降噪耳机为什么会使用主动降噪(ANC)技术?

降噪耳机为什么会使用主动降噪(ANC)技术?

有一种噪音是由内部电路的接受器所引起的电子杂音,是许多工程师一直以来所面临的挑战。但是还有另一种噪音为音频噪音,会影响消费者的使用体验,工程师则努力降低这种噪音的影响,因为其可能会影响使用耳机的人,也可能会影响开放区域,例如汽车或飞机的机舱。采用主动降噪ANC)来消除这种噪音是一个不错的方法,虽然从未完全消除噪音,但是却大大降低了干扰,因此,有些人觉得Active Noise Reduction(ANR)比较符合实际情况,但Active noise cancellation(ANC)的说法得到了大多数人的认同,也许是因为被“恰饭”的缘由吧。

主动降噪的目标是什么?

希望能够以最小成本、重量和功耗,抵消这些令人烦恼或是会影响音乐进入耳朵的环境噪音。请注意,这与降低来源本身的噪音不同,且通常是不切实际或不可能的。因此,主动降噪的目的是减少听到的噪音,这种抵消作用可以直接通过麦克风来实现。

什么情况下需要主动降噪?

不论在吵杂的地方使用手机、坐在飞机上时常听到引擎声、使用耳机打电话或是有引擎和道路噪音的汽车内,都可以通过主动降噪来减少干扰。虽然引擎声在目前的技术下已经大幅减少了运转时产生的噪音,但还是有其极限。

除了主动降噪之外,有没有被动降噪呢?

其实是有被动的降噪方法,但是无法达到良好的效果。其中,最著名的被动降噪是利用前后麦克风,接收更远的外部噪声,将撞击声的能量转换为电子信号。当然,这种被动降噪的方式很便宜,但因为许多原因却不能很好地工作,例如正面和背面接收到不同的噪声和强度,会产生很大的差异。

另一种被动的方法是通过耳机紧密贴合在耳朵上,这样可以减少干扰。实际上,在大多数主动降噪的设计都需要良好的被动设计,先阻挡部分的噪音,然后再透过主动降噪技术来减少更多的噪音。换句话说,不要指望主动降噪技术能够在密封不良的耳机上能完全发挥。

什么是主动降噪?

主动降噪原理

利用麦克风接受外部噪音,然后产生一个反转的声波(称为降噪)并将其添加到整个音频信号中,如下图所示,然后原始噪音和该降噪声将互相抵消。如果所需的信号要发送到耳罩式耳机,则只需以电子方式将降噪功能添加到输入信号中即可。实际上,1930年代就出现了早期的降噪方法。

主动降噪技术真的这么完美?

  • 因为收音的麦克风与发声的耳机不在同一位置,所以麦克风接收的信号并不完全是转换器在产生降噪信号所需要的,就算两者位置只有些微差距也是如此。
  • 如果主动降噪系统的信号延迟超过几毫秒,传出的降噪信号是针对先前噪音的信号,而不是立即产生的当前噪声,将会使情况变得更糟。
  • 如果主动降噪系统在耳机里运作,则弯角信号(cornered signal)的路径是相当直接、已知且相对固定的,因为其从电子设备一直进入耳机。但是,如果主动降噪系统必须使用喇叭来产生降噪功能,将会面临平衡噪音和降噪的音量、喇叭的位置以及降噪后的路径等问题,这是一种不太直接的环境,因此需要放大器和喇叭来完成,如下图。此外,该区域中的任何移动(例如由于人员或设备引起的移动)都代表着声音环境不是恒定的,因此降噪过程复杂许多。因此,与耳机降噪相比,区域降噪的要求更为严格。

主动降噪技术优缺点示意图

上述问题是否意味着主动降噪系统被市场炒作的太过完美?

也许几年前就是这种情况,但是借助当今的高速处理能力和改进的演算法,主动降噪技术会越来越出色,尤其是在入耳式设计的情况下。视有害的噪音频率(通常为200Hz至几kHz)和类型来决定,可以将噪音降低30至40分贝甚至更多。

主动降噪技术是否只是将麦克风信号数字化,并添加到原始信号,然后转换回模拟信号以驱动听筒的问题?

没错,但这仅是第一个步骤。实际上,主动降噪有三种技术:前馈消除、反馈消除和混合消除。这些技术都需要将麦克风信号进行数位化处理,才能执行DSP演算法,如下图所示。

将麦克风信号进行数位化处理示意图

如果在相位反转之后直接播放需要消除的噪音信号,由于声音沿从麦克风到降噪电路、驱动单体再到空气的路径移动,相位反转会发生延迟,因此在较高的频率上会发生振荡。为了防止这种被称为「呼啸」的现象,需要要使用一个滤波电路来消除触发振荡的高频。

什么是前馈取消?

在前馈式主动降噪中,麦克风的位置在耳机的外部,以接受噪音信号,将其反相,然后添加到音频中以消除噪音。当然,这些都是数位化方式完成的。尽管听起来很简单,但事实并非如此,因为还必须考虑噪音传播的路径,并在正确的噪音从麦克风传到耳膜之前产生降噪音信号。因此,如果将麦克风放在离耳朵较远的地方将会花费更多的时间,但麦克风拾取的噪音可能会与实际到达耳朵的噪音有所不同。

什么是反馈式主动降噪?

在这种方法中,麦克风位于耳机的内部,因此可以选取到传到用户耳朵的声音。然后,将耳朵中的声音与音频源进行比较,透过反馈算法会识别出噪音并产生降噪音以将其消除。尽管这种方法很吸引人,但很难设计出一种适用于多种耳朵和噪音中的滤波器,让反馈系统能有效的运作。

什么是混和式主动降噪?

混和式主动降噪结合了前馈和反馈的优点,如下图所示,具有前馈系统的外部麦克风以接收环境噪音,也有内部麦克风以选取用户在音乐播放之外听到的声音。使用正确的演算法和过滤,这种组合将非常有效。

混和式主动降噪结合了前馈和反馈的优点

使用混合方法时,如何提供有效的主动降噪系统?

首先是使用可调式动态滤波器,因为如果滤波器无法自动调节,那么在很多情况下将无法有效发挥,尤其是在有人移动或不同噪音类型的时候,像是飞机机舱内、办公室或户外所面对的情况都不一样。最新一代的主动降噪系统使用复杂、能自动调节的动态演算法,可以「动态」改变滤波器参数,以提供最佳性能。

其次,最先进的主动降噪系统使用多个麦克风。透过两个、三个甚至四个麦克风,系统可以更全面地选取并消除噪音,甚至可以处理附近有人走路和说话时的噪音。虽然动态、智慧型的主动降噪技术投入的成本较高,需要负担较高的价格,但可以显著提高性能,像是可以在有人移动的会议室打电话。

如果需要ANC,是否必须另外重新建立自己的系统?

答案是否定的,实际上,Cirrus Logic、Sony、Analog Devices、Texas Instruments、Maxim和ams等IC供应商皆提供了专为主动降噪耳机设计的超小型晶片,其中包括一些可以使用混合式主动降噪的。

主动降噪耳机适合那些人使用?

爱旅游的人、飞行员、工厂工人和吵杂办公室中的上班族都非常推荐使用。汽车和飞机机舱等开放区域如何降噪?这是一个困难的问题,因为其所包含的物理环境比封闭的耳机所提供的未知数更多,且控制的因素更少。尽管如此,仍尝试在某些汽车内使用音响,以产生可行的降噪音场,以减少内部动力传动系统和外部道路噪音。

这些常见问题的解答着眼于降噪功能的长期追求,该功能在将近100年前就已被提出,但当时没有先进的技术可以实现。要不是有微型麦克风、数位音频信号和高速DSP算法的出现,降噪的梦想是不可能的,在与动态调整滤波器结合使用时,更能轻易达成。


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