有源抗噪声头戴耳机.doc

中国科学院声学研究所田静李明锋澳大利亚西澳大学北京时林电脑公司潘杰邵光震 摘要 有源噪声控制为抗噪声头戴耳机提供了一种新的方法。文章讨论了有源抗噪声头戴耳机的理论机制, 说明它在降噪的同时可以保留有用的通讯信号, 并通过对于一种反馈控制系统的分析, 展示了这种耳机的实验设计与效果, 给出了模拟电路反馈控 制系统与数字电路闭环自适应控制系统的降噪实验结果。合结构有源抗噪声耳机, 其中频响为M 1 的初级信号拾取传声器、 传递函数为A 2 的控制电路、 增益为 G 的放大器和响应的 L 的耳机共同构成了前馈路径, 而误差信号拾取传声器M 2、电 路A 1、放大器G、耳机L 和耳腔内的声场 H 形 成了反馈回路。N 和N 0 分别表示入射到耳腔内 和初级信号拾取传声器M 1 的噪声信号, 假设N 和N 0 为相干信号。通讯信号输入记为 S 0 , 误差引言1头戴耳机广泛用于通讯和娱乐, 使用的环境通常具有比较高的本底噪声。某些情况下, 使 用了传统的抗噪声方法如耳罩隔声, 但是低频 噪声防护一直是一个难于解决的问题。另一方面, 有源噪声控制近年来发展很快, 前人的研 究工作已经证明, 将其作为一种新的方法用于 抗噪声耳机具有低频效果好, 重量和体积的代价相对较小等优点1- 3。在1996年2月南非 P re2to r ia 召开的国际标准化组织第43 技术委员会 的第14次会议上, 决定将新的有源护耳器国际标准的制订列入0阶段项目4 。国际标准化组织 的这一动向, 体现了国际上对有源抗噪声新技 术的普遍认可, 同时“0阶段”也说明这项技术 的某些方面也还不够成熟, 需要进一步的研究工作。本文讨论了有源抗噪声头戴耳机降低噪 声与保留有用信号的理论机制, 指出其信号噪 声比的提高源于噪声降低, 而不像传统方法所 做的那样提高通讯信号的声级, 所以在数值上, 信噪比的提高就等于降噪指数。作为实际系统设计效果的一个特例, 文章分析了一种反馈控 制系统, 给出了模拟电路反馈控制与数字自适 应闭环控制两种系统的降噪实验结果。信号 S表示为近似看作进入耳腔内的残留信号, 可以S = M 2 (N + L M 1H A 2GN 0 + L H GS 0 )(1)1- L MH GA21图1 有源抗噪声耳机框图原理可以清楚地看出, (1) 式的分子和分母分别体 现了前馈路径和反馈回路的作用。有源控制的 目的在于最大可能地降低误差信号中的噪声, 也即M 2 (N + L M 1H A 2GN 0 ) 0(2)1- L M 2H GA 1为此, 可以令M 2N + L M 1M 2H A 2GN 0 0从而可以得到A 2 所应具有的形式有源抗噪声耳机的原理分析2(3)图1给出了一种包括前馈和反馈回路的复- N以随之改变。引入补偿电路A 1 改变系统的开环传递函数, 将极点移动到一个不很重要的频率 范围, 并抑制系统在该频域的响应, 提高系统在有效频率范围内的增益裕量。图3 给出了经A 1 补偿后反馈回路的传递函数A 1GL H M 2 , 有 效频率范围设为低于1600H z, 很明显N yqu ist图给出了一个最佳的形状, 从而就可以得到最大的增益裕量。(4)A 2 =L M 1H GN 0其中 N N 0 可以由护耳器的传递函数给出。另一方面, 也可以令| 1- L M 2H GA 1 | 这就要求无限大的开环增益|L M 2H GA 1 | (5)(6)这样看来, 控制电路的前馈或反馈结构都可以给出很好的降噪效果, 实际上也确实得到了这 样的结果, 但是值得指出的是, (4) 式和 (6) 式都只可能在一定的频率范围内得到满足, 所以前馈与反馈控制机制的结合将比任何一种机制所覆盖的有效频率范围宽。这就是复合结构 最近受到广泛重视的原因。对前馈控制结构, 噪声降低后耳腔内的残 留信号可以近似写作(a) 幅频响应(b ) N yqu ist 图图2 无补偿条件下反馈回路的开环传递函数S L M 2H GS 0而对于反馈控制回路,S - S 0 A 1(7)(8)可见有源抗噪声耳机的残留信号中均包含有通讯信号。稳定系统的实现3(a) 幅频响应(b ) N yqu ist 图图3 经A 1补偿后反馈回路的开环传递函数稳定性是带有反馈回路的有源噪声控制系统普遍需要解决的关键问题, 它决定于系统在 潜在的不稳定极点的特性, 决定于极点对系统 增益裕量的限制。图2给出了一个有源耳机的反 馈回路的开环传递函数 (图1中的GL H M 2 ) , 其噪声降低与信噪比提高4由 (1) 式可以给出反馈控制有源耳机的降噪指数N L p = 20 lg | S | = 20 lg| 1M 2 - L H GA 1 |中为幅值响应,为N yqu ist 图。图2清(a)(b )楚地显示出在耳机的共振频率处存在一个不稳定的极点 (N yqu ist 图形与 X 轴的交点) , 它与 (- 1, 0) 之间的距离就严格地限制了回路的增 益裕量。而 (6) 式已经表明, 该增益是有源耳 机降噪性能的决定性因素, 所以改善系统在潜 在的不稳定极点的行为就可以改善系统的性 能。使用一个0 360的相移器, 就可以将图2 (b ) 的N yqu ist 图任意转动, 从而上述极点所对 应的频率以及由此极点所决定的增益裕量都可电声技术41997(9)所以而 (6) 式实际上是要求|L M 2H GA 1 | 1,有L p 20 lg |L H GA 1 |有源降噪前后的信噪比均为(S N ) R = L H G (S 0 N )(11) 式似乎表明不管反馈控制存在与否,(10)(11)增加增益总可以改善系统的信噪比, 但是根本的区别在于不使用有源控制时, 信噪比的改善是由 于通讯信号声级的提高: 而在使用了有源控制31之后, 信噪比的改善则是由于噪声降低, 所以信噪比改善的定量描述就等于降噪指数。 依照图3的传递函数可以实现一副反馈控制结构的有源耳机, 图4 (a ) 给出了实际的实验 效果, 在2000H z 以下的频率范围内, 初始声级为11311dB , 控制后声级为10610dB。噪声降低以很容易地实现闭环自适应有源抗噪声耳机。图4( b )给 出 了 一 个 数 字 闭 环 有 源 耳 机 在1000H z 以下的降噪实验结果, 总的噪声级由11717dB 降低至9916dB。可见比仅使用反馈结 构的效果好得多。5 结论与信噪比的改善一般在6 10dB 之间,的最佳值约为12 18dB。窄带内对于如图1所示的包含前馈与反馈结构的闭环结构有源耳机, 降噪效果不仅决定于反馈 电路的开环增益, 还与实现由 (4) 式所给定的(1)因为降噪之后通讯信号可以很好地保留下来, 所以有源控制系统完全可以应用于抗噪 声耳机。电路A 2 的精度有关,而该精度又依赖于传递函(2)反馈控制有源耳机信噪比的改善源于它数的辨识精度和参考信号与入射信号之间的相对噪声的控制作用, 而没有提高信号的声级; 包含了前馈和反馈结构的闭环控制系统还可以进 一步提高这一效果。干程度。将前馈电路的误差信号相对 (3)给出的理论值的偏差记作 EN , 则有E = M 2 1+ L M 1H A 2G (N 0 N ) 式所(12)(3)稳定性控制是实现实用的有源抗噪声耳对于按照 (4) 式很好设计的系统,于1, 降噪指数可以表示为L p 20 lg|L H GA 1 E |信噪比可以写作(S N ) R = (L H G E ) (S 0 N )E 应该远小机的关键所在。(4)闭环自适应控制系统是有源抗噪声头戴(13)耳机向商品化发展的技术方向。参考文献(14)田静, 沙家正, 李宁荣1有源护耳器的原理与设计1声学学报 ( 1991) , 16 ( 2) , 122 127T ian J ing Sh a J iazh eng and L i N ing ro ng1A c t ive an t i -no ise t ran sm it te r s and rece ive r s1C h ine se Jo u rna l o f A 2 co u st ic s ( 1990) , 10 ( 4) , 306 310 朱彦武等1有源降噪耳罩研究1声学学报 ( 1996) , 21 ( 2) ,123 127ISO T C 43SC 1, A c t ive no ise reduc t io n o f h ea r ing p ro tec2to r s1D raf t R e so lu t io n s tak en a t th e 18 th p lena ry m ee t ing可见由于噪声的降低 (E 很多。1) , 信噪比改善1234(a)反馈控制系统(b )闭环自适应控制系统o f ISO T C 43SCL 1996 -02 - 2829 in P re to r ia, So u thA f r ica, D o cum en t N 1035 ( 1996)( 收稿日期 1996 12 12)图4 有源耳机的实验效果使用数字电路和滤波输入LM S 算法,可(上接48页)信号分析仪,响应曲线。t io na l In st rum en t s Co rpo ra t io n U . S. AL abV IEW U se r M anua l. J anua ry 1996 E d it io n. N a t io na lIn st rum en t s Co rpo ra t io n U. S. AS ineN o ise Gene ra to r s T yp e 10491051 In st ruc t io nM anua l, B rue l & K j r Co rpo ra t io n D enm a rk 1990M ea su r ing A m p lif ie r T yp e 2636 In st ruc t io n M anua l, B rue l & K j r Co rpo ra t io n D enm a rk 1985AM