對于噪聲,大家一定都很熟悉。凡是我們不想聽到的聲音,都可以歸結(jié)為噪聲,例如坐飛機(jī)時候的引擎聲,坐火車時的車輪聲,外面馬路上的車水馬龍的聲音等等。在聽音樂時,大家都不喜歡被噪聲干擾。那么,如何減小噪聲對我們的干擾?傳統(tǒng)方法是封閉法,即用耳塞或者全封閉耳機(jī)把你的耳朵罩起來,這樣就聽不到噪聲了,但是這樣做第一很貴,因?yàn)橐鋈忾]的耳機(jī)還要做到舒適需要很高的成本,第二效果也不見得好,因?yàn)殡S著佩戴姿勢等等的改變總會有噪聲漏進(jìn)來。那么,有沒有更好的辦法呢?有源噪聲消除技術(shù)(active noise cancellation,anc)就是最近非?;鸬姆椒ǎ旅娣治鲆幌缕渲杏玫降募夹g(shù)。
anc技術(shù)的原理并不深奧,高中物理就教過,就是波的干涉。如果大家對高考復(fù)習(xí)還記憶猶新的話,一定還記得如果兩列波幅度相同,相位相反,則它們干涉的結(jié)果是互相抵消,看不到波了!
講完了高中物理,我們再講講初中物理:初中物理里面提到,聲音也是一種波,可以在各種介質(zhì)中傳播。換句話說,聲波也能干涉,如果我們利用好這一特性,就可以把一些不想聽到的聲波用干涉抵消掉(或者至少減小幅度)。利用這一點(diǎn),我們就可以使用抵消的辦法來消除噪聲。
常見的有源噪聲消除耳機(jī)如下圖所示,麥克風(fēng)采樣外部噪聲,改采樣到的噪聲經(jīng)過有源噪聲抵消電路處理后,產(chǎn)生一個和采樣到的噪聲相位相反,且幅度合適的“反”噪聲,并送入耳機(jī)的揚(yáng)聲器,于是噪聲在人的耳朵前就被抵消了,帶耳機(jī)的人只能聽到音樂,而聽不到噪聲。
如果把系統(tǒng)畫成信號流圖,就是下圖,噪聲在麥克風(fēng)采樣后進(jìn)入信號處理電路,產(chǎn)生“反”噪聲,并與音樂一起送進(jìn)耳機(jī)內(nèi)。這種模式稱為前饋有源噪聲消除。
然而,前饋噪聲消除有一個問題。大家一定試過對著麥克風(fēng)吹氣吧!對著麥克風(fēng)吹氣可以在麥克風(fēng)輸出的地方產(chǎn)生很大的聲音,但是這個吹氣的聲音你把麥克風(fēng)拿走是聽不到的。同樣的,在前饋有源噪聲消除中,如果在采樣麥克風(fēng)附近有風(fēng)在吹,那么麥克風(fēng)有可能會產(chǎn)生很大的反噪聲,但其實(shí)這個吹風(fēng)的聲音人是聽不到的!換句話說,如果麥克風(fēng)處有風(fēng)在吹(風(fēng)噪),麥克風(fēng)會認(rèn)為環(huán)境噪聲很大,但是人其實(shí)聽不到任何噪聲,這樣麥克風(fēng)的誤報反而會產(chǎn)生更大的噪聲!
為了解決這個問題,可以使用反饋有源噪聲消除,如下圖所示。
在反饋有源噪聲消除方案中,麥克風(fēng)采樣的不是直接的環(huán)境噪聲,而是耳機(jī)輸出處的聲音,顯然這里的聲音包括了音樂和環(huán)境噪聲。那么如何選擇性地抵消掉噪聲但是保留音樂呢?就需要把這里采樣到的聲音減去音樂,這樣剩下的信號就全是噪聲了;然后再根據(jù)這個噪聲去產(chǎn)生噪聲抵消信號。這樣做的話,就不會有風(fēng)噪問題。然而,這里又有一個新問題,就是反饋系統(tǒng)通常帶寬會遠(yuǎn)小于前饋系統(tǒng),因此使用反饋模式的有源噪聲消除對于高頻噪聲的抵消作用有限。
既然兩種方案各有利弊,那么把它們結(jié)合起來如何?這就是混合模式的有源噪聲消除,既使用前饋又使用反饋,系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑捒梢該P(yáng)長避短,即避免風(fēng)噪又能抵消高頻噪聲。