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一文看懂主动降噪技术的前世今生(盘点降噪耳机产业链)

来源:声学楼电声技术        编辑:小月亮    2020-07-03 17:04:59     加入收藏

1978年,BOSE的创始人Amar G. Bose博士在从欧洲飞往波士顿的飞机上,发现飞机引擎的噪音干扰了他戴耳机欣赏音乐的兴致。这激发了他对主动降噪技术的研究动力,在下飞机之后就开始推导验算,写出了降噪耳机最原始的方程式。

  人类与噪音的斗争史可以追溯到原始社会了。老祖宗们没多少见识,打个雷都会吓得捂住耳朵。这也算是人类最早的主动降噪手段了,屡试不爽,沿用至今。

  所以,隔音降噪的手段历史悠久,发展至今也衍生出很多相关产品:耳塞、隔音棉、隔音板等。

  后来,人们发现这种手段的隔音效果有限,所以也在探索更多方法,比如用其他声音来盖过噪音,听音乐就是一个不错的选择。

  于是,遇到隔壁装修的时候,很多人选择带起耳机,或者直接把音响声音调大。

  殊不知夹杂着噪音的音乐,本身也就成了噪音,所以这也不是降噪的终极奥义。为了听到更加纯粹的音乐,降噪耳机由此诞生。

  之前和BOSE的“攻城狮”交流,大师侃侃而谈,讲述了主动降噪技术的由来。

  1978年,BOSE的创始人Amar G. Bose博士在从欧洲飞往波士顿的飞机上,发现飞机引擎的噪音干扰了他戴耳机欣赏音乐的兴致。这激发了他对主动降噪技术的研究动力,在下飞机之后就开始推导验算,写出了降噪耳机最原始的方程式。

  BOSE的创始人Amar G. Bose博士

  世界上第一个降噪耳机由此诞生。与所有的高精尖技术一样,这项在当时看来先进的技术最早也是应用在军事领域。

  在枪林弹雨中听得更清楚一点,才能稳操胜券。

  直到 1989 年,BOSE才终于将这项技术投入量产,专供飞行员使用。此耳机刚一面市就得到了美国军方的大单。

  据说,美国军方通过给飞行员/地勤人员佩戴降噪耳机,节省由于噪音致残而需发放的补偿金达2亿美金。

  其实,主动降噪技术的原理不是很复杂,就是通过收集噪声,然后经过内部的降噪电路运算后,发出这些噪声的反向声波,来抵消噪音。

  原理简单,但在实际应用中有一个非常关键的问题,那就是噪音的种类、频率都不一样,而且噪音的传递速度很快,总不能噪音都已经传递到耳朵里了,您这边还没运算清楚,这就没得玩了。

  所以,如何在不同的噪音传递到耳朵之前就能清楚辨别,然后释放出对应的声波进行抵消,这就是这项技术的关键。

  据工程师介绍,BOSE的解决办法是提前预判:通过收集当前噪音,对未来马上要产生的噪音进行预判,在恰当的时机给出“未来噪音”的反向声波,从而在下一波噪音抵达战场之前就能排兵布阵,然后从容消灭来犯之敌。

  如今,这项技术已经不再局限于耳机层面,而是即将应用于车舱内,但这种转变又将带来一个新的问题。

  车舱不像耳机那样紧贴着耳朵,可以在很小的范围内对噪音进行拦截,而车舱内想要做到这一点,这就需要营造一个声波场:利用多个扬声器协调作业制造声波场,确保噪音可以无死角被抵消,这就需要考虑到更多的场景和更加细致的算法支持。

  目前,这项技术对于路噪的抑制已经初见成效。

  降低噪音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,都是被动的。为了主动地消除噪声,人们发明了“有源消声”这一技术。它的原理是: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。关键就在于如何得到那抵消噪声的声音。实际采用的办法是:从噪声源本身着手,设法通过电子线路将原噪声的相位倒过来。由此看来,有源消声这一技术实际上是“以毒攻毒”。

  声音是由物体振动产生的,而振动在弹性介质中的传播形式就是声波,处于一定频率范围内(20~20000Hz)的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。噪声(noise)通常定义为“不需要的声音”(unwanted sound),是一种环境现象。人一生都暴露在有噪声的环境,噪声也是一种由人类各种活动产生的环境污染物。振动(vibration),是物体(或物体的一部分)沿直线或曲线并经过平衡位置所作的往复的周期性运动。它广泛存在于自然界和工程界。

  既然振动是噪声之源,减振降噪实践中,通过解决振动就可以有效解决噪声问题。在常见的噪声治理中,金属薄板振动如空气动力机械的管壁,机器的外壳,车体和船体等一般均由薄金属板制成,当设备运行时,这些薄板都会产生振动,进而辐射噪声,像这类由金属板结构振动引起的噪声称之为结构噪声。对于这种金属板辐射噪声的有效控制方法,一是在设计上,尽量减少其噪声辐射面积,去掉不必要的金属板面;二是在金属结构上涂敷一层阻尼涂料,利用阻尼材料抑制结构振动、减少噪声,这种方法我们称之为阻尼减振(vibration damping),便是一种主动的降噪技术。

  主动降噪技术(ANC)的 原理:

  主动降噪就是通过反相检测麦克风的声音或噪声来减弱周围环境的噪声让扬声器出来的声音听起来更清晰。主动降噪技术的目标就是通过一个自适应滤波器把不想要的噪声反相从而把噪声约束到固定的范围内。该系统必须要把扬声器到麦克风的二阶误差考虑进去。主动降噪用到的主要原理是:FxLMS(过滤的最小均方差滤波器)。这个算法的会让输入到滤波器的错误信号急速锐减,从而达到降噪的目的。这个错误信号在期望值和FxLMS滤波器输出值之间是有差异的。

  我们可以看一下这个算法的模型:

  输入参数:

  参考输入: 就是要消除的噪声

  错误输入:降噪引入的噪声加扬声器的输出声音

  适配开关

  参考滤波输入:二级路径的参考滤波信号,所谓的二级路径就是FxLMS滤波器输出值反馈到FxLMS滤波器的错误输入。

  模型的输出:

  降噪后的结果

  可调参数:

  自适应滤波器长度

  自适应步长

  泄漏因子

  下面的这个图应该能够很好的诠释了这个流程:

  输出y(n) 和输入x(n)之间有个适量因子W,W的参数是通过下面公式计算出来的:

  W = (1- alpha * Leakage)* W + alpha * error(n) * XFilterd/ energy

  这里的因子的含义:

  * XFilterd:滤波后的参数输入矢量

  * alpha:步长参数

  * Leakage:泄漏因子

  * error(n): 本帧的错误采样

  * energy:滤波后的参考矢量的平方值

  下图是经过LxLMS滤波器后的效果图:第一个是输入噪声,第三个为反相信号,中间的为滤波器的输出信号。

  主动降噪耳机的分类

  主动降噪耳机按照控制电路分类可以分为模拟式和数字式,按照控制结构分类可以分为

  前馈式、反馈式和复合式。

  前馈式主动降噪耳机

  前馈式主动降噪耳机使用前馈式有源噪声控制系统,该系统又称开环式噪声控制系统,这种系统一般需要被控制的初级声场的声音信息,通常称为参考信号。参考信号送到前馈式控制器,经过控制器处理后,产生一个相应的控制信号,驱动扬声器输出该声音信号产生次级声场,进而和实际通过物理途径中传来的原始声波信号相叠加,误差传声器检测初级声场和次级声场的叠加所形成的误差信号,送到控制器中,控制器根据特定的算法调整次级声源信号的强度。

  前馈式主动降噪耳机典型结构

  前馈式有源噪声控制的优点是传声器接收的是纯噪声,并不接收喇叭发出的声音,所以系统是一个开环,不会引起任何的闭环振荡和啸叫,因此可以独立地调试电路,使降噪的效果达到最佳。但噪声经过扬声器并在扬声器内多次反射,其大小和相位已发生变化,传声器采集到的噪声与扬声器内的噪声将有很大的不同,且外部噪声的方向性很强,难以使用同一电路满足来自不同方向的噪声的降噪要求,这些都是在前馈式有源降噪耳机的设计中需要克服的问题。

  反馈式主动降噪耳机

  反馈式主动降噪耳机使用反馈式有源噪声控制系统,该系统又称闭环式噪声控制系统,它比前馈式系统少了一个参考传声器。虽然系统构成上得以简化,但是应用范围也大大缩小。

  反馈式主动降噪耳机典型结构

  反馈结构的有源噪声控制系统不需要预先得到声音信息,而是通过控制器调整误差信号,从而降低噪声。由于是反馈系统,当放大器的增益加大到一定程度时,系统将变得很不稳定,产生高频啸叫或低频振荡,为了维持控制系统的稳定,一般会要求控制器和误差传声器的位置十分接近,这就限制了反馈式有源噪声控制系统的应用范围。

  复合式主动降噪耳机

  复合式主动降噪耳机结合了前馈式、反馈式的结构,次级声源发出的信号将由参考传声器和误差传声器共同决定。前馈式系统可以减弱参考传声器检测到的与初级噪声相关的噪声,反馈式系统则对窄带噪声十分有效,两者结合使用,可以增强有源噪声控制系统的灵活性,从而比使用单一结构获得更好的降噪效果,但缺点是系统实现复杂、成本也非常高。

  降噪算法模型与优化

  主动降噪技术的核心在于噪声控制系统及算法性能。目前主要的研究热点集中于自适应噪声控制与算法优化。

  在有源噪声控制系统中,信号处理的主要任务是解决噪声中信号的提取问题。随着数字降噪技术的发展,有源降噪算法的优化和研究工作依然有很多优化和进步的空间。

  产业链概要

  1989 年美国 Bose 公司第一个生产出了有源降噪的产品,专为飞行员设计的主动降噪耳机。经过多年发展,国外主动降噪耳机的研制和生产比较成熟,生产厂家也比较多,包括Bose、Sennheiser、Telex 及 NCT,日本的索尼、爱华等。

  目前国内生产厂商主要是深圳冠旭电子有限公司、歌尔声学股份有限公司等。

  主要技术方案商与科研机构

  目前国际上主要的技术方案主要被大型音响公司掌握,它们是业内领先的技术方案商,也同时是产品布局和市场占有率较高的生产厂商。

  目前国内的科研机构以中科院声学所和南京大学声学所为主力在该领域开展研究工作,其研究方向不局限于耳机类产品。此外,深圳冠旭电子有限公司等生产厂商也拥有自己独立的研发团队,是目前国内具有代表性的拥有自主知识产权的技术方案商和生产厂商。

  主要生产厂商

  以上所列举技术方案商和科研机构中,国内的科研机构尚无自主品牌的商业化耳机产品,更多的是开展与歌尔等国内公司的技术合作,作为其技术方案商参与主动降噪耳机的产品化、商业化运作。

  其余所列举公司,都拥有自主品牌的主动降噪耳机产品。值得一提的是,歌尔声学股份有限公司作为全球领先的微型扬声器生产厂商,是苹果、三星等大型终端厂商的重要供应商。

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