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昨天發(fā)布會(huì)，大家有沒(méi)有將心儀好物收入囊中呢？除了手機(jī)，小編發(fā)現(xiàn)大家對(duì)于“最強(qiáng)王牌旗艦降噪耳機(jī)Redmi Buds Pro4”，呼聲很高。所以本期技術(shù)干貨，我們邀請(qǐng)到了AI實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)團(tuán)隊(duì)工程師段爽，和大家分享自研主動(dòng)降噪技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)方式，以及在Redmi Buds Pro4 耳機(jī)上的應(yīng)用。

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一、主動(dòng)降噪與被動(dòng)降噪

要了解主動(dòng)降噪就需要先了解一下被動(dòng)降噪，通常我們?cè)谟龅酱潭脑肼晻r(shí)，大部分人會(huì)下意識(shí)地捂住耳朵，這種通過(guò)物理上隔絕（阻斷聲波傳播）的方式可稱之為被動(dòng)降噪。主動(dòng)降噪則是根據(jù)特定的噪聲，產(chǎn)生完全相反的聲波，讓兩種聲波在相遇時(shí)互相抵消，從而把該噪音隔除。被動(dòng)降噪的優(yōu)勢(shì)是降噪空間大，對(duì)于高頻信號(hào)（聽(tīng)感上體驗(yàn)為尖銳刺耳的聲音）的隔絕效果好，但對(duì)于低頻噪聲而言，降噪效果則會(huì)大打折扣，而主動(dòng)降噪則可以很好的彌補(bǔ)被動(dòng)降噪的不足，其能夠有效的降低低頻噪聲。

如圖1所示，其為某耳機(jī)的降噪曲線，可以明顯的看出在未開(kāi)啟主動(dòng)降噪時(shí)（相當(dāng)于僅存在被動(dòng)降噪），在1000Hz以上都有著近20dB的降噪效果，當(dāng)開(kāi)啟主動(dòng)降噪后（相當(dāng)于主動(dòng)降噪+被動(dòng)降噪），1000Hz以下的降噪效果得到明顯提升，最大降噪深度達(dá)到了30dB。

圖1主動(dòng)降噪開(kāi)啟前后降噪效果

二、主動(dòng)降噪耳機(jī)的降噪原理

如圖2所示，耳機(jī)上的主動(dòng)降噪技術(shù)都是基于聲波的疊加相消原理。所有的聲音都是由一定的頻譜組成，如果可以找到一種聲音，其頻譜與所要消除的噪聲完全一樣，只是相位剛好相反（相差180°），就可以將這個(gè)噪聲完全抵消掉。

圖2 噪聲的疊加相消

主動(dòng)降噪耳機(jī)也是基于這一原理，如圖3所示，通過(guò)對(duì)耳機(jī)上安置的前饋麥克風(fēng)采集到的噪聲信號(hào)進(jìn)行分析、處理，然后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生一個(gè)與環(huán)境噪聲相位相反的噪聲，以此來(lái)抵消傳入人耳的噪聲。同時(shí)內(nèi)置的反饋麥克風(fēng)用于檢測(cè)傳入人耳噪聲，并基于該噪聲進(jìn)行分析，及時(shí)的反向調(diào)整驅(qū)動(dòng)器所產(chǎn)生的反相位噪聲以此來(lái)獲得最好的降噪效果。

圖3 主動(dòng)降噪耳機(jī)的工作原理

主動(dòng)降噪系統(tǒng)必備的硬件有麥克風(fēng)、處理芯片、揚(yáng)聲器，每一個(gè)部分都需要保證高質(zhì)量才能達(dá)到較好的降噪效果，這也是為什么主動(dòng)降噪耳機(jī)的售價(jià)要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)（無(wú)主動(dòng)降噪功能）耳機(jī)設(shè)備的原因。

三、實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪的方式

主動(dòng)降噪一般可以細(xì)分為 Feedforward ANC (前饋主動(dòng)降噪)， Feedback ?ANC (反饋主動(dòng)降噪) 以及 Hybrid ANC(混合主動(dòng)降噪，本質(zhì)上是前饋加上反饋)。下面將對(duì)每一種方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

>>>>?3.1 前饋式主動(dòng)降噪

如圖4所示，前饋麥克風(fēng)接收到環(huán)境噪聲信號(hào)后將其送到前饋式控制器，經(jīng)過(guò)控制器處理后，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的“反噪聲”信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放該“反噪聲”信號(hào)，與通過(guò)實(shí)際物理途徑中傳來(lái)的原始噪聲信號(hào)相疊加，反饋麥克風(fēng)作為誤差傳感器檢測(cè)疊加后所形成的殘余噪聲信號(hào)，并將其送到控制器中，控制器再調(diào)整“反噪聲”信號(hào)的強(qiáng)度。

圖4 前饋式主動(dòng)降噪控制系統(tǒng)示意圖

圖5 前饋結(jié)構(gòu)等效系統(tǒng)圖

結(jié)合前饋結(jié)構(gòu)等效圖以及誤差最小化原則，可計(jì)算出前饋式控制器的傳遞方程：

• 計(jì)算外界噪聲通過(guò)實(shí)際物理路徑傳遞到耳機(jī)內(nèi)部的噪聲信號(hào)：

??d(n)=?x(n)*p(n)? ? ? ? ? ? ?（1）

• 計(jì)算誤差信號(hào)：

  e(n)=d(n)-y(n)*g(n)=x(n)*p(n)-y(n)*g(n)? ? ? （2）

• 為便于計(jì)算將公式（2）轉(zhuǎn)換成到頻域，得到：

  E(z)=X(z)P(z)-Y(z)G(z)? ? ? ? ? ? ?（3）

• 根據(jù)誤差最小化原則（即），得到：

  Y(z)=X(z)P(z)/G(z)? ? ? ? ? ? ? （4）

• 計(jì)算出前饋控制器的傳遞方程：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（5）

在應(yīng)用的時(shí)候，只要把在前饋麥克采集到的聲音經(jīng)過(guò)進(jìn)行W(z)濾波（時(shí)域上卷積，頻域上相乘），并且相位轉(zhuǎn)180度，再通過(guò)耳機(jī)播放出去與原始噪聲疊加即可進(jìn)行主動(dòng)降噪。

前饋式主動(dòng)降噪的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)，因此可以獨(dú)立地調(diào)試電路，不會(huì)引起任何的閉環(huán)振蕩和嘯叫。且由于前饋麥克風(fēng)布置在耳機(jī)外側(cè)，可以比人耳更早的接收到噪聲信號(hào)，因此給系統(tǒng)預(yù)留了更多的處理時(shí)間，允許一定程度上的處理延時(shí)。其缺點(diǎn)是無(wú)法處理降噪后耳機(jī)內(nèi)側(cè)殘余的噪聲。

>>>>?3.2 反饋式主動(dòng)降噪

反饋主動(dòng)降噪一般是在耳機(jī)的前腔也就是揚(yáng)聲器發(fā)聲正對(duì)面的區(qū)域放置一顆反饋麥克風(fēng)（誤差傳感器），揚(yáng)聲器和反饋麥克風(fēng)形成閉環(huán)降噪控制系統(tǒng)。相比前饋降噪，反饋降噪不需要預(yù)先得到聲音信息，而是通過(guò)控制器調(diào)整誤差信號(hào)從而降低噪聲。

圖6 反饋式主動(dòng)降噪控制系統(tǒng)示意圖

圖7 反饋結(jié)構(gòu)等效系統(tǒng)

結(jié)合反饋結(jié)構(gòu)降噪等效系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的降噪能力在控制理論中可以通過(guò)以下方式進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算誤差信號(hào)：

e(n)=d(n)-y(n)*g(n)? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(6)

將誤差計(jì)算公式（6）轉(zhuǎn)換到頻域，得到：

E(z)=D(z)-Y(z)G(z)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (7)

計(jì)算系統(tǒng)降噪能力的表征方程：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ???? ?? ? ?? ? ??? ??(8)

將方程 S(z) 作為目標(biāo)方程，那么它應(yīng)該越小越好。因?yàn)?S(z) 越小表示 E(z) 越小，代表著冗余噪聲越小。如果要讓S(z)變小，那么應(yīng)該使越大越好，但是這個(gè)值實(shí)質(zhì)上是不穩(wěn)定的，它會(huì)因人而異、因佩戴方式而異，所以如何有效的計(jì)算與設(shè)置也是反饋式主動(dòng)降噪的一大難點(diǎn)。

>>>>?3.3 混合式主動(dòng)降噪

混合式主動(dòng)降噪、結(jié)合了前饋式、反饋式的結(jié)構(gòu)，這也是目前市面上降噪效果最好的設(shè)計(jì)方案。其揚(yáng)聲器發(fā)出的信號(hào)將由前饋麥克風(fēng)和反饋麥克風(fēng)共同決定。前饋式系統(tǒng)可以減弱傳入耳機(jī)內(nèi)部的環(huán)境噪聲，反饋式系統(tǒng)則對(duì)降噪進(jìn)行補(bǔ)充，處理耳機(jī)內(nèi)側(cè)殘余的噪聲。

圖8 混合式主動(dòng)降噪控制系統(tǒng)示意圖

圖9 混合式結(jié)構(gòu)等效圖

這種處理方式的優(yōu)點(diǎn)是將前饋式系統(tǒng)與反饋式系統(tǒng)兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)合，降噪效果強(qiáng)于任何一種單一結(jié)構(gòu)的降噪系統(tǒng)。缺點(diǎn)則是設(shè)計(jì)難度很大比較難實(shí)現(xiàn)，且成本往往要高很多。

四、小米聲學(xué)主動(dòng)降噪技術(shù)及應(yīng)用

通過(guò)前期的深入布局研究，目前小米AI實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在主動(dòng)降噪方面積累與儲(chǔ)備了非常多的硬核技術(shù)，其中關(guān)于耳機(jī)領(lǐng)域的申請(qǐng)專利已達(dá)20余項(xiàng)，同時(shí)在實(shí)際的落地應(yīng)用中也取得了顯著的成果。

>>>>?4.1 AI實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)主動(dòng)降噪技術(shù)

多擋位自適應(yīng)降噪技術(shù)，基于20000+條的場(chǎng)景音頻數(shù)據(jù)分析，結(jié)合耳機(jī)上麥克風(fēng)接收到的實(shí)時(shí)信號(hào)感知佩戴者所處的環(huán)境場(chǎng)景，以此選擇不同的降噪模式，從而實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景條件下良好的降噪體驗(yàn)。

圖10 多擋位自適應(yīng)降噪技術(shù)

智慧抗風(fēng)噪技術(shù)以極致的響應(yīng)速度（2-3秒）和優(yōu)異的檢測(cè)性能保障用戶無(wú)需忍受煩躁的“呼呼”風(fēng)聲，采用雙麥數(shù)據(jù)分析的方式實(shí)現(xiàn)了較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率以及極低的漏檢率和誤檢率，綜合性能大幅領(lǐng)先供應(yīng)商。

圖11 智慧抗風(fēng)噪技術(shù)

圖12 不同佩戴狀態(tài)差異性

耳道自適應(yīng)以及佩戴自適應(yīng)技術(shù)考慮了不同人不同的耳道模型以及不同佩戴方式所帶來(lái)的降噪效果上的差異性。耳道自適應(yīng)技術(shù)通過(guò)內(nèi)置多組耳道模型，在佩戴時(shí)進(jìn)行檢測(cè)匹配，選擇匹配度最高的模型參數(shù)，從而獲得最好的降噪效果，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，該技術(shù)最大可以帶來(lái)約10dB左右的降噪效果提升。佩戴自適應(yīng)技術(shù)則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴的泄漏情況，根據(jù)不同的泄漏情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)擋位的濾波器參數(shù)增益補(bǔ)償，從而彌補(bǔ)由佩戴泄漏所造成的降噪效果不足的問(wèn)題。該算法開(kāi)啟前后，降噪效果約有6-7dB的提升。

>>>>?4.2 AI實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)主動(dòng)降噪技術(shù)的落地應(yīng)用

目前自主研發(fā)的主動(dòng)降噪技術(shù)已落地應(yīng)用于Redmi Bus 4 Pro，同時(shí)小米AI實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的多項(xiàng)技術(shù)也應(yīng)用于該款產(chǎn)品并成為了其核心賣(mài)點(diǎn)。

但我們的耳機(jī)不止于降噪.......

圖13?十大購(gòu)買(mǎi)理由

主動(dòng)降噪技術(shù)也正朝著智能化、節(jié)能化以及技術(shù)獨(dú)立化的方向發(fā)展，人工智能與主動(dòng)降噪結(jié)合或許是耳機(jī)的下一個(gè)“新十年”。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的干货丨小米自研主动降噪技术在Redmi Buds Pro4上的应用的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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