主动降噪设计---ANC技术原理及其应用
2020.06.281
1.降噪分类
什么是降噪：
降噪，顾名思义就是减少噪音对人的影响，或是利用一定的手段和方法对噪音对行降低或消除
降噪分类：
1.被动降噪
2.主动降噪
被动降噪是是耳机技术的一种，通过耳机结构包围耳朵形成封闭空间或采用硅胶耳塞等隔音材料来阻挡外界噪声来达到降噪效果。由于噪音没有经过降噪电路芯片处理，只能靠加大夹持力，填充隔音或消音材料，一般只能阻隔高频噪声，对低频噪声降噪效果不明显。如下图为被动降噪耳机几种形式
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按照使用材料和部位又可分为减振噪声治理、吸音噪声治理和隔音噪声治理。在大多数情况下，通常是多种方法复合使用
在很多场合被动降噪耳机也称为劳保耳机，下图即为被动降噪图
按照使用材料和部位又可分为减振噪声治理、吸音噪声治理和隔音噪声治理。在大多数情况下，通常是多
种方法复合使用。
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主动降噪
主动降噪的发展史：
人类与噪音的斗争可以追溯到原始社会，那时候的人没太多科学知识，打个雷都会用手捂住耳朵，这也是人类最早的主动降噪手段了，一直沿用至今。
所以隔音的手段历史悠久，发展到今天衍生出很多相关产品：耳塞、隔音棉、隔音板等，后来人们发现这种手段的隔音效果有限，所以也不断的探索更多的方法比如用其它声音来盖过噪音，比如听音乐，加大声音音量就是一个不错的选择。
于是，在遇到隔壁装修的时候，很多人会戴上耳机或是调大音箱音量
但是夹杂了噪音的音乐，其本身也成了噪音，这也不是降噪的终极目的，为了听更纯粹的韵，主动降噪耳机由此产生。
1978年，BO S E的创始人A m a r G.B o s e博士在从欧洲飞往波士顿的飞机上，发现了飞机的引擎噪声干扰了他戴耳机欣赏音乐的兴致，这就激发了他对主动降噪技术研究，在下了飞机后就开始推导验算，写出了主动降噪耳机的最原始的方程式。
世界上的第一台降噪耳机也由此诞生，与所有的高精尖技术一样，这项在当时看来先进的技术在当时也应用到了军事领域。
直到1989年，B O S E才将此技术投入量产，专供飞行员使用，此耳机一面市便得到美国军方的大单
据说美国军方通过给飞行员/地勤人员佩戴降噪耳机，节约由于噪音致残而需发放的补偿金高达2亿美金
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其实主动降噪的原理并不复杂，就是通过收集噪声，然后经过内部的降噪电路运算后发出这些噪声的反向声波来抵消噪音。
原理简单，但在实际应用中有一个非常关键的问题，那就是噪音的各类、频率都不一样，而且噪音的传递速度很快，总不能噪音已经到耳朵里了，而这边电路运算还没有完成，那这样就没的玩了
所以，如何在不同的噪音传递到耳朵之前就能辨别清楚然后释放出对应的声波进行抵消，这就是降噪技术的关键
因此，解决噪声的办法就是提前预判，通过收集当前噪音，对未来将要产生的噪音进行预判，在恰当的时候给出“未来噪音”的反向声波，从而在下一波噪音抵达耳朵前就已经做好准备，然后轻松的将噪音进行降低和消除
在科技发展的今天，这项技术不止局限于耳机方面，在汽车上、工业作业地点等都已经在大范围的应用降噪技术，可以说降噪技术的前景还远远不止这些。
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降低噪音通常所采用的三种降噪措施，即在声源处降噪、在传播过程中降噪及在人耳处降噪，都是消极被动的。为了积极主动地消除噪声，人们发明了“有源消声”这一技术。它的原理是：所有听到的声音都是声波，都有一定的频谱构成。如果可以找到一个声波，其频谱与所要消除的噪声幅值相等，相位刚好相反（相差180°），两者叠加就可以将噪声完全抵消掉。关键就在于如何得到那抵消噪声的声音。实际采用的办法是：从噪声本身着手，用麦克风监听噪声，再设法通过电子线路产生一个反向声波并通过扬声器播放出来。由此看来，有源消声这一技术实际上是“以毒攻毒”。
声音是物体振动产生，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定频率的范围内的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。噪音通常定义为“不需要的声音”，是一种环境现象。人一生都要暴露在噪声的环境，噪声也是一种由人类各种活动产生的环境污染物。振动是物体的一部分，没直线或曲线并经过平衡位置所做的往复的周期性运动，它广泛的存在自然界和工程界。
既然振动是噪声之源，减振降噪实践中，通过解决振动就可以有效解决噪声问题。在觉的噪声治理中，金属薄板振动如空气动力机械的管壁，机器的外壳，车体和船体等一般均由薄板制成，当设备运行时，这些薄板都会产生振动，进而辐射噪声，像这类由金属板结构引起的噪声称之为结构噪声。对于这种金属板辐射噪声有效控制方法有以下方法：
1.在设计上尽量减少其噪声辐射面积，去掉不必要的金属板面
2.在金属结构上涂上一层阻尼材料，利用阻尼材料抑制结构振动、减少噪声，这种方法我们称为阻尼减振，便是一种主动的降噪技术
主动降噪技术（A N C）的原理：
主动降噪就是通过反相检测麦克风的声音或噪声来减弱周围环境的噪声让扬声器出来的声音听起来更清晰。主动降噪技术的目标就是通过一个自适应滤波器把不想要的的噪声反相从而把噪声约束到固定的范围内。该系统必须要把扬声器到麦克风的二阶误差考虑进去。主动降噪的主要原理是：F x LM S（过滤的最小的均方差滤波器）。
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这个算法的会让输入到滤波器的错误信号急速锐减，从而达到降噪目的。这个错误信号在期望值和F xL M S滤波器输出值之间是有误差的。
这个算法模型：
输入参数：
——参考输入：就是要消除的噪声
——错误输入：降噪加入的噪声加扬声器的输出声音
——适配开关
——参考滤波器输入：二级路径的参考滤波信号，所谓的二级路径就是F x L M S滤波器输出值反馈到F x L MS 滤波器的错误输入
模型的输出：
——降噪后的结果
可调参数：
——自适应滤波器长度
——自适应步长
——泄漏因子
用下面的图来诠释这个流程：
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下图是经过L x LM S滤波器后的效果图：第一个是输入的噪声，第三个为反相信号，中间为滤波器的输出信号。
从上图，再去理解降噪的基本原理就比较容易理解了
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耳机加入了对噪声分析(A n a l y s e)的电路(E l e c t r i c c i r c u i t)，并通过D S P快速运算分析，产生可以抵消外界噪声的算法，通过相反相位的信号从耳机中传出，与噪声相位抵消。主动降噪耳机主动降噪耳机配置了专属降噪电路，包括定制高灵敏度M E M S硅麦和专业级降噪芯片，通过接收和分析外界噪声频谱并产生与其相反相位的信号来抵消噪音。
主动降噪主动降噪是一种降噪技术，是应用在耳机降噪的方法之一。而主动降噪功能就是通过降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波，将噪音中和，从而实现降噪的效果。
虽然大体原理（M a x i m）如此，但要做到这一系列的信号处理(p r o c e s s i n g)达到非常理想的效果（e ff ec t ）并不容易。而熟悉主动降噪产品(P r o d u c t)的用户应该清楚，除了精确的算法来抵消掉噪声，还要考虑（c on s i d e r)到耳机本身是用来听音乐的。抵消的信号一定会对播放音乐本身产生影响，降噪还要考虑到耳机整体效果的设计(D e s i g n)。
例如需要在某个频段补偿，更有追求一些的应该会利用这套D S P系统(s y s t e m)甚至信号放大系统(sy st em)去优化耳机声音的表现。因此，主动降噪耳机一般包括了一个普通的耳机，一套可以拾音[拾取环境
(e nv i r on m e n t)噪声]分析处理噪声实现降噪，并优化耳机声音的设备。
1、先由安置在耳机内的讯号麦克风侦测耳朵能听到的环境中的低频噪音（50~1000Hz）（目前已经可以做到3000Hz）。
2、在将噪音信号转至控制电路，控制电路进行实时运算。
3、在由喇叭发射出与噪声相位相反、振幅相同的声波来抵消噪音。
4、因此当噪声声波被抵消后，传到耳朵时噪音就相当于消失听不见了
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实现原理：
1.由耳机内的麦克风侦测到耳机内能听到的环境噪音
2.将噪音信号传到控制电路，控制电路运行实时运算
3.耳机喇叭发出与噪音信号振幅相，相位相反的信号抵消噪声
简而言之，就是利用微型麦克风采集噪声，通过降噪电路将
噪声相位反相180度，并产生对应的抗噪声相互抵消。一般来
说，主动降噪耳机的效果是非常明显的。
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2.主动降噪分类及特性
目前主动降噪技术已经在实际生产生活中得到应用；但是受制于成本、性能等各方面因素限制，其应用范畴还比较局限。常见的应用范围包括：主动降噪耳机、封闭空间有源噪声控制等。
同时大家都知道，降噪市场巨大，虽然主动降噪技术应用在耳机已经有一定的技术突破和积累。但是从设计到生产还是会面临一大推问题，如对设计人员能力的要求，生产的组装，量产的良率不高等问题。其次，国内在A N C技术相对落后。还需要技术厂商加大在主动降噪技术领域的投入， 加快商业化、产品化运作， 推动国内主动降噪技术的发展与应用。以下从典型应用即主动降噪耳机出发，探究主动降噪技术的技术设计，并结合产业现状分析该技术未来的应用前景和发展趋势。
按接口分类：
按接口类别分为：
3.5m m插针
T y p y-C
蓝牙
L i g h tn in g
U S B
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按运算方式分类：
1.模拟降噪
2.数字降噪
模拟降噪
目前产品上模拟方案很多，以A M S（奥地利微电子公司）模拟降噪方案为主，目前很多产品都使用了AM S方案，如B E S T B Y，F I L L等.
模拟电路处理模拟信号（时间和幅值都为连续），研究电路输入输出的电压、电流关系。
噪声处理上，模拟降噪成本低，没延迟，但灵活性差、大批量生产不能保证设备精准；随着T WS+A NC的兴起，越来越多的耳机追求的小型化，更精致化，对芯片要求也越来越高，功能也要求越来越多，更智能化，不可避免的模拟方案将会被数字方案所取代.因此，针对目前的市场需求，A M S也推出了自己的数字方案芯片-A S3460，其优势为启动自动泄露补偿操作模式，自动泄露补偿（A L C）操作模式是一种特殊模式（通常没有硅胶耳套，被动很差）具备主动降噪功能，在过去不可能在漏风的耳塞中实现AN C功能，因为适合耳朵的耳塞是漏风的，最终用户将耳塞插入耳朵的方式不同，如图
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根据耳朵的位置和形状，存在高低的泄露情况，传统的ANC需要在耳朵和耳塞之间有一个非常可控的泄露/传递功能，方便为用户提供良好的ANC性能而AS3460的ALC算法解决了这一问题，使漏出的耳塞具有ANC功能，该算法检测出不同的耳朵形状和用户不同的耳塞插入所造成的泄露，并自动采用其ANC滤波器，在不需要调整耳塞的情况下，始终为用户提供最大的ANC性能水平，整个自动高度控制系统不需要任何外部传感器，只需要FF和FB的ANC麦克风，它支持FF和Hybird运行模式，在自动高度控制操作模式中，需要同时使用FF和FB麦克风才能启用自动高度控制操作
在随着电子技术高速发展的今天，相信会有更多功能，更小体积，更智能化的芯片出现.
数字降噪
目前产品上模拟方案更多，如YAMAHA，ADI，BES，RTL,CSR等很多，目前很多蓝牙芯片已经支持降噪，在TWS耳机上节约了很大的空间，并加入了ENC通话降噪技术，因此数字方案相比于模拟方案会有更大的前景和优势
数字电路处理某些数字信号（信号们不是0就是1），研究电路输入输出的逻辑关系。
在噪声处理上，数字降噪成本高，有延迟，但滤波器参数可调，可大批量精准产出。
按降噪的典型结构分类：
1.前馈式降噪（F F）
2.反馈式降噪（F B）
3.混馈式降噪（H y b i r d）
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硅胶套密封胶喇叭共振腔
防尘网
麦克风
耳机线
泄压孔
荡和啸叫，因此可以独立的调试电路，使降噪效果调到最佳，。主动降噪耳机耳机配置了专属的降噪电路，通过接收和分析外界噪声频谱并产生与其相位相反的信号来抵消噪音，但噪声经过传声器并在扬声器内多次反射，其大小和相位已经发生变化。传声器采集到的噪声与扬声器的噪声将有很大不同，且外部噪声的方向性很强，难以使用同一电路满足不同方向的噪音降噪要求，这
反馈式主动降噪耳机使用反馈有源噪声控制系统，该系统又称闭环式噪声控制系统，它比前馈少了一个参考传声器，其典型结构虽然系统构成上得到简化，但应用范围也大缩小。反馈结构的有源噪声控制系统不需要预先先到声音信息，而是通过控制器调整误差信号从而降低噪声。由于是反馈系统，当放大器的增益大到一定程度时，系统将变得很不稳定，产生高频啸叫或低频振荡，为了维持控制系统的稳定，一般会要求控制器和误差传
混馈式降噪（Hybird）
混合式主动降噪结合了前馈和反馈式的结构，主动降噪它的原理是所有的
声音都是由一定的频谱组成，如果可以找到一种声音，其频谱与所要消除
的噪声完全一样，只是相位刚好相反就可以将这噪声完全消除掉，次级声
源发出的信号将由传声和误差传声器共同决定。前馈式系统可以减弱参考
传声器检测到的初级噪声相关的噪声，反馈式系统则对窄带噪声十分有效
，两者结合使用可以增强有源噪声控制系统的灵活性，从而比使用单一结
构获得更好的降噪效果，但缺点是系统实现复杂，成本也会增高。
混馈式降噪简易图
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3.主动降噪结构设计
一、入耳式F F主动降噪耳机设计
通常设计工程师会遇到以下两个挑战：
1、不同的耳机有不同的声学特性，这些特性会产生不同的衰减及延时。必须设计有效的滤波器用以补偿这些衰减与延时；
2、不可避免的，在量产过程中每一个机械、电子及声学零件的特性会有一些偏差。每一个耳机在出厂前必须经过校准用以补偿由于各种元器件偏差造成的性能差异。
FF结构建议:
1.麦克风与扬声器分离
2.必要的泄漏孔
3.较小的被动低频衰减
4.麦克风需加上咪套且固定在麦
克风腔上，以便于把共振移到高频去
被动衰减要求，如右图：
要求：
a.被动衰减应该满足曲线2；
b.曲线3被动衰减过于强，腔体不适合做降噪
耳机开发。
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入耳式FF降噪耳机调试时所遇到的问题
下面以调试遇到的问题点以及解决办法做一个总结：
1：腔体密封性不好，导致前腔和后腔没有完全隔开，如图1。
2：泄音孔的容易被胶水覆盖封死，如图2。
3：喇叭后面网布被焊穿，如图3。
图1（密封性不好）图2（后腔泄音孔胶水封住）图3 喇叭后面网布被焊穿。
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