一种自适应调节降噪增益的降噪方法、装置及降噪耳机的设计研究

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　　【摘 要】现有主动降噪耳机均无自动调节降噪增益的功能，一般只能通过物理按键，触摸按键，或手机端APP来调节降噪增益，操作不便不智能且繁琐。本设计提出一种自适应调节降噪增益的降噪方法、装置及降噪耳机，实现降噪性能智能可调，根据外界环境的当前噪声等级，设置与当前噪声等级对应的降噪增益值，这使得降噪耳机能够智能地自适应调节降噪增益，在不同场景噪声环境下，有着实时可适应的降噪效果，耳机能智能自动检测噪声等级，自动调节降噪增益，形成闭环降噪可调自动控制调节机制，有效提升降噪耳机用户体验。
　　【关键词】自适应调节降噪增益；降噪耳机
　　一、背景技术
　　主动降噪耳机是通过降噪系统产生与外界噪声相等的反相声波，并利用该反相声波去中和耳朵听到的语音信号中的噪声，从而实现降噪的效果，其原理为：先由安置于耳机内的讯号麦克风侦测耳朵能够听到的环境中的噪声，再将噪声讯号传至控制电路，控制电路进行实时运算，通过扬声器发射与噪声相位相反、振幅相同的声波来抵挡噪声，使得噪声消失。
　　现主动降噪耳机有三种类型，第一种手动开启降噪开关实现降噪且降噪增益固定；第二种通过触摸按键或电位器调节；第三种通过手机降噪APP调节。第一种必须手动实现降噪功能，降噪效果不变，长期配戴对耳膜有强烈的压迫感，功耗一直较大，不利于长时间待机。第二种已经实现降噪增益可调，解决了功耗和配戴的舒适性问题，仍须通过触摸按键或电位器来调节，容易误操作。第三种已经实现了降噪增益可调，但必须通过APP来滑动调节，才能实现其功能。
　　二、研究内容
　　本设计提供一种降噪增益智能可调的降噪耳机新技术方案。一种自适应调节降噪增益的降噪装置，包括：接收安装在耳机听筒上的麦克风，根据所述噪声信号的当前声音强度，确定当前噪声等级；设置与所述当前噪声等级对应的当前降噪增益值；按照所述当前降噪增益值，对所述噪声信号进行降噪处理。根据所述噪声信号的当前声音强度，确定外界环境的当前噪声等级包括：将所述噪声信号的当前声音强度与反映噪声等级的设定值进行比较，得到比较结果；根据所述比较结果确定外界环境的当前噪声等级。根据所述当前噪声等级判断是否进行降噪处理，如是，再设置与所述当前噪声等级对应的降噪增益值。通过查找反映噪声等级与降噪增益值之间对应关系的对照表，确定对应所述当前噪声等级的降噪增益值；设置单元用于设置所述当前降噪增益值等于确定的所述降噪增益值。本设计提出的降噪耳机包括上述自适应调节降噪增益的降噪装置，包括处理器和存储器，存储器用于存储指令，指令用于控制处理器进行操作以执行上述自适应调节降噪增益的降噪方法。
　　三、实施方式
　　本设计解决了现有无法自适应调节主动降噪耳机降噪增益的问题，具体实施方式：
　　1、接收安装在耳机听筒上的麦克风采集的语音信号，作为噪声信号。如果耳机上只安装有一个麦克风，则该麦克风采集的语音信号，作为噪声信号。如果耳机上均设置有麦克风，可以为接收安装在耳机听筒上的麦克风采集的语音信号，作为第一、二噪声信号。
　　2、根据噪声信号的当前声音强度，确定外界环境的当前噪声等级。具体方法：将第一噪声信号的当前声音强度与反映噪声等级的设定值进行比较，并根据比较结果确定当前噪声等级。其中，第一噪声信号的当前声音强度可以为当前声音强度值，也可以为在设定时间范围内声音强度的平均值或者方差等，例如，当前时间为t0，设定时间为Δt，第一噪声信号的当前声音强度可以为在（t0-Δt）时刻至t0时刻之间声音强度的平均值或者方差等。
　　第一噪声信号的当前声音强度为在设定时间范围内声音强度的平均值，这样，当外界环境中突然出现声音强度突然瞬间增大的时候，由于当前声音强度为设定时间内声音强度的平均值，因此瞬间增大的声音强度对该平均值影响较小，就可以有效解决环境噪声突变带来的干扰。
　　反映噪声等级的设定值可以为划分噪声等级的声音强度值，例如，声音强度在0-5dB范围内的噪声等级为0，声音强度在5dB-15dB范围内的噪声等级为1，声音强度在15dB-30dB范围内的噪声等级为2，声音强度在30dB以上的噪声等级为3，那么，反映噪声等级的设定值即为5dB、15dB和30dB。
　　上述的比较方法可以通过一个或者多个比较器来实现，比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。例如设定值个数为1个，那么，一个两路输入的比较器就可以实现第一噪声信号的当前声音强度与设定值之间的比较；在本设计的一个具体实施例中，设定值有3个，分别为5dB、15dB和30dB，通过3个两路输入的比较器实现第一噪声信号的当前声音强度与设定值之间的比较，具体为，将5dB、15dB和30dB对应的电压值分别作为3个比较器的基准电压值，将第一噪声信号的当前声音强度值对应的当前电压值传送至3个比较器的另一个输入端，使得当前电压值大于对应的基准电压值时，对应的比较器输出高电平1；当前电压值小于对应的基准电压值时，对应的比较器输出低电平0，这样，当前声音强度值在0-5dB范围内时，三个比较器输出的电平值例如可以分别为000；当前声音强度值在5dB-15dB范围内时，三个比较器输出的电平值例如可以分别为100；当前声音强度值在15dB-30dB范围内时，三个比较器输出的电平值例如可以分别为110；当前声音强度值在30dB以上时，三个比较器输出的电平值例如可以分别为111。确定当前噪声等级的具体方法可通过查找反映比较结果与噪声等级之间对应关系的对照表，来确定对应当前比较结果的当前噪声等级，比较结果为000对应的噪声等级为0；比较结果为100对应的噪声等级为1；比较结果为110对应的噪声等级为2，；比较结果为111对应的噪声等级为3。这样就能够通过比较结果快速确定外界环境的当前噪声等级。
　　对第一噪声信号进行低通滤波处理，得到滤波噪声信号。低通滤波处理将高频噪声信号从第一噪声信号中过滤掉，得到中低频的滤波噪声信号。由于主动降噪针对的是环境中低频噪声信号，将高频噪声信号过滤掉，可以有效防止高频噪声信号对调节降噪增益的影响，使降噪效果更好。两个耳机听筒上均设置有麦克风，将第一、二降噪信号分别发送至对应的耳机扬声器。分别对第一、二噪声信号进行主动降噪处理，扬声器发射同一听筒内的麦克风接收的语音信号的降噪信号，安装在两个耳机听筒上的麦克风及扬声器之間互不干扰。通过对应耳机听筒的扬声器发射与噪声信号相位相反、振幅照降噪增益值进行放大的降噪信号，可以使得达到降噪效果的同时，与耳膜舒适性完美结合，达到平衡。在本设计的具体实施中，降噪信号先进行滤波处理后传送至对应的耳机扬声器，这样，可以改善语音信号的信噪比，提高语音清晰度
　　四、与同类技术产品相比的优势
　　目前国内国外市场的主动降噪耳机，都没有自适应降噪这一功能，本设计可填补这一空白，自适应降噪技术将是主动降噪耳机下一代产品性能重点突破的方向，并且自适应降噪技术还可加入AI智能算法，给降噪耳机赋予新的生命，本技术在国际上属于领先地位，相关实施方法已获得中国发明专利和世界PTC专利。
　　作者简介：
　　罗育培，男，1986年4月出生，籍贯湖南株洲，民族汉族，闽南师范大学电气工程及其自动化本科毕业，高级工程师
　　（作者单位：深圳市升弘创新科技有限公司）
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