主动降噪耳机的新进展_路煜皓
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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[6]，它 可 以 同 时 实 现 纠 正 相 位 错 误和幅度错误。 图 4 是使用自适应主动降噪耳机系统 的原理图。 在头戴耳机的顶部放置一只传声器拾取噪 声信号作为参考信号，自适应滤波器利用当前信号经 过耳机系统模型的转移函数来预测耳罩内的噪声，然 后将预测噪声反相后与所需音频信号进行叠加，最终 传送给耳机换能器。 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
QuietComfort R 15 及 Sennheiser PXC 250-II，最后展望了主动降噪耳机的发展趋势。
【关键词】 降噪耳机；主动降噪耳机；主动降噪耳机系统
【中图分类号】 TN643
【文献标识码】 A
New Developments in Active Noise Cancellation Headphones
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
场发展， 而奥地利微电子公司高集成度主动降噪解决
方案的出现，使功耗、成本和外围元器件数都可下降很 多倍， 为低成本主动降噪耳机的批量问世扫清了前进 道路上的主要障碍。
参考文献
[1] FOO Say-wei， SENTHILKUMAR TN， AVERTY C. Active
3.2 Bose QuietComfort R 15 QuietComfort R 15 是 Bose 最新推出的采用全新降
噪技术的有源消噪耳机，如图 6 所示，在不影响耳机的 声音表现和佩戴舒适性的前提下， 显著提高了消噪能 力，巩固了 Bose 在消噪领域的领先位置。 TriPort R声学 结构设计，每个耳机罩里都有些很小的端口，使驱动 单元能够产生强烈的低音，同时还保持小巧和轻便的 设计。 这样，在获得低音饱满而均衡的音乐享受的同 时 ，也 会 在 佩 戴 时 更 为 舒 适 。 Acoustic Equalization 声 音均衡技术可以获得优异的听音效果， 当欣赏音乐 时，可收 听 到 丰 满 的 、具 有 强 烈 冲 击 力 的 完 全 自 然 的 低音。 QuietComfort R15独有Bose 专利的 Acoustic Noise Cancelling R有源消噪技术，在耳罩的内外各植入一个 传声器，能更灵敏地检测噪声，系统的电子元件将这些 噪声进行比较分析，产生与噪声频率相反的信号，从而 抵消噪声，明显提高耳机的消噪能力。 QuietComfort R15 的耳罩采用精选的特殊材料， 能够从物理上过滤更多 扰人的噪声，同时，人体工程学的设计，即使长时间佩
噪声控制
L Noise Contro
文 章 编 号 ：1002-8684（2010）08-0065-03
主动降噪耳机的新进展
·论文·
路煜皓 （中国传媒大学，北京 1wk.baidu.com0024）
【 摘 要 】 综 述 了 主 动 降 噪 耳 机 系 统 的 发 展 ， 并 介 绍 了 主 流 降 噪 耳 机 品 牌 推 出 的 新 产 品 ATH -ANC7b，Bose
【Key words】 noise cancellation headphone； active noise cacellation headphone； active noise cacellation headphone
system
1 引言
随着电子产品消费市场的不断发展， 日常生活中 越来越多的人们使用耳机聆听高质量的音乐。然而，城 市的噪声污染越来越严重，在室外使用普通耳机耳塞， 只能提高音量来盖过噪声， 这样一来不但不能享受美 妙的音乐，对自己的听力也有很大的影响，你也许很快 就会感到听觉疲劳。 此时， 如果想静静地享受音乐世 界，那么降噪耳机可能成为最佳选择。
4 降噪耳机的新进展
降低噪声通常所采用的 3 种降噪措施， 即在声源 处降噪、在传播过程中降噪及在人耳处降噪，这些技术 都是消极被动的。为了积极主动地消除噪声，人们发明 了 主 动 噪 声 控 制 （ANC）[7]这 一 技 术 。
主动降噪通过测量、反向控制、声场叠加 3 个主要 过程实现声场抵消[8]。 在众多主动降噪耳机中，这个原 理基本是通用的且多年没有变化， 主动降噪耳机的发 展似乎遇到了自己的瓶颈。瓶颈在主动降噪技术上，而 各厂家又都想把自己的产品变成市场中的王者， 于是 将关注点放在了其他方面。
开环路系统的最大优势就是简单， 但与其他类型
輪輳讂 2010年 第 34 卷 第 08期
噪声控制
Noise Control
耳机换能器
传声器
输入音频信号
-1 茌 A
图 2 外置传声器的开环路主动降噪耳机系统
的降噪耳机相比，可能并不是最令人满意的。 由于传 声器放置于耳罩外，实际采集到的噪声和耳罩内听到 的噪声并不完全一样。 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。 2.2 闭环系统
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，如图 3 所示。 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”。 闭路 系统的运行特点是通过反馈方式来达到降噪的目的。
LU Yuhao
（Communication University of China， Beijing 100024， China）
【Abstract】 The development of the active noise cancellation headphone systems is discussed. And then the new
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，如图 2 所示，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[5]。 抗噪信号能够衰减外界噪声，使 原始声音更便于理解。 通常，开环主动降噪系统可以实 现噪声衰减 10~15 dB， 这在为专业人士及普通消费者 设计的不同种类的降噪耳机中可以普遍发现。 可是，这 种设计对于那些想要独自调整抗噪信号大小以满足最 佳听音效果的人们来说并不适用。
noise cancellation headset[J].Circuits and Systems，2005，1
（5）：268-271.
[2] BOUCHARD M，FENG Y. Inverse structure for active noise
control and combined active noise control/sound reproduc-
tion systems [J].Speech and Audio Processing，2001，9（2）：
141-151.
[3] MOSELEY and William T. Method and apparatus for per-
forming noise cancelling and headphoning[J].J. Acoust. Soc.
噪声控制
L Noise Contro
戴也非常舒适。
3.3 Sennheiser PXC 250-II Sennheiser 在 CES2010 上 推 出 了 旅 行 系 列 耳 机
PXC 250-II，如图 7 所示，它采用从 NoiseGardTM 主动降 噪技术，封闭式的设计更好地衰减了周围的环境噪声。 同时，降噪电路由两节 AAA 电 池供电改为一节，并且 可持续工作 50 小时。 NoiseGardTM 是 Sennheiser 为全球 各地的飞行员开发的一种主动降噪技术。 该技术基于 叠加反相抗噪信号来达到去除不需要的低频噪声的目 的，即使在高噪声环境中也能出色地还原生动的音质。
products ATH -ANC7b，Bose QuietComfort R 15 and Sennheiser PXC 250 -II which are offered by the authority
company this year are introduced.At last，the trend of the active noise cancellation headphone is given.
降 噪 耳 机 分 为 主 动 式 降 噪 [1]和 被 动 式 降 噪 两 种 。 被 动式降噪耳机利用物理特性将外部噪声与耳朵隔绝 开，主要通过隔声材料阻挡噪声，对高频率声音非常有 效，一般可使噪声降低大约为 15~20 dB。 这种方法原理 简单，降噪成本低，但效果略为逊色，且由于使用了高 密度的隔声材料，耳机较重佩戴不舒服。 主动降噪耳 机除使用隔声材料，耳机内部还设有音频处理电路，可 对部分低频信号进行消减， 因此降噪效果比被动式耳 机要好。
经过长期的探索，人们清醒地认识到，噪声控制的 根本途径是对声源的有效控制， 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 噪声控制积极主动的发展方向[9]。 在各 种产品向数字 化发展的今天， 数字化主动降噪技术已成为今后降噪 耳机的发展趋势。 SONY 推出的 NC500D 已经做出了 勇敢的尝试，降噪过程数字化、人工智能自动选择降噪 模式， 可以说是主动降噪耳机的改革之作。 同时，将 ANC 与智能控制技术[10]、智能材料和光纤技术有 机结 合起来，既提高了主动降噪系统的性能，又保证系统 控制的鲁棒性能。 另外，之前的主动降噪电路大都采 用 基 于 DSP 或 分 立 元 件 的 解 决 方 案 ， 这 些 方 案 的 成 本、功 耗 和 PCB 占 板 面 积 都 很 大 ，限 制 了 它的应用市
2 主动降噪耳机系统的发展[2-4]
所有的声音都由一定的频谱组成， 如果可以找到 一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相 位刚好相反，相差 180°，就可以将这噪声完全抵消掉， 如图 1 所示。
抗噪信号仅仅是通过对原始噪声信号的反相处理 得到的，目的就是当它们相遇时可以互相抵消。 这种方 法基于叠加原理，当波形相同、相位相差 180°的两个信 号相互叠加时，就会产生干涉相消现象。 如果噪声抑制 信号和原信号不完全相同或者相位不是精确的相差 180°，则 只 会 减 弱 噪 声 ，并 不 能 达 到 完 全 抵 消 的 效 果 。 2.1 开环系统
控制论中，噪声（比如放大器的失真）被看作是一 种非线性的变化，可以通过在系统中引入校正信号来 减轻或消除这种失真。 图 3 所示的是一个闭环路主动 降噪耳机系统。 传声器置于耳罩内部，拾取到的是所需 的声音和噪声的混合声。 首先，这个系统将所需信号从 混合信号中分离出来并对剩下的噪声信号进行反相。 然后，对反相的噪声信号进行补偿，以便抵消闭环系统 中的噪声。 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。 2.3 自适应系统
輪輴讂
2010年 第 34 卷 第 08 期
更加准确的抗噪信号。
3 主流降噪耳机品牌新产品
3.1 铁三角 ATH-ANC7b ATH-ANC7b 采用 QuietPointTM 降噪技术， 可以降
低 85%的环境背景噪声，具有卓越的音质、舒适的佩戴 感受和便携能力。 有源降噪电路仅消除环境噪声，而不 会影响音乐内容的表现。 在耳机的两边耳罩上分别设 有一个微型收音头接收环境噪声（如引擎、风声等），通 过内部的对冲电路而把噪声降低。 封闭式的耳机结构， 使用大口径 40 mm 的钕磁铁单元，提供深厚的低音、清 超的高音和高度保真表现， 为身处在高噪声环境内的 人们提供一个舒适的聆听空间。 Audio-Technica ATHANC7b 如图 5 所示。
QuietComfort R 15 及 Sennheiser PXC 250-II，最后展望了主动降噪耳机的发展趋势。
【关键词】 降噪耳机；主动降噪耳机；主动降噪耳机系统
【中图分类号】 TN643
【文献标识码】 A
New Developments in Active Noise Cancellation Headphones
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
场发展， 而奥地利微电子公司高集成度主动降噪解决
方案的出现，使功耗、成本和外围元器件数都可下降很 多倍， 为低成本主动降噪耳机的批量问世扫清了前进 道路上的主要障碍。
参考文献
[1] FOO Say-wei， SENTHILKUMAR TN， AVERTY C. Active
3.2 Bose QuietComfort R 15 QuietComfort R 15 是 Bose 最新推出的采用全新降
噪技术的有源消噪耳机，如图 6 所示，在不影响耳机的 声音表现和佩戴舒适性的前提下， 显著提高了消噪能 力，巩固了 Bose 在消噪领域的领先位置。 TriPort R声学 结构设计，每个耳机罩里都有些很小的端口，使驱动 单元能够产生强烈的低音，同时还保持小巧和轻便的 设计。 这样，在获得低音饱满而均衡的音乐享受的同 时 ，也 会 在 佩 戴 时 更 为 舒 适 。 Acoustic Equalization 声 音均衡技术可以获得优异的听音效果， 当欣赏音乐 时，可收 听 到 丰 满 的 、具 有 强 烈 冲 击 力 的 完 全 自 然 的 低音。 QuietComfort R15独有Bose 专利的 Acoustic Noise Cancelling R有源消噪技术，在耳罩的内外各植入一个 传声器，能更灵敏地检测噪声，系统的电子元件将这些 噪声进行比较分析，产生与噪声频率相反的信号，从而 抵消噪声，明显提高耳机的消噪能力。 QuietComfort R15 的耳罩采用精选的特殊材料， 能够从物理上过滤更多 扰人的噪声，同时，人体工程学的设计，即使长时间佩
噪声控制
L Noise Contro
文 章 编 号 ：1002-8684（2010）08-0065-03
主动降噪耳机的新进展
·论文·
路煜皓 （中国传媒大学，北京 1wk.baidu.com0024）
【 摘 要 】 综 述 了 主 动 降 噪 耳 机 系 统 的 发 展 ， 并 介 绍 了 主 流 降 噪 耳 机 品 牌 推 出 的 新 产 品 ATH -ANC7b，Bose
【Key words】 noise cancellation headphone； active noise cacellation headphone； active noise cacellation headphone
system
1 引言
随着电子产品消费市场的不断发展， 日常生活中 越来越多的人们使用耳机聆听高质量的音乐。然而，城 市的噪声污染越来越严重，在室外使用普通耳机耳塞， 只能提高音量来盖过噪声， 这样一来不但不能享受美 妙的音乐，对自己的听力也有很大的影响，你也许很快 就会感到听觉疲劳。 此时， 如果想静静地享受音乐世 界，那么降噪耳机可能成为最佳选择。
4 降噪耳机的新进展
降低噪声通常所采用的 3 种降噪措施， 即在声源 处降噪、在传播过程中降噪及在人耳处降噪，这些技术 都是消极被动的。为了积极主动地消除噪声，人们发明 了 主 动 噪 声 控 制 （ANC）[7]这 一 技 术 。
主动降噪通过测量、反向控制、声场叠加 3 个主要 过程实现声场抵消[8]。 在众多主动降噪耳机中，这个原 理基本是通用的且多年没有变化， 主动降噪耳机的发 展似乎遇到了自己的瓶颈。瓶颈在主动降噪技术上，而 各厂家又都想把自己的产品变成市场中的王者， 于是 将关注点放在了其他方面。
开环路系统的最大优势就是简单， 但与其他类型
輪輳讂 2010年 第 34 卷 第 08期
噪声控制
Noise Control
耳机换能器
传声器
输入音频信号
-1 茌 A
图 2 外置传声器的开环路主动降噪耳机系统
的降噪耳机相比，可能并不是最令人满意的。 由于传 声器放置于耳罩外，实际采集到的噪声和耳罩内听到 的噪声并不完全一样。 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。 2.2 闭环系统
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，如图 3 所示。 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”。 闭路 系统的运行特点是通过反馈方式来达到降噪的目的。
LU Yuhao
（Communication University of China， Beijing 100024， China）
【Abstract】 The development of the active noise cancellation headphone systems is discussed. And then the new
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，如图 2 所示，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[5]。 抗噪信号能够衰减外界噪声，使 原始声音更便于理解。 通常，开环主动降噪系统可以实 现噪声衰减 10~15 dB， 这在为专业人士及普通消费者 设计的不同种类的降噪耳机中可以普遍发现。 可是，这 种设计对于那些想要独自调整抗噪信号大小以满足最 佳听音效果的人们来说并不适用。
noise cancellation headset[J].Circuits and Systems，2005，1
（5）：268-271.
[2] BOUCHARD M，FENG Y. Inverse structure for active noise
control and combined active noise control/sound reproduc-
tion systems [J].Speech and Audio Processing，2001，9（2）：
141-151.
[3] MOSELEY and William T. Method and apparatus for per-
forming noise cancelling and headphoning[J].J. Acoust. Soc.
噪声控制
L Noise Contro
戴也非常舒适。
3.3 Sennheiser PXC 250-II Sennheiser 在 CES2010 上 推 出 了 旅 行 系 列 耳 机
PXC 250-II，如图 7 所示，它采用从 NoiseGardTM 主动降 噪技术，封闭式的设计更好地衰减了周围的环境噪声。 同时，降噪电路由两节 AAA 电 池供电改为一节，并且 可持续工作 50 小时。 NoiseGardTM 是 Sennheiser 为全球 各地的飞行员开发的一种主动降噪技术。 该技术基于 叠加反相抗噪信号来达到去除不需要的低频噪声的目 的，即使在高噪声环境中也能出色地还原生动的音质。
products ATH -ANC7b，Bose QuietComfort R 15 and Sennheiser PXC 250 -II which are offered by the authority
company this year are introduced.At last，the trend of the active noise cancellation headphone is given.
降 噪 耳 机 分 为 主 动 式 降 噪 [1]和 被 动 式 降 噪 两 种 。 被 动式降噪耳机利用物理特性将外部噪声与耳朵隔绝 开，主要通过隔声材料阻挡噪声，对高频率声音非常有 效，一般可使噪声降低大约为 15~20 dB。 这种方法原理 简单，降噪成本低，但效果略为逊色，且由于使用了高 密度的隔声材料，耳机较重佩戴不舒服。 主动降噪耳 机除使用隔声材料，耳机内部还设有音频处理电路，可 对部分低频信号进行消减， 因此降噪效果比被动式耳 机要好。
经过长期的探索，人们清醒地认识到，噪声控制的 根本途径是对声源的有效控制， 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 噪声控制积极主动的发展方向[9]。 在各 种产品向数字 化发展的今天， 数字化主动降噪技术已成为今后降噪 耳机的发展趋势。 SONY 推出的 NC500D 已经做出了 勇敢的尝试，降噪过程数字化、人工智能自动选择降噪 模式， 可以说是主动降噪耳机的改革之作。 同时，将 ANC 与智能控制技术[10]、智能材料和光纤技术有 机结 合起来，既提高了主动降噪系统的性能，又保证系统 控制的鲁棒性能。 另外，之前的主动降噪电路大都采 用 基 于 DSP 或 分 立 元 件 的 解 决 方 案 ， 这 些 方 案 的 成 本、功 耗 和 PCB 占 板 面 积 都 很 大 ，限 制 了 它的应用市
2 主动降噪耳机系统的发展[2-4]
所有的声音都由一定的频谱组成， 如果可以找到 一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相 位刚好相反，相差 180°，就可以将这噪声完全抵消掉， 如图 1 所示。
抗噪信号仅仅是通过对原始噪声信号的反相处理 得到的，目的就是当它们相遇时可以互相抵消。 这种方 法基于叠加原理，当波形相同、相位相差 180°的两个信 号相互叠加时，就会产生干涉相消现象。 如果噪声抑制 信号和原信号不完全相同或者相位不是精确的相差 180°，则 只 会 减 弱 噪 声 ，并 不 能 达 到 完 全 抵 消 的 效 果 。 2.1 开环系统
控制论中，噪声（比如放大器的失真）被看作是一 种非线性的变化，可以通过在系统中引入校正信号来 减轻或消除这种失真。 图 3 所示的是一个闭环路主动 降噪耳机系统。 传声器置于耳罩内部，拾取到的是所需 的声音和噪声的混合声。 首先，这个系统将所需信号从 混合信号中分离出来并对剩下的噪声信号进行反相。 然后，对反相的噪声信号进行补偿，以便抵消闭环系统 中的噪声。 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。 2.3 自适应系统
輪輴讂
2010年 第 34 卷 第 08 期
更加准确的抗噪信号。
3 主流降噪耳机品牌新产品
3.1 铁三角 ATH-ANC7b ATH-ANC7b 采用 QuietPointTM 降噪技术， 可以降
低 85%的环境背景噪声，具有卓越的音质、舒适的佩戴 感受和便携能力。 有源降噪电路仅消除环境噪声，而不 会影响音乐内容的表现。 在耳机的两边耳罩上分别设 有一个微型收音头接收环境噪声（如引擎、风声等），通 过内部的对冲电路而把噪声降低。 封闭式的耳机结构， 使用大口径 40 mm 的钕磁铁单元，提供深厚的低音、清 超的高音和高度保真表现， 为身处在高噪声环境内的 人们提供一个舒适的聆听空间。 Audio-Technica ATHANC7b 如图 5 所示。