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浅谈有源抗噪原理与有源抗噪耳机
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有源抗噪是一种电子新技术,它是采用----反相信号来消除噪声声能,通过噪声的镜像抵制原始噪声并使之不进入人耳。关于电子抗噪的文章最早发表在25年前的AES杂志。那时研究人员采用电子抗噪技术来消除传统的窗式空调器的噪声，用了很多电路，花费不菲。尽管最终是有所收获，但其结果最多也只不过是实验室里的“宠物”而已。如今，有了功率大得多，价格也便宜得多的数字符信号处理芯片，它们可用于处理相应的抗噪信号。
2 L% v. p0 B& x/ N$ ~严格地说，将有源抗噪看成是使噪声得到衰减则更为恰当，因为抗噪信号不可能完全消除噪声。有源抗噪是电子产品研制中一个值得深入探讨的课题，越来越引起世人的重视。当初，电子科技工作者主要是采用诸如无源静噪器之类的宽带宽抗噪技术来抗噪。通称为无源抗噪，无源抗噪的方法包括在声管中附加吸声材料的和改变汽车消声器障板及声管的声学阻抗。但是，用无源抗噪的方法要使空调器在低频衰减10dB噪声是非常困难的，它需要许多非常严密的措施以使风扇对整个系统扇风，当风扇的负荷加大时，风扇的噪声也就越大。因此，无源抗噪难于达到预期的目的。相比之下，有源抗噪是较可取的一种抗噪方法。比如说，电影院和工厂都有空调设备，频率在250Hz时，稳定共振高于环境噪声级10dB，有源抗噪可以衰减那种峰值信号，明显地改善噪声频谱------噪声更为均匀地散布在所有频率之中。: ^2 _ w) `" x5 r! @
1989年．Digusonr公司研制出一种以DSP为基础的电子抗噪处理器，主要用于降低空调管，烟管，燃烧管等管子的噪声，有人试图将这种处理器用于解决室内声学问题，如录音室之间的混响过渡，声泄以及其它声学问题。
% o. ~' F% e0 k- z9 g/ e然而，由于诸多原因，使得有源抗噪这种技术难以实现。首先，处理器并不是恰好在实时时间里工作，噪声出现和重复的时间至少应持续零点几秒才能使处理器防止误触发。处理器需要一反馈时间以扩大噪声信号，如果处理器发生误触发，便会产生一种寄生信号，这种信号可能比现行环境噪声更具破坏性。其次，令人更为棘手的是相位的声学问题。空调管的横切面不算宽，抗噪信号的相位要很准确，才能对500Hz甚至更高频率有好处。对更为宽的带宽来说，空调管可分成多个横切面，但在一般情况下意义不大，因为中频抗噪不必花很大的成本，但要进行电子抗噪就很复杂。
+ {, i; m" w6 @( v& ?4 `" X, _ 用消声器抗噪最难的是低频抗噪。因为无源抗噪会阻碍空调管，增加空调管的驱动负载，电子抗噪则更为真接，并能保持负载效力；混合抗噪------对低频进行有源抗噪，对中频进行无源抗噪，是比较理想的抗噪方法。3 s- e: { W5 H3 I1 l
还有一种可以实现的抗噪方法是采用Pewback扬声器抗噪，这种扬声器不带功率放大器，但可降低甚至消除低频噪声，比如空调噪声和低频混响噪声等。因为低于150Hz的低频混响声的衰减时间很长而且变化非常之慢，所以，采用Pewback电子混响抗噪能起到一定的作用。具体做法是：将扬声器安装在座位背后，角度对准特定座位的聆听者，扬声器与耳朵的距离必须小于6英寸。这样做至少可以降低在数百赫兹频率范围里的噪声。
1 W. i" e# \1 `# x 根据有源抗噪的原理，BOSE公司和Sennheiser公司先后研制出抗噪声耳机。专家们指出：在耳机中采用有源抗噪技术是最为现实的。
- G) F4 l' e- m, X9 l 在耳机扬声器与你的鼓膜之间放置一个小话筒（传声器），拾取环境噪声，并将其输入到不断产生对抗噪声的电子电路之中，然后又将这种环境噪声输送给耳机扬声器，如果一切都正常，不仅可使环境噪声降低10dB，而且在不掩盖环境低频噪声的情况下，还可使语言信号和音乐信号听起来更为清晰，消费类耳机和专业耳机均可在各种环境下使用。( K3 z6 b* J. y6 Z/ _
第一副有源抗噪声耳机是美国BOSE公司专门为军航飞行员研制的，后来，德国Sennheiser公司又曾为满足民航飞行员的需求而研制过有源抗噪声耳机。在大型喷气式飞机中，飞行员驾驶舱的噪声级比乘客舱的噪声级高得多，飞行员有过几年飞行经历之后往往会出现听力损失的职业病，其表现是飞行员在噪声环境中不能听清无线电台的播音内容。采用有源抗噪的方法，风的噪声干扰可降低10dB以上。因此，耳机中的语言通信电平可被降低，从而提高收听效果。
! C" t& S3 H. } 如今，已有四种专业用有源抗噪声耳机问世。其制造商是Bose公司,Sennheiser公司,Telex公司和NCT公司。这四种耳机都是采用封闭式耳套以阻挡外部声音来降低噪声(除最低频噪声之外,其它噪声均可降低),采用有源抗噪方法来降低最低频率范围的环境噪声。
) O5 T. l& u3 d/ w/ {- f 耳机的耳套是开放式好还是封闭式好呢?应该说和有千秋。耳套为开放式的耳机,佩戴舒适,耳套为封闭式的耳机,即可进行无源抗噪,尤其是在中频和中频以上的频率范围内,也可对延续性声音进行很好的低频降噪。在声能超过100Hz的高噪声环境下,一定得使用封闭式耳套耳机。) v6 L7 N4 o: P' S# w1 c
大多数专业用抗噪声耳机都带有可长时间工作的控制器,电池组和充电电池。就耳机本身来说,专业用耳机要比消费类耳机更为坚固,重量也更重。所有专业用耳机都有固定的话筒或可活动的话筒。
) c. a. w) t0 C) P& K+ V Z Base公司的抗噪声耳机,第一眼看上去又大又笨重,但戴起来却非常的舒适。性能极好,尽管电池组是个负担,必须随身带着,但佩戴几个小时都不便人嫌累,在高噪声环境下采用这种耳机进行内联通信是极为可取的。这种耳机有个缺点:耳套和有源抗噪的总噪声衰减似乎很不自然,给人的第一印象是好象走进了消声室一样。; Y4 K. D# j1 u% ~
Telex公司生产的民航抗噪声耳机,具有良好的工作性能,但也是太笨重,不便于携带,其电路还产生嘶嘶声,尽管声音很低,但于由耳罩的无源衰减量较高,这种嘶嘶声还是能听见。这种耳机适应作内联通信,今年Telex公司又推出了重量更轻的抗噪声耳机。
2 K- E1 ]4 k5 W4 h* K7 t% p" W9 K Sennheiser公司生产的抗噪声耳机,其抗噪性能和工作性能都不错,耳机也很坚固,适应于高噪声环境下使用。) r9 Z1 T2 F# x" ] _0 |; @
NCT公司起初是生产Noisebuster消费类耳机,最近又推出了Proactive2000/3000系列工业用抗噪声耳机,有十种型号,有的带有能自由移动的传声器,有的带有安全帽,2000系列耳机为封闭式,重量轻,适应于在中等噪声环境下使用,3000系列耳机适应于高噪声环境下使用,2000/3000系列工业用耳机的电池组很轻,还带信号处理器,能长时间工作。7 d5 j6 l9 S- [
有源抗噪技术可用于降低持续性声音的噪声,比如象以恒速运动的喷气式发动机,柴油机,风扇等噪声和其它反复性声波。而音乐信号由于变化太快，只能通过封闭式耳机进行降噪，而不能通过电子电路降噪，一般的封闭式耳机，会给人一种耳朵发闷，耳道发热的感觉，佩戴久了很不舒服。专业用封闭式耳机，尤其是那些专门在音乐厅工作的乐师的耳塞，而带有小小的导声孔，导声孔可通过整个音频范围的信号，并将信号得到均匀的衰减，否则，过分低的低音将分布不均匀，而中频和高频的信号则会逐渐阻塞。
# q. Y( a# k# }! C5 T/ p 如果外部噪声很大或很深沉的话，所有开放式消费类耳机都会过驱动，比如，意大利Koss公司生产的耳机就特别不适应在飞机起飞和着陆时使用，因为耳机组件会随着起落抖动，使佩戴者感到很不舒服。
& \1 s; J% X) _9 a7 @. T 所有的耳机都或多或少会给人一种压迫感，这也许是由于扬声器组件不在其线性范围里工作所致，而且在高声级极低频的条件中压迫感最为明显。但昂贵的航空用耳机，在那种条件下给人的压迫感则没有那么明显，而消费类耳机，长时间使用之后，会给人一种难以忍受的压迫感，这是一个有待解决的实际问题。1 J _$ d& F5 J! b7 G1 C7 u
顺便要提及的是耳机的价格问题，仅仅几前年，专业用有源抗噪声头戴耳机的售价为1000美元，NCT公司的消费类耳机也在300~500美元之间，但现在有竞争性的名牌消费类耳机却大大低于200美元。
( ~8 D; ~5 `% f 有源抗操技术运用到耳机中仅是这种技术的开端，尽管有源抗噪的成本比传统消声器的成本高5倍左右，但在某些特定的条件下，这也许不是很重要的。因为用于作有源抗噪的扬声器不会阻挡发动机排气，这就可节约大致5%的燃料费用。如果能设计出有源抗噪消声器，其有源抗噪所增加的成本则远比传统的消声器小很多，更不用说车辆工作期间所节约的能耗。 * i- o! H6 _4 F+ h. A. P P
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发表于 2005-9-29 19:25:00
