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主动降噪技术揭秘 专访亚德诺半导体何源

学过初中物理的人都知道,声音具有波动性。因此想要将声音消除,只需要给它加上一个能量相反的声波把它抵消掉即可。而对于这个不能再简单的概念来说,却没有任何一款主动降噪耳机能够做到将所有声音都消除。目前,市面上的优秀主动降噪耳机产品屈指可数,比如众所周知的BOSE的系列主动降噪耳机、被誉为降噪圈新秀的1MORE高清降噪圈铁蓝牙耳机Pro版,它们都采用了Analog Devices(亚德诺半导体,以下简称ADI)公司的主动降噪解决方案。最近,我们邀请到了ADI中国区的客户经理—何源,他将为我们讲解关于主动降噪技术的当前境况与未来发展。

ADI中国区的客户经理—何源

何源先生毕业于北京理工大学电路与系统专业,长期从事音频、传感器、可穿戴、智能硬件等消费类电子产品的设计与业务推广工作。

接下来我们进入正题。我们知道,最早BOSE做主动降噪耳机是采用的模拟电路搭建的,而再后来,数字系统的主动降噪技术完整的替代了其存在,其意义是什么呢?

数字与模拟的降噪原理是差不多的,但使用模拟电路的元器件来搭建的主动降噪系统不仅本身存在损耗,而且受到温湿度的影响很大,会导致其本身的容差和误差会很大。相对来说,数字化的主动降噪系统可以自适应的去调整,精细度和可控性更高。

具体来说,当前的数字式主动降噪也可以分为两种,第一种是前馈式降噪:前馈式降噪简单来说就是在耳朵边上放一个麦克风去监听噪声,然后在此基础上对耳机内来一个噪声反向抵消。这种降噪模式有一个问题,仅靠一个单独麦克风,很难降到纯粹干净的程度。所以现在大家都在关注有更极致降噪潜力的另一种降噪架构技术:混合降噪,ADI是首批开发数字混合降噪的公司之一。混合降噪会在耳朵旁边再加一个麦克风来监听耳机内的噪声,然后通过监测残留噪声、从而实现反馈端更深层的降噪。这是两个循环,我们称之为Hybrid,目前1MORE高清降噪圈铁蓝牙耳机Pro版就是使用的这种方案。

ANC(主动降噪)芯片通过内置麦克风同时监听外部源产生的噪声和耳机扬声器播放的声音。

主动降噪系统内部主要分为ADC(模数转换)、DSP(数字信号处理)、DAC(数模转换),在理论上来说,这些信号的处理过程肯定是需要一定延迟的。那么这些声波为什么就能噪声反相位对齐?是否会出现叠加的情况呢?

声波的速度340米/秒,在降噪麦克风与耳机单元的距离,如此短的情况下,意味着整个主动降噪过程需要在极短时间内完成。在这方面,ADI已经可以将从ADC到DAC的整个链路上的延迟做到在5微秒内完成,可以说是非常厉害了,更低的延时,代表着芯片有足够的时间和空间去雕刻完美画像让降噪实现更高的精细化。

在噪声信号的效果问题上,何源先生表示:主动降噪的概念与放音不同的是,有的耳机频响曲线看起来非常漂亮,但降噪效果一般般;有的耳机曲线看起来一般,但降噪却能让人一秒沉入海底,这是两个概念。通常来讲,ADI会用尽量客观的量化曲线,通过人耳模型的预测机制去做一套自己的评判体系,该体系几乎可以跟人的听感区域挂钩了,这里面会许多数学模型。这些判据最终会综合映射出来一个科学、合理的设计指标,ADI内部在这方面拥有一套完善的降噪能力评估机制。

在噪声信号的相位对齐问题上,主动降噪耳机在设计时会测量耳机和人耳耦合的部分,确保内部尺寸与噪声通过时的相位完全匹配的。理论上来讲,如果测出来没有任何误差,在此基础上加入相位完全反转的信号,便可实现降噪。

对于当前市面上的主动降噪耳机来说,似乎还没有一款真正能够把噪声都完美消掉的耳机产品。对于ADI来说,5微秒的速度应该足以做到更强大的性能,这是怎么回事呢?

在延时上,5微秒的延迟是ADI能够做到的水平,但不代表真实应用中都需要这么设计。原因有很多:比如、功耗、降噪性能、耳机振膜的特性,开发者必须要在续航、声结构和ANC的性能间选一个平衡点。但不可否认的是,更低的延迟,让设计者更从容的匹配千千万万的耳朵(也带来了更大的施展空间和产品差异化的可能性)。

其实对于很多用户来说,BOSE耳机虽然一直都是高性能消噪的代表性品牌,但它也会带来一些负面的体验,比如在打开降噪模式后会出现一种窒息感,无法呼吸并且还会有些头晕,这是什么造成的呢?

如果你在使用降噪耳机的时候出现了这种问题,不用担心,这反而能说明你是个”金耳朵”。降噪耳机带来的这种类似“负压感”主要源于耳机降噪深度太深,从心理声学上产生的不适感。在日常生活中,有很多让我们感觉很安静的环境,比如夜深人静没有人的家里。听不到并不代表没有,其实这种时候还是会有很多不同频率噪声会出现,只是我们人耳屏蔽掉一部分,比如可能很多人一辈子没有听过24dB以下的声源。对于“金耳朵”而言,当你把20赫兹以上的信息全盖掉以后,15赫兹、10赫兹的信息出来了,这个东西你本来是没有认知的,因此你就感觉没有安全感,负压感就是这么来的。没有安全感、想吐,这恰恰从某种程度上也说明了BOSE了的降噪降得太深了。不过,现在的耳机厂家考虑到了ANC的舒适性问题,大多数设计了降噪深度可选的功能。

参考BOSE降噪耳机、1MORE全新的PRO版颈挂式降噪耳机,两家同样是采用ADI的主动降噪方案,但在实际体验效果上来说,后者并不会出现负压感,但其降噪深度和前者也似乎差不多,这是怎么做到的呢?

其实对于1MORE也好,或者其他品牌也好,通常会有专门做音频的工程师或者调音师。这些调音师的作用是在参数达标的情况下,怎么像PS一样把这个产品加点佐料,让大众更喜欢,这是他们做的事。他们可以在我们的基础上自由发挥,不同的品牌带来不一样的体验是很正常的。比如1MORE的PRO版颈挂式降噪耳机采用的ADAU1787降噪芯片其实可以提供适用于许多音频和语音应用的可靠数字信号处理解决方案,包括语音增强、降噪、回声消除、电平控制、声音反馈抑制、麦克风阵列和有源噪声/振动控制,这些都可以让客户为耳机创建一些非常酷的特性和卖点。

ADAU1787简化功能框图

有没有一种方式,类似CPU睿频,让用户可以牺牲续航,在短时间内获得极致的性能呢?

这里面坦白来说,,其实这种猜想是可以实现的,但这个主要还是看厂家愿不愿意去做这个东西。但其实对于ADI这种分离的方案来说,它与耳机的处理器是分开的,因此它的好处就是功耗也能分开来算:当开启主动降噪不听歌或者听歌不开主动降噪的时候,ANC相关部分组件就会全部休眠。但如果不是分离方案,蓝牙芯片自己搭载降噪的话其续航通常就会下降,因为它没法休眠一部分,这就是ADI降噪方案有很大优势的一个地方。

在这里,其实ADI芯片里还藏有一些细节的东西,它可以为用户提供更好的安全性。比如在自动控制领域有一个叫做PID比例积分微分控制逻辑,它的作用是可以根据信号去预测后面信号的走向,它可以通过预测来避免开关车门时耳机会“崩”的一声巨响,实现保护系统的安全性,以及更好的去保护用户的听力。同时,ADI将其Sigma Studio可配置软件集成到系统解决方案中,该工具的优点在于它允许拖放模块来生成代码,因此非汇编语言程序员也可以轻松上手该软件。对于不懂编程但精通声学的客户群体来说,他们也可以使用该软件轻松完成任务。

从现在来看,ADI的主动降噪方案已经开放了足够大的平台给厂商们自由发挥。未来ADI对于主动降噪方案发展的整体大方向是什么呢?是追求更大的平台,还是说以当前的方案为基础一直进行改良?

对于未来方向来说,ADI大概有两个:一个是为了让更多的人享受到科技的乐趣,ADI会将其做的更轻量化、低功耗,成本更低,将中低端的产品也能覆盖进去;另外一个方向是会追求极致的性能,ADI未来可能会加入一些更智能化的东西,比如佩戴检测、自适应、自学习,甚至会加入人工智能相关的东西在里面,例如你带着耳机走到不同的环境,耳机会感知到场景的改变,调整最佳的降噪模式通过这两个方向,未来ADI可以完整的覆盖整个市场。

在定价上,1MORE全新的PRO版颈挂式降噪耳机只卖到899,并不过千。相较于一直以来的价格与性能成正比主动降噪耳机行业来说,这款ADI inside的产品就显得十分亮眼了。在价格方面,ADI方面的芯片难道在成本控制上有了新的进展?

任何一个技术只要进入消费领域都会有一个被改变的过程,主动降噪技术也不例外。但是这里的差异化怎么体现?比如调校、方案细节的把控。这个过程至少需要两年的时间才会出来。在这其中,ADI扮演的角色是主动降噪耳机市场先行者,几乎是第一梯队里最早考虑的人,因此ADI能够看到各种各样风景的厂商。如果通过ADI的努力,把整个系统门槛降低了,甚至耳机厂商,拿到芯片直接插上就可以用了。这也是ADI当前的一个方向,里面基于大量的设计和应用经验,并非空口而谈。

目前来说,使用ADI降噪方案的客户都有哪些呢?几年内是否还会有全的ADI inside主动降噪耳机出现?

其实大家耳熟能详的很多品牌都有用到ADI的方案,透露一下今年下半年和明年上半年大概会有不少ADI inside的主动降噪耳机产品出现在大众的视野。

可扫描下方二维码,关注“ADI智库”公众号,获取更多ADI数字主动降噪耳机解决方案详解、成功应用案例分享以及第三方资源介绍。

关于ADI公司:

ADI公司是集成电路(IC)设计、制造和营销方面世界领先的企业,产品涉及几乎所有类型的电子电器设备。 自1965年成立以来,ADI一直专注于积极应对电子设备中信号处理的相关挑战。公司总部位于美国马萨诸塞州诺伍德市,在全球20多个国家和地区设有分支机构,员工超过15,000人,应用在感知、测量和连接方面的先进半导体技术, 帮助客户搭建连接现实世界和数字世界的智能化桥梁,服务全球12万5千余家客户,拥有45家设计中心,以及4,700余项专利。其中消费电子业务约占ADI全年营收的13%,ADI为消费电子产品生产商与设计者提供了丰富混合信号半导体产品与技术,为终端消费者带来自然与沉浸式的消费电子体验。

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