Efficient implementation of a natural hear-through algorithm on wireless headphones

Abstract

Hear-through is a functionality where microphones built into headphones record ambient sounds and play them to the user either as-is or mixed with other material such as music. Depending on the properties of the microphone and the headphone transducer the hear-through sound may appear more or less unnatural. There are several reasons for this, such as changes in ear acoustics caused by insert-type earphones and the non-ideal frequency response of the entire system.

Naturalness of the sound can be improved by modifying it to correspond better to the frequency response of an average human ear. The acoustic changes caused by the earphones can be cancelled by filtering the system response to match that of an open ear. The open ear response is easiest to measure using an anthropometric dummy head, a measurement instrument designed to mimic the acoustic properties of the outer and middle ear of an average person.

This work explores various methods to perform the equalisation in such a manner that the frequency spectrum of the filtered signal matches that of the dummy head as closely as possible. The earphones used in the work are battery-operated wireless prototype set, containing a Bluetooth radio and a digital signal processing unit. The main focus of the work is in the efficiency and simplicity of the filtering solutions to save the limited processing capacity and to maximise the battery life.

Läpikuuluvuus eli \textit{hear-through} on toiminnallisuus, jossa kuulokkeissa olevan mikrofonin kautta tallennetaan ympäristön ääniä, jotka toistetaan käyttäjälle joko sellaisenaan tai muuhun ääneen kuten musiikkiin sekoitettuna. Mikrofonin ja kuulokkeen ominaisuuksista riippuen toiminnon ääni voi kuulostaa enemmän tai vähemmän luonnottomalta. Tähän on useita syitä, kuten tulppamallisten kuulokkeiden aiheuttamat muutokset korvan akustiikassa sekä järjestelmän ideaalista poikkeava taajuusvaste.

Äänen luonnollisuutta voidaan lisätä muokkaamalla sitä niin, että se vastaa paremmin keskimääräisen ihmiskorvan taajuusvastetta. Kuulokkeiden aiheuttamat akustiset muutokset voidaan kumota ottamalla lähtökohdaksi avoimen korvan kuulema taajuusvaste. Tämä saadaan helpoimmin mitattua käyttämällä antropometrista keinopää-mittalaitetta, joka jäljittelee keskimääräisen ihmisen ulko- ja välikorvan akustisia ominaisuuksia.

Tässä työssä käydään läpi tapoja suorittaa taajuuskorjaus mikrofonisignaalille niin, että suodatetun signaalin taajuusvaste on mahdollisimman lähellä keinopään taajuusvastetta. Työssä käytettävän kuuloke on akkukäyttöinen langaton prototyyppi, joka sisältää Bluetooth-radion ja digitaalisen signaaliprosessorin. Tämän vuoksi työn pääpaino on ratkaisun tehokkuudessa ja yksinkertaisuudessa rajoitetun laskentakyvyn säästämiseksi ja akunkeston maksimoimiseksi.