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抗噪耳機興起 主動降噪(ANC)技術大解密

有一種噪音是由內部電路的接受器所引起的電子雜訊,是許多工程師一直以來所面臨的挑戰。但是還有另一種噪音為音頻噪音,會影響消費者的使用體驗,工程師則努力降低這種噪音的影響,因為其可能會影響使用耳機的人,也可能會影響開放區域,例如汽車或飛機的機艙。採用主動降噪(ANC)來消除這種噪音是一個不錯的方法,雖然從未完全消除噪音,但是卻大大降低了干擾,因此,有些人覺得Active Noise Reduction(ANR)比較符合實際情況,但Active noise cancellation(ANC)的說法比較多人使用,也許是因為行銷考量。

主動降噪的目標是什麼?

希望能夠以最小成本、重量和功耗,抵消這些令人煩惱或是會影響音樂進入耳朵的環境噪音。請注意,這與降低來源本身的噪音不同,且通常是不切實際或不可能的。因此,主動降噪的目的是減少聽到的噪音,這種抵消作用可以直接通過麥克風來實現。

什麼情況下需要主動降噪?

不論在吵雜的地方使用手機、坐在飛機上時常聽到引擎聲、使用喇叭打電話或是有引擎和道路噪音的汽車內,都可以藉由主動降噪來減少干擾。雖然引擎聲在目前的技術下已經大幅減少了運轉時產生的噪音,但還是有其極限。

除了主動降噪之外,有沒有被動降噪呢?

其實是有被動的降噪方法,但是無法達到良好的效果。其中,最著名的被動降噪是利用前後麥克風,接收更遠的外部噪聲,將撞擊聲的能量轉換為電子訊號。當然,這種被動降噪的方式很便宜,但因為許多原因卻不能很好地工作,例如正面和背面接收到不同的噪聲和強度,會產生很大的差異。

另一種被動的方法是藉由耳機緊密貼合在耳朵上,這樣可以減少干擾。實際上,在大多數主動降噪的設計都需要良好的被動設計,先阻擋部分的噪音,然後再透過主動降噪技術來減少更多的噪音。換句話說,不要指望主動降噪技術能夠在密封不良的耳機上能完全發揮。

什麼是主動降噪?

利用麥克風接受外部噪音,然後產生一個反轉的聲波(稱為抗噪)並將其添加到整個音頻信號中,如下圖所示,然後原始噪音和該抗噪聲將互相抵消。如果所需的訊號要發送到耳罩式耳機,則只需以電子方式將抗噪功能添加到輸入訊號中即可。實際上,1930年代就出現了早期的抗噪方法。

主動降噪的原理

主動降噪技術真的這麼完美?

  • 因為收音的麥克風與發聲的耳機不在同一位置,所以麥克風接收的訊號並不完全是轉換器在產生抗噪訊號所需要的,就算兩者位置只有些微差距也是如此。
  • 如果主動降噪系統的訊號延遲超過幾毫秒,傳出的抗噪訊號是針對先前噪音的訊號,而不是立即產生的當前噪聲,將會使情況變得更糟。
  • 如果主動降噪系統在耳機裡運作,則彎角信號(cornered signal)的路徑是相當直接、已知且相對固定的,因為其從電子設備一直進入耳機。 但是,如果主動降噪系統必須使用喇叭來產生抗噪功能,將會面臨平衡噪音和抗噪的音量、喇叭的位置以及抗噪訊後的路徑等問題,這是一種不太直接的環境,因此需要擴大器和喇叭來完成,如下圖 。此外,該區域中的任何移動(例如由於人員或設備引起的移動)都代表著聲音環境不是恆定的,因此抗噪過程復雜許多。因此,與耳機降噪相比,區域降噪的要求更為嚴格。
喇叭降噪

上述問題是否意味著主動降噪系統被市場炒作的太過完美?

也許幾年前就是這種情況,但是藉助當今的高速處理能力和改進的演算法,主動降噪技術會越來越出色,尤其是在入耳式設計的情況下。視有害的噪音頻率(通常為200 Hz至幾kHz)和類型來決定,可以將噪音降低30至40 分貝甚至更多。

主動降噪技術是否只是將麥克風訊號數位化,並添加到原始訊號,然後轉換回模擬信號以驅動聽筒的問題?

沒錯,但這僅是第一個步驟。實際上,主動降噪有三種技術:前饋消除、反饋消除和混合消除。這些技術都需要將麥克風訊號進行數位化處理,才能執行DSP演算法,如下圖所示。

主動降噪

如果在相位反轉之後直接播放需要消除的噪音訊號,由於聲音沿從麥克風到降噪電路、驅動單體再到空氣的路徑移動,相位反轉會發生延遲,因此在較高的頻率上會發生振盪。為了防止這種被稱為「呼嘯」的現象,需要要使用一個濾波電路來消除觸發振蕩的高頻。

什麼是前饋取消?

在前饋式主動降噪中,麥克風的位置在耳機的外部,以接受噪音訊號,將其反相,然後添加到音頻中以消除噪音。當然,這些都是數位化方式完成的。儘管聽起來很簡單,但事實並非如此,因為還必須考慮噪音傳播的路徑,並在正確的噪音從麥克風傳到耳膜之前產生抗噪音訊號。因此,如果將麥克風放在離耳朵較遠的地方將會花費更多的時間,但麥克風拾取的噪音可能會與實際到達耳朵的噪音有所不同。

什麼是反饋式主動降噪?

在這種方法中,麥克風位於耳機的內部,因此可以擷取到傳到用戶耳朵的聲音。然後,將耳朵中的聲音與音頻源進行比較,透過反饋算法會識別出噪音並產生抗噪音以將其消除。儘管這種方法很吸引人,但很難設計出一種適用於多種耳朵和噪音中的濾波器,讓反饋系統能有效的運作。

什麼是混和式主動降噪?

混和式主動降噪結合了前饋和反饋的優點,如下圖所示,具有前饋系統的外部麥克風以接收環境噪音,也有內部麥克風以擷取用戶在音樂播放之外聽到的聲音。使用正確的演算法和過濾,這種組合將非常有效。

混合式主動降噪

使用混合方法時,如何提供有效的主動降噪系統?

首先是使用可調式動態濾波器,因為如果濾波器無法自動調節,那麼在很多情況下將無法有效發揮,尤其是在有人移動或不同噪音類型的時候,像是飛機機艙內、辦公室或戶外所面對的情況都不一樣。最新一代的主動降噪系統使用複雜、能自動調節的動態演算法,可以「動態」改變濾波器參數,以提供最佳性能。

其次,最先進的主動降噪系統使用多個麥克風。透過兩個、三個甚至四個麥克風,系統可以更全面地擷取並消除噪音,甚至可以處理附近有人走路和說話時的噪音。雖然動態、智慧型的主動降噪技術投入的成本較高,需要負擔較高的價格,但可以顯著提高性能,像是可以在有人移動的會議室打電話。

如果需要ANC,是否必須另外構建自己的系統?

答案是否定的,實際上,Cirrus Logic、Sony、Analog Devices、Texas Instruments、Maxim和ams等IC供應商皆提供了專為主動降噪耳機設計的超小型晶片,其中包括一些可以使用混合式主動降噪的。

主動降噪耳機適合那些人使用?

愛旅遊的人、飛行員、工廠工人和吵雜辦公室中的上班族都非常推薦使用。

汽車和飛機機艙等開放區域如何抗噪?

這是一個困難的問題,因為其所包含的物理環境比封閉的耳機所提供的未知數更多,且控制的因素更少。儘管如此,仍嘗試在某些汽車內使用喇叭,以產生可行的抗噪音場,以減少內部動力傳動系統和外部道路噪音。

這些常見問題的解答著眼於降噪功能的長期追求,該功能在將近100年前就已被提出,但當時沒有先進的技術可以實現。要不是有微型麥克風、數位音頻訊號和高速DSP算法的出現,降噪的夢想是不可能的,在與動態調整濾波器結合使用時,更能輕易達成。

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編輯日期:
(1) 最新更新日期:2020年03月18日
(2) 文章發表日期:2020年03月18日

參考來源:Analog IC Tips

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耳機資料收集專家,超過20年以上玩耳機經驗,旅居國外超過10年經驗,外國資料收集與整理專家。

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