降噪耳機(jī)方案開發(fā)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子產(chǎn)品消費(fèi)市場的不斷發(fā)展，人類生活節(jié)奏也在不斷加快，越來越多的人使用耳機(jī)聆聽高質(zhì)量的音樂。然而，城市的噪聲污染已成為不可避免的干擾，在噪聲環(huán)境中使用普通耳塞耳機(jī)，只能通過提高音量來掩蓋噪聲，這樣不但不能享受美妙的音樂，也會對自己的聽力產(chǎn)生很大的影響。怎樣才能讓美妙的音樂使自己心情得以放松、疲勞得以緩解的同時(shí)又能不受外界噪聲的干擾——降噪耳機(jī)可能成為最佳的選擇。

一、噪聲的種類與危害

聲壓級是表示聲音幅度大小的單位，一般用分貝(dB)來計(jì)量。在民用領(lǐng)域，環(huán)境噪聲主要分為交通噪聲、工業(yè)噪聲和生活噪聲三類。其中交通噪聲來自于汽車、火車、飛機(jī)、輪船等；工業(yè)噪聲主要包括大型的工程機(jī)械噪聲、工廠企業(yè)中的儀器設(shè)備噪聲以及建筑工地噪聲等；生活噪聲常見的有一些街邊電商的廣播宣傳、公眾場合嘈雜的講話聲以及近年來常見的廣場舞的音樂聲等。在軍用領(lǐng)域，持續(xù)性的噪聲主要包括各種軍用車輛、固定翼飛機(jī)、直升飛機(jī)，艦船輪機(jī)以及各種機(jī)械設(shè)備發(fā)出的噪聲，這種噪聲一般比民用領(lǐng)域遇到的噪聲更高，噪聲頻譜更豐富。以上這些噪聲通常都在90dB以上，甚至某些噪聲可以高達(dá)130dB以上。

噪聲對人體的危害可總結(jié)如下：

（1）影響生活和工作：睡眠是緩解疲勞的最有效手段。但強(qiáng)噪聲環(huán)境中人們無法達(dá)到深度睡眠，常常造成多夢、驚醒等狀況；另外噪聲會影響大家正常的工作交談，造成人們煩躁不安，注意力難以集中，不僅降低生活品質(zhì)，還影響工作質(zhì)量；

（2）損傷聽力：噪聲的危害最顯而易見的就是對人聽力的損傷。在強(qiáng)聲環(huán)境下，人們會感到耳朵難受，在長時(shí)間處于噪聲環(huán)境下后，就算在安靜環(huán)境下，仍然會感到嗡嗡作響，長此以往，就會引起聽力減弱、聽閾值提高。如果長時(shí)間處于高強(qiáng)噪聲環(huán)境下，聽力會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損傷，甚至耳聾；

（3）神經(jīng)系統(tǒng)損傷：長期處于高噪聲環(huán)境下的人，常常會產(chǎn)生頭昏、頭痛、心慌、耳鳴等神經(jīng)衰弱的情況；

（4）其他危害：另外噪聲還會引起心腦血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)的紊亂，甚至有一些專家認(rèn)為，長期的高噪聲環(huán)境也是引起癌癥的一個誘因。

二、耳機(jī)降噪技術(shù)種類

在眾多的降噪設(shè)備里，分為無源降噪(Passive Noise Control,PNC)和有源降噪(Active Noise Control,ANC)兩種降噪方式。

2.1無源降噪技術(shù)

無源降噪裝備占據(jù)了大多數(shù)份額，也是人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見的，如城市內(nèi)快速或高速公路兩邊常能見到的降噪板、消聲室或KTV的吸音墻面設(shè)計(jì)、高噪聲污染的工作崗位要求佩戴隔音耳塞或耳罩等。

而在眾多的噪聲防護(hù)裝備中，降噪耳機(jī)是相對有效而主流的防護(hù)方式。一般的防護(hù)耳機(jī)，其噪音抑制方式是采用無源降噪，例如無源的耳塞、耳罩等。其降噪機(jī)理是合理運(yùn)用產(chǎn)品的外殼硬質(zhì)材料或內(nèi)部的吸聲材料，用隔絕與吸收的方法，阻止外部聲音進(jìn)入耳道，這種降噪方式對高頻分量特別豐富的噪聲降噪效果尤為明顯，這也是現(xiàn)在噪音抑制最常使用的方法。無源降噪方式實(shí)現(xiàn)容易，但對800Hz以下和更低的頻率段噪音來講，如果要達(dá)到理想的降噪效果，需付出很高的成本，另外降噪的材料也會很重，因此就失去了實(shí)際使用的價(jià)值。

2.2 有源降噪技術(shù)

經(jīng)過長期的探索，人們清醒地認(rèn)識到，噪聲控制的根本途徑是對聲源進(jìn)行有效控制，所以從分析聲源的發(fā)聲機(jī)理出發(fā)，對聲源或近場域?qū)嵤┲鲃涌刂撇攀墙鉀Q噪聲控制的發(fā)展方向。而有源降噪技術(shù)正是通過此種技術(shù)來控制噪聲的，有源降噪技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)耳罩在低頻段降噪不足的弱點(diǎn)，使耳罩在各頻段得到比較均勻的降噪效果。

有源降噪技術(shù)又稱為主動噪聲控制（activenoisecontrol，簡稱ANC）技術(shù)，是現(xiàn)代噪聲控制的一個重要研究方向，因其電路體積小、重量輕、便于控制、能夠處理平穩(wěn)的寬帶噪聲等特點(diǎn)而受到廣泛應(yīng)用進(jìn)而在聲學(xué)領(lǐng)域得到大力發(fā)展并在近年來逐步走向成熟。目前，研究降噪耳機(jī)的公司層出不窮，降噪耳機(jī)被廣泛用于軍用和民用領(lǐng)域從而有力的保護(hù)了人民的健康。

而有源降噪的原理是利用聲波的干涉相消原理，在特性空間內(nèi)人為的產(chǎn)生一個與原始噪聲相位相反，幅度和頻率相當(dāng)?shù)拇渭壴肼暎c原始噪聲抵消，達(dá)到降低噪聲的目的。與無源降噪不同，有源降噪系統(tǒng)需要配置電源、電路以及相關(guān)的聲學(xué)器件，通過主動的方式去降噪。如前文，無源降噪主要對中高頻有效，而因?yàn)榈皖l波長長，容易實(shí)現(xiàn)干涉，因此有源降噪主要實(shí)現(xiàn)在低頻段的噪聲抑制。

三、有源降噪技術(shù)研究歷史和現(xiàn)狀

德國物理學(xué)家Paul Leug在1934年最早提出通過聲干涉原理來實(shí)現(xiàn)降噪的概念，并申請了“電子消聲器”專利。但局限于當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)基礎(chǔ)，Paul Leug只是論證和表述了其基本原理，并未有實(shí)質(zhì)性的試驗(yàn)和產(chǎn)品。此后20年，有源降噪技術(shù)處于停滯狀態(tài)，并未取得實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。

直到1953年，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，美國RCA公司的Harry Olson和Everet May從Paul Leug的理論出發(fā)，進(jìn)行了重新的理論論證，并首次研制了“電子吸聲器”?！半娮游暺鳌鳖愃婆c現(xiàn)在的有源頭靠系統(tǒng)，其是將有源降噪系統(tǒng)安裝于飛機(jī)或者汽車乘員的座椅頭靠上，通過有源降噪的原理，放出反向噪聲，來降低人頭部小范圍區(qū)域的噪聲。然而，由于“電子吸聲器”裝置降噪頻帶窄，降噪深度淺，降噪范圍小，其并沒有稱為產(chǎn)品進(jìn)行推廣應(yīng)用。

在同一時(shí)期，于1956年，仍然是在RCA公司，W.B.Conover將有源降噪技術(shù)應(yīng)用于一座15000kVA的大型變壓器的噪聲控制。通過論證和試驗(yàn)，在揚(yáng)聲器正前方有明顯降噪效果，這個效果與距離成反比，即距離越遠(yuǎn)，降噪效果越小，另外降噪效果與正向偏離角度有關(guān)系，越偏離正向，一般情況下降噪效果越小。通過測試，揚(yáng)聲器正前方30cm處，降噪量可達(dá)大約20dB。

一直到70年代前，有源降噪技術(shù)的研究并沒有實(shí)質(zhì)性的成果得到應(yīng)用。70年代后期，法國的Jessel、Mangiante和Canevet等人根據(jù)惠更斯原理，提出了JMC有源降噪控制算法可應(yīng)用于自由場空間。通過論證試驗(yàn)，最終把它應(yīng)用于大型變壓器的噪聲處理中。JMC有源降噪控制算法指出任意聲源輻射出的噪聲均可用連續(xù)曲面上分布的次級聲源來控制。

自適應(yīng)的有源噪聲控制理論早在有源降噪理論之初期就產(chǎn)生了。Conover闡述了自適應(yīng)有源降噪的原理：根據(jù)人耳去監(jiān)聽噪聲的降噪效果，同時(shí)通過手動調(diào)節(jié)電路的增益和相位控制使得降噪量達(dá)到最高。這就是最開始的自適應(yīng)有源降噪的思想。由于當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)發(fā)展的限制，自適應(yīng)有源降噪并未付諸行動。沒有相關(guān)的產(chǎn)品或應(yīng)用。

一直到80年代初，隨著高速信號處理技術(shù)的發(fā)展，人們將自適應(yīng)濾波的方法應(yīng)用于管道噪聲的有源抑制。80年代初，Chaplin、J.C.Burgess和C.F.Ross分別在自適應(yīng)有源降噪領(lǐng)域取得一定的成果，尤其在管道消聲方面取得了一定的成果，取得了令人滿意的結(jié)果。

80年代中期，來自英國南安普敦大學(xué)的P.A.Nelson，S.J.Elliott等人對封閉空間內(nèi)的有源降噪技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的深入研究，并取得了創(chuàng)新突破。說明了本征相干的理論，論證了在降噪系統(tǒng)中傳聲器和次級聲源的布放方式，并進(jìn)一步研究了機(jī)艙內(nèi)自適應(yīng)有源降噪的設(shè)計(jì)方法。

進(jìn)入90年代，PA.Nelson和S.J.Elliott等人著手進(jìn)行在密封機(jī)艙內(nèi)的有源降噪的研究，并最終在BAE748型雙螺旋槳推進(jìn)器飛機(jī)的機(jī)艙內(nèi)完成了一個6路有源降噪系統(tǒng)的的研制，并達(dá)到了一定的效果，其中在88Hz和2、3次諧波處，分別降低環(huán)境噪聲13dB、9dB、6dB，其結(jié)果與理論分析是一致。這次研制是有源降噪技術(shù)原理提出以來，水平最高的一次研制和試驗(yàn)，其說明了該技術(shù)已經(jīng)可以在工程實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用。

2000年以后，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，有源降噪技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，如SongY和Gong Y等人在耳機(jī)中應(yīng)用了反饋式有源降噪技術(shù)；Gonzalez A和Ferrer M通過有源降噪應(yīng)用對汽車發(fā)動機(jī)噪聲進(jìn)行了消除；Castane-Selga R和Sanchez Pena將有源降噪技術(shù)應(yīng)用于摩托車頭盔，其對消除摩托車高速行駛時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)噪起到明顯的效果；Kochan K和Sachau D在軍用運(yùn)輸機(jī)上應(yīng)用了空間的有源降噪技術(shù)，有效的抑制了艙內(nèi)噪聲，提高了飛機(jī)的舒適性。

四、有源降噪工作原理

有源降噪技術(shù)的原理是利用聲波在空間的疊加干涉抵消原理，降噪系統(tǒng)拾取環(huán)境噪聲，通過電路處理，主動產(chǎn)生另一個噪聲，其與原始噪聲在頻率和幅度上相當(dāng)，而相位相反，這個主動產(chǎn)生的聲波與原噪聲聲波在空間相互抵消，從而達(dá)到降低噪聲的目的，其降噪原理見圖2-1。由于低頻段聲音具有較長的波長，其在空間的干涉更容易實(shí)現(xiàn)。因此，有源降噪具有較好的低頻噪聲控制效果，通常作為無源降噪在低頻段的補(bǔ)償。所以，該技術(shù)主要用于對寬帶噪聲或低頻噪聲的防護(hù)。

五、有源降噪系統(tǒng)分類

根據(jù)有源降噪系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)特性，可分為反饋式和前饋式兩個基本型。

5.1前饋式降噪耳機(jī)

其中前饋式有源降噪耳機(jī)是將傳聲器位置遠(yuǎn)離次級聲源，由外傳聲器、次級聲源、耳機(jī)結(jié)構(gòu)件以及降噪控制電路組成，其中外傳聲器一般面向外部，通過耳罩上的透聲孔拾取耳罩外的環(huán)境噪聲，結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。外傳聲器拾取的噪聲信號通過ANC控制電路后送給次級聲源，無反饋回路。其響應(yīng)參數(shù)往往是固定的，無法根據(jù)時(shí)變的環(huán)境噪聲自適應(yīng)的調(diào)整增益、相位控制等參數(shù)，因此其降噪性能不太穩(wěn)定，對于一些穩(wěn)態(tài)噪聲具有較好的降噪效果，應(yīng)用較少，一般只是在一些較低端的耳塞類產(chǎn)品中還有應(yīng)用，其主要原因也是耳塞體積較小，而前饋式降噪內(nèi)部布局容易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

如圖2-3中為前饋式有源降噪設(shè)計(jì)，圖中耳塞外部的小孔即是拾取外界環(huán)境噪聲的傳聲器透聲孔。

5.2反饋式降噪耳機(jī)

反饋式有源降噪耳機(jī)反饋式由內(nèi)傳聲器、次級聲源、耳機(jī)結(jié)構(gòu)件以及降噪控制電路組成，其內(nèi)傳聲器面向于耳罩內(nèi)，一般放置在耳道入口處，內(nèi)傳聲器拾取進(jìn)入耳罩的噪聲后，送至ANC降噪處理控制電路進(jìn)行處理，后將相位相反，幅度相當(dāng)，頻率相等的次級聲信號送至次級聲源，通過次級聲源放出反向噪聲，達(dá)到降噪的效果，如圖2-4所示。內(nèi)傳聲器一般放置于次級聲源附近，會拾取次級聲源附近的噪聲，其降噪系統(tǒng)便會形成一個反饋回路，進(jìn)行降噪?yún)?shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，因此通常傳聲器放置在緊靠次級聲源的位置，可較為真是的反應(yīng)聽覺器官附近的噪聲，有一個反饋回路，降噪的效果要更好，只是結(jié)構(gòu)、電路及調(diào)試工作相對要復(fù)雜一些。另外因?yàn)榉答伝芈返拇嬖?，在反饋式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)會產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，例如嘯叫自激，這是該類有源降噪耳罩的弱點(diǎn)。

如圖2-5中為AKG公司的K495NC型反饋式有源降噪耳機(jī)，圖中箭頭所指為內(nèi)傳聲器，放置在耳道入口處，拾取耳罩內(nèi)噪聲信號。

另外，近些年，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，前饋式與反饋式結(jié)合使用的復(fù)合式有源降噪系統(tǒng)逐漸成為大家研究的重點(diǎn)和方向。復(fù)合式有源降噪耳機(jī)由外傳聲器（參考傳聲器）、內(nèi)傳聲器（誤差傳聲器）、次級聲源、耳機(jī)結(jié)構(gòu)件以及降噪控制電路組成，其系統(tǒng)組成圖如圖2-6。

如圖2-7中為森海賽爾公司的PXC450型復(fù)合式有源降噪耳機(jī)，圖2-7左圖中小孔為前饋式降噪的外傳聲器，左下為內(nèi)部構(gòu)造，右圖中箭頭所指為反饋式降噪的內(nèi)傳聲器，放置在耳道入口處，拾取耳罩內(nèi)噪聲信號。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，由于耳塞的結(jié)構(gòu)尺寸限制，目前市面上除了一些中低端降噪耳塞無法采用反饋式或復(fù)合式降噪，仍然采用前饋式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有源降噪以外，大多數(shù)有源降噪耳機(jī)均采用反饋式或復(fù)合式有源降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)較好的產(chǎn)品降噪性能。如表2-1是三種降噪結(jié)構(gòu)的性能對比。

六、降噪耳機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

有源降噪耳機(jī)主要由電源、控制電路、拾音器、揚(yáng)聲器和耳腔等組成，其中控制電路是耳機(jī)的核心部件。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，影響降噪技術(shù)的主要因素有以下幾點(diǎn)：

（1）控制電路：控制電路通過測量、反向控制、聲音疊加3個主要過程實(shí)現(xiàn)噪聲抵消，測量拾音器拾取到的噪聲信號的相位及幅值，經(jīng)過反向處理后與揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音（稱之為噪聲抑制信號）進(jìn)行疊加，如果噪聲抑制信號和原信號幅值不完全相同或者相位不是精確的相差180°，只會減弱噪聲，并不能達(dá)到完全抵消的效果。

（2）電聲器件的頻響：電聲器件包括拾音器和揚(yáng)聲器，在耳罩內(nèi)部電聲器件之間的空間傳聲路徑，中間經(jīng)過電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換等復(fù)雜的過程，而且振膜及線圈等組成的這一機(jī)械振動系統(tǒng)有自己的振動模態(tài)，它可能有多個固有頻率，其中的頻率響應(yīng)在系統(tǒng)的各個固有頻率上可能呈現(xiàn)出尖峰，而相位響應(yīng)在系統(tǒng)的每個固有頻率處都下降90度。這時(shí)在時(shí)域上表現(xiàn)為波形的畸變和時(shí)延，頻域上表現(xiàn)為幅頻函數(shù)不平直。因此需要幅頻比較平直，相頻變化緩慢的揚(yáng)聲器和傳聲器。

（3）耳機(jī)腔體設(shè)計(jì)：耳機(jī)腔體結(jié)構(gòu)的作用主要是消除聲短路、抑制聲共振、拓寬頻響范圍、減少失真，同時(shí)，也與耳腔材料有關(guān)，密度越高，聲音對腔體的振動越低，干擾就越低；材質(zhì)越厚，對聲音的回放效果越好，低頻效果就越好。因此，在設(shè)計(jì)耳腔的時(shí)候需要綜合考慮，才能達(dá)到理想的效果。

總結(jié)

綜上，有源降噪耳機(jī)系統(tǒng)，一般由傳聲器、次級聲源、耳腔結(jié)構(gòu)組件和降噪電路組成，以上每一部分對耳機(jī)最終的有源降噪性能均有著較大的影響，在耳機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)關(guān)注。

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