一、主被动降噪原理
类比电磁兼容的三要素,干扰源、干扰路径和被干扰对象。降噪策略也可以从三个方面入手,分别是声源、传播途径和接收者。
1.被动降噪(PNC)原理
被动降噪技术途径一般包括隔声和吸声处理、阻尼减震等,机理在于通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用来消耗声能,从而达到降低噪声的目的,也称为无源降噪。常见应用有吸音海绵、声屏障、硅胶耳帽等。

吸音海绵

声屏障

硅胶耳帽
2.主动降噪(ANC)原理
声音是一种机械波,根据波的相消干涉性质,环境噪声被麦克风采集到,通过处理产生与噪声相差180°相位的反向声波,再通过耳机扬声器传入人耳,从而抵消掉人耳听到的噪声,从而达到降噪目的,也称为有源降噪。常见的应用有ANC耳机、汽车降噪等。


ANC耳机

汽车降噪
二、主被动降噪优缺点
1.被动降噪优缺点
优点:
1.材料简单。
2.无需电源。
3.成本低。
4.可靠性高。
5.对高频噪声抑制效果好。
缺点:
1.对低频噪声抑制有限。
2.体积重量大。
3.不能根据环境动态调整降噪效果。
2.主动降噪优缺点
优点:
1.能根据环境动态调整降噪效果。
2.对低频噪声抑制效果好。
缺点:
1.对高频噪声抑制有限。
2.成本高。
3.耗电。
最佳的降噪效果通常是两者结合,可以提供全频段的噪声抑制,提供更安静舒适的环境。
三、主动降噪耳机分类
1.前馈式主动降噪(FeedForward ANC)
FeedForward ANC配备的麦克风,位于耳机外侧,主要采集外界环境噪音,降噪频率宽度可以宽,但降噪深度一般。


2.反馈式主动降噪(Feedback ANC)
Feedback ANC配备的麦克风,则在耳机与人耳耦合腔体内,采集耳机与人耳耦合腔体内的“声音”(此“声音”包含正常的音乐信号和环境噪声到耦合腔体内的“残留 噪声”)。降噪频宽难做宽,但主动降噪的深度可以做深。


3.混合式主动降噪(Hybrid ANC)
Hybrid ANC是前馈式主动降噪加反馈式主动降噪。结合了前馈式和反馈式主动降噪技术的优点,能提供更好的降噪效果。


四、主动降噪技术在耳机中的应用
1.自选ANC模式
自选降噪模式就是通过划分降噪等级提供给用户自行选择。以华为 FreeBuds Pro 3为例,它有“智慧动态”“轻度”“均衡”和“深度”4组可选,后三者对应的分别是安静环境(如办公室)、嘈杂环境和非常嘈杂环境。Sennheiser App上对此提供的选项为最大、抗风、抗压力。Bowers & Wilkins Px8则有Office、City、Flight的选择(办公室、城市和航班)。

华为FreeBuds Pro 3

Sennheiser App
2.自适应ANC
自适应ANC就是允许耳机的降噪系统自行侦测环境音,自动选择合适的降噪算法。需要说明的是,自适应ANC也是要和其他配置来协同完成。如今几乎所有中高端主动降噪耳机,都会要求做贴合度的测试, 即根据每个用户耳朵的状态做些有针对性的预设。FreeBuds Pro 3, 在正式启用前就有个智能佩戴检测;隶属Masimo集团的Denon,在其 PerL系列真无线耳机上更是植入了Masimo AAT自适应声学技术,即通过发出测试音检测耳朵高、中、低三频敏感度并定制化声音参数。

耳机贴合度检测

Masimo AAT技术
五、仿真
模拟ANC系统控制器主要是由模拟电路组成,系统的优点是成本低和结构较为简单,但是该系统是非时变的,因此只能使用较为简单的传递函数,一般只能应用在单通道的ANC系统中。数字系统具有自适应的时变特性,并且其控制器是由数字电路构成,具有较好的稳定性,可以用在单通道的ANC系统中,也可以用在多通道ANC系统中。
模拟系统仿真




六、问答
1.主动降噪耳机可以抑制所有噪声吗?
如果噪音是较低频率且持续发声,那么降噪效果是最好的。突发噪音,比如喇叭声、人的尖叫声,仍然会被听到,毕竟最好的ANC技术也无法做到实时创建反相声波。
2.为什么主动降噪耳机会产生耳压?
声音是通过空气的振动来传播的,震动的空气带有能量,能量既不会凭空消失也不会凭空产生,那么当噪声被干涉相消后,原来的能量去哪里了呢?答案就是转变为了空气的热能,根据热胀冷缩的原理,声波能量的转换使得耳道内的空气压强变大,虽然这部分能量看起来微不足道,甚至都不足以使气温提高 0.1℃,但是人耳的感知敏锐度是非常高的,如此微小的压强变化也能被感知到,这便是主动降噪耳机通常都会有较大耳压的原因。
3.主动降噪技术会降低音质吗?
一定程度上会降低音质。这是因为主动降噪本身是需要耳机的发声单元产生跟噪声相反的振动,从而抵消噪声。所以无可避免会产生一些的音频细节的损失。而且降噪电路本身也会增加耳机自身的干扰源,从而增加干扰底噪。特别是早期的主动降噪耳机,在不播放音乐时,会明显听到“沙沙”的基底电流噪声。只不过现在技术进步了,所以这个问题已经有了很大改善。
4.ANC和ENC的区别是什么?
ENC(Environmental Noise Cancellation,环境降噪技术)是专注通话降噪的技术,主要应用于语音沟通的场景。ANC 更侧重于提供听音的宁静,而ENC专注于提升通话的清晰度和质量。