Vorrichtung zur aktiven Störgeräusch- und/oder Okklusionsunterdrückung, entsprechendes Verfahren und Computerprogramm

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Störgeräusch- und/oder Okklusionsunterdrückung und ein entsprechendes Verfahren, insbesondere zur Anwendung bei der Wiedergabe von Audiosignalen mit einem Kopfhörer. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Instruktionen, die einen Computer zur Ausführung der Schritte des Verfahrens veranlassen.

Mittlerweile verfügen Kopfhörer neben der Wiedergabe von Audio häufig über weitere Funktionalitäten, wie beispielsweise eine Drahtlosverbindung zu einem Mobilfunkgerät oder eine aktive Störgeräuschunterdrückung (englisch: „Active Noise Cancellation“, ANC). Solche Kopfhörer werden häufig als Hearables oder auch als intelligente Kopfhörer bezeichnet. Um eine gute Basswiedergabe und passive Schalldämpfung aufweisen zu können, sind die meisten Hearables als geschlossene Im-Ohr(„ln-Ear“)-Kopfhörer konzipiert, bei denen der Kopfhörer bei der Benutzung in den Öffnungsbereich des Gehörgangs eingeführt ist und an dessen Innenwand anliegt. Beispielsweise können so eine Musikwiedergabe über den Kopfhörer oder die Wiedergabe der Stimme eines Anrufers bei einem mittels des Kopfhörers erfolgenden Telefonats ohne merkliche Störung durch das Umfeld erfolgen.

Der Abschluss des Gehörgangs durch einen geschlossenen Kopfhörer verursacht jedoch den Okklusionseffekt, der insbesondere zu einer dumpfen Wahrnehmung der eigenen Stimme führt. Die dumpfe Wahrnehmung der eigenen Stimme beruht hierbei einerseits darauf, dass die hochfrequenten Anteile der durch den Luftschall übertragenen eigenen Stimme aufgrund des den Ohrkanal verschließenden Kopfhörers oder Hörgerätes deutlich abgeschwächt werden. Andererseits werden vornehmlich die tieffrequenten Anteile der eigenen Stimme auch in Form von Körperschall, insbesondere über Knochen und Knorpelgewebe, in den Gehörgang übertragen und können aufgrund des Verschlusses dem Gehörgang nicht oder nur teilweise entweichen. Auf diese Weise kommt es zu einer Verstärkung der tieffrequenten Anteile im Vergleich zu den hochfrequenten Anteilen. Dieser oft als unangenehm empfundene Okklusionseffekt tritt für jeglichen Körperschall auf, beispielsweise neben der eigenen Stimme auch für Kau- und Schluckgeräusche und den eigenen Trittschall. Zur Kompensation des Okklusionseffektes werden im Stand der Technik unterschiedliche Herangehensweisen vorgeschlagen. So können direkte Ventilierungen des Ohrkanals, wie beispielsweise durch in Hörgeräten übliche kleine Luftkanäle, erfolgen oder offene Kopfhörer verwendet werden, welche den Ohrkanal nicht komplett abschließen. Ein weiterer Ansatz ist die aktive Erzeugung eines Gegenschallsignals, welches über den Lautsprecher des Kopfhörers wiedergegeben und destruktiv mit dem Körperschallsignal überlagert wird. So wird beispielsweise in der EP 1 537 759 A1 eine Methode für die Kompensation von Okklusionseffekten beschrieben, bei der dieses Gegenschallsignal basierend auf dem Signal des inneren Mikrofons des Kopfhörers, das Schallsignale im Gehörgang des Nutzers erfasst, erzeugt wird. Durch die Übertragung von dem inneren Mikrofon des Kopfhörers über einen Signalprozessor zu dem Lautsprecher sowie die akustische Kopplung des inneren Mikrofon und des Lautsprechers an den Gehörgang des Nutzers bildet sich ein Rückkopplungskreis. Eine Methode zum Entwurf eines Reglers, welcher diesen Rückkopplungskreis anhand einer vorgegebenen, festen Zielfunktion stabilisiert, wird beispielsweise in der EP 3 520 441 A1 beschrieben.

Ein solcher Regler wird gemäß dem Stand der T echnik für eine feste Zielfunktion ausgelegt. Sollen bei der Auslegung weitere Anwendungsfälle berücksichtigt werden, die andere Zielfunktionen erfordern, so ist dies nur eingeschränkt möglich, beispielsweise durch Bildung des Mittelwerts über alle zu berücksichtigenden Zielfunktionen. Diese Einschränkungen können dazu führen, dass der Regler nicht für alle Anwendungsfälle eine zufriedenstellende Performanz liefert, und somit lediglich eine bedingt brauchbare Kompromisslösung darstellt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur aktiven Störgeräusch- und/oder Okklusionsunterdrückung und ein entsprechendes Verfahren, sowie ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 15, sowie ein Computerprogramm gemäß Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur aktiven Störgeräusch- und/oder Okklusionsunterdrückung ist ein Ohrstück vorgesehen, das an das Ohr eines Trägers gekoppelt werden kann. Ein in dem Ohrstück angeordnetes inneres Mikrofon ist eingerichtet, um ein Schallsignal im Gehörgang des Nutzers zu erfassen. Ein in dem Ohrstück angeordneter Lautsprecher ist eingerichtet, um ein Kompensationssignal in den Gehörgang des Nutzers auszugeben, wobei mit dem Kompensationssignal ein Störgeräusch und/oder der Okklusionseffekt reduziert werden kann. Ferner weist die Vorrichtung einen Signalprozessor auf, der so mit dem inneren Mikrofon und dem Lautsprecher verbunden ist, dass ein Rückkopplungskreis gebildet wird. Der Signalprozessor ist eingerichtet, um in dem Rückkopplungskreis zwei oder mehr Rückkopplungsfilter oder ein aus zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern resultierendes Rückkopplungsfilter auf ein Eingangssignal anzuwenden, wobei sich die einzelnen Rückkopplungsfilter unterschiedlich auf die Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises auswirken und jeweils für die Unterdrückung unterschiedlicher Schallkomponenten des Störgeräusches und/oder des Okklusionseffekts ausgelegt sind, wobei die zwei oder mehreren Rückkopplungsfilter durch eine Mischung kombiniert werden. Ein durch die Anwendung der zwei oder mehr Rückkopplungsfilter oder des aus zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern resultierenden Rückkopplungsfilters erzeugtes Zwischensignal wird dem Lautsprecher zugeführt. Das den zwei oder mehr Rückkopplungsfiltern oder dem aus zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern resultierenden Rückkopplungsfilter zugeführte Eingangssignal wird aus dem Signal des inneren Mikrofons, korrigiert um das durch eine Sekundärpfadschätzung gefilterte Zwischensignal berechnet.

Indem in dieser Weise zwei oder mehrere Rückkopplungsfilter gemischt werden, ist eine Anpassung an die aktuell vorliegenden akustischen Bedingungen möglich. Diese Anpassung bringt Vorteile bei einer aktiven Unterdrückung von Störgeräuschen und/oder des Okklusionseffekts, da die Rückkopplungsfilter für unterschiedliche Situationen und Anwendungsfälle optimiert werden können. Die Rückkopplungsfilter können entweder direkt optimiert werden oder aus optimierten Reglern berechnet werden. Für die Unterdrückung des Okklusionseffekts kann beispielsweise ein Regler für Anteile der eigenen Stimme und ein Regler für Anteile von Trittschall ausgelegt werden, woraufhin diese Regler in Rückkopplungsfilter überführt werden können. Die Regler bzw. die Rückkopplungsfilter sollten sich dabei so auf den Rückkopplungskreis auswirken, dass der Rückkopplungskreis für die eigene Stimme beispielsweise im Bereich zwischen 100 und 300 Hz eine große Dämpfung aufweist und für Trittschall beispielsweise im Bereich zwischen 20 und 100 Hz. Durch eine Mischung kann nun nicht nur zwischen Rückkopplungsfiltern hin und her geschaltet werden, sondern es können auch mehrere Rückkopplungsfilter kombiniert werden. Dies ist beispielsweise bei Kau- und Schluckgeräuschen, die unter Umständen höherfrequenter als Trittschall aber niederfrequenter als Sprache sind, von Vorteil. Ebenso kann beispielsweise eine Anpassung an unterschiedliche Grundfrequenzen der eigenen Stimme erfolgen. Die Grundfrequenz der eigenen Stimme liegt bei Männern durchschnittlich zwischen 100 und 150 Hz, bei Frauen zwischen 190 und 250 Hz und bei Kindern zwischen 350 und 500 Hz. Durch eine Mischung der Rückkopplungsfilter kann eine Anpassung an verschiedene Sprecher vorgenommen werden. Für die Anwendung einer aktiven Störgeräuschunterdrückung, bei der äußere Geräusche möglichst stark unterdrückt werden sollen, ist der erfindungsgemäße Ansatz ebenfalls vorteilhaft, da beispielsweise Flugzeuglärm andere Frequenzbereiche betrifft als Straßenlärm.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Mischung der zwei oder mehreren Rückkopplungsfilter (35) durch den Signalprozessor (24) der Vorrichtung durchgeführt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Mischung der zwei oder mehreren Rückkopplungsfilter durch eine in einem externen Gerät implementierte digitale Verarbeitungseinrichtung durchgeführt.

Ferner erfolgt vorteilhafterweise durch eine Gewichtung der einzelnen Rückkopplungsfilter eine Anpassung der resultierenden Dämpfungscharakteristik.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Wiedergabe von externen Audiosignalen einen Equalizer auf, durch den die externen Audiosignale prozessiert werden, wobei das Zwischensignal aus dem Ausgangssignal der durch die Mischung kombinierten Rückkopplungsfilter und dem durch den Equalizer gefilterten Audiosignal erzeugt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein oder mehrere Vorwärtsfilter auf, denen die Signale von einem oder mehreren in dem Ohrstück angeordneten äußeren Mikrofonen, die eingerichtet sind, um Luftschallsignale außerhalb des Gehörgangs des Nutzers zu erfassen, zugeführt werden, wobei bei der Erzeugung des Zwischensignals auch die Ausgangssignale des Vorwärtsfilters berücksichtigt werden.

Die Gewichtung der einzelnen Rückkopplungsfilter kann vorteilhafterweise manuell eingestellt werden. Ebenso kann die Gewichtung der einzelnen Rückkopplungsfilter vorteilhafterweise automatisch durch eine Berechnungseinheit eingestellt werden.

Weiterhin kann die Berechnungseinheit vorzugsweise jeweils für ein einzelnes Rückkopplungsfilter eine Gewichtungsfunktion gefolgt von einer Leistungsschätzung vorsehen, welche anschließend normalisiert und geglättet wird, um einen Gewichtungsfaktor zu berechnen.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn sich die Gewichtungsfaktoren für die einzelnen Rückkopplungsfilter so berechnet werden, dass sich diese in der Summe zu einem vordefinierten Wert ergeben.

Ebenso kann es von Vorteil sein, wenn die berechneten Gewichtungsfaktoren mit einem weiteren Faktor multipliziert werden, wobei dieser Faktor aus einer weiteren Berechnungseinheit stammt.

Ferner kann in einer Ausführungsform vorgesehen werden, dass die Vorrichtung unterschiedliche Tragesituationen, insbesondere unterschiedliche Belüftungen, erkennt und die Berechnungseinheit die Gewichtungsfaktoren hieran anpasst.

Außerdem kann es in einer Ausführungsform vorgesehen werden, dass die Filterung von mindestens einem der Rückkopplungsfilter auf einer ersten Abtastrate durchgeführt wird und die Filterung von mindestens einem weiteren Rückkopplungsfilter auf einer von der ersten Abtastrate verschiedenen zweiten Abtastrate durchgeführt wird, wobei die Eingangsund Ausgangssignale dieser Filter eine Abtastratenwandlung durchlaufen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann hierbei insbesondere Teil eines Kopfhörers, Hörgeräts oder Gehörschutzes sein.

Entsprechend werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur aktiven Störgeräusch- und/oder Okklusionsunterdrückung, bei dem ein Ohrstück an den Gehörgang eines Nutzers gekoppelt ist, die folgenden Schritte ausgeführt: - Erfassen eines in dem Gehörgang des Nutzers auftretenden Schallsignals mit einem in dem Ohrstück angeordneten inneren Mikrofon; - Anwenden von zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern oder eines aus zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern resultierenden Rückkopplungsfilters in einem Rückkopplungskreis auf ein Eingangssignal, wobei sich die einzelnen Rückkopplungsfilter unterschiedlich auf die Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises auswirken und jeweils für die Unterdrückung unterschiedlicher Schallkomponenten der Störgeräusche und/oder des Okklusionseffekts ausgelegt sind; wobei die zwei oder mehreren Rückkopplungsfilter durch eine Mischung kombiniert werden, wobei das den zwei oder mehr Rückkopplungsfiltern oder dem aus zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern resultierenden Rückkopplungsfilter zugeführte Eingangssignal aus dem Signal des inneren Mikrofons, korrigiert um das durch eine Sekundärpfadschätzung gefilterte Zwischensignal berechnet wird und wobei ein durch die Anwendung der zwei oder mehr Rückkopplungsfilter oder des aus zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern resultierenden Rückkopplungsfilters erzeugtes Zwischensignal dem Lautsprecher zugeführt wird; und

Ausgeben eines so erzeugten Kompensationssignals in den Gehörgang des Nutzers durch einen in dem Ohrstück angeordneten Lautsprecher, wobei mit dem Kompensationssignal ein Störgeräusch und/oder der Okklusionseffekt reduziert wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm mit Instruktionen, die einen Computer zur Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Im-Ohr-Kopfhörer im Gehörgang eines Nutzers mit wesentlichen elektronischen Komponenten;

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Rückkopplungsstruktur mit mehreren Reglern;

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Rückkopplungsstruktur mit nur einem Regler, der aus der erfindungsgemäßen Mischung von mehreren Reglern hervorgeht;

Fig. 4 zeigt einen Übergang des Dämpfungsverhaltens eines Rückkoppelkreises beim Übergang zwischen zwei Rückkopplungsfiltern;

Fig. 5 zeigt schematisch eine Schar von Zielfunktionen mit verschiedenen Mittenfrequenzen;

Fig. 6 zeigt einen Verfahrensablauf zur Berechnung mehrerer Gewichtungsfaktoren; Fig. 7 zeigt einen Verfahrensablauf zum bedingten Glätten eines Signals;

Fig. 8 zeigt eine Rückkopplungsstruktur mit einem Rückkopplungsfilter und externer

Einstellung;

Fig. 9 zeigt eine Rückkopplungsstruktur mit mehreren Rückkopplungsfiltern und Gesamtskalierung;

Fig. 10 zeigt eine Hybridstruktur mit mehreren Rückkopplungsfiltern;

Fig. 11 zeigt eine Hybridstruktur mit einem Hörinstrument;

Fig. 12 zeigt eine Hybridstruktur mit integrierter Hörgerätefunktionalität; und

Fig. 13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Figur 1 zeigt exemplarisch einen Im-Ohr-Kopfhörer für die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Im-Ohr- Kopfhörer 10 befindet sich hierbei am Ohr eines Nutzers, wobei ein Ohreinsatz 11 des Im-Ohr-Kopfhörers im äußeren Gehörgang 12 eingebracht ist, um diesen an Ort und Stelle zu halten. Durch den Ohreinsatz wird, je nach individuellem Sitz im Gehörgang und Material, der Gehörgang zu einem gewissen Grad abgedichtet. Dies führt dazu, dass Außenschall bei der Übertragung zum Trommelfell 13 zu einem gewissen Grad passiv durch den Im-Ohr-Kopfhörer gedämpft wird. Der Grad der Dämpfung hängt davon ab, wie dicht der Ohreinsatz 11 den Gehörgang 12 abschließt und aus welchem Material er besteht. Des Weiteren führt eine Abdichtung des Gehörgangs 12 durch einen Ohreinsatz 11 dazu, dass Körperschall, welcher durch vibrierende Ohrkanalwände in den Gehörgang 12 abgestrahlt wird, dem Gehörgang schwieriger entweichen kann. Dies äußert sich oft in einer hörbaren Verstärkung tiefer Frequenzanteile des Körperschalls im Vergleich zu einem offenen Gehörgang. Fig. 1 umfasst weiterhin die für die Erfindung wesentlichen elektronischen Komponenten eines Im-Ohr-Kopfhörers. Der Kopfhörer 10 ist mindestens mit einem inneren Mikrofon 20 zur Aufzeichnung des Signals im Gehörgang 12 sowie mindestens mit einem Lautsprecher 21 zur Wiedergabe von externen Audiosignalen, wie beispielsweise Musik oder die Stimme des Gesprächspartners bei einem Telefonat, sowie eines Kompensationssignals ausgestattet. Der Kopfhörer kann zusätzlich über mehrere äußere Mikrofone 22 verfügen, die an der Außenseite des Kopfhörers angebracht sind, um Luftschallsignale aufzuzeichnen. Ferner kann der Kopfhörer mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren 23 ausgestattet sein, um Vibrationen, welche über den Gehörgang 12 an den Kopfhörer übertragen werden, zu erfassen. Weiterhin ist der Kopfhörer 10 mit einem Signalprozessor 24 ausgestattet, welcher die Signale der Mikrofone 20, 22 und Vibrationssensoren 23 prozessiert, um ein Kompensationssignal zu erzeugen und dieses zusammen mit den externen Audiosignalen dem Lautsprecher 21 zuzuführen. Auch wenn für eine digitale Signalverarbeitung gegebenenfalls Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung der mit den Mikrofonen und Vibrationssensoren erfassten Schallsignale und Digital-Analog-Wandler zur Wandlung des Ausgangssignals des Signalprozessors für eine Wiedergabe über den Lautsprecher erforderlich sind, werden diese zur Vereinfachung in den Figuren nicht dargestellt. Ebenso ist lediglich der konzeptuelle Aufbau bezogen auf ein Ohr dargestellt, obwohl üblicherweise bei Im-Ohr-Kopfhörern Schallwandler für beide Ohren des Nutzers vorgesehen sind.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer Rückkopplungsstruktur mit mehreren Rückkopplungsfiltern 35 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die beispielsweise für einen in Figur 1 dargestellten Im-Ohr-Kopfhörer verwendet werden kann. Aufgrund der digitalen Signalverarbeitung werden die Signale im Folgenden im Zeitbereich bei einem diskreten Zeitindex n betrachtet. Für die Frequenzbereichsdarstellung zeitdiskreter Signale und Filter wird die z-Transformation mit der Variablen z verwendet.

Im oberen Bereich von Fig. 2 wird ein akustisches Modell 30 für ein aus der Umgebung auf den Kopfhörer eintreffendes Schallsignal x(n), das insbesondere die Stimme des Nutzers, aber ebenso auch Umgebungsgeräusche enthalten kann, dargestellt. Hierbei wird das mit dem mindestens einen äußeren Mikrofon 22 aus Figur 1 erfasste Schallsignal x(n) über den akustische Primärpfad P(z) 31 übertragen, wobei der Primärpfad P(z) die akustische Übertragungsfunktion von dem mindestens einen äußeren Mikrofon 22 zum inneren Mikrofon 20 beschreibt. Von dem Lautsprecher 21 wird ein Kompensationssignal ausgegeben, wobei der akustische Sekundärpfad G(z) 32 die Übertragungsfunktion von dem Lautsprecher 21 zu dem inneren Mikrofon 20 beschreibt.

Das Eingangssignal der Rückkopplungsfilter 35 setzt sich zusammen aus dem Signal des inneren Mikrofons 20 korrigiert um ein durch eine Sekundärpfadschätzung 33 gefiltertes Zwischensignal. In Fig. 2 entspricht das Zwischensignal der Summe der durch die Gewichtungseinheiten 36 gewichteten Ausgangssignale der Rückkopplungsfilter 35. Das Zwischensignal wird in diesem Fall auch dem Lautsprecher 21 zugeführt und entspricht dem Kompensationssignal. Die Filterung, Gewichtung und Summation kann beispielsweise auf einem Signalprozessor 24 aus Fig. 1 durchgeführt werden. Die einzelnen Rückkopplungsfilter 35 wirken sich jeweils unterschiedlich auf die Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises aus und sind jeweils für die Unterdrückung unterschiedlicher Schallkomponenten der Störgeräusche und/oder des Okklusionseffekts ausgelegt. Eine Änderung des Mischungsverhältnisses, hier durch die Gewichtungseinheit 36, wirkt sich also auch auf eine Änderung der Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises aus.

Für ein Auslegungsverfahren der einzelnen Rückkopplungsfilter 35 sind Messungen des Sekundärpfads 32 G(z), welcher die Transferfunktion von einem Ausgang eines digitalen Signalprozessors 24 über den Lautsprecher 21 und das innere Mikrofon 20 des Kopfhörers zu einem Eingang desselben Prozessors beschreibt, notwendig. Der Sekundärpfad kann beispielsweise für einen Kunstkopf oder Personen gemessen werden, indem über den Lautsprecher eines an den Signalprozessor angeschlossenen Kopfhörers ein Messsignal abgespielt und durch das innere Mikrofon dieses Kopfhörers aufgezeichnet wird. Aus dem abgespielten und aufgezeichneten Signal lässt sich anschließend, beispielsweise durch eine spektrale Division, der Sekundärpfad schätzen. Um die Stabilität der auszulegenden Rückkopplungsfilter sicherstellen zu können, muss die Menge an Sekundärpfaden umfassend genug sein, um alle potenziell in einer Endanwendung vorkommenden Situationen modellieren zu können. Daher ist es ratsam, neben Sekundärpfaden, bei denen ein Kopfhörer fest im Gehörgang 12 getragen wird, auch Sekundärpfade für andere in der Anwendung vorkommende Fälle zu messen, beispielsweise wenn der Kopfhörer in Händen gehalten oder in das Ohr eingesetzt wird.

Gemäß der Erfindung erfolgt eine Kombination von J diskreten, robusten Rückkopplungsfiltern Q _j (z) mit j = 1, ..., J. Diese Rückkopplungsfilter können entweder direkt, durch dem Fachmann geläufige Methoden und unter Berücksichtigung von Kopfhörer- bzw. Sekundärpfadmessungen, entworfen werden. Alternativ können zunächst auch Regler K _j (z), durch dem Fachmann geläufigen Methoden und unter Berücksichtigung von Kopfhörer- bzw. Sekundärpfadmessungen, entworfen werden, welche anschließend in

Abhängigkeit einer Schätzung Ĝ(z) 33 des Sekundärpfads 32 jeweils in die

Rückkopplungsfilter Q _j (z) überführt werden können anhand der Vorschrift

Jedes dieser Rückkopplungsfilter wird für eine andere Zielfunktion S _j (z) ausgelegt. Wie vorher erläutert, kann beispielsweise ein Rückkopplungsfilter für die Kompensation des Okklusionseffekts für Sprache und ein anderer Rückkopplungsfilter für die Kompensation des Okklusionseffekts für Trittschall ausgelegt werden. Die Rückkopplungsfilter können auch für unterschiedliche äußere Störgeräusche oder für unterschiedlich gute Passungen auslegt sein.

Fig. 3 stellt vereinfacht die Implementierung eines einzelnen Rückkopplungsfilters Ǭ(z) 61 dar, welches z.B. auf einer Mischung von mehreren Rückkopplungsfiltern anhand basiert. Das Rückkopplungsfilter Ǭ(z) wird in einer sogenannten Internal Model Control (IMC)-Struktur implementiert. Dabei wird das Ausgangssignal des Rückkopplungsfilters 61 mit einer Sekundärpfadschätzung Ĝ(z) 33 gefaltet und mit dem Signal des inneren Mikrofons 20 verrechnet. Mit der IMC-Struktur aus Fig. 3 entspricht die Übertragungsfunktion vom inneren Mikrofon zum Lautsprecher dem Regler

Die IMC-Struktur sorgt also implizit für eine Umkehrung von Gleichung (1) und überführt das gemischte Rückkopplungsfilter Ǭ(z) in den Regler .

Die Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises ergibt sich in Abhängigkeit eines einzelnen Rückkopplungsfilters Q _j (z) zu

Die Dämpfungscharakteristik gibt Aufschluss über Dämpfung und Verstärkung des inneren Mikrofonsignals mit der Wiedergabe eines Kompensationssignals relativ zu dem inneren Mikrofonsignal ohne die Wiedergabe eines Kompensationssignals. Die effektive Dämpfungscharakteristik des geschlossenen Rückkopplungskreises ergibt sich mit dem gemischten Rückkopplungsfilter Ǭ(z) 61 zu

Bei dem Entwurf von Rückkopplungsfiltern stellt die Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises eine Zielfunktion dar.

Die Gewichtungsfaktoren g _j sorgen beispielsweise für J = 2 mit

0 ≤ g _j ≤ 1 (6) für eine Interpolation der Dämpfungscharakteristiken zweier Regler, wie in Figur 4 dargestellt. Dabei können sowohl die Dämpfungscharakteristik 37 der Zielfunktion S ₁ (z) und die Dämpfungscharakteristik 38 der Zielfunktion S ₂ (z) realisiert werden, als auch Dämpfungscharakteristiken, deren Dämpfungsschwerpunkt auf der Frequenzachse zwischen den Dämpfungsschwerpunkten der Zielfunktionen S ₁ (z) und S ₂ (z) liegt. Die Summe der Gewichtungsfaktoren kann im Gegensatz zu Gleichung (7) auch Werte kleiner als Eins ergeben, was zu einer verminderten Dämpfung des Rückkopplungskreises führt. Dies kann beispielsweise dann relevant sein, wenn durch eine schlechte Passform eines Kopfhörers der Okklusionseffekt abgemindert und entsprechend ein geringeres Maß der Kompensation notwendig ist. Ebenso kann die Summe der Gewichtungsfaktoren auch Werte größer als Eins, um die Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises zu verstärken, beispielsweise wenn der Okklusionseffekt bei einer Person besonders stark ist.

Gemäß der Erfindung kann eine Schar an Rückkopplungsfiltern für eine Schar an Zielfunktionen 39 entworfen werden, wie in Figur 5 dargestellt, beispielsweise basierend auf einem parametrischen Equalizer mit verschiedenen Mittenfrequenzen.

Die Gewichte g _j können dabei automatisch zur Laufzeit durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, die beispielsweise in einem Kopfhörer implementiert ist, ermittelt werden. Der zeitliche Verlauf der Gewichte kann dabei sowohl sprunghaft als auch kontinuierlich sein. Ebenso können diese aber auch auf einem separaten Gerät, wie beispielsweise einem Smartphone, bestimmt und an die Vorrichtung zur Anwendung für die Störgeräusch- bzw. Okklusionsunterdrückung übertragen werden. Weiterhin kann die Einstellung der Gewichtungsfaktoren manuell erfolgen. Dabei können die Gewichtungsfaktoren g _j entweder manuell durch Nutzer zur Laufzeit, durch einen Kalibrierungsprozess oder durch Experten an Kundenwünsche angepasst werden, beispielsweise durch Audiologen im Rahmen einer Serviceleistung. Die Einstellung der Gewichtungsfaktoren kann beispielsweise unter Verwendung von Einstellelementen an dem Kopfhörer oder durch Eingaben in ein auf einem Smartphone oder einem anderen mobilen Endgerät implementierten Steuerungsprogramm erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein auf einem Anzeigegerät dargestellter Slider genutzt werden, welcher im einfachen Fall für J = 2 je nach Position einer dargestellten Markierung Werte zwischen 0 und 1 für g ₁ und g ₂ abhängig von g ₁ als g ₂ = 1 - g ₁ wählt.

Fig. 6 stellt einen Verfahrensablauf 40 zur automatischen Berechnung der Gewichtungsfaktoren dar. Dabei wird das geschätzte Störsignal , welches dem Eingangssignal der Rückkopplungsfilter entspricht, zunächst durch eine Schar an Filtern 41 gefiltert. Die Filter 41 implementieren hierbei die Inverse S _j ^-1 (z) jeder Zielfunktion S _j (z) aus einer Schar an Zielfunktionen, wie beispielsweise den in Figur 5 dargestellten Zielfunktionen 39. Anschließend wird die Kurzzeitleistung der Ausgangssignale f _j (n) der Filter S _j ^-1 (z) sowie des geschätzten Störsignals durch Leitungsschätzer 42 geschätzt. Ein Leistungsschätzer 42 kann beispielsweise als exponentieller Glätter, der das quadrierte Eingangssignal glättet, implementiert werden. Die Leistungsschätzungen werden dann jeweils durch ihre Summe normalisiert 43 und anschließend durch einen bedingten Glätter 50 geglättet.

Der bedingte Glätter 50 kann hierbei wie in Figur 7 dargestellt ausgestaltet sein. Hierbei erfolgt in einem Schritt 51 zunächst eine Initialisierung. Im darauffolgenden Schritt 52 erfolgt dann eine Eingabe eines Eingangssignals x und eines Trigger-Signal t. Das Trigger-Signal t wird dann in einem Schritt 53 durch einen Komparator mit einem Schwellwert θ verglichen. Hierbei wird der aktuelle Wert y gehalten, falls das Trigger-Signal t im Komparator unter einem Schwellwert θ liegt. Andernfalls wird der Wert y in einem Schritt 54 anhand der Vorschrift y ← γy + (1 - γ)x (8) mit dem Eingangssignal x und dem Glättungsfaktor 0 ≤ γ ≤ 1 aktualisiert. Der gehaltene bzw. aktualisierte Wert y wird dann im Anschluss in einem Schritt 55 ausgegeben

Im Fall des in Figur 6 dargestellten Verfahrensablaufs 40 entspricht das Eingangssignal x des exponentiellen Glätters 50 dem Ausgang der Normalisierung 43 und das Trigger-Signal t entspricht der Leistungsschätzung , so dass die Gewichtungsfaktoren g _j nur dann aktualisiert werden, wenn am inneren Mikrofon ein gewisser Schalldruckpegel vorhanden ist. Bei einem geringen Pegel verfügt das Signal über ein schlechtes Signal-zu- Rausch-Verhältnis, wodurch die Gewichtungsfaktoren flattern und hörbare Artefakte hervorrufen würden. Diese Artefakte werden dadurch, dass die Aktualisierung nur bei ausreichendem Pegel durchgeführt wird, vermieden.

Es müssen nicht zwangsläufig alle Rückkopplungsfilter Q _j (z) separat auf einem Signalprozessor für eine schnelle Filterung implementiert werden. Stattdessen können die Rückkopplungsfilter auch, wie in Figur 8 dargestellt, auf einem externen Prozessor, wie beispielsweise einem Mikrocontroller oder einem Smartphone, in einem Prozess 60 z.B. anhand Gleichung (2) gemischt werden zu einem gemischten Rückkopplungsfilter 61 Ǭ(z) das anstatt der einzelnen Q _j (z) auf einem Signalprozessor für eine schnelle Filterung implementiert wird. Alternativ kann das gemischte Rückkopplungsfilter Ǭ(z) auch anhand von Gleichung (3) in einen Regler umgewandelt werden und in einer klassischen Reglungsstruktur ohne eine Schätzung des Sekundärpfades 33 betrieben werden.

Fig. 9 stellt eine Variante der Rückkopplungsstruktur aus Fig. 3 mit einer zusätzlichen Skalierung 62 des Ausgangssignals der gemischten Rückkopplungsfilter dar, welche die Stärke der maximalen Dämpfung skaliert. Der Skalierungsfaktor a kann hierbei mittels einer Skalierungseinheit 62 entweder manuell durch Nutzer zur Laufzeit, durch einen Kalibrierungsprozess oder durch Experten an Kundenwünsche angepasst werden, beispielsweise durch Audiologen im Rahmen einer Serviceleistung.

Weiterhin ist es möglich den Skalierungsfaktor α automatisch durch eine Berechnungseinheit, z.B. basierend auf dem Signal des inneren Mikrofons 22 oder dem Eingangssignal der Rückkopplungsfilter, zu berechnen. Dabei kann beispielsweise die Kreuz- oder Autokorrelationsfunktion dieser Signale zur Berechnung des Skalierungsfaktors benutzt werden.

Die Struktur aus Fig. 3 lässt sich ferner um Vorwärts-(„Feedforward“)-Filter und die Wiedergabe von externen Audiosignalen a(n) erweitern. Fig. 10 zeigt diese erweiterte Struktur. Dabei werden die Signale von einem oder mehreren äußeren Mikrofonen 22 mit einem jeweiligen Vorwärtsfilter W(z) 63 gefaltet und bilden in der Summe das Vorwärtssignal. Das Filter W(z) kann dabei beispielsweise so ausgelegt sein, dass Außenschallsignale x(n) von Nutzern gedämpft oder transparent empfunden werden. Audiosignale a(n) können durch einen Equalizer 64 prozessiert werden, um die klangliche Färbung durch den Lautsprecher 21 und den Sekundärpfad 32 auf dem Weg zum Trommelfell zu kompensieren. Wenn das Vorwärtsfilter 63 für das transparente Empfinden von Außenschall ausgelegt ist, dann kann das Zwischensignal, welches der Sekundärpfadschätzung 33 zugeführt wird, die Summe des Vorwärtssignals, des Ausgangssignals der gemischten Rückkopplungsfilter sowie des equalisierten externen Audiosignals sein. Dies bietet den Vorteil, dass sich die Dämpfungscharakteristik des Rückkopplungskreises kaum auf das Vorwärtssignal und Audiosignal a(n) auswirkt. Das Zwischensignal wird in diesem Fall auch dem Lautsprecher 21 zugeführt.

Wie in Figur 11 dargestellt, kann das akustische Modell weiterhin einen akustischen Rückkoppelpfad F(z) 65 vom Lautsprecher 21 zu dem äußeren Mikrofon 22 sowie eine Kompensation 66 der akustischen Rückkopplung 65, beispielsweise durch eine Schätzung von F(z), umfassen. Außerdem kann das externe Audiosignal a(n) das Ausgangssignal eines Hörinstruments 67 sein, welches über eines oder mehrere Mikrofone 68 und eine Verarbeitungseinheit 69 verfügt. Die Verarbeitungseinheit 69 kann dabei die Signale der Mikrofone 68 des Hörinstruments sowie das Signal 70 des inneren Mikrofons 20 des Kopfhörers nutzen. Weiterhin kann der Abgriffspunkt 71 für das Zwischensignal so gewählt werden, dass entweder nur das Ausgangssignal der gemischten Rückkopplungsfilter (Schalterstellung 3), die Summe des Ausgangssignals der gemischten Rückkopplungsfilter und des equalisierten externen Audiosignals a(n) (Schalterstellung 2) oder die Summe des Ausgangssignals der gemischten Rückkopplungsfilter, des Vorwärtssignals und des equalisierten externen Audiosignals a(n) (Schalterstellung 1) berücksichtigt wird. Ist das Vorwärtsfilter beispielsweise für eine Störgeräuschunterdrückung ausgelegt, so wird Schalter 71 auf Stellung 2 gesetzt, damit der geschlossene Regelkreis zur aktiven Dämpfung von Außenschall beiträgt.

Basierend auf den verschiedenen im Vorfeld beschriebenen Ausführungsformen zeigt Fig. 12 ein vollständig integriertes System. Dieses Umfasst exemplarisch L äußere Mikrofone 22 mit akustischen Rückkopplungspfaden 65 vom Lautsprecher 21 des Kopfhörers zu den jeweiligen äußeren Mikrofonen 22. Weiterhin umfasst das System Schätzungen 66 der akustischen Rückkopplungspfade 65, welche jeweils so angeordnet sind, dass sie den Einfluss der akustischen Rückkopplungspfade kompensieren können. Über die Schalter 72 kann das den Vorwärtsfiltern 63 zugeführte Signal ausgewählt werden. Bei Schalterstellung 1 wird das Signal der äußeren Mikrofone 22 verwendet, wohingegen bei Schalterstellung 2 das, durch die Schätzungen der akustischen Rückkopplungspfade kompensierte, Signal genutzt wird. Das System verfügt außerdem über eine Verarbeitungseinheit 69, welche die Funktionalitäten eines Hörinstruments implementiert, sowie einen Equalizer 64 zur Equalisierung von externen Audiosignalen a(n) . Der Rückkopplungskreis 34 enthält die bereits in Fig. 9 gezeigten und im Vorfeld beschriebenen Komponenten sowie den Schalter 71 für die Wahl des Zwischensignals, welcher ebenfalls bereits beschrieben wurde. Das akustische Modell 30 zeigt explizit den Einfluss eines Körperschallsignals d _BC (n), welches in den Gehörgang 12 einkoppelt und von dem inneren Mikrofon 20 aufgezeichnet wird. Dieses Signal wird zwar in den anderen Figuren nicht gezeigt, dies bedeutet aber nicht, dass dort kein Körperschall betrachtet wird.

In einer weiteren Ausführungsform kann ein Mischen der Rückkopplungsfilter für unterschiedliche Tragesituationen oder Passformen des Kopfhörers erfolgen. Hierbei kann mit einer Vorrichtung die aktuelle Passform erkannt werden, um basierend darauf die Gewichtungsfaktoren 36 anzupassen. Dabei kann die Anpassung der Gewichtungsfaktoren auch automatisch erfolgen, so dass eine Kostenfunktion minimiert wird.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen beruht die Mischung der Rückkopplungsfilter auf einem Signal, das von einer einzelnen Signalquelle stammt, wie beispielsweise einem inneren Mikrofon. Es kann aber auch vorgesehen werden, eine Mischung zwischen Rückkopplungsfiltern durchzuführen, denen Signale aus unterschiedlichen Quellen zugeführt werden. Beispielsweise kann ein Rückkopplungsfilter, welchem das Signal eines inneren Mikrofons zugeführt wird, mit einem Rückkoppelfilter, welchem das Signal eines Beschleunigungssensors oder eines anderen Mikrofons zugeführt wird, gemischt werden. Ebenso kann vorgesehen werden, dass die Filterung durch die jeweiligen Rückkopplungsfilter auf unterschiedlichen Abtastraten durchgeführt wird, wobei die Ausgangssignale mindestens eines Rückkopplungsfilters einer Abtastratenwandlung unterzogen werden muss, sodass die Ausgangssignale der Rückkopplungsfilter auf einer einheitlichen Abtastrate gemischt werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere in einem Kopfhörer integriert sein, wobei ein solcher Kopfhörer auf verschiedene Weise ausgestaltet sein kann. So kann es sich beispielsweise um Muschelkopfhörer, Hearables, oder sogenannte In-Ear Monitore, die beispielsweise bei Live-Auftritten von Musikern oder Fernsehmoderatoren zur Überprüfung der eigenen Stimme verwendet werden, oder auch um eine Kombination aus einem Kopfhörer und einem Mundmikrofon zur Erfassung der Sprache in Form eines Headsets handeln. Ebenso kann die Vorrichtung aber auch Teil eines Hörgeräts oder eines Gehörschutzes sein. Schließlich können Teile der Vorrichtung aber auch Bestandteil eines externen Gerätes, wie beispielsweise eines Smartphones, sein.

Figur 13 zeigt schematisch das Grundkonzept für ein Verfahren zur aktiven Unterdrückung zur aktiven Störgeräusch- und/oder Okklusionsunterdrückung, wie es beispielsweise mittels einer Vorrichtung aus Figur 2 durchgeführt werden kann. Hierbei wird im Folgenden exemplarisch auf die Anwendung des Verfahrens bei einem Kopfhörer Bezug genommen, das Verfahren ist aber nicht hierauf beschränkt.

Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt 90 mit mindestens einem inneren Mikrofon eines Kopfhörers ein in dem Gehörgang eines Trägers auftretendes Schallsignal erfasst. Dieses Schallsignal kann hierbei externe Störgeräusche oder auch Körperschall umfassen, der beispielsweise von einer Sprachausgabe des Nutzers, welcher den Kopfhörer trägt, oder Trittschall dieses Nutzers herrührt.

In einem darauffolgenden Schritt 91 wird ein Kombinationssignal generiert. Hierfür werden zwei oder mehreren Rückkopplungsfiltern in einem Rückkopplungskreis auf das von dem inneren Mikrofon erzeugte Signal angewendet. Wie oben beschrieben, weisen die einzelnen Rückkopplungsfilter hierbei Dämpfungscharakteristiken mit unterschiedlichem Frequenzgang auf, die jeweils für die Unterdrückung unterschiedlicher Schallkomponenten der Störgeräusche und/oder des Okklusionseffekts ausgelegt sind. Die mehreren Rückkopplungsfilterwerden durch eine Mischung kombiniert, wobei durch eine Gewichtung der einzelnen Rückkopplungsfilter eine Anpassung der resultierenden Dämpfungscharakteristik erfolgt.

Im darauf anschließenden Schritt 92 wird dann das so erzeugte Kompensationssignal einem Lautsprecher des Kopfhörers zugeführt und von diesem ausgegeben.

Bei einem Kopfhörer, der Schallwandler für beide Ohren des Nutzers umfasst, kann das beschriebene Verfahren hierbei für die beiden Ohren jeweils separat durchgeführt werden, umso eine möglichst optimale Kompensation zu ermöglichen, beispielsweise falls externe Störgeräusche von einer Seite auf den Kopf des Nutzers treffen. Ebenso kann das Verfahren aber auch gemeinsam für die Schallwandler beider Ohren durchgeführt werden.

Bezugszeichenliste

10 In-Ohr-Kopfhörer

11 Ohreinsatz

12 Gehörgang

13 Trommelfell

20 Inneres Mikrofon

21 Lautsprecher

22 Äußeres Mikrofon

23 Beschleunigungssensor

24 Signalprozessor

30 Akustisches Modell

31 Primärpfad

32 Sekundärpfad

33 Sekundärpfadschätzung

34 Rückkopplungskreis

35 Rückkopplungsfilter

36 Gewichtungseinheiten

37, 38 Dämpfungscharakteristiken für Beispielzielfunktionen

39 Schar an Zielfunktionen

40 Berechnung von Gewichtungsfaktoren

41 Filter mit Magnitudengang entsprechend einer inverse Zielfunktion

42 Leistungsschätzer

43 Leistungsnormalisierung

50 Bedingter Glätter

51 Initialisierung

52 Eingabe Eingangssignals und Trigger-Signal

53 SchwelIwertkomparator

54 Glättung

55 Ausgabe bedingt geglätteter Wert

60 Externe Mischung der Rückkopplungsfilter 61 Gemischtes Rückkopplungsfilter

62 Skalierungseinheit

63 Vorwärtsfilter

64 Equalizer für externe Signale

65 akustischer Rückkoppelpfad

66 Schätzung des akustischen Rückkoppelpfades

67 Hörinstrument

68 Mikrofone des Hörinstruments

69 Verarbeitung der Mikrofonsignale im Hörinstrument

70 Zusatzinformation vom inneren Mikrofon

71 Äbgriffspunkt des Zwischensignals

72 Abgriffspunkt für Vorwärtsfilter

90 Verfahrensschritt zur Schallerfassung mittels innerem Mikrofon

91 Verfahrensschritt zur Anwendung kombinierter Rückkopplungsfilter

92 Verfahrensschritt zur Ausgabe eines Kompensationssignals