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音頻測試方案:降噪耳機原理及音頻測試隔音箱指標優化

首頁 人氣:1305 發表時間:2020-06-17

丟掉吧,降噪耳機,當心你的耳朵會被融掉

音樂作為一種聽覺藝術,它不只是一連串的音符或是旋律。音樂的感受是一種非常私人化的體驗,當聽眾出于不同的境遇,或是處在不同的心情下,音樂都會詮釋出不一樣的含義。

無線藍牙耳機流行了這么多年,擺脫了有線束縛,音樂達人能夠盡情dance,享受沉醉于無限音符所帶來動感世界。

終究還是擋不住對音樂的狂熱,世界這么熱鬧,我只是想靜靜,這次音樂達人終于對降噪耳機下手了…

音樂音頻

耳機的誕生:

說到與到降噪耳機,不得不提BOSE,BOSS最早提出了降躁耳機的原理和概念。

最早的降噪耳機原理是這么說的:“聲音的傳播是通過介質的振動來實現,波與波之間如果呈反相則會在理論條件下相互抵消”。這個原理的提出者就是現在的音頻廠商Bose的創始人Amar G. Bose博士。我們現在用的降噪藍牙耳機正是基于這樣的原理,通過抵消外界的噪聲實現降噪效果的。

關于Bose創作降躁耳機的靈感,來源于一次旅途。相傳:1978年Prof. Amar Bose在飛機上接過一個耳機,由于飛機噪聲非常大,根本無法靜享音樂,于是….

降噪耳機靈感來源

降噪耳機靈感來源

降噪耳機靈感來源

降噪耳機靈感來源

降噪耳機靈感來源

降噪耳機靈感來源

耳機降噪的原理及方法

關于降噪耳機降噪的原理:其實把接收到外界的音頻信號以合適的相位差與波幅比在耳機內疊加播放,消除外界聲音(降低外界聲音音量)

降噪耳機降噪的原理

通俗得講就是我們用的降噪耳機,里面是裝有麥克風的,這個麥克風除了接收我們說話的聲音,還有個功能就是抓取外界的噪音。利用降噪耳機里的麥克風收集外界的噪音聲波,然后系統通過運算分析,把噪音中和,生成一個相反的聲波來抵消外界噪音,從而實現降噪的效果,佩戴者也就感覺到安靜了。

 

耳機降噪的處理方法:主動降噪耳機和被動降噪耳機

一般意義上來說,耳機分為主動降噪耳機和被動降噪耳機兩種,區別主要在于降噪方法的不同,主動降噪耳機就是通過耳機自帶的降噪系統產生與外界噪音相等的反向聲波,從而實現降噪的效果。而被動式降噪耳機主要通過包圍耳朵形成封閉空間,或者采用硅膠耳塞等隔音材料來達到降噪的效果。

主動降噪耳機

主動降噪耳機工作原理:

主動降噪耳機比普通的耳機要復雜的多,需要在耳機中內置一個降噪模塊,它包含一個麥克風,用來接受外界的噪音,再經過內部電路的計算,在耳機播放音樂的同時加入和外界噪音“反相”的聲波,從而將外界噪音抵消。

被動式降噪耳機主要通過包圍耳朵形成封閉空間,或者采用硅膠耳塞等隔音材料來阻擋外界噪聲。

入耳式降噪耳機工作原理

 

被動降噪耳機工作原理:

最常見的有入耳式耳塞和大耳罩設計的耳機,都可以劃分為被動式降噪耳機。不過被動降噪的缺點就在于其屏蔽的聲音大多為較高頻率的聲音,所以在一些規則的降噪場景中較為適用。但是對于一些低頻率的噪音就沒有那么好的隔絕效果了,所以在車內或者機艙等環境中,我們會發現被動降噪的效果會被大大降低。

 

這里我們主要說一下主動降噪,主動降噪分為前饋式降噪、反饋式降噪以及前饋式和反饋式結合三種降噪類型。

前饋式、反饋式降噪

前饋式降噪是把麥克風設計在遠離揚聲器的耳機外側,而反饋式降噪則是把麥克風設計在揚聲器附近。前饋降噪更容易實現,而反饋降噪則能采集到的噪音信息和人耳聽到的更接近,但麥克風可能會被揚聲器的聲音影響,對算法的要求更高。


前饋式降噪音頻測試

降噪耳機音頻測試音頻指標優化:

目前相對高端的降噪耳機大都糅合了被動降噪、前饋和反饋式降噪相結合的設計,對噪音的屏蔽和消除有非常好的效果。主動降噪耳機的缺點也同樣明顯,由于發聲單元會額外的發出抵消噪音的聲波,所以在音質表現上還是會有所差別,聲音細節上會有所丟失。由于主動降噪耳機的復雜結構和工作原理,價格上一般都會高上很多,大部分都在千元或者以上的價位,當然降噪耳機的售價高,有一部分是來源于量產成本,一個降噪性能非常好的耳機在生產過程必須要有一套非常成熟的音頻測試系統,包括音頻測試硬件設備,隔音箱,隔音房,全消聲室這些,還包括音頻測試分析軟件,用來分析降噪的聲學指標及參數。佳晨科技的音頻測試系統,成為眾多降噪耳機生產測試廠家一套完整的測試工具,為降噪耳機的生產及測試提供整合方案。

一、主動降噪音耳機的開發都必須分為兩個專業范疇去考慮,互相配合才能打造出卓越的主動降噪耳機,這兩個范疇分別是電子方面(主動部分)和聲學方面(被動部分)。 靠電子元件的性能、芯片和線路的質素和能力能夠達到卓越的耳機效果,但沒有聲學或結構上的好好配合,同樣無法完成一款好的耳機產品,所以廠商必須清楚地了解電和聲方面的知識或有專業的合作伙伴,才能事半功倍。

二、主動降噪 降的是什么?
電子部分主導的所謂主動降噪主要是負責低頻率范圍的噪音,一般由幾十Hz到1KHz至2KHz,而大部分2KHz 之上的噪音,基本上是靠被動降噪,即結構上的考慮。所以想要有效果好且平衡的降噪感受,電和聲方面的配合也是非常關鍵。如果耳機的硬件結構不完善,例如隔音太強,造成主動效果相對感覺變弱;又或者是隔音太差,造成漏音現象,影響了主動式的作用,最終必然影響整體降噪效果。
在結構設計上,左右兩邊設計的平衡度也很重要,如密度、重量、線材和線長都必須盡可能左右一致。否則便會難以調節,造成左右表現有所差異,那便絕對稱不上優質,而且也增加了生產的難度。

三、被動降噪 能做什么?
在“聲”方面(被動腔體部分), 就是包括單元和腔體部分,也是存在不少學問,簡單來說,就上面提到,主動降噪主要是消除中低頻的噪音,所以單元和腔體配合下必須能夠有足夠能力輸出低頻訊號,用以抵消低頻的噪音。這樣也能協助”電” 方面(主動部分) 不需花太多功夫為推動低頻輸出,故意調到增益太大甚至需要額外驅動芯片。 順帶一提,懂聲學的人也知道,單元本身有好的低頻表現也并不等于整合腔體后也必然有好的低頻表現,這也是需要聲學調節的。

四、頻響曲線如何調節?

頻響曲線方面,最好以整個腔體的曲線為參考,一般建議是從低頻幾十Hz到2Khz左右也盡量保持平均和平坦,這樣才令”電” 方面可以更好控制和更有效地設定有關的濾波。如果頻響曲線起伏太多或太大,就可能難以實現最佳降噪的強度和寬度,又或者要非常復雜的濾波去配合,這樣很大機會影響音質表現。尤其所謂的“反聲”往往是曲線起伏太大,導致濾波調節程度未能完全跟隨所造成,令某些頻率的噪音訊號反而會變得明顯突出。這都是工程們不愿意看到的。 當然耳機本身的頻響曲線和聲音表現有極大的關系,開發者在滿足客戶對音色的喜好之余也要在降噪效果上取得平衡,否則聲音太好而降噪表現遜色,又或者降噪出色而欠奉好的音色,那便未免太可惜了。 另一做法是讓被動腔體曲線保持平均和平坦,音色平均,但在開啟主動降噪時,以均衡器作頻響曲線的調節去達到客戶所要求的聲音音色,也是一種方法。 以往主動降噪音功能有一個大問題,就是開關降噪功能時的聲音音色表現的選擇和差異。有些商家希望能在被動和主動模式時的音色也能保持一致,有些商家希望主動式時音色更好,或低音更強勁。早期很多用分離器件的主動降噪方案,因為驅動力的問題,往往在主動模式時,聲音的中低頻也被抵消掉,導致主動模式時的聲音反而差了。所以開發者必須注意這點,但隨著開發商的經驗和芯片方案的驅動能力和靈活性,低頻補償都已經不是一個大問題了。

五、降噪曲線如何看?

評估一臺主動降噪音耳機的表現,不外乎測量一下其降噪的曲線,一般具備專用的人工耳和相關軟件便可(如B&K、GRAS、“吉高”等),主要測量三條曲線,如下圖。 一是環境噪音曲線(綠色),二是被動降噪曲線(紫色)和被動加主動降噪曲線(藍色)。我們通常從曲線下降幅度的多少去評估耳機降噪的表現,如被動的隔音有多好,開啟主動降噪后的衰減程度等等。以被動和主動的對應數值相減便能反映出主動降噪所做到的衰減程度,前面提到了,主動降噪的有效范圍主要都是由幾十Hz至1KHz、2KHz左右,而被動降噪則一般于1KHz之后的高頻段。

如上圖展示的耳機降噪曲線圖,在100Hz可達最高25dB的衰減,范圍由幾十Hz一直伸延至接近2KHz,幅度比較平均。 一般較為優質的主動降噪耳機都能消減達20dB 以上的噪音,當然衰減數值越大、代表降噪能力越大。但大家也不要單單只參考數值,因為實際的降噪能力和聽覺感受才最真實。有不少開發商只追求最高的dB數值,23dB不夠、調至25dB,25dB也不夠, 追求30dB甚至以上,這樣做往往忽略了降噪范圍和平均性。 以聽覺感受的經驗來說,若主動降噪衰減dB值達22dB或之上,再大的dB值,對聽覺感受之影響已經不會很明顯,反而降噪范圍的寬度會更加影響實際感受。如降噪范圍能伸延至1KHz和只是伸延至800Hz 的分別會很明顯。

六、影響主動降噪的因素還有哪些?

降噪寬度和強度除了與電子部分調節有關外,跟被動腔體曲線也有很大的關系。如果曲線能保持平均和平坦至更高的頻段,很大程度可讓主動降噪延伸得更寬,所以降噪的強度和寬度應該取得一個恰到好處的平衡,才能讓降噪能力發揮到最好。 當一臺優質的主動降噪耳機完成設計,接下來的必經階段當然就是生產部分。主動降噪耳機和一般耳機不同之處是,它會配備兩個甚至更多的麥克風用作收集噪音, 所以收集噪音的麥克風必須優質而且有一致的靈敏度,才不會讓不同的耳機、甚至同一部耳機的左右效果有所差別。 而且麥克風的靈敏度也不能太低,一般最好能控制在±1dB或以內,否則不同樣機的效果可能也是參差不齊的。當然有些數字方案可能配備自動校準功能,但這也需要生產設備的配合。此外,主動降噪耳機在喇叭單元等其它硬件組裝方面也必須保持程度的一致性,才能減少降噪效果的差異,讓生產過程更為順利、簡單。

希望這篇簡單的分享能幫助大家更好地了解和開發主動降噪功能,期待更多優質的降噪TWS耳機早日出現在市場上。最后,佳晨科技友情提示您,在戶外,特別是交通道路上,請扔掉您的降噪耳機,音樂融掉了你的耳朵,當心出現安全事故。


bose降噪耳機廣告片:靜享無人之境

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