目前應用在耳機中的主動降噪(ANC)技術有兩種模式，分別稱為前饋(Feed-Forward)降噪和反饋(Feedback)降噪，兩者結合則組成混合(Hybrid)降噪。不同的主動降噪技術在降噪深度和帶寬上有各自的局限性，這主要是由耳機聲學結構、訊xun號hao處chu理li和he係xi統tong訊xun號hao延yan遲chi共gong同tong決jue定ding的de。本ben文wen將jiang討tao論lun如ru何he結jie合he實shi際ji應ying用yong體ti驗yan，在zai前qian饋kui和he反fan饋kui兩liang種zhong降jiang噪zao技ji術shu之zhi間jian截jie長chang補bu短duan，從cong而er最zui大da程cheng度du地di擴kuo展zhan降jiang噪zao帶dai寬kuan，並bing實shi現xian40dB降噪深度。

 

 

前饋降噪係統，由耳機輸出與環境噪聲頻響相同但相位相反的訊號來實現降噪。如圖1
，前饋麥克風zhencezaoshengbingtouguolvbodianluchanshengfanxiangxunhao
，zaierguchufanxiangxunhaoyuzaoshengxunhaodixiao
，congerjiangdirenertingdaodezaoshengji。zhelidelvbodianluzhuyaoyonglaibuchangerguhemaikefengchuzhencedaodezaoshengzhijianchayi，lingwaiduiyulababenshenzaijiangzaoxunhaodexiangyingnenglifangmianyeyoubuchangzuoyong。

 

圖1：前饋降噪耳機

 

圖2：兩種不同頻率下係統延遲的影響

 

前饋降噪帶寬，在低頻處被耳機驅動模塊限製在50Hz左右，在高頻處被聲學結構和訊號處理延遲限製於3kHz。延遲會導致難以在抗噪訊號和噪聲訊號之間實現180度的相位反轉，高頻部份因為波長較短更難處理。圖2顯示了兩種頻率下20μs延遲對降噪效果的影響：頻率為1500Hz時，殘餘噪聲約剩1/5(14dB ANC)，但頻率為4500Hz時，即使延遲不變
，殘餘噪聲也已增加到3/5(僅4dB ANC)。

 

實shi際ji上shang可ke以yi盡jin量liang提ti前qian偵zhen測ce環huan境jing噪zao聲sheng來lai補bu償chang該gai延yan遲chi
，這zhe有you助zhu於yu讓rang處chu理li器qi有you更geng多duo時shi間jian處chu理li並bing輸shu出chu抗kang噪zao訊xun號hao，另ling外wai，將jiang降jiang噪zao麥mai克ke風feng放fang置zhi於yu遠yuan離li耳er道dao的de入ru口kou也ye有you利li於yu擴kuo大da降jiang噪zao的de角jiao度du(圖3)。

 

圖3：前饋降噪的方向性，(a) 0度時朝向的噪聲(b) 90度時朝向的噪聲

 

如圖3，如果將麥克風放置在耳機殼外(即遠離耳朵)，當麥克風拾音孔與噪聲的角度分別成0°和90°shi，zaoshengjinrumaikefengyijirenerdeshijianchabutong，zheyeyiweizhejiangzaoxiaoguohuiyoufangxiangxing。kongzhihuanjingzaoshengjinruerduodelujingbingzaikaojingailujingfangzhimaikefengzekejiejueciwenti：如圖4，一yi種zhong有you效xiao的de設she計ji是shi在zai揚yang聲sheng器qi後hou方fang開kai泄xie露lu孔kong，噪zao聲sheng主zhu要yao從cong該gai泄xie露lu孔kong
，以yi及ji耳er機ji驅qu動dong單dan元yuan進jin入ru人ren耳er，從cong而er可ke以yi保bao證zheng不bu同tong角jiao度du的de噪zao聲sheng進jin入ru麥mai克ke風feng和he人ren耳er的de時shi間jian差cha基ji本ben是shi一yi致zhi的de，進jin而er保bao證zheng降jiang噪zao效xiao果guo的de一yi致zhi性xing。

 

圖4：靠近噪聲進入耳朵的位置放置話筒(a) 0度朝向的噪聲(b) 90度朝向的噪聲

 

噪聲頻率高於3kHzshi，shengyindebochangmingxianduanyuerdaoheerjiqiangtichicun，zaishengqiangyijiyangshengqizhenmozhijiankenengchanshenggongzhenjinernanyijinxinglvbosheji，erqiegaidaikuanzhongdejiangzaoyeshouxianyuxitongyanchi

，yincizhuyaokaobeidongjiangzao。beidongjiangzaoyibansuizheerjiqimixingdetigaoertigao，lirutianbuhuozhesuoxiaoxielukongchicun，dantongshiyehuijiangdiqiankuijiangzaozaigaopinchudexingneng。yinci
，xuyaoquanhenggaipinduanfanweineidebeidongjiangzaohezhudongjiangzaodequshe。

 

有趣的是，消費者發現評估ANC效果更容易一些，因為可以透過快速開啟或關閉ANC形成反差得到結果

，但評估被動降噪效果就困難了
，因為用戶戴上耳機後在很短時間內就會忘記環境噪聲級
，從而難以形成對比。

 

圖4還可以看出，耳機在設計中還需要保證耳墊和頭部之間密封的穩定性
，以便用戶可以得到穩定的聲學特性和降噪性能。

 

此外，建議耳機喇叭的頻率響應和被動衰減曲線要平滑(例如Q值不會太高或者太低)
，以便簡單的數字濾波器就可以對傳遞函數進行補償。

 

 

反饋降噪耳機(圖5)的工作原理主要是檢測耳鼓區域的噪聲，然後形成一個基本的反饋回路，以便最大限度地降低該區域的噪聲級。

 

圖5：反饋降噪耳機

 

參考圖5反饋降噪係統設計的公式。整個「回路」(loop)是由喇叭與麥克風的響應以及濾波器的組成。根據公式顯示，隨著濾波器增益(及其回路增益)增加，噪聲殘留變小

，從而降噪性能得到提升。但如果回路的相位接近±180°，「回路」訊號會發生反轉，分母上的‘+’將變為‘-’。在這種情況下，回路增益大小調節受限
，因為當它從0.0增加至1.0時
，結果是放大，而當等於1.0時
，結果則是「零除」，這意味著不穩定並且經常隨著頻響幅度增加引起的嘯叫——務必要避免。

 

實際上，回路的相位在頻率為10Hz時趨向180度
，在頻率為幾kHz時趨向-180度。因此
，在這些頻率下的增益必須要盡可能大但要低於1.0。通常濾波器會將反饋降噪的帶寬限製在10Hz到1kHz之間
，降噪效果也可以從濾波器得出。

 

回路中高頻部份的相位變化是由處理器中的係統延遲
、揚聲器以及喇叭到麥克風的距離等因素決定的。因此，減少其中任何一個因素(使用輕重量高靈敏度的喇叭；將麥克風靠近喇叭振膜放置
；盡量減少處理器延遲時間)均可以提高降噪帶寬上限。

 

由(you)於(yu)反(fan)饋(kui)麥(mai)克(ke)風(feng)靠(kao)近(jin)喇(la)叭(ba)位(wei)置(zhi)

，因(yin)此(ci)耳(er)機(ji)播(bo)放(fang)的(de)音(yin)樂(le)也(ye)會(hui)被(bei)誤(wu)認(ren)為(wei)噪(zao)聲(sheng)。其(qi)結(jie)果(guo)是(shi)來(lai)自(zi)喇(la)叭(ba)的(de)音(yin)樂(le)訊(xun)號(hao)也(ye)被(bei)降(jiang)噪(zao)處(chu)理(li)，因(yin)此(ci)還(hai)需(xu)要(yao)透(tou)過(guo)電(dian)路(lu)來(lai)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)。

 

 

環境降噪數字係統的建構模塊如圖6所示。
 

 

圖6：數字降噪IC的基本方塊圖

 

 

靈活——針對不同的環境能夠切換濾波器進行自動調整

，或者將周圍環境的聲音直接送入耳機(類似於助聽器)，也可以與藍牙通訊設備等進行數字接口通訊。

開發速度更快——ANC濾波器的設計通常隨著聲學的調整而需要修改外圍濾波器，數字方案則可以在芯片內部快速調整濾波器並立即投入驗證。

優化校準流程——因(yin)為(wei)聲(sheng)學(xue)組(zu)件(jian)的(de)容(rong)差(cha)會(hui)影(ying)響(xiang)濾(lv)波(bo)器(qi)形(xing)狀(zhuang)。因(yin)此(ci)在(zai)生(sheng)產(chan)中(zhong)，聲(sheng)學(xue)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)差(cha)異(yi)，從(cong)而(er)需(xu)要(yao)對(dui)耳(er)機(ji)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)。校(xiao)準(zhun)過(guo)程(cheng)需(xu)要(yao)人(ren)為(wei)手(shou)動(dong)完(wan)成(cheng)並(bing)且(qie)占(zhan)用(yong)大(da)量(liang)時(shi)間(jian)
，數(shu)字(zi)降(jiang)噪(zao)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)省(sheng)掉(diao)這(zhe)部(bu)份(fen)資(zi)源(yuan)的(de)支(zhi)出(chu)。

尺寸更小——因為芯片外圍組件較少。
 

 

功耗更高；

數字係統的延遲更高。通常延遲越低越好，20μs在整個回路延遲所占比例很小
，所以很難明顯區分出可忽略延遲的模擬係統與延遲小於20μs的數字係統之間差異。

隨著無線「耳戴式」裝置越來越流行，功耗問題變得至關重要。因此，任何數字降噪解決方案都必須高效節能，尤其是其中的ADC和DAC模塊部份。隻運行必要的程序(例如

，使用結構簡單的濾波器並優化任何其它進程)並bing盡jin可ke能neng降jiang低di頻pin率lv頻pin率lv，即ji可ke將jiang數shu字zi處chu理li器qi功gong耗hao保bao持chi在zai最zui低di水shui平ping。加jia快kuai頻pin率lv頻pin率lv雖sui然ran可ke以yi顯xian著zhu減jian少shao處chu理li器qi延yan遲chi時shi間jian

，但dan也ye會hui增zeng加jia功gong耗hao
，因yin此ci需xu要yao權quan衡heng二er者zhe的de關guan係xi。

 

 

降噪耳機的電子噪聲對降噪會帶來副作用。電子噪聲的主要來源通常是麥克風。盡管MEMS最近越來越流行
，但駐極體麥克風(ECM)在訊噪比(SNR)方麵仍然優於MEMS。一般業界領先的ECM麥克風訊噪比為74dB(測試條件為94dBSPL@1KHz)，也就是噪聲層為20dBSPL。盡管麥克風的噪聲層不高
，但仍然建議盡可能選用高SNR的麥克風，以免在安靜的環境中聽到不期望的噪聲。

 

如果使用數字降噪耳機聆聽音樂時關閉ANC，麥克風的噪聲會被係統隔離在外，那麼整個數字係統也必須具有足夠低的噪聲
，才能確保用戶欣賞到純淨的音樂。

 

數字係統中SNR的計算方法一般是以最大不失真輸出訊號減去可辨別的最小輸出訊號，係統中不允許聽到任何噪聲。人耳聽到1KHz主頻的閾值下限被定義為0dBSPL，但您可能發現自己不太可能處於比25dBSPL(差不多1公尺處呼吸聲被人耳聽到的程度)更安靜的環境中。盡管近期的標準(EN 50322和IEC 600065:2014)規定可攜式媒體播放器最大播放音量必須限製在100dBA
，但在某些頻率下，耳機輸出的訊號峰值可以達到約125dBSPL。

 

因此，DAC的規格需要定義在至少支持100dB訊噪比(125dBSPL–25dBSPL)caishihelide，bingquebaoshuweiyuxunzaobizugouyouyue。zheduiyuxianjieduandeshuzichuliqilaishuobunanwancheng，suoyiyibanshiyongdingdiansuanfaerbuyonggonghaobijiaogaodefudiansuanfa
，lingwaihaiyaobaozhengweizuchangdu
，quebaolianghuazaoshengdeshuipingdiyuADC和DAC的噪聲。

 

另外，還必須選擇較佳靈敏度且失真度低的揚聲器。揚聲器的失真會導致產生的抗噪訊號失真
，從而降低降噪級。

 

 

彈性的數字降噪架構設計。

最大程度降低整個係統的聲學延遲，使用低於20μs延遲的芯片

，以確保降噪帶寬。

為噪聲進入人耳搭建一個可控製的路徑信道，確保前饋降噪效果。

耳機的結構設計能滿足所有用戶佩戴均具有一致性

選擇被動降噪差的大尺寸泄露孔設計搭配較強的主動降噪設計，或選擇被動降噪好的小尺寸泄露孔設計搭配稍弱的主動降噪設計。

調節聲腔容量、泄露孔和通氣孔阻尼直到獲得平滑的耳機和被動衰減響應。

盡量減少電子噪聲的來源
，選擇高SNR的麥克風，確保人耳聽不到數字和DAC部份的噪聲。


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