耳機主動降噪技術的分析與研究

馮志鴻

摘要：因耳機攜帶方便且靈活，具有較強的私密性，大部分人使用耳機聽音樂及接打電話。但一些地區噪音污染較嚴重，在室外若使用普通耳機只能通過提高音量來掩蓋噪音，對聽力會造成很大的影響，降噪耳機就在此背景下誕生了。本文將對耳機主動降噪技術進行系統分析，并針對性的提出相應見解以供行業參考。

關鍵詞：耳機;主動降噪技術;分析

中圖分類號：TN642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0114-02

1 主動降噪耳機概述

降噪耳機主要分為兩類，主動降噪與被動降噪。被動降噪耳機主要是通過物理隔絕的方式降低外界噪音的干擾，讓其與耳朵隔絕開來，對于一些高頻率的聲音具有不錯的效果，通常可以將外界的噪音降低到15～20dB。但是對于復雜環境的降噪，如存在大量低頻率噪聲卻顯得束手無策。被動降噪耳機的成本較低，效果存在一定的局限性，因為被動降噪耳機中具有高密度的隔絕材料，因此佩戴舒適度上就會較差。主動降噪耳機則可以通過耳機內所攜帶的降噪系統產生與外界噪聲相等的反向波，將噪聲進行中和處理，進而實現降噪效果。它是從消除噪聲出發，主動對噪聲進行處理，耳機具有專業的降噪電路，主動降噪耳機對于一些低頻噪聲具有顯著的效果。

2 主動降噪耳機的工作原理分析

通過對聲音特性分析可知，基本所有聲音都是由相應的頻譜與能量構成，若能夠找出一種聲音與頻譜所需要消除的噪聲完全一樣，但是反向相反，之后當兩者相遇疊加后從理論上是可以消除噪聲。實際采用的方式是先通過耳機內部所攜帶的微型麥克風將耳朵所能夠聽到的各種噪聲收集起來，之后將噪聲信號傳輸至降噪電路，通過降噪系統的實時運算進行處理，之后再產出與噪聲相同但相位相反的聲波，這樣當耳機在播放音樂時加入與外界相反的波就可以有效消除噪聲。這個過程中最主要的階段是當主動降噪耳機收集到復雜的環境噪聲后，傳輸給降噪系統進行分析，之后通過耳機攜帶的揚聲器實時產生與噪聲相同香味相反的波，若此過程無法實現實時將難以實現最佳的降噪效果，因此耳機的主動降噪技術就顯得尤為重要。

3 耳機主動降噪系統分析

通過對耳機主動降噪原理分析可知，耳機主動降噪系統能夠產生抗噪信號是通過對原噪音信號處理所得的，目的就是為了讓外界環境所產生的噪音能夠相互抵消。

3.1 耳機主動降噪開環系統分析

耳機主動降噪系統通過所攜帶的噪音采集器收集噪音并進行處理，產生相對應的抗噪信號。當處于開環系統中時，傳聲器主要放置于耳機耳罩的外部，將所收集到的噪音信號經過方向放大器處理獲得相對應的抗噪信號，之后再與所獲得的噪音信號相互融合抵消，就能夠降低外界噪音影響。抗噪信號是非常重要的，它能夠降低外界噪音的影響，讓原始的聲音更加清晰。通常主動降噪開環系統能夠降低大約15～20dB，耳機主動降噪開環系統最大的優勢就是設計簡單，與其它系統類型的主動降噪耳機相比較，雖可以滿足大部分人的需求，但若使用者對音質有著更高的要求，此系統就無法有效實現。因為主動降噪開環系統的噪音采集器在耳罩外，因此所收集到的噪音與耳罩內實際聽到的噪音是不同的，經過系統處理所得出的抗噪信號也不一樣。當噪音經過耳罩再加上內部的反射作用，噪聲已經發生了一定程度的改變。

3.2 耳機主動降噪閉環系統分析

若將降噪耳機的噪音收集器至于耳罩內部換能器的前方，那么耳機主動降噪系統就可以根據所收集到的噪音信號生成一個更為精準的抗噪信號。此時噪音收集器所采集到的噪音既包括耳機內部換能器所發出的聲音，同時又有耳罩內部所產生的噪音，也就是人們能夠感受到的噪音，這個信號可以被作為糾錯信號，因此整個系統被稱之為“閉環系統”。實際上，噪音是可以被看作非線性的變化，通過在系統內部進入校正信號來降低或者消除這種變化。耳機的噪音收集器會在耳罩內，所采集到的信息為混合聲，所以系統需要對混合音進行處理與分離，再對反向的抗噪信號進行相應的補償，這樣才可以更好的消除閉環系統中的噪音。因為抗噪信號需要與所需要的信號重新進行結合，最后在耳機內的換能器中進行重現，這是一個反饋的過程，所以在某些情況下可能會存在不穩定的現象發生。

3.3 耳機主動降噪自適應系統分析

上述所講的開環與閉環系統都是通過采用模擬濾波器的方式來產生相對應的抗噪信號，而數字化的濾波器功能會更加強大，設置也非常簡單。主動降噪自適應系統中數字濾波器所采用的方法叫做自適應濾波法，它能夠通過強大的計算能力同時實現對相位及幅度錯誤進行糾正。以頭戴式主動降噪自適應系統為例，它會通過耳機頂部的噪聲收集器將所采集的噪音信號作為參考信號，之后自適應濾波器利用收集信號經過耳機系統模型的轉移函數來預測耳機內部可能產生的噪音，最后系統將預測噪音反相后與所需要的音頻信號進行相互結合疊加，最終傳到至耳機的換能器。在耳罩內的噪音收集器可以獲得實際的噪音并通過處理產生一個精準的誤差信號，進而使得濾波器經過處理可以獲得更加精準的抗造信號。

4 主動降噪耳機的缺點及未來發展分析

4.1 主動降噪耳機的缺點分析

近幾年雖然耳機主動降噪技術得到了顯著的提升，但是卻仍然存在一些缺點亟待解決。首先，我們需要明白的是降噪過程并非是在電路內將噪音進行消除，而是利用聲學原理在特定的空間內將噪音進行抵消。若主動降噪系統設計的不夠完善，所產生的抗噪信號與外界環境噪音未能相互抵消而是疊加，那么就不是降低噪音，反而會提高噪音。實際上耳機內的降噪系統不可能應對所有的噪音環境，總有難以處理的情況，這也是主動降噪耳機企業所需要解決的主要問題。對于主動降噪耳機用戶而言，高品質的主動降噪耳機價格較為昂貴，同時因耳機內部所需要的設備較多，會額外增加耳機的重量。除此之外，有些主動降噪耳機在低頻環境下應對快速變換的噪音時可能會出現失效現象，進而引起絲絲的電流聲。最后部分主動降噪耳機具有一定局限性，如在馬路上使用可能會忽略汽車喇叭聲音，這些都是用戶在使用前所需要考慮到的問題。

4.2 主動降噪耳機未來發展分析

對噪音控制的根本途徑就是對聲源進行有效控制。現如今，數字化降噪技術已逐漸成為耳機主動降噪技術的主流，將降噪過程數字化與智能化處理，這也是主動降噪耳機重要的改革方向。在主動降噪耳機領域之中，先進的技術以及優秀的品質一直是成功的首要條件。但是對于消費者而言，除了品質之外價格以及兼容性也是非常重要的。若價格過高將會阻擋大部分的消費者，同時也超越了耳機產品的實際范圍。因此主動耳機未來發展的趨勢必然會朝著高品質、性能強、產品豐富及價格適中的方向發展。

5 結語

綜上所述，耳機主動降噪技術是復雜的，但是他們降噪的基本原理基本都是一樣。相關工作人員應當積極學習先進的主動降噪技術，將其應用于耳機產品之中，這樣既可以保證耳機的主動降噪效果，又能夠確保耳機音質不會受損，為廣大消費者帶來更多的新型降噪耳機產品。

參考文獻

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Analysis and Research on Active Noise Reduction Technology of Earphone

FENG Zhi-hong

（Shenzhen Guanxu Electronics Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong? 518117）

Abstract：Because headphones are easy to carry and flexible， and have strong privacy， most people use headphones to listen to music and answer telephone calls. However， noise pollution is serious in some areas. If ordinary headphones are used outdoors， noise can only be concealed by increasing the volume， which will have a great impact on hearing. Noise reduction headphones were born under this background. This paper will systematically analyze the active noise reduction technology of headphones， and put forward corresponding opinions for industry reference.

Key words：headphones;active noise reduction technology;analysis