降噪耳机原理

降噪声耳机原理

降噪耳机分为主动式降噪和被动式降噪两种。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15-20dB。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。

我们可以看见的大多数便携式隔音耳机产品都是这种被动式降噪方式，入耳式耳塞和封闭式耳机能够在一定程度上隔离噪音，但却没有办法来中和噪声达到安静的聆听效果。被动降噪的优势是降噪空间大，对于高频信号的隔绝效果好，比如公路旁边的隔音板。但是，对于小空间的低频噪声来说，像空调工作噪声、飞机发动机噪声等噪音则效果大打折扣。

主动降噪概念是BOSE公司创始人Amar G. Bose博士在一次飞行旅途中由于受不了飞机噪音而提出的。1989年，BOSE主动降噪耳机推出，但主要用于商业以及军用战场上，真正量产到民用还是在2000年。之所以要采用主动降噪耳机，一方面是因为某些噪音是无法通过物理方式隔绝的，另一方面，很多情况下，噪音来自于多方面，我们无法通过传统方法来进行降噪。

其实主动降噪的理论十分简单，“声波”是我们中学物理课程中都会学到的理论。声音的传播是通过介质的振动来实现，波与波之间如果呈反相则会在理论条件下实现抵消。这就好比平静的湖中两组不同方向的波浪相互抵消一个道理。

主动降噪的原理在于首先要收集噪音的波型特点，然后通过内置的处理芯片运算出反相的波，再通过高还原度扬声器相抵消。所以主动降噪系统必备的设备有拾音器、处理芯片、扬声器，每一个部分都要保

证高质量才能达到最终的效果，故成本上就要比传统非降噪设备高。

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。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。

外置传感器的开环路主动降噪耳机系统

4、闭环路系统、自适应降噪系统

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嘲。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10-15dB，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。

开环路系统的最大优势就是简单，但与其他类型的降噪耳机比，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。

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。

内置传感器的闭环路主动降噪耳机系统

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。自适应主动降噪耳机系统

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，它可以同时实现纠正相位错误和幅度错误。

自适应主动降噪耳机系统

上图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更加准确的抗噪信号。

5、降噪耳机的一些技术进展

降低噪声通常所采用的三种降噪措施，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这一技术。主动降噪通过测量、反向控制、声场叠加三个主要过程实现声场抵消嘲。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。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。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。同时，将ANC与智能控制技术、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，又保证系统控制的性能。