ANC主动降噪耳机开发

ANC主动降噪耳机开发（基于ADI的降噪方案）机械孤独 东钱湖2021/03/24当你每天乘坐交通工具的时候，是否注意到了周围坏境的噪声污染?面对耳朵里跑进来恼人的噪音，除了堵住耳朵这种被动降噪的方法，我们现在还可以主动出击，用声音将噪声消灭掉。现在主动降噪耳机卖得很好,具体是怎么实现这个抵消噪声的过程的呢？用一句话来概括主动降噪的原理：通过发出与噪声相位相反，频率、振幅相同的声波与噪声干涉实现相位抵消。图1主动降噪原理想要理解这句话,首先要明白声音是什么?相位和振幅是什么?干涉又是如何发生的。我们平时听到的声音,实质上是空气被挤压并不断传递的现象。空气收到挤压,自然就会有压缩部分和稀疏部分。这两个部分彼此交错出现,交替一次视作一个周期,而一秒钟内变化多少个周期就叫做频率。我们听到的声音往往由许多具有不同频率的声音组合而成，他们不光是频率不同,被压缩/拉伸的程度也不同,也就是振幅不一样，听起来声音的大小也就不一样。

声音的波形图2声音的波形图2相位的意思也很简单，某一个时刻声波处于一个周期内的位置就是相位。如果我们规定空气被压缩的最厉害的地方是相位的零点,我们把要把其转成正弦波信号,—个周期就是时间是1T/360度。那么半个周期之后，相位是180度，空气变得最为稀疏的。—JUWMicrophonepicksupnoise■—JUWMicrophonepicksupnoise■Intheorytheresultis

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NONOISE■■■■■/图3主动降噪耳机的结构想要产生用于抵消噪声的声波,首先要得到噪声的信息才可以。主动降噪耳机设有反馈麦克风用于采集坏境中的噪声信号。这里有一个先后顺序的问题：先采集噪声，但是要与噪声同时产生抵消音才自影降噪。所以处理器会根据噪声进行预测,预测出下一时刻噪声的情况，并产生相应抵消声波。为了保证降噪质量,还需要f反馈麦克风用来检测所合成后的噪声是否真的变小了。这时处理器会根据这个反馈麦克风测量到的结果,对处理过程进行调整从而进—步降低合成后的噪声音量,这叫做自适应过程。好比处理器变聪明了,能够根据消噪的效果不断调整自己，以达到最佳降噪效果。而对于这个不能再简单的概念来说,却没有任何一款主动降噪耳机能够做到将所有声音都消除。目前，市面上的优秀主动降噪耳机产品屈指可数，比如众所周知的BOSE的系列主动降噪耳机、被管为降噪圈新秀的1MORE高清降噪圏铁蓝牙耳机Pro版，它们都采用了AnalogDevice公司的主动降噪解决方案。具体来说,当前的数字式主动降噪也可以分为两种,第一种是前馈式降噪：前馈式降噪简单来说就是在耳朵边上放一个麦克风去监听噪声，然后在此基础上对耳机内来一个噪声反向抵消。这种降噪模式有一个问题，仅靠一个单独麦克风,很难降到纯粹干净的程度。所以现在大家都在关注有更极致降噪潜力的另一种降噪架构技术：混合降噪，ADI是首批开发数字混合降噪的公司之一。混合降噪会在耳朵旁边再加一个麦克风来监听耳机内的噪声，然后通过监测残留噪声、从而实现反馈端更深层的降噪。这是两个循坏,我们称之为Hybrid,目前1MORE高清降噪圈铁蓝牙耳机Pro版就是使用的这种方案。ANC（主动降噪）芯片通过内置麦克风同时监听外部源产生的噪声和耳机扬声器播放的声音。主动降噪系统内部主要分为ADC（模数转换）、DSP（数字信号处理）、DAC（数模转换），在理论上来说，这些信号的处理过程肯定是需要一定延迟的。那么这些声波为什么就能噪声反相位对齐？是否会岀现叠加的情况呢？声波的速度340米/秒,在降噪麦克风与耳机单元的距离,如此短的情况下,意味着整个主动降噪过程需要在极短时间内完成。在这方面，ADI已经可以将从ADC到DAC的整个链路上的延迟做到在5微秒内完成，可以说是非常厉害了,更低的延时，代表看芯片有足够的时间和空间去雕刻完美画像让降噪实现更高的精细化。主动降噪的概念与放音不同的是，有的耳机频响曲线看起来非常漂亮，但降噪效果—般般；有的耳机曲线看起来一般，但降噪却能让人一秒沉入海底，这是两个概念。通常来讲，ADI会用尽量客观的量化曲线，通过人耳模型的预测机制去做一套自己的评判体系，该体系几乎可以跟人的听感区域挂钩了，这里面会许多数学模型。这些判据最终会综合映射出来一个科学、合理的设计指标，ADI内部在这方面拥有一套完善的降噪能力评估机制。在噪声信号的相位对齐问题上,主动降噪耳机在设计时会测量耳机和人耳耦合的部分，确保内部尺寸与噪声通过时的相位完全匹配的。理论上来讲，如果测出来没有任何误差,在此基础上加入相位完全反转的信号，便可实现降噪。对于当前市面上的主动降噪耳机来说，似乎还没有一款真正能够把噪声都完美消掉的耳机产品。对于ADI来说，5微秒的速度应该足以做到更强大的性能，这是怎么回事呢？在延时上,5微秒的延迟是ADI能够做到的水平，但不代表真实应用中都需要这么设计。原因有很多：比如、功耗、降噪性能、耳机振膜的特性，开发者必须要在续航、声结构和ANC的性能间选一个平衡点。但不可否认的是,更低的延迟,让设计者更从容的匹配干干万万的耳朵（也带来了更大的施展空间和产品差异化的可能性）。其实对于很多用户来说，BOSE耳机虽然一直都是高性能消噪的代表性品牌，但它也会带来一些负面的体验，比如在打开降噪模式后会岀现一种室息感，无法呼吸并且还会有些头晕，这是什么造成的呢？如果你在使用降噪耳机的时候出现了这种问题,不用担心，这反而能说明你是个"金耳朵"。降噪耳机带来的这种类似"负压感"主要源于耳机降噪深度太深，从心理声学上产生的不适感。在日常生活中,有很多让我们感觉很安静的坏境，比如夜深人静没有人的家里。听不到并不代表没有，其实这种时候还是会有很多不同频率噪声会出现，只是我们人耳屏蔽掉一部分，比如可能很多人一辈子没有听过24dB以下的声源。对于"金耳朵"而言,当你把20赫兹以上的信息全盖掉以后，15赫兹、10赫兹的信息出来了，这个东西你本来是没有认知的，因此你就感觉没有安全感，负压感就是这么来的。没有安全感、想吐，这恰恰从某种程度上也说明了BOSE了的降噪降得太深了。不过，现在的耳机厂家考虑到了ANC的舒适性问题，大多数设计了降噪深度可选的功能。参考BOSE降噪耳机、1MORE全新的PRO版颈挂式降噪耳机，两家同样是采用ADI的主动降噪方案，但在实际体验效果上来说，后者并不会岀现负压感，但其降噪深度和前者也似乎差不多，这是怎么做到的呢？其实对于1MORE也好，或者其他品牌也好，通常会有专门做音频的工程师或者调音师。这些调音师的作用是在参数达标的情况下,怎么像PS一样把这个产品加点佐料,让大众更喜欢，这是他们做的事。他们可以在我们的基础上自由发挥，不同的品牌带来不一样的体验是很正常的。比如1MORE的PRO版颈挂式降噪耳机采用的

SignuiOSF*Olectmator'i2ChannohOAi i「厉1科;>0騙血SignuiOSF*Olectmator'i2ChannohOAi i「厉1科;>0騙血HPOUUxAOUT^xIIPOUT-x/LOUT-xDMICwCLKxDMICkxSOATAO1SOATAO1■r4-ChonmOulpu*tAS«CTwoSGfLalPorts：0andISOATAJ0S0ATA11SOATAO■■ADAU1787简化功能框图有没有一种方式，类似CPU睿频，让用户可以牺牲续航,在短时间内获得极致的性能呢？这里面坦白来说，，其实这种猜根是可以实现的，但这个主要还是看厂家愿不愿意去做这个东西。但其实对于ADI这种分离的方案来说,它与耳机的处理器是分开的,因此它的好处就是功耗也能分开来算：当开启主动降噪不听歌或者听歌不开主动降噪的时候,ANC相关部分组件就会全部休眠。但如果不是分离方案,蓝牙芯片自己搭载降噪的话其续航通常就会下降，因为它没法休眠一部分，这就是ADI降噪方案有很大优势的一个地方。在这里，其实ADI芯片里还藏有一些细节的东西，它可以为用户提供更好的安全性。比如在自动控制领域有一个叫做PIDt匕例积分微分控制逻辑，它的作用是可以根据