如何設(shè)計(jì)一款主動(dòng)降噪(ANC)耳機(jī)

如何設(shè)計(jì)一款主動(dòng)降噪〔ANC〕耳機(jī)風(fēng)一笑在我最新的文章〔主動(dòng)降噪開展趨勢、概念及技術(shù)難題〕中，闡述了現(xiàn)有的各種主動(dòng)降噪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對原始設(shè)計(jì)商和合約制造商在生產(chǎn)過程中遇到的困難進(jìn)行了分析。開發(fā)過程的另一個(gè)難題是主動(dòng)降噪回路本身。本文將表達(dá)以AS3415主動(dòng)降噪芯片為根底設(shè)計(jì)一款主動(dòng)降噪前饋耳機(jī)的必要步驟。在正式開始制作一款主動(dòng)降噪耳機(jī)之前，我們需要特殊的音頻設(shè)備。首先是用于測量頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的音頻測量系統(tǒng)。可選用的音頻設(shè)備有AudioPrecision、Brüel&Kjaer、Soundcheck等。除了音頻測量系統(tǒng)，人耳模擬裝置也是重要的一局部，如來自HeadAcoustics、Brüel&Kjaer或GRAS的IEC711〔入耳式主動(dòng)降噪產(chǎn)品〕或Head&Torso模擬器〔頭戴式及耳罩式產(chǎn)品〕。人耳模擬裝置可在量測耳機(jī)特性時(shí)用于模擬人耳響應(yīng)。這些人工耳集成了高度精確的麥克風(fēng)，能夠測量到人戴耳機(jī)時(shí)真實(shí)聽到的聲音。另外還需要一個(gè)揚(yáng)聲器，用于測量耳機(jī)的被動(dòng)衰減特性，這是濾波器設(shè)計(jì)的一局部。此揚(yáng)聲器應(yīng)該是雙向式揚(yáng)聲器，且最好是同軸雙向式揚(yáng)聲器，以保證從揚(yáng)聲器到耳機(jī)的高頻與低頻的傳輸距離相等。最后需要AS3415評估板，它包含了所有必要的連接器和前置放大器，使性能測試過程盡可能流暢地進(jìn)行。為什么要對耳機(jī)進(jìn)行性能測試？每個(gè)耳機(jī)的聲學(xué)表現(xiàn)都不盡相同。原因很簡單，因?yàn)槎鷻C(jī)采用不同的組件，如擁有不同阻抗和傳遞系數(shù)的揚(yáng)聲器。且每一款耳機(jī)的彈性襯墊以及前后聲腔也都不一樣。要制作主動(dòng)降噪耳機(jī)，了解耳機(jī)的特性很重要，這樣才能獲得良好的降噪性能。主動(dòng)降噪前饋耳機(jī)使用ECM麥克風(fēng)捕捉耳機(jī)外部的噪音。電子線路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抗噪反信號，然后通過揚(yáng)聲器播放出來。理論上，ANC回路是一個(gè)簡單的反相電路，但事實(shí)并非如此。由于耳機(jī)的不同組件會(huì)影響頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)，簡單的反相無法令A(yù)NC到達(dá)性能要求。為了解耳機(jī)在增益和相位方面的表現(xiàn)，ANC耳機(jī)的性能測試顯得尤為重要。為了得到理想的ANC濾波曲線，我們必須采用第一段提到的設(shè)備進(jìn)行三項(xiàng)測量。第一項(xiàng)測量是被動(dòng)衰減測量，如圖1所示。圖1：前饋性能測量一我們用同軸揚(yáng)聲器發(fā)出20Hz-22kHz的掃頻聲波，并測量到達(dá)人耳的聲波。到達(dá)人耳的聲波可使用人耳模擬器內(nèi)部的麥克風(fēng)來測量。這樣，我們測到耳機(jī)自身引起的噪聲衰減，即被動(dòng)衰減。如圖2所示，第二項(xiàng)是捕捉噪音的麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)測量。同樣，正弦掃頻信號通過同軸揚(yáng)聲器播放出來，并由ANC麥克風(fēng)收集。圖2：前饋性能測量二第三項(xiàng)，也就是最后一項(xiàng)，〔如圖3〕是耳機(jī)內(nèi)部揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)測量。20Hz至22kHz的掃頻信號由耳機(jī)內(nèi)部的揚(yáng)聲器發(fā)出，供測試使用的人工頭內(nèi)的麥克風(fēng)收集到該信號。該項(xiàng)檢測測量了降噪信號通過揚(yáng)聲器播出時(shí)的傳遞函數(shù)，以及信號是如何被人耳接收的。相位對這三項(xiàng)測量都十分重要，如果揚(yáng)聲器播出的抗噪信號與從環(huán)境進(jìn)入人耳的噪音具有相同的相位，噪音非但不會(huì)減弱，還會(huì)被放大。圖3：前饋性能測量三計(jì)算主動(dòng)降噪濾波器的理想值計(jì)算結(jié)果能夠很容易通過Excel表格得出，一個(gè)濾波器范例如圖6顯示。范例的頻率響應(yīng)及相位響應(yīng)說明，僅使用一個(gè)全頻寬的反相放大器是難以做出理想降噪信號的。開發(fā)濾波器一個(gè)好的ANC耳機(jī)的關(guān)鍵在于濾波器的設(shè)計(jì)。如果濾波器的設(shè)計(jì)不合理，即使再好的ANC芯片也沒用。濾波器設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡量匹配增益和相位響應(yīng)。在特定頻率匹配得越好，ANC性能也就越好。因?yàn)槭悄M信號處理，濾波器的仿真通常是通過spice仿真工具完成的。圖4是一個(gè)spice仿真線路，該線路表達(dá)了ANC麥克風(fēng)濾波器的信號路徑。圖4：Spice濾波器仿真范例ANC濾波器設(shè)計(jì)工程師的目的是將圖4濾波器仿真線路中的增益和相位響應(yīng)與計(jì)算出的理想曲線匹配起來?，F(xiàn)在人們使用的典型濾波器有一階低通濾波器、陷波濾波器、高架及低架濾波器。設(shè)計(jì)師必須了解不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及截止頻率、通帶、阻帶的計(jì)算方法。這當(dāng)然不是一個(gè)簡單的任務(wù)，尤其是當(dāng)他們不習(xí)慣使用spice仿真工具和模擬濾波器開發(fā)工具時(shí)。圖5：AS3415前饋濾波仿真工具為了解決這一問題，AS3415評估軟件整合了前饋濾波器仿真工具，如圖5所示。設(shè)計(jì)工程師能夠使用這一工具來設(shè)計(jì)理想的ANC濾波器。這一工具提供了一套預(yù)定義的濾波器架構(gòu)，取代了修改零件值及濾波器結(jié)構(gòu)的做法?；跒樵S多不同客戶模擬的濾波器結(jié)構(gòu)，這些預(yù)定義的濾波器結(jié)構(gòu)能夠涵蓋90%的ANC聲學(xué)需求。圖6顯示了該工具的模擬結(jié)果。綠色曲線代表理想的ANC增益和相位響應(yīng)，藍(lán)色曲線顯示了利用圖5的工具制作的ANC濾波器的模擬結(jié)果。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，有一點(diǎn)很重要，那就是我們要注重哪些頻段。ANC耳機(jī)的運(yùn)作有特定的頻率范圍，這并非由于AS3415本身的局限性，而是跟聲音的傳播速度及耳機(jī)的聲學(xué)特性相關(guān)。如果我們只關(guān)注理想濾波曲線中的增益響應(yīng)，設(shè)計(jì)符合該曲線的濾波器那么很容易。但問題是在ANC濾波器的設(shè)計(jì)中也得同時(shí)匹配相位。由于更高頻率下的相位幾乎旋轉(zhuǎn)了180度，設(shè)計(jì)出的濾波器很有可能與頻率響應(yīng)匹配，而不與相位匹配。取決于不同的耳機(jī)及其相位響應(yīng)，我們通常可以做到1.5kHz頻率以下的濾波器匹配。更高頻的局部需要盡可能的衰減。如果不衰減這些未匹配的高頻局部，可能會(huì)引入噪音。我們在低頻局部減弱噪音，但如果高頻的相位失配，就會(huì)導(dǎo)致噪音被放大。為了防止這一現(xiàn)象，我們會(huì)盡量在無法匹配的區(qū)域降低增益。圖6中的綠色透明區(qū)域代表我們通常能到達(dá)的增益和相位的最小失配。紅色區(qū)域是我們要盡量衰減的局部。高頻衰減和相位響應(yīng)之間必須到達(dá)一個(gè)良好的平衡。如果在高頻下衰減得太多，會(huì)影響到低頻的相位響應(yīng)，從而可能失去ANC的效果。圖6：模擬結(jié)果濾波器檢驗(yàn)及ANC測試得到令人滿意的濾波曲線以后，AS3415濾波器仿真工具同時(shí)提供材料清單輸出功能。由于該工具和AS3415的評估板相匹配，材料清單中列出的工程能夠被焊接在評估板上，以測試帶有該濾波器的ANC的性能。測試包含兩項(xiàng)內(nèi)容：一是耳機(jī)戴在人工頭上時(shí)的被動(dòng)衰減測試，二是翻開AS3415芯片并配置好前饋降噪功能時(shí)