給世界裝上靜音鍵——淺析主動(dòng)降噪技術(shù)

4月26日是國際噪音意識(shí)日（Noise Awareness Day），在這一天，Apple公布了和密歇根大學(xué)合作展開的聽力研究進(jìn)展。自2019年開始，Apple就有意識(shí)地通過iPhone 和 Apple Watch 收集數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家從事 3 項(xiàng)健康研究。在這項(xiàng)針對(duì)環(huán)境噪聲的研究中就發(fā)現(xiàn)：美國有三分之一的成年人（約 7700 萬人）暴露在過高的噪音水平中。人口越多，高分貝噪音影響程度最重，美國加利福尼亞、得克薩斯、佛羅里達(dá)和紐約州這幾個(gè)州最為明顯。

其實(shí)，人類同聲音的斗爭自從古代就已經(jīng)開始了，在我國古代的《呂氏春秋·自知》就記載了這樣一個(gè)故事：“范氏之亡也，百姓有得鐘者，欲負(fù)而走，則鐘大不可負(fù)。以錘毀之，鐘況然有音?？秩寺勚鴬Z己也，遽掩其耳?！睕]錯(cuò)，這就是在我國家喻戶曉的故事——掩耳盜鈴。這應(yīng)該是有文字記載的人類與聲音斗爭中最著名的失敗案例之一。

所以，人類同聲音的“戰(zhàn)爭”自古有之，發(fā)展至今也衍生出很多相關(guān)產(chǎn)品：耳塞、隔音棉、隔音板等。但效果總是馬馬虎虎，直到耳機(jī)的出現(xiàn)和普及，人們逐漸發(fā)現(xiàn)還是得“用魔法打敗魔法”，用音樂的聲音來蓋過噪音。于是在地鐵中、在飛機(jī)上，甚至于當(dāng)隔壁鄰居在裝修之時(shí)。很多人選擇帶起耳機(jī)，或者直接把音響聲音調(diào)大。但這種殺敵一千，自損八百的戰(zhàn)術(shù)實(shí)在是難以令人接受，噪音沒有實(shí)際消失，自己的耳朵倒是因?yàn)槌Ｄ甏笠袅康芈犚魳纷兊迷絹碓讲缓茫瑢?duì)于這個(gè)無形的敵人，在1978年，人類終于給出了“終極”武器，那就是主動(dòng)降噪技術(shù)。

主動(dòng)降噪技術(shù)誕生的原因十分簡單，就是在1978年，BOSE的創(chuàng)始人Amar G. Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機(jī)上，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)引擎的噪音干擾了他戴耳機(jī)欣賞音樂的興致。這激發(fā)了他對(duì)主動(dòng)降噪技術(shù)的研究動(dòng)力，在下飛機(jī)之后就開始推導(dǎo)驗(yàn)算，寫出了降噪耳機(jī)最原始的方程式。

和所有的高精尖技術(shù)一樣，這項(xiàng)技術(shù)很快就被用在了軍事領(lǐng)域上，在1989年BOSE終于把主動(dòng)降噪的技術(shù)量產(chǎn)，隨即被美國政府看中，專供飛行員使用。據(jù)說，美國軍方通過給飛行員/地勤人員佩戴降噪耳機(jī)，節(jié)省由于噪音致殘而需發(fā)放的補(bǔ)償金達(dá)2億美金。

BOSE創(chuàng)始人Amar G. Bose博士

主動(dòng)降噪技術(shù)的原理十分簡單，我們都知道聲音是一種波，既然是波的話那么自然就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，主動(dòng)降噪就是利用波的干涉相消，通過運(yùn)用高靈敏度的聲學(xué)麥克風(fēng)采集周圍的噪音，然后通過內(nèi)置的處理器實(shí)時(shí)運(yùn)算出一個(gè)與噪音相位相反的聲波來抵消噪音，從而達(dá)到抵消噪音的效果。

但是在實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)上卻有著不少的問題，比如在實(shí)際生活中，噪聲種類、頻率都不相同，并且音速傳播速度也不算慢，再加上，收音的麥克風(fēng)與發(fā)聲的耳機(jī)不在同一位置，所以麥克風(fēng)接收的信號(hào)并不完全是轉(zhuǎn)換器在產(chǎn)生抗噪信號(hào)所需要的。這就對(duì)這一整套降噪電路的反應(yīng)速度和精度提出了苛刻的要求。要知道如果主動(dòng)降噪系統(tǒng)的信號(hào)延遲超過幾毫秒，傳出的抗噪訊號(hào)是針對(duì)先前噪音的信號(hào)，而不是立即產(chǎn)生的當(dāng)前噪聲，就會(huì)將降噪變成增噪，情況變得更糟。

前饋式和反饋式拾取噪音的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。前饋式比較容易實(shí)現(xiàn)，能有效拾取外部噪音；而反饋式則更接近于耳道，理論上能更好地消除噪音。但由于麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器靠近，會(huì)受到耳機(jī)發(fā)出聲音的影響，因此需要更高水平的算法。

目前高端的降噪耳機(jī)通常采用多種消噪方式（包括被動(dòng)、前饋和反饋）以及多麥克風(fēng)的組合，其中雙饋式降噪能夠更加精準(zhǔn)全面地拾取噪音信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更好的消噪效果。有些降噪耳機(jī)甚至配備了4個(gè)或6個(gè)麥克風(fēng)。

有一種對(duì)于主動(dòng)降噪技術(shù)的普遍誤解是：認(rèn)為主動(dòng)降噪耳機(jī)可以平等地消除所有噪音。實(shí)際上，他們做不到，主動(dòng)降噪通常對(duì)較低頻率的聲音更有效，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或空調(diào)的嗡嗡聲。但是對(duì)于更加尖銳的高頻噪聲，主動(dòng)降噪就做不到將這些噪聲剔除了，其原因也很簡單，高頻的聲音波長很短，很難生成一個(gè)和高頻噪音信號(hào)準(zhǔn)確相差180°的主動(dòng)信號(hào)去抵消它，不僅如此，人類的耳朵對(duì)于高頻聲音還相對(duì)敏感，萬一出現(xiàn)相位差，就會(huì)直接被人耳朵捕捉到，降噪就會(huì)變成增噪。所以就以目前的芯片和算力來說，很難對(duì)于高頻噪聲有什么有效的辦法，還是應(yīng)該以堵死耳朵這種被動(dòng)降噪為主。

不僅如此，體驗(yàn)過主動(dòng)降噪技術(shù)的讀者應(yīng)該都有這樣的經(jīng)歷，一旦開啟主動(dòng)降噪，世界在變得安靜的同時(shí)，耳道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一股壓力，讓人產(chǎn)生不適和眩暈感，這種“耳壓”的存在，也是主動(dòng)降噪技術(shù)的缺點(diǎn)之一。

那么，這“耳壓”是怎么產(chǎn)生的呢？上文說道：聲音是一種機(jī)械波，而當(dāng)它的傳播介質(zhì)是空氣時(shí)，聲音就是通過空氣的振動(dòng)來傳播和存在，震動(dòng)的空氣必然擁有能量。我們都知道，能量不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，那么當(dāng)噪聲被耳機(jī)利用反相聲波干涉相消后，聲波原來具有的能量去哪里了呢？答案是變成了耳道內(nèi)空氣的內(nèi)能（熱能），但是這一部分升溫十分微弱，可能連0.1℃都沒有，但是再小的升溫也會(huì)引起空氣“熱脹冷縮”，被加熱后的空氣雖然溫度不足以被人體感知，但是氣體的膨脹對(duì)于耳朵來說是相當(dāng)敏感的，如此微小的壓強(qiáng)變化也能被感知到，這便是主動(dòng)降噪耳機(jī)通常都會(huì)有較大耳壓的原因。

這也是目前主流耳機(jī)廠商主要優(yōu)化的一點(diǎn)：如何平衡降噪強(qiáng)度和耳壓的平衡。如果您的降噪耳機(jī)在固件更新之后，發(fā)現(xiàn)降噪水平有所下降，這就應(yīng)該是廠商對(duì)于耳壓做出的妥協(xié)。

結(jié) 語

通過這篇文章各位應(yīng)該對(duì)于主動(dòng)降噪技術(shù)有了一個(gè)更加深刻的認(rèn)識(shí)。其優(yōu)點(diǎn)是：可以有效消除大部分噪聲，從而使得各位可以沉浸在自己的世界中，更好的保護(hù)聽力；其缺點(diǎn)是對(duì)于高頻噪聲無能為力，而且會(huì)降低一部分的耳機(jī)音質(zhì)，并且會(huì)有耳壓的存在使得配搭舒適性有所折扣。

但是對(duì)于常年暴露在噪聲中的現(xiàn)代都市人來說，筆者認(rèn)為降噪耳機(jī)還是十分必要的，縱使它有這一些技術(shù)上的缺點(diǎn)，但是在保護(hù)聽力面前，都顯得有些微不足道。最后，祝各位讀者都能遠(yuǎn)離噪聲危害，有一個(gè)健康的聽力！