詳解主動(dòng)降噪技術(shù)如何在更多場(chǎng)景全面消除噪聲

人類與噪音的斗爭(zhēng)史可以追溯到原始社會(huì)了，打雷時(shí)嚇得捂住耳朵算是人類最早的降噪手段了。 時(shí)至今日，傳統(tǒng)降噪方式衍生出了很多相關(guān)產(chǎn)品，例如耳塞、隔音棉、隔音板等，均是基于隔音材料阻隔吸收，無法從根本上解決噪聲。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以在模擬信號(hào)、混合信號(hào)和數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)領(lǐng)域領(lǐng)先企業(yè)ADI為典型的半導(dǎo)體廠商們紛紛推出各自的主動(dòng)降噪技術(shù)解決方案，使之逐漸在近些年獲得興起。

噪音是什么?科學(xué)上的解釋是“頻率、強(qiáng)弱變化無規(guī)律、雜亂無章的聲波”。過強(qiáng)的噪音不僅僅會(huì)對(duì)聽力造成損傷，更有研究認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間處在嘈雜的環(huán)境中會(huì)增加患心臟病和中風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)伴隨著低血糖、睡眠障礙等健康問題。

從個(gè)人角度講，噪音可以是妨礙休息、學(xué)習(xí)、工作的，或者僅僅是影響了聽音樂的，一切不該有的聲音。人們很早就發(fā)現(xiàn)，堵塞住外耳道能有效降低噪音。傳說蘇格蘭漁民為了不被海上女妖的歌聲所迷惑，發(fā)明了最早的耳塞—用蠟做成，優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)柔軟、容易定型，后來又逐漸有了棉花、海綿、泡沫塑料、硅膠等多種材料的耳塞。它們的共同特點(diǎn)是“堵”，這是一種典型的被動(dòng)降噪方式。對(duì)大多數(shù)耳機(jī)廠商來說，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的硅膠耳塞套，或者厚實(shí)的外耳罩就可以實(shí)現(xiàn)一定程度的降噪。

然而僅有這些顯然不夠。所有聲音都是有一定頻率，對(duì)于容易衰減的高頻噪音，這種物理阻隔的方法比較有效，對(duì)付低頻噪音就不行了。但聲波還有另一個(gè)特性，聲音的傳播是通過介質(zhì)的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，波與波之間如果呈反相，理論上就會(huì)實(shí)現(xiàn)抵消，聲學(xué)中成為“相消干涉”。通過發(fā)出相反聲波的方式來中和噪音，就稱為主動(dòng)降噪。

想要產(chǎn)生用于抵消噪聲的聲波，首先要得到噪聲的信息才可以。主動(dòng)降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)思路就是通過反饋麥克風(fēng)采集環(huán)境中的噪聲信號(hào)，經(jīng)過處理器計(jì)算，最后通過揚(yáng)聲器發(fā)出一個(gè)完全相反的聲波，這就是抗噪信號(hào)。由于抵消音必須與噪聲同時(shí)抵達(dá)人耳，所以需要處理器擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以根據(jù)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，并產(chǎn)生相應(yīng)的抵消聲波。

主動(dòng)降噪耳機(jī)的起源可以追溯到20世紀(jì)80年代，最初是為飛行員設(shè)計(jì)的，以便讓他們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間的飛行中保持專注和舒適。最初成本和價(jià)格都很高，所以主要應(yīng)用于航空、軍事等特殊領(lǐng)域，直到2000年之后才開始慢慢應(yīng)用于民用產(chǎn)品。

很多人對(duì)耳機(jī)會(huì)有一種不該有的誤解，那就是聽多了耳機(jī)會(huì)損害聽力。事實(shí)上，真正影響用戶聽力的是聆聽音樂的過程中，設(shè)置了過高的音量。試想一下，如果你想在嘈雜的公交、地鐵車廂上聽音樂，耳機(jī)的隔音又不是很好的時(shí)候，為了聽清楚內(nèi)容可以怎么辦?當(dāng)然是調(diào)高音量。這種情況下主動(dòng)降噪耳機(jī)反而能有效保護(hù)聽力，因?yàn)橄啾扔诒粍?dòng)降噪，主動(dòng)降噪的確能產(chǎn)生更好的效果，尤其是比較有規(guī)律性的環(huán)境噪音，比如在乘坐飛機(jī)、地鐵等交通工具時(shí)，各位根本不用調(diào)大音量就能聽清楚，長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)覺得累。

也有人會(huì)擔(dān)心，如果降噪效果太好，有人跟我講話都聽不見怎么辦?有廠商針對(duì)這一點(diǎn)，在降噪耳機(jī)里加入了“環(huán)境音”功能，具體來說就是利用耳機(jī)上的麥克風(fēng)收音再在耳機(jī)里實(shí)時(shí)回放，讓你戴著耳機(jī)也能聽清對(duì)方在說什么。

除了為了音樂而生的降噪耳機(jī)，主動(dòng)降噪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域其實(shí)非常廣泛。細(xì)心的人也許會(huì)發(fā)現(xiàn)，大部分智能手機(jī)在背面設(shè)有一個(gè)麥克風(fēng)，這種設(shè)計(jì)并不是多余的，其實(shí)它就是專門用于降噪，通過這樣的主動(dòng)降噪技術(shù)給用戶創(chuàng)造更清晰、流暢的通話效果。另外，絕大多數(shù)中高端轎車內(nèi)也采用了主動(dòng)降噪技術(shù)來降低公路上巨大的噪音。

主動(dòng)降噪技術(shù)在降噪耳機(jī)中的應(yīng)用

主動(dòng)降噪ANC(Active Noise CancellaTIon)是通過偵聽背景噪聲，利用芯片與算法模型計(jì)算噪聲聲波并生成反相聲波，利用聲波疊加抵消原理達(dá)到降噪效果。所以，如何在不同的噪音傳遞到耳朵之前就能清楚辨別，然后釋放出對(duì)應(yīng)的聲波進(jìn)行抵消，這就是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

從抵消噪聲的實(shí)現(xiàn)方式來看，主動(dòng)降噪技術(shù)又可分為兩種：第一種是由模擬電路來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪，第二種是用數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪，這兩種降噪方式各有優(yōu)劣。模擬主動(dòng)降噪的電路需要運(yùn)放、電阻和電容等大量元器件，所以PCB占用空間比較大，而數(shù)字主動(dòng)降噪電路用到數(shù)字IC，所以占用空間小。但模擬主動(dòng)降噪基本無延遲，數(shù)字電路在DSP上會(huì)產(chǎn)生一定延遲。再來看看降噪效果的可調(diào)性，模擬ANC的調(diào)節(jié)非常有限，只能通過調(diào)節(jié)增益/音量來改變降噪效果;而數(shù)字ANC的靈活性比較大，不僅可以調(diào)節(jié)增益，還可以調(diào)節(jié)EQ，降噪算法等，哪怕是已經(jīng)出廠的耳機(jī)未來也可以通過更新固件來優(yōu)化降噪效果。因此，數(shù)字主動(dòng)降噪有助于無線音頻工程師滿足消費(fèi)者全方位的需求，包括卓越的音質(zhì)、噪聲消除和抑制功能、及強(qiáng)大的電池續(xù)航能力，同時(shí)由于其更優(yōu)的降噪效果與更低成本，正逐漸占據(jù)市場(chǎng)主流。

基于數(shù)字主動(dòng)降噪技術(shù)，ADI推出了一系列的專用ANC SoC芯片，比如ADAU1777 ANC Audio SoC是一款具有四個(gè)輸入和兩個(gè)輸出的編解碼器，內(nèi)置數(shù)字處理器，可執(zhí)行濾波、電平控制、信號(hào)電平監(jiān)控和混合。從模擬輸入至DSP內(nèi)核再到模擬輸出的路徑經(jīng)過優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低延遲，非常適用于降噪耳機(jī)。消費(fèi)市場(chǎng)上就已有不少知名的主動(dòng)降噪耳機(jī)采用ADI的DSP技術(shù)，例如降噪耳機(jī)發(fā)明者Bose公司便基于ADAU 1777設(shè)計(jì)出了Bose QC系列降噪耳機(jī)，成為行業(yè)的標(biāo)竿。

而功能升級(jí)版的ADI ADAU1787的主動(dòng)降噪方案，整合了兩個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)——有著高達(dá)768kHz的采樣速率的可編程FastDSP音頻處理器，支持雙二階濾波器、限制器、音量控制、混頻;可使用SigmaStudio進(jìn)行可視化編程，性能高達(dá)50MIPS的28位 SigmaDSP 音頻處理內(nèi)核。..。..從模擬輸入到DSP內(nèi)核再到模擬輸出的路徑已針對(duì)低延遲進(jìn)行優(yōu)化，通過加入少量無源組件，ADAU1787提供了性能卓越的耳機(jī)解決方案。

開放聲場(chǎng)主動(dòng)降噪技術(shù)探討

如果通過作用范圍不同將主動(dòng)降噪技術(shù)進(jìn)行分類的話，噪聲源與降噪作用點(diǎn)單一，需要借助穿戴設(shè)備，如降噪耳機(jī)降噪，屬于單點(diǎn)主動(dòng)降噪;而作用于三維空間噪聲，無需借助穿戴設(shè)備則屬于開放聲場(chǎng)主動(dòng)降噪。三維空間主動(dòng)降噪技術(shù)除了需要優(yōu)秀的主動(dòng)降噪算法功底外，更需要深厚的聲學(xué)理論背景，對(duì)三維空間聲場(chǎng)進(jìn)行分析、模擬、降噪，以實(shí)現(xiàn)在非穿戴前提下對(duì)特定區(qū)域主動(dòng)降噪，進(jìn)而大大拓展應(yīng)用范圍，因此技術(shù)難度更大。

目前三維空間主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用，比較成熟的是在對(duì)汽車引擎的降噪上，但由于引擎噪音固定且低頻，降噪相對(duì)易行，一般來說，車輛行駛時(shí)除了主要有來自于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音外，還有包括胎噪、風(fēng)噪以及外界環(huán)境的噪音等?，F(xiàn)階段汽車則是主要是通過減振、消音、隔音這幾種比較傳統(tǒng)的技術(shù)來進(jìn)行降噪，更進(jìn)一步的技術(shù)則是采用ANC車內(nèi)主動(dòng)降噪科技。需要依靠軟件來驅(qū)動(dòng)，然后使用車內(nèi)麥克風(fēng)噪音樣本進(jìn)行采集，經(jīng)系統(tǒng)分析出噪音的頻譜后，再由車內(nèi)揚(yáng)聲器播放與噪音相位相反、振幅相同的聲波來達(dá)到抵消噪音的目的。

近日，ADI與現(xiàn)代汽車公司合作推出業(yè)界首個(gè)全數(shù)字路噪降噪系統(tǒng)，是首個(gè)可在汽車車艙內(nèi)大幅降噪的系統(tǒng)，利用了ADI領(lǐng)先的A2B音頻總線技術(shù)幫助解決電子RANC(路噪主動(dòng)噪聲控制)系統(tǒng)面臨的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。該RANC系統(tǒng)基于現(xiàn)有的ANC技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上借助A2B總線優(yōu)化了功能與信號(hào)傳輸?shù)乃俣取Ｒ话闾ピ牖虬l(fā)動(dòng)機(jī)噪音0.009秒左右就能進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，基于A2B可以保證延時(shí)最多2個(gè)時(shí)鐘周期(50Mbps)，由于其計(jì)算和信號(hào)傳輸速度得到了優(yōu)化，因此僅需 0.002 秒即可分析噪聲并產(chǎn)生由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)產(chǎn)生的反向聲波，這對(duì)于過去的傳統(tǒng)總線來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。RANC能夠通過特殊的信號(hào)與傳感器位置在車輛行駛時(shí)對(duì)車內(nèi)前后排產(chǎn)生的噪音進(jìn)行精確的分析與計(jì)算，并可將車內(nèi)噪音降低3dBA，這也是RANC技術(shù)的核心所在——不要小看3dBA，在聲壓領(lǐng)域，3dBA相當(dāng)于將噪音減少一半。

下圖是汽車座艙ADI主動(dòng)降噪技術(shù)的示意圖，其主動(dòng)降噪控制器核心仍是音頻處理DSP。ADI設(shè)想在未來的座艙中，車內(nèi)不同座位都可以形成獨(dú)立的聲音分區(qū)，不同位置聽到的音頻內(nèi)容也都不一樣，且互相之間沒有太多干擾——這樣的場(chǎng)景也非常需要音頻處理DSP?；蛟S將來ADI音頻處理的DSP芯片里也會(huì)加入傳統(tǒng)強(qiáng)大的暗盒，在不一樣的應(yīng)用場(chǎng)景更好地處理相應(yīng)的聲音。

除了汽車座艙領(lǐng)域應(yīng)用之外，在消費(fèi)全面升級(jí)的今天，家電領(lǐng)域?qū)翟爰夹g(shù)存在強(qiáng)烈需求，但是落地應(yīng)用與布局仍是藍(lán)海。作為家用市場(chǎng)聚焦的主陣地，例如攪拌機(jī)、吸塵器和烤面包機(jī)發(fā)出的各種噪聲，讓許多消費(fèi)者為之煩惱，所以他們?cè)敢饣ǜ嗟腻X購(gòu)買具有噪音抑制功能的家用電器。在前不久的CES2020上，ADI展示了基于ADAU1452音頻處理器的家用電器(咖啡機(jī))主動(dòng)降噪功能，可以實(shí)現(xiàn)10dB(A)噪聲消減效果。此類解決方案同樣可以運(yùn)行于那些產(chǎn)生較大噪聲的家用電器上，如豆?jié){機(jī)等，讓讓人不舒服的嘈雜聲從家庭環(huán)境消失。

CES2020上ADI展示利用其SigmaDSP抑制家用電器噪音

本文總結(jié)

如今，在電子產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，音質(zhì)體驗(yàn)逐漸成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要因·素，這也促使了主動(dòng)降噪技術(shù)廣泛應(yīng)用。隨著越來越多基于ADI ANC解決方案的合作伙伴產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用落地，相信主動(dòng)降噪技術(shù)在未來將會(huì)有更巨大的想象空間。