“

昨天發(fā)布會，大家有沒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，我們邀請到了AI實驗室聲學(xué)團(tuán)隊工程師段爽，和大家分享自研主動降噪技術(shù)的原理、實現(xiàn)方式，以及在Redmi Buds Pro4 耳機(jī)上的應(yīng)用。

”

一、主動降噪與被動降噪

要了解主動降噪就需要先了解一下被動降噪，通常我們在遇到刺耳的噪聲時，大部分人會下意識地捂住耳朵，這種通過物理上隔絕（阻斷聲波傳播）的方式可稱之為被動降噪。主動降噪則是根據(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互相抵消，從而把該噪音隔除。被動降噪的優(yōu)勢是降噪空間大，對于高頻信號（聽感上體驗為尖銳刺耳的聲音）的隔絕效果好，但對于低頻噪聲而言，降噪效果則會大打折扣，而主動降噪則可以很好的彌補被動降噪的不足，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啟主動降噪時（相當(dāng)于僅存在被動降噪），在1000Hz以上都有著近20dB的降噪效果，當(dāng)開啟主動降噪后（相當(dāng)于主動降噪+被動降噪），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主動降噪開啟前后降噪效果

二、主動降噪耳機(jī)的降噪原理

如圖2所示，耳機(jī)上的主動降噪技術(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°），就可以將這個噪聲完全抵消掉。

圖2 噪聲的疊加相消

主動降噪耳機(jī)也是基于這一原理，如圖3所示，通過對耳機(jī)上安置的前饋麥克風(fēng)采集到的噪聲信號進(jìn)行分析、處理，然后驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生一個與環(huán)境噪聲相位相反的噪聲，以此來抵消傳入人耳的噪聲。同時內(nèi)置的反饋麥克風(fēng)用于檢測傳入人耳噪聲，并基于該噪聲進(jìn)行分析，及時的反向調(diào)整驅(qū)動器所產(chǎn)生的反相位噪聲以此來獲得最好的降噪效果。

圖3 主動降噪耳機(jī)的工作原理

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

三、實現(xiàn)主動降噪的方式

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

>>>>?3.1 前饋式主動降噪

如圖4所示，前饋麥克風(fēng)接收到環(huán)境噪聲信號后將其送到前饋式控制器，經(jīng)過控制器處理后，產(chǎn)生一個相應(yīng)的“反噪聲”信號，同時驅(qū)動揚聲器播放該“反噪聲”信號，與通過實際物理途徑中傳來的原始噪聲信號相疊加，反饋麥克風(fēng)作為誤差傳感器檢測疊加后所形成的殘余噪聲信號，并將其送到控制器中，控制器再調(diào)整“反噪聲”信號的強(qiáng)度。

圖4 前饋式主動降噪控制系統(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，可計算出前饋式控制器的傳遞方程：

• 計算外界噪聲通過實際物理路徑傳遞到耳機(jī)內(nèi)部的噪聲信號：

??d(n)=?x(n)*p(n)? ? ? ? ? ? ?（1）

• 計算誤差信號：

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

• 為便于計算將公式（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）

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

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

前饋式主動降噪的優(yōu)點是整個系統(tǒng)是一個開環(huán)，因此可以獨立地調(diào)試電路，不會引起任何的閉環(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，因此給系統(tǒng)預(yù)留了更多的處理時間，允許一定程度上的處理延時。其缺點是無法處理降噪后耳機(jī)內(nèi)側(cè)殘余的噪聲。

>>>>?3.2 反饋式主動降噪

反饋主動降噪一般是在耳機(jī)的前腔也就是揚聲器發(fā)聲正對面的區(qū)域放置一顆反饋麥克風(fēng)（誤差傳感器），揚聲器和反饋麥克風(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，而是通過控制器調(diào)整誤差信號從而降低噪聲。

圖6 反饋式主動降噪控制系統(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)，整個系統(tǒng)的降噪能力在控制理論中可以通過以下方式進(jìn)行計算：

計算誤差信號：

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

將誤差計算公式（6）轉(zhuǎn)換到頻域，得到：

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

計算系統(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。因為 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，但是這個值實質(zhì)上是不穩(wěn)定的，它會因人而異、因佩戴方式而異，所以如何有效的計算與設(shè)置也是反饋式主動降噪的一大難點。

>>>>?3.3 混合式主動降噪

混合式主動降噪、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)計方案。其揚聲器發(fā)出的信號將由前饋麥克風(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)則對降噪進(jìn)行補充，處理耳機(jī)內(nèi)側(cè)殘余的噪聲。

圖8 混合式主動降噪控制系統(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)點是將前饋式系統(tǒng)與反饋式系統(tǒng)兩者的優(yōu)點進(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)。缺點則是設(shè)計難度很大比較難實現(xiàn)，且成本往往要高很多。

四、小米聲學(xué)主動降噪技術(shù)及應(yīng)用

通過前期的深入布局研究，目前小米AI實驗室聲學(xué)團(tuán)隊已經(jīng)在主動降噪方面積累與儲備了非常多的硬核技術(shù)，其中關(guān)于耳機(jī)領(lǐng)域的申請專利已達(dá)20余項，同時在實際的落地應(yīng)用中也取得了顯著的成果。

>>>>?4.1 AI實驗室聲學(xué)主動降噪技術(shù)

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

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)異的檢測性能保障用戶無需忍受煩躁的“呼呼”風(fēng)聲，采用雙麥數(shù)據(jù)分析的方式實現(xiàn)了較高的檢測準(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的降噪效果上的差異性。耳道自適應(yīng)技術(shù)通過內(nèi)置多組耳道模型，在佩戴時進(jìn)行檢測匹配，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)過多次實驗測量，該技術(shù)最大可以帶來約10dB左右的降噪效果提升。佩戴自適應(yīng)技術(shù)則實時監(jiān)測佩戴的泄漏情況，根據(jù)不同的泄漏情況進(jìn)行對應(yīng)擋位的濾波器參數(shù)增益補償，從而彌補由佩戴泄漏所造成的降噪效果不足的問題。該算法開啟前后，降噪效果約有6-7dB的提升。

>>>>?4.2 AI實驗室聲學(xué)主動降噪技術(shù)的落地應(yīng)用

目前自主研發(fā)的主動降噪技術(shù)已落地應(yīng)用于Redmi Bus 4 Pro，同時小米AI實驗室聲學(xué)團(tuán)隊所研發(fā)的多項技術(shù)也應(yīng)用于該款產(chǎn)品并成為了其核心賣點。

但我們的耳機(jī)不止于降噪.......

圖13?十大購買理由

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

點擊👇閱讀原文，了解更多 Redmi Buds Pro4?耳機(jī)的奧秘~

End

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上的应用的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。