降噪耳機寬頻設計應對聽力損失

高達30%成年人的聽力損失可能是由于噪聲的影響所造成。聽力損失的一大影響是無法在噪聲背景中有選擇性地聽到內容。降噪耳機可以幫助挽救我們的聽力并使我們享受到更清晰的通話、更安靜平和的飛機航班以及更高的整體生活水平。

“被動”降噪使用塑料、泡沫、硅橡膠或其他材料制成的耳塞或者耳罩，機械性地將耳朵與環(huán)境進行隔離。根據使用的各種材料，被動降噪僅能對500Hz以上的聲音產生影響。而主動降噪（ANC）技術對低至20Hz、高至數(shù)千Hz的頻率均有效。“主動”降噪解決方案填補了標準被動降噪解決方案無法彌補的空白。

主動降噪使用揚聲器產生的聲音來減少傳至耳朵的其他聲音。檢測不想要的聲音有兩種設計方案：將麥克風暴露在噪聲中，并將其與揚聲器隔離；或者將麥克風放置于盡可能靠近揚聲器的地方（圖1）。

圖1：在前饋降噪耳機的設計中（a），將麥克風與揚聲器隔離。在反饋設計中（b），麥克風放置于靠近揚聲器的位置。

前饋和反饋兩種方法可以結合在一起應用于同一個耳機中（c）。

采用前饋方法，如果揚聲器和前饋麥克風之間的聲音隔離足夠好，就不會影響回放路徑。當降噪功能被關閉或電池電量快消耗完而使耳機工作在無源模式下時，這就是一個很大的優(yōu)勢。音樂回放效果依然不錯。前饋拓撲結構還能輕松地創(chuàng)建“助聽”模式，使即時聲音環(huán)境放大，而不再需要摘掉耳機聽人說話。

前饋設計

采用前饋拓撲結構，設計人員可以對耳機進行聲學分析，以確定噪聲在到達耳朵時在頻率、相位和振幅上是如何變化的。然后，可以在電氣上建立傳遞函數(shù)G（w）模型，并將其插在麥克風和揚聲器之間。

前饋設計常受到方向問題影響，因此，麥克風必須是全方位的。同樣，噪聲通道無法被機械地集中起來。因為麥克風必須在噪聲到達耳朵之前獲得這些噪聲，所以并行的聲音路徑必須被最小化。

反饋設計

反饋拓撲結構根據耳朵上的實際噪聲起作用，按照定義，它與前饋結構使用的模擬效果相比更能準確地表現(xiàn)噪聲。然而，系統(tǒng)的響應速度約束了性能表現(xiàn)。定義傳遞函數(shù)時需要特別注意避免引入不穩(wěn)定性，比如正反饋。

反饋設計扣除了麥克風的回放。由此產生的信號代表了耳朵周圍的噪聲。使用傳遞函數(shù)可以使用具有相移的信號消除不想要的聲音。

適合反饋式主動降噪的理想耳機將在揚聲器和獲取揚聲器輸出的麥克風之間實現(xiàn)零延遲。這是無法實現(xiàn)的，因為這樣的話，揚聲器和麥克風將需要共用同一個聲學中心。從物理角度來說，這將不可能實現(xiàn)?？梢宰龅降氖菍Ⅺ溈孙L放在距離揚聲器薄膜盡可能近的地方，以減少傳播延遲。

由于麥克風在反饋式耳機中不能區(qū)分噪聲和回放，使用反饋式設計的耳機通常都會存在一些信號失真。為了克服這個問題，常見的方法是在回放路徑中添加均衡電路，以確保無論主動降噪是否被激活，聲音都相同。

同一個耳機中也可以將前饋和反饋兩種設計方式結合起來。這可以發(fā)揮兩種方法各自的優(yōu)點，但是也會增加設計的復雜性和額外的成本（需要評估權衡）。

實際的設計考慮

前饋解決方案最大的挑戰(zhàn)是要確保用戶耳朵周圍的環(huán)境受控。由于用戶耳朵的形狀和大小因人而異，耳機的適合程度會存在差異。如果想要達到最佳的降噪效果，就需要不同的傳遞函數(shù)來配合這些不同的物理特性。

這意味著，當按前饋方式設計耳機時，耳機必須適合每個人或者必須被設計為能夠確保不同人之間的差異性對傳遞函數(shù)的影響最小。前饋耳機中的受控漏電路徑可以滿足這個需求。

當考慮反饋式設計時，主要問題是在何處放置麥克風以及如何確保整個頻率范圍內的聲學特性都受控。這點十分微妙，但它并不是未知的領域。許多專利都涉及到對麥克風位置和前后腔尺寸/比例的研究。

在設計方案的權衡上，通常優(yōu)先考慮音頻響應，此時主動降噪性能就能非常好地配合。在這些情況下，主動降噪特性通常受限于頻率帶寬，但卻能夠達到足夠或甚至是顯著的降噪水平。這種方法即使在電量耗盡的情況下，依然能夠確保耳機音質。

另一種方法是優(yōu)先考慮主動降噪性能，此時必須對音頻響應進行調整以確保音效。這樣，耳機就需要一直保持在供電狀態(tài)，或者必須采用某種內部無源均衡產生“悅耳”的聲音。

模擬對數(shù)字

設計人員可以選擇數(shù)字或模擬信號處理方法。傳統(tǒng)的數(shù)字解決方案主要依賴于預測，并且僅能夠對“穩(wěn)態(tài)”噪聲實現(xiàn)降噪，例如恒定的發(fā)動機噪聲或者其他恒定的頻率噪聲。

主動降噪耳機必須盡量減少延遲以應對不均勻的噪聲。麥克風和揚聲器之間的距離通常為0.7cm，相當于20μs的聲音傳播延遲。對于數(shù)字實現(xiàn)而言，模數(shù)轉換、信號處理和數(shù)模轉換也只有20μs間隔（圖2）。

圖2：在麥克風至揚聲器的距離為0.7cm的情況下，信號鏈的傳播延遲不會超過20μs.

滿足時序要求的標準150MIPS、24位DSP、模數(shù)轉換器（ADC）和數(shù)模轉換器（DAC）的典型功耗約為113mW.相比之下，具有類似（如果不是更好）性能的模擬應用（例如奧地利微電子（AMS）公司的AS3400）消耗的功率小于10mW.出于電池續(xù)航時間考慮，業(yè)界一般傾向于選用模擬方案。

另一方面，數(shù)字解決方案的開發(fā)變得更加精確和面向軟件。而且，設計人員也能夠更容易地實現(xiàn)均衡、低音增強和環(huán)繞立體聲等特性--當然，這將以額外的計算和更多的電量消耗為代價。

雖然模擬方案更多地取決于經驗并依賴于大量的已有電聲工程專業(yè)知識，但是這將為那些能夠應用專業(yè)技術的設計人員帶來另一個超越電池續(xù)航時間、尺寸和成本的重要優(yōu)勢：立即做出反應。

降噪的水平

高于1或2kHz時，每個耳機都能表現(xiàn)出某種形式的被動降噪，因為絕緣材料阻擋了環(huán)境噪聲進入耳朵。同樣，20~30dB的噪聲隔離通常高于數(shù)千赫茲。好的隔噪耳機具有無源噪聲濾波功能，可以將噪聲濾除到非常低的頻率，達到5~30dB的噪聲隔離。即使沒有通電，耳機也能帶來平和與安靜。

然而，好的被動降噪也有不足之處：一種被稱為遮擋的現(xiàn)象。最好的例子是將手指插在耳朵里然后說話。由于聲音通過下巴和鼻子的骨結構進行傳遞，體驗者將會聽到自己的聲音沉悶失真。

這種現(xiàn)象通常會使用戶在談話時提高聲音（甚至是叫喊），這既不慎重也會令人不快。除了在談話時摘下耳機或耳塞外，還可以采用側音等技術--聲音由一個獨立的麥克風獲取，并稍加減弱后回放。

主動降噪的一個意外優(yōu)勢在于，它能夠取代較低頻率（例如語音頻段）下高無源濾波的需求。由于用戶可以通過控制開關來開啟或關閉主動降噪功能，當飛機上的鄰座在服務車經過希望其能讓空中乘務員停下時，這將帶來很大的便利。

前饋方案具有一個最佳點：使降噪性能實現(xiàn)最大化的窄頻帶（圖3a）。此外，前饋方案能在寬頻譜中實現(xiàn)降噪，一般可高達4或5kHz.

反饋式主動降噪在其頻帶范圍內往往更為均勻（圖3b）。然而，考慮中的頻帶通常只限于約1kHz.這種限制取決于穩(wěn)定性的需要，以確保不同人或不同的耳機壓力不會使足夠的傳遞函數(shù)改變成正反饋而引起振蕩。高達20dB和1kHz帶寬的降噪對反饋設計來說十分常見。

混合設計結合了兩種拓撲結構的優(yōu)點，同時盡量減少了它們的缺點（圖3c）。

圖3：從電池續(xù)航時間考慮，模擬設計是更好的選擇，但功耗只是設計權衡的一個因素。

設計案例

在產品概念階段，OEM工程師必須評判所有的權衡，并確定產品是否會選用前饋、反饋或混合式主動降噪方案，以及機械設計所需的材料。

下一步就是定義形狀、大小以及耳機和適合度。主動降噪器件供應商可以就麥克風、通風孔的位置以及與耳機聲學結構相關的其他特性提供建議。主動降噪芯片集成了所有的主要功能并提供了必要的性能。奧地利微電子的AS34x0具有前饋設計所需要的一切（圖4）。

圖4：前饋方案（a）通常具有一個降噪性能可以被最大化的窄頻帶。超過25dB的最佳點和高達4kHz的帶寬十分常見。

反饋式主動降噪（b）更為平坦?；旌鲜皆O計（c）兼具兩種設計的優(yōu)勢。

下一步原型設計階段，耳機開發(fā)者將3D模型轉化為電聲方案。這個階段中，OEM工程師對耳機聲音進行了合理修改，同時，芯片供應商可以使用仿真工具和開發(fā)套件，參與首款主動降噪濾波電路的開發(fā)。

這一階段的輸出為全功能的耳機，該首款原型呈現(xiàn)出了最佳的主動降噪性能，同時包含了獨立的頻響圖。大多數(shù)供應商都提供全面的電路參考原理圖和耳機機械設計的進一步改進建議，以提高主動降噪性能。該原型階段通常在經過1~2次重復操作后就可以完成。

最后一步就是集成這些被認可的修改，并對印刷電路板（PCB）進行設計和布局。一旦生產確認樣品完成，主動降噪傳遞函數(shù)就可以進行微調。