引言
透傳/通透模式是TWS耳機(jī)除ANC和ENC以外的重要功能,做的好的聲透傳,佩戴耳機(jī)如若無物,耳機(jī)殼體在聲傳播中仿佛透明,可以給用戶帶來豐悅的感受。
近日,臺(tái)灣桃園市的中原大學(xué)電子工程系的Chong-Rui Huang, Cheng-Yuan Chang和Sen M. Kuo[1]提出主動(dòng)透傳均衡算法,實(shí)時(shí)預(yù)估鼓膜處真環(huán)境聲與偽環(huán)境聲的殘差,使用FxLMS算法實(shí)時(shí)調(diào)整透傳器(選用FIR濾波器)的參數(shù),對(duì)比基線算法[2]與商業(yè)耳機(jī)(看論文原圖7,推測應(yīng)是AirPods Pro一代)取得抑制低頻干擾與壓制高頻環(huán)境聲反抬的收益。
如21dB前文《ANC耳機(jī)系列之通透模式》,在理論上,透傳器傳函公式是環(huán)境聲來波方向俯仰角和水平角的函數(shù),因此若僅設(shè)置一系數(shù)固定的透傳器(無論是FIR還是IIR),則易產(chǎn)生較大誤差,難以取得最佳效果。
該研究有以下幾點(diǎn)技巧值得介紹
一、時(shí)移離線估計(jì)
真環(huán)境聲需要通過佩戴耳機(jī)時(shí)耳機(jī)參考麥?zhǔn)叭〉耐饨绛h(huán)境聲x(n)推算而來,首先兩者差了一個(gè)時(shí)延,且此時(shí)延與環(huán)境聲來波方向有關(guān),其次為佩戴耳機(jī)時(shí)鼓膜處拾取的真環(huán)境聲與佩戴耳機(jī)時(shí)外界環(huán)境聲x(n)有頻譜染色關(guān)系,也即差了一個(gè)傳函,文中對(duì)應(yīng)T(z)。
該研究在各角度下測量
(1)人工頭不佩戴耳機(jī)時(shí),聲源在鼓膜處的真實(shí)環(huán)境聲d(n);
(2)人工頭佩戴耳機(jī)時(shí),耳機(jī)外側(cè)前饋麥?zhǔn)叭〉耐饨绛h(huán)境聲參考信號(hào)x(n).
求解延遲,使真實(shí)環(huán)境聲d(n)與外界參考環(huán)境聲x(n)在各方向下的相關(guān)函數(shù)均值最大,再利用此延遲,配合LMS算法估計(jì)外界環(huán)境聲x(n)變?yōu)楣哪ぬ帯罢姝h(huán)境聲”的傳函T(z)的時(shí)域脈沖形式t(n),x(n)卷積t(n)的 即是對(duì)鼓膜處真環(huán)境聲的估計(jì)。
二、塑形濾波器
耳機(jī)被動(dòng)降噪曲線代表耳機(jī)殼體對(duì)外界環(huán)境聲的衰減作用,不同耳機(jī)形體不一,同一耳機(jī)在不同佩戴狀況下也不一。由下圖可見,聲衰減大約從300 Hz開始,滾降至3 kHz最為嚴(yán)重。
圖表1 被動(dòng)聲衰減量(原論文圖5)
該研究據(jù)此設(shè)計(jì)了塑形濾波器(Shaping filter),留待與 卷積得 。其幅頻響應(yīng)曲線如下圖,其意義在于保留對(duì)1~3kHz估計(jì)的真與偽環(huán)境聲誤差的關(guān)注(增益為0dB),弱化低頻及高頻真?zhèn)苇h(huán)境聲誤差的影響,從這個(gè)意義上說,此塑形濾波器在理念上與FxFeLMS算法中對(duì)誤差信號(hào)再做濾波有一定相通之處。
圖表2 塑形濾波器幅頻曲線(原論文圖9)
三、主動(dòng)透傳均衡算法
圖表3算法框圖(原論文圖6)
圖中 再彌補(bǔ)次級(jí)通道時(shí)延,即是耳機(jī)外側(cè)參考麥?zhǔn)叭〉耐饨绛h(huán)境聲x(n)推算而來的“真”環(huán)境聲,x(n)卷積透傳器參數(shù) ,再經(jīng)過次級(jí)通道的物理聲傳播過程,到達(dá)鼓膜處即是補(bǔ)償聲。根據(jù)算法框圖結(jié)構(gòu),透傳器參數(shù) 以FxLMS算法調(diào)節(jié)。
四、效果
如下圖所示,所提方法通過塑形濾波器取得了同時(shí)壓制低頻干擾和抑制高頻各方向環(huán)境聲來波的聲反抬,由于基線方法和AirPods一代。
仔細(xì)看圖,AirPods Pro一代的透傳誤差可高達(dá)10kHz左右依舊保持在很低的水平,反觀所提方法僅能保持至4kHz。針對(duì)該點(diǎn),該研究解釋說AirPods Pro保持至10kHz無必要,且會(huì)引發(fā)高頻環(huán)境聲反抬(通俗的說就是補(bǔ)償過頭了),對(duì)此我持保留態(tài)度,延展至10kHz是否有必要、高頻環(huán)境聲補(bǔ)償過頭是否會(huì)產(chǎn)生負(fù)向的不愉悅感,應(yīng)當(dāng)通過多人的主觀實(shí)驗(yàn)來得出結(jié)論,此論斷有些牽強(qiáng)。
圖表 4 (a)所提方法真、偽環(huán)境聲殘差(b)基線方法殘差(c)AirPods Pro一代殘差(原文圖14)
參考文獻(xiàn):
[1]Huang, Chong-Rui, Cheng-Yuan Chang, and Sen M. Kuo. “Time-Shift Modeling-Based Hear-Through System for In-Ear Headphones.” IEEE Transactions on Consumer Electronics 2022,68(3): 273-280.
[2] Gupta, Rishabh, et al. “Acoustic transparency in hearables for augmented reality audio: Hear-through techniques review and challenges.” Audio Engineering Society Conference: 2020 AES International Conference on Audio for Virtual and Augmented Reality. Audio Engineering Society, 2020.