音響與耳機(jī)系統(tǒng)的噪聲和濾波器淺論

高億威

（石獅市第一中學(xué)，石獅 362700）

1 引言

在音響和耳機(jī)系統(tǒng)中最重要的衡量指標(biāo)就是信噪比和失真，信噪比就是信號(hào)功率和噪聲功率的比值，主要影響信噪比的是噪聲和系統(tǒng)特性，而噪聲是系統(tǒng)內(nèi)部影響信號(hào)的其他信號(hào)，噪聲是一種隨機(jī)變量，一般來(lái)自于系統(tǒng)的各個(gè)元器件，電路中的噪聲主要來(lái)源于電阻內(nèi)電子的熱運(yùn)動(dòng)和晶體管中帶電粒子不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)造成的，這屬于系統(tǒng)的固有內(nèi)部噪聲，更廣義的噪聲是指除有用信號(hào)之外的所有其他信號(hào)，不僅僅包括內(nèi)部固有噪聲，更包括外部的干擾噪聲，比如說(shuō)耳機(jī)系統(tǒng)的噪聲主要是來(lái)自于周圍環(huán)境的噪聲。除了噪聲之外，重要的就是非線性失真了，主要表現(xiàn)在信號(hào)在放大或者傳輸過(guò)程中波形的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，主要原因是在系統(tǒng)中的有源器件比如晶體管的特性是非線性的，在放大過(guò)程中總會(huì)失真，在人們聽(tīng)覺(jué)感受中，主要就是聲音的重現(xiàn)性較為欠缺，不通透。

2 音響系統(tǒng)的噪聲和濾波器

2.1 音響系統(tǒng)的噪聲

2.1.1 元器件噪聲

電路中的元器件噪聲是系統(tǒng)固有的噪聲，無(wú)法消除，主要來(lái)自于電阻的熱噪聲、晶體管的噪聲和電抗元件的噪聲。電阻的噪聲主要是一種隨機(jī)的起伏的噪聲，是由電阻內(nèi)電子的熱運(yùn)動(dòng)引起的，無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)速度很高，因此電阻的熱噪聲可看出無(wú)數(shù)個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的電流脈沖組成的，產(chǎn)生均值為零的隨機(jī)起伏的峰值極小的脈沖電流，它的頻譜極寬，幾乎占有整個(gè)頻段，它的噪聲電流功率譜密度為S=4Kt/R，K為珀耳茨曼常數(shù)，t為溫度，R為電阻阻值，它的功率譜密度與頻率無(wú)關(guān)，因而電阻的熱噪聲是一種白噪聲。

晶體管的噪聲主要是基區(qū)體電阻的熱噪聲和PN結(jié)的散粒噪聲，散粒噪聲的大小與晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)電流有關(guān)，功率譜密度為S=2qi，q為電子電量，i為流過(guò)PN結(jié)的電流，也是白噪聲。

場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲主要是溝道電阻熱噪聲和閃爍噪聲，閃爍噪聲主要源于場(chǎng)效應(yīng)管的氧化膜與硅接觸面的工藝缺陷，它的功率譜密度與頻率倒數(shù)成正比?？偟膩?lái)說(shuō)，場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲總是要比晶體管小的。

無(wú)損耗的電抗元件是無(wú)噪的，而又損耗的電抗元件的噪聲就是電阻的熱噪聲。

2.1.2 電路或工藝缺陷道中的噪聲

電路或工藝缺陷的失誤可能會(huì)導(dǎo)致電路部分產(chǎn)生較小的自激振蕩，比如說(shuō)放大電路的輸出可能會(huì)耦合到輸入端產(chǎn)生自激振蕩形成噪聲，此外，電路布局的不合理也會(huì)導(dǎo)致噪聲，比如說(shuō)將某個(gè)散熱原件布放在某個(gè)對(duì)溫度十分敏感的原件旁邊，不僅影響使用壽命，也會(huì)產(chǎn)生噪聲，相比于元器件噪聲來(lái)說(shuō)，這種由電路的不合理或者工藝的缺陷產(chǎn)生的噪聲是可以通過(guò)改善電路布局和提升工藝來(lái)消除的。

2.1.3 干擾噪聲

干擾噪聲嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)應(yīng)該叫作干擾，是由外部的干擾導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生噪聲，常見(jiàn)的有空間輻射干擾噪聲，線路串?dāng)_噪聲和交流電供電的噪聲。根據(jù)現(xiàn)代電磁學(xué)，任何導(dǎo)體在通過(guò)交變電流時(shí)都會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出同頻的感應(yīng)電流，這種電流對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)是不必要的，也是一種噪聲。而線路串?dāng)_主要是通過(guò)互感和互容將鄰近線路的噪聲耦合到該條線路上。此外，設(shè)備所需的直流供電電流一般都由220V交流電壓整流濾波后形成，而濾波的不好時(shí)，就會(huì)引入家用交流電而產(chǎn)生噪聲。

2.2 噪聲的抑制措施

對(duì)于元器件噪聲，由于它是系統(tǒng)固有噪聲是不可消除的，而且噪聲功率并不大，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)基本沒(méi)有影響。而對(duì)于電路或工藝缺陷導(dǎo)致的噪聲，一般從源頭上消除，改善電路的設(shè)計(jì)和布局，改進(jìn)電路設(shè)計(jì)工藝。對(duì)于電磁干擾噪聲，一般的設(shè)備都有電磁兼容系統(tǒng)，或者將設(shè)備放置于接地的金屬柜中，可以較好的改善，而線路的串?dāng)_噪聲可以通過(guò)加共模扼流圈來(lái)抑制，而供電的交流電產(chǎn)生的噪聲，現(xiàn)在的很多發(fā)燒友都通過(guò)購(gòu)買昂貴的電源濾波器，對(duì)供電的交流電進(jìn)行整流濾波。

2.3 音響系統(tǒng)中的濾波器

音響系統(tǒng)中，為了重現(xiàn)高品質(zhì)的音樂(lè)，一般是將音頻信號(hào)分為高頻和低頻，然后分別通過(guò)功放，進(jìn)行功率放大。

圖1 音響系統(tǒng)中的濾波器

在將音頻信號(hào)的高低頻分離的過(guò)程中，一定要保證分離的高低頻的信號(hào)的相位一致，不然會(huì)嚴(yán)重影響音質(zhì)。濾波器一般使用二階巴特沃斯數(shù)字濾波器，通頻帶的頻響十分平滑，只是衰減特性較為欠缺，總的來(lái)說(shuō)，性能是極其優(yōu)異的。

3 耳機(jī)系統(tǒng)的噪聲和濾波器

3.1 耳機(jī)系統(tǒng)的噪聲

耳機(jī)系統(tǒng)的噪聲主要來(lái)源于外部噪聲，耳機(jī)系統(tǒng)通過(guò)耳塞將音頻信號(hào)直接送到人耳，系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲是幾乎可以忽略不計(jì)的，主要是周圍環(huán)境的噪聲影響人耳接收音頻信號(hào)，往往人們可以通過(guò)調(diào)大耳機(jī)音量來(lái)增強(qiáng) 信噪比 ，來(lái)改善周圍的噪聲的影響，但是這種方法會(huì)嚴(yán)重的影響聽(tīng)力，對(duì)耳朵也有一定的損傷。

3.2 耳機(jī)系統(tǒng)的噪聲抑制

3.2.1 被動(dòng)降噪

被動(dòng)降噪方法是一種無(wú)源的，物理降噪方法，主要是通過(guò)利用物理性質(zhì)將外界的噪聲與耳朵隔絕開來(lái)，比如說(shuō)通過(guò)隔音材料或者特定的結(jié)構(gòu)吸收噪音的能量，常見(jiàn)的頭戴式耳機(jī)，可以很好的將耳朵與外界噪音隔絕，但是這種方法一般對(duì)高頻的噪聲有效，可阻擋大約15到18dB，但是對(duì)低頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，就顯得無(wú)力。

3.2.2 主動(dòng)降噪

主動(dòng)降噪方法是一種有源降噪方法，是德國(guó)的物理學(xué)家Paul Leug申請(qǐng)的專利，這種方法的思想很簡(jiǎn)單，兩個(gè)相同頻率，振幅相同但是相位相反的音波信號(hào)疊加可以產(chǎn)生相消性干涉，只要在噪聲入耳之前，得到噪聲的頻率幅度相位并造出一種與噪聲同頻同幅反相的信號(hào)與之抵消，便可達(dá)到降噪的目的。

圖2 耳機(jī)系統(tǒng)的噪聲抑制

但是周圍環(huán)境的噪聲總在不斷的變化，系統(tǒng)中的參數(shù)也在不斷變化，這就要求降噪系統(tǒng)要有隨著環(huán)境自動(dòng)適應(yīng)的能力，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代濾波器理論的發(fā)展，自適應(yīng)濾波器被廣泛用于數(shù)字降噪系統(tǒng)中，對(duì)噪聲的有源降噪也變成了現(xiàn)實(shí)。

3.3 耳機(jī)系統(tǒng)中的濾波器

3.3.1 自適應(yīng)濾波器

自適應(yīng)濾波器是一種根據(jù)環(huán)境改變而調(diào)整自身系數(shù)和結(jié)構(gòu)的濾波器，在耳機(jī)主動(dòng)降噪中應(yīng)用的最廣泛的是基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器。LMS自適應(yīng)濾波器叫最小均方自適應(yīng)濾波器，簡(jiǎn)介如下：設(shè)橫向自適應(yīng)數(shù)字濾波器的輸入為x（n），濾波器的輸出為y（n），理想輸出為d（n），自適應(yīng)濾波器的加權(quán)系數(shù)為，則，μ為收斂因子。

LMS算法主要是通過(guò)計(jì)算濾波器輸出的信號(hào)與理想輸出的誤差信號(hào)，以誤差信號(hào)為因子調(diào)整濾波器的加權(quán)系數(shù)，但是LMS自適應(yīng)濾波器的收斂過(guò)于依賴輸入信號(hào)的功率譜密度，使收斂速度變得極慢，而且算法的收斂速度，跟蹤能力與系統(tǒng)的穩(wěn)定有著不可調(diào)和的矛盾。

3.3.2 預(yù)測(cè)濾波器

由于數(shù)字降噪耳機(jī)需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換，信號(hào)會(huì)存在一定延遲，因而濾波器必須對(duì)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)濾波器利用噪聲數(shù)字信號(hào)的前k個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出y（n），并采集當(dāng)前的噪聲信號(hào)x（n），用于預(yù)測(cè)下一刻的噪聲信號(hào)。這種方法在噪聲頻率較低的情況下優(yōu)于LMS自適應(yīng)濾波器，但是在高頻噪聲的環(huán)境里，效果次于LMS自適應(yīng)濾波器。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了音響系統(tǒng)中的噪聲來(lái)源和音響系統(tǒng)的濾波器，以及被動(dòng)降噪和主動(dòng)降噪方法，并簡(jiǎn)要介紹了主動(dòng)降噪的自適應(yīng)濾波器和算法。隨著科技發(fā)展，對(duì)噪聲一定有越來(lái)越有效的抑制方法，同時(shí)隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，耳機(jī)中主動(dòng)降噪的過(guò)程智能化，降噪模式自動(dòng)選擇會(huì)成為未來(lái)主動(dòng)降噪耳機(jī)的新思路，根據(jù)噪聲的特性選擇最佳的降噪模式，會(huì)是降噪耳機(jī)的革命性進(jìn)展。而對(duì)于音響系統(tǒng)，低噪、小失真的元件和電路是高品質(zhì)音響的趨勢(shì)，更優(yōu)異的多分頻濾波器也會(huì)對(duì)音響系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響。

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