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如何设计一款前馈式主动降噪(ANC)耳机?

Horst Gether?? AMS?? 2014年11月20日 ?? 收藏5
在我最新的文章(主动降噪发展趋势、概念及技术难题)中,阐述了现有的各种主动降噪拓扑结构,并对原始设计商和合约制造商在生产过程中遇到的困难进行了分析。开发过程的另一个难题是主动降噪回路本身。本文将叙述以AS3415主动降噪芯片为基础设计一款主动降噪前馈耳机的必要步骤。

在正式开始制作一款主动降噪耳机之前,我们需要特殊的音频设备。首先是用于测量频率响应和相位响应的音频测量系统。可选用的音频设备有Audio Precision、Brüel&Kjaer;、Soundcheck等。除了音频测量系统,人耳模拟装置也是重要的一部分,如来自Head Acoustics、Brüel&Kjaer;或GRAS的IEC711(入耳式主动降噪产品)或Head&Torso;模拟器(头戴式及耳罩式产品)。人耳模拟装置可在量测耳机特性时用于模拟人耳响应。这些人工耳集成了高度精确的麦克风,能够测量到人戴耳机时真实听到的声音。另外还需要一个扬声器,用于测量耳机的被动衰减特性,这是滤波器设计的一部分。此扬声器应该是双向式扬声器,且最好是同轴双向式扬声器,以保证从扬声器到耳机的高频与低频的传输距离相等。最后需要AS3415评估板,它包含了所有必要的连接器和前置放大器,使性能测试过程尽可能流畅地进行。

为什么要对耳机进行性能测试?

每个耳机的声学表现都不尽相同。原因很简单,因为耳机采用不同的组件,如拥有不同阻抗和传递系数的扬声器。且每一款耳机的弹性衬垫以及前后声腔也都不一样。

要制作主动降噪耳机,了解耳机的特性很重要,这样才能获得良好的降噪性能。主动降噪前馈耳机使用ECM麦克风捕捉耳机外部的噪音。电子线路会产生一个抗噪反信号,然后通过扬声器播放出来。理论上,ANC回路是一个简单的反相电路,但事实并非如此。由于耳机的不同组件会影响频率响应和相位响应,简单的反相无法令ANC达到性能要求。为了解耳机在增益和相位方面的表现,ANC耳机的性能测试显得尤为重要。

为了得到理想的ANC滤波曲线,我们必须采用第一段提到的设备进行三项测量。第一项测量是被动衰减测量,如图1所示。

图1:前馈性能测量一
图1:前馈性能测量一

我们用同轴扬声器发出20Hz-22kHz的扫频声波,并测量到达人耳的声波。到达人耳的声波可使用人耳模拟器内部的麦克风来测量。这样,我们测到耳机自身引起的噪声衰减,即被动衰减。

如图2所示,第二项是捕捉噪音的麦克风的频率响应测量。同样,正弦扫频信号通过同轴扬声器播放出来,并由ANC麦克风收集。

图2:前馈性能测量二
图2:前馈性能测量二

第三项,也就是最后一项,(如图3)是耳机内部扬声器的频率响应和相位响应测量。20Hz至22 kHz的扫频信号由耳机内部的扬声器发出,供测试使用的人工头内的麦克风收集到该信号。该项检测测量了降噪信号通过扬声器播出时的传递函数,以及信号是如何被人耳接收的。相位对这三项测量都十分重要,如果扬声器播出的抗噪信号与从环境进入人耳的噪音具有相同的相位,噪音非但不会减弱,还会被放大。

图3:前馈性能测量三
图3:前馈性能测量三

计算主动降噪滤波器的理想值

一旦完成这三项测量,我们就能够用测量结果来计算ANC滤波器的理想值。所需的滤波器振幅计算如下:

如何利用AS3415设计一款主动降噪(ANC)耳机?

所需滤波器的相位计算如下:

如何利用AS3415设计一款主动降噪(ANC)耳机?

计算结果能够很容易通过Excel表格得出,一个滤波器范例如图6显示。范例的频率响应及相位响应表明,仅使用一个全频宽的反相放大器是难以做出理想降噪信号的。

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主动降噪耳机? AS3415? 主动降噪芯片?

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