耳機(jī)主動降噪(Active Noise Cancellation) 的基本概念并不復(fù)雜,但如何實現(xiàn)高品質(zhì)的降噪效果卻并不簡單，特別是濾波電路的設(shè)計及生產(chǎn)過程控制更加關(guān)鍵。本文針對ANC耳機(jī)設(shè)計者所遇到的困難，針對性地討論如何采用創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行濾波器及量產(chǎn)時調(diào)節(jié)，設(shè)計及生產(chǎn)高性能的降噪耳機(jī)。
兩種結(jié)構(gòu)的ANC系統(tǒng)的選擇
主動降噪，是指采集環(huán)境噪音，并產(chǎn)生與噪音反相的信號用耳機(jī)等裝置回放，用以抵消噪音的技術(shù)。通常，主動降噪技術(shù)與被動降噪技術(shù)(采用吸音或隔音材料來降低進(jìn)入耳朵聲音的強(qiáng)度)相結(jié)合，以產(chǎn)生最佳的降噪效果。
典型的降噪系統(tǒng)由下列部份組成：
● 用以采集噪音的麥克風(fēng)系統(tǒng);
● 電子控制部份，用以處理聲音信號，并生成降噪信號;
● 喇叭系統(tǒng)，用以產(chǎn)生降噪聲音信號。
大部分ANC系統(tǒng)采用兩種主要結(jié)構(gòu)中的一種：前饋式或反饋式。在前饋式系統(tǒng)(如圖1)中，采樣麥克風(fēng)位于耳機(jī)外部，用以采集進(jìn)入耳機(jī)的噪音，喇叭用以播放反相信號，用以抵消噪音。 前饋系統(tǒng)通常用于入耳式耳機(jī)設(shè)計。在反饋式系統(tǒng)(如圖2)中，麥克風(fēng)位于耳機(jī)內(nèi)部，采集所謂“誤差信號”，這就是說，麥克風(fēng)采集了正常播放的音樂信號與殘留噪音混合的信號，把正常播放的音樂信號減去后，就得到殘留的噪音。通過恰當(dāng)?shù)姆答侂娐罚梢允拐`差信號與正常音樂的差別盡可能的小，也就是說，降低了噪音。
在前饋系統(tǒng)中，由喇叭產(chǎn)生的用以抵消噪音的聲音稱之為反相聲音(anti-phase sound)，因為要實現(xiàn)兩個聲音最好的抵消效果，必須幅度相同，相位相差180度(反相)。
如圖3所示，從麥克風(fēng)到位置A，組成了降噪回路。這個降噪回路的傳遞函數(shù)必須被精確測量，因為在電聲系統(tǒng)中，各種衰減及延時必須被考慮到。換句話說，噪音從被麥克風(fēng)捕獲并通過信號處理到喇叭回放再傳到耳道必須與噪音從耳機(jī)外部穿過耳機(jī)再傳入耳道保持一致。另外，因為耳機(jī)吸音材料所造成的被動降噪作用，麥克風(fēng)在耳機(jī)外部捕獲的噪音與真正穿過耳機(jī)傳入耳道的的噪音并不完全一致。在此，電子處理電路G(W)必須這些在整個降噪回路中的衰減及延時進(jìn)行補(bǔ)償。
反饋式工作原理有些不一樣。反饋式處理旨在衰減在A點(圖4)的殘留噪音。反饋式設(shè)計必須要非常小心，在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，必須進(jìn)行負(fù)反饋設(shè)計從而降低殘留噪音。同時，必須小心過濾其余頻率范圍信號，特別是高頻部份。這是因為由于延時引起的相們改變將會隨著頻率的升高而增大，一旦相位差大于60度，負(fù)反饋將會變成正反饋。這將引入嚴(yán)重的聲學(xué)問題—高頻噪音甚至是高頻震蕩引起嘯叫。與前饋系統(tǒng)相同的是，精確的聲學(xué)測量是非常重要的。測量結(jié)果將被計算并用于補(bǔ)償降噪回路中的各種衰減與延時。
前饋式耳機(jī)設(shè)計
前面討論了ANC系統(tǒng)在理想情況下如何工作。對設(shè)計人員來說，真正的目標(biāo)是在現(xiàn)在世界里如何獲得盡可能好的性能。以下為一個實際的例子，用以描述如何進(jìn)行設(shè)計ANC耳機(jī)。
以入耳式耳機(jī)為例，如圖5，通常設(shè)計工程師會遇到以下兩個挑戰(zhàn)。
● 不同的耳機(jī)有不同的聲學(xué)特性，這些特性會產(chǎn)生不同的衰減及延時。必須設(shè)計有效的濾波器用以補(bǔ)償這些衰減與延時。
● 不可避免的，在量產(chǎn)過程中每一個機(jī)械、電子及聲學(xué)零件的特性會有一些偏差。每一個耳機(jī)在出廠前必須經(jīng)過校準(zhǔn)用以補(bǔ)償由于各種元器件偏差造成的性能差異。
準(zhǔn)確聲學(xué)測量
采用人工耳與標(biāo)準(zhǔn)聲源與音頻分析儀的準(zhǔn)確聲學(xué)測量是非常重要的。通過測量，可以得到耳機(jī)準(zhǔn)確的衰減與延時特性。相位與幅度測量必須同時進(jìn)行以獲得所有必須的數(shù)據(jù)。測量由3部份組成，請參看圖6。
通過這些測量，可以設(shè)計濾波器，用電路補(bǔ)償由于耳機(jī)所引起的衰減與延時。 這使得系統(tǒng)得以產(chǎn)成反相噪音信號，用于抵消穿透耳機(jī)，人耳真正聽到的噪音。
理想濾波器計算
一旦測量完成，理想的濾波器頻率響應(yīng)與相位響應(yīng)曲線可以由下列公式得到：
典型的曲線如圖7所示：
剩下的問題是，如何用真實的濾波器電路產(chǎn)生與理想濾波器一致的頻率響應(yīng)與相位響應(yīng)。
通常，有很多種方式用以設(shè)計濾波器，但最直接可靠的方法是用已經(jīng)在很多設(shè)計用已經(jīng)采用的方法。由奧地利微電子(austriamicrosystems)提供的參考設(shè)計(圖8)采用專門為降噪耳機(jī)設(shè)計的芯片AS3501及相應(yīng)的外部電路可以很好地完成降噪耳機(jī)的設(shè)計。而基于AS3501的降噪耳機(jī)方案已被多家重要客戶所采用并已在市場上銷售。
采用AS3501的設(shè)計中，濾波器由一個陷波器和一個低通濾波器組成。通過改變?yōu)V波器的參數(shù)配置，可以使實際濾波器的頻率響應(yīng)與相位相應(yīng)和理想濾波器非常接近。在一些設(shè)計中，如果耳機(jī)的聲學(xué)特性非常好，只采用一個低通濾波器便可產(chǎn)生非常好的性能。
對一個典型的一階主動低通濾波器，增益與截止頻率可由下列公式計算所得：
在這個例子中，由一個截止頻率為1KHz左右的低通濾波器和中心頻率在3.5KHz的陷波器組成的濾波器即可產(chǎn)生與圖7接近的頻率與相位響應(yīng)曲線。
濾波器設(shè)計可以通過模擬并進(jìn)行微調(diào)來進(jìn)行優(yōu)化。如圖8所示，陷波器與低通濾波器的電阻與電容值進(jìn)行過調(diào)整，從而獲得與理想濾波器盡可能一致的性能。簡單的模擬結(jié)果如圖9所示。
實際的降噪效果可以由圖10所示的圖型表示。紅線表示了主動降噪沒有起作用時的噪音強(qiáng)度，并以此作為一個基準(zhǔn)。綠線表示主動降噪工作以后噪音強(qiáng)度。紅線與綠線之間的差值就是主動降噪的性能。
這個性能曲線顯示，主動降噪在300Hz左右，可以獲得超過30dB的降噪效果。雖然人耳可以聽見的聲音范圍是20Hz-20KHz，這個例子中，主動降噪的有效頻率為50Hz-2KHz，主要原因為：
首先，對于超過2KHz的噪音，通過對耳機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇，被動降噪可以起到很好的作用。主動降噪只需專注于消除低頻噪音，而對低頻噪音，很難通過被動降噪進(jìn)行消除;
第二個原因，因為聲學(xué)設(shè)計的關(guān)系，高頻部份相位開始快速翻轉(zhuǎn)，這使得無法采用電子部份對快速翻轉(zhuǎn)的信號進(jìn)行補(bǔ)償;
第三個原因，主動降噪也很難對非常低頻部分的噪音進(jìn)行消除因為耳機(jī)所采用的小型喇叭很難產(chǎn)生足夠的低頻能量，用以抵消環(huán)境噪聲。
提高量產(chǎn)效率
前面提到，由于耳機(jī)所采用的結(jié)構(gòu)，聲學(xué)及電子元件特性不可避免會有一定偏差，因此，每一個耳機(jī)在量產(chǎn)的時候都要進(jìn)行校準(zhǔn)。這個校準(zhǔn)過程通常是降噪耳機(jī)生產(chǎn)過程中最具挑戰(zhàn)性，并且最重要的部份。在傳統(tǒng)設(shè)計中，大多采用2個可調(diào)電位器放置在麥克風(fēng)放大回路中，用以補(bǔ)償各種原因造成的信號偏差。在量產(chǎn)過程中，這兩個可調(diào)電位器必須進(jìn)行非常仔細(xì)的調(diào)整，導(dǎo)致整個降噪耳機(jī)生產(chǎn)的低效，并且很難保證一致性與穩(wěn)定性。
奧地利微電子在AS350X系列產(chǎn)品中采用了全新的技術(shù)，為量產(chǎn)提供了全自動校準(zhǔn)方式。這種自動調(diào)整由一個校準(zhǔn)盒，電腦應(yīng)用程序及自動測量裝置組成，如圖11所示。在這個系統(tǒng)中，有一個喇叭，放置于小型消音盒內(nèi)，用來模擬環(huán)境噪音。自動校準(zhǔn)程序運行在PC上，分析由自動測量裝置采集的信號，決定最佳的芯片參數(shù)，并將最佳的參數(shù)通過耳機(jī)音頻輸入線傳輸給芯片，并將參數(shù)固化在芯片內(nèi)部，如圖12所示。這樣的設(shè)計將大大減化生產(chǎn)的難度并提高了降噪耳機(jī)性能的一致性與穩(wěn)定性。
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