耳機(jī)主動(dòng)降噪技術(shù)的分析與研究

馮志鴻

摘要：因耳機(jī)攜帶方便且靈活，具有較強(qiáng)的私密性，大部分人使用耳機(jī)聽音樂及接打電話。但一些地區(qū)噪音污染較嚴(yán)重，在室外若使用普通耳機(jī)只能通過提高音量來掩蓋噪音，對(duì)聽力會(huì)造成很大的影響，降噪耳機(jī)就在此背景下誕生了。本文將對(duì)耳機(jī)主動(dòng)降噪技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并針對(duì)性的提出相應(yīng)見解以供行業(yè)參考。

關(guān)鍵詞：耳機(jī);主動(dòng)降噪技術(shù);分析

中圖分類號(hào)：TN642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0114-02

1 主動(dòng)降噪耳機(jī)概述

降噪耳機(jī)主要分為兩類，主動(dòng)降噪與被動(dòng)降噪。被動(dòng)降噪耳機(jī)主要是通過物理隔絕的方式降低外界噪音的干擾，讓其與耳朵隔絕開來，對(duì)于一些高頻率的聲音具有不錯(cuò)的效果，通常可以將外界的噪音降低到15～20dB。但是對(duì)于復(fù)雜環(huán)境的降噪，如存在大量低頻率噪聲卻顯得束手無策。被動(dòng)降噪耳機(jī)的成本較低，效果存在一定的局限性，因?yàn)楸粍?dòng)降噪耳機(jī)中具有高密度的隔絕材料，因此佩戴舒適度上就會(huì)較差。主動(dòng)降噪耳機(jī)則可以通過耳機(jī)內(nèi)所攜帶的降噪系統(tǒng)產(chǎn)生與外界噪聲相等的反向波，將噪聲進(jìn)行中和處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降噪效果。它是從消除噪聲出發(fā)，主動(dòng)對(duì)噪聲進(jìn)行處理，耳機(jī)具有專業(yè)的降噪電路，主動(dòng)降噪耳機(jī)對(duì)于一些低頻噪聲具有顯著的效果。

2 主動(dòng)降噪耳機(jī)的工作原理分析

通過對(duì)聲音特性分析可知，基本所有聲音都是由相應(yīng)的頻譜與能量構(gòu)成，若能夠找出一種聲音與頻譜所需要消除的噪聲完全一樣，但是反向相反，之后當(dāng)兩者相遇疊加后從理論上是可以消除噪聲。實(shí)際采用的方式是先通過耳機(jī)內(nèi)部所攜帶的微型麥克風(fēng)將耳朵所能夠聽到的各種噪聲收集起來，之后將噪聲信號(hào)傳輸至降噪電路，通過降噪系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算進(jìn)行處理，之后再產(chǎn)出與噪聲相同但相位相反的聲波，這樣當(dāng)耳機(jī)在播放音樂時(shí)加入與外界相反的波就可以有效消除噪聲。這個(gè)過程中最主要的階段是當(dāng)主動(dòng)降噪耳機(jī)收集到復(fù)雜的環(huán)境噪聲后，傳輸給降噪系統(tǒng)進(jìn)行分析，之后通過耳機(jī)攜帶的揚(yáng)聲器實(shí)時(shí)產(chǎn)生與噪聲相同香味相反的波，若此過程無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)將難以實(shí)現(xiàn)最佳的降噪效果，因此耳機(jī)的主動(dòng)降噪技術(shù)就顯得尤為重要。

3 耳機(jī)主動(dòng)降噪系統(tǒng)分析

通過對(duì)耳機(jī)主動(dòng)降噪原理分析可知，耳機(jī)主動(dòng)降噪系統(tǒng)能夠產(chǎn)生抗噪信號(hào)是通過對(duì)原噪音信號(hào)處理所得的，目的就是為了讓外界環(huán)境所產(chǎn)生的噪音能夠相互抵消。

3.1 耳機(jī)主動(dòng)降噪開環(huán)系統(tǒng)分析

耳機(jī)主動(dòng)降噪系統(tǒng)通過所攜帶的噪音采集器收集噪音并進(jìn)行處理，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的抗噪信號(hào)。當(dāng)處于開環(huán)系統(tǒng)中時(shí)，傳聲器主要放置于耳機(jī)耳罩的外部，將所收集到的噪音信號(hào)經(jīng)過方向放大器處理獲得相對(duì)應(yīng)的抗噪信號(hào)，之后再與所獲得的噪音信號(hào)相互融合抵消，就能夠降低外界噪音影響?？乖胄盘?hào)是非常重要的，它能夠降低外界噪音的影響，讓原始的聲音更加清晰。通常主動(dòng)降噪開環(huán)系統(tǒng)能夠降低大約15～20dB，耳機(jī)主動(dòng)降噪開環(huán)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)就是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，與其它系統(tǒng)類型的主動(dòng)降噪耳機(jī)相比較，雖可以滿足大部分人的需求，但若使用者對(duì)音質(zhì)有著更高的要求，此系統(tǒng)就無法有效實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹鲃?dòng)降噪開環(huán)系統(tǒng)的噪音采集器在耳罩外，因此所收集到的噪音與耳罩內(nèi)實(shí)際聽到的噪音是不同的，經(jīng)過系統(tǒng)處理所得出的抗噪信號(hào)也不一樣。當(dāng)噪音經(jīng)過耳罩再加上內(nèi)部的反射作用，噪聲已經(jīng)發(fā)生了一定程度的改變。

3.2 耳機(jī)主動(dòng)降噪閉環(huán)系統(tǒng)分析

若將降噪耳機(jī)的噪音收集器至于耳罩內(nèi)部換能器的前方，那么耳機(jī)主動(dòng)降噪系統(tǒng)就可以根據(jù)所收集到的噪音信號(hào)生成一個(gè)更為精準(zhǔn)的抗噪信號(hào)。此時(shí)噪音收集器所采集到的噪音既包括耳機(jī)內(nèi)部換能器所發(fā)出的聲音，同時(shí)又有耳罩內(nèi)部所產(chǎn)生的噪音，也就是人們能夠感受到的噪音，這個(gè)信號(hào)可以被作為糾錯(cuò)信號(hào)，因此整個(gè)系統(tǒng)被稱之為“閉環(huán)系統(tǒng)”。實(shí)際上，噪音是可以被看作非線性的變化，通過在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)入校正信號(hào)來降低或者消除這種變化。耳機(jī)的噪音收集器會(huì)在耳罩內(nèi)，所采集到的信息為混合聲，所以系統(tǒng)需要對(duì)混合音進(jìn)行處理與分離，再對(duì)反向的抗噪信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，這樣才可以更好的消除閉環(huán)系統(tǒng)中的噪音。因?yàn)榭乖胄盘?hào)需要與所需要的信號(hào)重新進(jìn)行結(jié)合，最后在耳機(jī)內(nèi)的換能器中進(jìn)行重現(xiàn)，這是一個(gè)反饋的過程，所以在某些情況下可能會(huì)存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 耳機(jī)主動(dòng)降噪自適應(yīng)系統(tǒng)分析

上述所講的開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)都是通過采用模擬濾波器的方式來產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的抗噪信號(hào)，而數(shù)字化的濾波器功能會(huì)更加強(qiáng)大，設(shè)置也非常簡(jiǎn)單。主動(dòng)降噪自適應(yīng)系統(tǒng)中數(shù)字濾波器所采用的方法叫做自適應(yīng)濾波法，它能夠通過強(qiáng)大的計(jì)算能力同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)相位及幅度錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。以頭戴式主動(dòng)降噪自適應(yīng)系統(tǒng)為例，它會(huì)通過耳機(jī)頂部的噪聲收集器將所采集的噪音信號(hào)作為參考信號(hào)，之后自適應(yīng)濾波器利用收集信號(hào)經(jīng)過耳機(jī)系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)移函數(shù)來預(yù)測(cè)耳機(jī)內(nèi)部可能產(chǎn)生的噪音，最后系統(tǒng)將預(yù)測(cè)噪音反相后與所需要的音頻信號(hào)進(jìn)行相互結(jié)合疊加，最終傳到至耳機(jī)的換能器。在耳罩內(nèi)的噪音收集器可以獲得實(shí)際的噪音并通過處理產(chǎn)生一個(gè)精準(zhǔn)的誤差信號(hào)，進(jìn)而使得濾波器經(jīng)過處理可以獲得更加精準(zhǔn)的抗造信號(hào)。

4 主動(dòng)降噪耳機(jī)的缺點(diǎn)及未來發(fā)展分析

4.1 主動(dòng)降噪耳機(jī)的缺點(diǎn)分析

近幾年雖然耳機(jī)主動(dòng)降噪技術(shù)得到了顯著的提升，但是卻仍然存在一些缺點(diǎn)亟待解決。首先，我們需要明白的是降噪過程并非是在電路內(nèi)將噪音進(jìn)行消除，而是利用聲學(xué)原理在特定的空間內(nèi)將噪音進(jìn)行抵消。若主動(dòng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不夠完善，所產(chǎn)生的抗噪信號(hào)與外界環(huán)境噪音未能相互抵消而是疊加，那么就不是降低噪音，反而會(huì)提高噪音。實(shí)際上耳機(jī)內(nèi)的降噪系統(tǒng)不可能應(yīng)對(duì)所有的噪音環(huán)境，總有難以處理的情況，這也是主動(dòng)降噪耳機(jī)企業(yè)所需要解決的主要問題。對(duì)于主動(dòng)降噪耳機(jī)用戶而言，高品質(zhì)的主動(dòng)降噪耳機(jī)價(jià)格較為昂貴，同時(shí)因耳機(jī)內(nèi)部所需要的設(shè)備較多，會(huì)額外增加耳機(jī)的重量。除此之外，有些主動(dòng)降噪耳機(jī)在低頻環(huán)境下應(yīng)對(duì)快速變換的噪音時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象，進(jìn)而引起絲絲的電流聲。最后部分主動(dòng)降噪耳機(jī)具有一定局限性，如在馬路上使用可能會(huì)忽略汽車?yán)嚷曇?，這些都是用戶在使用前所需要考慮到的問題。

4.2 主動(dòng)降噪耳機(jī)未來發(fā)展分析

對(duì)噪音控制的根本途徑就是對(duì)聲源進(jìn)行有效控制。現(xiàn)如今，數(shù)字化降噪技術(shù)已逐漸成為耳機(jī)主動(dòng)降噪技術(shù)的主流，將降噪過程數(shù)字化與智能化處理，這也是主動(dòng)降噪耳機(jī)重要的改革方向。在主動(dòng)降噪耳機(jī)領(lǐng)域之中，先進(jìn)的技術(shù)以及優(yōu)秀的品質(zhì)一直是成功的首要條件。但是對(duì)于消費(fèi)者而言，除了品質(zhì)之外價(jià)格以及兼容性也是非常重要的。若價(jià)格過高將會(huì)阻擋大部分的消費(fèi)者，同時(shí)也超越了耳機(jī)產(chǎn)品的實(shí)際范圍。因此主動(dòng)耳機(jī)未來發(fā)展的趨勢(shì)必然會(huì)朝著高品質(zhì)、性能強(qiáng)、產(chǎn)品豐富及價(jià)格適中的方向發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，耳機(jī)主動(dòng)降噪技術(shù)是復(fù)雜的，但是他們降噪的基本原理基本都是一樣。相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的主動(dòng)降噪技術(shù)，將其應(yīng)用于耳機(jī)產(chǎn)品之中，這樣既可以保證耳機(jī)的主動(dòng)降噪效果，又能夠確保耳機(jī)音質(zhì)不會(huì)受損，為廣大消費(fèi)者帶來更多的新型降噪耳機(jī)產(chǎn)品。

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Analysis and Research on Active Noise Reduction Technology of Earphone

FENG Zhi-hong

（Shenzhen Guanxu Electronics Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong? 518117）

Abstract：Because headphones are easy to carry and flexible， and have strong privacy， most people use headphones to listen to music and answer telephone calls. However， noise pollution is serious in some areas. If ordinary headphones are used outdoors， noise can only be concealed by increasing the volume， which will have a great impact on hearing. Noise reduction headphones were born under this background. This paper will systematically analyze the active noise reduction technology of headphones， and put forward corresponding opinions for industry reference.

Key words：headphones;active noise reduction technology;analysis