主动降噪系统的原理及设计要点有哪些

原文作者：bingo

 

快节奏已经是每个人生活的常态，开放式的办公环境、上下班通勤路上、出差旅途中……我们无时无刻不被噪音污染影响着。于是乎随着科技的发展，耳机这个看着很普通的设备，已经从最开始满足能听的需求，到现在降噪成为许多上班族的刚需。我们想要有一款耳机，帮助我们逃离噪声的干扰，寻求自己的独立空间，寻求聆听的音乐更加纯粹，但你真的了解“降噪”么？经常听到的主动降噪耳机，工作原理又是什么呢？  

 

其实，降噪这个概念并不是耳机厂商先提出的。早在1933年，一个叫PaulLueg的德国人，就提出了主动降噪技术的理论原理，并申请了专利：通过使用扬声器和麦克风，使声波受到相反声波的影响，来消除噪音。

 

我们知道声音是一种波，简单来说就是，当两列相反方向传递的波相遇时，在一列波的波峰与另一列波的波谷交汇处，两者将会相互抵消。于是，两个声音的叠加在理论上可以形成无声。这就好比俄罗斯方块一样，一个凹型噪音，耳机就发出一个对称的凸型，两者叠加起来便可消除。这个理念奠定了降噪耳机的基础发展方向，并影响至今。  

 

了解完降噪耳机的起源后，我们再来具体了解一下降噪的原理。降噪耳机从降噪的实现方式上分为主动降噪和被动降噪两种，而我们说的降噪耳机的降噪功能，多指主动降噪。   要说清楚主动降噪，我们先来了解什么是被动降噪。被动降噪耳机成本较低，是最容易实现的一种降噪技术，可以想象成在嘈杂的环境中，用双手捂住耳朵的行为，这就类似被动降噪。其原理是使用被动器件物理特性来起到降噪隔音效果，如硅胶耳帽、头戴皮套等。这个方法很简单粗暴，难点是在于选取吸引好的声学材料来制造耳罩、耳塞，以及减少漏音。所以被动降噪一般只能减少15-25分贝的中高频噪音，而低频噪音依然会通过缝隙进入耳朵，产生声音共振。  

而主动降噪的过程大致是这样的，首先环境噪声被降噪麦克风采集到，再通过主动降噪芯片处理后，生成一反向180°相位的声波，通过耳机扬声器传播到人耳道，与噪声产生相位差180°，抵消掉人耳本应听到的环境噪声，从而达到降噪的目的。根据主动降噪耳机的工作原理及设计结构，可将其细分为前馈主动降、反馈主动降噪和混合主动降噪三种，而不论哪种都包含了一个传声器以及次级声源。  

传声器负责收集噪音，部分复合式的主动降噪耳机还会有两个传声器，一个用于收集外部噪音，被称为参考传声器，另外一个用于收集内部噪音，被称为误差传声器。次级声源主要是指各种类型的扬声器，它主要是将电能转化为声音并且能够将声能辐射岀去。  

对于前馈式，其噪声采集传声器比次级声源扬声器更靠近于噪声源。这种控制结构的信号处理过程为：外置传声器拾取参考噪声信号，然后送入DSP内部进行自适应处理，自适应处理生成的反相噪声经次级声源发出；而对于反馈式，其噪声采集传声器比次级声源扬声器更靠近于人耳。这种控制结构的信号处理过程为：内置传声器拾取进入耳机内部的原始噪声和次级声源发出的反相噪声的混合噪声信号，然后送入DSP内部进行自适应处理，自适应处理生成的反相噪声再经次级声源发出；而混合式则是前馈和反馈的一个叠加，该类控制系统结合了前馈和反馈的优点，其系统不可避免的会变得很复杂。  

前馈式（左）和反馈式（右）ANC耳机结构图   虽然主动式降噪的原理看似简单，但是在实际生产过程中会面临一系列的问题，比如风噪的处理、降噪耳机的负压效应、播放音乐时漏音被降噪MIC拾取、降噪算法的优化等问题，所以想要做好其实是很难的，这也是市面上顶级主动式降噪耳机卖那么贵的原因。 转载内容仅代表作者观点 不代表中科院半导体所立场

编辑：黄飞