有源降噪耳机技术及现状

有源降噪耳机技术及现状

1.主动降噪耳机技术原理

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。

在降噪耳机领域，被动式噪音控制(Passive Noise Control, PNC)及主动式噪音控制(Active Noise Control, ANC)是目前最主要的两种噪音消除方式。且一般的噪音消除方式也是采用被动式降噪，例如市售的耳塞、耳罩…等。其原理是利用外部硬质材料与内部的填充材料，以隔离与吸收噪音的原理，阻当外界的噪音进入耳朵，尤其对高频噪音的降噪效果更是明显，这也是现在噪音抑制最常使用的方法。然而，這种降噪方式虽然实现容易，但对800Hz或更低频率的低频噪音而言，若要应用这种被动式减噪，需要负担大量的设备成本以及材料重量，此时被动式降噪方式则失去了实际上的效益，并且被动式降噪的方式，在抑制噪音的同时，也会阻隔使用者谈话的声音，这也是被动式的主要缺点之一。

而ANC原理是使用一套降噪控制处理电路，进行适应性运算，来输出与欲消除的噪音相位相反，頻率与能量相同的声波，以达到消音的目的；与PNC不同的是，ANC是以波形的重叠原理为基础。即由噪音与抑制声波相结合，来造成破坏性的干涉而产生声波能量相消的效果，若抑制波的波形与欲消音的声波振幅、频率相同，且反相时，则会得到消音效果，如图1所示。

（原始噪音信号）（消音信号）（消音后信号）

图1 主动消噪原理示意图

耳机主动降噪的基本概念并不复杂，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。当前的耳机主动降噪技术主要有前馈式和反馈式两种方式。在前馈式系统（如图2）中，采样麦克风位于耳机外部或耳机罩开口处，以直接采集耳机外部的噪音信号，经过ANC处理电路后，从喇叭中播放出适当幅度的反相噪声，用以抵消进入到耳罩内的噪音，其最主要的特点是噪音的消除回路是开环的；而在反馈式系统（如图3）中，麦克风位于耳机内部喇叭的前面或附近，麦克风采集耳罩内部的噪音信号，再经过ANC电路组成的闭环负反馈回路，推动喇叭产生反向噪声信号以抵消耳罩内部的噪声，由于反馈式主动降噪系统的噪音检测麦克风在耳罩的内部，通过闭环回路反馈自动调节，因此这种方式更加精确反馈耳朵附近的噪声，降噪的效果也相对要比前馈式的更好，但结构、电路及调试工作相对要复杂些。因此对体积要求高的小耳塞一般都采用前馈式系统，对体积要求不是太高的耳罩式耳机则

大多都是采用反馈式系统。

图2 耳机前馈式主动降噪系统

图3 耳机反馈式主动降噪系统

从主动降噪（ANC）电路的处理方式也有模拟和数字两种处理方式，目前国内外各厂家绝大部分都是采用模拟电路的方式来实现降噪处理，仅有很少一部分是采用数字处理技术，如SONY的MDR-NC500D就是采用DSP实现ANC功能的耳机之一。采用模拟和数字方式进行降噪处理有各自特点，如下表1：

采用模拟电路实现降噪采用数字DSP实现降噪

电路简单，成本较低电路复杂，成本较高功耗低，电池续航时间长功耗高，电池续航时间短

响应速度快，实时性好需要高速DSP才能实现快速响应，实时性较差功能固定、单一，不可变功能灵活多样，可以根据环境自动调整

无法实现智能处理及降噪可以通过软件实现智能处理及降噪

表1 模拟与数字ANC对比

从上表可以看出，采用模拟电路实现降噪功能的方式是有较大的优势的，因此也是绝大部分厂家与产品普遍采用的方式。

另外有源消噪耳机与传统的耳机相比，具有独有的技术优势，由于采用有源方式，

在耳机的音质上可以采取灵活的电路补偿的方式对耳机自身的缺陷进行补偿，在耳机设计中，由于耳机音腔体积小，喇叭单元等固有因素的制约，在音质方面多少会有些先天的不足，比如在整个耳机的音响特性中由于某种原因引起低频部分不够，要采取无源的方式改善这些特性是相对来说是比较困难的，但是在有源技术的帮助下就很容易实现补偿，我们只有通过特殊设计，通过电子电路的补偿，就很容易修正系统的音响特性曲线。在这个技术下，我们也很容易制作出一些满足特殊应用人群的不同口味的耳机产品。

有源消噪耳机还可以通过对电路的改进，设计出一些特殊功能的应用，这些应用都是通过电子电路在有源工作方式下实现的，比如我们可以设计出带有通话语音清晰功能的耳机，这样就可以不用摘除耳机也能非常清晰的聆听别人的声音了，也提供了使用的便利性。有源耳机还可通过各种技术可以实现非常高质量的声音还原，可以达到专业监听级的要求，满足各种需求。

1.有源消噪耳机现状

从现在众多的耳机厂商综合来看，BOSE、索尼、森海塞尔等品牌不仅在传统耳机产品中占有优势，在降噪耳机领域同样实力不俗，在众多的厂商中，他们各自都有推出他们的代表产品，主要代表产品如表2：

表2 主流厂商降噪耳机代表产品及技术

从上表可以看出，主动降噪耳机目前几乎还是被国外较大的企业垄断，主要有博士、森海塞尔、索尼、铁三角等，国内目前做得相对较好的也就是深圳冠旭电子旗下的233621品牌，他们的产品目前已经与南航合作，应用到了部分航线上了。而其他国内的主动降噪耳机几乎都是OEM或是价位廉价的山寨产品，正真的高端或自主品牌几乎是空白。

近几年，我国降噪耳机行业发展较快。国内的产量逐年提升。据统计，2005年我国降噪耳机产量达到247.5万只。2005年以后我国降噪耳机产量持续上涨，

这与国内的需求逐渐扩大有直接的关系。但是在产量的增速上呈现出先增后降的发展趋势。主要受到2008年金融危机的影响，2008年产量只有小幅上升，增幅仅为4.2%。2009年上半年产量达到169.8万只，同比上升0.9个百分点。在耳机细分产品中，主动降噪耳机的数量还是相对于被动降噪耳机而言，占比是很低的，整个主动降噪耳机在整个市场的占有率一直保持在4.3%左右，只有小幅的变化，分析其中的原因，主要是由于目前整个主动降噪耳机还是掌握在国外的几家大公司的手里，整体价格相对较高，当大家在选择耳机产品的时候，过高的价格自然就限制了数量的增加；再则，国内目前也没有出现大家认可的主动降噪耳机品牌也是其中的因素之一。当前有源降噪耳机的技术已经发展相对成熟，成本上也可以很好的控制，当有源降噪耳机的成本大幅下降的同时又能保证高的品质水平，主动有源降噪耳机一定会赢得大量的用户群体，产量也将迎来革命性的变化。

1.我们在主动有源降噪耳机上的调研成果

从2012年11月底开始的将近1个月的时间里，我们集中对目前市面上比较有代表性的主动有源降噪耳机进行了调查、分析工作，主要是BOSE的QC3，森海塞尔的PXC450，魔声的录音师，索尼的MDR-NC500D，铁三角的

ATH-ANC23（主动降噪耳塞）。

以上这五款耳机都是目前国际上主流的知名

耳机厂商推出的主动降噪耳机产品中的代表

作品，除了都能够实现很好的主动降噪功能，

这些产品还都有各自其独特的优点，也设计

了其他的非常实用的功能，下面就逐一介绍下

这些产品的特点，也能让我们能够更加了解下

当前的有源主动降噪耳机行业的一些情况。

BOSE是一家较早就开始从事主动降噪

技术研究的公司，其降噪算法在行业内都是最

为优秀的，他们的降噪耳机最早被装配在美国军方，现在一些航空公司头等舱也配备了BOSE的降噪耳机。BOSE的QC3（图3）采用的是便携式贴耳式设计，在佩戴舒适性上要比耳罩式舒服，长时间佩戴耳朵也不会有闷热的感觉，加上采用了Noise Cancelling主动消噪技术，能帮助你过滤扰人的绝大部分背景噪音，为你提供纯净高保真的音乐享受，拥有Bose专利的TriPort声学结构设计，使小巧的耳机也能得到浑厚的低音，声音均衡技术能够将声音与耳机的特性匹配到最佳状态，智能海绵的使用令佩戴更为舒适。