耳机主动降噪技术的分析与研究

冯志鸿

摘要：因耳机携带方便且灵活，具有较强的私密性，大部分人使用耳机听音乐及接打电话。但一些地区噪音污染较严重，在室外若使用普通耳机只能通过提高音量来掩盖噪音，对听力会造成很大的影响，降噪耳机就在此背景下诞生了。本文将对耳机主动降噪技术进行系统分析，并针对性的提出相应见解以供行业参考。

关键词：耳机;主动降噪技术;分析

中圖分类号：TN642 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0114-02

1 主动降噪耳机概述

降噪耳机主要分为两类，主动降噪与被动降噪。被动降噪耳机主要是通过物理隔绝的方式降低外界噪音的干扰，让其与耳朵隔绝开来，对于一些高频率的声音具有不错的效果，通常可以将外界的噪音降低到15～20dB。但是对于复杂环境的降噪，如存在大量低频率噪声却显得束手无策。被动降噪耳机的成本较低，效果存在一定的局限性，因为被动降噪耳机中具有高密度的隔绝材料，因此佩戴舒适度上就会较差。主动降噪耳机则可以通过耳机内所携带的降噪系统产生与外界噪声相等的反向波，将噪声进行中和处理，进而实现降噪效果。它是从消除噪声出发，主动对噪声进行处理，耳机具有专业的降噪电路，主动降噪耳机对于一些低频噪声具有显著的效果。

2 主动降噪耳机的工作原理分析

通过对声音特性分析可知，基本所有声音都是由相应的频谱与能量构成，若能够找出一种声音与频谱所需要消除的噪声完全一样，但是反向相反，之后当两者相遇叠加后从理论上是可以消除噪声。实际采用的方式是先通过耳机内部所携带的微型麦克风将耳朵所能够听到的各种噪声收集起来，之后将噪声信号传输至降噪电路，通过降噪系统的实时运算进行处理，之后再产出与噪声相同但相位相反的声波，这样当耳机在播放音乐时加入与外界相反的波就可以有效消除噪声。这个过程中最主要的阶段是当主动降噪耳机收集到复杂的环境噪声后，传输给降噪系统进行分析，之后通过耳机携带的扬声器实时产生与噪声相同香味相反的波，若此过程无法实现实时将难以实现最佳的降噪效果，因此耳机的主动降噪技术就显得尤为重要。

3 耳机主动降噪系统分析

通过对耳机主动降噪原理分析可知，耳机主动降噪系统能够产生抗噪信号是通过对原噪音信号处理所得的，目的就是为了让外界环境所产生的噪音能够相互抵消。

3.1 耳机主动降噪开环系统分析

耳机主动降噪系统通过所携带的噪音采集器收集噪音并进行处理，产生相对应的抗噪信号。当处于开环系统中时，传声器主要放置于耳机耳罩的外部，将所收集到的噪音信号经过方向放大器处理获得相对应的抗噪信号，之后再与所获得的噪音信号相互融合抵消，就能够降低外界噪音影响。抗噪信号是非常重要的，它能够降低外界噪音的影响，让原始的声音更加清晰。通常主动降噪开环系统能够降低大约15～20dB，耳机主动降噪开环系统最大的优势就是设计简单，与其它系统类型的主动降噪耳机相比较，虽可以满足大部分人的需求，但若使用者对音质有着更高的要求，此系统就无法有效实现。因为主动降噪开环系统的噪音采集器在耳罩外，因此所收集到的噪音与耳罩内实际听到的噪音是不同的，经过系统处理所得出的抗噪信号也不一样。当噪音经过耳罩再加上内部的反射作用，噪声已经发生了一定程度的改变。

3.2 耳机主动降噪闭环系统分析

若将降噪耳机的噪音收集器至于耳罩内部换能器的前方，那么耳机主动降噪系统就可以根据所收集到的噪音信号生成一个更为精准的抗噪信号。此时噪音收集器所采集到的噪音既包括耳机内部换能器所发出的声音，同时又有耳罩内部所产生的噪音，也就是人们能够感受到的噪音，这个信号可以被作为纠错信号，因此整个系统被称之为“闭环系统”。实际上，噪音是可以被看作非线性的变化，通过在系统内部进入校正信号来降低或者消除这种变化。耳机的噪音收集器会在耳罩内，所采集到的信息为混合声，所以系统需要对混合音进行处理与分离，再对反向的抗噪信号进行相应的补偿，这样才可以更好的消除闭环系统中的噪音。因为抗噪信号需要与所需要的信号重新进行结合，最后在耳机内的换能器中进行重现，这是一个反馈的过程，所以在某些情况下可能会存在不稳定的现象发生。

3.3 耳机主动降噪自适应系统分析

上述所讲的开环与闭环系统都是通过采用模拟滤波器的方式来产生相对应的抗噪信号，而数字化的滤波器功能会更加强大，设置也非常简单。主动降噪自适应系统中数字滤波器所采用的方法叫做自适应滤波法，它能够通过强大的计算能力同时实现对相位及幅度错误进行纠正。以头戴式主动降噪自适应系统为例，它会通过耳机顶部的噪声收集器将所采集的噪音信号作为参考信号，之后自适应滤波器利用收集信号经过耳机系统模型的转移函数来预测耳机内部可能产生的噪音，最后系统将预测噪音反相后与所需要的音频信号进行相互结合叠加，最终传到至耳机的换能器。在耳罩内的噪音收集器可以获得实际的噪音并通过处理产生一个精准的误差信号，进而使得滤波器经过处理可以获得更加精准的抗造信号。

4 主动降噪耳机的缺点及未来发展分析

4.1 主动降噪耳机的缺点分析

近几年虽然耳机主动降噪技术得到了显著的提升，但是却仍然存在一些缺点亟待解决。首先，我们需要明白的是降噪过程并非是在电路内将噪音进行消除，而是利用声学原理在特定的空间内将噪音进行抵消。若主动降噪系统设计的不够完善，所产生的抗噪信号与外界环境噪音未能相互抵消而是叠加，那么就不是降低噪音，反而会提高噪音。实际上耳机内的降噪系统不可能应对所有的噪音环境，总有难以处理的情况，这也是主动降噪耳机企业所需要解决的主要问题。对于主动降噪耳机用户而言，高品质的主动降噪耳机价格较为昂贵，同时因耳机内部所需要的设备较多，会额外增加耳机的重量。除此之外，有些主动降噪耳机在低频环境下应对快速变换的噪音时可能会出现失效现象，进而引起丝丝的电流声。最后部分主动降噪耳机具有一定局限性，如在马路上使用可能会忽略汽车喇叭声音，这些都是用户在使用前所需要考虑到的问题。

4.2 主动降噪耳机未来发展分析

对噪音控制的根本途径就是对声源进行有效控制。现如今，数字化降噪技术已逐渐成为耳机主动降噪技术的主流，将降噪过程数字化与智能化处理，这也是主动降噪耳机重要的改革方向。在主动降噪耳机领域之中，先进的技术以及优秀的品质一直是成功的首要条件。但是对于消费者而言，除了品质之外价格以及兼容性也是非常重要的。若价格过高将会阻挡大部分的消费者，同时也超越了耳机产品的实际范围。因此主动耳机未来发展的趋势必然会朝着高品质、性能强、产品丰富及价格适中的方向发展。

5 结语

综上所述，耳机主动降噪技术是复杂的，但是他们降噪的基本原理基本都是一样。相关工作人员应当积极学习先进的主动降噪技术，将其應用于耳机产品之中，这样既可以保证耳机的主动降噪效果，又能够确保耳机音质不会受损，为广大消费者带来更多的新型降噪耳机产品。

参考文献

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[2] 柳丹丹，胡海莹，陈国华.基于DSP的智能主动降噪耳机[J].科学技术创新，2017（29）：75-76.

[3] 韩国民，李世杰.浅谈主动降噪耳机技术[J].数字技术与应用，2014（01）：215.

Analysis and Research on Active Noise Reduction Technology of Earphone

FENG Zhi-hong

（Shenzhen Guanxu Electronics Co.， Ltd.， Shenzhen Guangdong  518117）

Abstract：Because headphones are easy to carry and flexible， and have strong privacy， most people use headphones to listen to music and answer telephone calls. However， noise pollution is serious in some areas. If ordinary headphones are used outdoors， noise can only be concealed by increasing the volume， which will have a great impact on hearing. Noise reduction headphones were born under this background. This paper will systematically analyze the active noise reduction technology of headphones， and put forward corresponding opinions for industry reference.

Key words：headphones;active noise reduction technology;analysis