ANC主動降噪耳機(jī)開發(fā)

ANC主動降噪耳機(jī)開發(fā)（基于ADI的降噪方案）機(jī)械孤獨(dú) 東錢湖2021/03/24當(dāng)你每天乘坐交通工具的時(shí)候，是否注意到了周圍壞境的噪聲污染?面對耳朵里跑進(jìn)來惱人的噪音，除了堵住耳朵這種被動降噪的方法，我們現(xiàn)在還可以主動出擊，用聲音將噪聲消滅掉?，F(xiàn)在主動降噪耳機(jī)賣得很好,具體是怎么實(shí)現(xiàn)這個抵消噪聲的過程的呢？用一句話來概括主動降噪的原理：通過發(fā)出與噪聲相位相反，頻率、振幅相同的聲波與噪聲干涉實(shí)現(xiàn)相位抵消。圖1主動降噪原理想要理解這句話,首先要明白聲音是什么?相位和振幅是什么?干涉又是如何發(fā)生的。我們平時(shí)聽到的聲音,實(shí)質(zhì)上是空氣被擠壓并不斷傳遞的現(xiàn)象?？諝馐盏綌D壓,自然就會有壓縮部分和稀疏部分。這兩個部分彼此交錯出現(xiàn),交替一次視作一個周期,而一秒鐘內(nèi)變化多少個周期就叫做頻率。我們聽到的聲音往往由許多具有不同頻率的聲音組合而成，他們不光是頻率不同,被壓縮/拉伸的程度也不同,也就是振幅不一樣，聽起來聲音的大小也就不一樣。

聲音的波形圖2聲音的波形圖2相位的意思也很簡單，某一個時(shí)刻聲波處于一個周期內(nèi)的位置就是相位。如果我們規(guī)定空氣被壓縮的最厲害的地方是相位的零點(diǎn),我們把要把其轉(zhuǎn)成正弦波信號,—個周期就是時(shí)間是1T/360度。那么半個周期之后，相位是180度，空氣變得最為稀疏的。—JUWMicrophonepicksupnoise■—JUWMicrophonepicksupnoise■Intheorytheresultis

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NONOISE■■■■■/圖3主動降噪耳機(jī)的結(jié)構(gòu)想要產(chǎn)生用于抵消噪聲的聲波,首先要得到噪聲的信息才可以。主動降噪耳機(jī)設(shè)有反饋麥克風(fēng)用于采集壞境中的噪聲信號。這里有一個先后順序的問題：先采集噪聲，但是要與噪聲同時(shí)產(chǎn)生抵消音才自影降噪。所以處理器會根據(jù)噪聲進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測出下一時(shí)刻噪聲的情況，并產(chǎn)生相應(yīng)抵消聲波。為了保證降噪質(zhì)量,還需要f反饋麥克風(fēng)用來檢測所合成后的噪聲是否真的變小了。這時(shí)處理器會根據(jù)這個反饋麥克風(fēng)測量到的結(jié)果,對處理過程進(jìn)行調(diào)整從而進(jìn)—步降低合成后的噪聲音量,這叫做自適應(yīng)過程。好比處理器變聰明了,能夠根據(jù)消噪的效果不斷調(diào)整自己，以達(dá)到最佳降噪效果。而對于這個不能再簡單的概念來說,卻沒有任何一款主動降噪耳機(jī)能夠做到將所有聲音都消除。目前，市面上的優(yōu)秀主動降噪耳機(jī)產(chǎn)品屈指可數(shù)，比如眾所周知的BOSE的系列主動降噪耳機(jī)、被管為降噪圈新秀的1MORE高清降噪圏鐵藍(lán)牙耳機(jī)Pro版，它們都采用了AnalogDevice公司的主動降噪解決方案。具體來說,當(dāng)前的數(shù)字式主動降噪也可以分為兩種,第一種是前饋式降噪：前饋式降噪簡單來說就是在耳朵邊上放一個麥克風(fēng)去監(jiān)聽噪聲，然后在此基礎(chǔ)上對耳機(jī)內(nèi)來一個噪聲反向抵消。這種降噪模式有一個問題，僅靠一個單獨(dú)麥克風(fēng),很難降到純粹干凈的程度。所以現(xiàn)在大家都在關(guān)注有更極致降噪潛力的另一種降噪架構(gòu)技術(shù)：混合降噪，ADI是首批開發(fā)數(shù)字混合降噪的公司之一?；旌辖翟霑诙渑赃呍偌右粋€麥克風(fēng)來監(jiān)聽耳機(jī)內(nèi)的噪聲，然后通過監(jiān)測殘留噪聲、從而實(shí)現(xiàn)反饋端更深層的降噪。這是兩個循壞,我們稱之為Hybrid,目前1MORE高清降噪圈鐵藍(lán)牙耳機(jī)Pro版就是使用的這種方案。ANC（主動降噪）芯片通過內(nèi)置麥克風(fēng)同時(shí)監(jiān)聽外部源產(chǎn)生的噪聲和耳機(jī)揚(yáng)聲器播放的聲音。主動降噪系統(tǒng)內(nèi)部主要分為ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、DSP（數(shù)字信號處理）、DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換），在理論上來說，這些信號的處理過程肯定是需要一定延遲的。那么這些聲波為什么就能噪聲反相位對齊？是否會岀現(xiàn)疊加的情況呢？聲波的速度340米/秒,在降噪麥克風(fēng)與耳機(jī)單元的距離,如此短的情況下,意味著整個主動降噪過程需要在極短時(shí)間內(nèi)完成。在這方面，ADI已經(jīng)可以將從ADC到DAC的整個鏈路上的延遲做到在5微秒內(nèi)完成，可以說是非常厲害了,更低的延時(shí)，代表看芯片有足夠的時(shí)間和空間去雕刻完美畫像讓降噪實(shí)現(xiàn)更高的精細(xì)化。主動降噪的概念與放音不同的是，有的耳機(jī)頻響曲線看起來非常漂亮，但降噪效果—般般；有的耳機(jī)曲線看起來一般，但降噪?yún)s能讓人一秒沉入海底，這是兩個概念。通常來講，ADI會用盡量客觀的量化曲線，通過人耳模型的預(yù)測機(jī)制去做一套自己的評判體系，該體系幾乎可以跟人的聽感區(qū)域掛鉤了，這里面會許多數(shù)學(xué)模型。這些判據(jù)最終會綜合映射出來一個科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)，ADI內(nèi)部在這方面擁有一套完善的降噪能力評估機(jī)制。在噪聲信號的相位對齊問題上,主動降噪耳機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)會測量耳機(jī)和人耳耦合的部分，確保內(nèi)部尺寸與噪聲通過時(shí)的相位完全匹配的。理論上來講，如果測出來沒有任何誤差,在此基礎(chǔ)上加入相位完全反轉(zhuǎn)的信號，便可實(shí)現(xiàn)降噪。對于當(dāng)前市面上的主動降噪耳機(jī)來說，似乎還沒有一款真正能夠把噪聲都完美消掉的耳機(jī)產(chǎn)品。對于ADI來說，5微秒的速度應(yīng)該足以做到更強(qiáng)大的性能，這是怎么回事呢？在延時(shí)上,5微秒的延遲是ADI能夠做到的水平，但不代表真實(shí)應(yīng)用中都需要這么設(shè)計(jì)。原因有很多：比如、功耗、降噪性能、耳機(jī)振膜的特性，開發(fā)者必須要在續(xù)航、聲結(jié)構(gòu)和ANC的性能間選一個平衡點(diǎn)。但不可否認(rèn)的是,更低的延遲,讓設(shè)計(jì)者更從容的匹配干干萬萬的耳朵（也帶來了更大的施展空間和產(chǎn)品差異化的可能性）。其實(shí)對于很多用戶來說，BOSE耳機(jī)雖然一直都是高性能消噪的代表性品牌，但它也會帶來一些負(fù)面的體驗(yàn)，比如在打開降噪模式后會岀現(xiàn)一種室息感，無法呼吸并且還會有些頭暈，這是什么造成的呢？如果你在使用降噪耳機(jī)的時(shí)候出現(xiàn)了這種問題,不用擔(dān)心，這反而能說明你是個"金耳朵"。降噪耳機(jī)帶來的這種類似"負(fù)壓感"主要源于耳機(jī)降噪深度太深，從心理聲學(xué)上產(chǎn)生的不適感。在日常生活中,有很多讓我們感覺很安靜的壞境，比如夜深人靜沒有人的家里。聽不到并不代表沒有，其實(shí)這種時(shí)候還是會有很多不同頻率噪聲會出現(xiàn)，只是我們?nèi)硕帘蔚粢徊糠?，比如可能很多人一輩子沒有聽過24dB以下的聲源。對于"金耳朵"而言,當(dāng)你把20赫茲以上的信息全蓋掉以后，15赫茲、10赫茲的信息出來了，這個東西你本來是沒有認(rèn)知的，因此你就感覺沒有安全感，負(fù)壓感就是這么來的。沒有安全感、想吐，這恰恰從某種程度上也說明了BOSE了的降噪降得太深了。不過，現(xiàn)在的耳機(jī)廠家考慮到了ANC的舒適性問題，大多數(shù)設(shè)計(jì)了降噪深度可選的功能。參考BOSE降噪耳機(jī)、1MORE全新的PRO版頸掛式降噪耳機(jī)，兩家同樣是采用ADI的主動降噪方案，但在實(shí)際體驗(yàn)效果上來說，后者并不會岀現(xiàn)負(fù)壓感，但其降噪深度和前者也似乎差不多，這是怎么做到的呢？其實(shí)對于1MORE也好，或者其他品牌也好，通常會有專門做音頻的工程師或者調(diào)音師。這些調(diào)音師的作用是在參數(shù)達(dá)標(biāo)的情況下,怎么像PS一樣把這個產(chǎn)品加點(diǎn)佐料,讓大眾更喜歡，這是他們做的事。他們可以在我們的基礎(chǔ)上自由發(fā)揮，不同的品牌帶來不一樣的體驗(yàn)是很正常的。比如1MORE的PRO版頸掛式降噪耳機(jī)采用的

SignuiOSF*Olectmator'i2ChannohOAi i「厲1科;>0騙血SignuiOSF*Olectmator'i2ChannohOAi i「厲1科;>0騙血HPOUUxAOUT^xIIPOUT-x/LOUT-xDMICwCLKxDMICkxSOATAO1SOATAO1■r4-ChonmOulpu*tAS?CTwoSGfLalPorts：0andISOATAJ0S0ATA11SOATAO■■ADAU1787簡化功能框圖有沒有一種方式，類似CPU睿頻，讓用戶可以犧牲續(xù)航,在短時(shí)間內(nèi)獲得極致的性能呢？這里面坦白來說，，其實(shí)這種猜根是可以實(shí)現(xiàn)的，但這個主要還是看廠家愿不愿意去做這個東西。但其實(shí)對于ADI這種分離的方案來說,它與耳機(jī)的處理器是分開的,因此它的好處就是功耗也能分開來算：當(dāng)開啟主動降噪不聽歌或者聽歌不開主動降噪的時(shí)候,ANC相關(guān)部分組件就會全部休眠。但如果不是分離方案,藍(lán)牙芯片自己搭載降噪的話其續(xù)航通常就會下降，因?yàn)樗鼪]法休眠一部分，這就是ADI降噪方案有很大優(yōu)勢的一個地方。在這里，其實(shí)ADI芯片里還藏有一些細(xì)節(jié)的東西，它可以為用戶提供更好的安全性。比如在自動控制領(lǐng)域有一個叫做PIDt匕例積分微分控制邏輯，它的作用是可以根據(jù)