Conception et développement d'écouteurs à réduction de bruit

2020-06-06 17:53:37 fandoukeji

Avec l'avancement continu de la technologie et le développement continu du marché de consommation des produits électroniques, le rythme de la vie humaine s'accélère également. De plus en plus de personnes utilisent des écouteurs pour écouter de la musique de haute qualité. Cependant, la pollution sonore dans la ville est devenue une interférence inévitable. Si vous utilisez des écouteurs ordinaires dans un environnement bruyant, vous ne pouvez couvrir le bruit qu'en augmentant le volume. Cela non seulement ne peut pas profiter de la belle musique, mais a également un grand impact sur votre audition. . Comment pouvez-vous laisser une belle musique détendre votre humeur et soulager la fatigue sans être dérangé par des écouteurs antibruit externes peut devenir le meilleur choix.


1. Les types et les dangers du bruit

Le niveau de pression acoustique est une unité indiquant l'amplitude du son et est généralement mesuré en décibels (dB). Dans le domaine civil, le bruit ambiant est principalement divisé en bruit de circulation, bruit industriel et bruit domestique. Parmi eux, le bruit de la circulation provient des voitures, des trains, des avions, des navires, etc.; le bruit industriel comprend principalement le bruit des grandes machines de construction, le bruit des équipements d'usine et le bruit des chantiers de construction, etc.; le bruit quotidien est courant dans certaines émissions de commerce électronique côté rue , Des discours bruyants dans les lieux publics et la musique des danses carrées qui ont été monnaie courante ces dernières années. Dans le domaine militaire, le bruit persistant comprend principalement le bruit provenant de divers véhicules militaires, aéronefs à voilure fixe, hélicoptères, turbines de navire et divers équipements mécaniques. Ce bruit est généralement plus élevé que le bruit rencontré dans le domaine civil. Le spectre est plus abondant. Ces bruits sont généralement supérieurs à 90 dB, et même certains bruits peuvent atteindre 130 dB.


Les dommages causés par le bruit au corps humain peuvent être résumés comme suit:


(1) Affectent la vie et le travail: le sommeil est le moyen le plus efficace de soulager la fatigue. Cependant, dans un environnement bruyant, les gens ne peuvent pas atteindre un sommeil profond, ce qui provoque souvent des rêves et de l'éveil. De plus, le bruit affectera la conversation normale de tout le monde au travail, ce qui rendra les gens irritables et difficiles à concentrer, ce qui réduit non seulement la qualité de vie, mais affecte également la qualité du travail;


(2) Déficience auditive: Le danger le plus évident du bruit est les dommages à l'audition humaine. Dans un environnement sonore fort, les gens sentiront que leurs oreilles sont inconfortables. Après une longue période dans un environnement bruyant, même dans un environnement calme, ils ressentiront toujours le bourdonnement. Au fil du temps, cela entraînera une perte auditive et une augmentation du seuil auditif. Si vous êtes dans un environnement très bruyant pendant longtemps, votre audition sera irréversiblement endommagée ou même sourde;


(3) Dommages au système nerveux: les personnes qui ont été dans un environnement très bruyant pendant longtemps ont souvent des étourdissements, des maux de tête, des palpitations, des acouphènes et d'autres dépressions nerveuses;


(4) Autres dangers: En outre, le bruit peut provoquer des troubles du système cardiovasculaire et du système digestif Certains experts estiment même qu'un environnement bruyant à long terme est également une cause de cancer.

降噪耳机方案

2. Types de technologie de réduction du bruit des écouteurs

Parmi de nombreux dispositifs de réduction du bruit, il existe deux types de méthodes de réduction du bruit, le contrôle passif du bruit (PNC) et le contrôle actif du bruit (ANC). .


2.1 Technologie passive de réduction du bruit


Les équipements passifs de réduction du bruit occupent la majeure partie de la part, et ils sont également partout dans la vie quotidienne des gens, tels que les panneaux de réduction du bruit qui sont souvent vus dans les villes ou des deux côtés des autoroutes, les chambres anéchoïques ou la conception de murs insonorisants KTV, le bruit élevé Le travail contaminé nécessite le port de bouchons d'oreilles ou de casques antibruit, etc.


Dans de nombreux équipements de protection contre le bruit, les écouteurs à réduction de bruit sont des méthodes de protection relativement efficaces et courantes. Dans les écouteurs de protection généraux, la méthode de suppression du bruit est la réduction passive du bruit, comme les bouchons d'oreilles et les cache-oreilles passifs. Le mécanisme de réduction du bruit consiste à utiliser le matériau de la coque dure du produit ou le matériau insonorisant interne de manière raisonnable et à utiliser la méthode d'isolement et d'absorption pour empêcher le son externe d'entrer dans le conduit auditif. Particulièrement évident, c'est aussi la méthode de suppression du bruit la plus utilisée. La méthode passive de réduction du bruit est facile à mettre en œuvre, mais pour le bruit dans la bande de fréquences inférieure à 800 Hz et inférieure, si vous souhaitez obtenir l'effet de réduction du bruit idéal, vous devez payer un coût élevé, et le matériau de réduction du bruit est également très lourd, donc La valeur de l'utilisation réelle est perdue.


2.2 Technologie de réduction active du bruit


Après une longue période d'exploration, les gens réalisent clairement que le moyen fondamental de contrôle du bruit est de contrôler efficacement la source sonore. Par conséquent, à partir de l'analyse du mécanisme de génération du son de la source sonore, le contrôle actif de la source sonore ou du domaine en champ proche est le seul moyen de résoudre le contrôle du bruit Direction du développement. La technologie de réduction active du bruit utilise cette technologie pour contrôler le bruit. La technologie de réduction active du bruit compense la faiblesse des cache-oreilles traditionnels dans la bande de basses fréquences, de sorte que les cache-oreilles peuvent obtenir un effet de réduction du bruit relativement uniforme dans chaque bande de fréquences.


La technologie de réduction active du bruit, également connue sous le nom de technologie de contrôle actif du bruit (ANC), est une direction de recherche importante de la réduction du bruit moderne. En raison de sa petite taille de circuit, de son poids léger, de son contrôle facile et de sa capacité à gérer un bruit à large bande stable, etc. Il a été largement utilisé et a été vigoureusement développé dans le domaine de l'acoustique et a progressivement mûri ces dernières années. À l'heure actuelle, de nombreuses entreprises recherchent des écouteurs antibruit. Les écouteurs antibruit sont largement utilisés dans les domaines militaire et civil pour protéger efficacement la santé des gens.


Le principe de la réduction active du bruit est d'utiliser le principe de l'annulation des interférences des ondes sonores pour générer artificiellement un bruit secondaire dans l'espace caractéristique opposé au bruit d'origine en phase, et l'amplitude et la fréquence sont égales, ce qui annule le bruit d'origine pour atteindre l'objectif de réduction du bruit. Contrairement à la réduction passive du bruit, les systèmes de réduction active du bruit doivent être configurés avec des alimentations, des circuits et des dispositifs acoustiques associés pour réduire le bruit de manière active. Comme mentionné ci-dessus, la réduction de bruit passive est principalement efficace pour les moyennes et hautes fréquences, et parce que la longueur d'onde basse fréquence est longue, il est facile d'obtenir des interférences. Par conséquent, la réduction active du bruit permet principalement la suppression du bruit dans les bandes de basses fréquences.


3. Historique de recherche et état actuel de la technologie de réduction active du bruit

Le physicien allemand Paul Leug a proposé pour la première fois le concept de réduction du bruit à travers le principe des interférences acoustiques en 1934, et a demandé un brevet pour "silencieux électronique". Mais limité aux fondements de la technologie électronique à cette époque, Paul Leug vient de démontrer et d'exprimer ses principes de base, et il n'y a pas eu d'expériences et de produits substantiels. Au cours des 20 années suivantes, la technologie de réduction active du bruit était à l'arrêt et aucun développement substantiel n'avait été réalisé.


Jusqu'en 1953, avec le développement rapide de la technologie électronique, Harry Olson et Everet May de RCA Company des États-Unis partaient de la théorie de Paul Leug, effectuaient une nouvelle démonstration théorique et développaient pour la première fois l '"absorbeur de son électronique". "L'absorbeur de sons électronique" est similaire au système actuel d'appuie-tête actif. Il s'agit d'un système de réduction du bruit actif qui est installé sur l'appui-tête du siège d'un occupant d'un avion ou d'une voiture. Grâce au principe de la réduction active du bruit, il émet un bruit inverse. Réduisez le bruit dans une petite zone de la tête humaine. Cependant, en raison de la bande étroite de réduction du bruit, de la faible profondeur de la réduction du bruit et de la petite plage de réduction du bruit du dispositif "d'absorption acoustique électronique", il n'est pas appelé produit de promotion et d'application.


Au cours de la même période, en 1956, toujours à RCA, W.B.Conover a appliqué une technologie de réduction active du bruit au contrôle du bruit d'un grand transformateur de 15000 kVA. Grâce à la démonstration et à l'expérimentation, il y a un effet de réduction du bruit important devant l'enceinte. Cet effet est inversement proportionnel à la distance, c'est-à-dire que plus la distance est grande, plus l'effet de réduction du bruit est petit. De plus, l'effet de réduction du bruit est lié à l'angle d'écart positif, plus l'écart par rapport à la direction positive En général, l'effet de réduction du bruit est plus faible. Grâce aux tests, la réduction du bruit peut atteindre environ 20 dB à 30 cm devant le haut-parleur.


Jusqu'aux années 1970, la recherche sur la technologie de réduction active du bruit n'a pas été appliquée de manière substantielle. À la fin des années 1970, les Français Jessel, Mangante, Canevet et d'autres, basés sur le principe de Huygens, ont proposé que l'algorithme de contrôle actif de réduction du bruit JMC puisse être appliqué à l'espace en champ libre. Grâce au test de démonstration, il est enfin appliqué au traitement du bruit des gros transformateurs. L'algorithme de contrôle de réduction de bruit actif JMC indique que le bruit rayonné par n'importe quelle source sonore peut être contrôlé par des sources sonores secondaires réparties sur une surface continue.


La théorie adaptative du contrôle actif du bruit a vu le jour dès la théorie de la réduction active du bruit. Conover expose le principe de la réduction active du bruit adaptative: surveillez l'effet de réduction du bruit du bruit en fonction de l'oreille humaine, et en même temps, ajustez manuellement le gain et le contrôle de phase du circuit pour obtenir la plus grande réduction du bruit. C'est l'idée initiale de la réduction active adaptative du bruit. En raison des limites du développement de la technologie électronique à cette époque, la réduction active adaptative du bruit n'a pas été mise en œuvre. Il n'y a aucun produit ou application connexe.


Jusqu'au début des années 80, avec le développement de la technologie de traitement du signal à haute vitesse, les gens appliquaient un filtrage adaptatif à la suppression active du bruit des pipelines. Au début des années 1980, Chaplin, J.C.Burgess et C.F.Ross ont respectivement obtenu certains résultats dans le domaine de la réduction active du bruit adaptative, en particulier dans le silencieux de pipeline, et ont obtenu des résultats satisfaisants.


Au milieu des années 1980, P.A.Nelson, S.J.Elliott et d'autres de l'Université de Southampton au Royaume-Uni ont mené d'autres recherches approfondies sur la technologie de réduction active du bruit dans les espaces clos et réalisé des percées innovantes. La théorie de la cohérence intrinsèque est expliquée, la disposition des microphones et des sources sonores secondaires dans le système de réduction du bruit est démontrée, et la méthode de conception de la réduction active du bruit adaptative dans la cabine est approfondie.


Dans les années 1990, PA Nelson et SJElliott et d'autres ont entrepris de mener des recherches sur la réduction active du bruit dans la cabine scellée et ont finalement achevé un système de réduction active du bruit à 6 voies dans la cabine de l'avion à double hélice BAE748. La recherche et le développement ont obtenu un certain effet, parmi lesquels le bruit ambiant est réduit de 13 dB, 9 dB et 6 dB à 88 Hz et les 2e et 3e harmoniques.Les résultats sont cohérents avec l'analyse théorique. Ce développement est le développement et le test de plus haut niveau depuis que le principe de la technologie de réduction active du bruit a été proposé, ce qui montre que la technologie peut déjà être appliquée dans la pratique de l'ingénierie.


Après 2000, avec le développement continu de la technologie électronique, la technologie de réduction active du bruit a également fait de grands progrès. Par exemple, SongY et Gong Y ont appliqué la technologie de réduction active du bruit de rétroaction dans les écouteurs; Gonzalez A et Ferrer M ont adopté Les applications de réduction active du bruit ont éliminé le bruit des moteurs automobiles; Castane-Selga R et Sanchez Pena ont appliqué la technologie de réduction active du bruit aux casques de moto, ce qui a un effet évident sur l'élimination du bruit du vent généré lorsque les motos roulent à grande vitesse; Kochan K et Sachau D ont appliqué une technologie de réduction active du bruit spatial aux avions de transport militaire, supprimant efficacement le bruit de la cabine et améliorant le confort des avions.


4. Principe de fonctionnement de la réduction active du bruit

Le principe de la technologie de réduction active du bruit est d'utiliser le principe de l'annulation des interférences superposées des ondes sonores dans l'espace. Le système de réduction du bruit capte le bruit ambiant et le traite pour générer activement un autre bruit, qui est équivalent au bruit d'origine en fréquence et en amplitude, mais en phase opposée. Cette onde sonore générée activement et l'onde sonore originale s'annulent dans l'espace, de manière à atteindre l'objectif de réduction du bruit. Le principe de la réduction du bruit est illustré à la figure 2-1. Étant donné que le son à bande basse a une longueur d'onde plus longue, son interférence dans l'espace est plus facile à réaliser. Par conséquent, la réduction active du bruit a un meilleur effet de contrôle du bruit à basse fréquence et est généralement utilisée comme compensation pour la réduction passive du bruit dans les bandes de basse fréquence. Par conséquent, cette technologie est principalement utilisée pour protéger contre le bruit à large bande ou le bruit à basse fréquence.

图 2-1 降噪原理图

5. Classification du système de réduction active du bruit

Selon le principe de fonctionnement et les caractéristiques structurelles du système de réduction active du bruit, il peut être divisé en deux types de base de rétroaction et de rétroaction.


5.1 Casque antibruit à rétroaction directe


Parmi eux, l'écouteur actif à réduction de bruit active est destiné à éloigner le microphone de la source sonore secondaire et se compose d'un microphone externe, d'une source sonore secondaire, d'une structure de casque et d'un circuit de commande de réduction du bruit. Le microphone externe fait généralement face à l'extérieur à travers l'écouteur. L'orifice acoustique capte le bruit ambiant à l'extérieur du casque antibruit. La structure est illustrée à la figure 2-2. Le signal de bruit capté par le microphone externe est envoyé à la source sonore secondaire via le circuit de commande ANC, et il n'y a pas de boucle de rétroaction. Les paramètres de réponse sont souvent fixes, et les paramètres tels que le contrôle de gain et de phase ne peuvent pas être ajustés de manière adaptative en fonction du bruit environnemental variant dans le temps. Par conséquent, ses performances de réduction du bruit ne sont pas stables et il a un bon effet de réduction du bruit pour certains bruits en régime permanent. Moins, généralement utilisé uniquement dans certains bouchons d'oreille bas de gamme. La raison principale est que les bouchons d'oreille sont petits, et la disposition interne de réduction du bruit en aval est facile à concevoir et à mettre en œuvre.


图 2-2 前馈式有源降噪系统图

Comme le montre la figure 2-3, la conception de réduction active du bruit à action directe, le petit trou à l'extérieur du bouchon d'oreille sur la figure est le trou sonore du microphone pour capter le bruit ambiant externe.图 2-3 前馈式有源降噪耳机

5.2 Casque à réduction de bruit de type rétroaction


Le type de rétroaction à réduction de bruit active de type écouteur est composé d'un microphone interne, d'une source sonore secondaire, d'une structure de casque et d'un circuit de commande de réduction de bruit. Le microphone interne fait face au casque antibruit et est généralement placé à l'entrée du conduit auditif. Le microphone interne capte et pénètre dans l'oreille Après le bruit de la hotte, il est envoyé au circuit de commande de traitement de réduction du bruit ANC pour traitement, puis les signaux sonores secondaires de phase opposée, d'amplitude égale et de fréquence égale sont envoyés à la source sonore secondaire, et le bruit inverse est émis par la source sonore secondaire pour obtenir la réduction L'effet du bruit est illustré à la figure 2-4. Le microphone interne est généralement placé près de la source sonore secondaire, et il captera le bruit près de la source sonore secondaire. Le système de réduction du bruit formera une boucle de rétroaction pour ajuster les paramètres de réduction du bruit de manière adaptative, de sorte que le microphone est généralement placé près de la source sonore secondaire. L'emplacement de la source peut en fait refléter le bruit près des organes auditifs.Il y a une boucle de rétroaction.L'effet de réduction du bruit est meilleur, mais la structure, le circuit et le travail de débogage sont relativement compliqués. De plus, en raison de l'existence de la boucle de rétroaction, une instabilité se produit lorsque le système de contrôle de rétroaction n'est pas conçu correctement, comme l'auto-excitation hurlante, ce qui est la faiblesse de ce type de cache-oreilles à réduction de bruit active.


图 2-4 反馈式有源降噪系统图

Comme le montre la figure 2-5, le casque à réduction de bruit active à rétroaction de type K495NC d'AKG. La flèche sur la figure fait référence au microphone interne, qui est placé à l'entrée du conduit auditif pour capter le signal de bruit dans l'oreillette.图 2-5 反馈式有源降噪耳机

De plus, au cours des dernières années, avec le développement continu de la technologie électronique, le système de réduction active du bruit composite utilisé en combinaison avec la rétroaction et la rétroaction est devenu progressivement le centre d'intérêt et la direction de la recherche de chacun. L'écouteur à réduction active du bruit composé est composé d'un microphone externe (microphone de référence), d'un microphone interne (microphone d'erreur), d'une source sonore secondaire, de la structure des écouteurs et d'un circuit de commande de réduction du bruit. Son diagramme de composition du système est illustré à la figure 2-6.

图 2-6 复合式有源降噪系统图

Comme le montre la figure 2-7, les écouteurs à réduction de bruit active composite Sennheiser PXC450. Le petit trou dans l'image de gauche de la figure 2-7 est un microphone externe à réduction de bruit à action directe. Le coin inférieur gauche est la structure interne. L'image de droite La flèche pointe vers le microphone interne à réduction de bruit de type rétroaction, qui est placé à l'entrée du conduit auditif pour capter le signal de bruit dans l'oreillette.图 2-7 森海赛尔复合式有源降噪耳机

Avec le développement continu de la technologie électronique, en raison de la limitation de la taille des bouchons d'oreille, à l'exception de certains bouchons d'oreille de réduction de bruit bas de gamme et bas de gamme sur le marché, il n'est pas possible d'utiliser la rétroaction ou la réduction de bruit composée. La plupart des casques antibruit actifs utilisent une structure de système de rétroaction ou de suppression active du bruit composite pour obtenir de meilleures performances de suppression du bruit du produit. Comme le montre le tableau 2-1, c'est la comparaison des performances des trois structures de réduction du bruit.

图 2-1 降噪原理图

Six, les points de conception des écouteurs à réduction de bruit

Les écouteurs à réduction de bruit active sont principalement composés d'une alimentation, d'un circuit de commande, d'un micro, d'un haut-parleur et d'une cavité auriculaire, etc., où le circuit de commande est le composant central de l'écouteur. Dans le processus de conception du produit, les principaux facteurs qui affectent la technologie de réduction du bruit sont les suivants:


(1) Circuit de commande: Le circuit de commande permet de supprimer le bruit grâce aux trois principaux processus de mesure, de contrôle inverse et de superposition du son. Il mesure la phase et l'amplitude du signal de bruit capté par le capteur. Après le traitement inverse, le son émis par le haut-parleur (appelé Il s'agit d'un signal de suppression de bruit. Si l'amplitude du signal de suppression de bruit n'est pas exactement la même que le signal d'origine ou si la phase n'est pas exactement déphasée de 180 °, elle atténuera uniquement le bruit et n'obtiendra pas l'effet d'une annulation complète.


(2) Réponse en fréquence des appareils électro-acoustiques: les appareils électro-acoustiques comprennent des micros et des haut-parleurs, le chemin de transmission du son spatial entre les appareils électro-acoustiques à l'intérieur des cache-oreilles et subissent des processus complexes tels que la conversion électro-acoustique et la conversion acousto-électrique au milieu, et le diaphragme Ce système de vibration mécanique composé de bobines et ainsi de suite a son propre mode de vibration, il peut avoir plusieurs fréquences naturelles, dont la réponse en fréquence peut montrer un pic à chaque fréquence naturelle du système, et la réponse de phase est inhérente à chaque système naturel La fréquence baisse de 90 degrés. À ce moment, la distorsion et le retard de la forme d'onde apparaissent dans le domaine temporel et la fonction amplitude-fréquence n'est pas plate dans le domaine fréquentiel. Par conséquent, des haut-parleurs et des microphones avec une fréquence d'amplitude relativement plate et un changement de fréquence de phase lent sont nécessaires.


(3) Conception de la cavité du casque: La fonction de la structure de la cavité du casque est principalement d'éliminer les courts-circuits acoustiques, de supprimer la résonance acoustique, d'élargir la plage de réponse en fréquence et de réduire la distorsion. En même temps, elle est également liée au matériau de la cavité de l'oreille. Plus la densité est élevée, plus le son est élevé. Plus la vibration est faible, plus l'interférence est faible; plus le matériau est épais, meilleur est l'effet de lecture du son et meilleur est l'effet basse fréquence. Par conséquent, lors de la conception de la cavité auriculaire, une réflexion approfondie est nécessaire pour obtenir l'effet souhaité.


Pour résumer


En résumé, un système de casque à réduction de bruit active est généralement composé d'un microphone, d'une source sonore secondaire, d'un composant de structure de la cavité de l'oreille et d'un circuit de réduction du bruit. Chacune des parties ci-dessus a un impact plus important sur les performances de réduction de bruit active finale du casque. Une attention particulière doit être portée à la conception.