1.       主動降噪耳機(jī)技術(shù)原理

      隨著電子產(chǎn)品消費(fèi)市場的不斷發(fā)展，日常生活中越來越多的人們使用耳機(jī)聆聽高質(zhì)量的音樂。然而，城市的噪聲污染越來越嚴(yán)重，在室外使用普通耳機(jī)耳塞，只能提高音量來蓋過噪聲，這樣一來不但不能享受美妙的音樂，對自己的聽力也有很大的影響，你也許很快就會感到聽覺疲勞。此時，如果想靜靜地享受音樂世界，那么降噪耳機(jī)可能成為最佳選擇。
      在降噪耳機(jī)領(lǐng)域，被動式噪音控制(Passive Noise Control, PNC)及主動式噪音控制(Active Noise Control, ANC)是目前最主要的兩種噪音消除方式。且一般的噪音消除方式也是采用被動式降噪，例如市售的耳塞、耳罩…等。其原理是利用外部硬質(zhì)材料與內(nèi)部的填充材料，以隔離與吸收噪音的原理，阻當(dāng)外界的噪音進(jìn)入耳朵，尤其對高頻噪音的降噪效果更是明顯，這也是現(xiàn)在噪音抑制最常使用的方法。然而，這種降噪方式雖然實(shí)現(xiàn)容易，但對800Hz或更低頻率的低頻噪音而言，若要應(yīng)用這種被動式減噪，需要負(fù)擔(dān)大量的設(shè)備成本以及材料重量，此時被動式降噪方式則失去了實(shí)際上的效益，并且被動式降噪的方式，在抑制噪音的同時，也會阻隔使用者談話的聲音，這也是被動式的主要缺點(diǎn)之一。
      而ANC原理是使用一套降噪控制處理電路，進(jìn)行適應(yīng)性運(yùn)算，來輸出與欲消除的噪音相位相反，頻率與能量相同的聲波，以達(dá)到消音的目的；與PNC不同的是，ANC是以波形的重疊原理為基礎(chǔ)。即由噪音與抑制聲波相結(jié)合，來造成破壞性的干涉而產(chǎn)生聲波能量相消的效果，若抑制波的波形與欲消音的聲波振幅、頻率相同，且反相時，則會得到消音效果，如圖1所示。

      耳機(jī)主動降噪的基本概念并不復(fù)雜，但如何實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的降噪效果卻并不簡單，特別是濾波電路的設(shè)計及生產(chǎn)過程控制更加關(guān)鍵。當(dāng)前的耳機(jī)主動降噪技術(shù)主要有前饋式和反饋式兩種方式。在前饋式系統(tǒng)（如圖2）中，采樣麥克風(fēng)位于耳機(jī)外部或耳機(jī)罩開口處，以直接采集耳機(jī)外部的噪音信號，經(jīng)過ANC處理電路后，從喇叭中播放出適當(dāng)幅度的反相噪聲，用以抵消進(jìn)入到耳罩內(nèi)的噪音，其最主要的特點(diǎn)是噪音的消除回路是開環(huán)的；而在反饋式系統(tǒng)（如圖3）中，麥克風(fēng)位于耳機(jī)內(nèi)部喇叭的前面或附近，麥克風(fēng)采集耳罩內(nèi)部的噪音信號，再經(jīng)過ANC電路組成的閉環(huán)負(fù)反饋回路，推動喇叭產(chǎn)生反向噪聲信號以抵消耳罩內(nèi)部的噪聲，由于反饋式主動降噪系統(tǒng)的噪音檢測麥克風(fēng)在耳罩的內(nèi)部，通過閉環(huán)回路反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)，因此這種方式更加精確反饋耳朵附近的噪聲，降噪的效果也相對要比前饋式的更好，但結(jié)構(gòu)、電路及調(diào)試工作相對要復(fù)雜些。因此對體積要求高的小耳塞一般都采用前饋式系統(tǒng)，對體積要求不是太高的耳罩式耳機(jī)則大多都是采用反饋式系統(tǒng)。

圖2  耳機(jī)前饋式主動降噪系統(tǒng)

圖3  耳機(jī)反饋式主動降噪系統(tǒng)

      從主動降噪（ANC）電路的處理方式也有模擬和數(shù)字兩種處理方式，目前國內(nèi)外各廠家絕大部分都是采用模擬電路的方式來實(shí)現(xiàn)降噪處理，僅有很少一部分是采用數(shù)字處理技術(shù)，如SONY的MDR-NC500D就是采用DSP實(shí)現(xiàn)ANC功能的耳機(jī)之一。采用模擬和數(shù)字方式進(jìn)行降噪處理有各自特點(diǎn)，如下表1：

      表1  模擬與數(shù)字ANC對比

      從上表可以看出，采用模擬電路實(shí)現(xiàn)降噪功能的方式是有較大的優(yōu)勢的，因此也是絕大部分廠家與產(chǎn)品普遍采用的方式。
      另外有源消噪耳機(jī)與傳統(tǒng)的耳機(jī)相比，具有獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢，由于采用有源方式，在耳機(jī)的音質(zhì)上可以采取靈活的電路補(bǔ)償?shù)姆绞綄Χ鷻C(jī)自身的缺陷進(jìn)行補(bǔ)償，在耳機(jī)設(shè)計中，由于耳機(jī)音腔體積小，喇叭單元等固有因素的制約，在音質(zhì)方面多少會有些先天的不足，比如在整個耳機(jī)的音響特性中由于某種原因引起低頻部分不夠，要采取無源的方式改善這些特性是相對來說是比較困難的，但是在有源技術(shù)的幫助下就很容易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，我們只有通過特殊設(shè)計，通過電子電路的補(bǔ)償，就很容易修正系統(tǒng)的音響特性曲線。在這個技術(shù)下，我們也很容易制作出一些滿足特殊應(yīng)用人群的不同口味的耳機(jī)產(chǎn)品。
      有源消噪耳機(jī)還可以通過對電路的改進(jìn)，設(shè)計出一些特殊功能的應(yīng)用，這些應(yīng)用都是通過電子電路在有源工作方式下實(shí)現(xiàn)的，比如我們可以設(shè)計出帶有通話語音清晰功能的耳機(jī)，這樣就可以不用摘除耳機(jī)也能非常清晰的聆聽別人的聲音了，也提供了使用的便利性。有源耳機(jī)還可通過各種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常高質(zhì)量的聲音還原，可以達(dá)到專業(yè)監(jiān)聽級的要求，滿足各種需求。

1.       有源消噪耳機(jī)現(xiàn)狀

      從現(xiàn)在眾多的耳機(jī)廠商綜合來看，BOSE、索尼、森海塞爾等品牌不僅在傳統(tǒng)耳機(jī)產(chǎn)品中占有優(yōu)勢，在降噪耳機(jī)領(lǐng)域同樣實(shí)力不俗，在眾多的廠商中，他們各自都有推出他們的代表產(chǎn)品，主要代表產(chǎn)品如表2：

      表2 主流廠商降噪耳機(jī)代表產(chǎn)品及技術(shù)

      從上表可以看出，主動降噪耳機(jī)目前幾乎還是被國外較大的企業(yè)壟斷，主要有博士、森海塞爾、索尼、鐵三角等，國內(nèi)目前做得相對較好的也就是深圳冠旭電子旗下的233621品牌，他們的產(chǎn)品目前已經(jīng)與南航合作，應(yīng)用到了部分航線上了。而其他國內(nèi)的主動降噪耳機(jī)幾乎都是OEM或是價位廉價的山寨產(chǎn)品，正真的高端或自主品牌幾乎是空白。
      近幾年，我國降噪耳機(jī)行業(yè)發(fā)展較快。國內(nèi)的產(chǎn)量逐年提升。據(jù)統(tǒng)計，2005年我國降噪耳機(jī)產(chǎn)量達(dá)到247.5萬只。2005年以后我國降噪耳機(jī)產(chǎn)量持續(xù)上漲，這與國內(nèi)的需求逐漸擴(kuò)大有直接的關(guān)系。但是在產(chǎn)量的增速上呈現(xiàn)出先增后降的發(fā)展趨勢。主要受到2008年金融危機(jī)的影響，2008年產(chǎn)量只有小幅上升，增幅僅為4.2%。2009年上半年產(chǎn)量達(dá)到169.8萬只，同比上升0.9個百分點(diǎn)。在耳機(jī)細(xì)分產(chǎn)品中，主動降噪耳機(jī)的數(shù)量還是相對于被動降噪耳機(jī)而言，占比是很低的，整個主動降噪耳機(jī)在整個市場的占有率一直保持在4.3%左右，只有小幅的變化，分析其中的原因，主要是由于目前整個主動降噪耳機(jī)還是掌握在國外的幾家大公司的手里，整體價格相對較高，當(dāng)大家在選擇耳機(jī)產(chǎn)品的時候，過高的價格自然就限制了數(shù)量的增加；再則，國內(nèi)目前也沒有出現(xiàn)大家認(rèn)可的主動降噪耳機(jī)品牌也是其中的因素之一。當(dāng)前有源降噪耳機(jī)的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展相對成熟，成本上也可以很好的控制，當(dāng)有源降噪耳機(jī)的成本大幅下降的同時又能保證高的品質(zhì)水平，主動有源降噪耳機(jī)一定會贏得大量的用戶群體，產(chǎn)量也將迎來革命性的變化。

1.       我們在主動有源降噪耳機(jī)上的調(diào)研成果

      從2012年11月底開始的將近1個月的時間里，我們集中對目前市面上比較有代表性的主動有源降噪耳機(jī)進(jìn)行了調(diào)查、分析工作，主要是BOSE的QC3，森海塞爾的PXC450，魔聲的錄音師，索尼的MDR-NC500D，鐵三角的ATH-ANC23（主動降噪耳塞）。

      以上這五款耳機(jī)都是目前國際上主流的知名耳機(jī)廠商推出的主動降噪耳機(jī)產(chǎn)品中的代表作品，除了都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的主動降噪功能，這些產(chǎn)品還都有各自其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，也設(shè)計了其他的非常實(shí)用的功能，下面就逐一介紹下這些產(chǎn)品的特點(diǎn)，也能讓我們能夠更加了解下當(dāng)前的有源主動降噪耳機(jī)行業(yè)的一些情況。
      BOSE是一家較早就開始從事主動降噪技術(shù)研究的公司，其降噪算法在行業(yè)內(nèi)都是最為優(yōu)秀的，他們的降噪耳機(jī)最早被裝配在美國軍方，現(xiàn)在一些航空公司頭等艙也配備了BOSE的降噪耳機(jī)。BOSE的QC3（圖3）采用的是便攜式貼耳式設(shè)計，在佩戴舒適性上要比耳罩式舒服，長時間佩戴耳朵也不會有悶熱的感覺，加上采用了Noise Cancelling主動消噪技術(shù)，能幫助你過濾擾人的絕大部分背景噪音，為你提供純凈高保真的音樂享受，擁有Bose專利的TriPort聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使小巧的耳機(jī)也能得到渾厚的低音，聲音均衡技術(shù)能夠?qū)⒙曇襞c耳機(jī)的特性匹配到最佳狀態(tài)，智能海綿的使用令佩戴更為舒適。

      森海塞爾世界公認(rèn)領(lǐng)先的專業(yè)話筒和耳機(jī)制造商。PXC 450 （圖4）是目前阻抑環(huán)境噪聲效果最好的包耳高端旅行耳機(jī)之一，自調(diào)節(jié)的隔板阻尼和專利的 Duofol 振膜技術(shù)為PXC450帶來了超群的音質(zhì)體驗(yàn)，在主動降噪上森海塞爾采用的是NoiseGard?2.0技術(shù)，特別開發(fā)的濾波算法將主動式噪聲補(bǔ)償效果提高到最高90%(23 dB)。PXC 450也可以工作在無源模式下，只要通過改變功能開關(guān)，即可作為無源耳機(jī)使用。TalkThrough 功能能夠讓你在佩戴了 PXC 450要想與身旁的人交談時，你并不需要摘下耳機(jī)，開啟這個功能后，你就可以輕松交談了。

      魔聲(Monster)，又叫怪獸，線材（Monster Cable）是世界上最早開發(fā)出高能影音器材連線的品牌， 2008年格萊美獲獎藝術(shù)家Dr.Dre和魔聲的音頻專家團(tuán)隊(duì)共同研究開發(fā)第一款大耳機(jī)Studio，迅速紅遍整個美國，成為美國時尚流行高品質(zhì)耳機(jī)的代言。目前魔聲耳機(jī)已經(jīng)成為了Rock、Hip Hop以及R&B等運(yùn)動傾向的耳機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。StudioBeats（圖5）是魔聲推出的一款高素質(zhì)的耳機(jī)，其利用先進(jìn)的揚(yáng)聲器設(shè)計和powered isolation?隔噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今頂級藝術(shù)家和制作人想呈現(xiàn)給您的強(qiáng)勁、清晰、超重低音的音效，魔聲StudioBeats也是時下最火爆的頭戴式耳機(jī)之一，他的火爆得益于時尚拉風(fēng)的外觀，也就是適合出街，非常漂亮，還有一點(diǎn)就是他的重低音，很容易讓人產(chǎn)生音質(zhì)好的感覺。與其它象森海塞爾等品牌不同的是，他把重心放在了低音渲染上，而不是走的HIFI路線，所以他屬于討好耳朵的一類，對于喜歡聽HIPHOP、搖滾、R&B、舞曲等類型音樂的人來說，魔聲是非常合適的了，它低音澎湃，下潛很深。
      在民用主動降噪耳機(jī)產(chǎn)品中絕大部分都是采用模擬降噪，索尼的MDR-NC500D（圖6）就是一款采用全數(shù)字實(shí)現(xiàn)主動降噪的產(chǎn)品。比起模擬降噪耳機(jī)，數(shù)字降噪耳機(jī)的最大優(yōu)勢在于降噪性能的提高。MDR-NC500D通過將過濾器數(shù)字化，只阻斷真正發(fā)出嘯聲的頻率，而其他頻率都可用作降噪信號。因此，其降噪性能比起模擬降噪也有了提高。此外，MDR-NC500D的另一大特點(diǎn)是具備了智能降噪功能，它擁有最適于3種噪音性質(zhì)的降噪模式，該功能能對周圍的聲音進(jìn)行分析，再根據(jù)分析結(jié)果從3個降噪模式中自動選擇最佳模式，這在模擬降噪耳機(jī)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。降噪耳機(jī)原本多在飛機(jī)內(nèi)使用，因此設(shè)置了適于機(jī)內(nèi)收聽的降噪特性。但如今除了飛機(jī)以外，在電車、公共汽車及辦公室里使用的人也多了起來。這樣就必須根據(jù)使用環(huán)境改變降噪特性并裝備適合各種噪音的降噪過濾器。這也只有數(shù)字降噪技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)的功能。而且還有一點(diǎn)，音質(zhì)也改善了很多，音質(zhì)的改善很大原因同樣要?dú)w功于MDR-NC500D裝備的數(shù)字均衡器，模擬技術(shù)的均衡器，就很難應(yīng)對復(fù)雜的頻率特性及增益的升降，然而，基于數(shù)字化均衡器，實(shí)現(xiàn)起來就會顯得很簡單了。

      前面介紹了4款不同廠家的耳罩式主動降噪耳機(jī)，他們各自都有各自的特點(diǎn)，但他們都是要把整個耳朵都罩住或壓住，這樣對于長期佩戴就會有悶熱感，尤其是在夏天就更加明顯，因此也就出現(xiàn)了入耳式主動降噪耳機(jī)，在大部分的耳機(jī)廠商中也都有這類產(chǎn)品，下面介紹一款具有代表性，性價比較高的產(chǎn)品。
      鐵三角的大名在耳機(jī)界可以說是無人不知了，它應(yīng)該是目前國內(nèi)知名度最高的大牌日系耳機(jī)廠商了，有許多經(jīng)典產(chǎn)品一直都廣為稱道。ATH-ANC23（圖7）作為一款主動降噪入耳式耳機(jī)，它采用了 QuietPoint? 降噪耳機(jī)使用新式的有源反向降噪技術(shù)，在每個耳塞上分別設(shè)有一個微型收音頭，作接收環(huán)境噪音(如引擎，風(fēng)聲等)，通過控制盒內(nèi)部的對沖電路而把噪聲降低。ATH-AN23由于是入耳式設(shè)計，因此它是采用前饋式的主動消噪系統(tǒng)設(shè)計。為了降低成本和實(shí)現(xiàn)小型化，ATH-ANC23采用了芯片化設(shè)計，由一顆主動降噪芯片加上少量的外圍元件組成。采用芯片化設(shè)計的優(yōu)勢是生產(chǎn)調(diào)試簡單，體積小巧，功耗更低和低廉的成本，但它的缺點(diǎn)就是功能模式及性能方面受到芯片的約束，調(diào)整參數(shù)不是太方便，因此往往都是用在價格相對較低的中低端產(chǎn)品上。

      目前我們已經(jīng)對上訴的主動降噪耳機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了全面的技術(shù)分析、測試工作，對整個主動降噪耳機(jī)行業(yè)的一些普遍做法和設(shè)計思路有了深入的了解，同時也做了相應(yīng)的試驗(yàn)工作。我們已經(jīng)在博士QC3原有電聲、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上已經(jīng)完成了初步的電子部分的設(shè)計工作，我們采用我們制作的電路板替代了博士QC3原來的電路部分，經(jīng)過我們的測試，降噪效果和音頻效果、曲線幾乎一樣，幾乎聽不出差別。      

      另外，我們也完全掌握了類似鐵三角的主動有源消噪耳塞ATH-ANC23的電路設(shè)計方案，現(xiàn)在也在與第三方的芯片提供商進(jìn)行咨詢和溝通，我相信我們同樣很快也可以設(shè)計出基于芯片級方案的有源降噪耳機(jī)。在數(shù)字有源降噪處理技術(shù)上，我們有著強(qiáng)大的DSP技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，相信技術(shù)上應(yīng)該不存在問題，只是時間問題。隨著我們技術(shù)的深入和開發(fā)的投入，我們應(yīng)該可以在不久的將來，設(shè)計和制造出屬于我們自己特色的高、中、低不同價位的主動有源消噪耳機(jī)產(chǎn)品。
      當(dāng)前在整個主動有源消噪耳機(jī)項(xiàng)目上，電聲系統(tǒng)的設(shè)計需要公司的全力支持，因?yàn)橐O(shè)計出一個完美的產(chǎn)品，在開發(fā)期間全面的測試系統(tǒng)是必不可少的，很多具體的參數(shù)是需要數(shù)據(jù)來支撐的，因此，完善電聲部分的設(shè)計和系統(tǒng)測試是我們最需要解決的問題。