音频测试方案:降噪耳机原理及音频测试隔音箱指标优化

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丢掉吧,降噪耳机,当心你的耳朵会被融掉

音乐作为一种听觉艺术,它不只是一连串的音符或是旋律。音乐的感受是一种非常私人化的体验,当听众出于不同的境遇,或是处在不同的心情下,音乐都会诠释出不一样的含义。

无线蓝牙耳机流行了这么多年,摆脱了有线束缚,音乐达人能够尽情dance,享受沉醉于无限音符所带来动感世界。

终究还是挡不住对音乐的狂热,世界这么热闹,我只是想静静,这次音乐达人终于对降噪耳机下手了…

音乐音频

耳机的诞生:

说到与到降噪耳机,不得不提BOSE,BOSS最早提出了降躁耳机的原理和概念。

最早的降噪耳机原理是这么说的:“声音的传播是通过介质的振动来实现,波与波之间如果呈反相则会在理论条件下相互抵消”。这个原理的提出者就是现在的音频厂商Bose的创始人Amar G. Bose博士。我们现在用的降噪蓝牙耳机正是基于这样的原理,通过抵消外界的噪声实现降噪效果的。

关于Bose创作降躁耳机的灵感,来源于一次旅途。相传:1978年Prof. Amar Bose在飞机上接过一个耳机,由于飞机噪声非常大,根本无法静享音乐,于是….

降噪耳机灵感来源
降噪耳机灵感来源
降噪耳机灵感来源
降噪耳机灵感来源
降噪耳机灵感来源
降噪耳机灵感来源

耳机降噪的原理及方法

关于降噪耳机降噪的原理:其实把接收到外界的音频信号以合适的相位差与波幅比在耳机内叠加播放,消除外界声音(降低外界声音音量)

降噪耳机降噪的原理

通俗得讲就是我们用的降噪耳机,里面是装有麦克风的,这个麦克风除了接收我们说话的声音,还有个功能就是抓取外界的噪音。利用降噪耳机里的麦克风收集外界的噪音声波,然后系统通过运算分析,把噪音中和,生成一个相反的声波来抵消外界噪音,从而实现降噪的效果,佩戴者也就感觉到安静了。

 

耳机降噪的处理方法:主动降噪耳机和被动降噪耳机

一般意义上来说,耳机分为主动降噪耳机和被动降噪耳机两种,区别主要在于降噪方法的不同,主动降噪耳机就是通过耳机自带的降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波,从而实现降噪的效果。而被动式降噪耳机主要通过包围耳朵形成封闭空间,或者采用硅胶耳塞等隔音材料来达到降噪的效果。

主动降噪耳机

主动降噪耳机工作原理:

主动降噪耳机比普通的耳机要复杂的多,需要在耳机中内置一个降噪模块,它包含一个麦克风,用来接受外界的噪音,再经过内部电路的计算,在耳机播放音乐的同时加入和外界噪音“反相”的声波,从而将外界噪音抵消。

被动式降噪耳机主要通过包围耳朵形成封闭空间,或者采用硅胶耳塞等隔音材料来阻挡外界噪声。

入耳式降噪耳机工作原理

 

被动降噪耳机工作原理:

最常见的有入耳式耳塞和大耳罩设计的耳机,都可以划分为被动式降噪耳机。不过被动降噪的缺点就在于其屏蔽的声音大多为较高频率的声音,所以在一些规则的降噪场景中较为适用。但是对于一些低频率的噪音就没有那么好的隔绝效果了,所以在车内或者机舱等环境中,我们会发现被动降噪的效果会被大大降低。

 

这里我们主要说一下主动降噪,主动降噪分为前馈式降噪、反馈式降噪以及前馈式和反馈式结合三种降噪类型。

前馈式、反馈式降噪

前馈式降噪是把麦克风设计在远离扬声器的耳机外侧,而反馈式降噪则是把麦克风设计在扬声器附近。前馈降噪更容易实现,而反馈降噪则能采集到的噪音信息和人耳听到的更接近,但麦克风可能会被扬声器的声音影响,对算法的要求更高。

前馈式降噪音频测试

降噪耳机音频测试音频指标优化:

目前相对高端的降噪耳机大都糅合了被动降噪、前馈和反馈式降噪相结合的设计,对噪音的屏蔽和消除有非常好的效果。主动降噪耳机的缺点也同样明显,由于发声单元会额外的发出抵消噪音的声波,所以在音质表现上还是会有所差别,声音细节上会有所丢失。由于主动降噪耳机的复杂结构和工作原理,价格上一般都会高上很多,大部分都在千元或者以上的价位,当然降噪耳机的售价高,有一部分是来源于量产成本,一个降噪性能非常好的耳机在生产过程必须要有一套非常成熟的音频测试系统,包括音频测试硬件设备,隔音箱,隔音房,全消声室这些,还包括音频测试分析软件,用来分析降噪的声学指标及参数。佳晨科技的音频测试系统,成为众多降噪耳机生产测试厂家一套完整的测试工具,为降噪耳机的生产及测试提供整合方案。

一、主动降噪音耳机的开发都必须分为两个专业范畴去考虑,互相配合才能打造出卓越的主动降噪耳机,这两个范畴分别是电子方面(主动部分)和声学方面(被动部分)。 靠电子元件的性能、芯片和线路的质素和能力能够达到卓越的耳机效果,但没有声学或结构上的好好配合,同样无法完成一款好的耳机产品,所以厂商必须清楚地了解电和声方面的知识或有专业的合作伙伴,才能事半功倍。

二、主动降噪 降的是什么?
电子部分主导的所谓主动降噪主要是负责低频率范围的噪音,一般由几十Hz到1KHz至2KHz,而大部分2KHz 之上的噪音,基本上是靠被动降噪,即结构上的考虑。所以想要有效果好且平衡的降噪感受,电和声方面的配合也是非常关键。如果耳机的硬件结构不完善,例如隔音太强,造成主动效果相对感觉变弱;又或者是隔音太差,造成漏音现象,影响了主动式的作用,最终必然影响整体降噪效果。
在结构设计上,左右两边设计的平衡度也很重要,如密度、重量、线材和线长都必须尽可能左右一致。否则便会难以调节,造成左右表现有所差异,那便绝对称不上优质,而且也增加了生产的难度。

三、被动降噪 能做什么?
在“声”方面(被动腔体部分), 就是包括单元和腔体部分,也是存在不少学问,简单来说,就上面提到,主动降噪主要是消除中低频的噪音,所以单元和腔体配合下必须能够有足够能力输出低频讯号,用以抵消低频的噪音。这样也能协助”电” 方面(主动部分) 不需花太多功夫为推动低频输出,故意调到增益太大甚至需要额外驱动芯片。 顺带一提,懂声学的人也知道,单元本身有好的低频表现也并不等于整合腔体后也必然有好的低频表现,这也是需要声学调节的。

四、频响曲线如何调节?

频响曲线方面,最好以整个腔体的曲线为参考,一般建议是从低频几十Hz到2Khz左右也尽量保持平均和平坦,这样才令”电” 方面可以更好控制和更有效地设定有关的滤波。如果频响曲线起伏太多或太大,就可能难以实现最佳降噪的强度和宽度,又或者要非常复杂的滤波去配合,这样很大机会影响音质表现。尤其所谓的“反声”往往是曲线起伏太大,导致滤波调节程度未能完全跟随所造成,令某些频率的噪音讯号反而会变得明显突出。这都是工程们不愿意看到的。 当然耳机本身的频响曲线和声音表现有极大的关系,开发者在满足客户对音色的喜好之余也要在降噪效果上取得平衡,否则声音太好而降噪表现逊色,又或者降噪出色而欠奉好的音色,那便未免太可惜了。 另一做法是让被动腔体曲线保持平均和平坦,音色平均,但在开启主动降噪时,以均衡器作频响曲线的调节去达到客户所要求的声音音色,也是一种方法。 以往主动降噪音功能有一个大问题,就是开关降噪功能时的声音音色表现的选择和差异。有些商家希望能在被动和主动模式时的音色也能保持一致,有些商家希望主动式时音色更好,或低音更强劲。早期很多用分离器件的主动降噪方案,因为驱动力的问题,往往在主动模式时,声音的中低频也被抵消掉,导致主动模式时的声音反而差了。所以开发者必须注意这点,但随着开发商的经验和芯片方案的驱动能力和灵活性,低频补偿都已经不是一个大问题了。

五、降噪曲线如何看?

评估一台主动降噪音耳机的表现,不外乎测量一下其降噪的曲线,一般具备专用的人工耳和相关软件便可(如B&K、GRAS、“吉高”等),主要测量三条曲线,如下图。 一是环境噪音曲线(绿色),二是被动降噪曲线(紫色)和被动加主动降噪曲线(蓝色)。我们通常从曲线下降幅度的多少去评估耳机降噪的表现,如被动的隔音有多好,开启主动降噪后的衰减程度等等。以被动和主动的对应数值相减便能反映出主动降噪所做到的衰减程度,前面提到了,主动降噪的有效范围主要都是由几十Hz至1KHz、2KHz左右,而被动降噪则一般于1KHz之后的高频段。

如上图展示的耳机降噪曲线图,在100Hz可达最高25dB的衰减,范围由几十Hz一直伸延至接近2KHz,幅度比较平均。 一般较为优质的主动降噪耳机都能消减达20dB 以上的噪音,当然衰减数值越大、代表降噪能力越大。但大家也不要单单只参考数值,因为实际的降噪能力和听觉感受才最真实。有不少开发商只追求最高的dB数值,23dB不够、调至25dB,25dB也不够, 追求30dB甚至以上,这样做往往忽略了降噪范围和平均性。 以听觉感受的经验来说,若主动降噪衰减dB值达22dB或之上,再大的dB值,对听觉感受之影响已经不会很明显,反而降噪范围的宽度会更加影响实际感受。如降噪范围能伸延至1KHz和只是伸延至800Hz 的分别会很明显。

六、影响主动降噪的因素还有哪些?

降噪宽度和强度除了与电子部分调节有关外,跟被动腔体曲线也有很大的关系。如果曲线能保持平均和平坦至更高的频段,很大程度可让主动降噪延伸得更宽,所以降噪的强度和宽度应该取得一个恰到好处的平衡,才能让降噪能力发挥到最好。 当一台优质的主动降噪耳机完成设计,接下来的必经阶段当然就是生产部分。主动降噪耳机和一般耳机不同之处是,它会配备两个甚至更多的麦克风用作收集噪音, 所以收集噪音的麦克风必须优质而且有一致的灵敏度,才不会让不同的耳机、甚至同一部耳机的左右效果有所差别。 而且麦克风的灵敏度也不能太低,一般最好能控制在±1dB或以内,否则不同样机的效果可能也是参差不齐的。当然有些数字方案可能配备自动校准功能,但这也需要生产设备的配合。此外,主动降噪耳机在喇叭单元等其它硬件组装方面也必须保持程度的一致性,才能减少降噪效果的差异,让生产过程更为顺利、简单。

希望这篇简单的分享能帮助大家更好地了解和开发主动降噪功能,期待更多优质的降噪TWS耳机早日出现在市场上。最后,佳晨科技友情提示您,在户外,特别是交通道路上,请扔掉您的降噪耳机,音乐融掉了你的耳朵,当心出现安全事故。


bose降噪耳机广告片:静享无人之境

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