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DSP智能主动降噪耳机设计


随着现代科学技术的高速发展,在生活中,人们会遇到的各种各样的噪音,噪音会引起人烦躁、而且音量过强的话还会危害人体健康,其中最直接的危害是损伤听力。因此,对于这些无可避免的噪音,如何有效主动降噪就显得尤为重要。因DSP处理速度快、且并行性、灵活性、可编程性高,是近几十年来基带信号处理最广泛采用的方案。

DSP的高速接口用于连接板内和板外的器件,主要用于高速数据的通信,具有价格低、耗能少、降噪效果好、失真低等优点,主动降噪技术从消除噪音本身出发,主动消除干扰。现拟设计一款基于DSP的主动降噪耳机,在佩戴的舒适性及便携性上,相对老一代降噪耳机大大的封闭式耳罩有了很大的改观,保留了原耳机的音质水准,在不使用降噪功能时,同样拥有较高水准的音质。根据DSP技术,把噪音转化成电信号,通过运算电路把噪音信号反向获得反向信号(相位反向180°),以中和噪音。这个过程中首先采集噪声信号,在同一时间完成不同频率信号的解析和生成同步反相信号,保证其“实时”。另外,现在的很多降噪耳机是在原有的成品音乐耳机基础之上改进而来,一定程度上不能保留原耳机的音质水准,在不使用降噪功能时,音质就显得一般。而基于DSP的主动降噪耳机在实现智能主动降噪基础上依然保证音质,当有新噪音突然出现时,该主动降噪耳机可将噪音降低到耳朵感觉不到的程度,使降噪电路的负面影响降到最小。智能主动降噪耳机主要针对噪音环境,飞机、火车、地铁、公交等具有持续性噪音的场合。

一、智能主动降噪耳机的模块设计

智能主动降噪耳机核心电路由音乐信号输入模块,麦克风信号输入模块,麦克风声音选择模块,麦克风信号提供模块组成,如图1。

图 1 主动降噪结构图

根据DSP技术,把噪音转化成电信号,通过运算电路把噪音信号反向获得反向信号(相位反向180°),采集噪声信号后,同一时间完成不同频率信号的解析和生成同步反相信号这个步骤,从而达到把噪音中和的目的,实现降低噪音,保证其“实时”。该方案中,每个增益的调整都非常精准,因其采用的为一款性能精良的麦克风放大器,且其内部采用低功耗的运算放大器,当配合外部滤波器使用时,可以精准地还原和补偿外界环境造成的一些失真。

如图2为某航空发动机噪声频谱,其噪声的主要成分是它的低频噪声,但在航空业都是通过物理隔音且依靠一定厚度的隔音耳罩进行物理隔音以降低发动机噪音的危害,但通常效果有限,对800Hz以上的发动机噪音,隔音耳罩可显示出较好的抑制效果,但对于800Hz以下尤其是400Hz以下的低频噪声,隔声效果却较差。对比于上述数据及结果,对低频信号进行降噪时,采用主动降噪技术消除发动机低频噪声才是最好的方法。当有新的噪音突然出现时,隔音耳罩内部的扬声器处放置的麦克风便发挥了作用。

图 2 某航空发动机噪声频谱

如图3所示为反馈式主动降噪的原理图,该麦克风可采样人耳听到的噪声。经过反向、放大后驱动扬声器产生一个“反噪声”,以抵消外界通过耳罩传入的噪声。同时,系统还须有很高的信噪比以避免自激震荡和软件计算所必须的延时。它具有功耗低、声音品质高和集成度高等优点。只要合理选择放大器的增益,就可获得良好的噪声抵消效果。

图 3 反馈式主动降噪的原理

如图4所示,为降噪耳机开始运作到人耳听到声音的过程,可分为以下几个步骤:首先,经过内部电路的计算,由安置于耳机内的微型麦克风采集耳朵能听到的环境中的中/低频噪声(比如100Hz~1000Hz);接下来,将噪声信号传至降噪电路,降噪电路进行实时运算;降噪电路处理完成后,通过Hi-Fi喇叭产生的信号发射与噪音相位相反、振幅相同的声波,从而将噪音抵消,让耳朵能听到原汁原味的音乐。掌握主动降噪的基本原理后,用CAD软件画出内部结构电路,设计PCB板,完成电路板的焊接,实现主动降噪耳的组装。

图 4 主动降噪电路图

二、耳机降噪测试结果与分析

通过对比经过物理隔音处理的语音信号和主动降噪技术处理之后的语音信号和和性能分析,以及数据分析后,画出相应的曲线图,输出分析结果。图5是将大量数据进行分组,一个周期内的信噪比作为此采样点的值。一组200个数据,分别对每组数据求信噪比,采到的50个点,这样得到的数据可以使图中的信噪比曲线稳定些。

在图5中,经过主动降噪技术处理过的信号总体的信噪比是15.5dB而经过物理隔音处理过的信号的总体信噪比是9.5dB。由此可知总体信噪比经过主动降噪技术处理后提高了6dB。由图5中还可以看出信号的信噪比最大提高值为15dB。经过对信噪比性能指标的分析,表明其能在环境变化时平滑过渡,提高输出信号的质量。

图 5 去除噪音前后信噪比对比图云噪后总信噪比

结论

经过主动降噪技术处理过的信号总体的信噪比显然较经过物理隔音处理过的信号的总体信噪比有了较大提高,且信号的信噪比最大值提高明显,证明主动降噪技术能在环境变化时平滑过渡,使输出信号的质量得以提高,进而说明其消噪性能是有效的。

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