ES2319342T3 - Dispositivo de control de ruidos. - Google Patents

Abstract

Un aparato (20) de control de ruidos para usarse con un micrófono (22) direccional, que comprende: un alojamiento (38) que presenta una primera abertura (50) para sonidos ubicada en un lado delantero de un elemento de barrera y una segunda abertura (58, 59) para sonidos ubicada en un lado posterior del elemento de barrera; caracterizado porque el alojamiento tiene un reflector curvado (24, 25) que se extiende desde el lado posterior del elemento de barrera que desvía la voz de un usuario alejándola de la segunda abertura para sonidos y que desvía el ruido ambiental hacia la segunda abertura para sonidos.

Description

Dispositivo de control de ruidos.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere en general a micrófonos con supresión de ruidos y a dispositivos relacionados. Más en particular, esta invención se refiere a un dispositivo de control de ruidos bidireccional para su uso en entornos que tengan ruido aleatorio.

Las unidades de micrófono funcionan normalmente en entornos en los que hay ruido no deseado. Por ejemplo, una persona que esté escuchando a alguien hablar por teléfono puede dejar de prestar atención a la voz de la persona que habla debido a sonidos que proceden de maquinaria, tráfico, dispositivos u otros sonidos ambientales, si la persona está hablando por un teléfono que no tenga un micrófono con supresión de ruidos.

Muchos diseños de elementos de micrófono con supresión de ruidos utilizan un orificio para sonidos delantero y otro trasero que permiten que el sonido entre por ambos y que incida en el diafragma simultáneamente en direcciones opuestas, dando como resultado que el micrófono genere una señal débil o no genere ninguna señal. Esta técnica se aplica en una amplia variedad de micrófonos cardioides así como en transmisores de microteléfonos y en auriculares. Algunos utilizan sintonización acústica para el orificio trasero para hacerlo más sensible a las frecuencias.

Los micrófonos con supresión de ruidos dependen de dos factores para su funcionamiento. El primer factor es el patrón polar del micrófono (normalmente bidireccional) y la presuposición de que el ruido que va a reducirse no está en el eje de máxima sensibilidad del micrófono. El segundo factor son las diferentes respuestas del micrófono bidireccional para una fuente de sonido cercana al micrófono (es decir, entrando por el orificio para sonidos delantero) y para una fuente de sonido situada a una distancia del micrófono (es decir, entrando por el orificio para sonidos delantero y por el orificio para sonidos trasero). Sonidos de campo. Esta frecuencia de cruce se producirá en una frecuencia superior para un micrófono con una separación entre orificios más corta que un micrófono con una separación entre orificios más larga.

Existen varios dispositivos, tanto eléctricos como mecánicos, usados para la supresión de ruidos pero tienen desventajas importantes tales como la necesidad de preprocesamiento, efectos de reflexiones, dificultades de calibración, costes y el entorno de funcionamiento. Por ejemplo, en entornos los que el habla humana sea el ruido ambiental, las técnicas de procesamiento de señales, tales como el filtrado, no pueden usarse de manera eficaz debido a que el habla humana ambiental está en la misma frecuencia que la voz deseada de la persona que habla y porque el ruido ambiental no es ni constante ni periódico.

Los documentos JP-A-09 0088 y US-A-4 850 016 desvelan aparatos de control de ruidos en los que no está presente un reflector curvado junto con un elemento de barrera que comprende dos aberturas para sonidos en lados opuestos.

Breve sumario de la invención

El aparato de la presente invención mejora el funcionamiento de los micrófonos con diferencial de presión usados para suprimir o eliminar el ruido de fondo. Cuando el micrófono con diferencial de presión y el aparato de la presente invención se usan juntos, forman un sistema de eliminación del ruido electroacústico que supera el funcionamiento de las tecnologías disponibles en el mercado.

La presente invención consigue un alto grado de supresión de la incidencia del ruido ambiental sobre la superficie delantera de un micrófono con diferencial de presión dirigiendo el mismo ruido ambiental hacia el lado posterior del micrófono. La presente invención provoca que el ruido ambiental (incluyendo la voz, ruido no constante, ruido no periódico y ruido aleatorio) entre en el micrófono por ambos lados simultáneamente, siendo la intensidad del sonido en el lado un poco más alta relativamente para vencer la impedancia relativamente superior del lado posterior del micrófono, anulando de esta manera el efecto de las ondas sonoras del ruido. Además, la presente invención desvía la voz del hablante (es decir, el sonido deseado que va a transmitirse) alejándola del lado posterior del micrófono.

La presente invención utiliza reflectores curvados para dirigir el ruido ambiental hacia el lado posterior del micrófono incluso cuando el orificio trasero del micrófono no está alineado con la fuente de ruido ambiental molesto. Además, la presión sonora del ruido ambiental que entra por el lado posterior del micrófono aumenta debido a los reflectores curvados que son más grandes que la abertura que conduce al lado posterior del micrófono. Mediante esta invención, las ondas sonoras del ruido ambiental que entran por la parte delantera del micrófono se eliminan en el micrófono mediante el mismo ruido ambiental que converge hacia la superficie posterior del micrófono. Los reflectores curvados también actúan para desviar la voz del habla alejándola del lado posterior del micrófono de manera que la voz de la persona que habla entra solamente por el lado delantero del micrófono. Esto es esencialmente para impedir la autosupresión.

En un aspecto, la presente invención proporciona un aparato de control de ruidos para su uso con un micrófono direccional que presenta un alojamiento que tiene una primera abertura para sonidos ubicada en un lado delantero de un elemento de barrera y una segunda abertura para sonidos ubicada en un lado posterior del elemento de barrera. El alojamiento está caracterizado por tener un reflector curvado que se extiende desde el lado posterior del elemento de barrera que desvía la voz de un usuario alejándola de la segunda abertura para sonidos y que desvía el ruido ambiental hacia la segunda abertura para sonidos.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un aparato de control de ruidos de este tipo que tiene un micrófono que presenta tanto un lado delantero de recepción de sonidos como un lado posterior de recepción de sonidos que se comunican respectivamente con la primera abertura para sonidos y con la segunda abertura para sonidos.

Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos

La figura 1 es una vista en perspectiva del aparato de la presente invención.

La figura 2 es una vista en planta del aparato en un microteléfono.

La figura 2A es una vista en planta desde arriba del aparato.

La figura 2B es una vista en planta desde arriba ampliada de la parte 2A de la figura 2 con el micrófono extraído de la abertura en la parte superior del aparato.

La figura 3 es una vista en alzado trasera del aparato.

La figura 4 es una vista en alzado delantera del aparato.

La figura 5 es una vista lateral derecha del aparato.

La figura 6 es una vista lateral izquierda del aparato.

La figura 7 es una vista en planta desde abajo del aparato.

La figura 8A es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 8A-8A de la figura 2A.

La figura 8B es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 8B-8B de la figura 2A.

La figura 9 es una representación esquemática de la voz de la persona que habla interactuando con el aparato.

La figura 10 es una representación esquemática del ruido ambiental interactuando con el aparato.

La figura 11 es un gráfico de la respuesta al campo próximo y de la respuesta al campo lejano de un auricular con supresión de ruidos de la técnica anterior.

La figura 12 es un gráfico de la respuesta al campo próximo y de la respuesta al campo lejano del aparato de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

El aparato 20 de la presente invención mejora los efectos de supresión de ruidos de los micrófonos 22 con diferencial de presión (es decir, micrófonos bidireccionales) para el reconocimiento de voz y la transmisión del habla cuando se usa en entornos con ruido ambiental. La presente invención puede usarse con microteléfonos, tal como se usa en el ejemplo del presente documento, en sistemas de reconocimiento de voz, así como en una variedad de entornos y de dispositivos tales como, pero no limitados a, teléfonos para aviones, teléfonos móviles, teléfonos para coches, auriculares y micrófonos para los escenarios. La presente invención funciona particularmente bien en entornos que presentan ruido ambiental aleatorio producido por el habla humana (por ejemplo, en salas de Bolsa y en salas de comercialización), ruido no periódico o ruido no constante, pero también puede aplicarse en entornos en los que el ruido ambiental sea constante o periódico y no sea ruido producido por el habla. La presente invención mejora el reconocimiento de voz y la claridad de la transmisión del habla mejorando la relación señal a ruido en un intervalo de frecuencias de hasta 8 kHz, a diferencia de los dispositivos convencionales que generalmente llegan hasta los 4 kHz o menos.

La realización ilustrada del aparato 20 se enrosca en un microteléfono 30 estándar en lugar del transmisor original. Un adaptador 32 de alojamiento (figuras 7 y 8A) que presenta contactos 34 y 36 eléctricos está acoplado al alojamiento 38 para esta establecer los contactos adecuados con el microteléfono 30. Como reconocerá un experto en la materia, el adaptador 32 de alojamiento puede presentar una variedad de configuraciones para ajustarse a cualquier dispositivo en el que se use la presente invención. En algunos dispositivos en los que se usará la presente invención no es necesario un adaptador de alojamiento.

El aparato 20 de la presente invención concentra ruido ambiental en el orificio trasero (no mostrado) de un micrófono 22 con diferencial de presión, descrito anteriormente, mientras que desvía la voz de la persona que habla alejándola del orificio trasero usando un par de reflectores 24 y 25 curvados y un elemento 26 de barrera de sonido. El elemento 26 de barrera se extiende a través del ancho (es decir, la dirección x) del aparato 20 y forma un par de zonas 28, 29 abiertas de concentración de sonidos (figura 5) con los reflectores 24 y 25 curvados. Estas características están ilustradas en sección transversal en las figuras 8A, 9 y 10.

El aparato 20 tiene una base 40 que en la realización ilustrada está diseñada para enroscarse en un microteléfono estándar en lugar del transmisor original. Para los fines de descripción de este documento, las direcciones x, y y z están definidas en la figura 1. La dirección x se define atravesando el alojamiento 38 en la dirección general de la longitud del elemento 26 de barrera. Esta dirección se describe como la dirección "general" ya que el elemento 26 de barrera presenta una sección decreciente desde su primer extremo 42 hasta su segundo extremo 44. Por lo tanto, la dirección x está en la dirección de una línea central que se extiende a lo largo de la longitud del elemento de barrera. El elemento 26 de barrera es más ancho en el primer extremo 42 de manera que un usuario que hable utilizando el microteléfono puede apoyar su mejilla contra el extremo más ancho aunque, sin embargo, el elemento de barrera no tiene por qué ser más ancho en un extremo. El elemento 26 de barrera está soportado en el primer extremo 42 mediante rebordes 46 y 47 y en el segundo extremo 44 mediante rebordes 48 y 49. La abertura 50, como puede observarse mejor en las figuras 2B, 8A y 8B, a través del elemento 26 de barrera aloja al micrófono 22. Los cables 52 se extienden a través de orificios 54 y 55 de manera descendente a través del aparato 20 para hacer contacto con los contactos 34 y 36 eléctricos.

Los reflectores 24 y 25 curvados se curvan en las direcciones y y z (es decir, en las direcciones de profundidad y de altura) hasta alcanzar un ápice 56 (figuras 2B, 8A-10) a lo largo de la línea central del elemento 26 de barrera. Los reflectores 24 y 25 curvados se elevan inicialmente de manera suave desde la base 40 y después ascienden de manera abrupta a media que se acercan al ápice 56, formando de esta manera una superficie curvada continuamente variable. Se prefiere una superficie curvada continuamente variable, en lugar de una superficie curvada semicircular, de manera que los reflectores reflejen el sonido en un amplio intervalo de frecuencias con una mínima resonancia. Las superficies curvadas continuamente variables no tienen que ajustarse a una sencilla ecuación matemática y pueden ser semiparabólicas, cuasiparabólicas o cualquier superficie de una amplia variedad de superficies curvadas continuamente variables. Para fomentar la eliminación o la minimización de la resonancia, el lado posterior o el lado 60 inferior del elemento 26 de barrera y la intersección del reflector curvado forman zonas 28 y 29 no tubulares de concentración de sonidos alrededor de las ranuras 58 y 59. Dicho de otro modo, el espacio que limita con el lado inferior del elemento de barrera y con el reflector curvado no forma una columna de aire como hacen a menudo las estructuras tubulares de la técnica anterior, las cuales pueden producir resonancia en determinadas frecuencias. Por el contrario, las zonas 28 y 29 de concentración de sonidos son sistemas reflectores "abiertos" similares al oído humano para eliminar o al menos minimizar la resonancia alrededor de las ranuras 58 y 59.

Una finalidad de los reflectores 24 y 25 curvados es reflejar y concentrar ruido ambiental a través de las ranuras 58 y 59 en el lado posterior del micrófono 22. Las ranuras 58 y 59 (figura 8A) están formadas donde la abertura 50 sale a través del elemento 26 de barrera sobre el ápice 56. Por lo tanto, las ranuras 58 y 59 tienen cada una una longitud igual a longitud de la abertura 50 en la dirección x, y un ancho igual a la mitad del ancho de la abertura 50 en la dirección y. Las superficies curvadas continuamente variables de los reflectores 24 y 25 ayudan a garantizar que para cada ángulo de incidencia de ruido 70 ambiental haya algún ángulo de reflexión para dirigir el ruido 70 ambiental al lado posterior del elemento 26 de barrera, a las ranuras 58 y 59 y al lado posterior del micrófono 22 (figura 10). Además, debido a que los reflectores 24 y 25 curvados son mucho más grandes con respecto a las ranuras 58 y 59, los reflectores aumentan la presión sonora del ruido ambiental en el lado posterior de recepción de sonidos del micrófono 22 para vencer la impedancia acústica intrínseca de la estructura de soporte interna del micrófono de manera que el ruido ambiental incida sobre el lado delantero de recepción de sonidos y sobre el lado posterior de recepción de sonidos del micrófono en presiones sonoras sustancialmente iguales para una mejor supresión del ruido.

Otra finalidad de los reflectores 24 y 25 curvados es desviar la voz del hablante alejándola del lado posterior del micrófono 22 para reducir o eliminar la autosupresión de la voz de la persona que habla, lo que se produce al entrar la voz de la persona que habla por el lado delantero y por el lado posterior del micrófono. La voz 64 (líneas continuas de frente de onda) del hablante 66 se dirige hacia la parte superior del elemento 26 de barrera generalmente a lo largo del eje 62 principal del aparato 20 hacia la entrada delantera del micrófono, tal como se muestra en la figura 9. Después de que el sonido 64 de la voz haya pasado el elemento de barrera, el sonido se desvía alejándose de la entrada trasera del micrófono mediante los reflectores 24 y 25 (líneas 68 discontinuas de frente de onda). El reflejar la voz 64 del hablante 66 alejándola del lado posterior del micrófono puede producir una ganancia de 10 dB con respecto a los microteléfonos de la técnica anterior ya que los microteléfonos de la técnica anterior presentan normalmente algún grado de autosupresión de la voz del hablante. Para disminuir la cantidad de voz de la persona que habla que puede pasar alrededor de los bordes del elemento 26 de barrera, la forma de los bordes puede optimizarse para reducir la refracción alrededor de los bordes o para reflejar la voz de la persona que habla alejándola. Los reflectores 24 y 25 pueden estar hechos de una amplia variedad de materiales tales como, pero no limitados a, plásticos, espumas y cauchos.

Una manera de cancelar el efecto de la presión de ruido en el micrófono es garantizar que la presión de ruido percibida por la superficie delantera sea igual a la percibida por la superficie trasera. En la figura 10, el ruido 70 se modela como una fuente esférica distribuida que tiene una intensidad I_{o}. Se presupone que la fuente de ruido esférica está ubicada en un radio R desde el centro del micrófono 22. La presión de ruido percibida sobre la superficie delantera del micrófono se obtiene integrando el campo de ruido sobre el hemisferio superior:

1

donde A es el área de superficie del micrófono, c es la velocidad del sonido en el aire y N_{f} es la presión de ruido que incide sobre la superficie delantera del micrófono.

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La presión de ruido percibida sobre la superficie trasera del micrófono depende de las características del reflector. Para un reflector sólido, isotrópico y linealmente elástico, la reflectividad acústica \alpha_{r} viene dada por:

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donde \rho es la densidad del aire, c es la velocidad del sonido en el aire, \rho_{1} es la densidad del medio reflector, c_{1} es la velocidad del sonido en el medio reflector y \theta es el ángulo de incidencia. Estudios minuciosos indican que la reflectividad acústica es casi la unidad para la mayoría de sólidos metálicos. El material escogido para el reflector de la presente invención también presenta una reflectividad unitaria.

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Aplicando la ley de Snell, la presión de ruido debido a la reflexión es:

3

donde y = f(x) es la función que determina la forma del reflector. Esta función se elige de manera que N_{f} = N_{b}. Varias familias de funciones satisfacen el criterio dado de adaptación de la presión de ruido. De estas familias, se eligen funciones que satisfagan tres criterios. El primer criterio es el intervalo de frecuencias para el que se desea la supresión del ruido. Para la aplicación de voz actual, se desea un intervalo de frecuencias de 0 a 8.000 kHz. Comparando la onda no reflejada que incide sobre la superficie delantera con la onda reflejada que incide sobre la superficie trasera, puede demostrarse fácilmente que la onda reflejada está rezagada con respecto a la onda no reflejada. Por lo tanto, la función de la forma se escoge de manera que el desfase sea mínimo. El segundo criterio es que la forma minimice la cantidad de sonido de campo próximo reflejado de nuevo hacia el micrófono y el tercero es que la superficie puede fabricarse fácilmente.

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La eliminación o supresión del ruido se mide comparando las señales de un micrófono de referencia con un micrófono de prueba bajo dos condiciones. La primera condición somete a ambos micrófonos a una voz de habla próxima (es decir, campo próximo) para simular una persona que habla utilizando el micrófono a una corta distancia. La segunda condición somete a ambos micrófonos a un ruido ambiental (es decir, campo lejano). La diferencia entre las respuestas de cada micrófono a las dos condiciones es una medida de la efectividad de eliminación o supresión de ruido del micrófono. La presente invención se ha probado en relación con un auricular con supresión de ruidos de la técnica anterior. Tanto la presente invención como el auricular de la técnica anterior utilizaron elementos de micrófono idénticos (es decir, electretos). La respuesta del dispositivo de la técnica anterior está representada gráficamente en la figura 11 y la respuesta de la presente invención está representada gráficamente en la figura 12.

Ambos micrófonos se probaron para la eliminación de ruidos comparando cada respuesta con la de un micrófono de referencia Peavey ERO 10 que no tiene características de eliminación de ruido sino que presenta una respuesta plana bien definida de 20 Hz a 20 kHz. El micrófono de referencia y el micrófono de prueba se colocaron muy cerca el uno del otro y equidistantes a una fuente de ruido. Se proporcionó una fuente de voz de campo próximo mediante un maniquí acústico de dimensiones humanas con un altavoz JBL Control Micro montado dentro de la cabeza. El altavoz generó sonidos que salieron a través de la abertura de la boca. El micrófono de referencia y el micrófono de prueba se colocaron a 2 centímetros de la abertura de la boca. Se proporcionó una fuente de ruido ambiental de campo lejano mediante otro altavoz JBL Control Micro montado en un soporte móvil alejado 10 pies (3 metros) aproximadamente del maniquí.

Se usó un analizador de espectro dinámico de dos canales Hewlett-Packard 3566 para el ruido fuente y la medición. Una señal de ruido blanco de 300 milivoltios se amplificó (McGowen 354SL) y se conectó al altavoz del maniquí. La señal de ruido se ajustó a una presión sonora de 80 dB tanto en el micrófono de prueba como en el micrófono de referencia. Los micrófonos se conectaron con el analizador a través de un mezclador Makie 1202 con el micrófono de referencia conectado al canal uno y con el micrófono de prueba conectado al canal dos. Con el analizador en modo de respuesta de frecuencia, las dos señales se analizaron mediante el Hewlett-Packard 3566, el cual dividió automáticamente su potencia de salida.

Después de representar gráficamente la respuesta al campo próximo, el amplificador conmutó al altavoz de campo lejano y sin mover los micrófonos, la presión sonora se ajustó de nuevo a 80 dB tanto en el micrófono de prueba como en el micrófono de referencia. Esta subida del volumen del amplificador fue necesaria debido a la distancia añadida entre el altavoz y los micrófonos. La respuesta al campo lejano se representó gráficamente para medir cómo disminuía la sensibilidad de cada micrófono con respecto a sonidos distantes. La diferencia entre la respuesta al campo próximo y la respuesta al campo lejano es una medida de la eliminación de ruidos del micrófono.

En la figura 11, la traza 72 superior es la respuesta al campo próximo del auricular de la técnica anterior. El auricular de la técnica anterior siguió aproximadamente la línea de magnitud de -10 dB a lo largo de todo el intervalo de frecuencias de 50 Hz a 8 kHz indicando que el auricular de la técnica anterior tenía una respuesta bastante plana pero una ganancia de 10 dB menos que el micrófono de referencia. La traza 74 inferior es la respuesta al campo lejano del micrófono que osciló de entre 10 y 20 dB aproximadamente hasta 3,5 kHz aproximadamente, punto en el que empezó a "agotarse" ya que el auricular se volvió más sensible a los sonidos del campo lejano que a los del campo próximo.

En la figura 12, el mismo elemento de micrófono se probó en un microteléfono con el aparato de la presente invención siguiendo el mismo procedimiento. La respuesta 76 al campo próximo siguió la línea de 0,0 dB indicando que el microteléfono con la presente invención tuvo aproximadamente la misma ganancia que el micrófono de referencia. Además, la eliminación de ruidos del aparato de la presente invención aumentó de manera significativa, oscilando entre 10 dB y 40 dB hasta 6,45 kHz y más, tal como se muestra mediante la traza 78 inferior.

Los expertos en la materia apreciarán que la presente invención puede realizarse en otras formas específicas sin salir del espíritu o carácter esencial de la misma. Por lo tanto, las realizaciones desveladas en este documento se consideran en todos los aspectos como ilustrativas y no como restrictivas. El alcance de la invención está indicado por las reivindicaciones adjuntas en lugar de la descripción anterior, y se pretende que todas las modificaciones que estén dentro del significado y del intervalo de equivalencias del mismo queden abarcadas por él.

Claims (14)

1. Un aparato (20) de control de ruidos para usarse con un micrófono (22) direccional, que comprende: un alojamiento (38) que presenta una primera abertura (50) para sonidos ubicada en un lado delantero de un elemento de barrera y una segunda abertura (58, 59) para sonidos ubicada en un lado posterior del elemento de barrera; caracterizado porque el alojamiento tiene un reflector curvado (24, 25) que se extiende desde el lado posterior del elemento de barrera que desvía la voz de un usuario alejándola de la segunda abertura para sonidos y que desvía el ruido ambiental hacia la segunda abertura para sonidos.

2. El aparato según la reivindicación 1, en el que el reflector curvado comprende una superficie curvada continuamente variable.

3. El aparato según la reivindicación 1, en el que el reflector curvado comprende una superficie curvada semiparabólica.

4. El aparato según la reivindicación 1, en el que el reflector curvado comprende una superficie curvada cuasiparabólica.

5. El aparato según la reivindicación 1, en el que el lado posterior del elemento de barrera y el reflector curvado forman una zona (28, 29) no tubular de concentración de sonidos alrededor de la segunda abertura para sonidos.

6. El aparato según la reivindicación 1, en el que el reflector curvado se curva solamente en las direcciones y y z.

7. El aparato según la reivindicación 1, en el que el reflector curvado se curva solamente en las direcciones de profundidad y de altura.

8. El aparato según la reivindicación 1, que comprende además: un micrófono (22) que tiene un lado delantero de recepción de sonidos, en comunicación con la primera abertura para sonidos, y un lado posterior de recepción de sonidos, en comunicación con la segunda abertura para sonidos.

9. El aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato de control de ruidos está acoplado a un teléfono de un avión.

10. El aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato de control de ruidos está acoplado a un teléfono móvil.

11. El aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato de control de ruidos está acoplado a un teléfono de coche.

12. El aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato de control de ruidos está acoplado a un auricular.

13. El aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato de control de ruidos está acoplado a un micrófono de escenario.

14. El aparato según la reivindicación 1, en el que el aparato de control de ruidos está acoplado a un microteléfono.