耳机隔声降噪原理解析

耳罩的被动隔声

如图所示，这是一个耳罩隔声的例子，假定不考虑耳罩壁的分布振动以及耳罩内空气的分布，外界噪声主要有两条大的途径传到耳道：(1)通过耳罩和皮肤的泄漏，包含泄漏声质量和泄漏声阻尼;(2)耳罩具有一定的质量，耳罩垫和皮肤弹性和阻尼，这构成了一组耳罩的受迫振动。耳罩内的空气构成了空气弹簧，和耳道声阻尼并联。

我们如果希望隔声好，比较容易得到：(1)密封做得足够好，也就是泄漏声质量和泄漏声阻尼足够大;(2)耳罩尽量重，耳套和皮肤的刚性的尽量大;(3)前腔尽量大，前腔声顺尽量大。

耳罩的主动降噪

1、从信号的角度来理解耳机主动降噪

正如我们常见的理解，所谓主动降噪就是发一个与噪声大小相同方向相反的声波”抵消”了噪声。这个解释下存在一个困境：噪声能量无缘无故消失了么，能量去哪了?

2、从声学的角度来理解耳机的主动降噪

如果希望在某一频点在耳道处的声压为零，还可以增加的方案是在耳道口构造一个“分流”的零阻抗器件或结构。如果认为喇叭前的声压和耳道口声压一致，而所谓的耳机的主动降噪简化理解就是在喇叭表面构造一个零阻抗的声学界面Zm。

进一步简化：

隔声的主要问题是找到噪声源，或者等效的噪声源(比如耳道口)，阻隔抑制噪声传递。如果所示的就是一个简化的隔声降噪模型，噪声源为S，待降噪的监测点为A，其声阻抗为ZL。要想A点声压尽量低，那么可行的方法是(1)Z1尽可能大;(2)构造Z2=0。

欲控制的区域如果有多个噪声源，声压有分布时，问题将变成一个声场求解的问题，这个问题面临两个问题：(1)最少用几个监测点可以一定精度的预测声场;(2)(等效)声源有几个，如何最小的布置次级声源让控制区域能降噪。

振动的主动控制

我们考虑一个最简单的线性弹簧振子的受迫振动，其控制方程为：

我们希望振幅尽量小，可采用的控制策略有几个：

1、前馈控制：如果能通过可观测信号S0预测到F0，那么直接取一个相反的力即可控制振幅:

其中，F0=H(ω)S0，这种控制成为前馈式控制。这里的前提条件是F0和S0是具有因果性，或者说两者的相干性接近1。

2、反馈控制：如果能够获得振子最终的位移、速度或加速度，我们可以采用反馈控制器进行控制：

可以看到加速度或位移控制主要是"转移"了系统谐振频率，而速度控制改变的是系统阻尼，对谐振附近更有效。反馈控制器适合用来对窄带信号进行控制。

题外话：可以发现通过主动控制可以获得系统新的质量m-m'，新的弹性系数k-k’,以及新的阻尼R-R’。这些系数可能为负，也就是说通过主动控制系统我们很容易获得等效负质量或等效负弹性。