一種自適應調節降噪增益的降噪方法、裝置及降噪耳機的設計研究

【摘 要】現有主動降噪耳機均無自動調節降噪增益的功能，一般只能通過物理按鍵，觸摸按鍵，或手機端APP來調節降噪增益，操作不便不智能且繁瑣。本設計提出一種自適應調節降噪增益的降噪方法、裝置及降噪耳機，實現降噪性能智能可調，根據外界環境的當前噪聲等級，設置與當前噪聲等級對應的降噪增益值，這使得降噪耳機能夠智能地自適應調節降噪增益，在不同場景噪聲環境下，有著實時可適應的降噪效果，耳機能智能自動檢測噪聲等級，自動調節降噪增益，形成閉環降噪可調自動控制調節機制，有效提升降噪耳機用戶體驗。

【關鍵詞】自適應調節降噪增益；降噪耳機

一、背景技術

主動降噪耳機是通過降噪系統產生與外界噪聲相等的反相聲波，并利用該反相聲波去中和耳朵聽到的語音信號中的噪聲，從而實現降噪的效果，其原理為：先由安置于耳機內的訊號麥克風偵測耳朵能夠聽到的環境中的噪聲，再將噪聲訊號傳至控制電路，控制電路進行實時運算，通過揚聲器發射與噪聲相位相反、振幅相同的聲波來抵擋噪聲，使得噪聲消失。

現主動降噪耳機有三種類型，第一種手動開啟降噪開關實現降噪且降噪增益固定；第二種通過觸摸按鍵或電位器調節；第三種通過手機降噪APP調節。第一種必須手動實現降噪功能，降噪效果不變，長期配戴對耳膜有強烈的壓迫感，功耗一直較大，不利于長時間待機。第二種已經實現降噪增益可調，解決了功耗和配戴的舒適性問題，仍須通過觸摸按鍵或電位器來調節，容易誤操作。第三種已經實現了降噪增益可調，但必須通過APP來滑動調節，才能實現其功能。

二、研究內容

本設計提供一種降噪增益智能可調的降噪耳機新技術方案。一種自適應調節降噪增益的降噪裝置，包括：接收安裝在耳機聽筒上的麥克風，根據所述噪聲信號的當前聲音強度，確定當前噪聲等級；設置與所述當前噪聲等級對應的當前降噪增益值；按照所述當前降噪增益值，對所述噪聲信號進行降噪處理。根據所述噪聲信號的當前聲音強度，確定外界環境的當前噪聲等級包括：將所述噪聲信號的當前聲音強度與反映噪聲等級的設定值進行比較，得到比較結果；根據所述比較結果確定外界環境的當前噪聲等級。根據所述當前噪聲等級判斷是否進行降噪處理，如是，再設置與所述當前噪聲等級對應的降噪增益值。通過查找反映噪聲等級與降噪增益值之間對應關系的對照表，確定對應所述當前噪聲等級的降噪增益值；設置單元用于設置所述當前降噪增益值等于確定的所述降噪增益值。本設計提出的降噪耳機包括上述自適應調節降噪增益的降噪裝置，包括處理器和存儲器，存儲器用于存儲指令，指令用于控制處理器進行操作以執行上述自適應調節降噪增益的降噪方法。

三、實施方式

本設計解決了現有無法自適應調節主動降噪耳機降噪增益的問題，具體實施方式：

1、接收安裝在耳機聽筒上的麥克風采集的語音信號，作為噪聲信號。如果耳機上只安裝有一個麥克風，則該麥克風采集的語音信號，作為噪聲信號。如果耳機上均設置有麥克風，可以為接收安裝在耳機聽筒上的麥克風采集的語音信號，作為第一、二噪聲信號。

2、根據噪聲信號的當前聲音強度，確定外界環境的當前噪聲等級。具體方法：將第一噪聲信號的當前聲音強度與反映噪聲等級的設定值進行比較，并根據比較結果確定當前噪聲等級。其中，第一噪聲信號的當前聲音強度可以為當前聲音強度值，也可以為在設定時間范圍內聲音強度的平均值或者方差等，例如，當前時間為t0，設定時間為Δt，第一噪聲信號的當前聲音強度可以為在（t0-Δt）時刻至t0時刻之間聲音強度的平均值或者方差等。

第一噪聲信號的當前聲音強度為在設定時間范圍內聲音強度的平均值，這樣，當外界環境中突然出現聲音強度突然瞬間增大的時候，由于當前聲音強度為設定時間內聲音強度的平均值，因此瞬間增大的聲音強度對該平均值影響較小，就可以有效解決環境噪聲突變帶來的干擾。

反映噪聲等級的設定值可以為劃分噪聲等級的聲音強度值，例如，聲音強度在0-5dB范圍內的噪聲等級為0，聲音強度在5dB-15dB范圍內的噪聲等級為1，聲音強度在15dB-30dB范圍內的噪聲等級為2，聲音強度在30dB以上的噪聲等級為3，那么，反映噪聲等級的設定值即為5dB、15dB和30dB。

上述的比較方法可以通過一個或者多個比較器來實現，比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。例如設定值個數為1個，那么，一個兩路輸入的比較器就可以實現第一噪聲信號的當前聲音強度與設定值之間的比較；在本設計的一個具體實施例中，設定值有3個，分別為5dB、15dB和30dB，通過3個兩路輸入的比較器實現第一噪聲信號的當前聲音強度與設定值之間的比較，具體為，將5dB、15dB和30dB對應的電壓值分別作為3個比較器的基準電壓值，將第一噪聲信號的當前聲音強度值對應的當前電壓值傳送至3個比較器的另一個輸入端，使得當前電壓值大于對應的基準電壓值時，對應的比較器輸出高電平1；當前電壓值小于對應的基準電壓值時，對應的比較器輸出低電平0，這樣，當前聲音強度值在0-5dB范圍內時，三個比較器輸出的電平值例如可以分別為000；當前聲音強度值在5dB-15dB范圍內時，三個比較器輸出的電平值例如可以分別為100；當前聲音強度值在15dB-30dB范圍內時，三個比較器輸出的電平值例如可以分別為110；當前聲音強度值在30dB以上時，三個比較器輸出的電平值例如可以分別為111。確定當前噪聲等級的具體方法可通過查找反映比較結果與噪聲等級之間對應關系的對照表，來確定對應當前比較結果的當前噪聲等級，比較結果為000對應的噪聲等級為0；比較結果為100對應的噪聲等級為1；比較結果為110對應的噪聲等級為2，；比較結果為111對應的噪聲等級為3。這樣就能夠通過比較結果快速確定外界環境的當前噪聲等級。

對第一噪聲信號進行低通濾波處理，得到濾波噪聲信號。低通濾波處理將高頻噪聲信號從第一噪聲信號中過濾掉，得到中低頻的濾波噪聲信號。由于主動降噪針對的是環境中低頻噪聲信號，將高頻噪聲信號過濾掉，可以有效防止高頻噪聲信號對調節降噪增益的影響，使降噪效果更好。兩個耳機聽筒上均設置有麥克風，將第一、二降噪信號分別發送至對應的耳機揚聲器。分別對第一、二噪聲信號進行主動降噪處理，揚聲器發射同一聽筒內的麥克風接收的語音信號的降噪信號，安裝在兩個耳機聽筒上的麥克風及揚聲器之間互不干擾。通過對應耳機聽筒的揚聲器發射與噪聲信號相位相反、振幅照降噪增益值進行放大的降噪信號，可以使得達到降噪效果的同時，與耳膜舒適性完美結合，達到平衡。在本設計的具體實施中，降噪信號先進行濾波處理后傳送至對應的耳機揚聲器，這樣，可以改善語音信號的信噪比，提高語音清晰度

四、與同類技術產品相比的優勢

目前國內國外市場的主動降噪耳機，都沒有自適應降噪這一功能，本設計可填補這一空白，自適應降噪技術將是主動降噪耳機下一代產品性能重點突破的方向，并且自適應降噪技術還可加入AI智能算法，給降噪耳機賦予新的生命，本技術在國際上屬于領先地位，相關實施方法已獲得中國發明專利和世界PTC專利。

作者簡介：

羅育培，男，1986年4月出生，籍貫湖南株洲，民族漢族，閩南師范大學電氣工程及其自動化本科畢業，高級工程師

（作者單位：深圳市升弘創新科技有限公司）