Diseño y desarrollo de auriculares con reducción de ruido.

2020-06-07 13:30:07 fandoukeji

Con el avance continuo de la tecnología y el desarrollo continuo del mercado de consumo de productos electrónicos, el ritmo de la vida humana también se está acelerando, y cada vez más personas usan auriculares para escuchar música de alta calidad. Sin embargo, la contaminación acústica en la ciudad se ha convertido en una interferencia inevitable. Si usa auriculares normales en un entorno ruidoso, solo puede cubrir el ruido aumentando el volumen. Esto no solo no puede disfrutar de música hermosa, sino que también tiene un gran impacto en su audición. . ¿Cómo puede permitir que una música hermosa relaje su estado de ánimo y alivie la fatiga sin ser molestado por auriculares externos con cancelación de ruido? Puede convertirse en la mejor opción.


1. Los tipos y peligros del ruido.

El nivel de presión sonora es una unidad que indica la magnitud del sonido y generalmente se mide en decibelios (dB). En el ámbito civil, el ruido ambiental se divide principalmente en ruido de tráfico, ruido industrial y ruido doméstico. Entre ellos, el ruido del tráfico proviene de automóviles, trenes, aviones, barcos, etc. El ruido industrial incluye principalmente ruido de maquinaria de construcción grande, ruido de equipos de fábrica y ruido de obras, etc. El ruido diario es común en algunas transmisiones de comercio electrónico en la calle. , Discursos ruidosos en lugares públicos y la música de danzas cuadradas que han sido comunes en los últimos años. En el campo militar, el ruido persistente incluye principalmente el ruido de varios vehículos militares, aviones de ala fija, helicópteros, turbinas de barcos y diversos equipos mecánicos, que generalmente es más alto que el ruido encontrado en el campo civil. El espectro es más abundante. Estos ruidos suelen estar por encima de 90dB, e incluso algunos ruidos pueden llegar a 130dB.


El daño del ruido al cuerpo humano se puede resumir de la siguiente manera:


(1) Afecta la vida y el trabajo: el sueño es la forma más efectiva de aliviar la fatiga. Sin embargo, en un ambiente ruidoso, las personas no pueden lograr un sueño profundo, lo que a menudo causa sueños y vigilia. Además, el ruido afectará la conversación laboral normal de todos, haciendo que las personas se sientan irritables y difíciles de concentrarse, lo que no solo reduce la calidad de vida sino que también afecta la calidad del trabajo;


(2) Discapacidad auditiva: el peligro más evidente del ruido es el daño a la audición humana. En un entorno de sonido fuerte, las personas sentirán que sus oídos se sienten incómodos. Después de mucho tiempo en un entorno ruidoso, incluso en un entorno tranquilo, todavía sentirán zumbidos. Con el tiempo, causará pérdida auditiva y un aumento del umbral auditivo. Si se encuentra en un entorno ruidoso durante mucho tiempo, su audición se dañará de manera irreversible o incluso sorda;


(3) Daño al sistema nervioso: las personas que han estado en un ambiente de mucho ruido a menudo tienen mareos, dolor de cabeza, palpitaciones, tinnitus y otras crisis nerviosas;


(4) Otros peligros: además, el ruido puede causar trastornos del sistema cardiovascular y del sistema digestivo. Algunos expertos incluso creen que un ambiente de alto ruido a largo plazo también es una causa de cáncer.


降噪耳机方案

2. Tipos de tecnología de reducción de ruido de auriculares

Entre muchos dispositivos de reducción de ruido, hay dos tipos de métodos de reducción de ruido, control de ruido pasivo (PNC) y control de ruido activo (ANC). .


2.1 Tecnología pasiva de reducción de ruido


El equipo de reducción de ruido pasivo ocupa la mayor parte de la participación, y también está en todas partes en la vida cotidiana de las personas, como paneles de reducción de ruido que a menudo se ven en las ciudades o en ambos lados de las autopistas, salas anecoicas o diseño de pared de absorción de sonido KTV, alto ruido El trabajo contaminado requiere el uso de tapones o orejeras insonorizadas, etc.


En muchos equipos de protección contra el ruido, los auriculares con reducción de ruido son métodos de protección convencionales y relativamente efectivos. En los auriculares de protección general, el método de supresión de ruido es la reducción pasiva del ruido, como los tapones auditivos pasivos y las orejeras. El mecanismo de reducción de ruido consiste en utilizar el material de cubierta dura del producto o el material de absorción de sonido interno de manera razonable, y utilizar el método de aislamiento y absorción para evitar que el sonido externo ingrese al canal auditivo. Este método de reducción de ruido tiene un efecto de reducción de ruido particularmente rico para componentes de alta frecuencia. Especialmente obvio, este es también el método más utilizado de supresión de ruido. El método de reducción de ruido pasivo es fácil de implementar, pero para el ruido en la banda de frecuencia por debajo de 800Hz y menor, si desea lograr el efecto de reducción de ruido ideal, debe pagar un alto costo, y el material de reducción de ruido también es muy pesado, por lo que El valor del uso real se pierde.


2.2 Tecnología de reducción de ruido activa


Después de un largo período de exploración, las personas se dan cuenta claramente de que la forma fundamental de control de ruido es controlar efectivamente la fuente de sonido, por lo tanto, desde el análisis del mecanismo de generación de sonido de la fuente de sonido, el control activo de la fuente de sonido o el dominio de campo cercano es la única forma de resolver el control de ruido. Dirección de desarrollo. La tecnología de reducción de ruido activa utiliza esta tecnología para controlar el ruido. La tecnología de reducción de ruido activa compensa la debilidad de las orejeras tradicionales en la banda de baja frecuencia, de modo que las orejeras pueden lograr un efecto de reducción de ruido relativamente uniforme en cada banda de frecuencia.


La tecnología de reducción de ruido activa, también conocida como tecnología de control de ruido activo (ANC), es una dirección de investigación importante para el control de ruido moderno debido a su pequeño tamaño de circuito, peso ligero, control fácil y la capacidad de manejar ruido de banda ancha estable, etc. Se ha utilizado ampliamente y se ha desarrollado vigorosamente en el campo de la acústica y ha madurado gradualmente en los últimos años. En la actualidad, hay muchas compañías que investigan los auriculares con reducción de ruido, que se utilizan ampliamente en los campos militares y civiles para proteger eficazmente la salud de las personas.


El principio de la reducción activa del ruido es usar el principio de cancelación de interferencia de las ondas sonoras para generar artificialmente un ruido secundario en el espacio característico opuesto al ruido original en fase, y la amplitud y la frecuencia son iguales, lo que cancela el ruido original para lograr el propósito de reducir el ruido. A diferencia de la reducción pasiva de ruido, los sistemas activos de reducción de ruido deben configurarse con fuentes de alimentación, circuitos y dispositivos acústicos relacionados para reducir el ruido de manera activa. Como se mencionó anteriormente, la reducción de ruido pasivo es principalmente efectiva para frecuencias medias y altas, y debido a que la longitud de onda de baja frecuencia es larga, es fácil lograr interferencia. Por lo tanto, la reducción de ruido activa logra principalmente la supresión de ruido en bandas de baja frecuencia.


3. Historial de investigación y estado actual de la tecnología de reducción de ruido activa

El físico alemán Paul Leug propuso por primera vez el concepto de reducción de ruido a través del principio de interferencia acústica en 1934, y solicitó una patente para "silenciador electrónico". Pero limitado a la base de la tecnología electrónica en ese momento, Paul Leug acaba de demostrar y expresar sus principios básicos, y no hubo experimentos y productos sustantivos. En los siguientes 20 años, la tecnología de reducción de ruido activa se detuvo y no se logró un desarrollo sustancial.


Hasta 1953, con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica, Harry Olson y Everet May, de la Compañía RCA de los Estados Unidos, partieron de la teoría de Paul Leug, realizaron una nueva demostración teórica y desarrollaron el "absorbente de sonido electrónico" por primera vez. El "sistema de absorción de sonido electrónico" es similar al sistema de reposacabezas activo actual. Es un sistema de reducción de ruido activo que se instala en el reposacabezas del asiento de un avión u ocupante del automóvil. Mediante el principio de reducción de ruido activo, emite ruido inverso. Reduzca el ruido en un área pequeña de la cabeza humana. Sin embargo, debido a la estrecha banda de reducción de ruido, a la poca profundidad de reducción de ruido y al pequeño rango de reducción de ruido del dispositivo "absorbente de sonido electrónico", no se le llama un producto para promoción y aplicación.


Durante el mismo período, en 1956, todavía en RCA, W.B.Conover aplicó la tecnología de reducción de ruido activa al control de ruido de un gran transformador de 15,000kVA. A través de la demostración y el experimento, hay un efecto de reducción de ruido significativo delante del altavoz. Este efecto es inversamente proporcional a la distancia, es decir, cuanto más lejos es la distancia, menor es el efecto de reducción de ruido. Además, el efecto de reducción de ruido está relacionado con el ángulo de desviación positiva, más desviación de la dirección positiva, En general, el efecto de reducción de ruido es menor. A través de las pruebas, la reducción de ruido puede alcanzar unos 20 dB a 30 cm delante del altavoz.


Hasta la década de 1970, la investigación sobre la tecnología de reducción de ruido activa no se ha aplicado sustancialmente. A fines de la década de 1970, French Jessel, Mangante, Canevet y otros, basados en el principio de Huygens, propusieron el algoritmo de control de reducción de ruido activo JMC que se puede aplicar al espacio de campo libre. A través de la prueba de demostración, finalmente se aplica al tratamiento de ruido de transformadores grandes. El algoritmo de control de reducción de ruido activo JMC indica que el ruido irradiado desde cualquier fuente de sonido puede controlarse mediante fuentes de sonido secundarias distribuidas en una superficie continua.


La teoría de control de ruido activo adaptativo surgió tan pronto como la teoría de reducción de ruido activo. Conover expone el principio de reducción de ruido activa adaptativa: controle el efecto de reducción de ruido del ruido de acuerdo con el oído humano y, al mismo tiempo, ajuste manualmente la ganancia y el control de fase del circuito para lograr la mayor cantidad de reducción de ruido. Esta es la idea inicial de reducción de ruido activa adaptativa. Debido a las limitaciones del desarrollo de la tecnología electrónica en ese momento, la reducción adaptativa del ruido activo no se puso en práctica. No hay productos o aplicaciones relacionadas.


Hasta principios de la década de 1980, con el desarrollo de la tecnología de procesamiento de señales de alta velocidad, las personas aplicaban filtros adaptativos para la supresión activa del ruido de las tuberías. A principios de la década de 1980, Chaplin, J.C.Burgess y C.F.Ross Ross, respectivamente, lograron ciertos resultados en el campo de la reducción adaptativa del ruido activo, especialmente en el silenciador de tuberías, y obtuvieron resultados satisfactorios.


A mediados de la década de 1980, P.A.Nelson, S.J.Elliott y otros de la Universidad de Southampton en el Reino Unido llevaron a cabo una investigación más profunda sobre la tecnología de reducción de ruido activa en espacios cerrados y lograron avances innovadores. Se explica la teoría de la coherencia intrínseca, se demuestra la disposición de los micrófonos y las fuentes de sonido secundario en el sistema de reducción de ruido, y se estudia más a fondo el método de diseño de reducción de ruido activa adaptativa en la cabina.


En la década de 1990, PA.Nelson y SJElliott y otros se propusieron realizar una reducción de ruido activa en la cabina sellada, y finalmente completaron un sistema de reducción de ruido activo de 6 vías en la cabina del avión de doble hélice BAE748 La investigación y el desarrollo han logrado un cierto efecto. Entre ellos, el ruido ambiental se reduce en 13dB, 9dB y 6dB a 88Hz y los armónicos segundo y tercero. Los resultados son consistentes con el análisis teórico. Este desarrollo es el desarrollo y prueba de más alto nivel desde que se propuso el principio de la tecnología de reducción de ruido activa, lo que demuestra que la tecnología ya se puede aplicar en la práctica de la ingeniería.


Después de 2000, con el desarrollo continuo de la tecnología electrónica, la tecnología de reducción de ruido activa también ha progresado mucho. Por ejemplo, SongY y Gong Y han aplicado la tecnología de reducción de ruido activa de retroalimentación en los auriculares; González A y Ferrer M adoptaron Las aplicaciones activas de reducción de ruido han eliminado el ruido del motor automotriz; Castane-Selga R y Sanchez Pena han aplicado tecnología de reducción de ruido activa a los cascos de motocicletas, lo que tiene un efecto obvio en la eliminación del ruido del viento generado cuando las motocicletas viajan a altas velocidades; Kochan K y Sachau D aplicaron tecnología de reducción de ruido activa en el espacio a los aviones de transporte militar, suprimiendo efectivamente el ruido de la cabina y mejorando la comodidad de los aviones.


4. Principio de funcionamiento de la reducción activa del ruido.

El principio de la tecnología de reducción de ruido activa es utilizar el principio de cancelación de interferencia superpuesta de ondas de sonido en el espacio. El sistema de reducción de ruido recoge el ruido ambiental y lo procesa para generar activamente otro ruido, que es equivalente al ruido original en frecuencia y amplitud, pero en fase opuesta. Esta onda de sonido generada activamente y la onda de sonido de ruido original se cancelan entre sí en el espacio, para lograr el propósito de reducir el ruido. El principio de reducción de ruido se muestra en la Figura 2-1. Debido a que el sonido de banda baja tiene una longitud de onda más larga, su interferencia en el espacio es más fácil de lograr. Por lo tanto, la reducción de ruido activa tiene un mejor efecto de control de ruido de baja frecuencia, y generalmente se usa como compensación para la reducción de ruido pasivo en bandas de baja frecuencia. Por lo tanto, esta tecnología se utiliza principalmente para proteger contra el ruido de banda ancha o el ruido de baja frecuencia.


图 2-1 降噪原理图

5. Clasificación del sistema de reducción de ruido activo.

De acuerdo con el principio de funcionamiento y las características estructurales del sistema de reducción de ruido activo, se puede dividir en dos tipos básicos de retroalimentación y avance.


5.1 Auriculares con cancelación de ruido de avance


Entre ellos, los auriculares con reducción de ruido activa de alimentación directa colocan el micrófono lejos de la fuente de sonido secundaria y están compuestos por un micrófono externo, una fuente de sonido secundaria, una estructura de auriculares y un circuito de control de reducción de ruido. El micrófono externo generalmente mira hacia afuera a través del audífono. El orificio de sonido capta el ruido ambiental fuera de la orejera La estructura se muestra en la Figura 2-2. La señal de ruido captada por el micrófono externo se envía a la fuente de sonido secundaria a través del circuito de control ANC, y no hay circuito de retroalimentación. Los parámetros de respuesta a menudo son fijos, y los parámetros como la ganancia y el control de fase no se pueden ajustar de forma adaptativa de acuerdo con el ruido ambiental que varía con el tiempo. Por lo tanto, su rendimiento de reducción de ruido no es estable y tiene un buen efecto de reducción de ruido para algunos ruidos de estado estacionario. Menos, generalmente solo se usa en algunos tapones para los oídos de bajo nivel. La razón principal es que los tapones para los oídos son pequeños, y el diseño interno de reducción de ruido de avance es fácil de diseñar e implementar.


图 2-2 前馈式有源降噪系统图

Como se muestra en la Figura 2-3, el diseño de reducción de ruido activo de avance, el pequeño orificio fuera del tapón auditivo en la figura es el orificio de sonido del micrófono para captar el ruido ambiental externo.图 2-3 前馈式有源降噪耳机

5.2 Auriculares con reducción de ruido tipo feedback


El tipo de retroalimentación del tipo de retroalimentación activa de auriculares con reducción de ruido está compuesto por un micrófono interno, una fuente de sonido secundaria, una estructura de auriculares y un circuito de control de reducción de ruido. El micrófono interno se enfrenta a la orejera y generalmente se coloca en la entrada del canal auditivo. El micrófono interno se levanta y entra al oído Después del ruido de la campana, se envía al circuito de control de procesamiento de reducción de ruido ANC para el procesamiento, y luego las señales de sonido secundario de fase opuesta, igual amplitud e igual frecuencia se envían a la fuente de sonido secundario, y el ruido inverso se emite a través de la fuente de sonido secundario para lograr la reducción El efecto del ruido se muestra en la Figura 2-4. El micrófono interno generalmente se coloca cerca de la fuente de sonido secundario, y captará el ruido cerca de la fuente de sonido secundario. El sistema de reducción de ruido formará un circuito de retroalimentación para ajustar los parámetros de reducción de ruido de manera adaptativa, por lo que el micrófono generalmente se coloca cerca de la fuente de sonido secundario. La ubicación de la fuente puede reflejar el ruido cerca de los órganos auditivos. Hay un circuito de retroalimentación. El efecto de reducción de ruido es mejor, pero la estructura, el circuito y el trabajo de depuración son relativamente complicados. Además, debido a la existencia del circuito de retroalimentación, se producirá inestabilidad cuando el sistema de control de retroalimentación no esté diseñado correctamente, como la autoexcitación aullante, que es la debilidad de este tipo de orejeras activas de reducción de ruido.


图 2-4 反馈式有源降噪系统图

Como se muestra en la Figura 2-5, los auriculares de reducción de ruido activa K495NC tipo AKG de Feedback. La flecha en la figura se refiere al micrófono interno, que se coloca en la entrada del canal auditivo para captar la señal de ruido en el audífono.图 2-5 反馈式有源降噪耳机

Además, en los últimos años, con el desarrollo continuo de la tecnología electrónica, el sistema compuesto de reducción de ruido activo utilizado en combinación de retroalimentación y retroalimentación se ha convertido gradualmente en el foco y la dirección de la investigación de todos. El auricular compuesto de reducción de ruido activo se compone de micrófono externo (micrófono de referencia), micrófono interno (micrófono de error), fuente de sonido secundario, estructura del auricular y circuito de control de reducción de ruido. El diagrama de composición del sistema se muestra en la Figura 2-6.图 2-6 复合式有源降噪系统图

Como se muestra en la Figura 2-7, los auriculares activos compuestos con cancelación de ruido PXC450 de Sennheiser. El pequeño orificio en la imagen izquierda de la Figura 2-7 es un micrófono externo con reducción de ruido de avance. La parte inferior izquierda es la estructura interna. La flecha apunta al micrófono interno de reducción de ruido de tipo retroalimentación, que se coloca en la entrada del canal auditivo para captar la señal de ruido en el audífono.图 2-7 森海赛尔复合式有源降噪耳机

Con el desarrollo continuo de la tecnología electrónica, debido a la limitación del tamaño de los tapones para los oídos, a excepción de algunos tapones para los oídos con reducción de ruido de gama baja y baja en el mercado, no es posible usar retroalimentación o reducción de ruido compuesta, pero aún así usar una estructura de alimentación para lograr una reducción activa del ruido. La mayoría de los auriculares con cancelación de ruido activa utilizan una estructura de sistema de cancelación de ruido activa de retroalimentación o compuesta para lograr un mejor rendimiento de cancelación de ruido del producto. Como se muestra en la Tabla 2-1, se muestra la comparación de rendimiento de tres estructuras de reducción de ruido.图 2-1 降噪原理图

Seis, los puntos de diseño de los auriculares con reducción de ruido

Los auriculares activos con cancelación de ruido se componen principalmente de fuente de alimentación, circuito de control, pastilla, altavoz y cavidad del oído. El circuito de control es el componente principal del auricular. En el proceso de diseño del producto, los principales factores que afectan la tecnología de reducción de ruido son los siguientes:


(1) Circuito de control: el circuito de control logra la cancelación de ruido a través de los tres procesos principales de medición, control inverso y superposición de sonido. Mide la fase y la amplitud de la señal de ruido captada por la captación. Después del procesamiento inverso, el sonido emitido por el altavoz (llamado Es una señal de supresión de ruido). Si la amplitud de la señal de supresión de ruido no es exactamente la misma que la señal original o si la fase no está exactamente desfasada 180 °, solo atenuará el ruido y no logrará el efecto de la cancelación completa.


(2) Respuesta de frecuencia de dispositivos electroacústicos: los dispositivos electroacústicos incluyen pastillas y altavoces, la ruta de transmisión espacial del sonido entre dispositivos electroacústicos dentro de las orejeras, y se someten a procesos complicados como la conversión electroacústica y la conversión acústica eléctrica en el medio, y el diafragma. Este sistema de vibración mecánica compuesto por bobinas, etc., tiene su propio modo de vibración, puede tener múltiples frecuencias naturales, cuya respuesta de frecuencia puede mostrar un pico en cada frecuencia natural del sistema, y la respuesta de fase es inherente a cada sistema natural. La frecuencia cae en 90 grados. En este momento, la distorsión y el retraso de la forma de onda aparecen en el dominio del tiempo, y la función de amplitud-frecuencia no es plana en el dominio de la frecuencia. Por lo tanto, se requieren altavoces y micrófonos con una frecuencia de amplitud relativamente plana y un cambio de frecuencia de fase lento.


(3) Diseño de la cavidad de los auriculares: la función de la estructura de la cavidad de los auriculares es principalmente eliminar los cortocircuitos acústicos, suprimir la resonancia acústica, ampliar el rango de respuesta de frecuencia y reducir la distorsión. Al mismo tiempo, también está relacionado con el material de la cavidad del oído. Cuanto mayor sea la densidad, mayor será el sonido Cuanto menor sea la vibración, menor será la interferencia; cuanto más grueso sea el material, mejor será el efecto de reproducción de sonido y mejor será el efecto de baja frecuencia. Por lo tanto, al diseñar la cavidad del oído, se necesita una consideración exhaustiva para lograr el efecto deseado.


para resumir


En resumen, un sistema de auriculares con reducción de ruido activo generalmente está compuesto por un micrófono, una fuente de sonido secundaria, un componente de estructura de la cavidad del oído y un circuito de reducción de ruido. Cada una de las partes anteriores tiene un mayor impacto en el rendimiento final de reducción de ruido activo de los auriculares. Se debe prestar atención al diseño.