耳機主動(dòng)降噪(Active Noise Cancellation) 的基本概念并不復雜,但如何實(shí)現高品質(zhì)的降噪效果卻并不簡(jiǎn)單，特別是濾波電路的設計及生產(chǎn)過(guò)程控制更加關(guān)鍵。本文針對ANC耳機設計者所遇到的困難，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(shí)調節，設計及生產(chǎn)高性能的降噪耳機。

兩種結構的ANC系統的選擇

主動(dòng)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等裝置回放，用以抵消噪音的技術(shù)。通常，主動(dòng)降噪技術(shù)與被動(dòng)降噪技術(shù)(采用吸音或隔音材料來(lái)降低進(jìn)入耳朵聲音的強度)相結合，以產(chǎn)生最佳的降噪效果。

典型的降噪系統由下列部份組成：

● 用以采集噪音的麥克風(fēng)系統;

● 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，用以產(chǎn)生降噪聲音信號。

大部分ANC系統采用兩種主要結構中的一種：前饋式或反饋式。在前饋式系統(如圖1)中，采樣麥克風(fēng)位于耳機外部，用以采集進(jìn)入耳機的噪音，喇叭用以播放反相信號，用以抵消噪音。 前饋系統通常用于入耳式耳機設計。在反饋式系統(如圖2)中，麥克風(fēng)位于耳機內部，采集所謂“誤差信號”，這就是說(shuō)，麥克風(fēng)采集了正常播放的音樂(lè )信號與殘留噪音混合的信號，把正常播放的音樂(lè )信號減去后，就得到殘留的噪音。通過(guò)恰當的反饋電路，可以使誤差信號與正常音樂(lè )的差別盡可能的小，也就是說(shuō)，降低了噪音。



在前饋系統中，由喇叭產(chǎn)生的用以抵消噪音的聲音稱(chēng)之為反相聲音(anti-phase sound)，因為要實(shí)現兩個(gè)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(gè)降噪回路的傳遞函數必須被精確測量，因為在電聲系統中，各種衰減及延時(shí)必須被考慮到。換句話(huà)說(shuō)，噪音從被麥克風(fēng)捕獲并通過(guò)信號處理到喇叭回放再傳到耳道必須與噪音從耳機外部穿過(guò)耳機再傳入耳道保持一致。另外，因為耳機吸音材料所造成的被動(dòng)降噪作用，麥克風(fēng)在耳機外部捕獲的噪音與真正穿過(guò)耳機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(gè)降噪回路中的衰減及延時(shí)進(jìn)行補償。



反饋式工作原理有些不一樣。反饋式處理旨在衰減在A(yíng)點(diǎn)(圖4)的殘留噪音。反饋式設計必須要非常小心，在相應的頻率范圍內，必須進(jìn)行負反饋設計從而降低殘留噪音。同時(shí)，必須小心過(guò)濾其余頻率范圍信號，特別是高頻部份。這是因為由于延時(shí)引起的相們改變將會(huì )隨著(zhù)頻率的升高而增大，一旦相位差大于60度，負反饋將會(huì )變成正反饋。這將引入嚴重的聲學(xué)問(wèn)題—高頻噪音甚至是高頻震蕩引起嘯叫。與前饋系統相同的是，精確的聲學(xué)測量是非常重要的。測量結果將被計算并用于補償降噪回路中的各種衰減與延時(shí)。

前饋式耳機設計

前面討論了ANC系統在理想情況下如何工作。對設計人員來(lái)說(shuō)，真正的目標是在現在世界里如何獲得盡可能好的性能。以下為一個(gè)實(shí)際的例子，用以描述如何進(jìn)行設計ANC耳機。



以入耳式耳機為例，如圖5，通常設計工程師會(huì )遇到以下兩個(gè)挑戰。

● 不同的耳機有不同的聲學(xué)特性，這些特性會(huì )產(chǎn)生不同的衰減及延時(shí)。必須設計有效的濾波器用以補償這些衰減與延時(shí)。

● 不可避免的，在量產(chǎn)過(guò)程中每一個(gè)機械、電子及聲學(xué)零件的特性會(huì )有一些偏差。每一個(gè)耳機在出廠(chǎng)前必須經(jīng)過(guò)校準用以補償由于各種元器件偏差造成的性能差異。

準確聲學(xué)測量

采用人工耳與標準聲源與音頻分析儀的準確聲學(xué)測量是非常重要的。通過(guò)測量，可以得到耳機準確的衰減與延時(shí)特性。相位與幅度測量必須同時(shí)進(jìn)行以獲得所有必須的數據。測量由3部份組成，請參看圖6。



通過(guò)這些測量，可以設計濾波器，用電路補償由于耳機所引起的衰減與延時(shí)。 這使得系統得以產(chǎn)成反相噪音信號，用于抵消穿透耳機，人耳真正聽(tīng)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與相位響應曲線(xiàn)可以由下列公式得到：

典型的曲線(xiàn)如圖7所示：



剩下的問(wèn)題是，如何用真實(shí)的濾波器電路產(chǎn)生與理想濾波器一致的頻率響應與相位響應。

通常，有很多種方式用以設計濾波器，但最直接可靠的方法是用已經(jīng)在很多設計用已經(jīng)采用的方法。由奧地利微電子(austriamicrosystems)提供的參考設計(圖8)采用專(zhuān)門(mén)為降噪耳機設計的芯片AS3501及相應的外部電路可以很好地完成降噪耳機的設計。而基于A(yíng)S3501的降噪耳機方案已被多家重要客戶(hù)所采用并已在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。





采用AS3501的設計中，濾波器由一個(gè)陷波器和一個(gè)低通濾波器組成。通過(guò)改變?yōu)V波器的參數配置，可以使實(shí)際濾波器的頻率響應與相位相應和理想濾波器非常接近。在一些設計中，如果耳機的聲學(xué)特性非常好，只采用一個(gè)低通濾波器便可產(chǎn)生非常好的性能。

對一個(gè)典型的一階主動(dòng)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(gè)例子中，由一個(gè)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曲線(xiàn)。

濾波器設計可以通過(guò)模擬并進(jìn)行微調來(lái)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(guò)調整，從而獲得與理想濾波器盡可能一致的性能。簡(jiǎn)單的模擬結果如圖9所示。



實(shí)際的降噪效果可以由圖10所示的圖型表示。紅線(xiàn)表示了主動(dòng)降噪沒(méi)有起作用時(shí)的噪音強度，并以此作為一個(gè)基準。綠線(xiàn)表示主動(dòng)降噪工作以后噪音強度。紅線(xiàn)與綠線(xiàn)之間的差值就是主動(dòng)降噪的性能。



這個(gè)性能曲線(xiàn)顯示，主動(dòng)降噪在300Hz左右，可以獲得超過(guò)30dB的降噪效果。雖然人耳可以聽(tīng)見(jiàn)的聲音范圍是20Hz-20KHz，這個(gè)例子中，主動(dòng)降噪的有效頻率為50Hz-2KHz，主要原因為：

首先，對于超過(guò)2KHz的噪音，通過(guò)對耳機結構設計及材料選擇，被動(dòng)降噪可以起到很好的作用。主動(dòng)降噪只需專(zhuān)注于消除低頻噪音，而對低頻噪音，很難通過(guò)被動(dòng)降噪進(jìn)行消除;

第二個(gè)原因，因為聲學(xué)設計的關(guān)系，高頻部份相位開(kāi)始快速翻轉，這使得無(wú)法采用電子部份對快速翻轉的信號進(jìn)行補償;

第三個(gè)原因，主動(dòng)降噪也很難對非常低頻部分的噪音進(jìn)行消除因為耳機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，由于耳機所采用的結構，聲學(xué)及電子元件特性不可避免會(huì )有一定偏差，因此，每一個(gè)耳機在量產(chǎn)的時(shí)候都要進(jìn)行校準。這個(gè)校準過(guò)程通常是降噪耳機生產(chǎn)過(guò)程中最具挑戰性，并且最重要的部份。在傳統設計中，大多采用2個(gè)可調電位器放置在麥克風(fēng)放大回路中，用以補償各種原因造成的信號偏差。在量產(chǎn)過(guò)程中，這兩個(gè)可調電位器必須進(jìn)行非常仔細的調整，導致整個(gè)降噪耳機生產(chǎn)的低效，并且很難保證一致性與穩定性。



奧地利微電子在A(yíng)S350X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(dòng)校準方式。這種自動(dòng)調整由一個(gè)校準盒，電腦應用程序及自動(dòng)測量裝置組成，如圖11所示。在這個(gè)系統中，有一個(gè)喇叭，放置于小型消音盒內，用來(lái)模擬環(huán)境噪音。自動(dòng)校準程序運行在PC上，分析由自動(dòng)測量裝置采集的信號，決定最佳的芯片參數，并將最佳的參數通過(guò)耳機音頻輸入線(xiàn)傳輸給芯片，并將參數固化在芯片內部，如圖12所示。這樣的設計將大大減化生產(chǎn)的難度并提高了降噪耳機性能的一致性與穩定性。