详解主动降噪技术如何在更多场景全面消除噪声

人类与噪音的斗争史可以追溯到原始社会了，打雷时吓得捂住耳朵算是人类最早的降噪手段了。 时至今日，传统降噪方式衍生出了很多相关产品，例如耳塞、隔音棉、隔音板等，均是基于隔音材料阻隔吸收，无法从根本上解决噪声。 随着电子技术的发展，以在模拟信号、混合信号和数字信号处理设计领域领先企业ADI为典型的半导体厂商们纷纷推出各自的主动降噪技术解决方案，使之逐渐在近些年获得兴起。

噪音是什么?科学上的解释是“频率、强弱变化无规律、杂乱无章的声波”。过强的噪音不仅仅会对听力造成损伤，更有研究认为长时间处在嘈杂的环境中会增加患心脏病和中风的风险，同时伴随着低血糖、睡眠障碍等健康问题。

从个人角度讲，噪音可以是妨碍休息、学习、工作的，或者仅仅是影响了听音乐的，一切不该有的声音。人们很早就发现，堵塞住外耳道能有效降低噪音。传说苏格兰渔民为了不被海上女妖的歌声所迷惑，发明了最早的耳塞—用蜡做成，优点是相对柔软、容易定型，后来又逐渐有了棉花、海绵、泡沫塑料、硅胶等多种材料的耳塞。它们的共同特点是“堵”，这是一种典型的被动降噪方式。对大多数耳机厂商来说，一个设计良好的硅胶耳塞套，或者厚实的外耳罩就可以实现一定程度的降噪。

然而仅有这些显然不够。所有声音都是有一定频率，对于容易衰减的高频噪音，这种物理阻隔的方法比较有效，对付低频噪音就不行了。但声波还有另一个特性，声音的传播是通过介质的振动来实现，波与波之间如果呈反相，理论上就会实现抵消，声学中成为“相消干涉”。通过发出相反声波的方式来中和噪音，就称为主动降噪。

想要产生用于抵消噪声的声波，首先要得到噪声的信息才可以。主动降噪耳机的设计思路就是通过反馈麦克风采集环境中的噪声信号，经过处理器计算，最后通过扬声器发出一个完全相反的声波，这就是抗噪信号。由于抵消音必须与噪声同时抵达人耳，所以需要处理器拥有强大的计算能力，可以根据噪声进行预测，并产生相应的抵消声波。

主动降噪耳机的起源可以追溯到20世纪80年代，最初是为飞行员设计的，以便让他们在长时间的飞行中保持专注和舒适。最初成本和价格都很高，所以主要应用于航空、军事等特殊领域，直到2000年之后才开始慢慢应用于民用产品。

很多人对耳机会有一种不该有的误解，那就是听多了耳机会损害听力。事实上，真正影响用户听力的是聆听音乐的过程中，设置了过高的音量。试想一下，如果你想在嘈杂的公交、地铁车厢上听音乐，耳机的隔音又不是很好的时候，为了听清楚内容可以怎么办?当然是调高音量。这种情况下主动降噪耳机反而能有效保护听力，因为相比于被动降噪，主动降噪的确能产生更好的效果，尤其是比较有规律性的环境噪音，比如在乘坐飞机、地铁等交通工具时，各位根本不用调大音量就能听清楚，长时间也不会觉得累。

也有人会担心，如果降噪效果太好，有人跟我讲话都听不见怎么办?有厂商针对这一点，在降噪耳机里加入了“环境音”功能，具体来说就是利用耳机上的麦克风收音再在耳机里实时回放，让你戴着耳机也能听清对方在说什么。

除了为了音乐而生的降噪耳机，主动降噪技术的应用领域其实非常广泛。细心的人也许会发现，大部分智能手机在背面设有一个麦克风，这种设计并不是多余的，其实它就是专门用于降噪，通过这样的主动降噪技术给用户创造更清晰、流畅的通话效果。另外，绝大多数中高端轿车内也采用了主动降噪技术来降低公路上巨大的噪音。

主动降噪技术在降噪耳机中的应用

主动降噪ANC(Active Noise CancellaTIon)是通过侦听背景噪声，利用芯片与算法模型计算噪声声波并生成反相声波，利用声波叠加抵消原理达到降噪效果。所以，如何在不同的噪音传递到耳朵之前就能清楚辨别，然后释放出对应的声波进行抵消，这就是这项技术的关键。

从抵消噪声的实现方式来看，主动降噪技术又可分为两种：第一种是由模拟电路来实现主动降噪，第二种是用数字电路来实现主动降噪，这两种降噪方式各有优劣。模拟主动降噪的电路需要运放、电阻和电容等大量元器件，所以PCB占用空间比较大，而数字主动降噪电路用到数字IC，所以占用空间小。但模拟主动降噪基本无延迟，数字电路在DSP上会产生一定延迟。再来看看降噪效果的可调性，模拟ANC的调节非常有限，只能通过调节增益/音量来改变降噪效果;而数字ANC的灵活性比较大，不仅可以调节增益，还可以调节EQ，降噪算法等，哪怕是已经出厂的耳机未来也可以通过更新固件来优化降噪效果。因此，数字主动降噪有助于无线音频工程师满足消费者全方位的需求，包括卓越的音质、噪声消除和抑制功能、及强大的电池续航能力，同时由于其更优的降噪效果与更低成本，正逐渐占据市场主流。

基于数字主动降噪技术，ADI推出了一系列的专用ANC SoC芯片，比如ADAU1777 ANC Audio SoC是一款具有四个输入和两个输出的编解码器，内置数字处理器，可执行滤波、电平控制、信号电平监控和混合。从模拟输入至DSP内核再到模拟输出的路径经过优化，实现了低延迟，非常适用于降噪耳机。消费市场上就已有不少知名的主动降噪耳机采用ADI的DSP技术，例如降噪耳机发明者Bose公司便基于ADAU 1777设计出了Bose QC系列降噪耳机，成为行业的标竿。

而功能升级版的ADI ADAU1787的主动降噪方案，整合了两个数字信号处理器 (DSP)——有着高达768kHz的采样速率的可编程FastDSP音频处理器，支持双二阶滤波器、限制器、音量控制、混频;可使用SigmaStudio进行可视化编程，性能高达50MIPS的28位 SigmaDSP 音频处理内核。..。..从模拟输入到DSP内核再到模拟输出的路径已针对低延迟进行优化，通过加入少量无源组件，ADAU1787提供了性能卓越的耳机解决方案。

开放声场主动降噪技术探讨

如果通过作用范围不同将主动降噪技术进行分类的话，噪声源与降噪作用点单一，需要借助穿戴设备，如降噪耳机降噪，属于单点主动降噪;而作用于三维空间噪声，无需借助穿戴设备则属于开放声场主动降噪。三维空间主动降噪技术除了需要优秀的主动降噪算法功底外，更需要深厚的声学理论背景，对三维空间声场进行分析、模拟、降噪，以实现在非穿戴前提下对特定区域主动降噪，进而大大拓展应用范围，因此技术难度更大。

目前三维空间主动降噪技术应用，比较成熟的是在对汽车引擎的降噪上，但由于引擎噪音固定且低频，降噪相对易行，一般来说，车辆行驶时除了主要有来自于发动机的噪音外，还有包括胎噪、风噪以及外界环境的噪音等。现阶段汽车则是主要是通过减振、消音、隔音这几种比较传统的技术来进行降噪，更进一步的技术则是采用ANC车内主动降噪科技。需要依靠软件来驱动，然后使用车内麦克风噪音样本进行采集，经系统分析出噪音的频谱后，再由车内扬声器播放与噪音相位相反、振幅相同的声波来达到抵消噪音的目的。

近日，ADI与现代汽车公司合作推出业界首个全数字路噪降噪系统，是首个可在汽车车舱内大幅降噪的系统，利用了ADI领先的A²B音频总线技术帮助解决电子RANC(路噪主动噪声控制)系统面临的多项挑战。该RANC系统基于现有的ANC技术，并在此基础上借助A2B总线优化了功能与信号传输的速度。一般胎噪或发动机噪音0.009秒左右就能进入驾驶舱内，基于A2B可以保证延时最多2个时钟周期(50Mbps)，由于其计算和信号传输速度得到了优化，因此仅需 0.002 秒即可分析噪声并产生由数字信号处理器(DSP)产生的反向声波，这对于过去的传统总线来说是一个挑战。RANC能够通过特殊的信号与传感器位置在车辆行驶时对车内前后排产生的噪音进行精确的分析与计算，并可将车内噪音降低3dBA，这也是RANC技术的核心所在——不要小看3dBA，在声压领域，3dBA相当于将噪音减少一半。

下图是汽车座舱ADI主动降噪技术的示意图，其主动降噪控制器核心仍是音频处理DSP。ADI设想在未来的座舱中，车内不同座位都可以形成独立的声音分区，不同位置听到的音频内容也都不一样，且互相之间没有太多干扰——这样的场景也非常需要音频处理DSP。或许将来ADI音频处理的DSP芯片里也会加入传统强大的暗盒，在不一样的应用场景更好地处理相应的声音。

除了汽车座舱领域应用之外，在消费全面升级的今天，家电领域对降噪技术存在强烈需求，但是落地应用与布局仍是蓝海。作为家用市场聚焦的主阵地，例如搅拌机、吸尘器和烤面包机发出的各种噪声，让许多消费者为之烦恼，所以他们愿意花更多的钱购买具有噪音抑制功能的家用电器。在前不久的CES2020上，ADI展示了基于ADAU1452音频处理器的家用电器(咖啡机)主动降噪功能，可以实现10dB(A)噪声消减效果。此类解决方案同样可以运行于那些产生较大噪声的家用电器上，如豆浆机等，让让人不舒服的嘈杂声从家庭环境消失。

CES2020上ADI展示利用其SigmaDSP抑制家用电器噪音

本文总结

如今，在电子产品竞争日益激烈，音质体验逐渐成为产品竞争力的重要因·素，这也促使了主动降噪技术广泛应用。随着越来越多基于ADI ANC解决方案的合作伙伴产品实现多场景应用落地，相信主动降噪技术在未来将会有更巨大的想象空间。