如何设计一款性能良好的私模ANC耳机 V1.0

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如何设计一款性能良好的私模ANC耳机 V1 .0

Hawk-eye 2021.04.25
目录
如何设计一款性能良好的私模ANC耳机...................................................................................... 1
一、结构ID设计：........................................................................................................................... 1
二、声学腔体设计：.........................................................................................................................2
三、打印3D模型并装机：.............................................................................................................. 5
四、测量传递函数：......................................................................................................................... 6
五、设计滤波器：............................................................................................................................. 6
六、降噪效果验证：......................................................................................................................... 7
七、正式开模并装机：.....................................................................................................................7
八、下载滤波器进样机：.................................................................................................................7
九、调整滤波器取得最佳降噪效果：.............................................................................................7
十、多套样机一致型验证：.............................................................................................................7
十一、小批量一致性验证：.............................................................................................................7
十三、大批量生产出货：................................................................................................................. 8
十四、如何选择关键物料：............................................................................................................. 8
十五、理想的降噪效果图长啥样：.................................................................................................8
ANC耳机从研发到量产全过程：

图 1 研发到量产流程

想要设计一款良好的私模ANC耳机，并节约不必要的研发成本，需要严格按照图 1流程来。

一、结构ID设计：

要考虑人耳道的结构，设计出贴合耳道，佩戴舒适的耳机3D模型。耳帽的大小要合适并且柔软,才能做到良好的密封性和舒适度。材质建议使用液态硅胶。
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图2 不同尺寸的液态硅胶耳帽

二、声学腔体设计：

耳机前腔后腔需要有调音孔(泄压孔)。后腔网布的开孔和关闭会影响被动降噪曲线，完全关闭被动曲线最深。前后腔调音孔的网布疏密要合理，不能太疏也不能太密。太密会导致被动降噪好过头，导致主动降噪的降噪深度被压缩；太疏了会导致被动降噪不够，导致总的降噪深度不够。

图3 不太合适的PNC 曲线

被动降噪曲线越平滑越好，（低频不宜降噪量过大）。另外就是佩戴起来越稳定要好。也就是每次佩戴都差不多（3dB 以内），而不是每次佩戴差别都很大（超过5dB）。
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前腔调音孔设计参考：

图4 耳机前腔位置的泄压/调音孔，内有细密的防尘网。

图5 耳机前腔位置的泄压/调音孔，内有细密的防尘网。

前腔主要起到平衡气压的作用，如果没有前腔，可能会导致佩戴入耳时喇叭被挤压发声。前腔一般靠近出音嘴开孔。
如果后腔没有泄压孔采用完全密封的方式，在实际使用过程中，因环境温度的变化，后音腔内空气的热胀冷缩导致气压的变化，则后音腔中的空气膨胀后不能有效的排出，或者收缩之后没有外界空气的进入，便会作用于喇叭的振膜，导致振膜变形，影响Speaker发声。
如果后腔没有泄压孔采用与耳机柄的内部空间联通的方式，且降噪硅麦也没有使用隔离硅胶套，那么喇叭和降噪MIC 的隔离度会较低，且后腔的声学路径较长也容易导致被动降噪一致性不好。隔离度较低可以使用芯片内部的算法补偿回来，不过可能会影响通透模式的人声清晰度。较长的声学路径在量产中可能会导致一致性差一些，有部分一致性差的耳机在通透模式可能会啸叫，被动不一致还会导致左右耳的降噪平衡度差。
建议后腔使用调音孔来达到泄压的作用，同时后腔与耳机柄密封隔离，保证Speaker和喇叭的隔离度在 50dB 以上。
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后腔调音孔设计参考：

图6 耳机后腔位置的泄压/调音孔，内有防尘网。

图7 耳机后音腔的泄压孔，平衡内外气压。

下图8和图9是同一款耳机的目标滤波器曲线（红色曲线）和实际滤波器曲线（淡绿色曲线），黄色曲线是理论的降噪效果曲线。图8 中，滤波器增益曲线从50Hz到lKHz都是匹配的，但是相位从200Hz开始就逐渐失配，因而理论的降噪效果也差，实测也差。增益匹配，相位失配，说明当前模具的声学传递函数有问题，必须修改模具的声学参数才能提升降噪效果。
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图8

图9是稍微修改了一下后音腔，使用蓝丁胶堵住了后音腔和手柄的通路，这样就增加了喇叭和MIC 的隔离度，同时后音腔的体积也变小。增益曲线从 100Hz到1000Hz都是匹配的，相位匹配则由原来的200Hz提升到600Hz，这样就已经覆盖了主要的降噪频段（100Hz-400Hz），理论的降噪效果也达到了20dB 以上。

图9

三、打印3D模型并装机：

使用3D打印将模具做出来，将PCB和喇叭各种物料装起来成为样机。准备好用于调试滤波器参数的3D 打印模具样机。准备多种疏密不一的音腔孔网布，准备多个大小不一的耳帽。
耳帽的大小和柔软性都要合适，这样才能很好地贴合耳道不漏气，佩戴也舒适。下图 10和图 11是同一款耳机不同的耳帽测试出来的传递函数。图 10 的耳帽柔软性不够，跟耳朵的贴合不好，佩戴会有少许漏气。对比图 10和图 11测试出来的理想滤波器可以看出来，图 11 的300Hz-1000Hz 的增益曲线和相位曲线更加平滑。图 11使用了更加柔软的耳帽，大小也合适。
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图 10

图 11

四、测量传递函数：

测量3D样机的被动降噪曲线和Bypass 曲线，由这2条曲线可以生成传递函数曲线。不同的耳帽或者不同的声学腔体网布疏密会导致被动曲线（PNC）不同，不同的降噪硅麦和喇叭会导致Bypass 曲线不同。

图 12 PNC 和Bypass 曲线

五、设计滤波器：

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传递函数确定的条件下，理想的降噪滤波器也就对应确定。使用杰理的ANC调试工具可以直接由传递函数生成目标滤波器。理想滤波器的增益和相位都是匹配的，实际的情况下，50Hz 以下和3000Hz 以上频段很难匹配上。一般3000Hz 以上的频段增益压制而不管相位匹配与否。
50Hz~3000Hz则尽可能让增益和相位匹配上，如果调试后发现增益和相位难以匹配，说明传递函数不理想，需要调整声学腔体网布或者耳帽。

六、降噪效果验证：

消音室的降噪测试结果基于人工耳的耳道结构。每个人的耳道大小不一样，因而人工耳的测试结果可能会比真实人耳的实际听感稍好一些或者稍差一些。最终以人耳的听感为准。不同的人由于耳道大小不同，需要找到合适自己耳道大小的耳帽才能体现最佳降噪效果。

七、正式开模并装机：

3D打印的样机降噪效果达到要求后就可以开模。

八、下载滤波器进样机：

正式开模的样机与3D打印的样机的声学特性基本一样，可以直接把3D样机的滤波器参数下载进去听效果。

九、调整滤波器取得最佳降噪效果：

正式开模的样机会比3D打印的样机更加细腻一些，也会更加贴合耳道，可能会导致传递函数发生细微的变化，因而降噪滤波器也需要做一些细小的调整。

十、多套样机一致型验证：

正式开模的样机准备3~ 5套，下载调好的同样滤波器参数进去，验证一致性。降噪效果误差在3dB 以内，或者人耳难以听出区别，认为一致性OK。如果降噪误差达到5dB 以上，或者人耳明显听出区别，认为一致性差，需要分析原因。
一致性差的原因：
1.硅麦的频响差异超过 1dB；相位差异超过5度；
2.样机喇叭频响差异超过2dB；相位差异超过5度；
3.样机装配打胶差异，有些样机喇叭打胶没打好导致漏气；
4.前腔后腔的网布可能脱落或者漏贴导致差异。
硅麦和喇叭的频响差异如果是平行的相差几dB，可以调整数字增益来补偿。

十一、小批量一致性验证：

图 13 低频缺失

像图 14这种比较平行的频响差异，5dB差别都可以产测校正回来。

图 14 平行的频响差别

十三、大批量生产出货：

经过了小批量一致性验证后才可以做大货。已经大货后不可以更改降噪硅麦或者喇叭，如需要更改必须再做验证通过以后才可以更改。
无论怎么复杂的ANC耳机，都是由核心的4部分组成，前音腔、后音腔、麦克风、扬声器。

十四、如何选择关键物料：

以下从幅度、相位、灵敏度、信噪比来说明相关要求：
前馈降噪MIC：只支持降噪硅麦。
1.频响幅度：要求降噪频段（典型 50Hz~3kHz）平滑，低频（100Hz 以内）不能衰减的太多。
2.相位：没有要求。
3.灵敏度：建议-38dBV/Pa。目前市面上的模拟降噪硅麦主要有-38dBV/Pa和-42dBV/Pa 2种规格。
4.信噪比：信噪比越高越好。建议选择SNR>60dB。
5.一致性：一致性要求较高，要求幅度差别 1dB 以内，相位差别 5 度以内，以保证 20dB 的降噪量。这里的幅度差别指的是趋势，频响曲线平行的幅度差别大的话没有问题，可以用增益补偿回来。如果降噪量要求不那么高，可以适当放宽要求。

喇叭：

1.频响幅度：要求降噪频段（典型 50Hz->3kHz）平滑即可，低频不能衰减的太多。
2.相位：没有要求。
3.灵敏度：越高越好（降噪频段）。典型大于 106dB。
4.一致性：一致性要求和 MIC 一样。
5.直径： φ 13 比φ10要好， φ 10 比φ8要好。直径大，低频效果会更好。