主动降噪技术原理及方式有哪些?
一般而言,消除或者降低噪声通常采用三种降噪措施:
在声源处降噪、在传播过程中降噪和在人耳处降噪,但是这几种方式都是被动的,实际使用过程中往往呈现出低频降噪效果差等缺点。为了主动地消除噪声,研究者发明了“有源消声”这一技术,也就是主动降噪技术。可以认为所有的声音都由一定的频谱和能量组成。从接收噪声源着手,通过电声处理,运算出反相的波,并通过内置音频处理电路进行放大和重放,相互反相的声音将会叠加,噪声的振幅将会大幅衰减,从而降低了噪声。 目前主动降噪技术已经在耳机中得到广泛应用。按照降噪方式,降噪耳机可以分为被动降噪耳机(无源降噪耳机)和主动降噪耳机(有源降噪耳机)。
被动降噪耳机是利用隔声原理降低噪声的个人防护装置,具有佩戴方便、价格低廉等优点;被动降噪耳机在高频段有着良好的降噪性能,但是由于耳机体积和重量的限制,在 500 Hz 以下低频段的降噪性能较差。包含有源降噪系统的耳机,称作主动降噪耳机,又称有源降噪耳机;有源降噪系统有良好的低频降噪性能,可以实现在较宽的频带上良好的降噪性能。 其中主动降噪耳机按照控制电路分类可以分为模拟式和数字式,按照控制结构分类可以分为前馈式、反馈式和复合式。
前馈式主动降噪耳机使用前馈式有源噪声控制系统,又称开环式噪声控制系统,典型结构如图 2 所示。这种系统需要被控制的初级声场的声音信息,称为参考信号,参考信号传递到前馈式控制器,经过控制器处理后,产生一个相应的控制信号,驱动扬声器输出声音信号产生次级声场,进而和实际通过物理途径中传来的原始声波信号相叠加。误差传声器检测初级声场和次级声场的叠加所形成的误差信号,送到控制器中,控制器根据特定的算法调整次级声源信号的强度。
前馈式有源噪声控制的优点是传声器接收的是纯噪声,并不接收喇叭发出的声音,所以系统是一个开环,不会引起任何的闭环振荡和啸叫,因此可以独立地调试电路,使降噪的效果达到最佳。但噪声经过扬声器并在扬声器内多次反射,其大小和相位已发生变化,传声器采集到的噪声与扬声器内的噪声将有很大的不同,且外部噪声的方向性很强,难以使用同一电路满足来自不同方向的噪声的降噪要求,这些都是在前馈式有源降噪耳机的设计中需要克服的问题。
反馈式主动降噪耳机使用反馈式有源噪声控制系统,又称闭环式噪声控制系统,它比前馈式系统少一个参考传声器,虽然系统构成上得以简化,但是应用范围也大大缩小。
反馈结构的有源噪声控制系统不需要预先得到声音信息,而是通过控制器调整误差信号,从而降低噪声。由于是反馈系统,当放大器的增益加大到一定程度时,系统将变得很不稳定,产生高频啸叫或低频振荡,为了维持控制系统的稳定,一般会要求控制器和误差传声器的位置十分接近,这就限制了反馈式有源噪声控制系统的应用范围。
复合式主动降噪耳机结合了前馈式、反馈式的结构。次级声源发出的信号将由参考传声器和误差传声器共同决定。前馈式系统可以减弱参考传声器检测到的与初级噪声相关的噪声,反馈式系统则对窄带噪声十分有效,两者结合使用,可以增强有源噪声控制系统的灵活性,从而比使用单一结构获得更好的降噪效果,但缺点是系统实现复杂、成本也非常高。