降噪耳机方案设计开发

2020-05-08 15:37:44 fandoukeji

随着技术的不断进步,电子产品消费市场的不断发展,人类生活节奏也在不断加快,越来越多的人使用耳机聆听高质量的音乐。然而,城市的噪声污染已成为不可避免的干扰,在噪声环境中使用普通耳塞耳机,只能通过提高音量来掩盖噪声,这样不但不能享受美妙的音乐,也会对自己的听力产生很大的影响。怎样才能让美妙的音乐使自己心情得以放松、疲劳得以缓解的同时又能不受外界噪声的干扰——降噪耳机可能成为最佳的选择。

一、噪声的种类与危害

声压级是表示声音幅度大小的单位,一般用分贝(dB)来计量。在民用领域,环境噪声主要分为交通噪声、工业噪声和生活噪声三类。其中交通噪声来自于汽车、火车、飞机、轮船等;工业噪声主要包括大型的工程机械噪声、工厂企业中的仪器设备噪声以及建筑工地噪声等;生活噪声常见的有一些街边电商的广播宣传、公众场合嘈杂的讲话声以及近年来常见的广场舞的音乐声等。在军用领域,持续性的噪声主要包括各种军用车辆、固定翼飞机、直升飞机,舰船轮机以及各种机械设备发出的噪声,这种噪声一般比民用领域遇到的噪声更高,噪声频谱更丰富。以上这些噪声通常都在90dB以上,甚至某些噪声可以高达130dB以上。

噪声对人体的危害可总结如下:

(1)影响生活和工作:睡眠是缓解疲劳的最有效手段。但强噪声环境中人们无法达到深度睡眠,常常造成多梦、惊醒等状况;另外噪声会影响大家正常的工作交谈,造成人们烦躁不安,注意力难以集中,不仅降低生活品质,还影响工作质量;

(2)损伤听力:噪声的危害最显而易见的就是对人听力的损伤。在强声环境下,人们会感到耳朵难受,在长时间处于噪声环境下后,就算在安静环境下,仍然会感到嗡嗡作响,长此以往,就会引起听力减弱、听阈值提高。如果长时间处于高强噪声环境下,听力会出现不可逆转的损伤,甚至耳聋;

(3)神经系统损伤:长期处于高噪声环境下的人,常常会产生头昏、头痛、心慌、耳鸣等神经衰弱的情况;

(4)其他危害:另外噪声还会引起心脑血管系统、消化系统的紊乱,甚至有一些专家认为,长期的高噪声环境也是引起癌症的一个诱因。

降噪耳机方案

二、耳机降噪技术种类

在众多的降噪设备里,分为无源降噪(Passive Noise Control,PNC)和有源降噪(Active Noise Control,ANC)两种降噪方式。。

2.1无源降噪技术

无源降噪装备占据了大多数份额,也是人们日常生活中随处可见的,如城市内快速或高速公路两边常能见到的降噪板、消声室或KTV的吸音墙面设计、高噪声污染的工作岗位要求佩戴隔音耳塞或耳罩等

而在众多的噪声防护装备中,降噪耳机是相对有效而主流的防护方式。一般的防护耳机,其噪音抑制方式是采用无源降噪,例如无源的耳塞、耳罩等。其降噪机理是合理运用产品的外壳硬质材料或内部的吸声材料,用隔绝与吸收的方法,阻止外部声音进入耳道,这种降噪方式对高频分量特别丰富的噪声降噪效果尤为明显,这也是现在噪音抑制最常使用的方法。无源降噪方式实现容易,但对800Hz以下和更低的频率段噪音来讲,如果要达到理想的降噪效果,需付出很高的成本,另外降噪的材料也会很重,因此就失去了实际使用的价值。

2.2 有源降噪技术

经过长期的探索,人们清醒地认识到,噪声控制的根本途径是对声源进行有效控制,所以从分析声源的发声机理出发,对声源或近场域实施主动控制才是解决噪声控制的发展方向。而有源降噪技术正是通过此种技术来控制噪声的,有源降噪技术弥补了传统耳罩在低频段降噪不足的弱点,使耳罩在各频段得到比较均匀的降噪效果。

有源降噪技术又称为主动噪声控制(activenoisecontrol,简称ANC)技术,是现代噪声控制的一个重要研究方向,因其电路体积小、重量轻、便于控制、能够处理平稳的宽带噪声等特点而受到广泛应用进而在声学领域得到大力发展并在近年来逐步走向成熟。目前,研究降噪耳机的公司层出不穷,降噪耳机被广泛用于军用和民用领域从而有力的保护了人民的健康。

而有源降噪的原理是利用声波的干涉相消原理,在特性空间内人为的产生一个与原始噪声相位相反,幅度和频率相当的次级噪声,与原始噪声抵消,达到降低噪声的目的。与无源降噪不同,有源降噪系统需要配置电源、电路以及相关的声学器件,通过主动的方式去降噪。如前文,无源降噪主要对中高频有效,而因为低频波长长,容易实现干涉,因此有源降噪主要实现在低频段的噪声抑制。

三、有源降噪技术研究历史和现状

德国物理学家Paul Leug在1934年最早提出通过声干涉原理来实现降噪的概念,并申请了“电子消声器”专利。但局限于当时的电子技术基础,Paul Leug只是论证和表述了其基本原理,并未有实质性的试验和产品。此后20年,有源降噪技术处于停滞状态,并未取得实质性的发展。

直到1953年,随着电子技术的快速发展,美国RCA公司的Harry Olson和Everet May从Paul Leug的理论出发,进行了重新的理论论证,并首次研制了“电子吸声器”。“电子吸声器”类似与现在的有源头靠系统,其是将有源降噪系统安装于飞机或者汽车乘员的座椅头靠上,通过有源降噪的原理,放出反向噪声,来降低人头部小范围区域的噪声。然而,由于“电子吸声器”装置降噪频带窄,降噪深度浅,降噪范围小,其并没有称为产品进行推广应用。

在同一时期,于1956年,仍然是在RCA公司,W.B.Conover将有源降噪技术应用于一座15000kVA的大型变压器的噪声控制。通过论证和试验,在扬声器正前方有明显降噪效果,这个效果与距离成反比,即距离越远,降噪效果越小,另外降噪效果与正向偏离角度有关系,越偏离正向,一般情况下降噪效果越小。通过测试,扬声器正前方30cm处,降噪量可达大约20dB。

一直到70年代前,有源降噪技术的研究并没有实质性的成果得到应用。70年代后期,法国的Jessel、Mangiante和Canevet等人根据惠更斯原理,提出了JMC有源降噪控制算法可应用于自由场空间。通过论证试验,最终把它应用于大型变压器的噪声处理中。JMC有源降噪控制算法指出任意声源辐射出的噪声均可用连续曲面上分布的次级声源来控制。

自适应的有源噪声控制理论早在有源降噪理论之初期就产生了。Conover阐述了自适应有源降噪的原理:根据人耳去监听噪声的降噪效果,同时通过手动调节电路的增益和相位控制使得降噪量达到最高。这就是最开始的自适应有源降噪的思想。由于当时的电子技术发展的限制,自适应有源降噪并未付诸行动。没有相关的产品或应用。

一直到80年代初,随着高速信号处理技术的发展,人们将自适应滤波的方法应用于管道噪声的有源抑制。80年代初,Chaplin、J.C.Burgess和C.F.Ross分别在自适应有源降噪领域取得一定的成果,尤其在管道消声方面取得了一定的成果,取得了令人满意的结果。

80年代中期,来自英国南安普敦大学的P.A.Nelson,S.J.Elliott等人对封闭空间内的有源降噪技术进行了进一步的深入研究,并取得了创新突破。说明了本征相干的理论,论证了在降噪系统中传声器和次级声源的布放方式,并进一步研究了机舱内自适应有源降噪的设计方法。

进入90年代,PA.Nelson和S.J.Elliott等人着手进行在密封机舱内的有源降噪的研究,并最终在BAE748型双螺旋桨推进器飞机的机舱内完成了一个6路有源降噪系统的的研制,并达到了一定的效果,其中在88Hz和2、3次谐波处,分别降低环境噪声13dB、9dB、6dB,其结果与理论分析是一致。这次研制是有源降噪技术原理提出以来,水平最高的一次研制和试验,其说明了该技术已经可以在工程实际中进行应用。

2000年以后,随着电子技术的不断发展,有源降噪技术也得到了长足的发展,如SongY和Gong Y等人在耳机中应用了反馈式有源降噪技术;Gonzalez A和Ferrer M通过有源降噪应用对汽车发动机噪声进行了消除;Castane-Selga R和Sanchez Pena将有源降噪技术应用于摩托车头盔,其对消除摩托车高速行驶时产生的风噪起到明显的效果;Kochan K和Sachau D在军用运输机上应用了空间的有源降噪技术,有效的抑制了舱内噪声,提高了飞机的舒适性。

四、有源降噪工作原理

有源降噪技术的原理是利用声波在空间的叠加干涉抵消原理,降噪系统拾取环境噪声,通过电路处理,主动产生另一个噪声,其与原始噪声在频率和幅度上相当,而相位相反,这个主动产生的声波与原噪声声波在空间相互抵消,从而达到降低噪声的目的,其降噪原理见图2-1。由于低频段声音具有较长的波长,其在空间的干涉更容易实现。因此,有源降噪具有较好的低频噪声控制效果,通常作为无源降噪在低频段的补偿。所以,该技术主要用于对宽带噪声或低频噪声的防护。

图 2-1 降噪原理图

五、有源降噪系统分类

根据有源降噪系统的工作原理和结构特性,可分为反馈式和前馈式两个基本型。

5.1前馈式降噪耳机

其中前馈式有源降噪耳机是将传声器位置远离次级声源,由外传声器、次级声源、耳机结构件以及降噪控制电路组成,其中外传声器一般面向外部,通过耳罩上的透声孔拾取耳罩外的环境噪声,结构如图2-2所示。外传声器拾取的噪声信号通过ANC控制电路后送给次级声源,无反馈回路。其响应参数往往是固定的,无法根据时变的环境噪声自适应的调整增益、相位控制等参数,因此其降噪性能不太稳定,对于一些稳态噪声具有较好的降噪效果,应用较少,一般只是在一些较低端的耳塞类产品中还有应用,其主要原因也是耳塞体积较小,而前馈式降噪内部布局容易设计实现。

图 2-2 前馈式有源降噪系统图

如图2-3中为前馈式有源降噪设计,图中耳塞外部的小孔即是拾取外界环境噪声的传声器透声孔。

图 2-3 前馈式有源降噪耳机

5.2反馈式降噪耳机

反馈式有源降噪耳机反馈式由内传声器、次级声源、耳机结构件以及降噪控制电路组成,其内传声器面向于耳罩内,一般放置在耳道入口处,内传声器拾取进入耳罩的噪声后,送至ANC降噪处理控制电路进行处理,后将相位相反,幅度相当,频率相等的次级声信号送至次级声源,通过次级声源放出反向噪声,达到降噪的效果,如图2-4所示。内传声器一般放置于次级声源附近,会拾取次级声源附近的噪声,其降噪系统便会形成一个反馈回路,进行降噪参数自适应调节,因此通常传声器放置在紧靠次级声源的位置,可较为真是的反应听觉器官附近的噪声,有一个反馈回路,降噪的效果要更好,只是结构、电路及调试工作相对要复杂一些。另外因为反馈回路的存在,在反馈式控制系统设计不当时会产生不稳定现象,例如啸叫自激,这是该类有源降噪耳罩的弱点。

图 2-4 反馈式有源降噪系统图

如图2-5中为AKG公司的K495NC型反馈式有源降噪耳机,图中箭头所指为内传声器,放置在耳道入口处,拾取耳罩内噪声信号。

图 2-5 反馈式有源降噪耳机

另外,近些年,随着电子技术的不断发展,前馈式与反馈式结合使用的复合式有源降噪系统逐渐成为大家研究的重点和方向。复合式有源降噪耳机由外传声器(参考传声器)、内传声器(误差传声器)、次级声源、耳机结构件以及降噪控制电路组成,其系统组成图如图2-6。

图 2-6 复合式有源降噪系统图

如图2-7中为森海赛尔公司的PXC450型复合式有源降噪耳机,图2-7左图中小孔为前馈式降噪的外传声器,左下为内部构造,右图中箭头所指为反馈式降噪的内传声器,放置在耳道入口处,拾取耳罩内噪声信号。

图 2-7 森海赛尔复合式有源降噪耳机

随着电子技术的不断发展,由于耳塞的结构尺寸限制,目前市面上除了一些中低端降噪耳塞无法采用反馈式或复合式降噪,仍然采用前馈式结构实现有源降噪以外,大多数有源降噪耳机均采用反馈式或复合式有源降噪系统结构,以实现较好的产品降噪性能。如表2-1是三种降噪结构的性能对比。

图 2-1 降噪原理图

六、降噪耳机设计要点

有源降噪耳机主要由电源、控制电路、拾音器、扬声器和耳腔等组成,其中控制电路是耳机的核心部件。在产品设计过程中,影响降噪技术的主要因素有以下几点:

(1)控制电路:控制电路通过测量、反向控制、声音叠加3个主要过程实现噪声抵消,测量拾音器拾取到的噪声信号的相位及幅值,经过反向处理后与扬声器发出的声音(称之为噪声抑制信号)进行叠加,如果噪声抑制信号和原信号幅值不完全相同或者相位不是精确的相差180°,只会减弱噪声,并不能达到完全抵消的效果。

(2)电声器件的频响:电声器件包括拾音器和扬声器,在耳罩内部电声器件之间的空间传声路径,中间经过电声转换和声电转换等复杂的过程,而且振膜及线圈等组成的这一机械振动系统有自己的振动模态,它可能有多个固有频率,其中的频率响应在系统的各个固有频率上可能呈现出尖峰,而相位响应在系统的每个固有频率处都下降90度。这时在时域上表现为波形的畸变和时延,频域上表现为幅频函数不平直。因此需要幅频比较平直,相频变化缓慢的扬声器和传声器。

(3)耳机腔体设计:耳机腔体结构的作用主要是消除声短路、抑制声共振、拓宽频响范围、减少失真,同时,也与耳腔材料有关,密度越高,声音对腔体的振动越低,干扰就越低;材质越厚,对声音的回放效果越好,低频效果就越好。因此,在设计耳腔的时候需要综合考虑,才能达到理想的效果。

总结

综上,有源降噪耳机系统,一般由传声器、次级声源、耳腔结构组件和降噪电路组成,以上每一部分对耳机最终的有源降噪性能均有着较大的影响,在耳机设计时均应关注。