設(shè)備綜述
同設(shè)計(jì)前饋式耳機(jī)一樣,反饋式耳機(jī)也需要特定的設(shè)備,其中最重要的就是能夠測(cè)量頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的音頻測(cè)量系統(tǒng)。
適合用來(lái)進(jìn)行這些測(cè)量的音頻設(shè)備包括Audio Precision、Bruel&Kjaer及 Soundcheck等。搭配不同類型人工耳的人耳仿真器可用來(lái)模擬人耳的聲學(xué)響應(yīng)。推薦采用Head Acoustics、Bruel&Kjaer或是 GRAS的產(chǎn)品。
常用于前饋入耳式產(chǎn)品的IEC711耦合器在這項(xiàng)應(yīng)用中是不需要的。在反饋入耳式系統(tǒng)中,麥克風(fēng)的擺放會(huì)受到空間限制。所以,99%的反饋式耳機(jī)一般都是罩耳式(on-ear)或者包耳式(over-ear)設(shè)計(jì)。當(dāng)然,目前市場(chǎng)上還是有反饋入耳式設(shè)計(jì)的。除了仿真人耳和能夠測(cè)量增益和相位的音頻測(cè)量設(shè)備之外,其余的用于前饋式設(shè)計(jì)的設(shè)備已經(jīng)包含了所有開發(fā)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)的需求。為測(cè)定耳機(jī)的主動(dòng)降噪性能,還需要一個(gè)雙向式揚(yáng)聲器系統(tǒng)(最好是雙向同軸揚(yáng)聲器),以便將主動(dòng)降噪耳機(jī)暴露在噪音場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試。
設(shè)計(jì)反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)所需的最后一個(gè)要素是AS3435評(píng)估板(EVB),它包括了所有必要的連接器和前置放大器,滿足了耳機(jī)聲學(xué)特性量測(cè)時(shí)的需求。
如何量測(cè)反饋式耳機(jī)聲學(xué)特性?
除了襯墊(cushion)和揚(yáng)聲器聲腔等機(jī)械組件之外,每部主動(dòng)降噪耳機(jī)還需要揚(yáng)聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)等電聲組件。這些組件集合在一起,決定了耳機(jī)的頻率和相位響應(yīng)。不同的耳機(jī)會(huì)有不同的頻率和相位響應(yīng),所以需要正確的特性量測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)耳機(jī)主動(dòng)降噪性能的優(yōu)化,以達(dá)到最大的帶寬。
相較于前饋式系統(tǒng),反饋式系統(tǒng)的主動(dòng)降噪特性測(cè)量是非常簡(jiǎn)單的,所需要的就只是量測(cè)耳機(jī)揚(yáng)聲器和主動(dòng)降噪麥克風(fēng)之間的開環(huán)回路。
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最后一個(gè)重要且必需的連接,是從評(píng)估板的QMICx引腳(麥克風(fēng)前置放大器輸出)連接至DAQ系統(tǒng)的模擬音頻輸入。在測(cè)量開始前,AS3435評(píng)估板必須進(jìn)行正確配置。評(píng)估板軟件的屏幕截圖如圖2所示。很重要的一點(diǎn)是,要將麥克風(fēng)前置放大器增益設(shè)定為0dB,使其之后能匹配ams的濾波器計(jì)算模板。
當(dāng)評(píng)估板得到正確配置后,DAQ系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從20kHz至20Hz的正弦掃頻信號(hào)。然后DAQ系統(tǒng)便會(huì)測(cè)量麥克風(fēng)前置放大器輸出端的增益和相位響應(yīng)。該測(cè)量包括所有反饋濾波器設(shè)計(jì)所需的相關(guān)信息。
主動(dòng)降噪濾波器(ANC Filter)計(jì)算
反饋電路的主動(dòng)降噪濾波器計(jì)算非常簡(jiǎn)單,計(jì)算方式如下:
濾波器開發(fā)
下一個(gè),可能也是開發(fā)環(huán)節(jié)中最重要的步驟,就是主動(dòng)降噪濾波器的開發(fā)。通過(guò)濾波器計(jì)算來(lái)了解主動(dòng)降噪耳機(jī)的特性,意味著這些信息可以用在主動(dòng)降噪濾波器的開發(fā)上。降噪耳機(jī)的聲學(xué)特性以及濾波器計(jì)算,可用于ANC濾波器的開發(fā)。
市面上有許多反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī),但是大部分的設(shè)計(jì)都只是簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)反饋信號(hào),因而主動(dòng)降噪性能極低。所以,重要的是把握濾波器開發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn),包括了解并懂得系統(tǒng)的限制。有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以使用Spice仿真工具來(lái)設(shè)計(jì)主動(dòng)降噪濾波器。這需要很多經(jīng)驗(yàn),尤其是在濾波器拓?fù)浜蜑V波器計(jì)算方面的經(jīng)驗(yàn)。圖3為主動(dòng)降噪濾波器范例。
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如果增益過(guò)高,且仿真出來(lái)的濾波器與理論計(jì)算出來(lái)的理想濾波器之間的相位不匹配度太大(typ. 120°),則耳機(jī)會(huì)發(fā)生震蕩。AS3435濾波器仿真軟件具備穩(wěn)定性檢查功能,能夠自動(dòng)顯示理論計(jì)算出來(lái)的ANC濾波器與仿真出來(lái)的ANC濾波器之間的增益和相位的不匹配。
在相位不匹配度高的區(qū)域中,濾波器設(shè)計(jì)工程師必須確保增益盡可能低。震蕩一般發(fā)生在高頻,然而在1Hz附近發(fā)生也是有可能的。
濾波器驗(yàn)證和主動(dòng)降噪測(cè)試
當(dāng)設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)某個(gè)濾波器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都表現(xiàn)穩(wěn)定時(shí),那么就可以導(dǎo)出此濾波器。該工具整合了物料清單(BOM)輸出功能,物料清單中的阻容器件都是基于E24標(biāo)準(zhǔn)的常用料。另外,由于元件指示符與評(píng)估板完全匹配,物料清單中的元器件可以直接被焊接到評(píng)估板上。
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