耳机被动降噪特性分析

郑保宾，唐文其

(中山市天键电声有限公司，广东 中山 528447)

与主动降噪利用咪头、电子滤波器、喇叭产生反相信号和外界噪声相互抵消不同，被动降噪是利用耳机结构体阻隔声传播，进而减小到达人耳的噪声。文献[1]基于前馈降噪原理，研究了入耳式耳机的主动降噪特性。根据文献[1]的分析，受限于延时等物理因素制约，目前在耳机上使用的主动降噪技术主要衰减低频噪声，起作用的频段一般在1 kHz以下，更高频的噪声需要依赖耳机的被动降噪进行衰减。配合主动降噪，合理设计耳机的被动降噪特性，可以使耳机对不同频段的噪声都能起到较好的抑制作用，从而更好地保护处于各种各样噪声环境下的人们的听力。

本文基于对耳机被动降噪曲线进行实验室测量和模型仿真以及理论分析，探讨了影响耳机被动降噪特性的因素，为耳机的实际设计提供参考。

1 入耳式耳机被动降噪测试结果和理论分析

1.1 测试方法

本文的被动降噪曲线通过将耳机放置在有一定混响时间的混响室中测得，房间长宽高约为5 m×3 m×4 m，房间内壁上贴有吸音棉，用于抑制驻波共振。房间的四个角落放置四个音箱，测试时馈给音箱白噪声信号，然后通过仿真耳采集佩戴耳机前后的噪声，计算出差别，即可得到被动降噪曲线。本文中的入耳式耳机采用IEC711[2]仿真耳测试，耳罩式耳机采用 Gras-45CA 作为仿真耳进行测试。

1.2 测试结果

耳机的被动降噪特性在低频普遍认为近似是一个由泄漏阻和前腔容积决定的1阶低通滤波器响应。如图1所示，是一款入耳式耳机的实测结果，灰线为RC模型计算结果。入耳式耳机的典型结构如图2所示。

由图1可知，用1阶低通滤波器响应可以很好的预测耳机在1 kHz以下的低频被动降噪特性，但在高频段，尤其是在3 kHz以上，出现了一些新的共振机制，是1阶RC模型所不能揭示的，尤其是7 kHz附近的峰，使入耳式耳机的高频降噪能力变差。

1.3 类比线路图模型和被动降噪影响因素分析

利用类比线路图理论[3,4]和文献[5]-[6]中提供的腔体、小孔、管道模型，本文建立了仿真线路图，如图3所示。

图3中Pa指外界噪声压力，Rba、Mba指耳机后腔出声孔的声阻、声质量；Cba、Casp、Cfa分别指耳机后腔容积、喇叭后腔容积、耳机前腔容积提供的声顺；Rmesh、Masp指喇叭后出声孔上贴的网布阻尼和出声孔声质量；Rema指电阻尼和力阻尼类比到声学端的总声阻尼；Mmsa、Cmsa指喇叭振动系统有效振动质量和力顺类比到声学端的声质量和声顺，Rfl、Mfl指前腔泄漏孔的声阻尼和声质量；Mfa、Rfa指前出声嘴的声质量和声阻尼，tube指IEC711仿真耳管道模型；Zdrum是管道末端的声阻抗，可参考IEC711仿真耳[2]相关标准建立模拟人耳声阻抗的仿真耳模型。

模型假定耳机前腔泄漏孔和后腔出声孔处的噪声压力近似相等，根据本模型计算得到的被动降噪曲线如图4所示。由图4可知，本文所建立的线路图仿真模型，理论计算结果和实测结果在高频段也可比较接近。

由文献[3]，对于一端开口的均匀有限长管，假设末端刚性封闭，此时入射声波被全部反射，取管末端为坐标原点，管中声压沿空间分布为：

P=2Paicos(kx)

(1)

Pai是到达管中的入射波声压。对于管末端的声压，即x=0处，声压为2Pai。另外根据文献[3]的推导，对于末端刚性封闭的管，当管长等于1/4波长时，管口的输入阻抗趋近于0，当管长等于1/2波长时，管口的输入阻抗为无穷大。IEC711仿真耳外耳道加内耳道的总长度，本文模型取为24mm，对于1/4 波长共振，对应频率约为3.5 kHz；1/2波长共振，对应频率点约为7 kHz。

当不佩戴耳机，噪声自由的由空气入射到IEC711仿真耳时，3 kHz附近会有个共振峰，说明此时1/4波长共振时，管口输入阻抗与外界相匹配，入射到管中的声压Pai取极大值，管末端的声压即2Pai也取极大值，所以产生共振峰。要注意管口的声压由入射波声压和管中的反射波声压叠加合成，此时取的是极小值。当佩戴上耳机，入射噪声通过耳机结构体的泄声孔进入管道，管口阻抗匹配条件发生较大变化，当1/4波长共振时，入射到管中的声压此时取极小值，而1/2波长共振时，取极大值。

通过模型仿真，可以得到不同后腔、前腔容积条件下的被动降噪曲线，如图5所示。

由图5可知，后腔容积主要影响3kHz附件的被动降噪特性，前腔容积主要影响3 kHz以上的高频特性，当前腔容积取得较大时，可以降低7 kHz附近的共振峰，但会牺牲耳机听音乐时的高频响应，所以实际中需折中考虑。

1.4 耳套对被动降噪的影响

通过更换耳套，本文首先测试了同一耳机在佩戴尺寸规格相同，但硬度不同的硅胶耳套条件下的被动降噪曲线，如图6a所示。然后测试了4款在材质和几何规格上都有些区别的硅胶耳套的被动降噪曲线，如图6b所示。图6b中红色曲线对应的耳套材质上较软，其余3款材质偏硬。

由图6a可知，尺寸不变，改变耳套的硬度，可以削弱3 kHz附近的谷。由图6b可知，不同规格的耳套被动降噪曲线在高频有较大的差异。此结果表明通过合理优化耳套的几何规格和硬度，改变管道入口处的边界条件，可以对管道共振起到抑制作用，从而改善入耳式耳机的高频被动降噪特性。

2 耳罩式耳机被动降噪特性

本文接下来基于耳罩式耳机被动降噪曲线实测结果，对耳罩式耳机的被动降噪特性做简要分析。考虑头戴耳机噪声入射的复杂性，本文不打算再建立线路图仿真模型，只做定性分析。如图7所示，是一款耳罩式耳机的结构示意图。

对于耳罩式耳机，外界噪声进入耳道的途径，除了通过泄气孔之外，还可通过在耳套表面透射进入。如图7所示，耳套由外皮，泡棉，内皮组成，空气中的振动噪声首先会通过外皮透射进入泡棉，经泡棉对声音产生粘滞吸收后，到达内皮，再经内皮透射进入前腔，最终到达耳道。图8a是不同外皮厚度条件下的被动降噪曲线。厚度01对应初始耳套，02和03是在01基础上不断增加外皮厚度测得。厚度01耳套低频被动降噪较差，还跟耳套泡棉填充不饱满，皮内部有空隙，造成低频噪声能大部分透射进入有关。

图8 b 是分别以透气的网布和不透气的胶皮作内皮而做成的耳套测得的被动降噪曲线。由图8 b 可知，当内皮透气时，低频降噪特性要好一些，这跟通过泄气路径进入的噪声可以经内皮进入泡棉被吸收有关，声学上等效为前腔容积被放大。到了高频，泄气路径起的作用越来越少，噪声更多的通过耳套外皮透射进入前腔，此时内皮密封的耳套被动降噪要更好。

作为多孔材料的泡棉，密度不同，回弹性不同，表面孔径不同，都将影响泡棉阻隔声音的能力，本文不再做过多探究。

3 结语

管道共振是导致入耳式耳机高频被动降噪能力偏差的主要物理原因。仿真表明，通过增加前腔泄漏阻尼，前出声嘴阻尼，以及前腔容积，可降低管道共振峰，但会对耳机听音产生影响，实际中要权衡设计。通过合理设计耳套，在兼顾佩戴舒适性基础上，可削弱高频管道共振，优化耳机被动降噪能力。

对于头戴耳机的被动降噪特性，本文主要分析了耳套对降噪曲线的影响。分析表明，耳套外皮声透射系数，泡棉粘滞吸声能力以及内皮特性对耳机被动降噪都有较大影响，不同耳套的被动降噪效果可能相差很大。与入耳式耳机相比，头戴耳机的高频被动降噪能力要好很多，大部分头戴耳机的被动降噪曲线上基本看不到管道共振，这跟头戴耳机拥有较大的前腔容积有很大关系。