Diseño y desarrollo de auriculares con reducción de ruido

Con el avance continuo de la tecnología y el desarrollo continuo del mercado de consumo de productos electrónicos, el ritmo de la vida humana también se está acelerando y cada vez más personas usan au

Con el avance continuo de la tecnología y el desarrollo continuo del mercado de consumo de productos electrónicos, el ritmo de la vida humana también se está acelerando y cada vez más personas usan auriculares para escuchar música de alta calidad. Sin embargo, la contaminación acústica en la ciudad se ha convertido en una interferencia inevitable. El uso de auriculares comunes en un entorno ruidoso solo puede ocultar el ruido aumentando el volumen. Esto no solo evitará que disfrutes de una música hermosa, sino que también tendrá un gran impacto en tu audición. . ¿Cómo puedo relajar mi estado de ánimo con buena música, aliviar la fatiga y, al mismo tiempo, estar libre de interferencias de los auriculares externos con cancelación de ruido puede ser la mejor opción?


1. Tipos y peligros de ruido

El nivel de presión sonora es una unidad que expresa la magnitud de la amplitud del sonido y generalmente se mide en decibelios (dB). En el ámbito civil, el ruido ambiental se divide principalmente en tres categorías: ruido de tráfico, ruido industrial y ruido doméstico. Entre ellos, el ruido del tráfico proviene de automóviles, trenes, aviones, barcos, etc.; El ruido industrial incluye principalmente el ruido de la maquinaria de construcción a gran escala, el ruido de los equipos en fábricas y empresas y el ruido de las obras de construcción; los ruidos domésticos comunes incluyen algunas transmisiones de comercio electrónico en la calle. , Discursos ruidosos en lugares públicos y la música de bailes cuadrados que han sido comunes en los últimos años. En el campo militar, el ruido continuo incluye principalmente el ruido emitido por varios vehículos militares, aviones, helicópteros, turbinas de barcos y diversos equipos mecánicos. Este ruido es generalmente más alto que el ruido encontrado en el campo civil. El espectro es más rico. Estos ruidos suelen estar por encima de los 90 dB, y algunos ruidos pueden incluso llegar a los 130 dB.


El daño del ruido al cuerpo humano se puede resumir de la siguiente manera:


(1) Afecta la vida y el trabajo: el sueño es la forma más eficaz de aliviar la fatiga. Sin embargo, las personas no pueden lograr un sueño profundo en un ambiente de mucho ruido, lo que a menudo causa sueños, vigilia y otras condiciones; además, el ruido afectará el trabajo normal y la conversación, causando que las personas estén irritables y difíciles de concentrarse, lo que no solo reduce la calidad de vida, sino que también afecta la calidad del trabajo;


(2) Daño auditivo: el daño más obvio del ruido es el daño al oído humano. En un entorno de sonido fuerte, las personas se sentirán incómodas en sus oídos. Después de estar en un entorno ruidoso durante mucho tiempo, incluso en un entorno tranquilo, todavía sentirán un zumbido. Si permanece en un entorno de ruido de alta intensidad durante mucho tiempo, su audición se dañará irreversiblemente e incluso quedará sorda;


(3) Daño al sistema nervioso: las personas que han estado en un entorno de mucho ruido durante mucho tiempo a menudo sufren mareos, dolor de cabeza, palpitaciones, tinnitus y otras neurastenia;


(4) Otros peligros: Además, el ruido también puede causar trastornos del sistema cardiovascular y del sistema digestivo Algunos expertos incluso creen que los entornos con mucho ruido a largo plazo también son una causa de cáncer.


降噪耳机方案

2. Tipos de tecnología de reducción de ruido de los auriculares

Entre los numerosos dispositivos de reducción de ruido, hay dos métodos de reducción de ruido: Control de ruido pasivo (PNC) y Control de ruido activo (ANC). .


2.1 Tecnología pasiva de reducción de ruido


El equipo de reducción de ruido pasivo ocupa la mayor parte de la participación, y también se ve en todas partes en la vida diaria de las personas, como los paneles de reducción de ruido que a menudo se ven en las ciudades o en ambos lados de las carreteras, habitaciones anecoicas o diseño de paredes absorbentes de sonido KTV, alto ruido Los trabajos contaminados requieren el uso de tapones para los oídos u orejeras insonorizadas, etc.


Entre los muchos equipos de protección contra el ruido, los auriculares con reducción de ruido son métodos de protección relativamente eficaces y convencionales. El método de supresión de ruido de los auriculares de protección general es utilizar reducción de ruido pasiva, como tapones para los oídos pasivos y orejeras. El mecanismo de reducción de ruido consiste en utilizar racionalmente el material duro o el material interno que absorbe el sonido del producto, y utilizar el método de aislamiento y absorción para evitar que el sonido externo entre en el canal auditivo. Este método de reducción de ruido tiene un efecto de reducción de ruido particularmente rico en componentes de alta frecuencia. Es especialmente obvio que este es también el método de supresión de ruido más utilizado. La reducción de ruido pasivo es fácil de implementar, pero para ruido en el rango de frecuencia por debajo de 800 Hz e inferior, si desea lograr el efecto de reducción de ruido ideal, debe pagar un alto costo. Además, los materiales de reducción de ruido serán pesados, por lo que Perdió el valor del uso real.


2.2 Tecnología de reducción activa de ruido


Después de una exploración a largo plazo, las personas se dan cuenta claramente de que la forma fundamental de control del ruido es controlar eficazmente la fuente de sonido. Por lo tanto, a partir del análisis de la fuente de sonido de la fuente de sonido, la implementación del control activo de la fuente de sonido o campo cercano es la solución para el control de ruido. Dirección de desarrollo. La tecnología de reducción de ruido activa utiliza esta tecnología para controlar el ruido. La tecnología de reducción de ruido activa compensa la debilidad de las orejeras tradicionales en la reducción de ruido de baja frecuencia, de modo que las orejeras obtienen un efecto de reducción de ruido más uniforme en cada banda de frecuencia.


La tecnología de reducción de ruido activa también se conoce como tecnología de control de ruido activo (control de ruido activo, ANC para abreviar). Es una dirección de investigación importante del control de ruido moderno. Debido a su pequeño tamaño de circuito, peso liviano, fácil control y capacidad para manejar ruido de banda ancha uniforme. Ha sido ampliamente utilizado y desarrollado vigorosamente en el campo de la acústica y ha ido madurando gradualmente en los últimos años. En la actualidad, las empresas que investigan los auriculares con cancelación de ruido surgen sin cesar. Los auriculares con cancelación de ruido se utilizan ampliamente en campos militares y civiles para proteger eficazmente la salud de las personas.


El principio de reducción activa de ruido es utilizar el principio de cancelación de interferencia de ondas sonoras para generar artificialmente un ruido secundario en el espacio característico que es opuesto al ruido original en fase, e igual en amplitud y frecuencia, que se compensa con el ruido original para lograr el propósito de reducción de ruido. A diferencia de la reducción de ruido pasivo, los sistemas de reducción de ruido activo deben estar equipados con fuentes de alimentación, circuitos y dispositivos acústicos relacionados para reducir el ruido de forma activa. Como se mencionó anteriormente, la reducción de ruido pasivo es principalmente efectiva para frecuencias medias y altas, y debido a que la longitud de onda de baja frecuencia es larga, es fácil lograr interferencias, por lo que la reducción de ruido activa principalmente realiza la supresión de ruido en bandas de baja frecuencia.


3. Historial de investigación y estado actual de la tecnología de reducción activa del ruido

El físico alemán Paul Leug propuso por primera vez el concepto de reducción de ruido mediante el principio de interferencia acústica en 1934 y solicitó una patente para el "silenciador electrónico". Pero limitado a la base de la tecnología electrónica en ese momento, Paul Leug solo demostró y expresó sus principios básicos, sin experimentos y productos sustanciales. En los siguientes 20 años, la tecnología de reducción activa del ruido se ha estancado y no ha logrado un desarrollo sustancial.


Hasta 1953, con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica, Harry Olson y Everet May de la American RCA Company llevaron a cabo una nueva demostración teórica de la teoría de Paul Leug y desarrollaron el "absorbente de sonido electrónico" por primera vez. El "amortiguador de sonido electrónico" es similar al sistema de reposacabezas activo actual, que consiste en instalar el sistema de reducción de ruido activo en el reposacabezas del asiento de un avión o un ocupante de automóvil, y emitir ruido inverso a través del principio de reducción de ruido activa. Reducir el ruido en un área pequeña de la cabeza humana. Sin embargo, debido a la estrecha banda de frecuencia de reducción de ruido, la profundidad de reducción de ruido poco profunda y el pequeño rango de reducción de ruido del dispositivo de "absorción de sonido electrónico", no se denomina producto para promoción y aplicación.


Durante el mismo período, en 1956, todavía en RCA, W.B.Conover aplicó la tecnología de reducción activa de ruido al control de ruido de un transformador grande de 15000 kVA. A través de la demostración y la experimentación, se produce un efecto de reducción de ruido significativo directamente en frente del altavoz. Este efecto es inversamente proporcional a la distancia, es decir, cuanto mayor es la distancia, menor es el efecto de reducción de ruido. Además, el efecto de reducción de ruido está relacionado con el ángulo de desviación hacia adelante. En términos generales, el efecto de reducción de ruido es menor. A través de las pruebas, la reducción de ruido puede alcanzar aproximadamente 20 dB a 30 cm directamente en frente del altavoz.


Hasta la década de 1970, no se aplicaron resultados sustanciales de la tecnología de reducción activa del ruido. A fines de la década de 1970, los franceses Jessel, Mangiante y Canevet, basados en el principio de Huygens, propusieron el algoritmo de control de reducción de ruido activo de JMC que se puede aplicar al espacio de campo libre. Mediante la prueba de demostración, finalmente se aplica al tratamiento del ruido de grandes transformadores. El algoritmo de control de reducción de ruido activo de JMC señala que el ruido irradiado por cualquier fuente de sonido puede ser controlado por fuentes de sonido secundarias distribuidas en una superficie continua.


La teoría adaptativa del control activo del ruido se produjo en los primeros días de la teoría de la reducción activa del ruido. Conover explicó el principio de reducción de ruido activa adaptativa: de acuerdo con el oído humano para monitorear el efecto de reducción de ruido, mientras ajusta manualmente la ganancia y el control de fase del circuito para maximizar la cantidad de reducción de ruido. Esta es la idea original de la reducción de ruido activa adaptativa. Debido a las limitaciones del desarrollo de la tecnología electrónica en ese momento, la reducción activa adaptativa del ruido no se puso en práctica. No hay productos o aplicaciones relacionados.


Hasta principios de la década de 1980, con el desarrollo de la tecnología de procesamiento de señales de alta velocidad, la gente aplicaba métodos de filtrado adaptativo para la supresión activa del ruido de las tuberías. A principios de la década de 1980, Chaplin, J.C.Burgess y C.F.Ross respectivamente lograron ciertos resultados en el campo de la reducción activa adaptativa del ruido, especialmente en el campo de la reducción del ruido de las tuberías, y obtuvieron resultados satisfactorios.


A mediados de la década de 1980, P.A. Nelson, S.J. Elliott y otros de la Universidad de Southampton en el Reino Unido llevaron a cabo más investigaciones en profundidad sobre la tecnología de reducción activa del ruido en espacios cerrados y lograron avances innovadores. Explica la teoría de la coherencia intrínseca, demuestra la disposición de los micrófonos y las fuentes de sonido secundarias en el sistema de reducción de ruido y estudia más a fondo el método de diseño de la reducción de ruido activa adaptativa en la cabina.


En la década de 1990, PA.Nelson y SJElliott y otros se propusieron estudiar la reducción activa del ruido en una cabina sellada y finalmente completaron un sistema de reducción activa del ruido de 6 canales en la cabina del avión de doble hélice BAE748. Desarrolló y logró ciertos resultados, entre ellos, el ruido ambiental se redujo en 13dB, 9dB y 6dB a 88Hz y el segundo y tercer armónico respectivamente.Los resultados son consistentes con el análisis teórico. Este desarrollo es el nivel más alto de desarrollo y pruebas desde que se propuso el principio de la tecnología de reducción activa del ruido, lo que demuestra que la tecnología ya se puede aplicar en la práctica de la ingeniería.


Después de 2000, con el desarrollo continuo de la tecnología electrónica, la tecnología de reducción activa de ruido también se ha desarrollado a pasos agigantados. Por ejemplo, SongY y Gong Y han aplicado tecnología de reducción activa de ruido por retroalimentación en los auriculares; González A y Ferrer M aprobaron Las aplicaciones de reducción activa del ruido eliminan el ruido del motor de los automóviles; Castane-Selga R y Sánchez Peña aplican la tecnología de reducción activa del ruido a los cascos de motocicleta, lo que tiene un efecto significativo en la eliminación del ruido del viento generado por las motocicletas a altas velocidades; Kochan K y Sachau D aplicaron tecnología de reducción de ruido activa en el espacio en aviones de transporte militar, que suprimió eficazmente el ruido de la cabina y mejoró la comodidad del avión.


Cuarto, el principio de funcionamiento de la reducción activa del ruido.

El principio de la tecnología de reducción de ruido activa es utilizar el principio de cancelación de interferencia superpuesta de ondas sonoras en el espacio. El sistema de reducción de ruido capta el ruido ambiental y, a través del procesamiento del circuito, genera activamente otro ruido, que es equivalente en frecuencia y amplitud al ruido original, pero la fase es opuesta. Esta onda de sonido generada activamente y la onda de sonido de ruido original se cancelan entre sí en el espacio para lograr el propósito de reducir el ruido.El principio de reducción de ruido se muestra en la Figura 2-1. Dado que el sonido de baja frecuencia tiene una longitud de onda más larga, su interferencia en el espacio es más fácil de lograr. Por lo tanto, la reducción de ruido activa tiene un mejor efecto de control de ruido de baja frecuencia y generalmente se usa como compensación para la reducción de ruido pasivo en bandas de baja frecuencia. Por lo tanto, esta tecnología se utiliza principalmente para la protección del ruido de banda ancha o de baja frecuencia.


图 2-1 降噪原理图

5. Clasificación de los sistemas activos de reducción del ruido

De acuerdo con el principio de funcionamiento y las características estructurales del sistema de reducción de ruido activo, se puede dividir en dos tipos básicos: tipo de retroalimentación y tipo de retroalimentación.


5.1 auriculares con reducción de ruido de alimentación hacia adelante


Entre ellos, el auricular de reducción de ruido activo de alimentación anticipada sirve para mantener la posición del micrófono alejada de la fuente de sonido secundaria. Está compuesto por un micrófono externo, una fuente de sonido secundaria, partes estructurales del auricular y un circuito de control de reducción de ruido. El micrófono externo generalmente mira hacia el exterior y pasa a través de las orejeras. El orificio de transmisión de sonido capta el ruido ambiental fuera de las orejeras, y la estructura se muestra en la Figura 2-2. La señal de ruido captada por el micrófono externo se envía a la fuente de sonido secundaria a través del circuito de control ANC sin un bucle de retroalimentación. Sus parámetros de respuesta a menudo son fijos y es imposible ajustar la ganancia, el control de fase y otros parámetros de forma adaptativa de acuerdo con el ruido ambiental variable en el tiempo. Por lo tanto, su rendimiento de reducción de ruido no es estable. Tiene un mejor efecto de reducción de ruido para algunos ruidos de estado estable. Por lo general, solo se usa en algunos productos de tapones para los oídos de gama baja. La razón principal es que los tapones para los oídos son de tamaño pequeño y el diseño interno de la reducción de ruido anticipada es fácil de diseñar e implementar.


图 2-2 前馈式有源降噪系统图

Como se muestra en la Figura 2-3, el diseño de reducción de ruido activa de avance, el pequeño orificio fuera del tapón para los oídos en la figura es el orificio de sonido del micrófono que capta el ruido del entorno externo.

图 2-3 前馈式有源降噪耳机

5.2 Auriculares con reducción de ruido de retroalimentación


Tipo de retroalimentación Auriculares con reducción de ruido activa El tipo de retroalimentación está compuesto por un micrófono interno, una fuente de sonido secundaria, una estructura de auriculares y un circuito de control de reducción de ruido. El micrófono interno está orientado hacia el interior de la orejera y generalmente se coloca en la entrada del canal auditivo. Después del ruido de la cubierta, se envía al circuito de control de procesamiento de reducción de ruido ANC para su procesamiento, y luego la señal de sonido secundaria con la fase opuesta, la misma amplitud y la misma frecuencia se envía a la fuente de sonido secundaria, y el ruido inverso se emite a través de la fuente de sonido secundaria para lograr la reducción. El efecto del ruido se muestra en la Figura 2-4. El micrófono interno generalmente se coloca cerca de la fuente de sonido secundaria y captará el ruido cerca de la fuente de sonido secundaria. Su sistema de reducción de ruido formará un bucle de retroalimentación para el ajuste adaptativo de los parámetros de reducción de ruido. Por lo tanto, el micrófono generalmente se coloca cerca de la fuente de sonido secundaria. La ubicación de la fuente puede reflejar más fielmente el ruido cerca de los órganos auditivos. Hay un circuito de retroalimentación y el efecto de reducción de ruido es mejor, pero la estructura, el circuito y el trabajo de depuración son relativamente más complicados. Además, debido a la existencia del bucle de retroalimentación, se producirá inestabilidad cuando el sistema de control de retroalimentación no esté diseñado correctamente, como la autoexcitación del aullido, que es la debilidad de este tipo de orejeras de reducción activa de ruido.


图 2-4 反馈式有源降噪系统图

Como se muestra en la Figura 2-5, es el auricular de reducción de ruido activo de tipo retroalimentación K495NC de AKG. La flecha en la figura se refiere al micrófono interno, que se coloca en la entrada del canal auditivo para captar la señal de ruido en la orejera.

图 2-5 反馈式有源降噪耳机

Además, en los últimos años, con el continuo desarrollo de la tecnología electrónica, un sistema compuesto de reducción de ruido activo que utiliza una combinación de feedforward y feedback se ha convertido gradualmente en el foco y la dirección de la investigación de todos. El auricular compuesto de reducción de ruido activo está compuesto por un micrófono externo (micrófono de referencia), un micrófono interno (micrófono de error), una fuente de sonido secundaria, partes estructurales de los auriculares y un circuito de control de reducción de ruido. El diagrama de composición del sistema se muestra en la Figura 2-6.

图 2-6 复合式有源降噪系统图

La Figura 2-7 muestra los auriculares compuestos de reducción activa de ruido PXC450 de Sennheiser. En la Figura 2-7, el pequeño orificio en la imagen de la izquierda es un micrófono externo de reducción de ruido de alimentación hacia adelante. La parte inferior izquierda es la estructura interna y la imagen de la derecha es La flecha apunta al micrófono interno de reducción de ruido de tipo retroalimentación, que se coloca en la entrada del canal auditivo para captar la señal de ruido en la orejera.

图 2-7 森海赛尔复合式有源降噪耳机

Con el desarrollo continuo de la tecnología electrónica, debido a la limitación de tamaño estructural de los tapones para los oídos, en la actualidad, a excepción de algunos tapones para los oídos de reducción de ruido de gama baja que no pueden usar retroalimentación o reducción de ruido compuesto, todavía usan una estructura de alimentación para lograr una reducción activa del ruido. La mayoría de los auriculares con reducción de ruido activa adoptan una estructura de sistema de reducción de ruido activa de tipo retroalimentación o compuesto para lograr un mejor rendimiento de reducción de ruido del producto. La Tabla 2-1 es la comparación de rendimiento de las tres estructuras de reducción de ruido.

图 2-1 降噪原理图

Seis, los puntos de diseño de los auriculares con reducción de ruido

Los auriculares de reducción activa de ruido se componen principalmente de fuente de alimentación, circuito de control, pastilla, altavoz y cavidad para el oído, entre los cuales el circuito de control es el componente principal de los auriculares. En el proceso de diseño del producto, los principales factores que afectan la tecnología de reducción de ruido son los siguientes:


(1) Circuito de control: el circuito de control realiza la cancelación de ruido a través de los tres procesos principales de medición, control inverso y superposición de sonido. Se miden la fase y amplitud de la señal de ruido captada por la pastilla y el sonido emitido por el altavoz después del procesamiento inverso (llamado Es la señal de supresión de ruido) para superposición. Si la amplitud de la señal de supresión de ruido y la señal original no son exactamente iguales o la fase no está exactamente a 180 °, el ruido solo se reducirá y no se logrará el efecto de cancelación completa.


(2) La respuesta de frecuencia de los dispositivos electroacústicos: los dispositivos electroacústicos incluyen pastillas y altavoces. La ruta de transmisión del sonido en el espacio entre los dispositivos electroacústicos dentro de las orejeras pasa a través de procesos complejos como la conversión electroacústica y la conversión acústico-eléctrica, y el diafragma Este sistema de vibración mecánica compuesto por bobinas, etc. tiene su propio modo de vibración. Puede tener múltiples frecuencias naturales. La respuesta de frecuencia puede mostrar picos en cada frecuencia natural del sistema, y la respuesta de fase está en cada frecuencia natural del sistema. La frecuencia cae 90 grados. En este momento, la distorsión de la forma de onda y el retardo de tiempo aparecen en el dominio del tiempo, y la función amplitud-frecuencia no es plana en el dominio de la frecuencia. Por lo tanto, se necesitan altavoces y micrófonos con amplitud y frecuencia relativamente planas y cambios de frecuencia de fase lentos.


(3) Diseño de la cavidad del auricular: la función de la estructura de la cavidad del auricular es principalmente eliminar los cortocircuitos acústicos, suprimir la resonancia acústica, ampliar el rango de respuesta de frecuencia y reducir la distorsión. Al mismo tiempo, también está relacionada con el material de la cavidad del oído. Cuanto mayor sea la densidad, el efecto del sonido en la cavidad Cuanto menor sea la vibración, menor será la interferencia; cuanto más grueso sea el material, mejor será el efecto de reproducción de sonido y mejor será el efecto de baja frecuencia. Por lo tanto, es necesario considerarlo de manera integral al diseñar la cavidad del oído para lograr el efecto deseado.


para resumir


En resumen, el sistema de auriculares con reducción activa de ruido generalmente consta de un micrófono, una fuente de sonido secundaria, componentes estructurales de la cavidad del oído y un circuito de reducción de ruido.Cada una de las partes anteriores tiene un mayor impacto en el rendimiento final de reducción activa de ruido del auricular. Se debe prestar atención al diseñar.