降噪耳机已经越来越普及，降噪耳机要想实现好的降噪效果面临很多挑战，其中如何正确选用麦克风又是一项具有重要影响的基础工作。本文目的旨在帮助读者正确选用麦克风以实现更好的耳机降噪性能，当然也可以帮助您更好地了解降噪耳机原理与实现方式。
1、降噪耳机简介
当环境噪声频率在(<1 kHz)低频情况下，无源噪声消除技术无法提供理想的效果。主动降噪(ANC)通过拾取噪声信号，并生成“反相噪声”信号来消除原始噪声，从而实现实时降噪效果，当前的降噪耳机基本采用这种技术来实现降噪功能。在街道，商场，地铁，火车站，飞机，高铁等等嘈杂的环境中，佩戴降噪耳机，会取得非常好的效果。
ANC耳机设计通常有前馈，反馈和混合式三种方案。耳机中麦克风的数量和位置决定了ANC方案配置。如图1所示为前馈方案。外部放置的麦克风拾取环境噪声，经过芯片反相后的噪声从扬声器中播放出来，与原先外部噪声叠加消除，用户最终听到干净的音乐或节目信号。无论采用哪种方案，在降噪耳机中实现ANC都面临两个挑战。第一是需要使用麦克风可靠地捕获外部环境噪声(20Hz-20 kHz)，这时如何正确选用麦克风至关重要，这是本文的重点。第二个挑战是自适应降噪算法，这是由噪声的频率，幅度和相位特性随时间变化的特征影响所致。本文重点介绍解决麦克风规格确定与应用问题。
图1：前馈降噪耳机
2、选择麦克风的主要规格指标：
麦克风几个重要的指标包括：信噪比(SNR)，声学过载点(AOP)，总谐波失真(THD)，截止频率，灵敏度，相位响应，群时延和电流消耗。对于降噪耳机的设计而言，尽管所有这些规范都起作用，但影响麦克风选择的关键参数是SNR，AOP，截止频率，相位响应，群延迟和电流消耗，当然不同产品的截止频率和相位响应的差异也非常重要。
SNR信噪比：麦克风的固有本底噪声需要低于周围环境噪声，以便可靠地捕获噪声信号。因此在安静的环境中，需要具有高SNR的麦克风。如果麦克风的SNR较高，则噪声消除算法的实现将变得更加容易。举例一只50dB SNR的MIC，其本底噪声级为44dBSPL，如果环境噪声低于此数值，MIC噪声就高于环境噪声，算法降噪就很难实现。但如果MIC SNR为70dB，则其本底噪声级为24dBSPL，这个数值低于日常生活中的绝大多数噪声环境，已经接近消声室水平了，算法实现降噪会更容易。
AOP(声过载点)：当距离扬声器足够近时，麦克风可能拾取到很大的声压(小空间中有时是膜挠动)，以致超过麦克风的AOP。当声压超过AOP时，失真会大幅提高，如10％以上的失真，这样就很难完全消除耳机中的噪音。所以，需要分析麦克风的THD与SPL(声压级)曲线，并选择失真度低(<1％)的麦克风。麦克风的AOP必须足够高，以捕获周围环境中所有嘈杂噪声。
截止频率：麦克风将需要具有较低的截止频率规格(30Hz或更低)，以便还可以可靠地捕获低频噪声信号。如果截止频率较高，则ANC系统将无法有效去除非常低频的噪声信号。如果多个麦克风之间的截止频率变化很大，则ANC算法的实现将变得富有挑战性，并且耳机的低频噪声消除性能将不一致，所以对于截止频率的公差必须非常严格。
相位响应和群延迟：相位响应是整个音频频带上的相位变化。麦克风的相位响应曲线使您可以深入了解麦克风如何处理输入信号的不同频率分量之间的相位关系。
群延迟是麦克风的频率相关延迟，是相位响应的导数。它描述了不同频率的响应通过麦克风从声学输入到电子输出时所引起的时间延迟。有必要将群延迟保持在最小且在整个频率上保持恒定，以防止由于相位失准而导致输出信号失真。
如果麦克风测量到的噪声信号已经失真，则无法进行有效消除。所以只有截止频率，相位响应曲线的变差很小，ANC算法才可以有效地从系统中消除噪声。
电流消耗：电流消耗是选择麦克风时要考虑的非常关键的规格，特别是对于始终开启和电池供电的耳机应用。需要睡眠/待机模式以节省一段时间的功耗，并且可以延长系统的电池寿命。麦克风的电流消耗是工作时钟频率的函数，某些数据表清楚地表明了当麦克风以较低的时钟频率工作以节省功耗，这需要与性能进取舍。
3、现有设计的性能限制ANC耳机的设计方式很难相同。不同的设计方案，如反馈，前馈或混合式，每一种都有其自身的优点和局限性。3.1 前馈结构
前馈ANC架构如图2所示。在这种结构中，每个耳机仅使用一个麦克风，并且将其放置在更靠近耳机壳外部的位置。此麦克风用以拾取外部噪声信号，以输出给ANC算法作为参考。这种配置的主要好处是，结构简单，可以对外部环境噪声进行有效拾取，然后取决于算法的实现来消除此噪声。由于系统中缺少反馈环路，因此该算法无法确保实时消除噪声。这是前馈拓扑的主要缺点。这种配置可确保中频噪声信号(1-2 kHz之间)得到很好的衰减。由于麦克风位于外部，因此可能会因风噪声而影响性能。在这种情况下，具有较高AOP和较低截止频率的麦克风将很有用。这种结构非常适合诸如蓝牙耳机之类的应用，这些应用要求宽的ANC带宽，但愿意承受适度的降噪性能。
图5显示了混合ANC架构的简化框图。该图显示了两个信号路径如何相互合并。G(w)和M(w)是增益和相位补偿滤波器，而Dff和Dfb是由于系统中的扬声器和麦克风而引起的延迟。
混合式ANC耳机设计能够提供三种架构中最佳的ANC性能和最宽的噪声消除带宽，当然也会增加产品的成本和设计的复杂性，所以在高端产品上被越来越广泛地使用。即使在这种配置下，超过2 kHz的ANC性能也不令人满意。因此耳机设计人员通常还使用被动降噪技术来提高高频噪声消除性能。
对于入耳式、头戴包耳式、头戴压耳式耳机设计，可以结合使用无源和有源降噪技术，以在整个音频带宽上提供出色的ANC性能。对于耳塞式耳机设计，在耳塞周围有泄露，采用无源降噪技术来消除高频噪声会很困难。因此，在此类耳塞式ANC耳机中使用的麦克风需要消除高频噪声，如果麦克风具有较低的群延迟，并且在整个频率范围内具有相对较平坦的相位响应，则可以改善高频性能。相位响应的变差也非常重要，小的变差有助于有效地优化ANC算法，从而使高频噪声消除性能更好且一致。
4、较好地麦克风解决方案示
例如，可以采用69dB SNR和130dBSPL的超高AOP的麦克风。它的规格和变差也应该符合本文档前面各节中讨论的所有标准。
如前所述，截止频率和相位响应的变差在用于降噪耳机设计的麦克风选择中起着重要作用。图6，图7，图8和图9显示了麦克风的幅度和相位响应的平均值和标准偏差，还提供了它们的6sigma极限以供参考，所有参数测量温度25℃。
根据这些图，很明显，麦克风的幅度和相位响应变差非常严格。这样可确保转折频率和相位响应的部分变化保持最小。反过来，这有助于确保ANC算法的实现更为准确。4.2、群延迟
在实验室中对麦克风样本测量了群延迟，图10提供了在整个频带上观察到的典型群延迟。从数据可以看出，1 kHz的群时延<10μs。如此小的群延迟将有助于更好的ANC算法实现。
另一个关键的麦克风规格是AOP。图11显示了样品麦克风以及两种不同产品的THD与SPL的关系图。这款麦克风的突出特点之一是，声压级直到〜128dBSPL前，失真度可以很好地保持在小于1％THD，而其它两个样品THD均超过1％。这极大地有助于以最小的失真可靠地捕获较大的噪声信号，从而使ANC算法的实现更加有效。
久久为功，破浪重逢
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