专利名称：反馈式主动消噪耳机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子与通讯、仪器仪表技术，具体是反馈式主动消噪耳机。
背景技术：
市售的消噪耳机消噪效果不尽理想，平均消噪一般在10db左右且价格昂贵。在欧美市场上一款名牌消噪耳机价格都在150美元以上，如Bose牌消噪耳机售价300美元，人民币3600元。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术存在的缺陷，提供一种反馈式主动消噪耳机，采用反馈式主动闭环消噪原理设计滤波、移相、放大和补偿电路，在耳机的物理结构，反馈环的安排，元器件及耳机材料的选择上进行了改造，使耳机的性能更稳定，消噪效果更好，在100-400HZ范围内耳机平均噪声衰减在20db，最大噪声衰减在35db。
如图1所示，本发明的反馈式主动消噪耳机主要由咪头、移相滤波器、放大器、喇叭组成，其中咪头所接收到的噪声和音乐减去由音频放大器输出的音乐信号，得到纯噪声，纯噪声再和音乐信号叠加在一起，通过移相滤波器，把高低频滤掉，再经过音频放大器进行放大和通过对喇叭反接，从而使噪声信号反相来驱动喇叭，从而把外面的噪声对消掉。
本发明的反馈式主动消噪耳机的电路原理图如图2所示，其中U1、C3、C6、C9、R14、C11、D1组成电源模块，给TPA711、咪头供电，首先，音乐信号从P5进来，经过由R2、C2所组成的全通滤波器，咪头接收到的噪声和音乐从喇叭反馈回来的音乐信号通过U1相减，得到纯噪声再和音乐信号叠加，从C8进入核心芯片TPA711进行放大和滤波，其中，由R17、C14、C13、R16、R12、R13、C17、C5所组成的滤波器，信号从TPA711的5脚和8脚输出，喇叭通过接反到5脚和8脚，从而使噪声从喇叭反相输出，从而消除噪声。左耳和右耳的电路、结构相同。
TPA711芯片可以在市面上买到。本发明既可以用于单耳用耳机，也可以用于双耳用耳机。
本发明的反馈式主动消噪耳机的工作原理如下图3是本发明的反馈式主动消噪耳机的主动消噪传输框图，不加声音信号时，人耳听到的噪声降至最小，即耳膜的承受的声压最小，加入声音信号后，正常的收听不受影响。耳朵接收的声压由两部分组成第一部分为来自外部的噪声Ps(s)，其中自变量s＝jω；第二部分是喇叭的发声PL(s)，设耳膜承受的声压为Pe(s)，则Pe(s)＝Ps(s)+PL(s)(1)Pe(s)经三个传输模块Hf(s)、Hm(s)、Hs(s)后产生输出PL(s)，其中Hf(s)为麦克风输出的滤波模块，Hm(s)为放大模块，Hs(s)为移相模块，即PL(s)＝Pe(s)·Hf(s)·Hm(s)·Hs(s)代入(1)式得Pe(s)＝Ps(s)+Pe(s)·Hf(s)·Hm(s)·Hs(s) (2)从(2)式解得Pe(s)＝Ps(s)/[1-Hf(s)·Hm(s)·Hs(s)](3)当分母绝对值|1-Hf(s)·Hm(s)·Hs(s)|很大时，Pe(s)＝ε(s)趋近于零，因此可通过增大放大器Hm(s)的增益来使用耳声压减小。当式(3)的分母为零时，系统将变得不稳定，即传递函数H(s)＝Hf(s)·Hm(s)·Hs(s)的奈奎斯特图包围了点(1，0j)时，系统在某些频段产生不希望的低频或高频振动。此外，当某一频率的相移等于-360度，总体回路增益大于1，产生正反馈亦将引起啸叫，为此在麦克风的输出后面引入一低通滤波器，使易引起啸叫的高频增益小于1，即为负分贝。
当加入语音信号S(s)后，其传输框图变为图4，这时人耳的声压Pe(s)仍由喇叭发声PL(S)及入侵耳罩的噪声Ps(s)合成，在经过麦克风转成电信号后再与语音信号合成，一併送入低通滤波器Hf(s)再放大，故仍有Pe(s)＝Ps(s)+PL(s)其中PL(s)＝[Pe(s)+S(s)]·Hf(s)·Hm(s)·Hs(s)代入(1)式解得Pe(s)=Ps(s)+S(s)·Hf(s)·Hm(s)·Hs(s)1-Hf(s)·Hm(s)·Hs(s)---(4)]]>当放大倍数很大时(4)式变为Pe(s)＝ε(s)+S(s)(5)
ε(s)为噪声产生的声压，即语音信号不受滤波和放大的影响，当放大倍数很大时，ε(s)很小，信噪比很大，可以听到清晰的语音信号。
本发明与现有技术相比，具有如下优点1、采用主动式电子消噪，内置麦克风作传感器，闭环负反馈，二阶全通移相滤波器，达到最大限度地消除噪声，又不引起啸叫或振荡，保证电路的稳定性。
2、设计通信信号补偿模块，减少了消噪环节对通信信号的影响，保持了信号的不失真。
3、设计了低频和高频振荡抑制电路及合理的耳机结构，使系统稳定，适宜在噪声环境中长期佩带。
4、系统设计符合大批量生产的工艺要求，批量生产成本每个在50元以内，性价比高。
5、该耳机与常规的物理隔音耳机比较能有效地消除进入人耳的噪声，保护人的听觉系统，使人在重噪声的环境中(飞机起降，火炮或重型机械操作等)能正常工作、通信，不受外噪声的干扰；在100～400HZ范围内耳机平均噪声衰减在20db，最大噪声衰减在35db。
图1是本发明耳机的结构示意图；图2是图1的电路原理图；图3是本发明耳机反馈式消噪的传输框图；图4是本发明耳机加入语音信号后的传输框图；图5是闭环消噪耳结构示意图；图6是二阶低通滤波器结构示意图；图7是图6中的二阶低通滤波器的频率特性；图8是放大器模块结构示意图；图9是图8中的放大器的频率特性；图10是喇叭至麦克风的传输特性；图11是本发明耳机的消噪效果图；图12喇叭和麦克风的频率特性。
具体实施例方式
本发明的头戴耳机采用隔音效果较好的聚合物材料制成，可以隔除500Hz以上的大部分高频噪声，对500Hz以下的低频噪声则采用闭环消噪电路消除。
在最初的试验中，加大电路的放大倍数的确可以降低耳罩中的噪声，提高信噪比，但由此亦引起低频或高频振荡，使电路变得不稳定，对式(4)将在使分母为零的频率(同时满足相位和幅值条件)处产生振荡，故必须小心设计低通滤波器和移相器，使系统在稳定和消噪效果上达到最佳平衡点。
闭环消噪采用大的放大倍数降低噪声，并使用密封式耳罩衰减高频噪声，密封耳罩中所积聚的热量和为消除噪声扰动形成的压力给耳机配戴者带来很大的不适，为此设计了半封闭式结构，用安装喇叭的隔板将耳罩分成两个隔开的空间，见图6，这两个空间分别有小孔与外相通，这样降低了工作时耳朵承受的压力，消噪效果也会有所降低。图5中1、2空间要严格分隔开，否则1腔的声波引入至2腔将形成正反馈，引起振荡使系统不稳。
在设计时选用芝麻电阻及电容元件、小型扬声器、麦克风、小封装音频放大器，印刷电路板的设计应使得整个系统必须安装在耳罩内。
滤波器采用sallen_keg二阶低通滤波器，如图6所示其传输函数；H(S)=AfR1R2C1C2S2+S(1R1C1+1R2C2+1-AfR2C2)+1R1C1R2C2---(6)]]>其中Af=1+R3R4]]>该滤波器的幅频及相频特性如图7所示其中特征频率ω02=1R1C1R2C2]]>ω0频处的幅值H0=1+RfRr]]>Q值由下式计算1Q=R2C2R1C1+R1C2R2C1+(1-Af)R1C1R2C2]]>令R1·C1＝R2·C2则1Q=3-Af,Q=13-Af]]>当Af→3时，Q值有一峰点。以上ω0的计算结果单位为弧度，转化为Hz时要除以2π。
放大器选用高精度音频放大器配以必要的外部电路如图8所示。
放大器的传输函数H(S)=2[1+AfR1R2C1C2S2+S(1R1C1+1R2C2+1-AfR2C2)+1R1C1R2C2]]]>此放大器的幅频特性和相频特性如图9所示。
移相器采用全通滤波器，增益为1，在100～500Hz范围对相位作适当调整。在100～500HZ频率范围内放大器具有较大的增益，但相位不应有很大的变化，当电路参数选择不当时，电路增益较大，虽然有很好的消噪效果，但在某些频率相移已经有360度，将引起振荡或啸叫，使电路不稳定。电路参数的调整必须非常细微的进行，以达到最大限度地消除噪声，又不至于引起啸叫或振荡，保证电路稳定性。
仿真电路频率特性仿真可以在某个电子线路仿真平台(例如EWB)上进行，但闭环系统中的喇叭与麦克风环节(图10)难以仿真，它们之间的传输特性与喇叭和麦克风各自的频率特性以及它们之间的相对位置有关，在本系统中测得喇叭及麦克风各自的频率特性如图12所示，实测该环节的传输特性如表1所示，输入喇叭的信号由信号发生器产生，电压有效值为0.5V，麦克风的外接电压为1.8V，分压电阻为4.7K。
表1是喇叭至麦克风的传输特性，设计一个电路传输模块与表1喇叭至麦克风的传输特性相同，再用此模块代替喇叭至麦克风的传输模块，进行电路仿真，用以较准系统的幅频及相频特性，当电路参数选择不当时，电路在输出处会有输出波形，表明系统不稳，产生了振荡。
表1
通过在B&K电声综合测试仪实测获得衰减的分贝数据、所有数据，如表2所示，表2
从上表可以看出，与国内外同类耳机比较，本发明具有较大的噪声衰减分贝数。本发明耳机可以采用下列元件数量 数值 流水号 封装2 1K5 R15 R1606038 1KC15 R5 R6 0603R7 R10 R13R19 R201 2.2UF C7 12061 2.2uF/16V C8 12063 3K3 R8 R9 R14 06032 3K3 VR1 VR2VR2 10uF/16V C3 C6 12061 22UF/16V C16DIP1 22u/16v C17DIP2 33K R17 R1806032 47K R3 R4 06032 82K R1 R2 06032 103 C4 C5 06033 104 C9 C10 C13 06032 104 C12 C14RAD0.21 104uF C1112062 202 C1 C2 06032 470 R11 R1206031 7150-1U1 SOT-891 LED D2 DIP12 MIC MICL MICR P12 SPK SPL SPRP1其中咪头对准喇叭，放在耳机内面板中间，有的两块核心芯片用TPA711。
权利要求
1.一种反馈式主动消噪耳机，其特征在于主要是由咪头、移相滤波器、放大器、喇叭组成，其中咪头所接收到的噪声和音乐减去由音频放大器输出的音乐信号，得到纯噪声，纯噪声再和音乐信号叠加在一起，通过移相滤波器，把高低频滤掉，再经过音频放大器进行放大和反相来驱动喇叭，从而把外面的噪声对消掉。
2.根据权利要求1所述的反馈式主动消噪耳机，其特征在于所述咪头对准喇叭，放在耳机内面板中间。
3.根据权利要求1或2所述的反馈式主动消噪耳机，其特征在于其电路中，U1、C3、C6、C9、R14、C11、D1组成电源模块，给TPA711、咪头供电，首先，音乐信号从P5进来，经过由R2、C2所组成的全通滤波器，咪头接收到的噪声和音乐从喇叭反馈回来的音乐信号通过U1相减，得到纯噪声再和音乐信号叠加，从C8进入核心芯片TPA711进行放大和滤波，其中，由R17、C14、C13、R16、R12、R13、C17、C5所组成的滤波器，信号从TPA711的5脚和8脚输出，喇叭通过接反到5脚和8脚，从而使噪声从喇叭反相输出，从而消除噪声。
全文摘要
本发明涉及一种反馈式主动消噪耳机主要是由咪头、移相滤波器、放大器、喇叭组成，其中咪头所接收到的噪声和音乐减去由音频放大器输出的音乐信号，得到纯噪声，纯噪声再和音乐信号叠加在一起，通过移相滤波器，把高低频滤掉，再经过音频放大器进行放大和反相来驱动喇叭，从而把外面的噪声对消掉。本发明采用反馈式主动闭环消噪原理设计滤波、移相、放大和补偿电路，在耳机的物理结构，反馈环的安排，元器件及耳机材料的选择上进行了改造，使耳机的性能更稳定，消噪效果更好，在100－400Hz围内耳机平均噪声衰减在20db，最大噪声衰减在35db。
文档编号H04R3/00GK1688179SQ200510033638
公开日2005年10月26日 申请日期2005年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者余成 申请人:东莞理工学院