這樣選用麥克風，耳機降噪效果會更好

學習新知識tzh 2021-04-05

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降噪耳機已經(jīng)越來越普及，降噪耳機要想實現(xiàn)好的降噪效果面臨很多挑戰(zhàn)，其中如何正確選用麥克風又是一項具有重要影響的基礎(chǔ)工作。本文目的旨在幫助讀者正確選用麥克風以實現(xiàn)更好的耳機降噪性能，當然也可以幫助您更好地了解降噪耳機原理與實現(xiàn)方式。

1、降噪耳機簡介

當環(huán)境噪聲頻率在（<1 kHz）低頻情況下，無源噪聲消除技術(shù)無法提供理想的效果。主動降噪（ANC）通過拾取噪聲信號，并生成“反相噪聲”信號來消除原始噪聲，從而實現(xiàn)實時降噪效果，當前的降噪耳機基本采用這種技術(shù)來實現(xiàn)降噪功能。在街道，商場，地鐵，火車站，飛機，高鐵等等嘈雜的環(huán)境中，佩戴降噪耳機，會取得非常好的效果。

ANC耳機設計通常有前饋，反饋和混合式三種方案。耳機中麥克風的數(shù)量和位置決定了ANC方案配置。如圖1所示為前饋方案。外部放置的麥克風拾取環(huán)境噪聲，經(jīng)過芯片反相后的噪聲從揚聲器中播放出來，與原先外部噪聲疊加消除，用戶最終聽到干凈的音樂或節(jié)目信號。無論采用哪種方案，在降噪耳機中實現(xiàn)ANC都面臨兩個挑戰(zhàn)。第一是需要使用麥克風可靠地捕獲外部環(huán)境噪聲（20Hz-20 kHz），這時如何正確選用麥克風至關(guān)重要，這是本文的重點。第二個挑戰(zhàn)是自適應降噪算法，這是由噪聲的頻率，幅度和相位特性隨時間變化的特征影響所致。本文重點介紹解決麥克風規(guī)格確定與應用問題。

圖1：前饋降噪耳機

2、選擇麥克風的主要規(guī)格指標：

麥克風幾個重要的指標包括：信噪比（SNR），聲學過載點（AOP），總諧波失真（THD），截止頻率，靈敏度，相位響應，群時延和電流消耗。對于降噪耳機的設計而言，盡管所有這些規(guī)范都起作用，但影響麥克風選擇的關(guān)鍵參數(shù)是SNR，AOP，截止頻率，相位響應，群延遲和電流消耗，當然不同產(chǎn)品的截止頻率和相位響應的差異也非常重要。

SNR信噪比：麥克風的固有本底噪聲需要低于周圍環(huán)境噪聲，以便可靠地捕獲噪聲信號。因此在安靜的環(huán)境中，需要具有高SNR的麥克風。如果麥克風的SNR較高，則噪聲消除算法的實現(xiàn)將變得更加容易。舉例一只50dB SNR的MIC，其本底噪聲級為44dBSPL，如果環(huán)境噪聲低于此數(shù)值，MIC噪聲就高于環(huán)境噪聲，算法降噪就很難實現(xiàn)。但如果MIC SNR為70dB，則其本底噪聲級為24dBSPL，這個數(shù)值低于日常生活中的絕大多數(shù)噪聲環(huán)境，已經(jīng)接近消聲室水平了，算法實現(xiàn)降噪會更容易。

AOP（聲過載點）：當距離揚聲器足夠近時，麥克風可能拾取到很大的聲壓（小空間中有時是膜撓動），以致超過麥克風的AOP。當聲壓超過AOP時，失真會大幅提高，如10％以上的失真，這樣就很難完全消除耳機中的噪音。所以，需要分析麥克風的THD與SPL（聲壓級）曲線，并選擇失真度低（<1％）的麥克風。麥克風的AOP必須足夠高，以捕獲周圍環(huán)境中所有嘈雜噪聲。

截止頻率：麥克風將需要具有較低的截止頻率規(guī)格（30Hz或更低），以便還可以可靠地捕獲低頻噪聲信號。如果截止頻率較高，則ANC系統(tǒng)將無法有效去除非常低頻的噪聲信號。如果多個麥克風之間的截止頻率變化很大，則ANC算法的實現(xiàn)將變得富有挑戰(zhàn)性，并且耳機的低頻噪聲消除性能將不一致，所以對于截止頻率的公差必須非常嚴格。

相位響應和群延遲：相位響應是整個音頻頻帶上的相位變化。麥克風的相位響應曲線使您可以深入了解麥克風如何處理輸入信號的不同頻率分量之間的相位關(guān)系。

群延遲是麥克風的頻率相關(guān)延遲，是相位響應的導數(shù)。它描述了不同頻率的響應通過麥克風從聲學輸入到電子輸出時所引起的時間延遲。有必要將群延遲保持在最小且在整個頻率上保持恒定，以防止由于相位失準而導致輸出信號失真。

如果麥克風測量到的噪聲信號已經(jīng)失真，則無法進行有效消除。所以只有截止頻率，相位響應曲線的變差很小，ANC算法才可以有效地從系統(tǒng)中消除噪聲。

電流消耗：電流消耗是選擇麥克風時要考慮的非常關(guān)鍵的規(guī)格，特別是對于始終開啟和電池供電的耳機應用。需要睡眠/待機模式以節(jié)省一段時間的功耗，并且可以延長系統(tǒng)的電池壽命。麥克風的電流消耗是工作時鐘頻率的函數(shù)，某些數(shù)據(jù)表清楚地表明了當麥克風以較低的時鐘頻率工作以節(jié)省功耗，這需要與性能進取舍。

3、現(xiàn)有設計的性能限制

ANC耳機的設計方式很難相同。不同的設計方案，如反饋，前饋或混合式，每一種都有其自身的優(yōu)點和局限性。

3.1 前饋結(jié)構(gòu)

前饋ANC架構(gòu)如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，每個耳機僅使用一個麥克風，并且將其放置在更靠近耳機殼外部的位置。此麥克風用以拾取外部噪聲信號，以輸出給ANC算法作為參考。這種配置的主要好處是，結(jié)構(gòu)簡單，可以對外部環(huán)境噪聲進行有效拾取，然后取決于算法的實現(xiàn)來消除此噪聲。由于系統(tǒng)中缺少反饋環(huán)路，因此該算法無法確保實時消除噪聲。這是前饋拓撲的主要缺點。這種配置可確保中頻噪聲信號（1-2 kHz之間）得到很好的衰減。由于麥克風位于外部，因此可能會因風噪聲而影響性能。在這種情況下，具有較高AOP和較低截止頻率的麥克風將很有用。這種結(jié)構(gòu)非常適合諸如藍牙耳機之類的應用，這些應用要求寬的ANC帶寬，但愿意承受適度的降噪性能。

3.2 反饋架構(gòu)

反饋ANC架構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)還僅使用一個麥克風，但放置在靠近用戶耳朵的位置。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是，麥克風可以聽到與進入用戶耳朵的信號完全相同的信號，并且有一個反饋環(huán)路可以迭代地消除系統(tǒng)中的噪聲。盡管此配置的低頻性能良好，但是1-2 kHz之間的頻率不會像前饋配置一樣有效地衰減。該配置很好地消除了初級噪聲信號的殘余可預測窄帶分量。盡管無法有效消除中高頻噪聲信號，但這是在耳機中實現(xiàn)ANC時最常用的結(jié)構(gòu)之一。此限制是由于在次級路徑（信號路徑從ANC模塊的輸出一直回到其輸入）中引入了相移引起的。這導致該拓撲無法有效地抵消高頻分量。選擇用于此配置的麥克風將需要在整個頻率上具有平坦的群延遲，并且多個麥克風之間的變化應盡可能小。

3.3 混合架構(gòu)

混合ANC架構(gòu)如圖4所示。此配置是前文討論的前饋和反饋拓撲的組合。其目的是將兩種架構(gòu)的優(yōu)點結(jié)合起來，但是隨之而來的是復雜性，成本和大小的增加。由于此架構(gòu)同時具有前饋和反饋信號路徑，因此需要使用兩個麥克風。面向外的參考麥克風感應主信號，該信號用作前饋ANC濾波器的參考信號。糾錯（內(nèi)部反饋）麥克風會感應進入用戶耳朵的信號，該信號將作為反饋ANC濾波器的參考信號。糾錯麥克風輸出還有助于確定前饋和反饋ANC濾波器的系數(shù)。

圖5顯示了混合ANC架構(gòu)的簡化框圖。該圖顯示了兩個信號路徑如何相互合并。G（w）和M（w）是增益和相位補償濾波器，而Dff和Dfb是由于系統(tǒng)中的揚聲器和麥克風而引起的延遲。

混合式ANC耳機設計能夠提供三種架構(gòu)中最佳的ANC性能和最寬的噪聲消除帶寬，當然也會增加產(chǎn)品的成本和設計的復雜性，所以在高端產(chǎn)品上被越來越廣泛地使用。即使在這種配置下，超過2 kHz的ANC性能也不令人滿意。因此耳機設計人員通常還使用被動降噪技術(shù)來提高高頻噪聲消除性能。

對于入耳式、頭戴包耳式、頭戴壓耳式耳機設計，可以結(jié)合使用無源和有源降噪技術(shù)，以在整個音頻帶寬上提供出色的ANC性能。對于耳塞式耳機設計，在耳塞周圍有泄露，采用無源降噪技術(shù)來消除高頻噪聲會很困難。因此，在此類耳塞式ANC耳機中使用的麥克風需要消除高頻噪聲，如果麥克風具有較低的群延遲，并且在整個頻率范圍內(nèi)具有相對較平坦的相位響應，則可以改善高頻性能。相位響應的變差也非常重要，小的變差有助于有效地優(yōu)化ANC算法，從而使高頻噪聲消除性能更好且一致。

4、較好地麥克風解決方案示例

如，可以采用69dB SNR和130dBSPL的超高AOP的麥克風。它的規(guī)格和變差也應該符合本文檔前面各節(jié)中討論的所有標準。

4. 1.幅度和相位響應

如前所述，截止頻率和相位響應的變差在用于降噪耳機設計的麥克風選擇中起著重要作用。圖6，圖7，圖8和圖9顯示了麥克風的幅度和相位響應的平均值和標準偏差，還提供了它們的6sigma極限以供參考，所有參數(shù)測量溫度25℃。

根據(jù)這些圖，很明顯，麥克風的幅度和相位響應變差非常嚴格。這樣可確保轉(zhuǎn)折頻率和相位響應的部分變化保持最小。反過來，這有助于確保ANC算法的實現(xiàn)更為準確。

4.2、群延遲

在實驗室中對麥克風樣本測量了群延遲，圖10提供了在整個頻帶上觀察到的典型群延遲。從數(shù)據(jù)可以看出，1 kHz的群時延<10μs。如此小的群延遲將有助于更好的ANC算法實現(xiàn)。

4.3、總諧波失真

另一個關(guān)鍵的麥克風規(guī)格是AOP。圖11顯示了樣品麥克風以及兩種不同產(chǎn)品的THD與SPL的關(guān)系圖。這款麥克風的突出特點之一是，聲壓級直到?128dBSPL前，失真度可以很好地保持在小于1％THD，而其它兩個樣品THD均超過1％。這極大地有助于以最小的失真可靠地捕獲較大的噪聲信號，從而使ANC算法的實現(xiàn)更加有效。