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一文看懂主動降噪技術的前世今生(盤點降噪耳機產業鏈)

來源:聲學樓電聲技術        編輯:小月亮    2020-07-03 17:04:59     加入收藏

1978年,BOSE的創始人Amar G. Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機上,發現飛機引擎的噪音干擾了他戴耳機欣賞音樂的興致。這激發了他對主動降噪技術的研究動力,在下飛機之后就開始推導驗算,寫出了降噪耳機最原始的方程式。

  人類與噪音的斗爭史可以追溯到原始社會了。老祖宗們沒多少見識,打個雷都會嚇得捂住耳朵。這也算是人類最早的主動降噪手段了,屢試不爽,沿用至今。

  所以,隔音降噪的手段歷史悠久,發展至今也衍生出很多相關產品:耳塞、隔音棉、隔音板等。

  后來,人們發現這種手段的隔音效果有限,所以也在探索更多方法,比如用其他聲音來蓋過噪音,聽音樂就是一個不錯的選擇。

  于是,遇到隔壁裝修的時候,很多人選擇帶起耳機,或者直接把音響聲音調大。

  殊不知夾雜著噪音的音樂,本身也就成了噪音,所以這也不是降噪的終極奧義。為了聽到更加純粹的音樂,降噪耳機由此誕生。

  之前和BOSE的“攻城獅”交流,大師侃侃而談,講述了主動降噪技術的由來。

  1978年,BOSE的創始人Amar G. Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機上,發現飛機引擎的噪音干擾了他戴耳機欣賞音樂的興致。這激發了他對主動降噪技術的研究動力,在下飛機之后就開始推導驗算,寫出了降噪耳機最原始的方程式。

  BOSE的創始人Amar G. Bose博士

  世界上第一個降噪耳機由此誕生。與所有的高精尖技術一樣,這項在當時看來先進的技術最早也是應用在軍事領域。

  在槍林彈雨中聽得更清楚一點,才能穩操勝券。

  直到 1989 年,BOSE才終于將這項技術投入量產,專供飛行員使用。此耳機剛一面市就得到了美國軍方的大單。

  據說,美國軍方通過給飛行員/地勤人員佩戴降噪耳機,節省由于噪音致殘而需發放的補償金達2億美金。

  其實,主動降噪技術的原理不是很復雜,就是通過收集噪聲,然后經過內部的降噪電路運算后,發出這些噪聲的反向聲波,來抵消噪音。

  原理簡單,但在實際應用中有一個非常關鍵的問題,那就是噪音的種類、頻率都不一樣,而且噪音的傳遞速度很快,總不能噪音都已經傳遞到耳朵里了,您這邊還沒運算清楚,這就沒得玩了。

  所以,如何在不同的噪音傳遞到耳朵之前就能清楚辨別,然后釋放出對應的聲波進行抵消,這就是這項技術的關鍵。

  據工程師介紹,BOSE的解決辦法是提前預判:通過收集當前噪音,對未來馬上要產生的噪音進行預判,在恰當的時機給出“未來噪音”的反向聲波,從而在下一波噪音抵達戰場之前就能排兵布陣,然后從容消滅來犯之敵。

  如今,這項技術已經不再局限于耳機層面,而是即將應用于車艙內,但這種轉變又將帶來一個新的問題。

  車艙不像耳機那樣緊貼著耳朵,可以在很小的范圍內對噪音進行攔截,而車艙內想要做到這一點,這就需要營造一個聲波場:利用多個揚聲器協調作業制造聲波場,確保噪音可以無死角被抵消,這就需要考慮到更多的場景和更加細致的算法支持。

  目前,這項技術對于路噪的抑制已經初見成效。

  降低噪音通常所采用的三種降噪措施,即在聲源處降噪、在傳播過程中降噪及在人耳處降噪,都是被動的。為了主動地消除噪聲,人們發明了“有源消聲”這一技術。它的原理是:所有的聲音都由一定的頻譜組成,如果可以找到一種聲音,其頻譜與所要消除的噪聲完全一樣,只是相位剛好相反(相差180°),就可以將這噪聲完全抵消掉。關鍵就在于如何得到那抵消噪聲的聲音。實際采用的辦法是:從噪聲源本身著手,設法通過電子線路將原噪聲的相位倒過來。由此看來,有源消聲這一技術實際上是“以毒攻毒”。

  聲音是由物體振動產生的,而振動在彈性介質中的傳播形式就是聲波,處于一定頻率范圍內(20~20000Hz)的聲波作用于人耳就產生了聲音的感覺。噪聲(noise)通常定義為“不需要的聲音”(unwanted sound),是一種環境現象。人一生都暴露在有噪聲的環境,噪聲也是一種由人類各種活動產生的環境污染物。振動(vibration),是物體(或物體的一部分)沿直線或曲線并經過平衡位置所作的往復的周期性運動。它廣泛存在于自然界和工程界。

  既然振動是噪聲之源,減振降噪實踐中,通過解決振動就可以有效解決噪聲問題。在常見的噪聲治理中,金屬薄板振動如空氣動力機械的管壁,機器的外殼,車體和船體等一般均由薄金屬板制成,當設備運行時,這些薄板都會產生振動,進而輻射噪聲,像這類由金屬板結構振動引起的噪聲稱之為結構噪聲。對于這種金屬板輻射噪聲的有效控制方法,一是在設計上,盡量減少其噪聲輻射面積,去掉不必要的金屬板面;二是在金屬結構上涂敷一層阻尼涂料,利用阻尼材料抑制結構振動、減少噪聲,這種方法我們稱之為阻尼減振(vibration damping),便是一種主動的降噪技術。

  主動降噪技術(ANC)的 原理:

  主動降噪就是通過反相檢測麥克風的聲音或噪聲來減弱周圍環境的噪聲讓揚聲器出來的聲音聽起來更清晰。主動降噪技術的目標就是通過一個自適應濾波器把不想要的噪聲反相從而把噪聲約束到固定的范圍內。該系統必須要把揚聲器到麥克風的二階誤差考慮進去。主動降噪用到的主要原理是:FxLMS(過濾的最小均方差濾波器)。這個算法的會讓輸入到濾波器的錯誤信號急速銳減,從而達到降噪的目的。這個錯誤信號在期望值和FxLMS濾波器輸出值之間是有差異的。

  我們可以看一下這個算法的模型:

  輸入參數:

  參考輸入: 就是要消除的噪聲

  錯誤輸入:降噪引入的噪聲加揚聲器的輸出聲音

  適配開關

  參考濾波輸入:二級路徑的參考濾波信號,所謂的二級路徑就是FxLMS濾波器輸出值反饋到FxLMS濾波器的錯誤輸入。

  模型的輸出:

  降噪后的結果

  可調參數:

  自適應濾波器長度

  自適應步長

  泄漏因子

  下面的這個圖應該能夠很好的詮釋了這個流程:

  輸出y(n) 和輸入x(n)之間有個適量因子W,W的參數是通過下面公式計算出來的:

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

  這里的因子的含義:

  * XFilterd:濾波后的參數輸入矢量

  * alpha:步長參數

  * Leakage:泄漏因子

  * error(n): 本幀的錯誤采樣

  * energy:濾波后的參考矢量的平方值

  下圖是經過LxLMS濾波器后的效果圖:第一個是輸入噪聲,第三個為反相信號,中間的為濾波器的輸出信號。

  主動降噪耳機的分類

  主動降噪耳機按照控制電路分類可以分為模擬式和數字式,按照控制結構分類可以分為

  前饋式、反饋式和復合式。

  前饋式主動降噪耳機

  前饋式主動降噪耳機使用前饋式有源噪聲控制系統,該系統又稱開環式噪聲控制系統,這種系統一般需要被控制的初級聲場的聲音信息,通常稱為參考信號。參考信號送到前饋式控制器,經過控制器處理后,產生一個相應的控制信號,驅動揚聲器輸出該聲音信號產生次級聲場,進而和實際通過物理途徑中傳來的原始聲波信號相疊加,誤差傳聲器檢測初級聲場和次級聲場的疊加所形成的誤差信號,送到控制器中,控制器根據特定的算法調整次級聲源信號的強度。

  前饋式主動降噪耳機典型結構

  前饋式有源噪聲控制的優點是傳聲器接收的是純噪聲,并不接收喇叭發出的聲音,所以系統是一個開環,不會引起任何的閉環振蕩和嘯叫,因此可以獨立地調試電路,使降噪的效果達到最佳。但噪聲經過揚聲器并在揚聲器內多次反射,其大小和相位已發生變化,傳聲器采集到的噪聲與揚聲器內的噪聲將有很大的不同,且外部噪聲的方向性很強,難以使用同一電路滿足來自不同方向的噪聲的降噪要求,這些都是在前饋式有源降噪耳機的設計中需要克服的問題。

  反饋式主動降噪耳機

  反饋式主動降噪耳機使用反饋式有源噪聲控制系統,該系統又稱閉環式噪聲控制系統,它比前饋式系統少了一個參考傳聲器。雖然系統構成上得以簡化,但是應用范圍也大大縮小。

  反饋式主動降噪耳機典型結構

  反饋結構的有源噪聲控制系統不需要預先得到聲音信息,而是通過控制器調整誤差信號,從而降低噪聲。由于是反饋系統,當放大器的增益加大到一定程度時,系統將變得很不穩定,產生高頻嘯叫或低頻振蕩,為了維持控制系統的穩定,一般會要求控制器和誤差傳聲器的位置十分接近,這就限制了反饋式有源噪聲控制系統的應用范圍。

  復合式主動降噪耳機

  復合式主動降噪耳機結合了前饋式、反饋式的結構,次級聲源發出的信號將由參考傳聲器和誤差傳聲器共同決定。前饋式系統可以減弱參考傳聲器檢測到的與初級噪聲相關的噪聲,反饋式系統則對窄帶噪聲十分有效,兩者結合使用,可以增強有源噪聲控制系統的靈活性,從而比使用單一結構獲得更好的降噪效果,但缺點是系統實現復雜、成本也非常高。

  降噪算法模型與優化

  主動降噪技術的核心在于噪聲控制系統及算法性能。目前主要的研究熱點集中于自適應噪聲控制與算法優化。

  在有源噪聲控制系統中,信號處理的主要任務是解決噪聲中信號的提取問題。隨著數字降噪技術的發展,有源降噪算法的優化和研究工作依然有很多優化和進步的空間。

  產業鏈概要

  1989 年美國 Bose 公司第一個生產出了有源降噪的產品,專為飛行員設計的主動降噪耳機。經過多年發展,國外主動降噪耳機的研制和生產比較成熟,生產廠家也比較多,包括Bose、Sennheiser、Telex 及 NCT,日本的索尼、愛華等。

  目前國內生產廠商主要是深圳冠旭電子有限公司、歌爾聲學股份有限公司等。

  主要技術方案商與科研機構

  目前國際上主要的技術方案主要被大型音響公司掌握,它們是業內領先的技術方案商,也同時是產品布局和市場占有率較高的生產廠商。

  目前國內的科研機構以中科院聲學所和南京大學聲學所為主力在該領域開展研究工作,其研究方向不局限于耳機類產品。此外,深圳冠旭電子有限公司等生產廠商也擁有自己獨立的研發團隊,是目前國內具有代表性的擁有自主知識產權的技術方案商和生產廠商。

  主要生產廠商

  以上所列舉技術方案商和科研機構中,國內的科研機構尚無自主品牌的商業化耳機產品,更多的是開展與歌爾等國內公司的技術合作,作為其技術方案商參與主動降噪耳機的產品化、商業化運作。

  其余所列舉公司,都擁有自主品牌的主動降噪耳機產品。值得一提的是,歌爾聲學股份有限公司作為全球領先的微型揚聲器生產廠商,是蘋果、三星等大型終端廠商的重要供應商。

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