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主动降噪耳机原理及系统

出处:互联网 发布于:2017-11-09 16:23:51 | 1004 次阅读

  降噪耳机是指利用某种方法达到降低噪音的一种耳机。目前降噪耳机有两种分别为:主动降噪耳机和被动降噪耳机。

  主动降噪功能就是通过降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波,将噪音中和,从而实现降噪的效果。被动式降噪耳机主要通过包围耳朵形成封闭空间,或者采用硅胶耳塞等隔音材料来阻挡外界噪声。

  主动降噪耳机原理

主动降噪耳机原理及系统


  降噪耳机,采用主动噪音控制,不同于一般耳机的被动隔音。其原理为:

  1. 先由安置于耳机内的讯号麦克风侦测耳朵能听到的环境中低频噪音 (100 ~ 1000Hz)

  2. 再将噪声讯号传至控制电路,控制电路进行实时运算

  3. 通过Hi-Fi 扬声器播放与噪音相位相反、振幅相同的声波来抵消噪声

  4. 叠加后噪声消失听不见了

  主动降噪耳机价格昂贵,但是一般效果优秀,佩戴舒适。但是需要独立电池供电,大多数被动降噪耳机可以不耗电使用(也不主动降噪)。

  主动降噪系统

  主动降噪系统分为开环路系统、闭环路系统和自适应系统。

  开环路系统:

主动降噪耳机原理及系统
外置传感器的开环路主动降噪耳机系统


  主动降噪系统通过一只传声器采集噪声并产生抗噪信号。在一个开环路系统中,如图所示,传声器放置于耳罩的外部,其拾取的声音信号经反相放大器输出得到抗噪信号,而后与所需的音频信号混合,最终在耳机换能器中重放嘲。抗噪信号能够衰减外界噪声,使原始声音更便于理解。通常,开环主动降噪系统可以实现噪声衰减10-15dB,这在为专业人士及普通消费者设计的不同种类的降噪耳机中可以普遍发现。可是,这种设计对于那些想要独自调整抗噪信号大小以满足最佳听音效果的人们来说并不适用。

  开环路系统的最大优势就是简单,但与其他类型的降噪耳机比,可能并不是最令人满意的。由于传声器放置于耳罩外,实际采集到的噪声和耳罩内听到的噪声并不完全一样。事实上,经过耳罩再加上其内部的反射作用,声音已发生了改变。因此,在很多情况下,抗噪信号可以在耳机内生成。

  闭环路系统:

主动降噪耳机原理及系统
内置传感器的闭环路主动降噪耳机系统


  如果传声器放置于耳罩内换能器的前方,系统可能生成一个更加精确的抗噪信号,如图所示。此时,传声器拾取到的声音既包括耳机换能器发出的声音,又包括耳罩内产生的噪声,这个信号作为纠错信号反馈给所需的声音信号,因此被称为“闭环路系统”。闭路系统的运行特点是通过反馈方式来达到降噪的目的。

  控制论中,噪声(比如放大器的失真)被看作是一种非线性的变化,可以通过在系统中引入校正信号来减轻或消除这种失真。图中所示的是一个闭环路主动降噪耳机系统。传声器置于耳罩内部,拾取到的是所需的声音和噪声的混合声。首先,这个系统将所需信号从混合信号中分离出来并对剩下的噪声信号进行反相。然后,对反相的噪声信号进行补偿,以便抵消闭环系统中的噪声。输出级将抗噪信号和所需信号重新合成,最终在耳机换能器中实现重放。由于这是一个反馈的过程,所以在某些情况下,闭环系统可能会不稳定。

  自适应系统:

主动降噪耳机原理及系统
自适应主动降噪耳机系统


  上面提到的开环系统和闭环系统都是采用模拟滤波器来产生抗噪信号,而数字滤波器的功能更为强大,设置也更为简单。用数字滤波器来消除噪声的方法叫做自适应滤波法,它可以同时实现纠正相位错误和幅度错误。

  上图是使用自适应主动降噪耳机系统的原理图。在头戴耳机的顶部放置一只传声器拾取噪声信号作为参考信号,自适应滤波器利用当前信号经过耳机系统模型的转移函数来预测耳罩内的噪声,然后将预测噪声反相后与所需音频信号进行叠加,最终传送给耳机换能器。置于耳罩内的传声器拾取实际的声音并产生一个误差信号,使滤波器收敛于零以得到更加准确的抗噪信号。

  总结

  主动降噪技术发展了数十年,技术已经不断成熟,,正在逐步从高端应用延伸到民用市场,所应用的环境也是多种多样。最根本在于,和被动降噪的材料学相比,主动降噪的处理机制提升空间更大。但技术封锁是最令行业头疼的问题,目前行业内拥有主动降噪核心技术的几家公司均不会透露自己的技术,技术封锁显然对行业的发展不利。

  但这并无法降噪的发展,目前已经拥有一些国内品牌在自主研发主动降噪技术,并且在今年将大力推广主动降噪耳机产品。我们面临的环境越来越复杂,生活中的环境越来越大了,将降噪耳机亲民化,带给大众消费级人群使用是唯一的目的。

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