主动降噪耳机的技术分析

主动降噪耳机的技术分析

刘贺   夏晓蕾 等同第一作者

 国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心   天津   300304

摘要：一个耳机的降噪性能与耳机降噪指标的设定都是建立在耳机的降噪量己经精确的测试出来的基础上的。通过扬声器实时产生振幅相同、相位相反的波形(B曲线)进行抵消，形成平缓且振幅很弱的C曲线(声波)，从而消除噪声干扰。倘若两个声波振幅刚好相等的话，噪声就会完全消失。通过加入同步反相信号消除噪声就是降噪技术的基本原理。主动降噪耳机使用自适应调节系统，闭环系统，开环系统的方式进行降噪处理。

关键词：降噪耳机；反相信号；自适应；闭环；开环

第一章  降噪耳机

1.1 降噪耳机

一个耳机的降噪性能与耳机降噪指标的设定都是建立在耳机的降噪量己经精确的测试出来的基础上的。影响耳机降噪测试效果的因素有很多，其中一个最重要的因素就是外界环境噪声的干扰。能否精确测量出降噪耳机的降噪量无论是对降噪耳机的开发人员来说还是对其使用者来说都尤为重要。国内外对这种成本低且抗噪性能好的测试系统的研发都紧紧围绕“减小环境噪声干扰”这一主题。当前的耳机降噪技术包括主动降噪技术和被动降噪技术。主动降噪技术又称为有源降噪技术，是通过设计有源降噪模块或系统，产生与外界环境噪音幅值相等但相位相反的声波,将噪音抵消，从而实现降噪效果，该技术对低频降噪效果较好。被动降噪技术则是利用耳机本身的隔声材料W及特殊结构对噪声采取隔离、减震、阻尼等，从而达到减弱环境噪声的目的。

1.2 主动降噪耳机原理

可以认为所有的声音都由一定的频谱和能量组成，如果找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，而相位刚好相反，通过两者的反相叠加，理论上就可以将这噪声完全抵消掉。实际采用的办法是，首先，由安置于耳机内的微型麦克风采集耳朵能听到的环境中的中低频噪声;接下来，将噪声信号传至降噪电路，降噪电路进行实时运算;在降噪电路处理完成后，产生的信号通过扬声器发生与噪声相位相反、振幅相同的声波；最后，在耳机播放音乐的同时加人和外界噪声“相反”的声彼，从而将噪声抵消。

在实际应用中，当降噪耳机通过采集到环境噪声以后，传给降噪电路对噪声波形进行分析，然后通过扬声器实时产生振幅相同、相位相反的波形(B曲线)进行抵消，形成平缓且振幅很弱的C曲线(声波)，从而消除噪声干扰。倘若两个声波振幅刚好相等的话，噪声就会完全消失。通过加入同步反相信号消除噪声就是降噪技术的基本原理。从实际来说，恰好完全抵消的情况很难实现，但在进行有效的减弱以后，人耳已经不是很敏感了。降噪的原理虽然很简单，但如何实现高品质的降噪效果却并不简单，特别是滤波电路的设计及生产过程控制更加关键，而高端降噪耳机的优势也在于此。

1.3 主动降噪耳机分类

可以认为所有的声音都由一定的频谱和能量组成，如果找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，而相位刚好相反，通过两者的反相叠加，理论上就可以将这噪声完全抵消掉。主动降噪耳机主要分为开环系统，闭环系统，自适应系统。

开环系统中，主动降噪系统通过一只传声器采集噪声并产生抗噪信号。在一个开环路系统中，传声器放置于耳罩的外部，其拾取的声音信号经反相放大器输出得到抗噪信号，而后与所需的音频信号混合，最终在耳机换能器中重放。事实上，经过耳罩再加上其内部的反射作用，声音已经发生了改变。因此，在很多情况下，抗噪信号可以在耳机内生成。

闭环系统中，如果传声器放置于耳罩内换能器的前方，系统可能生成一个更加精确的抗噪信号。此时，传声器拾取到的声音既包括耳机换能器发出的声音，又包括耳罩内产生的噪声，这个信号作为纠错信号反馈给所需的声音信号，因此被称为“闭环路系统”。输出级将抗噪信号和所需信号重新合成，最终在耳机换能器中实现重放。由于这是一个反馈的过程，所以在某些情况下，闭环系统可能会不稳定。

自适应系统，上面提到的开环系统和闭环系统都是采用模拟滤波器来产生抗噪信号，而数字滤波器的功能更为强大，设置也更为简单。用数字滤波器来消除噪声的方法叫做自适应滤波法，它可以同时实现纠正相位错误和幅度错误。置于耳罩内的传声器拾取实际的声音并产生一个误差信号使滤波器收敛于零以得到更加准确的抗噪信号。

第二章 技术路线发展的路线

耳机主动降噪技术包含的内容从不同的角度存在多个技术分支，根据对耳机主动降噪技术专利文献的阅读，梳理出对耳机主动降噪技术从实现技术进行技术发展路线的解读。

1、主动降噪耳机使用自适应调节系统

耳机主动降噪技术通过使用麦克风进行采集噪声，在耳机内部和外部均设置麦克风从而提高降噪效果。伯斯有限公司（BOSE CORP）作为耳机降噪领域的领军公司于2007年提出利用主动降噪的头戴式耳机的通信装置，外部麦克风将头戴式受话器外部的信号电声地转换成电语音信号；开关具有耦合到输入端的第一端子(S1A)和耦合到外部麦克风的第二端子(S1B)；内部麦克风将不期望的声信号电声地转换成对应的不期望的声电信号，信号合并器用于合并已被开关选择的那个端子上的期望信号与不期望的声电信号；功率放大器将经合并的信号耦合到头戴式受话器。耳机中既有内部麦克风，又有外部麦克风从而实现了降噪的精准效果。

同时，随着技术的发展，精确双麦克降噪地算法，将声音信号的能量值作为降噪的参考值。歌尔声学股份有限公司于2014年提出在主动降噪耳机的每只耳机的外侧各设置一个前馈麦克风，利用前馈麦克风检测外界噪声的大小，计算噪声信号的计权能量，根据计权能量确定是否需要打开主动降噪系统，在需要主动降噪控制时，计算噪声信号中的分别对应前馈降噪量和反馈降噪量的两个子带的能量值，从而确定出前馈降噪系统和反馈降噪系统的降噪量，并控制耳机对应进行前馈降噪和反馈降噪。本发明的技术方案对主动降噪耳机的环境进行检测，针对当前噪声的类型和频率分布，采用动态的可调的降噪方案对周围噪声进行抑制，相比于现有固定降噪的主动降噪技术，能够使降噪效果达到最佳。

2、主动降噪耳机使用闭环系统

耳机发出的声音中带有噪声，在耳机内部设置麦克风具有调节噪声的效果，作为闭环系统，从而达到降噪目的。哈曼贝克自动系统股份有限公司于2011年提出一种主动降噪系统，其包括被声学耦合到暴露于噪声的使用者耳朵的耳机。耳机具有带孔径的杯状外壳；用于将电信号转换成要被辐射到使用者耳朵的声学信号的发送换能器，其被布置在杯状外壳的孔径处，从而定义了耳机空腔；以及将声学信号转换成电信号的接收换能器，其被布置在耳机空腔内；从发送换能器延伸到耳朵并具有第一传递特性的第一声学路径；从发送换能器延伸到接收换能器并具有第二传递特性的第二声学路径；以及电连接到接收换能器和发送换能器的控制单元，其通过生成将要提供给发送换能器的降噪电信号来补偿环境噪声。

3、主动降噪耳机使用开环系统

开环系统中使用耳机外侧的麦克风参与降噪处理是相比于闭环和自适应系统来说更容易实现。伯斯有限公司（BOSE CORP）于2009年提出了一种主动降噪ANR电路,对处于ANR电路正在其中提供基于反馈的ANR的耳机外部的麦克风(130,120)所检测到的环境声音的声级进行监控，并响应于外部麦克风检测到更高或更低的声级而相应地增大或减小所提供的基于反馈的ANR的程度，通过改变ANR电路的可变环路增益以及/或者由基于反馈的ANR所衰减的环境声音的频率范围来实现。

第三章 结语：

本文从主动降噪耳机的原理，分类进行介绍，通过对现有技术的分析，从实现技术进行技术发展路线的解读，对主动降噪耳机日后的发展研究起到了一定的参考作用。