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2022-01-26 13:52:51
主動(dòng)降噪技術(shù)向空間降噪領(lǐng)域擴(kuò)展 實(shí)際應(yīng)用中仍面臨不少挑戰(zhàn)
2022-01-26 13:52:51 來源: 中國(guó)電子報(bào)
隨著TWS藍(lán)牙耳機(jī)在過去幾年中以指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)速度迅速崛起，主動(dòng)降噪(ANC)技術(shù)開始被人們所關(guān)注，應(yīng)用范圍也日益廣泛，從耳機(jī)等單點(diǎn)降噪，向汽車、家居等空間降噪領(lǐng)域擴(kuò)展。比如近日特斯拉就在其新款Model S和Model X中加載了主動(dòng)降低道路噪音的功能。不過，主動(dòng)降噪技術(shù)特別是三維空間降噪，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中仍然存在不少挑戰(zhàn)，如克服路噪、風(fēng)噪等干擾，改善消費(fèi)體驗(yàn)，提升市場(chǎng)接受度，將是未來重要的發(fā)展方向。
單點(diǎn)加空間 應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)張
隨著生活質(zhì)量的改善，人們對(duì)外部寧靜環(huán)境的需求越來越高。在國(guó)際衛(wèi)生組織發(fā)布的一份世界聽力報(bào)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(shù)字有可能增加1.5倍以上。
這是加裝主動(dòng)降噪功能的TWS藍(lán)牙耳機(jī)受到青睞的重要原因之一。具備主動(dòng)降噪技術(shù)的音響設(shè)備可以幫助人們避免遭受外界的干擾，改進(jìn)聽覺享受，同時(shí)也能降低噪音對(duì)聽力的損害。根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，2021年TWS無線耳機(jī)的出貨量將達(dá)到3.5億副，同比增長(zhǎng)50%左右，主動(dòng)式降噪功能成為2021年的主流規(guī)格。預(yù)計(jì)2024年TWS無線耳機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到401.3億美元。
主動(dòng)降噪技術(shù)并不僅僅局限在耳機(jī)中使用，目前已開始向汽車、家居等新領(lǐng)域擴(kuò)展。特斯拉就在其新款Model S和Model X中，加載了主動(dòng)降低道路噪音的功能。Molex莫仕汽車解決方案業(yè)務(wù)部門副總裁兼總經(jīng)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(guān)重要。”涵蓋火車、飛機(jī)等公共交通領(lǐng)域，以及重型機(jī)械等非公路應(yīng)用，對(duì)于降噪技術(shù)亦有興趣。就汽車降噪這一市場(chǎng)來看，汽車行駛過程中的噪音來源主要可以分為發(fā)動(dòng)引擎噪音、胎噪、路噪、風(fēng)噪、空調(diào)噪聲等幾個(gè)主類。繁雜的道路噪音、風(fēng)噪和汽車暖通空調(diào)噪聲，以及低頻聲音，將干擾駕駛，增加駕駛員的負(fù)擔(dān)。采用主動(dòng)降噪技術(shù)可以避免安裝昂貴且笨重的吸音材料，具有巨大的市場(chǎng)空間。
此外，主動(dòng)降噪技術(shù)還被應(yīng)用于室內(nèi)。伴隨對(duì)居住要求不斷提高，針對(duì)窗外及家用電器運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲源，人們開始使用主動(dòng)降噪控制室內(nèi)噪聲，改善聲音環(huán)境。安聲科技CEO劉益帆表示，家電領(lǐng)域市場(chǎng)盤子足夠大、用戶基數(shù)高、行業(yè)門檻相對(duì)較低，通過讓消費(fèi)者在購(gòu)買家電產(chǎn)品的同時(shí)也能購(gòu)買到新的降噪體驗(yàn)，是一個(gè)值得探索的方向。在家電領(lǐng)域，90%以上的噪音都來源于風(fēng)與機(jī)械振動(dòng)的噪音，可針對(duì)性地進(jìn)行降噪產(chǎn)品開發(fā)。
不過，到目前為止，市場(chǎng)上空間降噪的應(yīng)用仍然相對(duì)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(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)一步的探索。
底噪或風(fēng)噪 現(xiàn)實(shí)干擾依然頻出
中科院聲學(xué)研究所資料顯示，主動(dòng)降噪的原理是通過發(fā)出與噪聲相位相反，頻率、振幅相同的聲波與噪聲干涉實(shí)現(xiàn)相位抵消。也就是說，相對(duì)于傳統(tǒng)的通過阻隔吸聲的方式實(shí)現(xiàn)降噪，主動(dòng)降噪可以利用麥克風(fēng)偵聽噪聲聲波，然后經(jīng)過處理發(fā)出反向聲波，使二者在傳播過程中相互干涉抵消，進(jìn)而將噪音中和。
這一技術(shù)原理在1933年被德國(guó)物理學(xué)家Paul Lueg提出。1989年，具備相關(guān)功能的產(chǎn)品首次被專業(yè)音響品牌BOSE量產(chǎn)，第一批用戶是飛行員、機(jī)場(chǎng)地勤等長(zhǎng)時(shí)間暴露在噪聲環(huán)境中的人員。2000年，主動(dòng)降噪逐漸進(jìn)入民用市場(chǎng)。
就目前的情況來看，雖然相關(guān)應(yīng)用市場(chǎng)的規(guī)模越來越大，但由于消費(fèi)者的要求越來越高，主動(dòng)降噪技術(shù)所面對(duì)的挑戰(zhàn)也在增多。根據(jù)ADI中國(guó)產(chǎn)品事業(yè)部高級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理何源的介紹，當(dāng)前影響主動(dòng)降噪實(shí)現(xiàn)的干擾項(xiàng)有很多，包括底噪、風(fēng)噪、沖擊爆破聲、負(fù)壓感，以及個(gè)人使用習(xí)慣、產(chǎn)品量產(chǎn)效率等。
底噪可以理解為整個(gè)系統(tǒng)的綜合噪聲。底噪來源于聲學(xué)器件的本底噪聲，如芯片本身的電噪聲、藍(lán)牙發(fā)射的干擾、有線和無線器件的耦合，再加上降噪調(diào)試過程中有時(shí)會(huì)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(dāng)消費(fèi)者在一個(gè)相對(duì)安靜的場(chǎng)景中打開主動(dòng)降噪功能，有可能出現(xiàn)器件產(chǎn)生的噪聲比環(huán)境噪聲還大，降噪變成了增噪。
風(fēng)噪也是一種常見且不易解決的問題。當(dāng)用戶在戶外打開主動(dòng)降噪功能時(shí)，由于有風(fēng)刮進(jìn)來，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行一定的處理。這些處理產(chǎn)生的噪聲有可能會(huì)被放大，反而變得更加刺耳。在戶外，風(fēng)噪是很常見的場(chǎng)景，解決不好會(huì)很大程度影響用戶體驗(yàn)。
主動(dòng)降噪技術(shù)在空間降噪的實(shí)際應(yīng)用中，效果有時(shí)也不理想。有報(bào)道反映，Model S在崎嶇道路行駛中開啟主動(dòng)降噪功能，車廂內(nèi)的環(huán)境噪音會(huì)有所降低，但效果并不是很明顯。
Molex莫仕業(yè)務(wù)發(fā)展工程師Kurt Dekoski指出，基于車輛設(shè)計(jì)存在許多挑戰(zhàn)，每個(gè)車輛都具有不同的聲學(xué)性能，因此，降噪系統(tǒng)必需具備充足的適應(yīng)性，針對(duì)個(gè)別車輛的聲學(xué)變化進(jìn)行校準(zhǔn)。
傳感與編解碼 芯片發(fā)揮重要作用
從主動(dòng)降噪的產(chǎn)業(yè)鏈觀察，最底層當(dāng)屬負(fù)責(zé)信號(hào)輸入輸出的傳感器，由它進(jìn)行環(huán)境噪音的監(jiān)測(cè);第二層是信號(hào)處理芯片，分析噪音曲線，進(jìn)行音頻的編解碼;再往上則是語義理解、智能交互的企業(yè);最上層還有智能設(shè)備、數(shù)據(jù)運(yùn)用等相關(guān)企業(yè)。在這個(gè)鏈條上，集成電路技術(shù)發(fā)揮著重要作用。
Kurt Dekoski就表示：“在推動(dòng)ANC技術(shù)繼續(xù)發(fā)展方面，芯片技術(shù)發(fā)揮著舉足輕重的作用。”比如基于加速度計(jì)設(shè)計(jì)的道路降噪(RNC)傳感器，可以安裝在汽車底盤上，用于環(huán)境噪音的監(jiān)測(cè)，以獲得更加準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)，幫助消除有害的道路噪音、風(fēng)噪和汽車暖通空調(diào)噪聲及低頻聲音。“減少電子設(shè)備延遲的技術(shù)進(jìn)步，一直是其中關(guān)鍵?？紤]到輪胎聲音到達(dá)駕駛員耳朵需要0.009 秒時(shí)間，因此，能夠?qū)?shù)據(jù)從車輪附近的傳感器傳輸?shù)教幚砟K，計(jì)算消除信號(hào)并在車廂內(nèi)廣播是至關(guān)重要的。”
在談到如何解決底噪問題時(shí)，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(shù)方面，要采用優(yōu)秀的數(shù)模-模數(shù)(ADC-DAC)器件，以降低噪聲。在數(shù)字技術(shù)方面，采用靈活的指令集，調(diào)整優(yōu)化音頻路徑，從數(shù)字端降低噪聲。”一款優(yōu)質(zhì)的ANC設(shè)備甚至要從系統(tǒng)級(jí)做起，在布板布線的時(shí)候就要考慮避免器件間的相互干擾。
風(fēng)噪問題也可以通過硬解碼的方式解決，比如加裝硬件級(jí)別的檢測(cè)模塊，當(dāng)感知到麥克風(fēng)受到外部風(fēng)的沖擊時(shí)，立即開始進(jìn)行動(dòng)態(tài)的檢測(cè)和調(diào)整，避免噪聲的出現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)方式是硬件級(jí)別的，實(shí)時(shí)性與低功耗都可以得到保證。
總之，更優(yōu)質(zhì)的聽覺體驗(yàn)開始受到人們?cè)絹碓礁叩年P(guān)注，整個(gè)市場(chǎng)前景值得期待。但是，整個(gè)產(chǎn)業(yè)特別是空間降噪仍處于起步階段，實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一系列干擾問題需要從業(yè)者一點(diǎn)一滴解決。
關(guān)鍵詞： 主動(dòng)降噪技術(shù) 應(yīng)用領(lǐng)域 消費(fèi)體驗(yàn) 市場(chǎng)接受度
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