)，或者当空腔106未封闭并且相关体积因此不受限制时(即，当耳机未被用户佩戴时)操作模式之间的电平差最大。在特定频率下的电平评估可由峰值频率滤波器303、随后的电平检测器304和比较器305执行，所述比较器305将由电平检测器304输出的信号与参考值306进行比较。例如，参考值306可以使得，扬声器102的阻抗在耳机未被佩戴时高于参考值306并且在耳机被佩戴时低于参考值306。
[0020] 现在参考图4，ANC耳机通常还能够再现与除了诸如语音、音乐等的噪声消除声音之外的所有类型的声学信息相关的期望信号。通常，噪声消除声音可被接通和关断以便耳机用作ANC耳机或普通耳机。另一种选择是使用耳机仅用于噪声消除的目的，而不再现任何期望的声音。期望的声音可用于评估所谓的“辅助路径”，所述辅助路径是扬声器(诸如扬声器102)与误差麦克风(诸如麦克风101)之间的声学路径。例如，如图1所示，在包耳式(罩耳式)耳机被戴上之后，耳罩103、垫子104和用户头部105限定基本上封闭的体积系统(导致压力室效应)，当耳罩103不再与用户头部105接合时(即，当耳机不再被用户佩戴时)所述体积系统改变。类似地，可使用入耳式耳机建立压力室。由于压力室效应，扬声器102在较低频率(例如，低于300Hz)下提供比没有压力室的情况下显着更高的声压级，如从图4所示的波德图可看到的。在此图中，曲线401描绘当麦克风101设置在耳罩内时封闭体积的频率上的幅值和相位，曲线402描绘当麦克风101设置在耳道内时封闭体积的频率上的幅值和相位，并且曲线403描绘开放体积的频率上的幅值和相位。
[0021] 在对应于图4所示的示例性波德图的耳机系统中，较低评估频率可以是200Hz，并且较高评估频率可以是1,000Hz。如可看出的，当耳机未被用户佩戴时，200Hz处的电平比1,000Hz处的电平削弱大于20dB。如果存在这种条件，例如，持续大于300s，则可控制耳机系统以改变为降低功率状态。可选择评估频率和电平差以令不同的用户满意地操作，所述用户可能由于其不同的头部几何形状和诸如眼镜或发型的其他因素而导致最佳评估频率和对应的电平差的变化。为了将个人影响保持为最小，较低的评估频率可选择为高于150Hz，或者电平差可选择为高于20dB。当期望的信号由耳机再现时，供应给扬声器102的信号(或其代表的信号)或从麦克风101接收的信号(或其代表的信号)可用于评估。在这种情况下，来自麦克风101的信号对应于由扬声器102广播的信号。
[0022] 然而，可能存在这样的情况，其中不再现期望的信号，或者耳机仅旨在减少噪声而不再现期望的信号，使得声学条件不同于上面结合图4描述的条件。在没有期望的信号的情况下，仅能够充分地评估来自麦克风101的信号；然而，压力室效应仍然适用。特别是在较低频率范围内，当体积系统封闭时(即，当耳机与用户的头部接合时)，ANC模块107(例如，反馈ANC模块)仍然能够充分地降低噪声以形成压力室。相反，当体积系统开放时(即，当耳机未与用户的头部接合时)，由于在没有压力室的情况下不能产生用于消除噪声的足够的反声，噪声降低恶化。
[0023] 如可从图5中的曲线501看出的，在耦合到封闭体积的有源系统的情况下(即，当耳机与用户的头部接合时)，ANC模块的阻尼性能可在大约175Hz处具有其最大值，其中阻尼性能仍然良好，但是在低于20Hz和高于700Hz的频率下产生较差性能。在耦合到封闭体积系统的无源系统(即，不具有ANC并且具有仅由诸如耳罩、垫子等的无源阻尼部件提供的阻尼的系统)的情况下，性能对于20Hz与200Hz之间的频率是类似的，如可从图6中的曲线601看出的。相比之下，当系统耦合到开放(无限)体积时，有源和无源系统几乎不表现出阻尼，如可分别从图5和图6中的曲线502和602看出的。如可从图6进一步看出的，即使无源系统耦合到封闭体积，在200Hz以下也几乎没有阻尼。根据图4，有源系统表现出它们的峰值性能，特别是在较低频率范围内，其中无源系统性能不佳。在较高频率下，有源系统表现良好，主要是因为它们的无源特性。
[0024] 比较器206将来自减法器205的信号与参考值207进行比较，所述参考值207可以是任何值，包括零。例如，值207可以使得如果较高评估频率下的电平比较低评估频率下的电平高特定值(例如，20dB)，则比较器206向开关113输出信号，所述信号指示耳机未被用户佩戴，并且控制开关113应改变ANC模块107和驱动器放大器108的操作状态(例如，将其改变为关断状态，其中不提供功率；待机状态，其中ANC模块107和驱动器放大器108仅消耗处于几乎接通状态所需的最小功率；低功率状态，其中放大器108接通并且ANC模块107关断；或任何其他降低功率状态)。
[0025] 如果不存在期望的信号，则有源系统仍然充分地操作，因为在耳机处存在的环境噪声通常在较低频率处具有其峰值性能，如可从图7看出的。不同的环境表现出类似的环境噪声行为，如曲线701-703所描绘的，其示出当在城市(曲线701)、乡村道路(曲线702)和高速公路(曲线703)上行驶时通常存在的环境噪声电平。
[0026] 如可从图8可看出的，其示出了示例性耳机在耦合到封闭体积(曲线801)和开放体积(曲线802)时的频率上的阻抗曲线，在约45Hz的两个阻抗曲线之间存在差。可例如通过比较器(诸如图3所示的比较器305)在此特定频率下检测这个差。比较器305检测测量的阻抗是超过还是低于参考值306，所述参考值306可被选择为具有在特定频率(45Hz)下的两个曲线之间的电平。
[0027] 如图9所示，用于检测耳机到或从用户头部的接合或脱离以及用于启动或停用耳机的示例性方法可包括：接收麦克风101的输出信号(过程901)；在可听频率范围内的至少两个不同评估频率下评估输出信号以提供至少两个评估输出信号(过程902)；以及基于至少两个评估输出信号的比较改变至少一个有源噪声控制模块的操作状态(过程903)。
[0028] 如图10所示，用于检测耳机到或从用户头部的接合或脱离以及用于启动或停用耳机的替代或另外方法可包括：在至少一个评估频率下评估扬声器的阻抗(过程1001)；将评估的阻抗与参考值进行比较(过程1002)；以及基于比较改变耳机系统的操作状态(过程1003)。
[0029] 一个示例性实施方案提供用于耳机的通断开关，所述通断开关自动检测耳机到或从用户头部的接合或脱离以便启动或停用耳机系统。通断开关特别有益于节省电池供电的ANC耳机系统的电池寿命。然而，本发明通常适用于自动控制任何(有源)耳机(包括头戴式耳机、耳塞式耳机等)的操作模式，而不管电源如何。电路和/或电源(电池、电源适配器等)可集成在耳机中或与耳机分开设置。例如，如上所述，常见反馈ANC耳机可能已经提供了自动改变操作模式所需的所有硬件，使得仅需要微小的修改或另外软件。
[0030] 虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但是对于本领域的那些普通技术人员将明显的是，在本发明的范围内可以有更多的实施方案和实现方式。因此，除了根据所附权利要求及其等同物之外，本发明不受限制。
