如何設(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(guò)程中遇到的困難進(jìn)行了分析。開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(lái)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(tīng)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(guò)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(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)。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(wú)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(lái)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(guò)同軸揚(yáng)聲器播放出來(lái)，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(guò)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(lái)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：

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