人們需要安靜且舒適的睡眠環(huán)境以便獲得安靜睡眠的全部益處。然而，實(shí)際的睡眠環(huán)境常常包括多種噪聲—例如來自睡覺伙伴的打鼾或其它噪聲；來自房屋的機(jī)器和通風(fēng)噪聲；以及來自外面的車輛和動物噪聲。理想的睡眠環(huán)境將消除這些潛在干擾聲音。

當(dāng)前的噪聲消除技術(shù)是相當(dāng)有限的。常規(guī)的主動噪聲消除技術(shù)當(dāng)用戶佩戴具有正好緊挨著耳朵的揚(yáng)聲器的頭戴耳機(jī)時(shí)在非常緊密接近的范圍內(nèi)有效。為了使用戶體驗(yàn)寂靜，他們必須佩戴噪聲消除頭戴耳機(jī)，這常常是不舒服且不方便的。諸如耳塞或白噪聲機(jī)器之類的其它解決方案并不完全有效，因?yàn)槠錅p弱或壓過噪聲而不是將其消除。

因此需要真正地消除噪聲而不會負(fù)面地影響用戶的舒適度的噪聲消除技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)所公開的主題，描述了用于多方向噪聲消除的系統(tǒng)和方法。所公開的主題在一個(gè)方面包括一種用于噪聲消除的自動化方法，包括：從在目標(biāo)區(qū)域外面的擴(kuò)音器陣列內(nèi)定位的多個(gè)擴(kuò)音器接收信號；在噪聲到達(dá)目標(biāo)區(qū)域之前從接收到的信號識別用于在目標(biāo)區(qū)域外部的噪聲的來源的噪聲和位置信息；在噪聲到達(dá)目標(biāo)區(qū)域之前，基于該噪聲和位置信息來確定用于噪聲的消除聲音；以及當(dāng)噪聲到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)播放消除噪聲，從而顯著地消除目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的噪聲。

在其它方面，波束形成算法可以用于識別用于噪聲的來源的位置信息。可以選擇波束形成算法以便使識別位置信息所需的時(shí)間最小化，使得在消除聲音被確定、播放以及到達(dá)目標(biāo)區(qū)域之前所需的總處理時(shí)間小于噪聲到達(dá)目標(biāo)區(qū)域所花費(fèi)的時(shí)間。

在其它方面，確定消除聲音可以包括確定消除聲音的定向分量以在從目標(biāo)區(qū)域附近布置的多個(gè)揚(yáng)聲器中選擇的揚(yáng)聲器上進(jìn)行播放以用于噪聲消除。

在其它方面，確定消除聲音可以包括針對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)預(yù)選空間點(diǎn)使用最小均方算法以便使預(yù)選點(diǎn)處的產(chǎn)生的聲音最小化。

該自動化方法還可以包括步驟：從多個(gè)擴(kuò)音器接收第二信號；從第二信號識別用于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的第二噪聲的來源的第二噪聲和第二位置信息；基于應(yīng)用于第二噪聲和第二位置信息的反饋等式來確定用于第二噪聲的第二消除聲音；以及播放消除聲音以使第二噪聲最小化。

在另一方面，所公開的主題包括一種用于噪聲消除的系統(tǒng)，包括：擴(kuò)音器陣列，其被定位成檢測在目標(biāo)區(qū)域外面的噪聲；控制器，其被配置成從擴(kuò)音器陣列接收數(shù)據(jù)，使用波束形成來識別所檢測噪聲的細(xì)節(jié)，并生成消除噪聲；以及多個(gè)揚(yáng)聲器，其被配置成播放從控制器接收到的消除噪聲。所述陣列、所述控制器以及所述多個(gè)揚(yáng)聲器被配置成使得與噪聲到達(dá)擴(kuò)音器、擴(kuò)音器檢測到在目標(biāo)區(qū)域外面的噪聲、控制器接收并處理表示那些噪聲的數(shù)據(jù)并生成消除噪聲、在揚(yáng)聲器上播放消除噪聲以及消除噪聲到達(dá)目標(biāo)區(qū)域相關(guān)聯(lián)的總時(shí)間延遲小于噪聲到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的時(shí)間。

在其它方面，可以將陣列、控制器以及揚(yáng)聲器全部被布置在單個(gè)便攜式設(shè)備中。在某些實(shí)施例中，該設(shè)備可以是枕頭。枕頭的表面之上的目標(biāo)區(qū)域可以是枕頭被成形并配置成接收頭部的地方。

在仔細(xì)閱讀以下附圖、詳細(xì)描述以及權(quán)利要求之后將更全面地理解公開主題的實(shí)施例的這些及其它能力。

附圖說明

附圖并不意圖按比例描繪。各種圖中的相同的附圖標(biāo)記指示相同元件。為了明了起見，在每個(gè)圖中并未對每個(gè)部件加標(biāo)簽。

圖1是示出如在本領(lǐng)域中已知的噪聲消除的框圖。

圖2是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的噪聲消除架構(gòu)的框圖。

圖2A是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的具有冗余擴(kuò)音器陣列的波束形成的示意圖。

圖3是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的用于參考波束形成的波束形成方法的示意圖。

圖4是描繪了根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的多個(gè)指定點(diǎn)處的誤差檢測的示意圖。

圖5是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的冗余擴(kuò)音器陣列可如何布置的示意圖。

圖6是描繪了根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的枕頭內(nèi)的揚(yáng)聲器布置的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明擴(kuò)展了用于一對一噪聲選擇的已知技術(shù)，并且考慮到波束形成和各種聲學(xué)原理，提供了用于多對多噪聲消除的系統(tǒng)。圍繞著目標(biāo)區(qū)域放置擴(kuò)音器陣列，使得其能夠檢測到源自于目標(biāo)區(qū)域外面的噪聲。在噪聲到達(dá)目標(biāo)區(qū)域之前，擴(kuò)音器向被優(yōu)化成能夠計(jì)算并在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)生成噪聲消除信號的電路發(fā)送信號。

圖1示出用于單源噪聲消除、特別是用于主動噪聲消除的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。第一擴(kuò)音器102產(chǎn)生參考信號r(n)，而第二誤差擴(kuò)音器104產(chǎn)生誤差信號e(n)。在某些實(shí)施方式中，可向與自適應(yīng)噪聲消除公式相關(guān)聯(lián)的模塊饋送信號饋送r(n)、e(n)中的每一個(gè)：可向前饋ANC模塊106饋送r(n)，同時(shí)使用e(n)作為用于反饋ANC模塊108的輸入?？蓪⒛切┠K的輸入饋送到合成模塊110并使用輸出來在一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器112處產(chǎn)生消除信號。

存在關(guān)于圖1架構(gòu)的變體，包括僅參考信號或僅誤差信號的使用而沒有另一個(gè)，但是這些變體共有在不考慮位置和方向的情況下將噪聲源和噪聲消除區(qū)域視為單個(gè)信號的缺點(diǎn)。

圖2示出了用于解決噪聲消除中的多對多信號情況的改進(jìn)架構(gòu)。在這里，使用冗余擴(kuò)音器陣列202，其中擴(kuò)音器間隔開并位于目標(biāo)區(qū)域220周圍以提供有意義的位置和方向信息。圖2A示出擴(kuò)音器陣列202如何從目標(biāo)區(qū)域220和噪聲源222兩者接收聲音和同一擴(kuò)音器如何能夠從超過一個(gè)源接收多個(gè)聲音。

如圖2所示，擴(kuò)音器陣列202向參考模塊204和誤差模塊206中的每一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)。在某些實(shí)施方式中，參考模塊204和誤差模塊206中的每一個(gè)包括波束形成等式，由此，可以使用可由擴(kuò)音器陣列導(dǎo)出的位置和方向信息來確定一個(gè)或多個(gè)聲音信號的源和方向。參考模塊204對根據(jù)用波束形成來計(jì)算方向矢量的結(jié)果源自于目標(biāo)區(qū)域220外面的聲音進(jìn)行隔離，而誤差模塊206對源自于目標(biāo)區(qū)域220內(nèi)部的聲音進(jìn)行隔離。產(chǎn)生的參考數(shù)據(jù)r(n)和誤差數(shù)據(jù)e(n)可包括表示處理來自擴(kuò)音器陣列的數(shù)據(jù)的結(jié)果的多個(gè)位置和振幅矢量。

產(chǎn)生的波束形成參考數(shù)據(jù)r(n)之后被傳遞到前饋ANC模塊208，如上所述，其包括提供用于參考數(shù)據(jù)的消除的參數(shù)優(yōu)化。同時(shí)，波束形成誤差數(shù)據(jù)e(n)被傳遞至反饋ANC模塊210，如上所述，其包括根據(jù)誤差數(shù)據(jù)提供消除的參數(shù)優(yōu)化。聚合模塊212接收ANC模塊208、210兩者的結(jié)果，并形成消除信號y(n)，其再次地可包括定向分量。通過多個(gè)定位的定向揚(yáng)聲器214播放消除信號y(n)，所述多個(gè)定位的定向揚(yáng)聲器214相對于目標(biāo)區(qū)域220被定位，從而適當(dāng)?shù)剡f送從模塊204、206、208、210和212計(jì)算的定向消除信號。

圖3是示出來自冗余擴(kuò)音器陣列的波束形成的示例的數(shù)字邏輯圖。針對冗余陣列中的每個(gè)擴(kuò)音器302，基于諸如傅立葉變換之類的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和空間相關(guān)技術(shù)將信號分解成許多相位分量S₀、S₁、S₂、...、S_n。在將加權(quán)平均在用于該擴(kuò)音器302的聚合模塊304處求和之前，然后根據(jù)相應(yīng)加權(quán)因數(shù)W_i對針對i＝1至n的每個(gè)分量Si進(jìn)行加權(quán)，所述相應(yīng)加權(quán)因數(shù)W_i針對用于每個(gè)擴(kuò)音器的每個(gè)分量可不同?；诔跏夹?zhǔn)序列來確定加權(quán)因數(shù)W_i，并且系統(tǒng)的維護(hù)可涉及到周期性重新校準(zhǔn)(其在某些實(shí)施方式中可以是自動化程序)。該信號還可通過濾波器306，其可對信號的某些特征進(jìn)行平滑化，或者消除在閾值頻率以下的信號分量作為靜態(tài)的。另一聚合模塊308接收已轉(zhuǎn)換、已處理以及已清潔信號中的每一個(gè)，并將其組合成反映每個(gè)接收到的信號的數(shù)據(jù)。由于可同時(shí)地檢測多個(gè)噪聲源，所以系統(tǒng)可能能夠在參考數(shù)據(jù)內(nèi)一次對多個(gè)噪聲進(jìn)行隔離、輪廓描繪以及波束形成。

圖4示出了在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中如何可借助于如本文所述的反饋算法選擇目標(biāo)區(qū)域420中的特定點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)噪聲最小化。例如，如所示的來自x₁的聲音可由擴(kuò)音器陣列402的多個(gè)擴(kuò)音器檢測到，并且額外點(diǎn)x₂-x_n中的每一個(gè)處的噪聲也可由陣列402檢測到。在一個(gè)實(shí)施方式中，等式可尋找在點(diǎn)x₁-x_n處產(chǎn)生的所有信號的最小均方，將這些點(diǎn)取作與所有點(diǎn)處的零聲音的“真實(shí)”(期望)值的誤差。

用于適當(dāng)噪聲消除的要求中的一個(gè)是必須使接收到噪聲信號與用消除聲音進(jìn)行響應(yīng)之間的全時(shí)間延遲最小化。必須考慮該時(shí)間延遲，并且超過某個(gè)閾值的時(shí)間延遲將不允許對環(huán)境噪聲條件的及時(shí)響應(yīng)。

用于架構(gòu)的總時(shí)序要求是其大體上滿足下式：

T_nm+T_refB+T_SigP+T_st<＝T_nt

其中，T_nm是從噪聲源到檢測擴(kuò)音器的最大時(shí)間延遲，T_refB是從由擴(kuò)音器的檢測和轉(zhuǎn)換至波束形成參考信號的時(shí)間，T_SigP是信號處理模塊中的計(jì)算延遲，T_st是從揚(yáng)聲器到目標(biāo)區(qū)域的聲學(xué)延遲。所有這些元素共同地表示的總時(shí)間延遲必須小于或等于T_nT，即用于聲音從噪聲源行進(jìn)到目標(biāo)的時(shí)間，以使系統(tǒng)能夠有效地消除噪聲。下面簡要地論述這些元素中的每一個(gè)。

為了使T_refB最小化，可以使用多種不同算法來執(zhí)行波束形成，但是在本公開內(nèi)容的某些實(shí)施方式中，波束形成可局限于最小二乘方、最小均方、矩陣求逆、常數(shù)模數(shù)以及決策引導(dǎo)算法中的一個(gè)。針對在過程中引入過度延遲，對某些時(shí)間密集算法(諸如遞歸最小二乘方)不予考慮。

為了使T_SigP最小化，可在基于那些算法的相對速度在信號響應(yīng)的計(jì)算中針對某些模塊選擇某些算法。具有最小計(jì)算延遲的數(shù)字信號處理是優(yōu)選的。在某些實(shí)施方式中，并行處理電路(諸如使用脈動陣列來從擴(kuò)音器陣列的元件接收并操縱數(shù)據(jù))可幫助使由數(shù)字信號處理引入的延遲最小化。在信號處理模塊包括參數(shù)優(yōu)化的使用的情況下，在某些實(shí)施方式中，可將在優(yōu)化程序中使用的參數(shù)值直接地嵌入硬件中以避免與從存儲器獲取和讀取變量相關(guān)聯(lián)的延遲。可以實(shí)現(xiàn)如本領(lǐng)域中已知的對數(shù)字信號處理硬件的其它優(yōu)化以滿足系統(tǒng)的總體時(shí)序要求。

系統(tǒng)元件的定位對于使T_nm和T_st兩者明顯地小于T_nT而言是關(guān)鍵的。擴(kuò)音器陣列需要被配置成使得檢測到特定噪聲的那些擴(kuò)音器明顯地比目標(biāo)區(qū)域更接近于該噪聲。除使擴(kuò)音器寬間隔以允許此操作之外，系統(tǒng)還應(yīng)使此考慮局限于最清楚地滿足此限制的選定數(shù)目的擴(kuò)音器。在某些實(shí)施方式中，因此，系統(tǒng)將局限于處理對于擴(kuò)音器的特定子集而言在擴(kuò)音器的與目標(biāo)區(qū)域相對的一側(cè)的噪聲。

為了使T_st最小化，揚(yáng)聲器應(yīng)在切合實(shí)際的情況下盡可能接近于目標(biāo)區(qū)域，同時(shí)仍提供所需的方向性以在不同的方向上準(zhǔn)確地消除檢測到的噪聲。在某些實(shí)施方式中，系統(tǒng)可由于噪聲源的方向和由每個(gè)揚(yáng)聲器引入的預(yù)期延遲而相比于其它揚(yáng)聲器選擇某些揚(yáng)聲器。

在某些實(shí)施方式中，系統(tǒng)可包括周期性校準(zhǔn)階段，在該階段中對用于波束形成和ANC模塊的不同信號應(yīng)用最佳加權(quán)。這些加權(quán)可在系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)噪聲消除操作期間保持恒定，以便如上所述地減小等待時(shí)間并滿足時(shí)間延遲準(zhǔn)則。然而，如果誤差信號e(n)超過確立的閾值，則系統(tǒng)可以自動地執(zhí)行另一校準(zhǔn)步驟以便適應(yīng)于其中不可接受的噪聲量穿透目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境。

圖5和圖6示出噪聲消除枕頭500形式的根據(jù)本公開內(nèi)容的噪聲消除系統(tǒng)的實(shí)施例。如圖5所示，枕頭500可包括大型擴(kuò)音器陣列502，其具有覆蓋枕頭500的大部分上表面的數(shù)十個(gè)軟擴(kuò)音器元件。在某些實(shí)施方式中，用戶可具有(優(yōu)選地聲音可透過)蓋體，諸如用以放置在陣列502上的枕頭套，但是如所示，用戶可在使用枕頭500時(shí)將頭直接地放在陣列502上。

如圖6所示，多個(gè)揚(yáng)聲器504在圍繞著邊緣散布的位置處位于枕頭500的表面下面。雖然示出了三個(gè)揚(yáng)聲器504，但將理解的是根據(jù)本公開的不同實(shí)施例可使用更多或更少的揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器的聲學(xué)性質(zhì)(包括與坐在揚(yáng)聲器504之上和周圍的枕頭500相關(guān)聯(lián)的任何軟材料的聲學(xué)性質(zhì))是已知的，并且被噪聲消除處理考慮在內(nèi)。如所示，數(shù)字處理在控制器506中發(fā)生，控制器506與陣列502和揚(yáng)聲器504中的每一個(gè)兩者電連通。所有電氣部件可以是電池供電的或者通過用插頭插入電繩(未示出)中來供電。

應(yīng)理解的是所公開的主題在其應(yīng)用方面不限于在以下描述中闡述或在圖中示出的部件的布置和構(gòu)造的細(xì)節(jié)。所公開的主題能夠有其它實(shí)施例并以各種方式實(shí)施和執(zhí)行。并且，應(yīng)理解的是本文所采用的措辭和術(shù)語是用于描述的目的且不應(yīng)被視為限制性的。

同樣地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到可容易地利用本公開所基于的概念作為用于設(shè)計(jì)用于執(zhí)行所公開的主題的多個(gè)目的的其它結(jié)構(gòu)、方法以及系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，重要的是將權(quán)利要求視為包括此類等價(jià)構(gòu)造，只要其不脫離所公開的主題的精神和范圍即可。

雖然在前述示例性實(shí)施例中已描述并舉例說明了所公開的主題，但應(yīng)理解的是本公開內(nèi)容僅僅是以示例的方式實(shí)現(xiàn)的，并且在不脫離僅僅由隨后的權(quán)利要求限制的所公開的主題的精神和范圍的情況下可以實(shí)現(xiàn)所公開的主題的實(shí)施方式的細(xì)節(jié)方面的許多改變。

“應(yīng)用”或“界面”本身并不是軟件，并且包括被配置成執(zhí)行計(jì)算機(jī)可讀指令的至少某些有形的非臨時(shí)硬件。另外，短語“基于”并不意味著排他性——例如，如果X是基于A，X也可以是基于B、C和/或D。