语音技术
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文献引用格式：费艳锋，曹祖杨，李坚维.关于主动降噪耳机的研究［J］.电声技术，2020，44（5）：38 - 40.
FEI Y F，CAO Z Y，LI J W．Research on Active Noise ReductionEarphone［J］.Audio Engineering，2020，44（5）：38 - 40.中图分类号：TN643 文献标志码：A DOI：10. 16311/j. audioe. 2020. 05. 008
关于主动降噪耳机的研究
费艳锋1，曹祖杨2，李坚维1
（1.湖南国声声学科技股份有限公司深圳研发中心，广东深圳518055；2.杭州兆华电子有限公司，浙江杭州311122）摘要：本文从主动降噪耳机技术工作者的角度介绍主动降噪耳机的原理、分类和设计流程，结合实际对几类主动降噪耳机的特性做了总结，对主动降噪耳机的技术设计方向和产品的选择做了分析，最后对主动降噪耳机技术现行运用中的两个不足之处做了详细讲解。
关键词：主动降噪；被动降噪；蓝牙耳机
Research on Active Noise Cancelation Earphone
FEI Yanfeng1, CAO Zuyang2, LI Jianwei1
(1.Hunan Voc Acoustics Technology Co., Ltd. RD Centre Shenzhen, Shenzhen 518055, China;
2.Hangzhou CRYSOUND Electronics Co., Ltd., Hangzhou 311122, China)
Abstract: This paper introduces the principle, classification and design flow of active noise-cancelling earphone from the perspective of active noise-cancelling earphone technician; Combined with practical application, the paper summarizes the characteristics of various kinds of active noise-cancelling headphones, and analyzes the technical design direction and product selection of active noise-cancelling earphones; At last, two deficiencies of active noise reduction earphone technology are explained in detail.
Key words: active noise cancellation ; passive noise cancelation ; bluetooth headset
2019年10月29日，苹果发布了第三代TWS 蓝牙耳机（AirPods Pro）。最新苹果蓝牙耳机最大卖点是具
有主动降噪功能。主动降噪功能对声学专业或耳机前沿工作者来说并不陌生，但苹果品牌有极大的号召力，因而各公司都开始积极研发主动降噪耳机。传统降噪耳机品牌如BOSE、SONY等专业耳机公司做了多年的降噪耳机，但一直都无法取得大的市场份额。而苹果降噪耳机的推出，使得降噪耳机市场开始蓬勃发展，这必引起极大的市场响应和关注，如此本人以一声学工作者的角度去分析主动降噪耳机原理和运用。
1 主动、被动降噪原理
1.1 主动降噪原理
环境噪声被降噪麦克风采集到，再通过主动降噪（Active Noise Cancellation，ANC）芯片处理后，生成一反向180°相位声波，通过耳机扬声器传播到人耳道，与噪声产生相位差180°，抵消掉人耳本应听到的环境噪声，从而达到降噪的目的。主动降噪原理示意图如图1所示，图2
为典型室内环境噪声［1］频谱。
图1 主动降噪原理图示
1.2 被动降噪
被动降噪（Passive Noise Cancellation，PNC），其原理是使用被动器件物理特性来起到降噪隔音效果，如硅胶耳帽、头戴皮套等。
完整地讲，主动降噪耳机基本上是主动降噪与被动降噪的完美结合；同时，从原理和实际运用上看，没有好的被动降噪很难做出好的主动降噪耳机。
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2 基于采集噪声咪位置的主动降噪分类
2.1 前馈式主动降噪
前馈式主动降噪（Feedforward，FF）耳机，特
点：麦克风（FF咪）对耳机外部环境噪声做噪声信
号采集，用耳机扬声器播放反相信号，用以抵消噪
声。性能特为：降噪频率宽度可以宽，但降噪深
度一般。图3为前馈式主动降噪原理示意图。
MIC FF咪
噪声
ANC芯片Dff
传递函数
音乐信号
图3 前馈式主动降噪原理示意图
图4为某主动降噪耳机前馈式主动降噪耳机曲线
2.2 反馈式主动降噪
反馈式主动降噪（Feedback ANC）耳机，特点：麦克风（FB咪）位于耳机与人耳耦合腔体内，采集耳机与人耳耦合腔体内的“声音”（此“声音”包含正常的音乐信号和环境噪声到耦合腔体内的“残留噪声”），通过降噪芯片处理，达到降噪目的。性能特：降噪频宽难做宽，但主动降噪的深度可以做深。原理示意图如图5所示。
噪声
噪声
耳机与
人耳耦合腔体
MIC FB咪
传递函数
ANC芯片
音乐信号Dff
Dfb
图5 反馈式主动降噪原理示意图
2.3 混合式主动降噪
混合式降噪（Hybrid ANC）即前馈主动降噪加后馈主动降噪（FF+FB）。特：有前馈式主动降噪（FF ANC）宽度，又有反馈式主动降噪（FB ANC）的深度。混合式主动降噪原理示意图如图6所示。
噪声
人耳
MIC FF咪
MIC FB咪
传递函数
传递
函数
ANC芯片
音乐信号
图6 混合式主动降噪原理示意图
图2 典型室内环境噪声频谱
15
10
5
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-
40
-45
-50
2030405060801002003004005006008001k2k3k4k5k6k8k10k20k
图4 某ANC耳机前馈式主动降噪耳机曲线
典型混合主动降噪调试图如图7所示（依次为（a）FF 降噪曲线、 （b）FB 降噪曲线、 （c）Hybrid 降噪曲线）
ANC Performance
20100-10-20-30-40ANC Performance
Frequency/Hz 10101010（a）FF 降噪曲线20100-10-20-30-40ANC Performance
Frequency/Hz 1010
10
10
10101010Frequency/Hz （b）FB 降噪曲线20100-10-20-30-40
ANC Performance
1010
10
10
101010
10Frequency/Hz Frequency/Hz （c）Hybrid 降噪曲线
图7 典型混合主动降噪曲线
从图7可以看出，降噪效果最有优势特的是混合式主动降噪。市面主动降噪性能优秀的主动降噪耳机大部分为混合式主动降噪耳机。
图8为某混合式主动降噪耳机降噪参数与竞品对比情况。
50-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50Frequency/Hz
20
30
50
100
200300
5001k 2k
3k
5k
10k
20k
PNC
ANC  ON airpods pro-PNC
airpods pro-ANC L e v e l ->C o m p a r e  [d B ]图8 某混合式主动降噪耳机（蓝）降噪参数与竞品（红
）对比
3 主动降噪耳机声学设计流程
3.1 声学设计
降噪方式的选择，此决定主动降噪的理论极限；声学器件的扬声器和麦克风的选型及声学结构设计（被动降噪设计应包含声学结构设计），此决定降噪的效果。3.2 声学测量
按照降噪原理做必要的声学测试步骤计算传递函数。前馈降噪和反馈降噪各有不一样的测试步骤和计算方式。
3.3 滤波器设计
选用合适的滤波器类型，设计调整滤波器参数，包含滤波器类型、滤波器增益、滤波器Q 值、滤波器运用频点。3.4 降噪性能测试
在标准测试环境中，测试空载曲线、被动降噪和主动降噪曲线，得出耳机整体降噪曲线。
以上是主要的声学设计步骤，细节上还有很多特殊的测试及注意事项。综合多家主动降噪芯片方案，各家降噪原理基本看不出特别的地方，测试步骤基本一样。
以上步骤是标准流程，可以适量简化；同时，测试的必要设备完善和测试环境良好是做好产品的必要条件。开发简化设计及测试在逐步完善，但降噪性能参数的模拟仿真已经有实例。
4 总结
主动降噪芯片技术还分模拟与数字。模拟主动降噪芯片技术出现较早，但模拟可控性差，前景一般；现在已经完全进入数字时代，基本都是使用数字ANC 降噪技术。以上所提到的产品，只是做原理解释的示例，并不能证明产品本身之优劣。很多主动降噪芯片的降噪功能还有环境音监听/通透模式（Passthrough），简单看是前馈降噪的反向运用，不过在设计运用中还要注意声音的还原度，同时要避免不必要的增益啸叫。AirPods Pro 也有此功能，好的降噪耳机产品都应该有此功能，此功能可以让
降噪耳机佩戴者在不摘下耳机的条件下自然地听到环境声，保障安全，也可以在聊天时不摘下耳机，清晰的与对方自由聊天。
主动降噪耳机技术运用中目前还有两大不足：一是数据不“靠谱”。究其原因是测试和设计差异，即降噪数据看似合理，实际降噪效果不好。不过，对于已熟练掌握主动降噪技术的团队来说，该问题已经不存在。
二是主动降噪功能会破坏耳机音质，即开主动降噪和不开主动降噪会导致耳机音质差异大，究其原因是主动降噪算法设计不到位。如果降噪算法设计完善，此问题亦可以良好解决。
在主动降噪耳机的选择上，除考虑佩戴方式外，还可以按个人对降噪的需求如降噪深度和降噪
（下转第46页）
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headset责任编辑：葛存
收稿日期：2020 - 04 - 12
舒服体验度进行选择。在实际降噪设计中，降噪深度和降噪舒服体验度是两个很难兼顾的问题，笔者认为此是降噪设计的两种风格。一款优秀的降噪耳机除有优秀的降噪性能外，还应具备以下特质：一是不对音质产生过多破坏，即不因开与不开主动降噪而造成较大音质差异；二是耳机不能带有底噪、风噪、电流声等异常音。兼具以上两点的好产品并不多，如某B 品牌虽然降噪优异，但风噪明显，同时在静电干扰时，杂音严重影响主动降噪的使用。整体来说，主动降噪耳机声学设计需考虑的问题比其他耳机多许多。对于主动降噪耳机来说，并非越贵越好，也并非便宜就差（当然，从现在的市场产品
看：便宜的主动降噪耳机效果一般不会很好）。
6 结语
由于苹果产品的号召力，主动降噪声学技术必
然兴起。本文只是个人关于主动降噪耳机的部分研究，希望能够促使主动降噪耳机技术得到更广泛的运用，带给耳机消费者更好的实用体验。
参考文献：
［1］ 杜功焕，朱哲民，龚秀芬．声学基础［M ］．南京：南京大学
出版社，2001．责任编辑：郭芳园
收稿日期：
2020 - 04 - 17
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