處理主動降噪耳機設計的兩大挑戰

　　耳機主動降噪(Active Noise Cancellation) 的基本概念并不復雜,但如何實現高品質的降噪效果卻并不簡單，特別是濾波電路的設計及生產過程控制更加關鍵。本文針對ANC耳機設計者所遇到的困難，針對性地討論如何采用創新技術進行濾波器及量產時調節，設計及生產高性能的降噪耳機。

　　兩種結構的ANC系統的選擇

　　主動降噪，是指采集環境噪音，并產生與噪音反相的信號用耳機等裝置回放，用以抵消噪音的技術。通常，主動降噪技術與被動降噪技術(采用吸音或隔音材料來降低進入耳朵聲音的強度)相結合，以產生最佳的降噪效果。

　　典型的降噪系統由下列部份組成：

　　● 用以采集噪音的麥克風系統;

　　● 電子控制部份，用以處理聲音信號，并生成降噪信號;

　　● 喇叭系統，用以產生降噪聲音信號。

　　大部分ANC系統采用兩種主要結構中的一種：前饋式或反饋式。在前饋式系統(如圖1)中，采樣麥克風位于耳機外部，用以采集進入耳機的噪音，喇叭用以播放反相信號，用以抵消噪音。 前饋系統通常用于入耳式耳機設計。在反饋式系統(如圖2)中，麥克風位于耳機內部，采集所謂“誤差信號”，這就是說，麥克風采集了正常播放的音樂信號與殘留噪音混合的信號，把正常播放的音樂信號減去后，就得到殘留的噪音。通過恰當的反饋電路，可以使誤差信號與正常音樂的差別盡可能的小，也就是說，降低了噪音。

　　在前饋系統中，由喇叭產生的用以抵消噪音的聲音稱之為反相聲音(anti-phase sound)，因為要實現兩個聲音最好的抵消效果，必須幅度相同，相位相差180度(反相)。

　　如圖3所示，從麥克風到位置A，組成了降噪回路。這個降噪回路的傳遞函數必須被精確測量，因為在電聲系統中，各種衰減及延時必須被考慮到。換句話說，噪音從被麥克風捕獲并通過信號處理到喇叭回放再傳到耳道必須與噪音從耳機外部穿過耳機再傳入耳道保持一致。另外，因為耳機吸音材料所造成的被動降噪作用，麥克風在耳機外部捕獲的噪音與真正穿過耳機傳入耳道的的噪音并不完全一致。在此，電子處理電路G(W)必須這些在整個降噪回路中的衰減及延時進行補償。

　　反饋式工作原理有些不一樣。反饋式處理旨在衰減在A點(圖4)的殘留噪音。反饋式設計必須要非常小心，在相應的頻率范圍內，必須進行負反饋設計從而降低殘留噪音。同時，必須小心過濾其余頻率范圍信號，特別是高頻部份。這是因為由于延時引起的相們改變將會隨著頻率的升高而增大，一旦相位差大于60度，負反饋將會變成正反饋。這將引入嚴重的聲學問題—高頻噪音甚至是高頻震蕩引起嘯叫。與前饋系統相同的是，精確的聲學測量是非常重要的。測量結果將被計算并用于補償降噪回路中的各種衰減與延時。