設(shè)計(jì)一款主動(dòng)降噪（ANC）耳機(jī)

在我最新的文章（主動(dòng)降噪發(fā)展趨勢(shì)、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(duì)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。本文將敘述以AS3415主動(dòng)降噪芯片為基礎(chǔ)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(cè)量頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的音頻測(cè)量系統(tǒng)?？蛇x用的音頻設(shè)備有Audio Precision、BrüelKjaer、Soundcheck等。除了音頻測(cè)量系統(tǒng)，人耳模擬裝置也是重要的一部分，如來自Head Acoustics、BrüelKjaer或GRAS的IEC711（入耳式主動(dòng)降噪產(chǎn)品）或HeadTorso模擬器（頭戴式及耳罩式產(chǎn)品）。人耳模擬裝置可在量測(cè)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(cè)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(cè)量耳機(jī)的被動(dòng)衰減特性，這是濾波器設(shè)計(jì)的一部分。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(píng)估板，它包含了所有必要的連接器和前置放大器，使性能測(cè)試過程盡可能流暢地進(jìn)行。

為什么要對(duì)耳機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試？

每個(gè)耳機(jī)的聲學(xué)表現(xiàn)都不盡相同。原因很簡(jiǎn)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(hào)，然后通過揚(yáng)聲器播放出來。理論上，ANC回路是一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)單的反相無法令A(yù)NC達(dá)到性能要求。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(cè)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(cè)量。第一項(xiàng)測(cè)量是被動(dòng)衰減測(cè)量，如圖1所示。

圖1：前饋性能測(cè)量一

我們用同軸揚(yáng)聲器發(fā)出20Hz-22kHz的掃頻聲波，并測(cè)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(cè)量。這樣，我們測(cè)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(cè)量。同樣，正弦掃頻信號(hào)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(cè)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(cè)量。20Hz至22 kHz的掃頻信號(hào)由耳機(jī)內(nèi)部的揚(yáng)聲器發(fā)出，供測(cè)試使用的人工頭內(nèi)的麥克風(fēng)收集到該信號(hào)。該項(xiàng)檢測(cè)測(cè)量了降噪信號(hào)通過揚(yáng)聲器播出時(shí)的傳遞函數(shù)，以及信號(hào)是如何被人耳接收的。相位對(duì)這三項(xiàng)測(cè)量都十分重要，如果揚(yáng)聲器播出的抗噪信號(hào)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(cè)量三

計(jì)算主動(dòng)降噪濾波器的理想值

一旦完成這三項(xiàng)測(cè)量，我們就能夠用測(cè)量結(jié)果來計(jì)算ANC濾波器的理想值。所需的濾波器振幅計(jì)算如下：

所需濾波器的相位計(jì)算如下：

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)表明，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(hào)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(hào)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，該線路體現(xiàn)了ANC麥克風(fēng)濾波器的信號(hào)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(jiǎn)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(píng)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。基于為許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則很容易。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?？梢宰龅?.5kHz頻率以下的濾波器匹配。更高頻的部分需要盡可能的衰減。如果不衰減這些未匹配的高頻部分，可能會(huì)引入噪音。我們?cè)诘皖l部分減弱噪音，但如果高頻的相位失配，就會(huì)導(dǎo)致噪音被放大。為了避免這一現(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)域代表我們通常能達(dá)到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部分。高頻衰減和相位響應(yīng)之間必須達(dá)到一個(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(cè)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(píng)估板相匹配，材料清單中列出的項(xiàng)目能夠被焊接在評(píng)估板上，以測(cè)試帶有該濾波器的ANC的性能。測(cè)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(cè)試，二是打開AS3415芯片并配置好前饋降噪功能時(shí)的頻響測(cè)試。ANC性能計(jì)算如下：

這些計(jì)算可以通過一個(gè)Excel表格來完成，并生成一份音頻范圍內(nèi)的ANC降噪性能曲線圖。這張ANC降噪性能曲線圖在降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中是十分重要及常見的。AS3415的開發(fā)工具以及ANC降噪耳機(jī)開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用注解和樣板現(xiàn)已上線。