有源抗噪声头戴耳机.doc

中国科学院声学研究所田静 李明锋澳大利亚西澳大学北京时林电脑公司潘杰邵光震[ 摘要 ]有源噪声控制为抗噪声头戴耳机提供了一种新的方法。文章讨论了有源抗噪声头戴耳机的理论机制, 说明它在降噪的同时可以保留有用的通讯信号, 并通过对于一种反馈控制系统的分析, 中国科学院声学研究所 田静 李明锋 澳大利亚西澳大学 北京时林电脑公司 潘杰 邵光震 [ 摘要 ] 有源噪声控制为抗噪声头戴耳机提供了一种新的方法。文章讨论了有源抗 噪声头戴耳机的理论机制, 说明它在降噪的同时可以保留有用的通讯信号, 并通过对于 一种反馈控制系统的分析, 展示了这种耳机的实验设计与效果, 给出了模拟电路反馈控 制系统与数字电路闭环自适应控制系统的降噪实验结果。 合结构有源抗噪声耳机, 其中频响为M 1 的初级 信号拾取传声器、 传递函数为A 2 的控制电路、 增益为 G 的放大器和响应的 L 的耳机共同构 成了前馈路径, 而误差信号拾取传声器M 2、电 路A 1、放大器G、耳机L 和耳腔内的声场 H 形 成了反馈回路。N 和N 0 分别表示入射到耳腔内 和初级信号拾取传声器M 1 的噪声信号, 假设N 和N 0 为相干信号。通讯信号输入记为 S 0 , 误差 引言 1 头戴耳机广泛用于通讯和娱乐, 使用的环 境通常具有比较高的本底噪声。某些情况下, 使 用了传统的抗噪声方法如耳罩隔声, 但是低频 噪声防护一直是一个难于解决的问题。另一方 面, 有源噪声控制近年来发展很快, 前人的研 究工作已经证明, 将其作为一种新的方法用于 抗噪声耳机具有低频效果好, 重量和体积的代 价相对较小等优点〔1- 3〕。在1996年2月南非 P re2 to r ia 召开的国际标准化组织第43 技术委员会 的第14次会议上, 决定将新的有源护耳器国际 标准的制订列入0阶段项目4 。国际标准化组织 的这一动向, 体现了国际上对有源抗噪声新技 术的普遍认可, 同时“0阶段”也说明这项技术 的某些方面也还不够成熟, 需要进一步的研究 工作。本文讨论了有源抗噪声头戴耳机降低噪 声与保留有用信号的理论机制, 指出其信号噪 声比的提高源于噪声降低, 而不像传统方法所 做的那样提高通讯信号的声级, 所以在数值上, 信噪比的提高就等于降噪指数。作为实际系统 设计效果的一个特例, 文章分析了一种反馈控 制系统, 给出了模拟电路反馈控制与数字自适 应闭环控制两种系统的降噪实验结果。 信号 S 表示为 近似看作进入耳腔内的残留信号, 可以 S = M 2 (N + L M 1H A 2GN 0 + L H GS 0 ) (1) 1- L M H GA 2 1 图1 有源抗噪声耳机框图原理 可以清楚地看出, (1) 式的分子和分母分别体 现了前馈路径和反馈回路的作用。有源控制的 目的在于最大可能地降低误差信号中的噪声, 也即 M 2 (N + L M 1H A 2GN 0 ) →0 (2) 1- L M 2H GA 1 为此, 可以令 M 2N + L M 1M 2H A 2GN 0 →0 从而可以得到A 2 所应具有的形式 有源抗噪声耳机的原理分析 2 (3) 图1给出了一种包括前馈和反馈回路的复 - N以随之改变。引入补偿电路A 1 改变系统的开环传递函数, 将极点移动到一个不很重要的频率 范围, 并抑制系统在该频域的响应, 提高系统在有效频率范 - N 以随之改变。引入补偿电路A 1 改变系统的开环 传递函数, 将极点移动到一个不很重要的频率 范围, 并抑制系统在该频域的响应, 提高系统 在有效频率范围内的增益裕量。图3 给出了经 A 1 补偿后反馈回路的传递函数A 1GL H M 2 , 有 效频率范围设为低于1600H z, 很明显N yqu ist 图给出了一个最佳的形状, 从而就可以得到最 大的增益裕量。 (4) A 2 = L M 1H GN 0 其中 N ?N 0 可以由护耳器的传递函数给出。另 一方面, 也可以令 | 1- L M 2H GA 1 | →∞ 这就要求无限大的开环增益 |L M 2H GA 1 | →∞ (5) (6) 这样看来, 控制电路的前馈或反馈结构都可以 给出很好的降噪效果, 实际上也确实得到了这 样的结果, 但是值得指出的是, (4) 式和 (6) 式都只可能在一定的频率范围内得到满足, 所 以前馈与反馈控制机制的结合将比任何一种机 制所覆盖的有效频率范围宽。这就是复合结构 最近受到广泛重视的原因。 对前馈控制结构, 噪声降低后耳腔内的残 留信号可以近似写作 (a) 幅频响应 (b )