最详细的-ANC主动降噪耳机测试方案

目前，尚不存在关于ANC 耳机降噪性能的国家或国际标准。但是，我们可以使用密切相关的标准作为指导： ISO 4869 3 ，声学 护耳器 第 3 部分：利用声学测试夹具测量耳罩式护耳器的插入损耗。
此标准适用于被动护耳器，其功能与ANC 耳机相似。其指定使用声学测试夹具，例如 GRAS45CA ，其巨大的圆柱形 头部 可以在外界与其仿真耳麦克风之间形成 50dB 以上的噪声隔离源。
ISO 4869-3列出更精确的插入损耗定义：由不带护耳器的声学测试夹具的麦克风测得的 1/3 倍频程声压级与带护耳器的声压级之间的代数差（分贝）。

ISO 4869-3 规定可以使用无规入射声场，又称扩散场。在扩散场中，声波以相同概率在各个方向不规则传播，长时间均方根声级在各个点大致相同。混响室（具有几乎不吸声的刚性声波反射面的特殊腔室）中可制造扩散声场。

下图展示了一种由扬声器产生指向混响室角落的无规噪声，从而制造扩散声场的方法。

制造扩散声场方法示意图

当使用无规入射声场时，ISO 4869-3 对声场的均匀度有严格的要求。
那，不想费心制造扩散声场，又该怎么做呢？
进行测试：
不制造扩散声场，可以将一对立体声扬声器放置在耳机测试夹具两侧，以此合理预估ANC耳机性能。这是用于创建本威廉希尔官方网站 说明随附的APx项目文件的配置。注意，使用符合ISO4869-3的扩散声场将遵循相同的步骤，只是需要另行测量以验证声场的均匀度。

对称放置在耳机测试夹具两侧的立体声扬声器

1、测试设备：
以下试验设备用于创建项目文件——

● APx555 音频分析仪

● APx1701 传感器测试接口

● GRAS 45CA 耳机测试夹具

● GRAS 42AG 声级校准器

APx1701传感器测试接口是此应用的便捷附件，具有两个功率放大器可以驱动立体声扬声器以及耳机测试夹具两个仿真耳麦克风的恒定电流功率（CCP）。同时，还支持TEDS（传感器电子数据表），这意味着分析仪可以利用编程到各个麦克风内部芯片中的校准数据自动校准麦克风。

#2

测量概述

通过将耳机测试夹具暴露于高电平的宽带噪声（测试信号）衡量ANC性能，其中宽带噪声是通过用粉红色噪声信号驱动扬声器而产生的。

使用APx中的倍频程分析测量进行测量。 （ 此 测量功能不是APx软件固有的，需要安装APx倍频程分析插件 ） 在以下条件下测量仿真耳中的声压级（SPL）频谱：

● 裸耳（夹具上无耳机），无测试信号（以测量试验箱内的环境噪声级）

● 裸耳，有测试信号

● 测试夹具上安装耳机但关闭 ANC，有测试信号

● 与上一点相同，但打开ANC

步骤1和步骤2测得的频谱之差得到测量的信噪比估计值（在本例中，信号为放大粉红噪声）。步骤3、步骤4以及步骤2测得的频谱之差分别得到耳机的被动衰减估计值和被动+主动衰减估计值。

#3

项目文件

项目文件名为

“ANC Headphones.approjx”，具有两个序列，一个名为“Cal Ear Simulators”，另一个名为“ANC Measurement”。

要运行一个序列，先用Navigator标题栏下方的 Sequence控件将其选中，然后单击Sequence控件下方的Run Sequence按钮（带有三角形“播放”符号的按钮）。

显示序列选择器和第一信号通路的APx Navigator

Cal Ear Simulators序列在名为“Signal Path1 – Cal Ear Simulators”的信号通路中运行Signal Path Setup测量。此测量调用两个序列步骤，这些步骤首先校准TEDS中的左右仿真耳。然后，调用两个提示步骤，每个步骤分别通过声级校准器校准左右仿真耳。在本例中，由于使用TEDS校准仿真耳，因此使用声级校准器另行校准不是绝对必需的。但是，最好尽可能使用校准器，这样可以验证连接的完整性并进一步确认仿真耳麦克风的工作状态达到预期。

从TEDS校准麦克风时，Microphone Calibration 对话框中的Serial#和Expected Sensitivity字段填写仿真耳麦克风数据。

Microphone Calibration对话框
因此，当显示校准提示时 （下图）

APx序列步骤调用的校准提示

如果测得的灵敏度与期望值的差异超过Sensitivity Tolerance（本例中为1dB），则 Sensitivity字段显示红字，而不是如图所示的黑底绿字。灵敏度超出允差范围也会导致序列失败，因此Expected Sensitivity字段不用时务必予以清除。

项目文件中名为“ANC Measurement”的序列首先调用Device ID提示前置序列步骤，然后运行名为“ SignalPath2–ANC Measurements”的信号通路。用户在此提示下提供的Device ID存储在APx变量中，随后显示在序列报告中。

信号通路设置节点中有一个重要的配置设置，用于将参考值从信号通路1复制到信号通路2。包括麦克风灵敏度在内的参考值特定于每个信号通路。因此，此设置已配置为可将在信号通路1中输入的仿真耳校准灵敏度传播到信号通路2。要访问此设置，双击带有齿标，名为“ Measurement Sequence Settings…”的节点，即可调出同名对话框。注意，名为“Copy References From:” 的设置已用于指定将参考值从校准信号通路复制到该信号通路。但必须从定序器运行测量，此设置才能生效。

Measurement Sequence Settings 配置

接着，在ANC Measurement序列中，一个提示步骤进行适当的连接。

ANC Measurements信号通路中信号通路设置之后的第一个测量为倍频程分析测量，已重命名为“Measure SNR”。在项目文件中，生成器电平已设为4.0 Vrms。用户可能需要为特定测试设置确定合适的生成器电平，这取决于扬声器的灵敏度和位置、所存在的环境噪声级以及放大器（若未使用 APx1701）的增益。设想将发生器电平设为某个值，使在启用ANC功能时测得的SPL频谱在所有频率下至少比环境噪声级高10dB。因此，需要执行某种实验。

项目文件中的“Measure SNR”测量采用分两步生成器 电平嵌套，一步处于0Vrms（无信号），另一步处于预定的生成器电平（本测试设置为4Vrms）。结果，完成测量后，数据集Measured1包含环境噪声频谱，而Measured2包含有测试信号的裸耳结果。

SEQ Figure * ARABIC 连接提示

使用“Compare”得出的结果确定此测量的信噪比，以计算测试信号与环境噪声信号的比值（下图1）Compare得出的结果已重命名为Signal to Noise Ratio。注意，测得的最低SNR为63Hz 1/3倍频带下约20dB。（使用下图2中测得频谱的 Compare得出结果确定的SNR）。用户还可根据需求定制测量——例如，有合适的扬声器时，可改为低于63Hz的低频测量上限。

ANC测量也在倍频程分析测量中进行，该测量已重命名为“ANC Measurements(octave)”。

ANC 测量中的序列步骤

该测量具有一系列序列步骤，引导操作者将耳机放在夹具上或从夹具上移走，或启用耳机的ANC功能。

ANC测量中的提示

附加的测量序列步骤用于获取仅被动衰减和被动+主动衰减的数据集。

当ANC测量完成时，倍频程频谱结果将有三个数据集——

● Measured1：裸耳

● Measured2：被动衰减

● Measured3：被动+主动衰减

ANC测量中测得的SPL频谱

为了确定仅被动衰减和被动+主动衰减，使用 Compare得出的结果将三个数据集分别与裸耳数据集进行比较。结果，此图中的裸耳迹线在0dB呈一条平坦线。

相对于一对耳罩式耳机左听筒裸耳的SPL频谱

注意，在低于200Hz的频率下，上图中的Passive曲线比Open Ear曲线高出几dB，表示在此频率区间，戴耳机的噪声级实际上高于不戴耳机的噪声级。这是由于耳机罩住仿真耳形成了一个共振腔，从而增加了低频下传输到仿真耳的噪声。有时将这种现象称为 “贝壳共振”效应——将杯子或手做杯状罩住耳朵会产生低沉的隆隆声，类似于远处的“海潮声” 。

为做比较，我们看了插入式耳机的等效结果。由于插入式耳机形成的空腔容积较小，这种效应不太明显，而且似乎在较高的频率下才出现。

相对于一对入耳式耳机左听筒裸耳的SPL频谱

由上面2个图可以看出，ANC耳机的典型性能——主动降噪在1.5~2.0kHz的低频率非常有效，在更高的频率则没有任何效果。

耳机的被动降噪和被动+主动降噪功能通过上面两个图已经看到，而插入损耗本质上是这些曲线的倒数。我们直接将计算插入损耗的推导结果并添加到ANC测量中。

耳罩式耳机右听筒的插入损耗

如上文所述，测试信号的电平应足够高，使在启用ANC功能时测得的SPL频谱在各个频率下至少比环境SPL频谱高10dB。否则，测量可能会受到环境噪声的污染。从SNR测量中导出环境频谱并将其导入ANC测量结果，生成相关结果的比较。

注意，在多个频率下，此数据未能满足10dB标准。因此，应使用符合10db标准的设置重复测试。实现的方法包括：整体上提高信号电平、通过测量均衡器增强冲突频率下的信号电平 、在更安静的环境中进行测试，或将上述各项进行某种结合。

启用ANC功能测得的SPL频谱与环境SPL频谱比较
#4

无APx 1701

项目文件可以很容易改编成配套APx1701传感器测试接口以外的设备，如外部功率放大器（或有源音箱）和外置麦克风电源使用。

在第一信号通路中，应取消勾选在TEDS中校准麦克风的序列步骤（若有）。注：在此信号通路中，Output Con-nector设置为None (External)。因此，如果将Output Connector从Transducer Interface更改为Analog Unbalanced或Analog Balanced，则 Calibrate from TEDS序列步骤无论如何都会消失。

除此之外，还应检查Microphone Calibration 对话框，确保Cali-brator Level和Frequency设置与自己的校准器数值相匹配，Expected Sensitivity字段为空或包含适合测试夹具麦克风的数值。

在第二信号通路中，连接提示序列步骤包含与 APx1701有关的说明。该提示中的文字说明应进行相应编辑 ，或者可以取消选中该复选框，从而禁用该步骤。
在前面的文章中提到用4种试验设备用于创建项目文件，那么下面，就让我们逐一认识一下它们吧。

APx 555B 音频分析仪

典型的残留THD+N为-120dB和超过1MHz带宽，APx555B超过了同品牌所有其他音频分析仪的模拟性能，包括与2700系列分析仪相比提高了5dB的改进。添加到120万点的FFT和完整的24位分辨率。

APx555B具有两个平衡和两个不平衡模拟输入和输出，以及通过AES/EBU，TOSLINK和SPDIF的216k数字输入和输出。此外，可以使用可选的数字串行，HDMI与ARC，PDM和蓝牙模块扩展I/O。新的高级主时钟（AMC）模块处理输入和输出时钟信号，以将APx555B与外部设备（或反之亦然）同步，AMC还可以产生抖动和分析。

APx 1701传感器测试接口

APx1701传感器测试接口是一款APx附件设备,集成了仪器级放大器和麦克风电源,供设计人员和生产测试工程师清楚地了解其电声设备的特性，该系统主要用于电声测试,通过专用功率放大器驱动扬声器和耳机,支持阻抗测量,并为被测麦克风和麦克风的测量提供电源。

GRAS 45CA & 42AG

GRAS 45CA为可靠准确的测量提供了基础。45CA的坚固设计非常适合有源和无源耳塞的双耳测试，以及环绕式听力保护器。符合ISO 4869-3、IEC 60318-1和IEC 60318-4，确保威廉希尔官方网站 人员、决策者和权威机构在开发和验证听力保护器时能够重复性和透明数据。

GRAS 42AG多功能声音校准器是一种便携式、电池供电的声源，用于校准和检查麦克风和声级计。它专为现场使用而设计，并配有保护外壳。符合IEC 60942中对1类声音校准器的要求；42AG多功能声音校准器专门设计用于现场快速验证麦克风和声级计。