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2022-01-26 13:52:51
主動降噪技術向空間降噪領域擴展 實際應用中仍面臨不少挑戰
2022-01-26 13:52:51 來源: 中國電子報
隨著TWS藍牙耳機在過去幾年中以指數級的增長速度迅速崛起，主動降噪(ANC)技術開始被人們所關注，應用范圍也日益廣泛，從耳機等單點降噪，向汽車、家居等空間降噪領域擴展。比如近日特斯拉就在其新款Model S和Model X中加載了主動降低道路噪音的功能。不過，主動降噪技術特別是三維空間降噪，在實際應用當中仍然存在不少挑戰，如克服路噪、風噪等干擾，改善消費體驗，提升市場接受度，將是未來重要的發展方向。
單點加空間 應用領域逐步擴張
隨著生活質量的改善，人們對外部寧靜環境的需求越來越高。在國際衛生組織發布的一份世界聽力報告中，聽力損傷目前正影響著全球15億人，其中4.3億人有輕/中/重度的聽力損傷。未來30年，該數字有可能增加1.5倍以上。
這是加裝主動降噪功能的TWS藍牙耳機受到青睞的重要原因之一。具備主動降噪技術的音響設備可以幫助人們避免遭受外界的干擾，改進聽覺享受，同時也能降低噪音對聽力的損害。根據IDC的數據，2021年TWS無線耳機的出貨量將達到3.5億副，同比增長50%左右，主動式降噪功能成為2021年的主流規格。預計2024年TWS無線耳機的市場規模將達到401.3億美元。
主動降噪技術并不僅僅局限在耳機中使用，目前已開始向汽車、家居等新領域擴展。特斯拉就在其新款Model S和Model X中，加載了主動降低道路噪音的功能。Molex莫仕汽車解決方案業務部門副總裁兼總經理凱莉安·皮卡德表示：“隨著快速向電氣化車輛過渡，降低道路噪音將變得至關重要。”涵蓋火車、飛機等公共交通領域，以及重型機械等非公路應用，對于降噪技術亦有興趣。就汽車降噪這一市場來看，汽車行駛過程中的噪音來源主要可以分為發動引擎噪音、胎噪、路噪、風噪、空調噪聲等幾個主類。繁雜的道路噪音、風噪和汽車暖通空調噪聲，以及低頻聲音，將干擾駕駛，增加駕駛員的負擔。采用主動降噪技術可以避免安裝昂貴且笨重的吸音材料，具有巨大的市場空間。
此外，主動降噪技術還被應用于室內。伴隨對居住要求不斷提高，針對窗外及家用電器運轉噪聲源，人們開始使用主動降噪控制室內噪聲，改善聲音環境。安聲科技CEO劉益帆表示，家電領域市場盤子足夠大、用戶基數高、行業門檻相對較低，通過讓消費者在購買家電產品的同時也能購買到新的降噪體驗，是一個值得探索的方向。在家電領域，90%以上的噪音都來源于風與機械振動的噪音，可針對性地進行降噪產品開發。
不過，到目前為止，市場上空間降噪的應用仍然相對有限，主要落地比較成熟的也只是在汽車上，而且還主要是聚焦于汽車引擎層面，實際應用還需進一步的探索。
底噪或風噪 現實干擾依然頻出
中科院聲學研究所資料顯示，主動降噪的原理是通過發出與噪聲相位相反，頻率、振幅相同的聲波與噪聲干涉實現相位抵消。也就是說，相對于傳統的通過阻隔吸聲的方式實現降噪，主動降噪可以利用麥克風偵聽噪聲聲波，然后經過處理發出反向聲波，使二者在傳播過程中相互干涉抵消，進而將噪音中和。
這一技術原理在1933年被德國物理學家Paul Lueg提出。1989年，具備相關功能的產品首次被專業音響品牌BOSE量產，第一批用戶是飛行員、機場地勤等長時間暴露在噪聲環境中的人員。2000年，主動降噪逐漸進入民用市場。
就目前的情況來看，雖然相關應用市場的規模越來越大，但由于消費者的要求越來越高，主動降噪技術所面對的挑戰也在增多。根據ADI中國產品事業部高級市場應用經理何源的介紹，當前影響主動降噪實現的干擾項有很多，包括底噪、風噪、沖擊爆破聲、負壓感，以及個人使用習慣、產品量產效率等。
底噪可以理解為整個系統的綜合噪聲。底噪來源于聲學器件的本底噪聲，如芯片本身的電噪聲、藍牙發射的干擾、有線和無線器件的耦合，再加上降噪調試過程中有時會把噪聲效果突出放大。這些情況如果處理不好，都有可能造成底噪問題。當消費者在一個相對安靜的場景中打開主動降噪功能，有可能出現器件產生的噪聲比環境噪聲還大，降噪變成了增噪。
風噪也是一種常見且不易解決的問題。當用戶在戶外打開主動降噪功能時，由于有風刮進來，系統就會進行一定的處理。這些處理產生的噪聲有可能會被放大，反而變得更加刺耳。在戶外，風噪是很常見的場景，解決不好會很大程度影響用戶體驗。
主動降噪技術在空間降噪的實際應用中，效果有時也不理想。有報道反映，Model S在崎嶇道路行駛中開啟主動降噪功能，車廂內的環境噪音會有所降低，但效果并不是很明顯。
Molex莫仕業務發展工程師Kurt Dekoski指出，基于車輛設計存在許多挑戰，每個車輛都具有不同的聲學性能，因此，降噪系統必需具備充足的適應性，針對個別車輛的聲學變化進行校準。
傳感與編解碼 芯片發揮重要作用
從主動降噪的產業鏈觀察，最底層當屬負責信號輸入輸出的傳感器，由它進行環境噪音的監測;第二層是信號處理芯片，分析噪音曲線，進行音頻的編解碼;再往上則是語義理解、智能交互的企業;最上層還有智能設備、數據運用等相關企業。在這個鏈條上，集成電路技術發揮著重要作用。
Kurt Dekoski就表示：“在推動ANC技術繼續發展方面，芯片技術發揮著舉足輕重的作用。”比如基于加速度計設計的道路降噪(RNC)傳感器，可以安裝在汽車底盤上，用于環境噪音的監測，以獲得更加準確有效的數據，幫助消除有害的道路噪音、風噪和汽車暖通空調噪聲及低頻聲音。“減少電子設備延遲的技術進步，一直是其中關鍵。考慮到輪胎聲音到達駕駛員耳朵需要0.009 秒時間，因此，能夠將數據從車輪附近的傳感器傳輸到處理模塊，計算消除信號并在車廂內廣播是至關重要的。”
在談到如何解決底噪問題時，何源表示：“我們需要從最底層、最根本的地方解決底噪問題，在模擬技術方面，要采用優秀的數模-模數(ADC-DAC)器件，以降低噪聲。在數字技術方面，采用靈活的指令集，調整優化音頻路徑，從數字端降低噪聲。”一款優質的ANC設備甚至要從系統級做起，在布板布線的時候就要考慮避免器件間的相互干擾。
風噪問題也可以通過硬解碼的方式解決，比如加裝硬件級別的檢測模塊，當感知到麥克風受到外部風的沖擊時，立即開始進行動態的檢測和調整，避免噪聲的出現。這種實現方式是硬件級別的，實時性與低功耗都可以得到保證。
總之，更優質的聽覺體驗開始受到人們越來越高的關注，整個市場前景值得期待。但是，整個產業特別是空間降噪仍處于起步階段，實際應用中出現的一系列干擾問題需要從業者一點一滴解決。
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