ANC耳机系列之自适应透传

引言

透传/通透模式是TWS耳机除ANC和ENC以外的重要功能，做的好的声透传，佩戴耳机如若无物，耳机壳体在声传播中仿佛透明，可以给用户带来丰悦的感受。

近日，台湾桃园市的中原大学电子工程系的Chong-Rui Huang, Cheng-Yuan Chang和Sen M. Kuo[1]提出主动透传均衡算法，实时预估鼓膜处真环境声与伪环境声的残差，使用FxLMS算法实时调整透传器（选用FIR滤波器）的参数，对比基线算法[2]与商业耳机（看论文原图7，推测应是AirPods Pro一代）取得抑制低频干扰与压制高频环境声反抬的收益。

如21dB前文《ANC耳机系列之通透模式》，在理论上，透传器传函公式是环境声来波方向俯仰角和水平角的函数，因此若仅设置一系数固定的透传器（无论是FIR还是IIR），则易产生较大误差，难以取得最佳效果。

该研究有以下几点技巧值得介绍

一、时移离线估计

真环境声需要通过佩戴耳机时耳机参考麦拾取的外界环境声x(n)推算而来，首先两者差了一个时延，且此时延与环境声来波方向有关，其次为佩戴耳机时鼓膜处拾取的真环境声与佩戴耳机时外界环境声x(n)有频谱染色关系，也即差了一个传函，文中对应T(z)。

该研究在各角度下测量

（1）人工头不佩戴耳机时，声源在鼓膜处的真实环境声d(n);

（2）人工头佩戴耳机时，耳机外侧前馈麦拾取的外界环境声参考信号x(n).

求解延迟，使真实环境声d(n)与外界参考环境声x(n)在各方向下的相关函数均值最大，再利用此延迟，配合LMS算法估计外界环境声x(n)变为鼓膜处“真环境声”的传函T(z)的时域脉冲形式t(n)，x(n)卷积t(n)的  即是对鼓膜处真环境声的估计。

二、塑形滤波器

耳机被动降噪曲线代表耳机壳体对外界环境声的衰减作用，不同耳机形体不一，同一耳机在不同佩戴状况下也不一。由下图可见，声衰减大约从300 Hz开始，滚降至3 kHz最为严重。

图片图表1 被动声衰减量（原论文图5）

该研究据此设计了塑形滤波器（Shaping filter），留待与  卷积得  。其幅频响应曲线如下图，其意义在于保留对1~3kHz估计的真与伪环境声误差的关注（增益为0dB），弱化低频及高频真伪环境声误差的影响，从这个意义上说，此塑形滤波器在理念上与FxFeLMS算法中对误差信号再做滤波有一定相通之处。

 图表2 塑形滤波器幅频曲线（原论文图9）

三、主动透传均衡算法

 图表3算法框图（原论文图6）

图中  再弥补次级通道时延，即是耳机外侧参考麦拾取的外界环境声x(n)推算而来的“真”环境声，x(n)卷积透传器参数  ，再经过次级通道的物理声传播过程，到达鼓膜处即是补偿声。根据算法框图结构，透传器参数  以FxLMS算法调节。

四、效果

如下图所示，所提方法通过塑形滤波器取得了同时压制低频干扰和抑制高频各方向环境声来波的声反抬，由于基线方法和AirPods一代。

仔细看图，AirPods Pro一代的透传误差可高达10kHz左右依旧保持在很低的水平，反观所提方法仅能保持至4kHz。针对该点，该研究解释说AirPods Pro保持至10kHz无必要，且会引发高频环境声反抬（通俗的说就是补偿过头了），对此我持保留态度，延展至10kHz是否有必要、高频环境声补偿过头是否会产生负向的不愉悦感，应当通过多人的主观实验来得出结论，此论断有些牵强。

 图表 4 (a)所提方法真、伪环境声残差(b)基线方法残差(c)AirPods Pro一代残差（原文图14）

参考文献：

[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.

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作者：王佳杰