主动降噪耳机的降噪效能量测

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9 }4 }5 Q, }7 _) i& \- B主动降噪耳机的降噪效能量测

Allion Labs / Greg Tsai

9 o) m: M0 ]% c$ c; V2 Q主动降噪（ANC）耳机发展歷程
* Y0 l) G7 w1 Z. T+ a
; M1 x0 U+ o$ N: _3 t9 Q7 }「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。
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; D" U; o, ?" |依照通讯系统不同，所涉及的降噪需求情境可分為3类：

通讯系统噪音控制之辨析
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3 @$ I- t$ D! C' a! R1. 在「发话端」消除背景噪音


7 i- ~" S) q# n5 K) E3 ^3 Q% `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。
; Z8 E1 h; L/ }+ x1 e
, {& o- Q0 u- m5 j  v下列技术可应用於这一类情境：
) ~: [( ]+ P5 j: {  D( I
3 d; _: |9 d1 }- n- k1 p4 _指向性麦克风
阵列麦克风
9 h- S; S0 M& h5 u) d骨传导式麦克风、耳内麦克风
语音分离演算法
2. 在「受话端」消除发话端传送出来与信号混杂之噪音
) T% Q% X) E" G$ ?+ p

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。

. r$ z2 b) g* P5 z; U1 e4 a* Z下列技术可应用於这一类情境：
# x2 d$ `8 \+ H! ^  \* A
- }! f6 t2 r" }语音分离演算法
8 `$ u. z% Y, h$ y9 l% Z3. 在「受话端」消除背景声学噪音

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1 r7 _6 Q; f# u1 J' q* T+ C& D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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下列技术可应用於这一类情境：
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- ]% N  `5 z0 `# U* X; N9 O5 e被动式噪音控制（以机构做声隔离）
, A3 D+ r. Y# H! c" p主动式噪音控制（以反噪音进行声抵消）（Active Noise Control）
- B! D1 a3 @. m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：
# H# Q! P( Z' N2 {1 B
; V8 P6 X' V& q# a7 ]3 ]
并达成下列目标：
6 W* h8 z+ e+ z1 {0 m3 {
) N6 f/ ^& x1 a$ g2 V9 H$ n8 I使发话端的噪音不传到受话端
9 _* K5 m& m' G使受话端能够排除发话端及传输过程所夹带的噪音
抑制受话端的环境噪音，使受话端听得清楚
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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8 ^3 Z3 r0 F. K主动式降噪的基本原理

. e, {$ o  U4 w8 q' w2 }( U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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- _) A( |0 x9 M. e我们可以先来看一下声波在管道中的传播。

' R4 c! M- o2 `* x, n" N: B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。

) T( i; P" J* G0 \/ _8 A
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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。

: s6 ~9 G2 Q! E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。

% S, J9 B$ O2 A2 ^. H) K% \7 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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4 S4 a$ W% B+ \4 D! r( I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：


: ?$ q; Z  i+ I: q6 U, V1 y8 H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：
" A) }: @& |; B# ]9 S


; R6 ?+ |* F4 \/ |6 |. L  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。
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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。
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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。

百佳泰降噪耳机量测环境架设

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* ~8 k1 A9 j: Q* l1 _2 u; ?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。

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实际架设照片

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：

- Y* u8 @- [( |* A# _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。
待测耳机已在HATS上，打开ANC功能，量测开啟ANC后的降噪性能。
$ b4 \+ Y/ ~5 b! t5 u7 U6 I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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以下是量测结果：


图1
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; M% R/ P7 d5 ^5 N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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图2
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# k' m) ^( [7 z' S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。
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' s1 ^/ N. A1 ]( ]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
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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。