Дизайн и разработка наушников с шумоподавлением

2021-03-10 11:21:01 fandoukeji

С постоянным развитием технологий и постоянным развитием потребительского рынка электронной продукции темпы человеческой жизни также ускоряются, и все больше и больше людей используют наушники для прослушивания высококачественной музыки. Однако шумовое загрязнение в городе стало неизбежным препятствием. При использовании обычных наушников в шумной обстановке вы можете скрыть шум, только увеличив громкость. Это не только помешает вам наслаждаться красивой музыкой, но и отлично влияет на ваш слух. Как я могу расслабить свое настроение с помощью отличной музыки, снять усталость и в то же время быть свободным от помех от внешних шумоподавляющих наушников, может быть лучшим выбором.


1. Типы и опасности шума

Уровень звукового давления - это единица, которая выражает величину амплитуды звука и обычно измеряется в децибелах (дБ). В гражданской сфере шум окружающей среды в основном делится на три категории: шум транспорта, промышленный шум и бытовой шум. Среди них шум от автомобилей, поездов, самолетов, кораблей и т.д .; промышленный шум в основном включает шум крупномасштабной строительной техники, шум от оборудования на заводах и предприятиях и шум от строительных площадок; распространенный бытовой шум транслируется и публикуется. через некоторую уличную электронную торговлю, шумные речи в общественных местах и музыку квадратных танцев, которые стали обычным явлением в последние годы. В военной области непрерывный шум в основном включает шум, излучаемый различными военными автомобилями, самолетами с неподвижным крылом, вертолетами, судовыми турбинами и различным механическим оборудованием. Этот шум, как правило, выше, чем шум, встречающийся в гражданской сфере. Спектр шире. Эти шумы обычно превышают 90 дБ, а некоторые шумы могут достигать 130 дБ.


Вред шума для человеческого организма можно резюмировать следующим образом:


(1) Влияют на жизнь и работу: сон - самый эффективный способ снять усталость. Однако люди не могут достичь глубокого сна в условиях сильного шума, что часто вызывает сны, пробуждения и другие состояния; кроме того, шум влияет на нормальную работу и разговор, вызывая у людей раздражительность и трудности с концентрацией внимания, что не только снижает качество сна. жизнь, но также влияет на качество работы;


(2) Нарушение слуха: наиболее очевидная опасность шума - это нарушение слуха человека. В сильной звуковой среде люди будут чувствовать дискомфорт в ушах. После длительного нахождения в шумной обстановке, даже в тихой обстановке, они все равно будут чувствовать гудение. Если это произойдет, это приведет к потере слуха и повышению порога слышимости. Если вы долгое время находитесь в шумной среде с высокой интенсивностью, ваш слух будет необратимо поврежден и даже станет глухим;


(3) Повреждение нервной системы: люди, долгое время находившиеся в шумной среде, часто страдают головокружением, головной болью, сердцебиением, шумом в ушах и другой неврастенией;


(4) Другие опасности: кроме того, шум может вызывать нарушения сердечно-сосудистой и цереброваскулярной систем и пищеварительной системы. Некоторые эксперты даже считают, что длительная среда с высоким уровнем шума также является причиной рака.

Дизайн и разработка наушников с шумоподавлением

2. Типы технологий шумоподавления наушников.

Среди множества устройств шумоподавления есть два метода шумоподавления: пассивный контроль шума (PNC) и активный контроль шума (ANC). .


2.1 Технология пассивного шумоподавления


Оборудование для пассивного шумоподавления занимает большую часть, и его можно увидеть повсюду в повседневной жизни людей, например, панели шумоподавления, которые часто можно увидеть в городах или по обеим сторонам шоссе, безэховой комнате или конструкции стены со звукопоглощением KTV, высокой шум При работе с загрязнением необходимо носить звукоизоляционные беруши или наушники и т. д.


Среди многих средств защиты от шума наушники с шумоподавлением являются относительно эффективными и распространенными методами защиты. Метод подавления шума обычных защитных наушников заключается в использовании пассивного шумоподавления, такого как пассивные затычки для ушей и наушники. Механизм шумоподавления заключается в рациональном использовании твердого материала корпуса продукта или внутреннего звукопоглощающего материала, а также использовании метода изоляции и поглощения, чтобы предотвратить попадание внешнего звука в ушной канал. Этот метод шумоподавления имеет особенно богатый шум снижение воздействия на высокочастотные компоненты.Особенно очевидно, что это также наиболее часто используемый метод подавления шума в настоящее время. Пассивное шумоподавление легко реализовать, но для шума в частотном диапазоне ниже 800 Гц и ниже, если вы хотите достичь идеального эффекта шумоподавления, вам придется заплатить высокую цену. Кроме того, шумоподавляющие материалы будут тяжелыми. , поэтому потеряли ценность фактического использования.


2.2 Технология активного шумоподавления


После длительного исследования люди ясно осознают, что основной способ борьбы с шумом - это эффективное управление источником звука. Поэтому, начиная с анализа звукового механизма источника звука, активного управления источником звука или ближнего поля. это решение по борьбе с шумом. Направление развития. Технология активного шумоподавления использует эту технологию для управления шумом.Технология активного шумоподавления компенсирует слабость традиционных наушников в снижении низкочастотного шума, так что наушники могут получить более равномерный эффект шумоподавления в каждой полосе частот.


Технология активного шумоподавления, также известная как активный контроль шума (активный контроль шума, сокращенно ANC), является важным направлением исследований современного контроля шума. шум, это важное направление исследований, которое широко использовалось и активно развивалось в области акустики и постепенно развивалось в последние годы. В настоящее время компании, исследующие наушники с шумоподавлением, появляются бесконечно, а наушники с шумоподавлением широко используются в военной и гражданской областях для эффективной защиты здоровья людей.


Принцип активного шумоподавления заключается в использовании принципа подавления помех звуковыми волнами для искусственного создания вторичного шума в характеристическом пространстве, который противоположен исходному шуму по фазе и равен по амплитуде и частоте, который смещен относительно исходного. шум для достижения цели снижения шума. В отличие от пассивного шумоподавления, активные системы шумоподавления должны быть оснащены источниками питания, цепями и соответствующими акустическими устройствами для активного снижения шума. Как упоминалось выше, пассивное шумоподавление в основном эффективно для средних и высоких частот, а поскольку низкая частота имеет большую длину волны, легко добиться помех, поэтому активное шумоподавление в основном реализует подавление шума в диапазонах низких частот.


3. История исследований и статус-кво технологии активного шумоподавления.

Немецкий физик Пауль Леуг впервые предложил концепцию снижения шума с помощью принципа акустической интерференции в 1934 году и подал заявку на патент на «электронный глушитель». Но ограничившись основами электронной технологии в то время, Пол Леуг только продемонстрировал и изложил ее основные принципы, и у него не было существенных экспериментов и продуктов. В последующие 20 лет технология активного шумоподавления застопорилась и не получила существенного развития.


До 1953 года, с быстрым развитием электронных технологий, Гарри Олсон и Эверет Мэй из американской компании RCA провели новую теоретическую демонстрацию, основанную на теории Пола Леуга, и впервые разработали «электронный звукопоглотитель». «Электронный звукопоглотитель» аналогичен существующей активной системе подголовника, которая заключается в установке системы активного шумоподавления на подголовник сиденья самолета или пассажира автомобиля и излучении обратного шума за счет принципа активного шумоподавления. небольшая площадь головы человека. Однако из-за узкой полосы частот шумоподавления, малой глубины шумоподавления и небольшого диапазона шумоподавления устройства «электронный звукопоглотитель» его не называют продуктом для рекламы и применения.


В тот же период, в 1956 году, еще в RCA, У. Б. Коновер применил технологию активного шумоподавления для управления шумом большого трансформатора мощностью 15000 кВА. Благодаря демонстрации и экспериментам непосредственно перед динамиком наблюдается значительный эффект шумоподавления. Этот эффект обратно пропорционален расстоянию, то есть чем больше расстояние, тем меньше эффект шумоподавления. Кроме того, эффект шумоподавления связан с углом отклонения вперед, и чем больше отклонение от прямого направления, тем меньше эффект снижения шума. В ходе теста шумоподавление может достигать примерно 20 дБ на расстоянии 30 см непосредственно перед динамиком.


До 1970-х годов не применялись существенные результаты технологии активного шумоподавления. В конце 1970-х годов французские компании Jessel, Mangiante и Canevet, основываясь на принципе Гюйгенса, предложили алгоритм активного шумоподавления JMC, который можно применить к пространству свободного поля. Наконец, с помощью демонстрационных испытаний он применяется для шумоподавления больших трансформаторов. Алгоритм управления активным шумоподавлением JMC указывает, что шум, излучаемый любым источником звука, может контролироваться вторичными источниками звука, распределенными на непрерывной поверхности.


Теория адаптивного активного шумоподавления была создана на заре теории активного шумоподавления. Коновер объяснил принцип адаптивного активного шумоподавления: в соответствии с человеческим ухом, чтобы контролировать эффект шумоподавления, при этом вручную регулируя усиление и управление фазой схемы, чтобы максимизировать количество шумоподавления. Это оригинальная идея адаптивного активного шумоподавления. Из-за ограничений развития электронной техники в то время адаптивное активное шумоподавление не применялось. Нет сопутствующих продуктов или приложений.


До начала 1980-х, с развитием технологии высокоскоростной обработки сигналов, люди применяли методы адаптивной фильтрации для активного подавления шума конвейера. В начале 1980-х годов Чаплин, Дж. К. Берджесс и К. Ф. Росс достигли определенных результатов в области адаптивного активного шумоподавления, особенно в области снижения шума труб, и достигли удовлетворительных результатов.


В середине 1980-х П.А. Нельсон, С.Дж.Эллиотт и другие из Университета Саутгемптона в Соединенном Королевстве провели дальнейшие углубленные исследования технологии активного шумоподавления в закрытых помещениях и достигли инновационных достижений. В нем объясняется теория внутренней когерентности, демонстрируется расположение микрофонов и вторичных источников звука в системе шумоподавления, а также изучается метод проектирования адаптивного активного шумоподавления в машинном отделении.


В 1990-х годах PA.Nelson, SJElliott и другие приступили к изучению активного шумоподавления в герметичной кабине и, наконец, завершили разработку 6-канальной системы активного шумоподавления в салоне двухвинтового самолета BAE748. Среди них шум окружающей среды был уменьшен на 13 дБ, 9 дБ и 6 дБ на частоте 88 Гц и второй и третьей гармониках соответственно. Результаты согласуются с теоретическим анализом. Эта разработка является высшим уровнем разработки и тестирования, поскольку был предложен принцип технологии активного шумоподавления, который показывает, что технология уже может быть применена в инженерной практике.


После 2000 года, с постоянным развитием электронных технологий, технология активного шумоподавления также развивалась семимильными шагами. Например, SongY и Gong Y применили технологию активного шумоподавления с обратной связью в наушниках; Gonzalez A и Ferrer M прошли процедуру активного шумоподавления. приложения для снижения шума устраняют шум двигателя автомобиля; Castane-Selga R и Sanchez Pena применяют технологию активного шумоподавления для мотоциклетных шлемов, которая оказывает значительное влияние на устранение шума ветра, создаваемого мотоциклами на высоких скоростях; Kochan K и Sachau D применили технологию пространственного активного шумоподавления на военно-транспортном самолете, что эффективно подавляло шум кабины и повышало комфортность самолета.


В-четвертых, принцип работы активного шумоподавления.

Принцип технологии активного шумоподавления заключается в использовании принципа подавления наложенных помех звуковых волн в пространстве.Система шумоподавления улавливает окружающий шум и посредством обработки схемы активно генерирует другой шум, который по частоте и амплитуде эквивалентен звуковому сигналу. исходный шум, но фаза противоположна. Эта активно генерируемая звуковая волна и исходная шумовая звуковая волна компенсируют друг друга в пространстве, чтобы достичь цели уменьшения шума. Принцип уменьшения шума показан на рисунке 2-1. Поскольку низкочастотный звук имеет большую длину волны, легче добиться его интерференции в пространстве. Следовательно, активное шумоподавление дает лучший эффект управления низкочастотным шумом и обычно используется в качестве компенсации пассивного шумоподавления в низкочастотных диапазонах. Поэтому эта технология в основном используется для защиты от широкополосного шума или низкочастотного шума.

图 2-1 降噪原理图

Пять, классификация системы активного шумоподавления

По принципу работы и конструктивным характеристикам системы активного шумоподавления можно разделить на два основных типа: тип обратной связи и тип прямой связи.


Наушники 5.1 с шумоподавлением и прямой связью


Гарнитура с активным шумоподавлением с прямой связью предназначена для защиты микрофона от вторичного источника звука и состоит из внешнего микрофона, вторичного источника звука, конструктивных элементов наушников и схемы управления шумоподавлением. Внешний микрофон обычно обращен наружу и проходит сквозь Отверстие для передачи звука улавливает окружающий шум снаружи наушников, и его структура показана на Рисунке 2-2. Шумовой сигнал, улавливаемый внешним микрофоном, отправляется на вторичный источник звука через схему управления ANC без петли обратной связи. Параметры отклика часто являются фиксированными, а параметры управления усилением и фазой не могут быть адаптированы адаптивно в соответствии с изменяющимся во времени шумом окружающей среды. Следовательно, его характеристики снижения шума нестабильны. Он имеет лучший эффект снижения шума для некоторых устойчивых шумов. Как правило, он используется только в некоторых наушниках более низкого уровня.Основная причина заключается в том, что беруши имеют небольшой размер, а внутреннее устройство подавления шума с прямой связью легко спроектировать и реализовать.

图 2-2 前馈式有源降噪系统图

Как показано на Рисунке 2-3, это конструкция с активным шумоподавлением с прямой связью.Маленькие отверстия на внешней стороне затычек на рисунке - это звуковые отверстия микрофона, которые улавливают шум внешней среды.图 2-3 前馈式有源降噪耳机

5.2 Наушники с шумоподавлением с обратной связью


Гарнитура с активным шумоподавлением с обратной связью состоит из внутреннего микрофона, вторичного источника звука, конструктивных элементов наушников и схемы управления шумоподавлением. Внутренний микрофон обращен к наушнику и обычно размещается у входа в ушной канал. Внутренний микрофон улавливает и попадает в ухо.После шума крышки он отправляется в схему управления обработкой шумоподавления ANC для обработки, а затем вторичный звуковой сигнал с противоположной фазой, той же амплитудой и той же частотой отправляется в вторичный источник звука, а обратный шум излучается через вторичный источник звука, чтобы добиться уменьшения.Эффект шума показан на рисунке 2-4. Внутренний микрофон обычно размещается рядом с вторичным источником звука и улавливает шум рядом с вторичным источником звука. Его система шумоподавления образует контур обратной связи для адаптивной регулировки параметров шумоподавления. Поэтому микрофон обычно размещают близко к источнику вторичного звука. вторичный источник звука. Местоположение источника может более точно отражать шум около слуховых органов. Имеется петля обратной связи, и эффект снижения шума лучше, но структура, схема и работа по отладке относительно сложнее. Кроме того, из-за наличия петли обратной связи нестабильность будет возникать, когда система управления с обратной связью не спроектирована должным образом, например, самовозбуждение завывания, что является слабым местом наушников этого типа с активным шумоподавлением.

图 2-4 反馈式有源降噪系统图

Как показано на рис. 2-5, это гарнитура с активным шумоподавлением типа K495NC от AKG. Стрелка на рисунке относится к внутреннему микрофону, который помещается на входе в ушной канал и улавливает шумовой сигнал в ушном канале. наушник.图 2-5 反馈式有源降噪耳机

Кроме того, в последние годы, с постоянным развитием электронных технологий, композитная система активного шумоподавления, в которой используется комбинация прямой связи и обратной связи, постепенно стала центром внимания и направлением всех исследований. Композитная гарнитура с активным шумоподавлением состоит из внешнего микрофона (эталонный микрофон), внутреннего микрофона (ошибочный микрофон), вторичного источника звука, конструкции гарнитуры и схемы управления шумоподавлением. Составная схема системы показана на рисунке 2. -6.

图 2-6 复合式有源降噪系统图

Как показано на Рис. 2-7, композитный наушник Sennheiser PXC450 с активным шумоподавлением, небольшое отверстие на левом изображении на Рис. 2-7 представляет собой внешний микрофон с упреждающим шумоподавлением, нижний левый - внутренняя структура, правое изображение. Стрелка указывает на внутренний микрофон с шумоподавлением с обратной связью, который помещается на входе в ушной канал и улавливает шумовой сигнал в наушнике.图 2-7 森海赛尔复合式有源降噪耳机

В связи с постоянным развитием электронных технологий из-за конструктивного ограничения берушей в настоящее время, за исключением некоторых затычек для ушей с низким уровнем шума, которые не могут использовать обратную связь или комплексное шумоподавление, структура с прямой связью по-прежнему используется для достижения активного шумоподавления. В большинстве наушников с активным шумоподавлением используется структура с обратной связью или составная система активного шумоподавления для достижения лучших характеристик шумоподавления. Таблица 2-1 представляет собой сравнение производительности трех структур шумоподавления.图 2-1 降噪原理图

В-шестых, особенности дизайна наушников с шумоподавлением.

Наушники с активным шумоподавлением в основном состоят из источника питания, схемы управления, звукоснимателя, динамика и полости для уха, среди которых схема управления является основным компонентом наушников. В процессе разработки продукта основными факторами, влияющими на технологию шумоподавления, являются:


(1) Схема управления: Схема управления осуществляет подавление шума посредством трех основных процессов измерения, обратного управления и наложения звука. Она измеряет фазу и амплитуду шумового сигнала, воспринимаемого датчиком, и после обратной обработки взаимодействует со звуком, излучаемым динамиком (называется. Если амплитуда сигнала шумоподавления и исходного сигнала не совсем одинаковы или фаза не отличается точно на 180 °, шум будет только уменьшен, и эффект полной отмены будет не быть достигнутым.


(2) Частотная характеристика электроакустических устройств: электроакустические устройства включают звукосниматели и динамики. Путь передачи звука в пространстве между электроакустическими устройствами внутри наушников проходит через сложные процессы, такие как электроакустическое преобразование и акустическое преобразование. электрическое преобразование и диафрагма Эта система механической вибрации, состоящая из катушек и т. д., имеет свой собственный режим вибрации. Она может иметь несколько собственных частот. Частотная характеристика может показывать пики на каждой собственной частоте системы, а фазовая характеристика - в каждой. собственная частота системы.Частота падает на 90 градусов. В это время искажение формы сигнала и временная задержка появляются во временной области, а амплитудно-частотная функция не является плоской в частотной области. Следовательно, необходимы громкоговорители и микрофоны с относительно плоскими амплитудой и частотой и медленными фазовыми изменениями частоты.


(3) Конструкция полости наушников: функция структуры полости наушников заключается в основном в устранении акустических коротких замыканий, подавлении акустического резонанса, расширении диапазона частотной характеристики и уменьшении искажений. В то же время это также связано с материалом полости уха. • Чем выше плотность, тем лучше звуковое воздействие на полость. Чем ниже вибрация, тем меньше помехи, чем толще материал, тем лучше эффект воспроизведения звука и тем лучше эффект низких частот. Поэтому необходимо комплексно учитывать при оформлении полости уха, чтобы добиться желаемого эффекта.


подводить итоги


Таким образом, система наушников с активным шумоподавлением обычно состоит из микрофона, вторичного источника звука, структурных компонентов полости уха и схемы шумоподавления.Каждая из вышеперечисленных частей оказывает большее влияние на окончательные характеристики активного шумоподавления наушников. При проектировании следует уделять внимание.