【導(dǎo)讀】耳機(jī)中最容易開(kāi)發(fā)的是前饋式耳機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高、缺點(diǎn)是風(fēng)噪聲。但是反饋式降噪耳機(jī)則是降低噪聲的最佳方案。本文主要講解設(shè)計(jì)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)的步驟。
設(shè)備綜述
同設(shè)計(jì)前饋式耳機(jī)一樣，反饋式耳機(jī)也需要特定的設(shè)備，其中最重要的就是能夠測(cè)量頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的音頻測(cè)量系統(tǒng)。
適合用來(lái)進(jìn)行這些測(cè)量的音頻設(shè)備包括Audio Precision、Bruel&Kjaer及 Soundcheck等。搭配不同類(lèi)型人工耳的人耳仿真器可用來(lái)模擬人耳的聲學(xué)響應(yīng)。推薦采用Head Acoustics、Bruel&Kjaer或是 GRAS的產(chǎn)品。
常用于前饋入耳式產(chǎn)品的IEC711耦合器在這項(xiàng)應(yīng)用中是不需要的。在反饋入耳式系統(tǒng)中，麥克風(fēng)的擺放會(huì)受到空間限制。所以，99%的反饋式耳機(jī)一般都是罩耳式（on-ear）或者包耳式（over-ear）設(shè)計(jì)。當(dāng)然，目前市場(chǎng)上還是有反饋入耳式設(shè)計(jì)的。除了仿真人耳和能夠測(cè)量增益和相位的音頻測(cè)量設(shè)備之外，其余的用于前饋式設(shè)計(jì)的設(shè)備已經(jīng)包含了所有開(kāi)發(fā)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)的需求。為測(cè)定耳機(jī)的主動(dòng)降噪性能，還需要一個(gè)雙向式揚(yáng)聲器系統(tǒng)（最好是雙向同軸揚(yáng)聲器），以便將主動(dòng)降噪耳機(jī)暴露在噪音場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試。
設(shè)計(jì)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)所需的最后一個(gè)要素是AS3435評(píng)估板（EVB），它包括了所有必要的連接器和前置放大器，滿(mǎn)足了耳機(jī)聲學(xué)特性量測(cè)時(shí)的需求。
如何量測(cè)反饋式耳機(jī)聲學(xué)特性?
除了襯墊（cushion）和揚(yáng)聲器聲腔等機(jī)械組件之外，每部主動(dòng)降噪耳機(jī)還需要揚(yáng)聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)等電聲組件。這些組件集合在一起，決定了耳機(jī)的頻率和相位響應(yīng)。不同的耳機(jī)會(huì)有不同的頻率和相位響應(yīng)，所以需要正確的特性量測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)耳機(jī)主動(dòng)降噪性能的優(yōu)化，以達(dá)到最大的帶寬。
相較于前饋式系統(tǒng)，反饋式系統(tǒng)的主動(dòng)降噪特性測(cè)量是非常簡(jiǎn)單的，所需要的就只是量測(cè)耳機(jī)揚(yáng)聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)之間的開(kāi)環(huán)回路。
圖 1:反饋式耳機(jī)特性測(cè)量
測(cè)量裝置包括圖1所示的Audio DAQ（數(shù)據(jù)擷取）系統(tǒng)、人工頭及主動(dòng)降噪耳機(jī)。數(shù)據(jù)獲取（Data Acquisition）系統(tǒng)的輸出連接至AS3435評(píng)估板的輸入，主動(dòng)降噪耳機(jī)的揚(yáng)聲器需連接至AS3435評(píng)估板的耳機(jī)放大器輸出，同時(shí)，主動(dòng)降噪麥克風(fēng)連接至評(píng)估板的麥克風(fēng)輸入。設(shè)計(jì)所需的麥克風(fēng)偏壓（bias voltage）由評(píng)估板提供，因此麥克風(fēng)連接無(wú)需額外的外部組件。[page]
最后一個(gè)重要且必需的連接，是從評(píng)估板的QMICx引腳（麥克風(fēng)前置放大器輸出）連接至DAQ系統(tǒng)的模擬音頻輸入。在測(cè)量開(kāi)始前，AS3435評(píng)估板必須進(jìn)行正確配置。評(píng)估板軟件的屏幕截圖如圖2所示。很重要的一點(diǎn)是，要將麥克風(fēng)前置放大器增益設(shè)定為0dB，使其之后能匹配ams的濾波器計(jì)算模板。
圖2:反饋系統(tǒng)特性測(cè)量時(shí)的軟件配置
另外，將耳機(jī)多路輸入設(shè)定到“未連接”位置也是必需的，有助于避免麥克風(fēng)信號(hào)回饋至揚(yáng)聲器。當(dāng)然，這是主動(dòng)降噪運(yùn)作期間所需的，而非針對(duì)開(kāi)環(huán)回路特性的測(cè)量。當(dāng)評(píng)估板得到正確配置后，DAQ系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從20kHz至20Hz的正弦掃頻信號(hào)。然后DAQ系統(tǒng)便會(huì)測(cè)量麥克風(fēng)前置放大器輸出端的增益和相位響應(yīng)。該測(cè)量包括所有反饋濾波器設(shè)計(jì)所需的相關(guān)信息。
主動(dòng)降噪濾波器（ANC Filter）計(jì)算
反饋電路的主動(dòng)降噪濾波器計(jì)算非常簡(jiǎn)單，計(jì)算方式如下：
濾波器開(kāi)發(fā)
下一個(gè)，可能也是開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)中最重要的步驟，就是主動(dòng)降噪濾波器的開(kāi)發(fā)。通過(guò)濾波器計(jì)算來(lái)了解主動(dòng)降噪耳機(jī)的特性，意味著這些信息可以用在主動(dòng)降噪濾波器的開(kāi)發(fā)上。降噪耳機(jī)的聲學(xué)特性以及濾波器計(jì)算，可用于ANC濾波器的開(kāi)發(fā)。
市面上有許多反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)，但是大部分的設(shè)計(jì)都只是簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)反饋信號(hào)，因而主動(dòng)降噪性能極低。所以，重要的是把握濾波器開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)，包括了解并懂得系統(tǒng)的限制。有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以使用Spice仿真工具來(lái)設(shè)計(jì)主動(dòng)降噪濾波器。這需要很多經(jīng)驗(yàn)，尤其是在濾波器拓?fù)浜蜑V波器計(jì)算方面的經(jīng)驗(yàn)。圖3為主動(dòng)降噪濾波器范例。
圖 3: Spice 濾波器仿真范例
圖示為完整的主動(dòng)降噪信號(hào)鏈，包含反向放大器和RC網(wǎng)絡(luò)，可以設(shè)計(jì)主動(dòng)降噪濾波器的頻率和增益響應(yīng)。為了讓工程師能夠更方便地設(shè)計(jì)濾波器，ams開(kāi)發(fā)了濾波器仿真工具，作為AS3435評(píng)估軟件的一部分。此仿真工具的屏幕截圖如圖4所示。[page]
圖 4: AS3435濾波器仿真工具
該工具也使用spice仿真器，但配備了圖形用戶(hù)接口（GUI），使濾波器的開(kāi)發(fā)變得容易很多，特別是對(duì)于那些“未經(jīng)培訓(xùn)”的設(shè)計(jì)工程師而言。它可以幫助設(shè)計(jì)工程師通過(guò)一組預(yù)定義的濾波器拓?fù)涠x不同的增益和截止頻率。這個(gè)系統(tǒng)不像spice仿真器那么有彈性，讓用戶(hù)可以定義濾波器拓?fù)湟约半娮韬碗娙輸?shù)值，但它是一個(gè)很好的起點(diǎn)，將協(xié)助設(shè)計(jì)工程師更加了解主動(dòng)降噪濾波器設(shè)計(jì)中可能會(huì)遇到的困難。如果增益過(guò)高，且仿真出來(lái)的濾波器與理論計(jì)算出來(lái)的理想濾波器之間的相位不匹配度太大（typ. 120°），則耳機(jī)會(huì)發(fā)生震蕩。AS3435濾波器仿真軟件具備穩(wěn)定性檢查功能，能夠自動(dòng)顯示理論計(jì)算出來(lái)的ANC濾波器與仿真出來(lái)的ANC濾波器之間的增益和相位的不匹配。
在相位不匹配度高的區(qū)域中，濾波器設(shè)計(jì)工程師必須確保增益盡可能低。震蕩一般發(fā)生在高頻，然而在1Hz附近發(fā)生也是有可能的。
濾波器驗(yàn)證和主動(dòng)降噪測(cè)試
當(dāng)設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)某個(gè)濾波器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都表現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)，那么就可以導(dǎo)出此濾波器。該工具整合了物料清單(BOM)輸出功能，物料清單中的阻容器件都是基于E24標(biāo)準(zhǔn)的常用料。另外，由于元件指示符與評(píng)估板完全匹配，物料清單中的元器件可以直接被焊接到評(píng)估板上。
圖 5： 主動(dòng)降噪性能測(cè)試
主動(dòng)降噪性能測(cè)試包含兩個(gè)步驟，且不再需要相位測(cè)量。首先將耳機(jī)佩戴在人工頭上進(jìn)行被動(dòng)衰減的量測(cè)。步驟二與步驟一類(lèi)似，但需要將AS3435打開(kāi)，對(duì)其按照反饋應(yīng)用進(jìn)行配置，并根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)定麥克風(fēng)前置放大器的增益。降噪性能可根據(jù)兩次測(cè)得的數(shù)據(jù)按照如下公式計(jì)算：
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