CN1297668A - 噪声控制装置 - Google Patents

Abstract

一种将冲击在差压式话筒前表面上的噪声消除的装置。该装置用曲面反射器(24,25)使冲击话筒前表面的周围噪声也冲击话筒的后表面。此外,该曲面反射器将说话者的朝向话筒前表面话音偏离(68)话筒的后表面。

Description

噪声控制装置

发明背景

本发明一般地涉及噪声消除话筒和有关装置。特别是本发明涉及一种用于有随机噪声环境的双向噪声控制装置。

话筒装置通常用在出现有害噪声的环境中。例如，如果一个人用无噪声消除的话筒打电话时，由于机器、交通、器械发出的声音或其它环境噪声的影响，使听电话的人不能专心地听对方说话。

许多噪声消除话筒元件的设计采用前后声孔，它允许声音在相反的方向同时进入并冲击振动膜片，其结果使话筒产生的信号很小或没有信号。这种技术广泛地用于心形方向性话筒及电话送受话器的送话器和头戴式送受话器。有些采用声学调整，使后声孔有更好的频率响应。

噪声消除话筒取决于两个使用因素。第一个因素是话筒的极化方式(通常为双向式)，并假定要被减小的噪声不在话筒的最大敏感轴上；第二个因素是双向式话筒对距话筒很近的声源(进入前声孔)和距话筒远的声源(即进入前后声孔)的不同响应。

当声源接近于话筒的前声孔时，前声孔的声压比后声孔的大若干倍，因为话筒响应两入口声压之差，近距离的讲话比远距离的声音产生实际上高得多的灵敏度，远距离的声音在两个入口的声压大小相等。

由于前后声孔话筒设计固有的结构限制，话筒的一个声孔总是比较灵敏，这是由于需要给振动膜片提供支撑结构，而该结构对进入后声孔话筒元件的声音产生阻抗而造成的。在通常的实践中，较灵敏的声孔朝前以收集所需要的声音，而不太灵敏的声孔用于收集和减小不需要的声音。

如果元件前后的灵敏度相等，那么从理论上讲，当等压的噪声进入话筒的两个入口时，百分之百的噪声抑制是可能的。然而，实际上用现有的话筒元件只有可能减小10dB-20dB的噪声，并且这只限于其频率在3KHz以下。

频率响应是区别噪声消除话筒的另一个因素。在近声场(即声源接近于前声孔)整个声频段的频率响应基本是平直的。在远声场(即远声源)频率响应随频率增加而增加，直到该装置的前后声孔的压力相位差达到180°，在这一点产生谐振。在某些频率下，话筒对轴向远声场声音比轴向近声场声音更敏感。短声孔分离话筒与长声孔话筒相比，这个分隔频率发生在较高频率下。

现有的几种电的和机械的噪声消除装置都有潜在的缺点，如需要预处理、受反射的影响、调谐困难、成本高和使用环境受限制。例如，在周围噪声是人的说话声的的环境下，信号处理技术，如过滤，不能有效地利用。因为周围人的说话和所需要的说话者的声音的频率相同，并且周围的噪声是非定值和非周期性的。

发明概述

本发明的装置提高了差压式话筒消除或抑制背景噪声的性能。当差压式话筒与本发明的装置一起使用时，它们构成一个电声噪声抑制系统，其性能超过了市场上可获得技术的性能。

本发明通过将相同周围噪声引导到话筒背面，来实现大幅度消除这种周围噪声对差压式话筒前表面的冲击。本发明使周围噪声(包括声音、非定值噪声、非周期性噪声和随机噪声)同时进入话筒两面，并使背面的声强相对较高，以克服话筒背面相对较高的阻抗，这样来消除噪声波的影响。而且，本发明将说话人的话音(即所要发送的声音)偏离话筒背面。

本发明采用曲面反射器，即使话筒的后声孔并未对着最大的周围噪声源，也能将周围噪声引导到话筒背面。此外，由于曲面反射器大于将噪声引导到话筒背面的开孔，进入话筒背面的噪声声压增大。利用这样一个发明，通过将周围噪声汇集在话筒的背面，因而进入话筒前面的同样周围噪声波在话筒上被消除。曲面反射器还起到将说话人的话音偏离话筒背面的作用，这样说话人的话音只进入话筒前面，这样基本上防止了话音的自消除。

一方面，本发明提供一种与方向性话筒一起使用的噪声控制装置，该装置有一个壳体，壳体有位于音障元件前面的第一声孔和位于音障元件后面的第二声孔，该壳体有一个从音障元件背面延伸的曲面反射器，它将说话者的话音偏离第二声孔，而将周围噪声转向第二声孔。

另一方面，本发明提供一种有一个话筒的噪声控制装置，该话筒有一个前受声面和一个后受声面。壳体中心有一个音障元件，在音障元件前面有第一声孔，在音障元件后面有第二声孔，第一声孔和第二声孔分别与话筒的前受话面和后受话面相连通。该壳体有从音障元件背面延伸的第一反射器和第二反射器，它们将使用者的话音偏离第声孔，并将周围噪声转向第二声孔。

再一方面，本发明提供一种有一个话筒的噪声控制装置，该话筒有一个前受声面和一个后受声面。壳体中心有一个音障元件，在音障元件前面有第一声孔，在音障元件后面有第二声孔，第一声孔和第二声孔分别与话筒的前受话面和后受话面相连通，并有将使用者的话音偏离第二声孔和将周围噪声转向第二声孔的部件。

附图简要说明

图1是本发明装置的透视图。

图2是该装置在电话的手持式送受话器上的平面图。

图2A是该装置的顶视平面图。

图2B是图2A的局部放大顶视平面图，话筒已从该装置的顶部开口中拆去。

图3是该装置的后视图。

图4是该装置的前正视图。

图5是该装置的右视图。

图6是该装置的左视图。

图7是该装置的底视平面图。

图8A是沿图2A的8A-8A线的剖面图。

图8B是沿图2A的8B-8B线的剖面图。

图9是说话者的话音与该装置作用原理示意图。

图10是周围噪声与该装置作用原理示意图。

图11是现有技术的噪声消除头戴式送受话器的近声场和远声场响应曲线图。

图12是本发明装置的近声场和远声场响应曲线图。

发明的详细说明

本发明的装置20在有周围噪音的环境下使用时，改进了用于语音识别和说话发送的差压式话筒22(即双向式话筒)的噪音消除效果。作为一个实例，本发明在语音识别系统和种种环境和装置中可以与电话的送受话器一起使用，例如，飞机电话、蜂窝式电话、汽车电话、头戴式送受话器和舞台话筒，但并不限于这些。在有周围人们说话的随机噪音(例如股票交易场所和商厦)、非周期噪音或非定值噪音的环境中，本发明的装置工作特别好，但也可以用于周围噪音是常值的或周期性的和非说话噪音环境。本发明用提高信噪比来改善语音识别和说话发送的清晰度，其频率范围高达8kHz，与此相反，常规的装置一般仅达4kHz或更低。

该装置20按图示实施例，拧在标准电话送受话器30上，代替原来的送话器，有电接点34和36的壳体接合器32(图7和图8A)连接于壳体38，使之与送受话器30适当地接触。本领域的普通技术人员明白，壳体接合器32的形状可以是各种各样的，以适合采用了本发明的任何装置。在采用本发明的某些装置中，不需要壳体接合器。

如上所述，本发明的装置20用一对曲面反射器24和25和一个音障元件26，将说话者的话音偏离压差式话筒22的后孔(未示)，同时将周围的噪声集中在后孔。音障元件26延伸到该装置20的整个宽度(即X方向)，并与曲面反射器24和25形成两个敞口的声音集中区28、29(图5)。这些特征示于图8A、图9和图10的剖视图中。

装置20有一个基座40，在图示的实施例中设计成拧在标准电话的手持式送受话器上，代替原来的送话器。为了描述方便起见，X、Y和Z方向如图1所示，X方向定义为沿音障元件26的长度的总方向横过壳体38，这个方向被描述成“总”方向是因为音障元件26从它的第一端42到第二端44是楔形。所以X方向是走过音障元件长度的中心线方向。音障元件26第一端42较宽，因此对着送话器说话的使用者可将他们的面颊贴着这较宽的一端。然而，音障元件不必是一端较宽。音障元件第一端42用突缘46和47支撑，第二端48用突缘48和49支撑。从图2B、图8A和图8B可以清楚地看到，穿通音障元件26的孔50装有话筒22。导线52经过小孔54和55向下穿过装置20与电接点34和36相连接。

曲面反射器24和25在Y和Z方向(即在深度和高度方向)沿音障元件26的中心线弯曲，直到最高点56(图2B、8A-10)。曲面反射器24和25从基座40缓慢上升，然后随着接近最高点56其陡度增大，构成一个连续变化的曲面。最好是一个不同于半圆曲面的连续变化曲面，这样反射器在一个宽频率范围内以最小的谐振反射声音。该连续变化的曲面不必是符合简单的数学方程，可以是半抛物面、准抛物面或任何其它种种连续变化的曲面。为了进一步消除或减小谐振，音障元件26的背面或下面60和曲面反射器的相交处在长方孔58和59的周围形成非管状声音集合区28和29。换句话说，由音障元件下面和曲面反射器所界定的空间不必是现有技术中经常采用的如同管结构的圆柱形空间，圆柱形空间在某些频率下会产生谐振。声音集中区28和29是类似于人耳的“开放”式反射系统，以消除长方孔58和59周围的谐振，或至少将这种谐振减到最小。

曲面反射面器24和25的一个目的是通过长方形孔58和59将周围噪声反射并集中于话筒22的背面。长方形孔58和59(图8A)是在反射器最高点56上方和音障元件26的通孔50处构成，因此，每个长方形孔58和59的长度与通孔50在X方向的长度相等，而每个长方形孔的宽度等于通孔50在y方向宽度的一半。反射器24合25连续变化的曲面有助于确保周围噪声70入射的每个角度都有某个可将周围噪声70引导到音障元件26、长方形孔58和59、和话筒22的背面(图10)的反射角度。此外，由于曲面反射器比长方形孔58和59大得多，反射器增大了周围噪声在话筒22后受声面上的声压，以克服话筒内部结构固有的声阻，使周围噪声冲击话筒前受声面和后受声面时声压大体相等，这样更好地消除噪声。

曲面反射器24和25的另一个目的是将说话者的话音偏离话筒22的背面，以便减小或消除说话者话音的自消除。这种自消除是由于说话者的话音进入话筒的前面和背面而引起的。说话者66的话音64(实波阵线)被引向音障元件26的顶部，通常是沿着该装置20的主轴62进入话筒前入口，如图9所示。说话者的话音64通过音障元件之后，被反射器24和25偏离话筒的后入口(虚波阵线)。从话筒背面反射掉说话者66的话音64能产生比现有技术的送受话器高10dB的增益，因为现有技术的送受话器通常有某种程度的说话者话音的自消除作用。为了减小通过音障元件26边缘周围的说话者的话音量，音障元件26的形状可以优化，以减少边缘周围的折射或将说话者的声音反射掉。反射器24和25可以用各种材料，例如朔料、泡沫材料和橡胶，但不限于这些材料。

为了消除噪声声压对话筒的影响，一种方法是确保前表面感受的噪声声压和后表面感受的噪声声压相等。在图10中，噪声70被模拟成一个其密度为I₀的按球形分布的噪声源，假设该球形噪声源到话筒22中心的半径为R，对上半球的噪声场积分得到话筒前表面感受的噪声压： $N_f=\frac{I_o\mathrm{A\π}}{8C}$ 式中，A是话筒的表面积，C是声音在空气中的速度，N_f是冲击话筒前表面的噪声压。

话筒后表面感受的噪声声压取决于反射器的特性，对各向同性的线性弹性固体反射器，声反射率αr由下式给出： ${\mathrm{\α}}_r=\frac{1-{4p}_1{c}_1\mathrm{pc}\cos \mathrm{\θ}\sqrt{1-{\left(\frac{c}{c_1}\right)}^2{\sin }^2}\mathrm{\θ}}{\mathrm{pc}\cos \mathrm{\θ}+p_1{c}_1\sqrt{1-{\left(\frac{c}{c_1}\right)}^2{\sin }^2}\mathrm{\θ}}$ 式中，ρ是空气密度，c是声音在空气中的速度，ρ₁是反射器介质的密度，c₁是声音在反射器介质中的速度，θ是入射角。仔细的研究表明，大多数固体材料的声反射率是几乎不变的。本发明的反射器所选用的材料也可有不变的反射率。

用斯涅耳(Snell)折射定律，由于反射造成的噪声压是： $N_b=\underset{O}{\overset{L}{\∫}}\frac{2\mathrm{\π}{I}_o}{c}\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dx}}\right)}^2}2\mathrm{\πx}(1-\frac{f}{\sqrt{\frac{N}{\sqrt[\mathrm{\π}]{f^2-x^2}}+x^2}})\mathrm{dx}$ 式中，Y=f(x)是确定反射器形状的函数。这个函数选取N_f=N_b。若干组函数满足给定的噪声压匹配原则。在这些组中选取满足三原则的函数。第一个原则是频率范围，在这个范围内希望消除噪声。当前的说话装置，希望的频率范围是0～8000kHz。比较未经反射撞击前表面的波和经过反射撞击后表面的波，可很容易表明反射波滞后于未反射波。所以形状函数应这样选取，使相位滞后最小。第二个原则是形状使反射回话筒的近声场声量最小。第三个原则是表面容易制造。

噪声的抑制或消除用在两个条件下比较参考话筒和试验话筒的信号来测量。第一个条件是让两种话筒接受一种模拟人在近距离对话筒说话的说话声(即近场)。第二个条件是使两种话筒经受周围室内噪声(即远场)。每个话筒在两个条件下响应之差是对话筒的噪声抑制或消除效果的量度。对照现有技术的噪声消除送受话来试验本发明，本发明的和现有技术的送受话器都用同一个话筒元件(即永久极化的电介质)。现有技术装置的响应绘制在图11上，本发明的响应绘制在图12上。

用每种话筒的响应与Peavey ERO 10的参考话筒的响应比较来试验两种话筒的噪声抑制，Peavey ERO 10参考话筒没有噪声抑制特性，但对20Hz到20kHz的频率范围表现出明显的平直响应。参考话筒与试验话筒相互放得非常接近使两者离噪声源距离相等。近声场声源由一个安装在头部的具有JBL Control Micro喇叭的人声大小的声模拟器提供。该喇叭产生口张开时发出的声音。参考话筒和试验话筒被放在离嘴张开2厘米远处。远声场周围噪声源由安装在离模拟器约10英尺远的可移动的试验台上的另一个J3L Control Micro喇叭提供。

惠普(Hewlett-Packard)3566双通道动态频谱分析仪用作源噪声和测量。一个300毫伏的白噪声信号被放大(McGowen354SL)并被连接到模拟喇叭上。噪声信号在每个试验话筒和参考话筒上被调整到80dB声压。这些话筒通过Makiel202混合器被连接到(路由选定)分析器，参考话筒接通道1，试验话筒接通道2。用频率响应模式，两个信号由惠普(Hewlett-Packard)3566分析仪分析，它自动划分它们的功率输出。

绘制近场响应之后，放大器转换到远场喇叭且不移动话筒，试验话筒和参考话筒的声压再调到80dB。由于喇叭和话筒之间的附加距离，这需要向上调放大器的值。远场响应被绘制以测量每个话筒对远处的声音有怎样小得多的响应。近场与远场响应之差是话筒噪声抑制的量度。

图11中上迹线72是现有技术送受话器的近场响应。现有技术的头戴式送受话器在50～8kHz的整个频率范围内有大约-10dB幅值线，这表明现有技术的头戴式送受话器有很好的平直响应，但比参考话筒的增益小10dB。下迹线74是话筒的远场响应，在3.5kHz以下的范围内在10～20dB之间变化，在3.5kHz这一点开始发啪啪声，因为头戴式送受话器变得对远场声比近场声更敏感。

在图12中，在具有本发明装置的电话送受话器中同样的话筒元件以同样的方法试验。近场响应迹线76有0.01dB线，这表明具有本发明装置的送受话器几乎有与参考话筒同样的增益。此外本发明装置对噪声抑制大得多，直到6.5kHz以上，响应在10dB～40dB之间。如下迹线78所示。

本领域的普通技术人员明白，本发明可以由其它具体形式体现，而不脱离本发明的原则或基本特征。因此目前公开的实施例无论从哪一点来看都是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由权利要求而不是前面的描述表明，因此，来自同等范围和含义的变化意味着包含在本发明内。

Claims (18)

1．一种与方向性话筒一起使用的噪声控制装置，包括：

一个壳体，该壳体有位于音障元件前面的第一声孔和位于音障元件后面的第二声孔，该壳体有一个从音障元件背面延伸的反射器，它将使用者的话音偏离第二声孔，而将周围噪声转向第二声孔。

2．如权利要求1的装置，其中该反射器包括一个连续变化的曲面。

3．如权利要求1的装置，其中该反射器包括一个半抛物面曲面。

4．如权利要求1的装置，其中该反射器包括一个准抛物面曲面。

5．如权利要求1的装置，其中音障元件的背面与曲面反射器在第二声孔周围形成一个非管状声音集中区。

6．如权利要求1的装置，其中曲面反射器只在Y向和Z向弯曲。

7．如权利要求1的装置，其中曲面反射器只在深度方向和高度方向弯曲。

8．一种噪声控制装置，包括：

一个有前受声面和后受声面的话筒；

一个其中心有音障元件的壳体，音障元件前面有第一声孔，音障元件后面有第二声孔，第一声孔和第二声孔分别与话筒的前受声面和后受声面相连通，壳体有从音障元件背面延伸的第一曲面反射器和第二曲面反射器，它们将使用者的话音偏离第二声孔，将周围噪声转向第二声孔。

9．如权利要求8的装置，其中每个反射器包括一个连续变化的曲面。

10．如权利要求8的装置，其中每个反射器包括一个半抛物面曲面。

11．如权利要求8的装置，其中每个反射器包括一个准抛物面曲面。

12．如权利要求8的装置，其中音障元件的背面和曲面反射器在第二声孔周围形成一个非管状声音集中区。

13．如权利要求8的装置，其每个曲面反射器只在Y向和Z向弯曲。

14．如权利要求8的装置，其每个曲面反射器只在深度方向和高度方向弯曲。

15．一种噪声控制装置，包括：

一个有一个有前受声面和后受声面的话筒；

一个其中心有音障元件的壳体，壳体在音障元件前面有第一声孔和音障元件后面有第二声孔，第一声孔和第二声孔分别与话筒的前受声面和后受声面相连通；和

将使用者的话音偏离第二声孔、将周围噪声转向第二声孔的装置。

16．如权利要求15的装置，有在第二声孔周围形成一个非管状声音集中区的构件。

17．如权利要求15的装置，有增大话筒后受声面上周围噪声声压的构件。

18．如权利要求15的装置，有防止或减小第二声孔谐振的构件。

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