有源降噪耳机技术及现状.doc

有源降噪耳机技术及现状1. 主动降噪耳机技术原理 随着电子产品消费市场的不断发展，日常生活中越来越多的人们使用耳机聆听高质量的音乐。然而，城市的噪声污染越来越严重，在室外使用普通耳机耳塞，只能 提高音量来盖过噪声，这样一来不但不能享受美妙的音乐，对自己的听力也有很大的影响，你也许很快就会感到听觉疲劳。此时，如果想静静地享受音乐世界，那么 降噪耳机可能成为最佳选择。在降噪耳机领域，被动式噪音控制(Passive Noise Control, PNC)及主动式噪音控制(Active Noise Control, ANC)是目前最主要的两种噪音消除方式。且一般的噪音消除方式也是采用被动式降噪，例如市售的耳塞、耳罩等。其原理是利用外部硬质材料与内部的填充材 料，以隔离与吸收噪音的原理，阻当外界的噪音进入耳朵，尤其对高频噪音的降噪效果更是明显，这也是现在噪音抑制最常使用的方法。然而，這种降噪方式虽然实 现容易，但对800Hz或更低频率的低频噪音而言，若要应用这种被动式减噪，需要负担大量的设备成本以及材料重量，此时被动式降噪方式则失去了实际上的效 益，并且被动式降噪的方式，在抑制噪音的同时，也会阻隔使用者谈话的声音，这也是被动式的主要缺点之一。 而ANC原理是使用一套降噪控制处理电路，进行适应性运算，来输出与欲消除的噪音相位相反，頻率与能量相同的声波，以达到消音的目的；与PNC不同的 是，ANC是以波形的重叠原理为基础。即由噪音与抑制声波相结合，来造成破坏性的干涉而产生声波能量相消的效果，若抑制波的波形与欲消音的声波振幅、频率 相同，且反相时，则会得到消音效果，如图1所示。 （原始噪音信号） （消音信号） （消音后信号） 图1 主动消噪原理示意图 耳机主动降噪的基本概念并不复杂，但如何实现高品质的降噪效果却并不简单，特别是滤波电路的设计及生产过程控制更加关键。当前的耳机主动降噪技术主要有 前馈式和反馈式两种方式。在前馈式系统（如图2）中，采样麦克风位于耳机外部或耳机罩开口处，以直接采集耳机外部的噪音信号，经过ANC处理电路后，从喇 叭中播放出适当幅度的反相噪声，用以抵消进入到耳罩内的噪音，其最主要的特点是噪音的消除回路是开环的；而在反馈式系统（如图3）中，麦克风位于耳机内部 喇叭的前面或附近，麦克风采集耳罩内部的噪音信号，再经过ANC电路组成的闭环负反馈回路，推动喇叭产生反向噪声信号以抵消耳罩内部的噪声，由于反馈式主 动降噪系统的噪音检测麦克风在耳罩的内部，通过闭环回路反馈自动调节，因此这种方式更加精确反馈耳朵附近的噪声，降噪的效果也相对要比前馈式的更好，但结 构、电路及调试工作相对要复杂些。因此对体积要求高的小耳塞一般都采用前馈式系统，对体积要求不是太高的耳罩式耳机则大多都是采用反馈式系统。图2 耳机前馈式主动降噪系统图3 耳机反馈式主动降噪系统 从主动降噪（ANC）电路的处理方式也有模拟和数字两种处理方式，目前国内外各厂家绝大部分都是采用模拟电路的方式来实现降噪处理，仅有很少一部分是采 用数字处理技术，如SONY的MDR-NC500D就是采用DSP实现ANC功能的耳机之一。采用模拟和数字方式进行降噪处理有各自特点，如下表1：采用模拟电路实现降噪采用数字DSP实现降噪电路简单，成本较低电路复杂，成本较高功耗低，电池续航时间长功耗高，电池续航时间短响应速度快，实时性好需要高速DSP才能实现快速响应，实时性较差功能固定、单一，不可变功能灵活多样，可以根据环境自动调整无法实现智能处理及降噪可以通过软件实现智能处理及降噪表1 模拟与数字ANC对比 从上表可以看出，采用模拟电路实现降噪功能的方式是有较大的优势的，因此也是绝大部分厂家与产品普遍采用的方式。另外有源消噪耳机与传统的耳机相比，具有独有的技术优势，由于采用有源方式，在耳机的音质上可以采取灵活的电路补偿的方式对耳机自身的缺陷进行补偿，在耳 机设计中，由于耳机音腔体积小，喇叭单元等固有因素的制约，在音质方面多少会有些先天的不足，比如在整个耳机的音响特性中由于某种原因引起低频部分不够， 要采取无源的方式改善这些特性是相对来说是比较困难的，但是在有源技术的帮助下就很容易实现补偿，我们只有通过特殊设计，通过电子电路的补偿，就很容易修 正系统的音响特性曲线。在这个技术下，我们也很容易制作出一些满足特殊应用人群的不同口味的耳机产品。 有源消噪耳机还可以通过对电路的改进，设计出一些特殊功能的应用，这些应用都是通过电子电路在有源工作方式下实现的，比如我们可以设计出带有通话语音清晰 功能的耳机，这样就可以不用摘除耳机也能非常清晰的聆听别人的声音了，也提供了使用的便利性。有源耳机还可通过各种技术可以实现非常高质量的声音还原，可 以达到专业监听级的要求，满足各种需求。1. 有源消噪耳机现状 从现在众多的耳机厂商综合来看，BOSE、索尼、森海塞尔等品牌不仅在传统耳机产品中占有优势，在降噪耳机领域同样实力不俗，在众多的厂商中，他们各自都有推出他们的代表产品，主要代表产品如表2：厂商代表产品技术和功能价位BOSEQC3反馈式、模拟有源消噪技术，声音均衡技术，声学结构设计RMB3000左右索尼MDR-NC500D反馈式、DSP数字有源消噪技术，人工智能降噪系统，数字均衡器，RMB3500左右森海塞尔PXC450反馈式、模拟有源消噪NoiseGard2.0技术，TalkThrough功能，无源功能，音量控制RMB3500左右飞利浦SHN5600/10反馈式、模拟有源降噪技术RMB500左右AKGK480NC反馈式、模拟有源降噪技术RMB1500左右魔声Studio反馈式、模拟有源降噪技术，Equalizer技术RMB2800左右铁三角ANC7b反馈式、模拟有源降噪技术，QuietPoint专利，无源功能RMB1300左右233621H500反馈式、模拟有源降噪技术，耳环境INC技术RMB1000左右表2 主流厂商降噪耳机代表产品及技术 从上表可以看出，主动降噪耳机目前几乎还是被国外较大的企业垄断，主要有博士、森海塞尔、索尼、铁三角等，国内目前做得相对较好的也就是深圳冠旭电子旗下 的233621品牌，他们的产品目前已经与南航合作，应用到了部分航线上了。而其他国内的主动降噪耳机几乎都是OEM或是价位廉价的山寨产品，正真的高端 或自主品牌几乎是空白。近几年，我国降噪耳机行业发展较快。国内的产量逐年提升。据统计，2005年我国降噪耳机产量达到247.5万只。2005年以后我国降噪耳机产量持续上 涨，这与国内的需求逐渐扩大有直接的关系。但是在产量的增速上呈现出先增后降的发展趋势。主要受到2008年金融危机的影响，2008年产量只有小幅上 升，增幅仅为4.2%。2009年上半年产量达到169.8万只，同比上升0.9个百分点。在耳机细分产品中，主动降噪耳机的数量还是相对于被动降噪耳机 而言，占比是很低的，整个主动降噪耳机在整个市场的占有率一直保持在4.3%左右，只有小幅的变化，分析其中的原因，主要是由于目前整个主动降噪耳机还是 掌握在国外的几家大公司的手里，整体价格相对较高，当大家在选择耳机产品的时候，过高的价格自然就限制了数量的增加；再则，国内目前也没有出现大家认可的 主动降噪耳机品牌也是其中的因素之一。当前有源降噪耳机的技术已经发展相对成熟，成本上也可以很好的控制，当有源降噪耳机的成本大幅下降的同时又能保证高 的品质水平，主动有源降噪耳机一定会赢得大量的用户群体，产量也将迎来革命性的变化。1. 我们在主动有源降噪耳机上的调研成果 从2012年11月底开始的将近1个月的时间里，我们集中对目前市面上比较有代表性的主动有源降噪耳机进行了调查、分析工作，主要是BOSE的QC3，森 海塞尔的PXC450，魔声的录音师，索尼的MDR-NC500D，铁三角的ATH-ANC23（主动降噪耳塞）。以上这五款耳机都是目前国际上主流的知名耳机厂商推出的主动降噪耳机产品中的代表作品，除了都能够实现很好的主动降噪功能，这些产品还都有各自其独特的优 点，也设计了其他的非常实用的功能，下面就逐一介绍下这些产品的特点，也能让我们能够更加了解下当前的有源主动降噪耳机行业的一些情况。 BOSE是一家较早就开始从事主动降噪技术研究的公司，其降噪算法在行业内都是最为优秀的，他们的降噪耳机最早被装配在美国军方，现在一些航空公司头等舱 也配备了BOSE的降噪耳机。BOSE的QC3（图3）采用的是便携式贴耳式设计，在佩戴舒适性上要比耳罩式舒服，长时间佩戴耳朵也不会有闷热的感觉，加 上采用了Noise Cancelling主动消噪技术，能帮助你过滤扰人的绝大部分背景噪音，为你提供纯净高保真的音乐享受，拥有Bose专利的TriPort声学结构设 计，使小巧的耳机也能得到浑厚的低音，声音均衡技术能够将声音与耳机的特性匹配到最佳状态，智能海绵的使用令佩戴更为舒适。 森海塞尔世界公认领先的专业话筒和耳机制造商。PXC 450 （图4）是目前阻抑环境噪声效果最好的包耳高端旅行耳机之一，自调节的隔板阻尼和专利的 Duofol 振膜技术为PXC450带来了超群的音质体验，在主动降噪上森海塞尔采用的是NoiseGard2.0技术，特别开发的滤波算法将主动式噪声补偿效果提 高到最高90%(23 dB)。PXC 450也可以工作在无源模式下，只要通过改变功能开关，即可作为无源耳机使用。TalkThrough 功能能够让你在佩戴了 PXC 450要想与身旁的人交谈时，你并不需要摘下耳机，开启这个功能后，你就可以轻松交谈了。 魔声(Monster)，又叫怪兽，线材（Monster Cable）是世界上最早开发出高能影音器材连线的品牌， 2008年格莱美获奖艺术家Dr.Dre和魔声的音频专家团队共同研究开发第一款大耳机Studio，迅速红遍整个美国，成为美国时尚流行高品质耳机的代 言。目前魔声耳机已经成为了Rock、Hip Hop以及R&B等运动倾向的耳机标准。StudioBeats（图5）是魔声推出的一款高素质的耳机，其利用先进的扬声器设计和powered isolation隔噪技术，实现了当今顶级艺术家和制作人想呈现给您的强劲、清晰、超重低音的音效，魔声StudioBeats也是时下最火爆的头戴 式耳机之一，他的火爆得益于时尚拉风的外观，也就是适合出街，非常漂亮，还有一点就是他的重低音，很容易让人产生音质好的感觉。与其它象森海塞尔等品牌不 同的是，他把重心放在了低音渲染上，而不是走的HIFI路线，所以他属于讨好耳朵的一类，对于喜欢听HIPHOP、摇滚、R&B、舞曲等类型音乐 的人来说，魔声是非常合适的了，它低音澎湃，下潜很深。 在民用主动降噪耳机产品中绝大部分都是采用模拟降噪，索尼的MDR-NC500D（图6）就是一款采用全数字实现主动降噪的产品。比起模拟降噪耳机，数 字降噪耳机的最大优势在于降噪性能的提高。MDR-NC500D通过将过滤器数字化，只阻断真正发出啸声的频率，而其他频率都可用作降噪信号。因此，其降 噪性能比起模拟降噪也有了提高。此外，MDR-NC500D的另一大特点是具备了智能降噪功能，它拥有最适于3种噪音性质的降噪模式，该功能能对周围的声 音进行分析，再根据分析结果从3个降噪模式中自动选择最佳模式，这在模拟降噪耳机中是不可能实现的。降噪耳机原本多在飞机内使用，因此设置了适于机内收听 的降噪特性。但如今除了飞机以外，在电车、公共汽车及办公室里使用的人也多了起来。这样就必须根据使用环境改变降噪特性并装备适合各种噪音的降噪过滤器。 这也只有数字降噪技术才能实现的功能。而且还有一点，音质也改善了很多，音质的改善很大原因同样要归功于MDR-NC500D装备的数字均衡器，模拟技术 的均衡器，就很难应对复杂的频率特性及增益的升降，然而，基于数字化均衡器，实现起来就会显得很简单了。 前面介绍了4款不同厂家的耳罩式主动降噪耳机，他们各自都有各自的特点，但他们都是要把整个耳朵都罩住或压住，这样对于长期佩戴就会有闷热感，尤其是在 夏天就更加明显，因此也就出现了入耳式主动降噪耳机，在大部分的耳机厂商中也都有这类产品，下面介绍一款具有代表性，性价比较高的产品。铁三角的大名在耳机界可以说是无人不知了，它应该是目前国内知名度最高的大牌日系耳机厂商了，有许多经典产品一直都广为称道。ATH-ANC23（图7） 作为一款主动降噪入耳式耳机，它采用了 QuietPoint 降噪耳机使用新式的有源反向降噪技术，在每个耳塞上分别设有一个微型收音头，作接收环境噪音(如引擎，风声等)，通过控制盒内部的对冲电路而把噪声降低。 ATH-AN23由于是入耳式设计，因此它是采用前馈式的主动消噪系统设计。为了降低成本和实现小型化，ATH-ANC23采用了芯片化设计，由一颗主动 降噪芯片加上少量的外围元件组成。采用芯片化设计的优势是生产调试简单，体积小巧，功耗更低和低廉的成本，但它的缺点就是功能模式及性能方面受到芯片的约 束，调整参数不是太方便，因此往往都是用在价格相对较低的中低端产品上。 目前我们已经对上诉的主动降噪耳机产品进行了全面的技术分析、测试工作，对整个主动降噪耳机行业的一些普遍做法和设计思路有了深入的了解，同时也做了相应 的试验工作。我们已经在博士QC3原有电声、结构的基础上已经完成了初步的电子部分的设计工作，我们采用我们制作的电路板替代了博士QC3原来的电路部 分，经过我们的测试，降噪效果和音频效果、曲线几乎一样，几乎听不出差别。 另外，我们也完全掌握了类似铁三角的主动有源消噪耳塞ATH-AN