抗躁

抗噪(noise cancelling)是比降噪(noise suppression)又更進階的方式,可以主動去除雜音和噪音。 概念上是製造出相反相位的聲波,來抵銷偵測到的噪音,並且正反向聲波的強度宜相同。

抗噪一般用在會議音訊系統還有耳機當中, 目前汽車業也朝向車內抗噪目標,但尚未成熟。 以下將以耳機作為抗噪範例,例如耳機有被動式抗噪(Passive Noise Cancelling, PNC)和主動式抗噪(Active Noise Cancelling, ANC)。 被動式抗噪又稱為噪音隔絕(noise isolation),基本上就是用耳塞或耳罩緊密覆蓋耳朵,在氣密情況下阻絕外部噪音。 此類的耳機一般都是入耳式(insert type)或封閉耳罩式(close back)的耳機,因為要達到相當氣密性。 封閉耳罩式的反面就是開放式(open back),氣密效果不佳。 之所以還會有廠商製作開放耳罩式(open back),是因為這樣的聲場聽起來比較自然,並且因為壓迫感較小,所以聆聽起來也不會感到悶熱或不適。

 

 

 

 

 

用被動式抗噪所達成的衰減頻譜如上圖所述,可以看到中高頻處的噪音衰減很明顯,但低頻幾乎沒有被衰減到。 這是因為低頻本身的穿透力較高頻強,並且低頻繞射(diffraction)也比高頻明顯,導致低頻噪音還是會從外界穿透進來。

為了去除低頻噪音,發聲喇叭在低頻的最大輸出要大於115dB,頻段約100hz至1,000hz。 更低頻的噪音通常不需特別處理,一來是人耳對此低頻本來就不敏感,另外是此低頻較難處理。 我們需要一個低頻衰減頻率點(Low Frequency Roll Off, LFRO)非常低的麥克風,可能要低於50hz,甚至低於10hz, 通常是特規品的微機電麥克風(MEMS mic)才能達到如此效果。

就耳機ANC而言,一般會佈署兩顆麥克風, 一顆朝外收音稱為前饋(feed forward)麥克風,收環境音,宜用有限長單位脈衝響應濾波器(Finite Impulse Response, FIR); 一顆朝內收音稱為反饋(feedback)麥克風,收耳內音,宜用無限長單位脈衝響應濾波器(Infinite Impulse Response, IIR)。 ANC的反饋有一個通則,就是當相位大於180度時,環路增益(loop gain)必須要小於1,否則你就會聽到奇怪的聲音。 在中高頻如果違反原則的話,會聽到回音是的哮叫。在低頻的話,會聽到低頻歇低音。 為了避免上述問題,我們希望ANC系統的各元件都要要是相位最低(minimum phase shift)的屬性,一旦相位延遲降低,我們就能夠有效控制ANC的增益。 在機構設計上,裡面的收音麥克風和驅動單元要盡量靠近,以降低延遲,不過這可能造成迴聲難以去除的問題。

為了讓耳機不要產生ANC哮叫,我們可以設計入耳偵測(ear proximity sensing)。在低頻的話,會聽到低頻歇低音。 我們可以設定耳機放入耳道,並且密封後,才開啟ANC。 這可以透過一些感光元件來確定耳機到底放進去與否。 因為如果耳機在放入的過程中,ANC就開啟的話,放入耳道摩擦的低頻聲音被收進去ANC,會造成ANC系統發出一些增益失去控制的雜音。