主动降噪耳机原理及使用产生的效果

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主动降噪耳机原理及使用产生的效果

' l3 z" j) d7 S$ T4 W: x一个耳机是如何实现降噪的呢?先说说我们怎么听到的声音吧。中学的物理常识告诉我们，人能听到声音其实是人的听觉对传入耳道内声波的反应。声波是由发声体(声源)产生的振动推动空气(介质)形成可四面八方传递的机械波。声波通常是纵波，声源的振动会积压围绕声源的介质(空气)，就会在介质中出现可扩散传导的压缩和舒张。
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* v1 O1 R+ I+ T5 Y  f& t% X& D两次压缩之间的距离就是波长，而被压缩的质点离开平衡位置的距离就是振幅，频率则是每秒中压缩的次数，通常人能听到的声波频率在20赫兹至20000赫兹之间。对声波来说，振幅决定了声音的强度(响度)，振幅越大，声音越响，频率则决定了音调的高低，频率越高则声调越高。大脑的听觉中枢能“翻译”出声波的振幅和频率代表的含义，因此我们可以听到五花八门的声音，其中就包括音乐和噪声。
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为什么有的人听重金属摇滚会觉得甜如甘怡，而有的人听到会烦躁到脑袋爆炸，这似乎预示着判断音乐抑或噪音要凭借主观喜恶。其实科学界对音乐和噪音奋斗区别有清晰的定义，音乐是有着明确的、可重现的波形，而噪声的声源做的是无规则振动产生的，其频率、强弱变化杂乱无章不可预测，比如白噪声就是最复杂的噪声类型，充斥着频率不同但振幅相似的声波。特别是生活在周边充斥各种噪声源的城市中，如果持续暴露在噪声环境中，不仅人会变得烦躁不安，还会造成生理损伤。因此如何降低噪音水平一直是人们的努力目标。这就要说到具备降噪功能的耳机了。

* V2 j" `6 ^2 c5 w3 B0 o" U降噪耳机有主动和被动两种类型，从技术上来说，任何类型的耳机都提供了无源降噪(被动)的功能，这是因为带上耳机后，就会在人耳和周围环境中间插入了一个屏障，耳机的材料能阻挡噪声波，特别是频率较高的声波。根据测算，头戴式耳机能提供最好的无源降噪性能，多层高密度泡沫可把噪声降低约15至20分贝(分贝dB是声强的单位，用对数表示，10分贝表示响度变化10倍，降低20分贝指响度会减少20倍)。但提高被动降噪能力的耳机必然会带来体积硕大、重量沉重、佩戴不舒服问题，再加上喷气客机的机舱内噪声水平高达75至80分贝，被动降噪模式的局限性尤为明显，主动降噪技术有了用武之地。

6 H( i# t" o/ l# c" a! c5 b3 ?主动降噪是一种有源(需要额外能源供给)的降噪模式，从外型看主动降噪耳机和被动降噪耳机没有区别，所以主动降噪耳机本身具备被动降噪功能，亦即它的结构本身可以阻挡高频噪音声波。但令人惊奇的一点在于，它还会主动“抹除”低频噪声波来提供更好的降噪功能。这是怎么做到的呢?
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4 ?. L/ ]3 a% v) k  e3 o* F看插图就会了解其中的原理，原来所谓的主动降噪，是耳机自己制造一个和“入侵”噪声波频率和振幅都一样的“新噪声波”，只不过这个新噪声波和要抵御的噪声波相位恰好差了180°(n=1时)，经过干涉后噪声波会被抑制下来，那么人的听觉也就感受不到噪音，达到消除噪声的目的。打个比方，原来能听到噪声是因为声波传动的机械能可以自由的拉扯空气中的分子，而主动降噪则提供了一个适时方向相反的抗衡力量在拔河，你使多大力气往后拽，我就使一样的力气往前拽，对于那些空气分子来说，就既不向前也不向后，形成稳定安静状态。这种主动发出与噪声相位相反的机械波，与噪声叠加后代数和为0(或者变小)的过程，在物理学上有个术语叫相消干涉，以此达到降低噪声的目的。
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理论容易理解，但实现可就不那么容易了。以Bose某主动降噪系列耳机为例说明，它需要几个组件一起协作完成这项工作，首先是麦克风，用来捕捉需要被抑制的噪音声波。被听到的噪声声波被传到至专门的降噪电路中，在降噪电路中有个性能优异的数字信号处理器(DSP)，可从接受到的噪声信号中把“声纹”(也就是编码方式标识噪音的频率、振幅等指标)提取，然后将其相位反转180°(也就是一个π)，最后通过扬声器播放出来，达到相消干涉。当然整个接收、提取、转换和播放过程是需要消耗能源的，所以还需要电池供电。可以想象整个过程对处理器的运算速处理度要求很高，耳机距离耳膜也就3厘米左右，依照声速每秒340米计算，主动降噪的反应时间是十万分之八秒，如果处理速度超过这个时间，不但不能抑制噪音，还多了一个”主动“噪声源。
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借助主动降噪技术，这种耳机还能额外提供降低至少20分贝的噪音能力，这就意味着70%的环境噪音可被有效阻挡，足以让主动降噪耳机成为飞机火车旅行、开放办公环境以及任何具有高背景噪音环境的理想工具。要说负面因素也还是存在的，比如太安静容易忽略必要的语音提醒，可能会耽误事情，而且因为降噪效果太好，在开始不习惯的时候，耳道会有点内外压差的感觉，公平的说，这也是所有头戴耳罩是式耳机的共性。

2 e9 \8 G+ p* C+ J/ p: ~$ q: E降噪耳机的真的会给旅行者身心带来愉悦的感觉，因为长时间暴露在低频噪音环境下会让人更不安和疲劳。根据我的个人体验，它属于一旦用上了就再也戒不掉的优秀工具，虽然Bose耳机的音响效果非常棒，但更多时候我只是用来单纯降噪，一点点宁静对我来说都能成为美好的音乐。

主动降噪耳机原理及系统
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( m2 T* }% Q" v7 t  |: q　　降噪耳机是指利用某种方法达到降低噪音的一种耳机。目前降噪耳机有两种分别为：主动降噪耳机和被动降噪耳机。

　　主动降噪功能就是通过降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波，将噪音中和，从而实现降噪的效果。被动式降噪耳机主要通过包围耳朵形成封闭空间，或者采用硅胶耳塞等隔音材料来阻挡外界噪声。
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　　主动降噪耳机原理

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　　降噪耳机，采用主动噪音控制，不同于一般耳机的被动隔音。其原理为：

　　1. 先由安置于耳机内的讯号麦克风侦测耳朵能听到的环境中低频噪音 （100 ～ 1000Hz）
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7 A  [  h1 \' I　　2. 再将噪声讯号传至控制电路，控制电路进行实时运算
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　　3. 通过Hi-Fi 扬声器播放与噪音相位相反、振幅相同的声波来抵消噪声

　　4. 叠加后噪声消失听不见了
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8 Y7 c4 L: H5 K; y( k+ [' Z　　主动降噪耳机价格昂贵，但是一般效果优秀，佩戴舒适。但是需要独立电池供电，大多数被动降噪耳机可以不耗电使用（也不主动降噪）。

　　主动降噪系统
　　主动降噪系统分为开环路系统、闭环路系统和自适应系统。
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　　开环路系统：


7 v* p: g: H+ d( N* ?( u外置传感器的开环路主动降噪耳机系统
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　　主动降噪系统通过一只传声器采集噪声并产生抗噪信号。在一个开环路系统中，如图所示，传声器放置于耳罩的外部，其拾取的声音信号经反相放大器输出得到抗噪信号，而后与所需的音频信号混合，最终在耳机换能器中重放嘲。抗噪信号能够衰减外界噪声，使原始声音更便于理解。通常，开环主动降噪系统可以实现噪声衰减10-15dB，这在为专业人士及普通消费者设计的不同种类的降噪耳机中可以普遍发现。可是，这种设计对于那些想要独自调整抗噪信号大小以满足最佳听音效果的人们来说并不适用。

　　开环路系统的最大优势就是简单，但与其他类型的降噪耳机比，可能并不是最令人满意的。由于传声器放置于耳罩外，实际采集到的噪声和耳罩内听到的噪声并不完全一样。事实上，经过耳罩再加上其内部的反射作用，声音已发生了改变。因此，在很多情况下，抗噪信号可以在耳机内生成。

　　闭环路系统：

1 _9 R8 o7 z+ J3 v! U  P3 {内置传感器的闭环路主动降噪耳机系统
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　　如果传声器放置于耳罩内换能器的前方，系统可能生成一个更加精确的抗噪信号，如图所示。此时，传声器拾取到的声音既包括耳机换能器发出的声音，又包括耳罩内产生的噪声，这个信号作为纠错信号反馈给所需的声音信号，因此被称为“闭环路系统”。闭路系统的运行特点是通过反馈方式来达到降噪的目的。

　　控制论中，噪声（比如放大器的失真）被看作是一种非线性的变化，可以通过在系统中引入校正信号来减轻或消除这种失真。图中所示的是一个闭环路主动降噪耳机系统。传声器置于耳罩内部，拾取到的是所需的声音和噪声的混合声。首先，这个系统将所需信号从混合信号中分离出来并对剩下的噪声信号进行反相。然后，对反相的噪声信号进行补偿，以便抵消闭环系统中的噪声。输出级将抗噪信号和所需信号重新合成，最终在耳机换能器中实现重放。由于这是一个反馈的过程，所以在某些情况下，闭环系统可能会不稳定。

　　自适应系统：
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& l9 b. I% H" k+ _7 \1 f, ]$ ]1 Z2 ]自适应主动降噪耳机系统
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- J8 V; H/ \8 J* `$ D9 V% B& ^' P　　上面提到的开环系统和闭环系统都是采用模拟滤波器来产生抗噪信号，而数字滤波器的功能更为强大，设置也更为简单。用数字滤波器来消除噪声的方法叫做自适应滤波法，它可以同时实现纠正相位错误和幅度错误。

　　上图是使用自适应主动降噪耳机系统的原理图。在头戴耳机的顶部放置一只传声器拾取噪声信号作为参考信号，自适应滤波器利用当前信号经过耳机系统模型的转移函数来预测耳罩内的噪声，然后将预测噪声反相后与所需音频信号进行叠加，最终传送给耳机换能器。置于耳罩内的传声器拾取实际的声音并产生一个误差信号，使滤波器收敛于零以得到更加准确的抗噪信号。

( ?% _3 E: l9 A　　总结
　　主动降噪技术发展了数十年，技术已经不断成熟，，正在逐步从高端应用延伸到民用市场，所应用的环境也是多种多样。最根本在于，和被动降噪的材料学相比，主动降噪的处理机制提升空间更大。但技术封锁是最令行业头疼的问题，目前行业内拥有主动降噪核心技术的几家公司均不会透露自己的技术，技术封锁显然对行业的发展不利。

　　但这并无法降噪的发展，目前已经拥有一些国内品牌在自主研发主动降噪技术，并且在今年将大力推广主动降噪耳机产品。我们面临的环境越来越复杂，生活中的环境越来越大了，将降噪耳机亲民化，带给大众消费级人群使用是唯一的目的。