降噪耳机宽频设计应对听力损失

高达30%成年人的听力损失可能是由于噪声的影响所造成。听力损失的一大影响是无法在噪声背景中有选择性地听到内容。降噪耳机可以帮助挽救我们的听力并使我们享受到更清晰的通话、更安静平和的飞机航班以及更高的整体生活水平。

　　"被动"降噪使用塑料、泡沫、硅橡胶或其他材料制成的耳塞或者耳罩，机械性地将耳朵与环境进行隔离。根据使用的各种材料，被动降噪仅能对500Hz以上的声音产生影响。而主动降噪（ANC）技术对低至20Hz、高至数千Hz的频率均有效。"主动"降噪解决方案填补了标准被动降噪解决方案无法弥补的空白。

　　主动降噪使用扬声器产生的声音来减少传至耳朵的其他声音。检测不想要的声音有两种设计方案：将麦克风暴露在噪声中，并将其与扬声器隔离；或者将麦克风放置于尽可能靠近扬声器的地方（图1）。

　　图1：在前馈降噪耳机的设计中（a），将麦克风与扬声器隔离。在反馈设计中（b），麦克风放置于靠近扬声器的位置。

　　前馈和反馈两种方法可以结合在一起应用于同一个耳机中（c）。

　　采用前馈方法，如果扬声器和前馈麦克风之间的声音隔离足够好，就不会影响回放路径。当降噪功能被关闭或电池电量快消耗完而使耳机工作在无源模式下时，这就是一个很大的优势。音乐回放效果依然不错。前馈拓扑结构还能轻松地创建"助听"模式，使即时声音环境放大，而不再需要摘掉耳机听人说话。

　　前馈设计

　　采用前馈拓扑结构，设计人员可以对耳机进行声学分析，以确定噪声在到达耳朵时在频率、相位和振幅上是如何变化的。然后，可以在电气上建立传递函数G（w）模型，并将其插在麦克风和扬声器之间。

　　前馈设计常受到方向问题影响，因此，麦克风必须是全方位的。同样，噪声通道无法被机械地集中起来。因为麦克风必须在噪声到达耳朵之前获得这些噪声，所以并行的声音路径必须被最小化。

　　反馈设计

　　反馈拓扑结构根据耳朵上的实际噪声起作用，按照定义，它与前馈结构使用的模拟效果相比更能准确地表现噪声。然而，系统的响应速度约束了性能表现。定义传递函数时需要特别注意避免引入不稳定性，比如正反馈。

　　反馈设计扣除了麦克风的回放。由此产生的信号代表了耳朵周围的噪声。使用传递函数可以使用具有相移的信号消除不想要的声音。

　　适合反馈式主动降噪的理想耳机将在扬声器和获取扬声器输出的麦克风之间实现零延迟。这是无法实现的，因为这样的话，扬声器和麦克风将需要共用同一个声学中心。从物理角度来说，这将不可能实现。可以做到的是将麦克风放在距离扬声器薄膜尽可能近的地方，以减少传播延迟。

　　由于麦克风在反馈式耳机中不能区分噪声和回放，使用反馈式设计的耳机通常都会存在一些信号失真。为了克服这个问题，常见的方法是在回放路径中添加均衡电路，以确保无论主动降噪是否被激活，声音都相同。

　　同一个耳机中也可以将前馈和反馈两种设计方式结合起来。这可以发挥两种方法各自的优点，但是也会增加设计的复杂性和额外的成本（需要评估权衡）。

实际的设计考虑

　　前馈解决方案最大的挑战是要确保用户耳朵周围的环境受控。由于用户耳朵的形状和大小因人而异，耳机的适合程度会存在差异。如果想要达到最佳的降噪效果，就需要不同的传递函数来配合这些不同的物理特性。

　　这意味着，当按前馈方式设计耳机时，耳机必须适合每个人或者必须被设计为能够确保不同人之间的差异性对传递函数的影响最小。前馈耳机中的受控漏电路径可以满足这个需求。

　　当考虑反馈式设计时，主要问题是在何处放置麦克风以及如何确保整个频率范围内的声学特性都受控。这点十分微妙，但它并不是未知的领域。许多专利都涉及到对麦克风位置和前后腔尺寸/比例的研究。

　　在设计方案的权衡上，通常优先考虑音频响应，此时主动降噪性能就能非常好地配合。在这些情况下，主动降噪特性通常受限于频率带宽，但却能够达到足够或甚至是显著的降噪水平。这种方法即使在电量耗尽的情况下，依然能够确保耳机音质。

　　另一种方法是优先考虑主动降噪性能，此时必须对音频响应进行调整以确保音效。这样，耳机就需要一直保持在供电状态，或者必须采用某种内部无源均衡产生"悦耳"的声音。

　　模拟对数字

　　设计人员可以选择数字或模拟信号处理方法。传统的数字解决方案主要依赖于预测，并且仅能够对"稳态"噪声实现降噪，例如恒定的发动机噪声或者其他恒定的频率噪声。

主动降噪耳机必须尽量减少延迟以应对不均匀的噪声。麦克风和扬声器之间的距离通常为0.7cm，相当于20μs的声音传播延迟。对于数字实现而言，模数转换、信号处理和数模转换也只