本文由音频技术和市场从业者、 业余音乐创作人余彤雪授权我爱音频网整理发布,仅供交流分享:

支持主动抗噪功能的蓝牙耳机,对于专业耳机品牌来说是一个很重要的品类。

不过自苹果AirPods和AirPods Pro发布以来,包括手机厂商、较小的音响品牌,甚至是创科众筹所推出的新创品牌纷纷加入到了真无线耳机市场,鱼龙混杂。

主动降噪功能与TWS真无线耳机的结合,对于消费者来说可以提高使用体验。不过当前市面上的这类产品,在声音表现和降噪素质上都达到一定水平的,往往售价偏高,让一部分消费者望而却步,头戴式主动降噪耳机的价格更是如此。

为此,许多知名芯片供应商及声学方案设计公司都不断研究和开发主动降噪方案,希望以高素质和低价格为目标,为品牌商提供ODM贴牌产品,让消费者使用到更具性价比的降噪耳机,其目标也是要渗入TWS这一庞大的市场。

在主动降噪产品的开发和评估方面,有一些概念和建议可以在此与我爱音频网的粉丝们交流、分享一下。

一、主动降噪功能的原理

首先来简单理解主动降噪的原理,主要由麦克风(拾音器)收集噪音进入电子线路和芯片作处理,,输出对应反相的讯号到喇叭,从而抵消了原有的噪音讯号了。虽然原理上好像很简单, 但涉及考虑的因素非常多。

笔者一向都参与各款音频产品设计的音色调试和效果评估,一般主动降噪音耳机的开发都必须分为两个专业范畴去考虑,互相配合才能打造出卓越的主动降噪耳机,这两个范畴分别是电子方面(主动部分)和声学方面(被动部分)。

靠电子元件的性能、芯片和线路的质素和能力能够达到卓越的耳机效果,但没有声学或结构上的好好配合,同样无法完成一款好的耳机产品,所以厂商必须清楚地了解电和声方面的知识或有专业的合作伙伴,才能事半功倍。

二、主动降噪 降的是什么?

电子部分主导的所谓主动降噪主要是负责低频率范围的噪音,一般由几十Hz到1KHz至2KHz,而大部分2KHz 之上的噪音,基本上是靠被动降噪,即结构上的考虑。所以想要有效果好且平衡的降噪感受,电和声方面的配合也是非常关键。如果耳机的硬件结构不完善,例如隔音太强,造成主动效果相对感觉变弱;又或者是隔音太差,造成漏音现象,影响了主动式的作用,最终必然影响整体降噪效果。

在结构设计上,左右两边设计的平衡度也很重要,如密度、重量、线材和线长都必须尽可能左右一致。否则便会难以调节,造成左右表现有所差异,那便绝对称不上优质,而且也增加了生产的难度。

三、被动降噪 能做什么?

在“声”方面(被动腔体部分), 就是包括单元和腔体部分,也是存在不少学问,简单来说,就上面提到,主动降噪主要是消除中低频的噪音,所以单元和腔体配合下必须能够有足够能力输出低频讯号,用以抵消低频的噪音。这样也能协助”电” 方面(主动部分) 不需花太多功夫为推动低频输出,故意调到增益太大甚至需要额外驱动芯片。

顺带一提,懂声学的人也知道,单元本身有好的低频表现也并不等于整合腔体后也必然有好的低频表现,这也是需要声学调节的。

四、频响曲线如何调节?

频响曲线方面,最好以整个腔体的曲线为参考,一般建议是从低频几十Hz到2Khz左右也尽量保持平均和平坦,这样才令”电” 方面可以更好控制和更有效地设定有关的滤波。如果频响曲线起伏太多或太大,就可能难以实现最佳降噪的强度和宽度,又或者要非常复杂的滤波去配合,这样很大机会影响音质表现。尤其所谓的“反声”往往是曲线起伏太大,导致滤波调节程度未能完全跟随所造成,令某些频率的噪音讯号反而会变得明显突出。这都是工程们不愿意看到的。

当然耳机本身的频响曲线和声音表现有极大的关系,开发者在满足客户对音色的喜好之余也要在降噪效果上取得平衡,否则声音太好而降噪表现逊色,又或者降噪出色而欠奉好的音色,那便未免太可惜了。

另一做法是让被动腔体曲线保持平均和平坦,音色平均,但在开启主动降噪时,以均衡器作频响曲线的调节去达到客户所要求的声音音色,也是一种方法。

以往主动降噪音功能有一个大问题,就是开关降噪功能时的声音音色表现的选择和差异。有些商家希望能在被动和主动模式时的音色也能保持一致,有些商家希望主动式时音色更好,或低音更强劲。早期很多用分离器件的主动降噪方案,因为驱动力的问题,往往在主动模式时,声音的中低频也被抵消掉,导致主动模式时的声音反而差了。所以开发者必须注意这点,但随着开发商的经验和芯片方案的驱动能力和灵活性,低频补偿都已经不是一个大问题了。

五、降噪曲线如何看?

评估一台主动降噪音耳机的表现,不外乎测量一下其降噪的曲线,一般具备专用的人工耳和相关软件便可(如B&K、GRAS、“吉高”等),主要测量三条曲线,如下图。

一是环境噪音曲线(绿​​色),二是被动降噪曲线(紫色)和被动加主动降噪曲线(蓝色)。我们通常从曲线下降幅度的多少去评估耳机降噪的表现,如被动的隔音有多好,开启主动降噪后的衰减程度等等。以被动和主动的对应数值相减便能反映出主动降噪所做到的衰减程度,前面提到了,主动降噪的有效范围主要都是由几十Hz至1KHz、2KHz左右,而被动降噪则一般于1KHz之后的高频段。

如上图展示的耳机降噪曲线图,在100Hz可达最高25dB的衰减,范围由几十Hz一直伸延至接近2KHz,幅度比较平均。

一般较为优质的主动降噪耳机都能消减达20dB 以上的噪音,当然衰减数值越大、代表降噪能力越大。但大家也不要单单只参考数值,因为实际的降噪能力和听觉感受才最真实。有不少开发商只追求最高的dB数值,23dB不够、调至25dB,25dB也不够, 追求30dB甚至以上,这样做往往忽略了降噪范围和平均性。

以听觉感受的经验来说,若主动降噪衰减dB值达22dB或之上,再大的dB值,对听觉感受之影响已经不会很明显,反而降噪范围的宽度会更加影响实际感受。如降噪范围能伸延至1KHz和只是伸延至800Hz 的分别会很明显。

六、影响主动降噪的因素还有哪些?

降噪宽度和强度除了与电子部分调节有关外,跟被动腔体曲线也有很大的关系。如果曲线能保持平均和平坦至更高的频段,很大程度可让主动降噪延伸得更宽,所以降噪的强度和宽度应该取得一个恰到好处的平衡,才能让降噪能力发挥到最好。

当一台优质的主动降噪耳机完成设计,接下来的必经阶段当然就是生产部分。主动降噪耳机和一般耳机不同之处是,它会配备两个甚至更多的麦克风用作收集噪音, 所以收集噪音的麦克风必须优质而且有一致的灵敏度,才不会让不同的耳机、甚至同一部耳机的左右效果有所差别。

而且麦克风的灵敏度也不能太低,一般最好能控制在±1dB或以内,否则不同样机的效果可能也是参差不齐的。当然有些数字方案可能配备自动校准功能,但这也需要生产设备的配合。此外,主动降噪耳机在喇叭单元等其它硬件组装方面也必须保持程度的一致性,才能减少降噪效果的差异,让生产过程更为顺利、简单。

我爱音频网总结

总而言之,研发一款优质的主动降噪音耳机并非易事, 必须在各方面有完善的准备,专业的电学、声学相配合。

在此提供几个市场上应用较多的主动降噪方案仅供参考,数字式方案如TI德州仪器的TMS320x系列,ADI亚德诺半导体的ADAU1777,YAHAMA的YMU831,BES的3101系列。模拟式方案主要是AMS的AS3415/3435、 AS3418 (小耳机应用) 和较新的AS3460等。

数字和模拟的方案各有其优劣,一般数字方案有较高的功能灵活性但可能价格上不及模拟,功耗方面也会稍逊;模拟方案开发时间短、音色影响少,功耗较低。

最后, 希望这篇简单的分享能帮助大家更好地了解和开发主动降噪功能,让更多优质的降噪TWS耳机早日出现在市场上。