降噪耳机

2016-07-13 大红鹰娱乐平台科技

     美国著名音响厂商Bose是第一家推出主动降噪耳机的企业,其创建人Amar Bose博士在1978年飞往欧洲的飞机上,发现飞机引擎的噪音扫净了他戴耳机欣赏音乐的兴致。大概10年之后,Bose推出了首款主动降噪耳机。1986年,Bose的主动降噪耳机首次被不间断环球飞行的飞行员选用来保护听力。

       因降噪耳机电路设计,生产测试都非常复杂,需要投入大量的人力、物力,且产能不高,目前造价普遍较高;知名品牌每个耳机卖价都在2000人民币以上。且大多都是有线耳机,不带蓝牙,功能相对简单。


       降噪耳机分类


       降噪耳机按照原理主要分为两种:一种是被动降噪(Passive Noise-Cancelling)耳机;另一种是主动降噪(Active Noise-Cancelling )耳机。


       降噪耳机工作原理

       被动降噪耳机——是通过耳机上的隔音材料或者是特殊的结构,尽量隔绝噪声。如入耳式耳塞和大耳罩设计的耳机,都可以划分为被动式降噪耳机。  

       主动降噪耳机——是在耳机中设置了专门的降噪电路来降噪,利用声波叠加原理,针对信号源(主波),产生一个与其幅度相同、相位相反的参考源(次波),两声波相互叠加,达到消声目的。主动降噪系统基本原理框图如下: 



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信号源信号d是有用信号s和噪声干扰n0之和。

参考源信号x是与n0相关的噪声n1


由于噪声源噪声的幅度、相位、频率会随时变化,ANC系统必须能够适应并处理好这些变化,故采用自适应滤波器。







       ? 假设 s、 n0  n1 是零均值的平稳随机过程,且满足 s 与 n0  n1 互不相关,自适应滤波器的输出 y=n2 为噪声  n1 的滤波信号,则整个系统的输出为: 

       z = d-y = s+n0-y   ————————公式(1) 

       两边平方得:

       z2=s2+(n0-y)2+2s(n0-y)  —————— 公式(2) 

       两边取期望值得:

       E[z2]=E[s2]+E[(n0-y)2]+2E[s(n0-y)2] ——公式(3)

       E[z2]=E[s2]+E[(n0-y)2]        —————公式(4)


       其中 E[s2] 表示信号的功率;

       ? 由上式可以看出,要使得系统输出z最大程度地接近信号s,就要求 E[(n0-y)2] 取最小值; 

       ? 由公式1可知, d-y = s+n0-y  ,在理想情况下,y= n0 ,则 z=s;输出信号z的噪声完全被抵消,而只保留有用信号s。 

       ? 关键在于自适应滤波器。

       自适应滤波器:根据环境的改变,使用自适应算法来改变滤波器的参数和结构。 

       参数可调的数字(FIR/IIR)滤波器 

       自适应算法 

       ? 常用的自适应算法: 

        ★ 最小均方(LMS)算法 

        ★ 递推最小二乘(RLS)算法 

        ★ 平方根自适应滤波算法最小均方算法,原理框图如下: 

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   ? 是自适应算法中最常用的一种算法; 

          ?基于最小均方误差准则,使滤波器的输出信号与期望输出信号之间的均方误差最小;

          ?特点:简单有效、计算量小、易于实现。

        

       滤波器权系数的更新递归关系式 w(n+1) =w(n)+2μx(n)[d(n)- xT(n)w(n)],其中μ为收敛(步长)因子,0< μ < λ max(x(n)自相关矩阵的最大特征值);从而,LMS算法的滤波器权系数迭代公式 w(n+1) =w(n)+2μx(n)e(n),下一时刻的权系数,可由当前时刻的权系数加上以误差函数为比例的输入得到。

       参数失调噪声。干扰噪声v(n)越大,则引起的失调噪声就越大。

       解决方法:

        ?减小收敛(步长)因子μ

        ? 减少稳态失调噪声,提高算法的收敛精度;

        ? 降低算法的收敛速度和收敛精度。

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变步长的LMS算法原理框图


       降噪的原理虽然很简单,但是实现起来还是比较复杂。因为我们所听到的声音不只一个频率,而是由很多种不同频率的声音混合而成,同时这些声音的频率和振幅还在不断的变化着。因此,在对噪声信号进行采集之后,必须在同一时间完成不同频率信号的解析和生成同步反相信号这个步骤。只有这样才能实现降低噪声,否则时间间隔过长就起不到降噪的作用了,甚至还会增大噪声。这是因为外界噪声的频率突然发生变化,但耳机解析噪声和生成同步反相信号的速度不够快,从而生成的信号没有在反相时及时与噪声信号叠加抵消,而是在同向时发生了叠加,使噪声信号不仅没有被消减,反而加强了。可见,降噪耳机的关键是降噪电路的实时处理能力,要做到这一点非常困难。

       降噪系统的实现方案一般有两种:直接内置于耳机的耳罩当中和外置降噪系统。第一种方案,降噪模块被直接放到了耳机的耳罩当中,通过电池进行工作。一般来说,降噪耳机都设计了电源开关,当安静环境下不需要使用降噪功能时,直接关闭电源即可。而外置降噪系统的方案则相对比较灵活,降噪模块被设计到了线控装置中。

       降噪耳机应用

       以下介绍的是一款主动降噪耳机,采用内置于耳罩中的方案,和蓝牙芯片一起,做到一块PCB板上,这样显得简洁;降噪可以达到12dB以上;该款耳机还同时具备蓝牙,有线耳机功能,可以工作在以下模式:

       1)通过蓝牙连接手机听立体声音乐;

       2)通过蓝牙接听电话;

       3)通过有线连接听音乐;

       4)主动降噪模式可以在以上模式选择开启或关闭。

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                 实拍产品外观图 


(1)主要技术指标

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(2)频响曲线

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       通过专业声学测试设备测试及多人实际试听,结果表明,降噪效果相当明显,音质也达到比较高的水平。


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