主动降噪耳机的降噪效能量测

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主动降噪耳机的降噪效能量测
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Allion Labs / Greg Tsai
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主动降噪（ANC）耳机发展歷程

「主动降噪」（Active Noise Cancellation）即是利用扬声器產生与噪音的音量大小相同、但相位相反的声波，来抵消噪音。在通讯应用上，ANC耳机有著举足轻重的角色。早在1936年，Paul Lueg在美国就提出了主动式降噪技术的专利。1955年开始有ANC耳机的研究。1989年，Bose推出第一款ANC耳机。近年来TWS耳机热销，2019年Apple AirPods Pro添增了ANC功能，才让ANC耳机真正走进大眾视野。

依照通讯系统不同，所涉及的降噪需求情境可分為3类：

* D( H* f; p% ?7 |6 y5 A通讯系统噪音控制之辨析
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, r, ^; c% G5 o2 j" d$ m1. 在「发话端」消除背景噪音


) B; i$ F& c" F# R- v9 N这样做的目的是為了确保送出的讯号是乾净的，这个技术的受益者是远端受话端。
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下列技术可应用於这一类情境：

指向性麦克风
6 E( u' S& \6 O" n/ O阵列麦克风
骨传导式麦克风、耳内麦克风
; p" N$ z, U! O0 j6 Z0 U6 O8 L语音分离演算法
# m, j( F! G' P7 Y2. 在「受话端」消除发话端传送出来与信号混杂之噪音
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8 c3 h2 j+ w0 M2 n9 _. p1 W这个噪音消除的类别，主要是受话端為了消除发话端已经传送出来讯号之噪音。这个技术的受益者是当地受话端。由於语音信号与噪音已经混合在一起，因此只能透过纯软体演算法的技术，分离语音讯号和噪音。
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下列技术可应用於这一类情境：

( @1 `3 `6 W2 o, r语音分离演算法
3. 在「受话端」消除背景声学噪音


这样的技术為本地收听者带来好处，免受现场环境干扰，能听得清楚远端传来的声音。
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. R3 P6 K0 f. i. X下列技术可应用於这一类情境：

' a# @* r3 z; q% _8 K- Z& |被动式噪音控制（以机构做声隔离）
+ P  w+ W( I, G主动式噪音控制（以反噪音进行声抵消）（Active Noise Control）
) w6 }- r8 G! C! z! c  j1 l0 y* C因此，一个完美的通讯降噪方案，应同时包括上述三项技术，如下图所示：
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. a# p6 r/ W2 G  ^" n: N8 Z$ Z并达成下列目标：

使发话端的噪音不传到受话端
使受话端能够排除发话端及传输过程所夹带的噪音
1 E. s* P! ?6 M% H# w- T- B3 A抑制受话端的环境噪音，使受话端听得清楚
" k5 q' P7 e1 Q" k由上述的剖析过程中，我们可以清楚地知道，一般所谓的ANC耳机，其实只包含上述降噪技术中的第三种。
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# b$ M6 ?( v7 B+ }9 M3 ]主动式降噪的基本原理
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最早ANC降噪技术是由Paul Lueg在1936年提出的美国专利，应用在管道的噪音消除。当时的专利图如下：

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我们可以先来看一下声波在管道中的传播。

管道中声波的传播，就像下面这张图（点此看动画），活塞往前推的时候，空气粒子就在管道中被压缩形成压力较大的区域，随著活塞往后，空气粒子就又变得稀疏，如此循环，在特定的位置（如红色点）就可以观察到随著时间，其压力变化的波形。



9 F4 r0 q/ r# X7 G9 p因此，Paul Lueg的想法，就是在管道中藉由安置麦克风，来取得上游的管道声压，并在下游的扬声器发出「大小相同、相位相反」的声波，来将下游的管道噪声消除掉。

关於声波的破坏性干涉，下面这张图（点此看动画）可以更具体地说明这个现象。

  M7 C: ~, W9 ^0 Q6 i) g这个称之為Dipole偶极子的现象，是由两个相位相反的点源相互作用下所构成的声场，可以看见在中心垂直区域，由於左右波的相位相反，因此產生破坏性干波，因而残餘声压几乎為零。

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+ H8 O6 H, \2 r* r5 k- o" {因此，透过合适的安排，就可以达成主动消噪的功能，因此消噪耳机的基本概念可以用下面这张图来表达：
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  A9 o% W, H' Y7 j  A1 E不过，主动降噪技术通常不能够独立存在，必须搭配被动隔音技术才能得到良好的发挥。如下图：


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! I& U6 o  J: ^8 X* y! s被动隔声主要依靠隔声材料的特性决定，对高频噪音有比较好的效果；若是透过被动隔声来处理低频噪音，则材料体积会非常巨大。

反之，主动降噪由於利用破坏性干涉的原理，对低频声波反而处理得更好；因此，被动隔声和主动降噪是相辅相成的。

* a/ i/ J" e' h0 A% X3 W5 l当我们谈论ANC 耳机的降噪/隔声效能时，被动隔声和主动降噪能力都是应该要被考虑的。
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! |/ \9 f) b- s8 b0 H; z; A百佳泰降噪耳机量测环境架设

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為了评估消噪耳机的消噪性能，我们将它放置在声学人偶（HATS）上，透过其上的人工耳量测消噪前后的音量大小（也就是计算它的插入损失），透过这样的方式来评估消噪性能。


实际架设照片
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我们以耳朵位置的声压大小為基準，再量测以下条件，再计算后就可以得到消噪性能：

% P4 r) u6 {! Z& Q量测未戴耳机时，人工耳所收到的声压值。
HATS放上待测耳机，暂时不打开ANC功能，单纯量测被动隔音性能。
! R# Y/ o$ A2 x9 D4 Z待测耳机已在HATS上，打开ANC功能，量测开啟ANC后的降噪性能。
由上述第2项减去第1项，可以得到被动隔音效能；第3项减去第2项，就可以得到单纯的主动降噪性能。
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. ~) v. a. v5 M( J  |以下是量测结果：


9 h4 c1 F: ]4 T0 q图1

& E! r) w& W7 Q1 q/ C图1是被动隔音的效能。我们可以看到，的确是高频的隔音能力比较好，自2kHz 以上，能够有6dB 以上的衰减量，最高到7kHz有33dB的衰减量；不过被动隔音效能到了低频，它的效果就不好，甚至还略微增加音量。
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6 s' F- Y+ A: D) j1 o图2

接著，图2是主动降噪性能，我们可以看到主动式噪音消除的确是低频降噪為最主要。

, |/ V' I# W4 Z以这隻耳机来说，600Hz以下开始有2dB以上的衰减量，最高是在230Hz左右有-10dB 的衰减量。
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图3

% U1 P( o6 h# R. I2 u图3是实际开启ANC后的总消噪量，它显示了低频在230Hz大约有10dB 的降噪效果，而在6kHz有大约39dB的降噪效果。