主动降噪背后的理论是啥？

Posted 2023-02-25

【中文标题】主动降噪背后的理论是啥？

【英文标题】：What is the theory behind active noise cancellation?主动降噪背后的理论是什么？

【发布时间】：2012-04-24 04:22:00

【问题描述】：

在之前的问题中，我问过Why can't I simply negate the source time domain amplitude values to produce a destructive noise signal?

其中一位发帖人说，虽然简单地产生反极性（否定）信号在理论上可行，但在实践中是不可能的

所以我想问，主动降噪的基本方法（以某种半技术方式）是什么？

其次，为什么大多数关于该主题的文献都在频域中？

【参考方案1】：

这很简单。

当您发送反相信号时，噪音已经被听到了。

您需要查看正在生成的频率，然后产生适当的反相信号以消除它们。

【讨论】：

为什么我需要在频域做而不是在时域做同样的事情？如果已经听说过，那么在不同的领域做这件事有什么关系？

你在时域中已经迷失了。你唯一的希望是在频域工作，希望频率不要变化太多，或者你能跟得上。

优秀。第一次，我有点明白了。现在我的问题是，在频域中产生逆的等价物是什么？在时域中，我可以简单地否定这些值。在频域中，我如何对每个频率进行数学处理？

将相位移动 180 度。

Because of this. 尝试不同的相移；移相只是围绕原点旋转复数。

【参考方案2】：

降噪是预测。您的算法必须预测未来某个时间噪声的声音（该时间由系统和音频时间延迟给出），然后预测未来同一时间什么信号会产生相反的声音（您的系统会失真和延迟，因此您必须考虑相反的失真和延迟）。

您可以使用多个连续的 FFT 来确定噪声中哪些频率没有变化，并假设或计算它们在未来短时间内会持续的概率。

如果您知道扬声器的频率响应曲线，您或许能够计算出匹配某些预测噪声频谱所需的信号频率幅度。正弦曲线的相位角将随时间变化。如果您知道输出信号的时间延迟，您或许可以在未来某个时间点计算出正弦曲线的相位。如果您在某个时间和位置有一个特定频率噪声的预测相位，您可以将 π 添加到该相位角以估计降噪信号。

如果您不知道系统的频率响应和延迟，那么您将不知道要创建什么频率、幅度或相位来消除信号。您最终可能会放大噪音而不是消除噪音。

【参考方案3】：

似乎缺少的是拦截和否定信号所需的传播延迟。 KISS 规则最终将证明这一点。 FFT 是一个复杂的计算，由于处理信号所需的时间，每次 N 次迭代都会引入误差。要消除声波，需要提前截取、处理和反转。那么换能器的时间常数必须。 E 考虑。我的经验是，靠近“噪音”源的麦克风通过电线和放大设备和传感器连接，靠近要取消的位置。

【参考方案4】：

编辑：错字

ANC 的基本思想是找到重复的声音并播放它的相反。如果重复的声音继续播放，我们将能够取消它。这与其他答案直接矛盾，但我会澄清一下。

播放相反的声音意味着以精确的功率和延迟再次播放它，可能会反转波形。延迟本身因每个频率而异。例如，对于 20Hz 的声音，我们必须以 1/20 = 0.05s 的精确倍数重放反转的声音。例如，对于 23Hz，延迟必须是 1/23 ~= 0.04347s 的倍数。

由于任何波形都可以通过正弦波的总和产生，一种方法是只担心 N 个最大的正弦波，以功率（幅度的平方）测量。为了找到正弦波的频率和功率，我们使用 傅里叶变换，通常使用 FFT 算法。

如果我们取，例如 N=8，这意味着我们正在尝试消除 8 个最强大的波分量。对于我们存储的每一个：

波的幅度 wave 的偏移量，以计算机时钟为基准。

我们不断地播放 8 个正弦曲线，每个都使用正确的功率和正确的延迟。困难的部分是接下来会发生什么。我们需要不断地倾听以适应，但现在我们正在倾听环境声音+我们自己的声音。这种算法实现起来比较困难，但从概念上讲更容易，并且可以很容易地自己弄清楚如何去做。

因此，与其他答案所说的相反，管理时间延迟至关重要。不这样做是不可能创建 ANC 系统的。如果您只关心频域，那么您唯一可以做的就是过滤这些频率。在 ANC 系统上，这是没有意义的。