入耳式有源噪声降低耳机.pdf

一种有源噪声降低耳机。该耳机包括用于将该耳机定位及保持在用户的耳朵中而不需要头带的结构和包括具有大于10mm的标称直径的声学驱动器的有源噪声降低电路，该声学驱动器被定向使得与声学驱动器平行或重合、并且与管嘴的中心线相交的直线以角度θ>±30度与管嘴的中心线相交。麦克风被定位于邻接声学驱动器的边缘。该耳机被配置使得当该耳机放置就位时，声学驱动器的一部分在用户的耳甲以内并且声学驱动器的另一部分在用户的耳甲之外。将管嘴耦合至环境的开口包括在开口中的阻抗提供结构。

权利要求书1.  一种装置，包括：用于有源噪声降低(ANR)耳机的耳机，包括：用于接合外耳使得所述耳机被定位并保持在用户的耳朵中的结构；用于密封所述耳机与用户的耳道的结构；有源噪声降低电路，包括被声学地耦合至所述耳道的反馈麦克风，用于检测所述耳机内的噪声；响应于所述反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及用于将输出噪声消除音频信号转换为噪声消除声学能量的声学驱动器，所述输出噪声消除音频信号包括所述反馈噪声消除音频信号；以及所述装置进一步包括通道，所述通道声学地耦合所述声学驱动器与用户的耳道，其中所述通道具有至少10mm2的开放横截面面积。2.  根据权利要求1所述的装置，其中所述管嘴具有或更低的比率其中A是所述通道的开放横截面面积并且l是所述通道的长度，并且其中所述通道在耳甲盆与所述耳道的入口之间的过渡处与所述耳道声学地密封以形成腔体。3.  根据权利要求1所述的装置，其中所述声学驱动器被定向以使得与所述声学驱动器的轴线平行或重合并且与所述通道的中心线相交的直线以>±30度的角度θ与所述通道的所述中心线相交。4.  根据权利要求1所述的装置，其中所述通道的质量阻抗的绝对值|z|在1kHz处是8.0×106或更小。5.  根据权利要求1所述的装置，其中所述通道的质量阻抗的绝对值|z|在100Hz处是或更小。6.  根据权利要求1所述的装置，其中所述通道具有或更小 的声学质量M，其中ρ是空气密度，A是所述通道的开放横截面面积，并且l是所述通道的长度。7.  一种装置，包括：有源噪声降低(ANR)耳机，包括：ANR电路，包括被声学地耦合至用户的耳道的反馈麦克风，用于检测噪声；响应于所述反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及用于转换输出噪声消除音频信号的声学驱动器，所述输出噪声消除音频信号包括所述反馈噪声消除音频信号；声学地耦合所述声学驱动器与用户的耳道的通道；其中所述声学驱动器被定向以使得与所述声学驱动器的轴线平行或重合并且与所述通道的中心线相交的直线以>±30度的角度θ与所述通道的所述中心线相交，并且其中所述麦克风被径向地定位在将音圈附接至声学驱动器膜片的点与所述声学驱动器膜片的边缘之间；并且其中所述通道具有或更小的比率其中A是所述通道的开放横截面面积，并且l是所述通道的长度；其中所述通道在耳甲盆与所述耳道的入口之间的过渡处与所述耳道声学地密封以形成腔体；其中所述通道的声学质量M是或更小，其中ρ是空气密度，A是所述通道的开放横截面面积，并且l是所述通道的长度；并且其中所述通道的质量阻抗的绝对值|z|在100Hz处是或更小并且在1kHz处是或更小，其中|z|＝Mf，其中ρ是空气密度，A是所述通道的开放横截面面积，并且l是所述通道的长度。8.  根据权利要求7所述的装置，进一步包括用于将所述耳机定位并保持在耳朵中的接合外耳的结构。9.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，进一步包括将所述腔体耦合至环境的开口；以及在所述开口中的阻抗提供结构。10.  根据权利要求9所述的装置，其中所述阻抗提供结构包括在所述开口中的声阻材料。11.  根据权利要求10所述的装置，其中所述声阻材料是线网。12.  根据权利要求10所述的装置，其中所述声阻材料包括塑料构件，所述塑料构件具有穿过其中的孔。13.  根据权利要求9所述的装置，其中所述阻抗提供结构包括声学地耦合所述开口与环境的管件。14.  根据权利要求13所述的装置，其中所述管件被泡沫填充。15.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中所述声学驱动器具有大于10mm的标称直径。16.  根据权利要求15所述的装置，其中所述声学驱动器具有大于14mm的标称直径。17.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中所述耳机被配置以使得当所述耳机就位时，所述声学驱动器的一部分在用户的耳甲以内并且所述声学驱动器的另一部分在所述用户的所述耳甲之外。18.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，进一步包括：前馈麦克风，用于检测所述耳机之外的噪声；响应于所述前馈麦克风的前馈电路，用于提供前馈噪声消除音频信号；以及用于结合所述反馈噪声消除音频信号和所述前馈噪声消除音频信号以提供所述输出噪声消除音频信号的电路。19.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中所述通道具有小于14mm的长度。20.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中所述通道穿过具有刚性部分和顺应部分的管嘴。21.  根据权利要求20所述的装置，其中所述管嘴包括用于接合在 所述耳道与耳甲盆之间的过渡区域以及声学地密封所述耳道与所述管嘴的截头圆锥形结构。22.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中所述反馈麦克风被径向地定位在所述声学驱动器的膜片被附接至所述声学驱动器的音圈的点与所述膜片的边缘的中间。23.  根据权利要求1或权利要求7所述的装置，其中所述反馈麦克风被定位在支撑所述声学驱动器的模块与所述通道的相交处。24.  根据权利要求2或权利要求7所述的装置，其中所述比率是或更小。25.  根据权利要求3或权利要求7所述的装置，其中θ>±45度。26.  根据权利要求6或权利要求7所述的装置，其中所述通道具有或更小的声学质量M，其中ρ是空气密度，A是所述通道的开放横截面面积，并且l是所述通道的长度。27.  根据权利要求6或权利要求7所述的装置，其中空气密度ρ被假定为

说明书入耳式有源噪声降低耳机
背景技术
本说明书描述了一种入耳式有源噪声降低(ANR)耳机。有源噪声降低耳机在美国专利4,455,675中进行了讨论。入耳式耳机被设计用来使得耳机的全部或大部分在用户的耳朵中使用。当入耳式耳机被放置就位时，该耳机通常具有处于用户的耳道中的一部分。
发明内容
在一方面，一种装置包括耳机。该耳机包括密封入口与耳道以形成腔体的管嘴(nozzle)，该腔体包括耳道的密封的部分以及管嘴中的通道(passageway)。该耳机进一步包括用于检测在腔体内的噪声的反馈麦克风，以及响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号。该耳机进一步包括用于将输出噪声消除音频信号转换成对噪声进行衰减的声学能量的声学驱动器，该输出噪声消除音频信号包括反馈噪声消除音频信号，该耳机还包括将腔体耦合至环境的开口，以及在开口中的阻抗提供结构。阻抗提供结构可以包括在开口中的声阻材料。声阻材料可以是线网(wire mesh)。阻抗提供结构可以包括声学地耦合开口与环境的管件。该管件可以被泡沫填充。腔体和用户的耳膜的特征可以在于，阻抗提供结构的阻抗z和阻抗的绝对值在低于预定义频率的频率处可以小于z的绝对值，并且在高于预定义频率的频率处可以高于z的绝对值。该装置还可以包括用于接合外耳使得耳机被定位及保持在用户的耳朵中而不需要使用头带(headband)的结构。通道可以具有大于13mm2的开放横截面面积(open cross sectional area)。声学驱动器可以被定向使得与声学驱动器的轴线平行或重合、并且与管嘴的中心线相交的直线以角度θ>±30度与管嘴的中心线相交。管嘴具有或更小的比率其中A是管嘴的开放横截面面积，并且l是管嘴的长度。管嘴可以具有或更小的声学质量(acoustic mass)M，其中ρ是空气密度，A是管嘴的开放横截面面积，并且l是管嘴的长度。通道的质量阻抗(mass impedance)的绝对值|z|在1kHz处是或更小，其中|z|＝Mf，其中ρ是空气密度，A是通道的开放横截面面积，l是通道的长度，并且f是频率。该装置还可以包括：前馈麦克风，用于检测耳机外部的噪声；响应于前馈麦克风的前馈电路，用于提供前馈噪声降低音频信号；用于结合反馈噪声降低音频信号与前馈噪声降低音频信号以提供输出噪声降低音频信号的电路。
在另一方面，一种装置包括耳机。该耳机包括腔体，该腔体包括用户的耳道。该耳机还可以包括用于检测在腔体中的噪声的反馈麦克风，以及响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号。该耳机进一步包括用于将输出噪声降低音频信号转换成声学能量并且将声学能量辐射进入腔体中以对噪声进行衰减的声学驱动器，该输出噪声降低音频信号包括反馈噪声降低音频信号。该耳机还可以包括耦合腔体与环境的开口以及在开口中的阻抗提供结构。阻抗提供结构可以包括在开口中的声阻材料。阻抗提供结构还可以包括声学地耦合开口与环境的管件。该管件可以被泡沫填充。腔体和用户的耳膜可以定义：阻抗提供结构的阻抗z和阻抗的绝对值在低于预定义频率的频率处可以低于z的绝对值，并且在高于预定义频率的频率处可以高于z的绝对值。腔体还可以包括声学地耦合至耳道和密封结构的通道，用于从环境声学地密封该腔体。该装置还可以包括：用于检测耳机外部的噪声的前馈麦克风；响应于前馈麦克风的前馈电路，用于提供前馈噪声消除音频信号；以及用于结合前馈噪声消除音频信号与反馈噪声消除音频信号以提供输出噪声消除音频信号的电路。
在另一方面，一种装置包括腔体，该腔体包括用户的耳道；用于检测在腔体中的噪声的反馈麦克风；响应于反馈麦克风的反馈电路以用于提供反馈噪声消除音频信号；用于将输出噪声消除音频信号转换成声学 能量并且将声学能量辐射进入腔体中以对检测到的噪声进行衰减的声学驱动器，该输出噪声消除音频信号包括反馈噪声消除音频信号；以及耦合腔体与环境并且在腔体与环境之间提供声学阻抗(acoustical impedance)的声学分路器。该分路器可以包括通道和在通道中的声学阻尼材料。该分路器可以包括在腔体与环境之间的开口以及在开口中的声阻网。该分路器可以包括在耳机的壳中的孔中的一个孔。该分路器可以包括插入件，在插入件中形成有孔。该装置还可以包括用于检测耳机外部的噪声的前馈麦克风；响应于前馈麦克风的前馈电路，用于提供前馈噪声消除音频信号；以及用于结合反馈噪声消除音频信号与前馈噪声消除音频信号以提供输出噪声消除音频信号的电路。
在另一方面，一种装置包括有源噪声降低(ANR)耳机。ANR耳机包括ANR电路，该电路包括被声学地耦合到用户的耳道的反馈麦克风以用于检测噪声；响应于反馈麦克风的反馈电路以用于提供反馈噪声消除音频信号；以及用于转换包括反馈噪声降低音频信号的输出噪声消除音频信号的声学驱动器。该耳机进一步包括声学地耦合声学驱动器与用户的耳道的通道。声学驱动器被定向使得与声学驱动器的轴线平行或重合、并且与通道的中心线相交的直线以角度θ>±30度与通道的中心线相交。该麦克风被径向地定位在将音圈(voice coil)附接到声学驱动器膜片(diaphragm)的点与声学驱动器膜片的边缘之间。通道具有或更小的比率其中A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。通道在耳甲盆与耳道的入口之间的过渡处与耳道声学地密封以形成腔体。通道的声学质量M是或更小，其中ρ是空气密度，A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。通道的质量阻抗的绝对值|z|在100Hz处是或更小并且在1kHz处是或更小，其中|z|＝Mf，其中ρ是空气密度，A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。该装置还可以包括用于将耳机定位及保持在耳朵中的接合外耳的结构。角度θ可以大于±45度。该装置还可以包括将腔体耦合至环境的开口以及在开口中的阻抗提供 结构。阻抗提供结构可以包括在开口中的声阻材料。声阻材料可以是线网。声阻材料可以包括塑料构件，该塑料构件具有穿过其中的孔。阻抗提供结构可以包括声学地耦合开口与环境的管件。该管件可以被泡沫填充。声学驱动器可以包括大于10mm的标称直径。声学驱动器可以具有大于14mm的标称直径。耳机可以被配置使得当该耳机被放置就位时，声学驱动器的一部分在用户的耳甲以内并且声学驱动器的另一部分在用户的耳甲之外。该装置还可以包括用于检测耳机外部的噪声的前馈麦克风；响应于前馈麦克风的前馈电路，用于提供前馈噪声消除音频信号；以及用于结合反馈噪声消除音频信号与前馈噪声消除音频信号以提供输出噪声消除音频信号的电路。空气密度ρ可以被假定为
在另一方面，一种装置包括有源噪声降低(ANR)耳机。ANR耳机包括用于接合外耳的结构，使得耳机被定位并且被保持在用户的耳朵中；有源噪声降低电路，包括声学地耦合到用户的耳道以用于检测噪声的反馈麦克风；响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及声学驱动器，具有大于10mm的标称直径，以用于转换包括反馈噪声消除音频信号的输出噪声消除音频信号以对噪声进行衰减。该装置进一步包括通道，其在介于耳甲盆与耳道入口之间的过渡处声学地耦合声学驱动器与用户的耳道。耳机被配置使得当耳机被放置就位时，声学驱动器的一部分在用户的耳甲以内并且声学驱动器的另一部分在用户的耳甲之外。声学驱动器可以被定向使得与声学驱动器的轴线平行或重合、并且与管嘴的中心线相交的直线以角度θ>±30度与管嘴的中心线相交。
在另一方面，一种装置包括有源噪声降低(ANR)耳机。ANR耳机包括用于接合外耳的结构，使得耳机被定位并且被保持在用户的耳朵中；用于在介于耳甲盆与耳道的入口之间的过渡处密封耳机与耳道的结构；有源噪声降低电路，包括声学地耦合到用户的耳道以用于检测在耳机以内的噪声的反馈麦克风；响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及声学驱动器，用于将包括反馈噪声消除音频信号的输出噪声消除音频信号转换成噪声消除声学能量。该装置进一 步包括声学地耦合声学驱动器与用户的耳道的通道。通道具有长度l以及开放横截面面积A，并且其中比率是或更小。比率可以是或更小。管嘴可以具有大于10mm2的开放横截面面积以及小于14mm的长度。管嘴可以具有刚性部分和顺应部分。管嘴可以包括用于接合耳道与耳甲盆之间的过渡的区域并且声学地密封耳道与管嘴的截头圆锥(frusto-conical)形结构。
在另一方面，一种装置包括用于有源噪声降低(ANR)耳机的耳机。有源噪声降低耳机包括用于接合外耳的结构，使得耳机被定位及保持在用户的耳朵中；用于密封耳机与用户的耳道的结构；有源噪声降低电路，包括声学地耦合至耳道以用于检测在耳机内的噪声的反馈麦克风；响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及声学驱动器，用于将包括反馈噪声消除音频信号的输出噪声消除音频信号转换成噪声消除声学能量。该装置进一步包括声学地耦合声学驱动器与用户的耳道的通道。通道具有至少10mm2的开放横截面面积。该装置管嘴具有或更小的比率其中A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。通道可以在耳甲盆与耳道的入口之间的过渡处声学地密封耳道以形成腔体。声学驱动器可以被定向使得与声学驱动器的轴线平行或重合、并且与通道的中心线相交的直线以角度θ>±30度与通道的中心线相交。声学驱动器可以具有大于10mm的标称直径。通道的质量阻抗的绝对值|z|在100Hz处可以是800×103或更小，或在1kHz处是8.0×106或更小。通道可以具有或更小的声学质量M，其中ρ是空气密度，A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。空气密度ρ可以被假定为
在另一方面，一种装置包括有源噪声降低(ANR)耳机。ANR耳机包括用于接合外耳的结构，使得耳机被定位及保持在用户的耳朵中而不需要使用头带；有源噪声降低电路，包括具有大于10mm的标称直径的声学驱动器；被声学地耦合到用户的耳道以用于检测在耳机内的噪 声的反馈麦克风；响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及声学驱动器，用于将包括反馈噪声消除音频信号的输出噪声消除音频信号转换成噪声消除声学能量。该装置还可以包括声学地耦合声学驱动器与用户的耳道的通道。声学驱动器可以被定向使得与声学驱动器的轴线平行或重合、并且与通道的中心线相交的直线以角度θ>±30度与通道的中心线相交。声学驱动器可以被定向使得与声学驱动器的轴线平行或重合、并且与通道的中心线相交的直线以角度θ>±45度与管嘴的中心线相交。麦克风可以被径向地定位在声学驱动器膜片被附接到声学驱动器音圈的点与该膜片边缘的中间。麦克风可以被定位在声学驱动器模块与通道的相交处。当耳机被放置就位时，声学驱动器的一部分可以在耳甲之外。
在另一方面，有源噪声降低(ANR)耳机包括用于接合外耳的结构，使得耳机被定位并且被保持在用户的耳朵中；有源噪声降低电路，包括具有大于10mm的标称直径的声学驱动器；声学地耦合到用户的耳道以用于检测在耳机内的噪声的反馈麦克风；响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及用于转换输出噪声消除音频信号的声学驱动器。噪声消除音频信号可以包括导向噪声消除声学能量的反馈噪声消除音频信号。该装置还可以包括声学地耦合声学驱动器与用户的耳道的通道。通道在1kHz处可以具有或更小的质量阻抗|z|，其中|z|＝Mf，其中ρ是空气密度，A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。通道的质量阻抗的绝对值|z|在1kHz处可以是或更小。空气密度ρ可以被假定为
在另一方面，一种装置包括有源噪声降低(ANR)耳机。ANR耳机包括用于接合外耳的结构，使得耳机被定位及保持在用户的耳朵中；有源噪声降低电路，包括具有大于10mm的标称直径的声学驱动器；声学地耦合到用户的耳道以用于检测在耳机内的噪声的反馈麦克风；响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；以及声学驱动器，用于将包括反馈噪声消除音频信号的输出噪声消除音频信号 转换成噪声消除声学能量。该装置进一步包括声学地耦合声学驱动器与用户的耳道的通道。通道具有或更小的声学质量M，其中ρ是空气密度，A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。空气密度ρ可以被假定为通道可以具有或更小的声学质量M，其中ρ是空气密度，A是通道的开放横截面面积，并且l是通道的长度。
在另一方面，一种装置包括有源噪声降低(ANR)耳机。ANR耳机包括用于将耳机保持在耳朵中的位置而不需要头带的结构以及有源噪声降低电路。有源噪声降低电路包括声学地耦合到用户的耳道的反馈麦克风，用于检测耳机内的噪声；响应于反馈麦克风的反馈电路，用于提供反馈噪声消除音频信号；用于检测耳机之外的噪声的前馈麦克风；响应于前馈麦克风的前馈电路，用于提供前馈噪声消除音频信号；以及用于结合反馈噪声消除音频信号以及前馈噪声消除音频信号以提供输出噪声消除音频信号的电路；用于转换包括反馈噪声降低音频信号的输出噪声消除音频信号的声学驱动器。该耳机包括声学地耦合声学驱动器与用户的耳道的通道。该通道具有7.5mm或更大的开放横截面面积。该通道可以具有10mm或更大的开放横截面面积。
结合以下附图阅读时，其它特征、目的以及优点从以下具体描述中将变得显而易见，其中：
附图说明
图1是耳的前横截面视图和侧向视图；
图2是ANR耳机的框图；
图3A和3B是耳机的前横截面视图；
图4是现有技术入耳式ANR耳机的前横截面视图；
图5是入耳式耳机的等距视图；
图6是在耳朵中的耳机的一部分的侧向视图；
图7A是在耳朵中的耳机的横截面视图；
图7B是耳机的横截面视图；
图8A至8E是耳机的图解视图；
图9是声学驱动器和麦克风的图解部分横截面视图；
图10A和10B是耳机的图解视图；
图11A和11B是耳机的图解视图；
图12A和12B是幅度和相位各自相对于频率的绘图；
图13A和13B是耳机配置的图解视图；
图14是耳机的等距视图；
图15A和15B是幅度和相位各自相对于频率的绘图；
图16是幅度相对于频率的绘图；
图17是阻抗相对于频率的绘图；以及
图18是衰减相对于频率的绘图。
具体实施方式
尽管附图的多个视图的要素可被示出并描述为在框图中的离散要素并可被称为“电路”，除非另有指明，这些要素可被实施为模拟电路、数字电路之一或其组合，或者一个或多个执行软件指令的微处理器。该软件指令可包括数字信号处理(DSP)指令。通过模拟电路或通过微处理器执行运行与模拟运算数学或逻辑等效的软件，可以执行各种运算。除非另有指明，信号线可以被实施作为离散的模拟或数字信号线，作为具有处理音频信号的独立流的适当信号处理的单个离散数字信号线，或者作为无线通信系统的要素。一些处理可以描述在框图中。在每个框中执行的活动可以被一个要素或被多个要素执行，并且可以被时间分开。执行框的活动的要素可以被物理地分开。除非另有指明，音频信号或视频信号或这两者可以被编码并且以数字或模拟的形式传输；在附图中常规的数模转换器或模数转换器可能未被示出。
本文使用的“耳机”指的是配合在耳的周围、其上、或其中的设备，其辐射声学能量进入耳道中。耳机可包括将音频信号转换成声学能量的声学驱动器。虽然附图和以下描述使用单个耳机，耳机可以是单个独立 单元或一对耳机中的一个耳机，一个耳机用于每个耳。耳机可以机械地连接至另一个耳机，例如通过头带或引线，其将音频信号传导至耳机中的声学驱动器。耳机可以包括用于无线接收音频信号的部件。除非另有所指，耳机可以包括有源噪声降低(ANR)系统的部件，这将于以下进行描述。
本文使用的关于尺寸的“标称”指的是由制造商在例如产品规格单中指定的尺寸。实际的尺寸可与标称尺寸略有不同。
图1示出了耳的前横截面和侧向视图，目的在于解释于本申请中使用的一些术语。为了清楚起见，耳屏(许多人在耳道入口的侧向视图中部分或完全隐藏的特征)被省略。耳甲(concha)是耳的不规则的盆状区域，大体由虚线802围绕。耳道804是具有非直线的中心线的不规则形的圆柱，其将耳甲与耳膜130耦合。因为耳的特定解剖随个体而改变很大，并且因为耳的解剖部分之间的精确边界未被很好地确定，精确描述耳的某些要素可能很困难。因此，说明书可涉及大体由线806围绕的、在耳甲盆与耳道之间的过渡区域。该过渡区域可以包括耳道的一部分或耳甲盆的一部分或其两者。
参照图2，示出了图示在(例如在美国专利4,455,675中描述的)有源噪声降低ANR耳机中的反馈环路的逻辑布置的框图。信号合路器30被操作地耦合至用于输入音频信号VI的端子24并且被耦合至反馈前置放大器35并且被耦合至补偿器37，该补偿器37继而在一些实施例中通过信号合路器230被耦合至功率放大器32。功率放大器32被耦合至声学驱动器17，该声学驱动器17被声学地耦合至耳道。声学驱动器17和端子25(其表示进入耳道的噪声PI)通过合路器36被耦合，表示噪声PI与声学驱动器的输出的合并。合路器36的声学输出Po被应用至耦合至输出前置放大器35的麦克风11，该输出前置放大器35继而被差分地耦合至信号合路器30。端子24、信号合路器30、功率放大器32、反馈前置放大器35以及补偿器37不在本说明书中讨论并且将在随后的视图中被共同地称为反馈电路71。
共同地，麦克风11、声学驱动器17以及合路器36表示在ANR耳 机的前腔体102中的有源反馈环路的要素，该前腔体102即为声学地耦合声学驱动器与耳膜的声学体积。某些ANR耳机还具有后腔体，即介于声学驱动器与环境之间的腔体，通常通过在其中安装声学驱动器的挡板与前腔体分开。如果存在，后腔体可以通过盖与环境分开，该盖可以具有用于声学或压力释放目的的通向环境的开口。
在操作中，麦克风11检测在前腔体102中的噪声。反馈电路71发展反馈噪声降低信号，其被提供至放大器32，该放大器32将该反馈噪声降低信号放大从而向声学驱动器17提供经放大的输出噪声降低信号。声学驱动器17将输出噪声降低音频信号转换成声学能量，其被辐射进入前腔体中。
在一些实施方式中，反馈环路可以被可选的(如由虚线指示的)前馈噪声降低电路171补充。前馈电路171从通常定位于耳机之外的前馈麦克风111接收噪声信号，并且得到前馈噪声降低信号，其在信号合路器230处与反馈噪声降低信号相加从而提供输出噪声降低音频信号。该放大器将该输出噪声降低音频信号放大并且向声学驱动器提供经放大的输出噪声降低音频信号。前馈电路通常包括滤波器结构，其可以包括自适应滤波器。一些适合用于耳机中的前馈噪声降低的电路的示例在美国专利8,144,890中进行了描述，通过引用其整体被结合于本文。
前腔体对于噪声降低耳机而言是重要的，因为更大的前腔体允许更多的无源衰减，这允许更多的总衰减或针对有源噪声降低的更低需求，或者两者皆有。在ANR耳机中，除允许更多的无源衰减之外，前腔体对于有源噪声降低耳机的操作具有重要影响。诸如尺寸和几何形状之类的特性影响声学驱动器与耳膜之间的、麦克风与声学驱动器之间的、以及麦克风与耳膜之间的传递函数。不可预测的和不一致的传递函数可导致反馈环路不稳定，这可以被对于耳机尤其恼人的“啸叫”证明，因为啸叫可以被直接辐射进入耳道中并且可以通过鼻窦腔以及通过用户的骨结构被传输至内耳。防止啸叫可意味着限制ANR电路的ANR性能，例如通过限制反馈环路的增益或通过限制ANR电路操作的频率范围。
不同类型的耳机的示例在图3A和3B中被示出。图3A是罩耳式 (circumaural)耳机。在罩耳式耳机中，前腔体102通常由抵着头的侧部密封的垫确定。因此，提供大的前腔体是可能的，尤其如果使用由垫占据的体积，例如在美国专利6,597,792中的耳机。罩耳式耳机的前腔体的通常体积是114cc。图3B是贴耳式(supra-aural)耳机。在贴耳式耳机中，前腔体由抵着外耳密封的垫定义。虽然提供如罩耳式耳机所具有的那样大的前腔体更加困难，仍可以通过使用由作为前腔体的部分的垫占据的体积使得前腔体被做得相对大，例如20cc，例如在美国专利8,111,858中的耳机。
常规的入耳式ANR耳机的图解视图在图4中示出。图4的耳机包括声学驱动器217和定位及保持结构220。该定位及保持结构具有至少四个功能。当该耳机被插入时，其将耳机对准在耳朵中；其形成与耳道的密封，从而防止环境噪声进入耳道；其将耳机保持在位，使得如果用户的头移动，该耳机保持在位；并且其提供从声学驱动器到耳道的通道。因为耳道的大小和几何形状随个体变化很大，并且因为耳道的壁对疼痛敏感并且可能甚至被耳机伸入耳朵中的部分损伤，该定位及对准结构通常由柔软舒适的材料制成，使得该定位及保持结构可以符合耳道的大小和几何形状，并且不会导致疼痛或对用户耳道的损伤。通常，舒适的材料是某些类型的泡沫的或固体的弹性体(诸如硅酮)。为了将耳机保持在耳朵中并且形成有效的密封，该定位及保持结构220伸入耳道中。然而，如在图4中所见，该定位及保持结构位于耳道以内，其减小了耳道的有效体积，这减小了前腔体的体积。因而，存在设计权衡：如果该定位及保持结构的壁太厚，它们可能使得前腔体的体积以及介于声学驱动器及耳膜之间路径的横截面面积被降低超出期望的大小；但如果该壁太薄，该定位及保持结构可能不足以密封耳道，可能不足以防止噪声进入耳道，并且可能不具有足够的结构强度或稳定性以将耳机保持就位。
可替代地，舒适的材料可以是开孔泡沫(open cell foam)，其允许泡沫的体积被用作前腔体的一部分，但开孔泡沫是声学半透明的，因此无源衰减被妥协。相似地，如果该定位及保持结构伸入耳道中太深，其可使得前腔体的体积被减小超过期望的大小；但如果该定位及保持结构 并不伸入耳道中足够深，其可能不足以密封，可能影响压力梯度，并且可能不能将耳机保持在位。
图4所示类型的耳机的声学驱动器通常被定向使得声学驱动器217的轴线230与通道的中心线232从声学驱动器到耳道处于声学驱动器结合通道的位置基本上平行或(在该示例中)重合。具有该布置方式，声学驱动器的直径被限制为耳道入口的、耳甲盆的、或外耳的一些其它特征的直径。如果期望使用更大的驱动器，例如，声学驱动器217'，声学驱动器必须在机械上部分地或完全地不被支撑。因为大型声学驱动器可具有相对于耳机的其它部分较大的质量，不被支撑的质量可导致耳机在耳朵中机械上不稳定。要素132和134将于以下讨论。入耳式ANR耳机的一些通常的要素(诸如麦克风)在该视图中未被示出。
接合耳道的定位及保持结构的可替代物是头带，诸如美国专利6,683,965中所示的。头带被入耳式耳机的一些用户认为是不可取的。
除了定位及保持耳机的机械困难之外，入耳式ANR耳机的较小前腔体造成了针对ANR耳机中的反馈环路的设计的附加困难。前腔体包括耳道。耳道的体积和几何形状随个体变化很大。在罩耳式和贴耳式耳机中，耳的尺寸和结构的变化对ANR系统的操作仅具有很小的影响。然而，对于入耳式耳机，耳道是前腔体的重要部分。因此，耳道的尺寸和几何形状的变化具有对ANR系统的操作的更大的影响，并且耳机与耳道接合的部分的阻挡、扭结或压缩也对ANR系统的操作具有较大的影响。然而，试图防止阻挡、扭结和压缩可能与耳机伸入耳道中的部分的顺应性和舒适性的目标相冲突。
图5示出了适于在ANR系统中使用的入耳式耳机110。耳机110可以包括用于定位布线等等的茎部152、声学驱动器模块114以及端部160。一些耳机可缺乏茎部152但可包括用于与外部设备无线通信的电子模块(未示出)。其它耳机可缺乏茎部以及声学驱动器模块，并且可作为无源耳塞工作。端部160包括定位及保持结构120，其在该示例中包括外腿部122和内腿部124。端部还包括密封结构48从而对耳道的开口密封以形成前腔体。
外腿部122和内腿部124可从声学驱动器模块114延伸。两个腿部中的每一个腿部在一端连接至本体。外腿部可以被弯曲成在耳甲的后面大体上遵循反螺旋壁(antihelix wall)的曲线。每个腿部的第二端可以是结合的。结合的内腿部和外腿部可以延伸超过附接至定位及保持结构极端的点。合适的定位及保持结构被描述在美国专利申请12/860,531中，通过引用其整体被结合进本文中。在一个实施方式中，密封结构48包括当耳机被推入耳道中时向内偏斜的顺应的截头圆锥形结构。该结构在耳甲盆与耳道之间的过渡区域处与外耳的特征一致，从而密封耳道以阻止环境噪声进入耳道。一种这样的密封结构被描述在美国专利申请13/193,288中，通过引用其整体被结合进本文中。定位及保持结构和密封结构48的结合提供了机械稳定性。不需要头带或其它用于施加向内压力以将耳机保持在位的设备。耳机并不需要像传统的定位及保持结构那样伸入耳道那么深。在某些情况下，密封结构48本身足以将耳机定位及保持在耳朵中。该定位及保持结构提供更多机械稳定性并且允许头部的更加突然的运动。
图6是图5的耳机在用户的耳朵中的的一部分的视图。为了示出细节，一些要素，诸如声学驱动器114、密封结构48以及茎部152被省略，并且端部160被部分地切除。该定位及保持结构120与外耳的特征接合，使得声学驱动器模块(包括声学驱动器)在用户的耳上是机械上稳定的，尽管当使用耳机时耳机的很大一部分位于耳甲之外。将声学驱动器模块定位为基本上位于耳甲之外允许使用比起在声学驱动器必须配合进耳甲(或甚至部分或完全在耳道中)的耳机中可以使用的声学驱动器而言显著更大的声学驱动器，而不需使用头带，也不需要耳机延伸进入耳道很深。更大的声学驱动器的使用允许在低频、特别是在嘈杂环境中的更好的噪声消除性能。在一个实施方式中，使用了标称14.8mm直径的声学驱动器。通常，声学驱动器必须在直径上小于10mm以配合进耳甲。
图7A是在用户的右耳朵中就位的图5和6的耳机的实际实施方式的横截面视图，其在横切面截断并且从下方观看。声学驱动器17通过管嘴70被声学地耦合至耳道75，该管嘴70即为声学地耦合声学驱动器 17与耳道的通道。耳道的密封部分77、在膜片前面的空间73以及管嘴70的结合形成耳机的前腔体。在具有图4的结构的耳机中，管嘴可以包括定位及保持结构的一些或全部。管嘴可以包括坚硬段72以及顺应段67，并且具有管嘴的总长度为大约10至12mm。管嘴具有椭圆的开口，具有例如大约5.3mm的长轴以及大约3.6mm的短轴以及大约15至16mm2的横截面面积以及大约150至190mm3的体积。
可以由ANR耳机提供的有源衰减的量被前腔体的阻抗限制。总体上，较小的阻抗是理想的，即使减小阻抗的结果导致更小的前腔体。总体上，由于减小的阻抗导致的有源噪声降低的改进不仅只是抵消由于更小的前腔体导致的无源衰减的任何降低。阻抗可以以若干方式被降低，其中一些方式是相关的。阻抗取决于频率，并且理想的是在宽频率范围上减小阻抗，或至少在ANR系统操作的频率范围上减小阻抗。阻抗可以在宽频率范围上被减小，例如，通过增加介于声学驱动器与耳膜之间的声学路径的横截面面积(两者均以绝对值计)，并且通过减小介于声学驱动器和耳膜之间的声学路径的长度与声学路径的横截面面积的比率，并且通过减小前腔体的声学质量。前腔体的部件中，通过改变在声学驱动器前面的空间(图7的73)的尺寸实现阻抗的实质降低是困难的，并且增加耳道的横截面面积或减小耳道的声学质量是不可能或者至少是非常不实际的，因此在宽的频率范围上减小前腔体的阻抗的最有效的方式是通过增加管嘴70的横截面面积(对于在管嘴的长度上不具有统一的横截面面积的管嘴而言指的是管嘴的平均横截面面积，或者如果有特指，指的是管嘴的最小横截面面积)，通过降低管嘴长度与管嘴横截面的比率，并且通过减小管嘴的声学质量而减小管嘴70的阻抗。总体上，使得绝对值|z|在100Hz处小于并且优选小于以及在1kHz处小于并且优选小于的阻抗提供了有源噪声衰减的显著改进，而不需显著地减小无源衰减。阻抗具有两个成分，阻性成分(DC流电阻R)以及抗性成分或质量成分jωM，其中M是声学质量，将于以下讨论。这两个成 分中，jωM项比R项大得多。例如，在一个实施方式中，在100Hz的总阻抗的绝对值或大小是并且质量阻抗是因此，在下文中将仅考虑质量阻抗。小于以上所述值的质量阻抗可以通过提供以下的结合而获得：具有通过其可以传播声学能量的至少7.5mm2且优选为10mm2的横截面面积A的管嘴；小于并且优选小于的比率(其中l是管嘴的长度)；以及小于并且优选小于的声学质量M，其中其中ρ是空气密度(如果实际测量很困难或不可能，可以被假定为)。在根据图7的耳机的一个实施方式中，横截面面积A是大约1.4×10-5至1.6×10-5m2(14至16mm2)，比率介于625与之间，声学质量介于750与之间，并且质量阻抗的绝对值在100Hz处介于与之间，以及在1kHz处介于与之间。
由于耳机具有定位及保持结构120，管嘴并不需要进行耳机在用户的耳朵中的定位及保持，并且并不需要超过所需地接触耳以充分地密封耳道。因此，该管嘴的结构、尺寸和材料可以基于声学和舒适度的考虑而不是基于机械上的需求做出选择。例如，管嘴可以具有至少部分地与耳道的最宽部分的横截面面积相同大小的横截面面积，由此减小阻抗。
耳机具有减小管嘴会被阻塞或阻挡的可能性的几种特征。由于管嘴并不像传统的耳机那样延伸进入耳道那样深，其较少受到由用户到用户在耳的几何形状和大小上的变化导致的阻塞或阻挡的影响。坚硬段72抵抗顺应段的过度变形，而顺应段允许耳机与用户的耳的大小和几何形状相一致而不导致不适。在一个实施方式中，坚硬段由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)制成，并且顺应段由硅酮制成。要素81和83将于以下讨论。
返回参考图7A，在坚硬段的末端可以存在网屏79，其防止碎屑进入声学驱动器模块14。该网具有小于30瑞利的低声阻，例如大约为6 瑞利。
图7B示出了图7A的实施方式，而没有用户的耳的特征。管嘴的一端被定位为接近声学驱动器膜片78的边缘76。声学驱动器的轴线330被定向使得与轴线330平行或重合的直线以角度θ>30度并且优选>45度与管嘴的中心线332相交。在一个实施方式中，θ≌78度。
图8A至8E是图示了图7的角度θ的图解视图。图8A和8B图示了“面对开火(facefire)”布置，其中θ＝0度。在图8A中，声学驱动器的轴线330和管嘴的中心线332是重合的，并且在图8B中，声学驱动器的轴线330和管嘴的中心线是平行的。图8C图示了“边缘开火(edgefire)”布置，其中θ＝90度。图8D和8E图示了介于“面对开火”与“边缘开火”之间的布置。在图8D中，θ＝30度，并且在图8E中，θ＝45度。
参照图9，理想的是将麦克风放置在点511A处，点511A径向地接近点311，在点311处膜片78被附接到声学驱动器的音圈(如美国专利8,077,874中所描述的)以最小化来自膜片78的声学能量的辐射与通过麦克风11的声学能量的测量之间的时延。总体上，改变麦克风位置使得麦克风远离膜片比起改变麦克风使得其在相对于膜片的不同径向位置而言具有在时延上更加负面的效果。将麦克风放置接近于耳膜(例如在管嘴中)提供了更加平缓的压力梯度，其允许更大的有源噪声降低。在常规的具有“面对开火”定向的有源噪声降低设置中，将麦克风移动接近于耳膜以改进压力梯度使得麦克风移动远离膜片，其负面地影响时延。因此，改变麦克风的位置以改进压力梯度会恶化时延，并且改变麦克风的位置以改进时延会恶化压力梯度。
图9示出了改变麦克风的位置从点511A(在音圈和膜片的附接311的点以上)到点511B(离耳膜更近，靠近或在管嘴中)的示例。位置的改变(由箭头512表示)具有远离膜片的分量(由箭头523表示)，以及穿过膜片的分量(由箭头524表示)。远离膜片的位置改变(与cosθ成比例)负面地影响时延。穿过膜片的位置改变(与sinθ成比例)负面地影响时延的程度并不像远离膜片的位置改变那样大。在“面对开火” 定向中，θ＝0度，使得cosθ＝1以及sinθ＝0，使得向着耳膜以及向着或进入管嘴的位置改变导致远离膜片的相等的位置改变。在“边缘开火”定向中，θ＝90度，使得cosθ＝0以及sinθ＝1，使得向着耳膜以及向着或进入管嘴的位置改变导致远离膜片没有位置改变。对于θ＝30度，如在图5E中示出，穿过膜片的位置改变的量是远离膜片的位置改变的量的0.5，并且对于θ＝45度，进入管嘴的位置改变导致穿过以及远离膜片的位置改变的相等的量。对于θ＝78度的实际的实施方式，向着耳膜进入管嘴的五个单位的位置改变导致穿过膜片的大约一个单位的位置改变。
再次参照图7A，声学驱动器17的大部分(大致由线81表示)位于用户的耳甲之外。定位及保持结构120与外耳的特征83接合以将耳机保持在位而不需要头带。
除了减小管嘴被阻挡的可能性的特征之外，耳机可以具有减小阻塞或阻挡的负面效果的其它特征。下面将讨论各种特征中的一种特征。
图10A和10B图示了耳机的另一特征。图10A示出了图2的反馈环路，如在图5和图7的ANR耳机中实施的。在其中采用反馈环路的ANR耳机的前腔体102包括声学体积v，其包括图5的管嘴70的体积v管嘴加上用户的耳道的体积v耳道。前腔体还可以具有以下特征：表示耳膜的声阻r耳膜的声阻。r耳膜和体积v一起形成了阻抗z内部。如在图10B中描绘的，前腔体的几何形状和尺寸以及耳膜的阻性是确定传递函数Gds的因素，该传递函数即为从声学驱动器17到麦克风11的传递函数。
如果几何形状、尺寸、声阻或阻抗与用于设计反馈环路(例如在图11A中，管嘴已经被阻挡，使得v≠vearpiece+vearcanal，例如v＝vearpiece)的几何形状、尺寸、声阻或阻抗不同，传递函数可以是一些其它函数，例如图11B的G′ds，其可导致反馈环路变得不稳定或性能较差。例如，图12A和12B相应地示出了与管嘴被阻挡的传递函数的大小(97B)和相位(98B)相比较下传递函数Gds的大小(97A)和相位(98A)。两个曲线在1kHz处偏离大约20dB，并且在1kHz与3kHz之间偏离45到90度。
图13A和13B示出了减小管嘴的阻塞或阻挡会对传递函数改变足 以导致反馈环路中的不稳定性的程度的可能性的配置。在图13A的配置中，前腔体102通过具有阻抗z外部的分路器80被耦合至环境。该分路器减小了管嘴的阻塞或阻挡会导致反馈环路中的不稳定性的可能性。阻抗z外部在低频处应当低，并且在高频处比z内部高。该分路器可以是到环境的开口，在开口中具有阻抗提供结构。该阻抗提供结构可以是如图13A所示的阻性屏82。可替代地，该分路器可以通过在耳机的壳体中形成声阻孔或通过具有形成在插入件中的孔的插入件而提供。该分路器导致声学驱动器通过阻抗z外部被声学地耦合至环境并且通过传递函数Gds被耦合至反馈电路61，如图13B所示。
在图14中，分路器80具有图12的屏82和开口。附加地，开口80和屏82通过填充有泡沫86的管件84被耦合至环境。该管件提供了确定阻抗z外部的更高精度，并且泡沫抑制可发生在管件中的谐振。其它配置也是可能的：例如，阻性屏可以在管件84的外端88，或者阻性屏可以在开口80以及管件84的外端88中。
图15A和15B相应地示出了根据图9的耳机的传递函数Gds的大小和相位，该耳机的管嘴未被阻挡(曲线97B)以及被阻挡(曲线98B)。比起图8的曲线而言，这些曲线偏离得更小。
图16示出了在前面的附图中的系统麦克风11处的具有分路器以及不具有分路器的总有源消除。若没有分路器(由曲线83表示)，在大约300Hz与800Hz之间具有降到小于0dB的显著下降。若具有分路器(由曲线85表示)，该下降被排除，使得两种配置在大约700Hz与1kHz之间存在10dB或更大的差异。
图17示出了分路器80的效果的示例。图17示出了作为频率的函数的大小|z|。曲线90表示前腔体的阻抗的大小。在低频处，例如在大约100Hz以下，前腔体阻抗非常高，并且阻抗在大约1kHz处达到最小值并且在更高频率处增加。曲线91表示分路器的阻抗的大小，|zexternal|。在低频处，在大约1kHz以下，分路器的阻抗非常低。在1kHz之后，该阻抗比起前腔体和耳膜的阻抗而言增加更加迅速。因而，在低于1kHz的频率处，分路器的阻抗支配，并且在高于1kHz的频率处，前腔体的 阻抗支配。
采用分路器80需要在无源噪声衰减与有源噪声衰减之间权衡。该权衡在图18中图示，这是以dB的衰减(垂直轴上更正向的值表示更大的衰减)对频率的绘图。在图18中，曲线92表示由具有分路器的耳机提供的无源衰减并且曲线93表示由不具有分路器的耳机提供的无源衰减。在高于大约1kHz的、无源衰减支配的频率范围中，在任何给定频率处，例如f1，由不具有分路器的耳机提供的无源衰减比具有分路器的无源衰减更大。曲线94表示由具有分路器的耳机提供的有源衰减并且曲线95表示由不具有分路器的耳机提供的有源衰减。在低于大约1kHz的、有源衰减支配的频率范围中，在任何给定频率处，例如f2，由具有分路器的耳机提供的衰减比不具有分路器的耳机提供的衰减更大。
关于总衰减，不具有分路器的耳机在较低频率处提供了较少衰减并且在较高频率处提供了较多衰减，而对于具有分路器的耳机而言则相反，因此所提供的总衰减可能没有显著差异。然而，除了提供的衰减，以及如果管嘴被阻挡或阻塞则稳定性更好，可能存在其它原因为何图13和14的结构是有利的。例如，分路器提供了对于环境声音以及对于由用户发出的声音更加自然的声音(例如，用户听见他/她自己的嗓音通过耳道、通过骨结构并且通过鼻窦腔传导至耳)。若没有分路器，耳机像耳塞一样动作，使得达到耳膜的环境声音“嗡嗡响(boomy)”并且具有“沉闷(stuffy)”的声音。若具有分路器，环境声音和由用户发出的声音具有更加自然的声音。
可以从本文公开的特定装置和技术中产生若干用途和偏离而不脱离本发明构思。因此，本发明意在被解释为包括本文公开的每一个新颖特征和特征的新颖组合并且仅由所附权利要求书的精神和范围所限制。