降噪耳機(jī)寬頻設(shè)計(jì)應(yīng)對聽力損失

高達(dá)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(nèi)容。降噪耳機(jī)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(jī)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(jī)械性地將耳朵與環(huán)境進(jìn)行隔離。根據(jù)使用的各種材料，被動降噪僅能對500Hz以上的聲音產(chǎn)生影響。而主動降噪（ANC）技術(shù)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(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)被動降噪解決方案無法彌補(bǔ)的空白。

主動降噪使用揚(yáng)聲器產(chǎn)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(shè)計(jì)方案：將麥克風(fēng)暴露在噪聲中，并將其與揚(yáng)聲器隔離；或者將麥克風(fēng)放置于盡可能靠近揚(yáng)聲器的地方（圖1）。

圖1：在前饋降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)中（a），將麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器隔離。在反饋設(shè)計(jì)中（b），麥克風(fēng)放置于靠近揚(yáng)聲器的位置。

前饋和反饋兩種方法可以結(jié)合在一起應(yīng)用于同一個耳機(jī)中（c）。

采用前饋方法，如果揚(yáng)聲器和前饋麥克風(fēng)之間的聲音隔離足夠好，就不會影響回放路徑。當(dāng)降噪功能被關(guān)閉或電池電量快消耗完而使耳機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)聽人說話。

前饋設(shè)計(jì)

采用前饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以對耳機(jī)進(jìn)行聲學(xué)分析，以確定噪聲在到達(dá)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(fēng)和揚(yáng)聲器之間。

前饋設(shè)計(jì)常受到方向問題影響，因此，麥克風(fēng)必須是全方位的。同樣，噪聲通道無法被機(jī)械地集中起來。因?yàn)辂溈孙L(fēng)必須在噪聲到達(dá)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(shè)計(jì)

反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)耳朵上的實(shí)際噪聲起作用，按照定義，它與前饋結(jié)構(gòu)使用的模擬效果相比更能準(zhǔn)確地表現(xiàn)噪聲。然而，系統(tǒng)的響應(yīng)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(shè)計(jì)扣除了麥克風(fēng)的回放。由此產(chǎn)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(jī)將在揚(yáng)聲器和獲取揚(yáng)聲器輸出的麥克風(fēng)之間實(shí)現(xiàn)零延遲。這是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檫@樣的話，揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)將需要共用同一個聲學(xué)中心。從物理角度來說，這將不可能實(shí)現(xiàn)?？梢宰龅降氖菍Ⅺ溈孙L(fēng)放在距離揚(yáng)聲器薄膜盡可能近的地方，以減少傳播延遲。

由于麥克風(fēng)在反饋式耳機(jī)中不能區(qū)分噪聲和回放，使用反饋式設(shè)計(jì)的耳機(jī)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(jī)中也可以將前饋和反饋兩種設(shè)計(jì)方式結(jié)合起來。這可以發(fā)揮兩種方法各自的優(yōu)點(diǎn)，但是也會增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和額外的成本（需要評估權(quán)衡）。

實(shí)際的設(shè)計(jì)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(jī)的適合程度會存在差異。如果想要達(dá)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(dāng)按前饋方式設(shè)計(jì)耳機(jī)時，耳機(jī)必須適合每個人或者必須被設(shè)計(jì)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(jī)中的受控漏電路徑可以滿足這個需求。

當(dāng)考慮反饋式設(shè)計(jì)時，主要問題是在何處放置麥克風(fēng)以及如何確保整個頻率范圍內(nèi)的聲學(xué)特性都受控。這點(diǎn)十分微妙，但它并不是未知的領(lǐng)域。許多專利都涉及到對麥克風(fēng)位置和前后腔尺寸/比例的研究。

在設(shè)計(jì)方案的權(quán)衡上，通常優(yōu)先考慮音頻響應(yīng)，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(dá)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(jī)音質(zhì)。

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(yīng)進(jìn)行調(diào)整以確保音效。這樣，耳機(jī)就需要一直保持在供電狀態(tài)，或者必須采用某種內(nèi)部無源均衡產(chǎn)生“悅耳”的聲音。

模擬對數(shù)字

設(shè)計(jì)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(yù)測，并且僅能夠?qū)?ldquo;穩(wěn)態(tài)”噪聲實(shí)現(xiàn)降噪，例如恒定的發(fā)動機(jī)噪聲或者其他恒定的頻率噪聲。

主動降噪耳機(jī)必須盡量減少延遲以應(yīng)對不均勻的噪聲。麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器之間的距離通常為0.7cm，相當(dāng)于20μs的聲音傳播延遲。對于數(shù)字實(shí)現(xiàn)而言，模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換也只有20μs間隔（圖2）。

圖2：在麥克風(fēng)至揚(yáng)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(biāo)準(zhǔn)150MIPS、24位DSP、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計(jì)人員也能夠更容易地實(shí)現(xiàn)均衡、低音增強(qiáng)和環(huán)繞立體聲等特性--當(dāng)然，這將以額外的計(jì)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(jīng)驗(yàn)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(yīng)用專業(yè)技術(shù)的設(shè)計(jì)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(yīng)。

降噪的水平

高于1或2kHz時，每個耳機(jī)都能表現(xiàn)出某種形式的被動降噪，因?yàn)榻^緣材料阻擋了環(huán)境噪聲進(jìn)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(jī)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(dá)到5~30dB的噪聲隔離。即使沒有通電，耳機(jī)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(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，體驗(yàn)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(jī)或耳塞外，還可以采用側(cè)音等技術(shù)--聲音由一個獨(dú)立的麥克風(fēng)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(guān)來開啟或關(guān)閉主動降噪功能，當(dāng)飛機(jī)上的鄰座在服務(wù)車經(jīng)過希望其能讓空中乘務(wù)員停下時，這將帶來很大的便利。

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

反饋式主動降噪在其頻帶范圍內(nèi)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(jī)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(dá)20dB和1kHz帶寬的降噪對反饋設(shè)計(jì)來說十分常見。

混合設(shè)計(jì)結(jié)合了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時盡量減少了它們的缺點(diǎn)（圖3c）。

圖3：從電池續(xù)航時間考慮，模擬設(shè)計(jì)是更好的選擇，但功耗只是設(shè)計(jì)權(quán)衡的一個因素。

設(shè)計(jì)案例

在產(chǎn)品概念階段，OEM工程師必須評判所有的權(quán)衡，并確定產(chǎn)品是否會選用前饋、反饋或混合式主動降噪方案，以及機(jī)械設(shè)計(jì)所需的材料。

下一步就是定義形狀、大小以及耳機(jī)和適合度。主動降噪器件供應(yīng)商可以就麥克風(fēng)、通風(fēng)孔的位置以及與耳機(jī)聲學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)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(shè)計(jì)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(diǎn)和高達(dá)4kHz的帶寬十分常見。

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

下一步原型設(shè)計(jì)階段，耳機(jī)開發(fā)者將3D模型轉(zhuǎn)化為電聲方案。這個階段中，OEM工程師對耳機(jī)聲音進(jìn)行了合理修改，同時，芯片供應(yīng)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(jī)，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(dú)立的頻響圖。大多數(shù)供應(yīng)商都提供全面的電路參考原理圖和耳機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)建議，以提高主動降噪性能。該原型階段通常在經(jīng)過1~2次重復(fù)操作后就可以完成。

最后一步就是集成這些被認(rèn)可的修改，并對印刷電路板（PCB）進(jìn)行設(shè)計(jì)和布局。一旦生產(chǎn)確認(rèn)樣品完成，主動降噪傳遞函數(shù)就可以進(jìn)行微調(diào)。