asp装修公司网站源码,广告设计入门到精通,网站制作营销型,虚拟空间能建多个网站降噪耳机已经越来越普及#xff0c;降噪耳机要想实现好的降噪效果面临很多挑战#xff0c;其中如何正确选用麦克风又是一项具有重要影响的基础工作。本文目的旨在帮助读者正确选用麦克风以实现更好的耳机降噪性能#xff0c;当然也可以帮助您更好地了解降噪耳机原理与实现方… 降噪耳机已经越来越普及降噪耳机要想实现好的降噪效果面临很多挑战其中如何正确选用麦克风又是一项具有重要影响的基础工作。本文目的旨在帮助读者正确选用麦克风以实现更好的耳机降噪性能当然也可以帮助您更好地了解降噪耳机原理与实现方式。1、降噪耳机简介当环境噪声频率在(1 kHz)低频情况下无源噪声消除技术无法提供理想的效果。主动降噪(ANC)通过拾取噪声信号并生成“反相噪声”信号来消除原始噪声从而实现实时降噪效果当前的降噪耳机基本采用这种技术来实现降噪功能。在街道商场地铁火车站飞机高铁等等嘈杂的环境中佩戴降噪耳机会取得非常好的效果。ANC耳机设计通常有前馈反馈和混合式三种方案。耳机中麦克风的数量和位置决定了ANC方案配置。如图1所示为前馈方案。外部放置的麦克风拾取环境噪声经过芯片反相后的噪声从扬声器中播放出来与原先外部噪声叠加消除用户最终听到干净的音乐或节目信号。无论采用哪种方案在降噪耳机中实现ANC都面临两个挑战。第一是需要使用麦克风可靠地捕获外部环境噪声(20Hz-20 kHz)这时如何正确选用麦克风至关重要这是本文的重点。第二个挑战是自适应降噪算法这是由噪声的频率幅度和相位特性随时间变化的特征影响所致。本文重点介绍解决麦克风规格确定与应用问题。图1前馈降噪耳机2、选择麦克风的主要规格指标麦克风几个重要的指标包括信噪比(SNR)声学过载点(AOP)总谐波失真(THD)截止频率灵敏度相位响应群时延和电流消耗。对于降噪耳机的设计而言尽管所有这些规范都起作用但影响麦克风选择的关键参数是SNRAOP截止频率相位响应群延迟和电流消耗当然不同产品的截止频率和相位响应的差异也非常重要。SNR信噪比麦克风的固有本底噪声需要低于周围环境噪声以便可靠地捕获噪声信号。因此在安静的环境中需要具有高SNR的麦克风。如果麦克风的SNR较高则噪声消除算法的实现将变得更加容易。举例一只50dB SNR的MIC其本底噪声级为44dBSPL如果环境噪声低于此数值MIC噪声就高于环境噪声算法降噪就很难实现。但如果MIC SNR为70dB则其本底噪声级为24dBSPL这个数值低于日常生活中的绝大多数噪声环境已经接近消声室水平了算法实现降噪会更容易。AOP(声过载点)当距离扬声器足够近时麦克风可能拾取到很大的声压(小空间中有时是膜挠动)以致超过麦克风的AOP。当声压超过AOP时失真会大幅提高如10以上的失真这样就很难完全消除耳机中的噪音。所以需要分析麦克风的THD与SPL(声压级)曲线并选择失真度低(1)的麦克风。麦克风的AOP必须足够高以捕获周围环境中所有嘈杂噪声。截止频率麦克风将需要具有较低的截止频率规格(30Hz或更低)以便还可以可靠地捕获低频噪声信号。如果截止频率较高则ANC系统将无法有效去除非常低频的噪声信号。如果多个麦克风之间的截止频率变化很大则ANC算法的实现将变得富有挑战性并且耳机的低频噪声消除性能将不一致所以对于截止频率的公差必须非常严格。相位响应和群延迟相位响应是整个音频频带上的相位变化。麦克风的相位响应曲线使您可以深入了解麦克风如何处理输入信号的不同频率分量之间的相位关系。群延迟是麦克风的频率相关延迟是相位响应的导数。它描述了不同频率的响应通过麦克风从声学输入到电子输出时所引起的时间延迟。有必要将群延迟保持在最小且在整个频率上保持恒定以防止由于相位失准而导致输出信号失真。如果麦克风测量到的噪声信号已经失真则无法进行有效消除。所以只有截止频率相位响应曲线的变差很小ANC算法才可以有效地从系统中消除噪声。电流消耗电流消耗是选择麦克风时要考虑的非常关键的规格特别是对于始终开启和电池供电的耳机应用。需要睡眠/待机模式以节省一段时间的功耗并且可以延长系统的电池寿命。麦克风的电流消耗是工作时钟频率的函数某些数据表清楚地表明了当麦克风以较低的时钟频率工作以节省功耗这需要与性能进取舍。3、现有设计的性能限制ANC耳机的设计方式很难相同。不同的设计方案如反馈前馈或混合式每一种都有其自身的优点和局限性。3.1 前馈结构前馈ANC架构如图2所示。在这种结构中每个耳机仅使用一个麦克风并且将其放置在更靠近耳机壳外部的位置。此麦克风用以拾取外部噪声信号以输出给ANC算法作为参考。这种配置的主要好处是结构简单可以对外部环境噪声进行有效拾取然后取决于算法的实现来消除此噪声。由于系统中缺少反馈环路因此该算法无法确保实时消除噪声。这是前馈拓扑的主要缺点。这种配置可确保中频噪声信号(1-2 kHz之间)得到很好的衰减。由于麦克风位于外部因此可能会因风噪声而影响性能。在这种情况下具有较高AOP和较低截止频率的麦克风将很有用。这种结构非常适合诸如蓝牙耳机之类的应用这些应用要求宽的ANC带宽但愿意承受适度的降噪性能。3.2 反馈架构反馈ANC架构如图3所示。该结构还仅使用一个麦克风但放置在靠近用户耳朵的位置。这种结构的主要优点是麦克风可以听到与进入用户耳朵的信号完全相同的信号并且有一个反馈环路可以迭代地消除系统中的噪声。尽管此配置的低频性能良好但是1-2 kHz之间的频率不会像前馈配置一样有效地衰减。该配置很好地消除了初级噪声信号的残余可预测窄带分量。尽管无法有效消除中高频噪声信号但这是在耳机中实现ANC时最常用的结构之一。此限制是由于在次级路径(信号路径从ANC模块的输出一直回到其输入)中引入了相移引起的。这导致该拓扑无法有效地抵消高频分量。选择用于此配置的麦克风将需要在整个频率上具有平坦的群延迟并且多个麦克风之间的变化应尽可能小。3.3 混合架构混合ANC架构如图4所示。此配置是前文讨论的前馈和反馈拓扑的组合。其目的是将两种架构的优点结合起来但是随之而来的是复杂性成本和大小的增加。由于此架构同时具有前馈和反馈信号路径因此需要使用两个麦克风。面向外的参考麦克风感应主信号该信号用作前馈ANC滤波器的参考信号。纠错(内部反馈)麦克风会感应进入用户耳朵的信号该信号将作为反馈ANC滤波器的参考信号。纠错麦克风输出还有助于确定前馈和反馈ANC滤波器的系数。图5显示了混合ANC架构的简化框图。该图显示了两个信号路径如何相互合并。G(w)和M(w)是增益和相位补偿滤波器而Dff和Dfb是由于系统中的扬声器和麦克风而引起的延迟。混合式ANC耳机设计能够提供三种架构中最佳的ANC性能和最宽的噪声消除带宽当然也会增加产品的成本和设计的复杂性所以在高端产品上被越来越广泛地使用。即使在这种配置下超过2 kHz的ANC性能也不令人满意。因此耳机设计人员通常还使用被动降噪技术来提高高频噪声消除性能。对于入耳式、头戴包耳式、头戴压耳式耳机设计可以结合使用无源和有源降噪技术以在整个音频带宽上提供出色的ANC性能。对于耳塞式耳机设计在耳塞周围有泄露采用无源降噪技术来消除高频噪声会很困难。因此在此类耳塞式ANC耳机中使用的麦克风需要消除高频噪声如果麦克风具有较低的群延迟并且在整个频率范围内具有相对较平坦的相位响应则可以改善高频性能。相位响应的变差也非常重要小的变差有助于有效地优化ANC算法从而使高频噪声消除性能更好且一致。4、较好地麦克风解决方案示例如可以采用69dB SNR和130dBSPL的超高AOP的麦克风。它的规格和变差也应该符合本文档前面各节中讨论的所有标准。4. 1.幅度和相位响应如前所述截止频率和相位响应的变差在用于降噪耳机设计的麦克风选择中起着重要作用。图6图7图8和图9显示了麦克风的幅度和相位响应的平均值和标准偏差还提供了它们的6sigma极限以供参考所有参数测量温度25℃。根据这些图很明显麦克风的幅度和相位响应变差非常严格。这样可确保转折频率和相位响应的部分变化保持最小。反过来这有助于确保ANC算法的实现更为准确。4.2、群延迟在实验室中对麦克风样本测量了群延迟图10提供了在整个频带上观察到的典型群延迟。从数据可以看出1 kHz的群时延10μs。如此小的群延迟将有助于更好的ANC算法实现。4.3、总谐波失真另一个关键的麦克风规格是AOP。图11显示了样品麦克风以及两种不同产品的THD与SPL的关系图。这款麦克风的突出特点之一是声压级直到〜128dBSPL前失真度可以很好地保持在小于1THD而其它两个样品THD均超过1。这极大地有助于以最小的失真可靠地捕获较大的噪声信号从而使ANC算法的实现更加有效。久久为功破浪重逢感谢您十五年来与我们的携手同行声学楼论坛的成长壮大离不开您的关注、关心与关爱更离不开彼此之间因相知相惜造就的深情厚意。现诚挚的邀请您参加第十五届声学楼论坛年会。报名链接重量级嘉宾持续更新中……声学楼十五周年年会报名活动正式开启END这里是声学楼微信公众号acousticsblock
