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DIY:主動降噪前饋耳機設(shè)計步驟分享

發(fā)布時間:2014-11-24 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】每個耳機的聲學(xué)表現(xiàn)都不盡相同。原因很簡單,因為耳機采用不同的組件,如擁有不同阻抗和傳遞系數(shù)的揚聲器。要制作主動降噪耳機,了解耳機的特性很重要,這樣才能獲得良好的降噪性能。一位工程師分享了如何設(shè)計一款主動降噪(ANC)耳機的全部步驟。
 
在筆者文章中,闡述了現(xiàn)有的各種主動降噪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并對原始設(shè)計商和合約制造商在生產(chǎn)過程中遇到的困難進(jìn)行了分析。開發(fā)過程的另一個難題是主動降噪回路本身。本文將敘述以AS3415主動降噪芯片為基礎(chǔ)設(shè)計一款主動降噪前饋耳機的必要步驟。
  
在正式開始制作一款主動降噪耳機之前,我們需要特殊的音頻設(shè)備。首先是用于測量頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的音頻測量系統(tǒng)??蛇x用的音頻設(shè)備有Audio Precision、Brüel&Kjaer、Soundcheck等。除了音頻測量系統(tǒng),人耳模擬裝置也是重要的一部分,如來自Head Acoustics、Brüel&Kjaer或GRAS的IEC711(入耳式主動降噪產(chǎn)品)或Head&Torso模擬器(頭戴式及耳罩式產(chǎn)品)。人耳模擬裝置可在量測耳機特性時用于模擬人耳響應(yīng)。這些人工耳集成了高度精確的麥克風(fēng),能夠測量到人戴耳機時真實聽到的聲音。另外還需要一個揚聲器,用于測量耳機的被動衰減特性,這是濾波器設(shè)計的一部分。此揚聲器應(yīng)該是雙向式揚聲器,且最好是同軸雙向式揚聲器,以保證從揚聲器到耳機的高頻與低頻的傳輸距離相等。最后需要AS3415評估板,它包含了所有必要的連接器和前置放大器,使性能測試過程盡可能流暢地進(jìn)行。
  
為什么要對耳機進(jìn)行性能測試?
  
每個耳機的聲學(xué)表現(xiàn)都不盡相同。原因很簡單,因為耳機采用不同的組件,如擁有不同阻抗和傳遞系數(shù)的揚聲器。且每一款耳機的彈性襯墊以及前后聲腔也都不一樣。
  
要制作主動降噪耳機,了解耳機的特性很重要,這樣才能獲得良好的降噪性能。主動降噪前饋耳機使用ECM麥克風(fēng)捕捉耳機外部的噪音。電子線路會產(chǎn)生一個抗噪反信號,然后通過揚聲器播放出來。理論上,ANC回路是一個簡單的反相電路,但事實并非如此。由于耳機的不同組件會影響頻率響應(yīng)和相位響應(yīng),簡單的反相無法令A(yù)NC達(dá)到性能要求。為了解耳機在增益和相位方面的表現(xiàn),ANC耳機的性能測試顯得尤為重要。
  
為了得到理想的ANC濾波曲線,我們必須采用第一段提到的設(shè)備進(jìn)行三項測量。第一項測量是被動衰減測量,如圖1所示。
前饋性能測量一
圖1:前饋性能測量一
  
我們用同軸揚聲器發(fā)出20Hz-22kHz的掃頻聲波,并測量到達(dá)人耳的聲波。到達(dá)人耳的聲波可使用人耳模擬器內(nèi)部的麥克風(fēng)來測量。這樣,我們測到耳機自身引起的噪聲衰減,即被動衰減。
  
如圖2所示,第二項是捕捉噪音的麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)測量。同樣,正弦掃頻信號通過同軸揚聲器播放出來,并由ANC麥克風(fēng)收集。
前饋性能測量二
圖2:前饋性能測量二
  
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第三項,也就是最后一項,(如圖3)是耳機內(nèi)部揚聲器的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)測量。20Hz至22 kHz的掃頻信號由耳機內(nèi)部的揚聲器發(fā)出,供測試使用的人工頭內(nèi)的麥克風(fēng)收集到該信號。該項檢測測量了降噪信號通過揚聲器播出時的傳遞函數(shù),以及信號是如何被人耳接收的。相位對這三項測量都十分重要,如果揚聲器播出的抗噪信號與從環(huán)境進(jìn)入人耳的噪音具有相同的相位,噪音非但不會減弱,還會被放大。
前饋性能測量三
圖3:前饋性能測量三
 
計算主動降噪濾波器的理想值
  
一旦完成這三項測量,我們就能夠用測量結(jié)果來計算ANC濾波器的理想值。所需的濾波器振幅計算如下:
計算結(jié)果能夠很容易通過Excel表格得出,一個濾波器范例如圖6顯示。范例的頻率響應(yīng)及相位響應(yīng)表明,僅使用一個全頻寬的反相放大器是難以做出理想降噪信號的。
  
開發(fā)濾波器
  
一個好的ANC耳機的關(guān)鍵在于濾波器的設(shè)計。如果濾波器的設(shè)計不合理,即使再好的ANC芯片也沒用。濾波器設(shè)計的目標(biāo)是盡量匹配增益和相位響應(yīng)。在特定頻率匹配得越好,ANC性能也就越好。因為是模擬信號處理,濾波器的仿真通常是通過spice仿真工具完成的。圖4是一個spice仿真線路,該線路體現(xiàn)了ANC麥克風(fēng)濾波器的信號路徑。
Spice濾波器仿真范例
圖4:Spice濾波器仿真范例
  
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ANC濾波器設(shè)計工程師的目的是將圖4濾波器仿真線路中的增益和相位響應(yīng)與計算出的理想曲線匹配起來?,F(xiàn)在人們使用的典型濾波器有一階低通濾波器、陷波濾波器、高架及低架濾波器。設(shè)計師必須了解不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及截止頻率、通帶、阻帶的計算方法。這當(dāng)然不是一個簡單的任務(wù),尤其是當(dāng)他們不習(xí)慣使用spice仿真工具和模擬濾波器開發(fā)工具時。
AS3415前饋濾波仿真工具
圖5:AS3415前饋濾波仿真工具
  
為了解決這一問題,AS3415評估軟件整合了前饋濾波器仿真工具,如圖5所示。設(shè)計工程師能夠使用這一工具來設(shè)計理想的ANC濾波器。這一工具提供了一套預(yù)定義的濾波器架構(gòu),取代了修改零件值及濾波器結(jié)構(gòu)的做法?;跒樵S多不同客戶模擬的濾波器結(jié)構(gòu),這些預(yù)定義的濾波器結(jié)構(gòu)能夠涵蓋90%的ANC聲學(xué)需求。圖6顯示了該工具的模擬結(jié)果。綠色曲線代表理想的ANC增益和相位響應(yīng),藍(lán)色曲線顯示了利用圖5的工具制作的ANC濾波器的模擬結(jié)果。設(shè)計濾波器時,有一點很重要,那就是我們要注重哪些頻段。ANC耳機的運作有特定的頻率范圍,這并非由于AS3415本身的局限性,而是跟聲音的傳播速度及耳機的聲學(xué)特性相關(guān)。如果我們只關(guān)注理想濾波曲線中的增益響應(yīng),設(shè)計符合該曲線的濾波器則很容易。但問題是在ANC濾波器的設(shè)計中也得同時匹配相位。由于更高頻率下的相位幾乎旋轉(zhuǎn)了180度,設(shè)計出的濾波器很有可能與頻率響應(yīng)匹配,而不與相位匹配。取決于不同的耳機及其相位響應(yīng),我們通常可以做到1.5kHz頻率以下的濾波器匹配。更高頻的部分需要盡可能的衰減。如果不衰減這些未匹配的高頻部分,可能會引入噪音。我們在低頻部分減弱噪音,但如果高頻的相位失配,就會導(dǎo)致噪音被放大。為了避免這一現(xiàn)象,我們會盡量在無法匹配的區(qū)域降低增益。圖6中的綠色透明區(qū)域代表我們通常能達(dá)到的增益和相位的最小失配。紅色區(qū)域是我們要盡量衰減的部分。高頻衰減和相位響應(yīng)之間必須達(dá)到一個良好的平衡。如果在高頻下衰減得太多,會影響到低頻的相位響應(yīng),從而可能失去ANC的效果。
模擬結(jié)果
圖6:模擬結(jié)果
  
濾波器檢驗及ANC測試
  
得到令人滿意的濾波曲線以后,AS3415濾波器仿真工具同時提供材料清單輸出功能。由于該工具和AS3415的評估板相匹配,材料清單中列出的項目能夠被焊接在評估板上,以測試帶有該濾波器的ANC的性能。測試包含兩項內(nèi)容:一是耳機戴在人工頭上時的被動衰減測試,二是打開AS3415芯片并配置好前饋降噪功能時的頻響測試。ANC性能計算如下:
這些計算可以通過一個Excel表格來完成,并生成一份音頻范圍內(nèi)的ANC降噪性能曲線圖。這張ANC降噪性能曲線圖在降噪耳機的設(shè)計及生產(chǎn)過程中是十分重要及常見的。AS3415的開發(fā)工具以及ANC降噪耳機開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用注解和樣板現(xiàn)已上線。
 
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