耳機(jī)隔聲降噪原理解析

耳罩的被動(dòng)隔聲

如圖所示，這是一個(gè)耳罩隔聲的例子，假定不考慮耳罩壁的分布振動(dòng)以及耳罩內(nèi)空氣的分布，外界噪聲主要有兩條大的途徑傳到耳道：(1)通過(guò)耳罩和皮膚的泄漏，包含泄漏聲質(zhì)量和泄漏聲阻尼;(2)耳罩具有一定的質(zhì)量，耳罩墊和皮膚彈性和阻尼，這構(gòu)成了一組耳罩的受迫振動(dòng)。耳罩內(nèi)的空氣構(gòu)成了空氣彈簧，和耳道聲阻尼并聯(lián)。

我們?nèi)绻Ｍ袈暫?，比較容易得到：(1)密封做得足夠好，也就是泄漏聲質(zhì)量和泄漏聲阻尼足夠大;(2)耳罩盡量重，耳套和皮膚的剛性的盡量大;(3)前腔盡量大，前腔聲順盡量大。

耳罩的主動(dòng)降噪

1、從信號(hào)的角度來(lái)理解耳機(jī)主動(dòng)降噪

正如我們常見(jiàn)的理解，所謂主動(dòng)降噪就是發(fā)一個(gè)與噪聲大小相同方向相反的聲波”抵消”了噪聲。這個(gè)解釋下存在一個(gè)困境：噪聲能量無(wú)緣無(wú)故消失了么，能量去哪了?

2、從聲學(xué)的角度來(lái)理解耳機(jī)的主動(dòng)降噪

如果希望在某一頻點(diǎn)在耳道處的聲壓為零，還可以增加的方案是在耳道口構(gòu)造一個(gè)“分流”的零阻抗器件或結(jié)構(gòu)。如果認(rèn)為喇叭前的聲壓和耳道口聲壓一致，而所謂的耳機(jī)的主動(dòng)降噪簡(jiǎn)化理解就是在喇叭表面構(gòu)造一個(gè)零阻抗的聲學(xué)界面Zm。

進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

隔聲的主要問(wèn)題是找到噪聲源，或者等效的噪聲源(比如耳道口)，阻隔抑制噪聲傳遞。如果所示的就是一個(gè)簡(jiǎn)化的隔聲降噪模型，噪聲源為S，待降噪的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為A，其聲阻抗為ZL。要想A點(diǎn)聲壓盡量低，那么可行的方法是(1)Z1盡可能大;(2)構(gòu)造Z2=0。

欲控制的區(qū)域如果有多個(gè)噪聲源，聲壓有分布時(shí)，問(wèn)題將變成一個(gè)聲場(chǎng)求解的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題面臨兩個(gè)問(wèn)題：(1)最少用幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以一定精度的預(yù)測(cè)聲場(chǎng);(2)(等效)聲源有幾個(gè)，如何最小的布置次級(jí)聲源讓控制區(qū)域能降噪。

振動(dòng)的主動(dòng)控制

我們考慮一個(gè)最簡(jiǎn)單的線性彈簧振子的受迫振動(dòng)，其控制方程為：

我們希望振幅盡量小，可采用的控制策略有幾個(gè)：

1、前饋控制：如果能通過(guò)可觀測(cè)信號(hào)S0預(yù)測(cè)到F0，那么直接取一個(gè)相反的力即可控制振幅:

其中，F(xiàn)0=H(ω)S0，這種控制成為前饋式控制。這里的前提條件是F0和S0是具有因果性，或者說(shuō)兩者的相干性接近1。

2、反饋控制：如果能夠獲得振子最終的位移、速度或加速度，我們可以采用反饋控制器進(jìn)行控制：

可以看到加速度或位移控制主要是"轉(zhuǎn)移"了系統(tǒng)諧振頻率，而速度控制改變的是系統(tǒng)阻尼，對(duì)諧振附近更有效。反饋控制器適合用來(lái)對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行控制。

題外話：可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)主動(dòng)控制可以獲得系統(tǒng)新的質(zhì)量m-m'，新的彈性系數(shù)k-k’,以及新的阻尼R-R’。這些系數(shù)可能為負(fù)，也就是說(shuō)通過(guò)主動(dòng)控制系統(tǒng)我們很容易獲得等效負(fù)質(zhì)量或等效負(fù)彈性。