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降噪耳机宽频设计应对听力损失

2015-09-08

高达30%成年人的听力损失可能是由于噪声的影响所造成。听力损失的一大影响是无法在噪声背景中有选择性地听到内容。降噪耳机可以帮助挽救我们的听力并使我们享受到更清晰的通话、更安静平和的飞机航班以及更高的整体生活水平。

“被动”降噪使用塑料、泡沫、硅橡胶或其他材料制成的耳塞或者耳罩,机械性地将耳朵与环境进行隔离。根据使用的各种材料,被动降噪仅能对500Hz以上的声音产生影响。而主动降噪(ANC)技术对低至20Hz、高至数千Hz的频率均有效。“主动”降噪解决方案填补了标准被动降噪解决方案无法弥补的空白。

主动降噪使用扬声器产生的声音来减少传至耳朵的其他声音。检测不想要的声音有两种设计方案:将麦克风暴露在噪声中,并将其与扬声器隔离;或者将麦克风放置于尽可能靠近扬声器的地方(图1)。

图1:在前馈降噪耳机的设计中(a),将麦克风与扬声器隔离。在反馈设计中(b),麦克风放置于靠近扬声器的位置。

前馈和反馈两种方法可以结合在一起应用于同一个耳机中(c)。

采用前馈方法,如果扬声器和前馈麦克风之间的声音隔离足够好,就不会影响回放路径。当降噪功能被关闭或电池电量快消耗完而使耳机工作在无源模式下时,这就是一个很大的优势。音乐回放效果依然不错。前馈拓扑结构还能轻松地创建“助听”模式,使即时声音环境放大,而不再需要摘掉耳机听人说话。

前馈设计

采用前馈拓扑结构,设计人员可以对耳机进行声学分析,以确定噪声在到达耳朵时在频率、相位和振幅上是如何变化的。然后,可以在电气上建立传递函数G(w)模型,并将其插在麦克风和扬声器之间。

前馈设计常受到方向问题影响,因此,麦克风必须是全方位的。同样,噪声通道无法被机械地集中起来。因为麦克风必须在噪声到达耳朵之前获得这些噪声,所以并行的声音路径必须被最小化。

反馈设计

反馈拓扑结构根据耳朵上的实际噪声起作用,按照定义,它与前馈结构使用的模拟效果相比更能准确地表现噪声。然而,系统的响应速度约束了性能表现。定义传递函数时需要特别注意避免引入不稳定性,比如正反馈。

反馈设计扣除了麦克风的回放。由此产生的信号代表了耳朵周围的噪声。使用传递函数可以使用具有相移的信号消除不想要的声音。

适合反馈式主动降噪的理想耳机将在扬声器和获取扬声器输出的麦克风之间实现零延迟。这是无法实现的,因为这样的话,扬声器和麦克风将需要共用同一个声学中心。从物理角度来说,这将不可能实现。可以做到的是将麦克风放在距离扬声器薄膜尽可能近的地方,以减少传播延迟。

由于麦克风在反馈式耳机中不能区分噪声和回放,使用反馈式设计的耳机通常都会存在一些信号失真。为了克服这个问题,常见的方法是在回放路径中添加均衡电路,以确保无论主动降噪是否被激活,声音都相同。

hans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px”>同一个耳机中也可以将前馈和反馈两种设计方式结合起来。这可以发挥两种方法各自的优点,但是也会增加设计的复杂性和额外的成本(需要评估权衡)。

实际的设计考虑

前馈解决方案最大的挑战是要确保用户耳朵周围的环境受控。由于用户耳朵的形状和大小因人而异,耳机的适合程度会存在差异。如果想要达到最佳的降噪效果,就需要不同的传递函数来配合这些不同的物理特性。

这意味着,当按前馈方式设计耳机时,耳机必须适合每个人或者必须被设计为能够确保不同人之间的差异性对传递函数的影响最小。前馈耳机中的受控漏电路径可以满足这个需求。

当考虑反馈式设计时,主要问题是在何处放置麦克风以及如何确保整个频率范围内的声学特性都受控。这点十分微妙,但它并不是未知的领域。许多专利都涉及到对麦克风位置和前后腔尺寸/比例的研究。

在设计方案的权衡上,通常优先考虑音频响应,此时主动降噪性能就能非常好地配合。在这些情况下,主动降噪特性通常受限于频率带宽,但却能够达到足够或甚至是显著的降噪水平。这种方法即使在电量耗尽的情况下,依然能够确保耳机音质。

另一种方法是优先考虑主动降噪性能,此时必须对音频响应进行调整以确保音效。这样,耳机就需要一直保持在供电状态,或者必须采用某种内部无源均衡产生“悦耳”的声音。

模拟对数字

设计人员可以选择数字或模拟信号处理方法。传统的数字解决方案主要依赖于预测,并且仅能够对“稳态”噪声实现降噪,例如恒定的发动机噪声或者其他恒定的频率噪声。

主动降噪耳机必须尽量减少延迟以应对不均匀的噪声。麦克风和扬声器之间的距离通常为0.7cm,相当于20μs的声音传播延迟。对于数字实现而言,模数转换、信号处理和数模转换也只有20μs间隔(图2)。

图2:在麦克风至扬声器的距离为0.7cm的情况下,信号链的传播延迟不会超过20μs.

满足时序要求的标准150MIPS、24位DSP、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的典型功耗约为113mW.相比之下,具有类似(如果不是更好)性能的模拟应用(例如奥地利微电子(AMS)公司的AS3400)消耗的功率小于10mW.出于电池续航时间考虑,业界一般倾向于选用模拟方案。

另一方面,数字解决方案的开发变得更加精确和面向软件。而且,设计人员也能够更容易地实现均衡、低音增强和环绕立体声等特性–当然,这将以额外的计算和更多的电量消耗为代价。

虽然模拟方案更多地取决于经验并依赖于大量的已有电声工程专业知识,但是这将为那些能够应用专业技术的设计人员带来另一个超越电池续航时间、尺寸和成本的重要优势:立即做出反应。

降噪的水平

高于1或2kHz时,每个耳机都能表现出某种形式的被动降噪,因为绝缘材料阻挡了环境

噪声进入耳朵。同样,20~30dB的噪声隔离通常高于数千赫兹。好的隔噪耳机具有无源噪声滤波功能,可以将噪声滤除到非常低的频率,达到5~30dB的噪声隔离。即使没有通电,耳机也能带来平和与安静。

然而,好的被动降噪也有不足之处:一种被称为遮挡的现象。最好的例子是将手指插在耳朵里然后说话。由于声音通过下巴和鼻子的骨结构进行传递,体验者将会听到自己的声音沉闷失真。

这种现象通常会使用户在谈话时提高声音(甚至是叫喊),这既不慎重也会令人不快。除了在谈话时摘下耳机或耳塞外,还可以采用侧音等技术–声音由一个独立的麦克风获取,并稍加减弱后回放。

主动降噪的一个意外优势在于,它能够取代较低频率(例如语音频段)下高无源滤波的需求。由于用户可以通过控制开关来开启或关闭主动降噪功能,当飞机上的邻座在服务车经过希望其能让空中乘务员停下时,这将带来很大的便利。

前馈方案具有一个最佳点:使降噪性能实现最大化的窄频带(图3a)。此外,前馈方案能在宽频谱中实现降噪,一般可高达4或5kHz.

反馈式主动降噪在其频带范围内往往更为均匀(图3b)。然而,考虑中的频带通常只限于约1kHz.这种限制取决于稳定性的需要,以确保不同人或不同的耳机压力不会使足够的传递函数改变成正反馈而引起振荡。高达20dB和1kHz带宽的降噪对反馈设计来说十分常见。

混合设计结合了两种拓扑结构的优点,同时尽量减少了它们的缺点(图3c)。

图3:从电池续航时间考虑,模拟设计是更好的选择,但功耗只是设计权衡的一个因素。

设计案例

在产品概念阶段,OEM工程师必须评判所有的权衡,并确定产品是否会选用前馈、反馈或混合式主动降噪方案,以及机械设计所需的材料。

下一步就是定义形状、大小以及耳机和适合度。主动降噪器件供应商可以就麦克风、通风孔的位置以及与耳机声学结构相关的其他特性提供建议。主动降噪芯片集成了所有的主要功能并提供了必要的性能。奥地利微电子的AS34x0具有前馈设计所需要的一切(图4)。

图4:前馈方案(a)通常具有一个降噪性能可以被最大化的窄频带。超过25dB的最佳点和高达4kHz的带宽十分常见。

反馈式主动降噪(b)更为平坦。混合式设计(c)兼具两种设计的优势。

下一步原型设计阶段,耳机开发者将3D模型转化为电声方案。这个阶段中,OEM工程师对耳机声音进行了合理修改,同时,芯片供应商可以使用仿真工具和开发套件,参与首款主动降噪滤波电路的开发。

这一阶段的输出为全功能的耳机,该首款原型呈现出了最佳的主动降噪性能,同

时包含了独立的频响图。大多数供应商都提供全面的电路参考原理图和耳机机械设计的进一步改进建议,以提高主动降噪性能。该原型阶段通常在经过1~2次重复操作后就可以完成。

最后一步就是集成这些被认可的修改,并对印刷电路板(PCB)进行设计和布局。一旦生产确认样品完成,主动降噪传递函数就可以进行微调。

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