具体实施方式

自动校准方法

现在将详细描述自动校准实施方案的入耳式耳机的方法。

图1示出了自动校准入耳式耳机的方法的简化流程图。所述方法可由如图21和图22中所示的入耳式耳机执行，所述入耳式耳机包括驱动器、第一麦克风和集成电路。下文论述了所述入耳式耳机的其他细节。在步骤102处，当将入耳式耳机放置在用户耳道内时，入耳式耳机的集成电路生成声音信号以向用户播放。所述声音信号可以是由入耳式耳机的集成电路生成的对数扫描并且可具有一秒的持续时间。所述声音信号可由入耳式耳机的驱动器播放，其中所述驱动器可以是能够向用户回放高质量声音的任何众所周知的扬声器。另外，驱动器可以是动态(动圈)类型驱动器，并且可具有5mm至8mm的直径、平衡电枢(BA)驱动器或以上两者的组合。

由驱动器播放的声音信号将从用户的鼓膜反射，并且在步骤104处，入耳式耳机的第一麦克风接收所反射的声音信号。所反射的声音信号从第一麦克风传输到集成电路，在步骤106处，所述集成电路基于在第一麦克风处接收的所反射的声音信号使用众所周知的信号处理方法生成频率响应。在频率响应在低频处下降的情况下(这指示在耳道入口处(即，在耳机与用户耳朵之间)存在较差的密封)，集成电路可生成错误消息。图2示出了基于用于四个测试人的对数扫描而生成的频率响应的示例。如图2中所示，四个测试人的示例性频率响应不同，从而证明是需要对入耳式耳机进行单独校准的。

在步骤108处，集成电路可根据所测得的频率响应生成用户鼓膜响应。例如，集成电路可使用简单的二级声学传输线在第一所记录的最小频率下得到用户耳道的未知长度。在声学传输线(具有恒定横截面的导管)中，可通过使输出向量乘以传输矩阵C而从输出变量p_out和q_out计算出输入声音压力p_in和体积速度q_in，如下：

(l＝导管长度，A＝横截面面积，α＝衰减系数，并且Z_T＝输入阻抗)。

在所述实施方案中，从耳机驱动器到入耳式耳机的出口孔和耳道的通道被视为两条单独的传输线(‘通道’在本文还被称为‘喷嘴’或‘连接管道’)。两条传输线的级联C＝C_1*C₂，其中C₁表示喷嘴(即，在驱动器与入耳式耳机的端部之间的传输线/通道/连接管道)，并且C₂表示耳道，其更长并且具有更大的半径。因此，考虑到从入耳式耳机的喷嘴的小直径到耳道的更大直径的突然转变，从而导致更准确地测量用户耳道处的频率响应。在一个实施方案中，所述计算将鼓膜的内壁近似估计为硬反射表面；因此可将输出速度q_out设定为零。在所述近似下，可如下计算鼓膜压力传递函数H_D＝p_out/p_in：

可使用未知的参数l₁、l₂、A₁、A₂、α₁和α₂根据第一麦克风处的所测得的响应来确定鼓膜压力。在一个实施方案中，可针对衰减系数α₁和α₂使用固定值，诸如0.02。然而，可改变衰减系数以实现更准确的结果，如将在稍后描述。喷嘴长度l₁是固定的(例如，为6mm)。

可根据在喷嘴处的所测得的频率响应函数的第一所记录的最小值f_m导出耳道l₂的其余的未知长度参数，所述最小值f_m可在900Hz与2100Hz之间变化，如图2中所示。此最小值在频率f_m处对应于压力传递函数H_D的零。为了获得可用的等式，可考虑无衰减的情况(例如，通过将系数α₁和α₂设定为0)，并且可使用sin/cos项来代替sinh/cosh，从而导致以下等式：

随后可如下计算出未知的参数α₂：

因此，可将l₂确定为l₂＝(c/2π)α₂。

在一个实施方案中，可向用户提供具有若干外径不同但第一声学传输线的(喷嘴)的尺寸相同的耳尖的入耳式耳机。因此，用户可选择与他们自身的耳朵最佳配合的耳尖，但第一声学传输线(喷嘴)的尺寸将仍然相同。外径值和内径值可存储在入耳式耳机的集成电路中。当执行所述方法时，用户可输入用户已经选择了多个耳尖中的哪个耳尖(例如，通过入耳式耳机上的物理开关、入耳式耳机上的用户界面、从入耳式耳机到控制器(诸如智能电话)的有线或无线连接，或者它们的任何组合)，从而允许由入耳式耳机计算出耳道与喷嘴面积比(A₂/A₁)。

图3示出了实施方案的麦克风均衡器函数(例如，使用两个双二阶的低阶滤波器)，所述麦克风均衡器函数可应用于入耳式耳机的第一麦克风(即，附着到入耳式耳机的通道/喷嘴/传输线的第一麦克风)，以由于充当传输线的如图21中所示的麦克风连接管道而补偿由第一麦克风测得的频率响应。

可通过将由第一麦克风记录的频率响应与由在入耳式耳机外部(即，不具有附接到入耳式耳机的管道)的与所述第一麦克风相同类型的麦克风记录的频率响应进行比较来确定麦克风均衡器。这可使用以下测试布置来执行：声音源可耦合到简单声学耦合器(例如，泡沫管)的一端，并且入耳式耳机可耦合到声学耦合器的相对的端部。如上文所论述，声音源可回放对数扫描，所述对数扫描可由入耳式耳机记录和存储(结果请看图4)，以演示喷嘴麦克风记录到什么。可将简单的二级声学传输线计算(如上文所论述)应用于图4的所记录的结果，其中C₁表示喷嘴(即，在第一麦克风与入耳式耳机的端部之间的传输线)，并且C₂表示更长并且具有更大半径的简单声学耦合器(即，泡沫管)。应用二级传输线计算实现由喷嘴麦克风接收的频率响应的更准确的模型，在图5中示出了其结果。

可使用与入耳式耳机中相同类型的麦克风(即，第一麦克风)重复所述测试布置，但所述麦克风直接耦合到声学耦合器(即，不具有附接到所述麦克风的通道/传输线)，并且由所述麦克风记录和存储结果(结果请看图6)，以演示在不具有麦克风管道的情况下由所述麦克风记录的频率响应。单独地比较来自入耳式耳机内的麦克风的测试布置和麦克风的测试布置(分别在图5和图6中示出)的结果演示出在管道中损失了哪些频率。如上文所论述，图3的麦克风均衡器可应用于入耳式耳机的第一麦克风以确保由用户的耳道中的入耳式耳机测得的频率响应考虑到连接管道的损耗，从而导致对用户鼓膜响应的更准确的测量。

图7到图9示出了基于如上文描述的步骤的在以下两者之间的比较：在入耳式耳机的第一麦克风处测得的频率响应(即，在应用二级传输线计算和麦克风均衡器之前)；和三个测试人的用户鼓膜的计算出的频率响应(即，在应用二级传输线计算和麦克风均衡器两者之后)。

在确定了用户鼓膜响应之后，在步骤110处，入耳式耳机的集成电路可生成第二声音信号，其中所述第二声音信号可以是从单独的音频输入(例如，膝上型计算机、智能电话、MP3播放器或类似物)接收的信号。

在步骤112处，入耳式耳机的集成电路可如上文所论述通过向第二声音信号应用均衡器函数而基于用户鼓膜响应来修改第二声音信号，这考虑到用户鼓膜响应。可通过耦合到集成电路的均衡器来应用均衡器函数。

在步骤114处，可将经修改的第二声音信号传输到入耳式耳机的驱动器，并且随后由驱动器播放，使得如上文概述根据用户鼓膜响应来单独地定制经修改的第二声音信号。因此，可在整个频率范围上更改用户鼓膜处的频率响应，使得用户体验到由驱动器生成的预期声音。

在一个实施方案中，可进一步基于用户特有的目标函数来修改第二声音信号。可通过根据外部声音源(诸如外部扩音器)在用户耳道的入口处生成频率响应来测量用户特有的目标函数。换句话说，用户特有的目标函数识别如何通过用户耳朵的个体特征(诸如耳廓和耳道)的衍射和反射以及用户对外部声波的对应的鼓膜响应来对外部声波输入进行滤波。进一步的修改可朝向用户特有的目标函数更改第二声音信号，使得用户体验到由驱动器生成的预期声音。

为了准确地测量用户特有的目标函数，可使用测试麦克风布置来测量来自外部声音源的开放的鼓膜响应，所述测试麦克风布置包括用于左耳和右耳的如图23和图24中所示的两个相同的麦克风以及集成电路。可将麦克风放置在用户耳道入口1mm至5mm内。下文关于图23和图24论述了所述测试麦克风布置的其他细节。可由外部声音源(例如，扩音器)生成第三声音信号(诸如对数扫描)，所述外部声音源可放置成使得它们分别与用户的脸向左和向右成直角(90°)。因此，可确保准确且直接的声音信号。测试麦克风布置的麦克风可在用户耳道的入口处记录第三声音信号，并且将所记录的第三声音信号传输到测试麦克风布置的集成电路，所述第三声音信号可存储在所述集成电路中。替代地，可将所记录的第三声音信号直接传输到入耳式耳机的集成电路，其中所述测试麦克风布置可耦合(有线或无线地)到入耳式耳机。

入耳式耳机的集成电路或测试麦克风布置的集成电路可分别基于用户左耳和右耳处的所记录的第三声音信号的单级声学传输线模型的逆传递函数H_EQ而生成用户左耳和右耳的频率响应。如上文具有q_out＝0的逆传递函数H_EQ对应于：

其具有衰减系数α和第一峰值频率f_c。此函数可用于从位于耳道的入口处的麦克风(或者换句话说，用户特有的目标函数)预测鼓膜响应，并且识别来自外部源的哪些特定声音频率对于个人来说更普遍或更不普遍。图10示出了在三个用户的左耳道和右耳道的鼓膜处的三个测试人的示例性频率响应(即，目标函数)。所测得的频率响应(目标函数)方面的差异表明了需要对在用户听筒处重现的声音进行单独修改(校准)。

入耳式耳机的集成电路(例如，耦合到集成电路的均衡器)可进一步朝向所生成的用户特有的目标函数的频率曲线来修改上述第二声音信号，从而使用户耳道的鼓膜处的频率响应达到更合意的水平。

在用户特有的目标函数的以上测量中，可依据第三声音源所处的地方(例如，侧面或正面)而引入可听声音染色。为了避免此类染色，可记录来自围绕头分布的来源的频率响应的平均值。替代地，可在来自多声道家庭影院系统或混响室的扩散声场中执行测试以最小化声音染色。然而，所述测量难以在相同的参数下重复，并且依据测试人员的耳道形状、麦克风的正确安放等，所述测量仍然可能导致不准确的结果。

为了解决声音染色的问题，可另外从闭合(与开放形成对比)鼓膜响应测量用户特有的目标函数，其中可由入耳式耳机内的第二麦克风(面向外，并且与第一麦克风相反)测量来自外部声音源的闭合鼓膜响应。入耳式耳机，诸如关于图21和图22所描述的入耳式耳机，可放置在用户的左耳道和右耳道中，其中每个(左和右)入耳式耳机的第二麦克风面向耳道外，其中入耳式耳机与用户的外耳(耳廓)齐平定位。因此，每个入耳式耳机的第二麦克风可记录用户耳道的入口处的相同的第三声音信号，并且将所记录的声音信号传输到每个(左和右)入耳式耳机的集成电路。每个入耳式耳机的集成电路随后可生成频率响应(即，左耳和右耳处的用户特有的目标函数)。类似地，每个入耳式耳机的第二麦克风和集成电路可从第三声音源确定头相关传递函数(HrTF)和/或耳机相关传递函数(HpTF)。图11显示了使用各自包括第二麦克风的入耳式耳机的三个测试人员的示例性目标函数(即，耳道的入口处的频率响应)结果。

图12示出了用户特有的目标函数，其中从测试麦克风布置获得的测量结果(即，开放鼓膜响应)相对于入耳式耳机的第二麦克风的测量结果(即，闭合鼓膜响应)被归一化(即，相减)。这显示了用户鼓膜处的来自外部声音源的具有最小化的声音染色影响的更准确的用户特有的目标函数(频率响应)。因此，在一个实施方案中，可进一步由入耳式耳机的集成电路基于在闭合鼓膜响应与开放鼓膜响应之间的差异来确定用户特有的目标函数。如上文关于图12所描述，集成电路因此可朝向用户特有的目标函数进一步修改(例如，均衡)上述第二声音信号，从而使用户耳道的入口处的频率响应达到另外的更合意的水平(例如，使得用户鼓膜处的频率响应基本上朝向用户的特定目标函数均衡，使得用户体验到由驱动器生成的预期声音)。

替代地，入耳式耳机的集成电路可朝向图11的所测得的用户特有的目标函数(即，由入耳式耳机测量)修改第二声音信号，并且不需要起初测量图10的用户特有的目标函数(即，由测试麦克风布置测量)。因此，入耳式耳机可生成用户的特定目标函数，并且朝向所述目标函数修改(例如，均衡)第二声音信号，从而在不需要单独的测试麦克风布置的情况下在用户的鼓膜处实现由驱动器生成的预期声音。

在使用如上文描述的图23和图24的测试麦克风布置、图21和图22的入耳式耳机的第二麦克风或以上两者的组合测量了用户的左目标函数和右目标函数之后，如图13中所示，可应用简化的均衡器函数来实施用户特有的目标函数。所述均衡器函数可包括峰值/陷波滤波器(其后是雪弗式滤波器)，所述均衡器函数由每个滤波器的相应增益控制。均衡器允许用户手动地调整最终的目标函数曲线(即，入耳式耳机将朝向其修改(例如，均衡)第二声音源的频率响应)以得到最佳的单独的声音质量。

图12中的针对用户的右耳和左耳所测得的目标函数可由入耳式耳机的集成电路使用均衡器函数进行归一化，如归一化的、所测得的目标函数在针对右耳示例的图14和针对左耳示例的图15中所示。

在一个实施方案中，入耳式耳机的集成电路对第二声音信号的进一步修改可基于从如图10到图12(或图14到图15)中所示的用户的特定目标函数减去如图7到图9中所示的用户鼓膜响应。在图16到图18中示出了对三个测试人员的第二声音信号的最终修改，这在用户鼓膜处产生在整个频率范围上最紧密地类似于用户的特定目标函数的频率响应，使得用户体验到由驱动器生成的预期声音)。可在8KHz处引入频带上限以避免高频处的过分增强。如图16到图18中所示，在最终的耳机均衡滤波器中存在约10dB的差异，从而证明了需要对入耳式耳机进行单独校准。

在一个实施方案中，集成电路可包括数字信号处理器(DSP)，可使用所述数字信号处理器来处理有源噪声消除(ANC)，这包括小于20μs的时延。最小化所述时延导致对驱动器的更稳定的声音传递，并且因此导致用户的更流畅的体验。因此，可在戴着入耳式耳机的同时改善正常的双耳听觉。

如上文所论述，当从入耳式耳机的驱动器生成用户鼓膜响应时，可任选地间接地估计衰减系数以实现更准确的频率响应。例如，所述衰减系数α可在0.1与1之间以0.1为间隔变化(例如，0.1、0.2、0.3……1.0)。因此可在第一麦克风处生成多个频率响应结果，如图19中所示。可在观测区间(例如，在1200Hz与1500Hz之间)观测所述结果，并且随后在两个级中平滑所述结果(如图20中所示的柔平滑和强平滑)。可根据以下等式执行对观测区间中的曲线的平滑：

其中块长度N＝2048，并且针对柔平滑曲线，s＝1.1，并且针对强平滑曲线，s＝1.5。在曲线之间具有最小面积的曲线(例如，图20中的曲线对3)是最平滑的响应并且可加以选择，从而导致对由耳道中的回波引起的相消干涉进行充分补偿。

在一个实施方案中，可将入耳式耳机置于“周围收听模式”，其中用户就像他/她未戴耳机一样听到/体验到周围(即，背景和环境)声音。在所述周围收听模式下，入耳式耳机的第二麦克风可记录来自外部世界的周围声音，所述周围声音被暂时存储在入耳式耳机的集成电路中。入耳式耳机的集成电路随后可基于用户鼓膜响应、用户的特定目标函数(用于左耳和右耳)或以上两者的组合来修改所存储的周围声音，并且将经修改的周围声音传输到入耳式耳机的驱动器，所述驱动器可向用户回放经修改的周围声音。因此，用户体验到双耳听觉，并且感觉仿佛他/她自然地在听而没有音色或定位变化，就像未戴着耳机一样。这允许自动校准声音以使得用户听到预期声音(例如，预期的频率响应)的噪声消除和隔音入耳式耳机的小封装。此外，周围收听模式允许在噪声消除入耳式耳机先前给用户造成危险的时刻(诸如在建筑工地上或当用户横穿马路时)时的增加的安全性。

为了进一步提高就像未戴耳机一样听到环境噪声的效果，入耳式耳机的集成电路可包括如上文描述的数字信号处理器(DSP)。所述DSP可具有小于20μs的时延。这确保将由第二麦克风记录的周围声音中继到入耳式耳机的驱动器，使得用户即时地体验环境噪声。

如上文描述的第二麦克风和DSP可用于使用众所周知的方法执行有源噪声消除(ANC)。入耳式耳机还可在入耳式耳机内存在或不存在周围收听模式的情况下使用第二麦克风和集成电路(例如，DSP)执行ANC。

上文描述的步骤可在两个入耳式耳机的情况下执行，使得用户在每只耳朵里戴一个入耳式耳机，从而产生双耳听觉体验。

入耳式耳机

图21示出了示例性入耳式耳机2100，与如上文描述的方法中一样，可自动校准所述示例性入耳式耳机以修改从音频输入(诸如移动电话、膝上型计算机、MP3播放器或任何其他合适的声音源)接收的声音。入耳式耳机包括壳体2102，所述壳体保持着第一麦克风2108、驱动器2110、集成电路(未示出)并且可包括第二麦克风(2112)。第一麦克风2108、第二麦克风2112和驱动器2110各自电耦合到集成电路(未示出)。驱动器2110可以是能够向用户回放高质量声音的任何众所周知的驱动器。驱动器2110可以是动态(动圈)类型驱动器并且可具有5.8mm的直径。第一麦克风2108和第二麦克风2112可以是标准ECM(电动胶囊)、模拟MEMS、数字MEMS或在行业中已知的任何其他合适的麦克风。

所述壳体可在一端处包括较宽的“主体部分”2104并且在相对端处包括附着到主体部分2104的较窄的“喷嘴部分”2106。主体部分2104可包括指向朝向喷嘴部分2106(即，朝向用户的耳道)的方向的第一麦克风2108和驱动器2110。主体部分2104还可包括第二麦克风2112，所述第二麦克风指向与第一麦克风2108相反的方向(即，远离用户的耳道并且向外)，使得所述第二麦克风可记录周围(例如，环境和背景)噪声。入耳式耳机2100的主体部分2104还可包括集成电路(未示出)。喷嘴部分2106可以是舒适地配合到用户耳道中的细长导管形状。喷嘴部分2106可具有3mm的最大直径。喷嘴部分2106可在一端上附着到主体部分2104，而喷嘴部分2106的相对端包括适合于将不同大小的众所周知的耳尖(例如，来自听觉行业的硅胶耳尖或橡胶耳尖)放置到如上文描述的入耳式耳机2100上的唇缘。

喷嘴部分2106可包括可将驱动器2110直接耦合到入耳式耳机2100的出口孔的第一通道/喷嘴/管道2114，因此提供从入耳式耳机2100到用户耳道的直接声音源。此外，喷嘴部分2106可包括可将第一麦克风2108耦合到第一通道/喷嘴/管道2114的第二通道/喷嘴/管道2116(等同于如上文关于所述方法所论述的喷嘴和第一传输线)。第二通道/喷嘴/管道2116可具有基本上比第一通道/喷嘴/管道2114的横截面面积更小的横截面面积(例如，第二通道/喷嘴/管道2116可具有0.28mm²的横截面面积，并且第一通道/喷嘴/管道2114可具有2.29mm²的横截面面积)。可将第二通道/喷嘴/管道2116以弯曲的角度安装到第一通道/喷嘴/管道2114)，如图21中所示。当将入耳式耳机放置在用户耳朵里时，这将在第二通道/喷嘴/管道2116的出口处与来自用户耳道的所反射的回波的复杂声学相互作用减至最少。

入耳式耳机2100可包括收发器(未示出)，以允许所述入耳式耳机与音频输入声音源(诸如移动电话、膝上型计算机、MP3播放器或任何其他合适的声音源)无线地通信。替代地或另外，入耳式耳机2100可包括任何标准连接，以耦合入耳式耳机2100与音频输入声音源之间的电线。此外，入耳式耳机2100可包括附加的有线和/或无线连接，以将图23和图24中的测试麦克风布置耦合到入耳式耳机2100，如在稍后描述。

图22示出了入耳式耳机2100和所述入耳式耳机内的集成电路的示例性框图。例如，集成电路可包括第一核心处理器2202，所述第一核心处理器耦合到第二核心处理器2204。第一处理器2202可以是有源噪声消除(ANC)处理器，并且第二处理器2204可以是多芯片单元(MCU)。ANC处理器可以是延迟时间(时延)小于20μs的数字信号处理器(DSP)或任何其他合适的处理器，这可确保负反馈ANC控制循环在足够的频率带宽上是稳定的。ANC可耦合到第一麦克风2208、第二麦克风2210和驱动器2206，其中模数(A/D)或数模(D/A)转换器2212置于麦克风/驱动器与ANC之间。ANC还可耦合到音频输入声音源2214。ANC可包括第一均衡器2216，以通过均衡第二麦克风2210和音频输入声音源2214的声学路径来执行标准的噪声消除功能。ANC还可包括第二均衡器2218，以执行对声音的修改(例如，均衡)功能，如在方法部分中更详细地描述。

当用户戴着入耳式耳机2100时，MCU 2204可生成向用户播放的声音信号，其中目标是生成用户鼓膜响应和用户特有的目标函数，如早先描述。MCU 2204还可耦合(无线或有线地)到如在稍后描述的测试麦克风布置2300、2400，以测量用户的特定目标函数的部分。MCU 2204还可经由第二麦克风2210同时记录来自两只耳朵的周围(例如，环境或背景)声音或对数声音信号(如上文描述)，稍后可从存储器回放所述周围声音或对数声音信号。可在MCU 2204中运行的其他应用是经由双耳处理器(3D音频)或增强式音频/机器学习算法来渲染多声道立体声音乐。

测试麦克风布置

图23和图24示出了用以准确地测量用户的特定目标函数的测试麦克风2300、2400，如在上文更详细地描述。测试麦克风2300、2400可以是包括耦合到入耳式耳机2100、2200的两个相同的测试麦克风2300、2400的测试麦克风布置的一部分。所述测试麦克风布置还可包括直接耦合到两个测试麦克风2300、2400的集成电路。用户可戴着所述测试麦克风布置来测量用户耳道的入口处的来自外部声音源(例如，如上文描述的扩音器)的声学声音压力(频率响应)，以确定用户的特定目标函数。测试麦克风的麦克风2302、2402可各自安装在弹簧钢丝支架2306、2406的第一侧2304、2404上，第二且相对的侧2308、2408耦合(直接或间接地)到入耳式耳机2100、2200。弹簧钢丝支架2306、2406可确保麦克风2302、2402不会记录来自放置在弹簧钢丝支架2306、2406的相对侧2308、2408上的缆线和/或接收器的不想要的反馈。可将麦克风2302、2402安装成使得它们定位在与用户耳道的入口相距1mm至5mm处。

每个弹簧钢丝支架2306、2406的第一侧2304、2404还可包括围绕麦克风2302、2402安装的多个杆2310、2410(例如，三个或更多个)，以确保将麦克风2302、2402导引到所有大小的耳道中，从而在不产生气密密封的情况下产生通用配合。杆2310、2410可由塑料、金属、橡胶或它们的任何组合构成。