鄧帥博 章月新 劉劍

摘要：AS3415作為一款單芯片主動(dòng)降噪方案，在消費(fèi)電子類主動(dòng)降噪耳機(jī)市場(chǎng)上有著廣泛應(yīng)用?；贏S3415模擬式前饋主動(dòng)降噪芯片，設(shè)計(jì)了一款頭戴式主動(dòng)降噪耳機(jī)，旨在探究該芯片在應(yīng)用中需解決的實(shí)際問(wèn)題。包括主動(dòng)降噪芯片的硬件結(jié)構(gòu)、降噪原理、原型機(jī)聲學(xué)性能測(cè)試步驟和反饋濾波器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與仿真。以AS3415演示板和普通頭戴式耳機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行降噪效果測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表明，在一般室內(nèi)環(huán)境中，上述降噪芯片對(duì)700 Hz以下噪聲有明顯降噪效果。

關(guān)鍵詞：AS3415；聲學(xué)測(cè)試；主動(dòng)降噪

0 引言

噪聲污染作為世界范圍內(nèi)四個(gè)主要環(huán)境問(wèn)題之一，不但干擾人的聽(tīng)覺(jué)、中斷通信，在嚴(yán)重情況下，例如飛機(jī)起降，坦克、火炮以及某些重型機(jī)械的操作，甚至?xí)?duì)人的聽(tīng)力系統(tǒng)造成永久性破壞[1]。傳統(tǒng)降噪耳機(jī)主要從結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)，選用隔音效果好的材料制作耳機(jī)。這種耳機(jī)能夠隔離800 Hz以上的噪聲，但對(duì)800 Hz以下的噪音，尤其是400 Hz以下的低頻噪音隔音效果不佳，而這部分噪音正是常見(jiàn)重噪音的主要成分[2-3]。

有源噪聲控制（active noise control，ANC）技術(shù)利用聲波干涉相消原理，通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出反噪聲與耳罩內(nèi)噪聲抵消實(shí)現(xiàn)降噪目的，可以彌補(bǔ)物理隔絕式被動(dòng)消噪耳機(jī)無(wú)法消除低頻噪音的局限[4-6]。之前主動(dòng)降噪電路大多采用DSP或分立元件的解決方案，這些方案的成本、功耗均較高，且PCB占板面積較大，限制了ANC技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用。奧地利微電子（編者注：已更名為“艾邁斯半導(dǎo)體”，英文為“ams”）公司高集成度主動(dòng)降噪解決方案的出現(xiàn)，使功耗、成本和外圍元器件數(shù)大大下降，為低成本主動(dòng)降噪耳機(jī)的批量問(wèn)世掃清了主要障礙[7]。

由于AMS公司的ANC主動(dòng)降噪芯片屬于模擬式主動(dòng)降噪方案，故需要較為嚴(yán)格的聲學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試，這一環(huán)節(jié)本身極具復(fù)雜性，需要詳細(xì)的討論說(shuō)明。雖然市場(chǎng)上多款主動(dòng)降噪耳機(jī)采用AMS公司的主動(dòng)降噪芯片，但并沒(méi)有相關(guān)論文系統(tǒng)介紹該類型芯片的使用方法。本文基于AMS公司推出的前饋式單芯片主動(dòng)降噪方案AS3415，設(shè)計(jì)了一款具有低頻噪聲抑制效果的主動(dòng)降噪耳機(jī)，旨在探究該芯片在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中面臨的實(shí)際問(wèn)題及解決方法。

1 芯片硬件結(jié)構(gòu)

AS3415作為具有主動(dòng)降噪功能的耳機(jī)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)芯片，主要硬件結(jié)構(gòu)包括供電電路、IIC串行接口電路、音頻輸入電路、拾音麥克風(fēng)電路、反饋濾波網(wǎng)絡(luò)、ANC處理模塊及揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路等。其中，供電電路以單節(jié)1.5 V的AAA電池為電源，分為升壓電荷泵和負(fù)電壓電荷泵。升壓電荷泵部分輸出2.7 V電壓作為麥克風(fēng)電源；負(fù)電壓電荷泵部分產(chǎn)生負(fù)電壓為系統(tǒng)中所有音頻相關(guān)模塊提供負(fù)電。IIC串行接口用于上位機(jī)軟件與芯片通信，配置各種功能寄存器。音頻輸入電路可作為EQ均衡器對(duì)輸入信號(hào)做濾波預(yù)處理，提高音效[8]。

相較于其它電路，與主動(dòng)降噪功能直接相關(guān)的電路包括拾音麥克風(fēng)電路、反饋濾波網(wǎng)絡(luò)、ANC處理模塊及揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路。拾音麥克風(fēng)電路將外界環(huán)境噪聲轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)反饋濾波網(wǎng)絡(luò)改變?cè)撾娦盘?hào)的幅值和相位，然后傳入ANC處理模塊進(jìn)行反相處理，最后將處理后的電信號(hào)送入揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出聲音與耳罩內(nèi)噪聲干涉相消，從而起到降噪作用。降噪流程示意圖如圖1所示。

2 耳機(jī)聲學(xué)性能測(cè)試

由于AS3415為模擬式主動(dòng)降噪芯片，故要發(fā)揮降噪性能必須測(cè)試原型機(jī)聲學(xué)性能。本文所用測(cè)試系統(tǒng)為杭州兆華公司的CRY6181電聲分析儀和CRY318人工耳。該電聲分析儀含四路輸入/輸出通道，采樣率24bit/192 kHz，測(cè)試精度±0.1 dB，本底噪聲-105dBV。測(cè)試方案基本原理如圖2所示。

Ai（i-1.2.3.4）表示幅值，φi（i=1.2.3.4）表示相位。以幅值4。2-1.2.3.4）為例，現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)降噪，應(yīng)滿足Ai= A2 *A3 *A4（線性）。轉(zhuǎn)換為分貝時(shí)，應(yīng)滿足A1 =A2+A3+A4 （dB）。其中，4是環(huán)境噪聲經(jīng)過(guò)被動(dòng)降噪后經(jīng)人工耳傳入電聲分析儀得到的聲壓，單位為dB SPL； A2是環(huán)境噪聲經(jīng)過(guò)拾音麥克風(fēng)傳入電聲分析儀得到的聲壓，單位為dBSPL； A3是揚(yáng)聲器、人工耳整體構(gòu)成的傳遞函數(shù)的幅頻特性，單位為dB； A4是待設(shè)計(jì)的ANC濾波網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的幅頻特性，單位為dB。最終使A1=A2+A3 +A4 （dB），φi= φ2+ φ4（deg）實(shí)現(xiàn)降噪。

2.1 原型機(jī)被動(dòng)衰減特性測(cè)試

使用CRY6181電聲分析系統(tǒng)以頻率對(duì)數(shù)掃頻方式發(fā)出20 Hz～22 kHz的正弦信號(hào)，經(jīng)揚(yáng)聲器傳遞給CRY318仿真耳，其中待測(cè)試耳機(jī)放置在測(cè)試架上。此時(shí)能夠得到人工耳采集的電聲信號(hào)A1，即獲得了經(jīng)耳罩被動(dòng)衰減后傳入人工耳的聲壓、相位與頻率的關(guān)系。聲壓?jiǎn)挝粸閐B SPL。測(cè)試示意圖如圖3所示[9]。

2.2 麥克風(fēng)頻率特性測(cè)試

與A1測(cè)試用聲音完全一致，用待測(cè)麥克風(fēng)替換人工耳接入電聲分析儀，分析儀配置不變。得到待測(cè)麥克風(fēng)采集到的電聲信號(hào)為A2，即環(huán)境噪聲經(jīng)過(guò)拾音麥克風(fēng)后得到的聲壓、相位與頻率的關(guān)系。測(cè)試示意圖[9]如圖4所示，聲壓?jiǎn)挝粸閐B SPL。

2.3 耳機(jī)揚(yáng)聲器頻率特性測(cè)試

無(wú)需功放，電聲分析儀以頻率對(duì)數(shù)掃頻方式發(fā)出20 Hz～22 kHz固定電壓掃頻信號(hào)，由耳機(jī)內(nèi)部的揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。以100 mV掃頻信號(hào)為例，測(cè)出人工耳采集到的電聲信號(hào)為d3。以100 mV為dB參考，得到。A3是揚(yáng)聲器、人工耳整體構(gòu)成的傳遞函數(shù)的幅頻特性，單位為dB。該項(xiàng)測(cè)試得到了降噪信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器傳輸時(shí)的傳遞函數(shù)。測(cè)試示意圖[9]如圖10所示。

3 濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

3.1 濾波器頻率特性的計(jì)算

由于聲音的傳播速度及耳機(jī)的聲學(xué)特性等因素的影響，使得ANC耳機(jī)的運(yùn)作有特定的頻率范圍，ANC濾波器的設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)幅值和相位的共同匹配。由于更高頻率下的相位幾乎旋轉(zhuǎn)了180度，設(shè)計(jì)出的濾波器很有可能與頻率幅值匹配，而不與相位匹配，通常可以做到1 kHz頻率以下的濾波器匹配，故更高頻的部分需要盡可能地衰減。根據(jù)上述第2節(jié)中獲得的三組數(shù)據(jù)，由A4=A1-A2-A3（dB），φ4=φ1-φ2-3φ（deg）可以計(jì)算出待設(shè)計(jì)濾波器的頻率特性如圖6、圖7所示。

將計(jì)算得到的濾波器幅頻特性和相頻特性用excel表格導(dǎo)出，以備導(dǎo)入上位機(jī)軟件進(jìn)行電路仿真。需要注意的是，要想順利導(dǎo)入上位機(jī)軟件，excel文件必須以特定的格式保存，幅頻特性和相頻特性的存儲(chǔ)格式如圖8所示。

3.2 濾波器電路仿真

在計(jì)算出待設(shè)計(jì)濾波器的頻率特性后，需要設(shè)計(jì)出具體的電路拓?fù)淙ケ平鼫y(cè)量得到的濾波器幅頻特性和相頻特性。使用AS34X5 Evaluation Software USBHID上位機(jī)可以方便地仿真設(shè)計(jì)電路拓?fù)?。該軟件可以?dǎo)入包含濾波器頻率特性的excel表格，同時(shí)可選擇多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括陷波濾波器、高通濾波器、低架（low shelf）濾波器、高架（high pass）濾波器、帶通濾波器和一階/二階低通濾波器。經(jīng)過(guò)仿真整定，得到濾波器計(jì)算仿真波形與實(shí)際測(cè)量波形如圖9所示。

在圖9中的相位頻率特性曲線部分，存在偏置（offset）調(diào)整框。該調(diào)整框可以選擇將電路仿真計(jì)算（Calculated）得到的相頻特性曲線上移或下移的整數(shù)倍。這樣做的目的是為了方便仿真計(jì)算（Calculated）和實(shí)際測(cè)量（Measured）得到的相頻特性曲線更加吻合。如果偏置量是180°的偶數(shù)倍，則不需要特別處理：如果偏置量是180°的奇數(shù)信，則需要將揚(yáng)聲器反接來(lái)補(bǔ)償180°相位。

圖9表明濾波器計(jì)算仿真波形與實(shí)際測(cè)量波形相比，幅值和相位在700 Hz以下吻合度較好。理論上最終的降噪效果也主要體現(xiàn)在700 Hz以下。

4 降噪性能測(cè)試與分析

待仿真波形與實(shí)際測(cè)量波形基本吻合后，可以導(dǎo)出濾波器物料清單，將對(duì)應(yīng)的元件焊接到AS3415演示板上進(jìn)行ANC降噪性能測(cè)試。演示板使用IIC接口與上位機(jī)通信，通過(guò)配置相關(guān)寄存器，操作麥克風(fēng)前置放大器、運(yùn)算放大器等模塊與ANC反饋濾波器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嗷ソY(jié)合實(shí)現(xiàn)降噪目的。

值得注意的是AS3415內(nèi)部運(yùn)算放大器1（OPl）為反相輸入，故輸出信號(hào)相位應(yīng)增加180°。這是基于AS3415的ANC降噪耳機(jī)能夠正常工作的關(guān)鍵一步，可以通過(guò)耳機(jī)揚(yáng)聲器反接實(shí)現(xiàn)相位增加180°的效果。

將設(shè)計(jì)濾波器的元件清單導(dǎo)出，焊接到AS3415演示板上，連接待降噪耳機(jī)進(jìn)行降噪性能測(cè)試。AS3415模擬降噪方案裝置實(shí)物圖和降噪曲線分別如圖10、圖11所示。

從圖11中可以觀察到在700 Hz以下頻率范圍，AS3415主動(dòng)降噪芯片明顯起到了降噪作用，100 Hz附近降噪效果達(dá)到lOdB，這與圖9中的仿真整定結(jié)果一致。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)地介紹了AS3415主動(dòng)降噪芯片的使用方法。分析了該芯片的硬件結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述了耳機(jī)聲學(xué)性能測(cè)試方案，介紹了AS3415評(píng)估軟件在降噪濾波器電路設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，最后以AS3415演示板和普通頭戴式耳機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際降噪性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所述AS3415應(yīng)用方案的有效性。

由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒(méi)有經(jīng)過(guò)特殊的聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)且不具備消聲室等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行準(zhǔn)確的聲學(xué)指標(biāo)測(cè)量，故實(shí)驗(yàn)最終呈現(xiàn)的降噪效果有限。針對(duì)這一不足，下一步將對(duì)頭戴式耳機(jī)進(jìn)行聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，引入消聲室等專業(yè)測(cè)試設(shè)備，以提高耳機(jī)降噪效果。

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