“以毒攻毒”的降噪耳機(jī)，咋就變安靜了？

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導(dǎo)語：中國是耳機(jī)生產(chǎn)大國，全球約90%的耳機(jī)產(chǎn)自中國。對性能和成本的平衡是消費(fèi)級降噪耳機(jī)的重中之重，降噪耳機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)今年輕人手機(jī)必不可少的手機(jī)配件之一，今天我們就來聊聊降噪耳機(jī)。

一、“以毒攻毒”的主動(dòng)降噪技術(shù)

通常我們把聽到的聲音劃分為高、中、低幾個(gè)階段。20～200Hz屬于低頻，200～4000Hz屬于中頻，4000～20000Hz屬于高頻。

日常的噪聲里面，大多是中低頻階段的聲音，比如地鐵、高鐵以及飛機(jī)上的噪聲等。生活中高頻的噪聲是比較少的，但一些警示聲，如車?yán)扔胁糠指哳l的成分。

人和動(dòng)物的發(fā)聲聽覺頻率范圍

從外觀上來看，我們常用的密閉式耳機(jī)和開放式耳機(jī)沒有實(shí)質(zhì)的區(qū)別。傳統(tǒng)的密閉式耳機(jī)只能實(shí)現(xiàn)對中高頻聲音的降噪，要實(shí)現(xiàn)對中低頻的降噪很困難。因?yàn)橄胍_(dá)到的降噪量越大，需要用到的隔聲材料的質(zhì)量就要越大，這樣耳機(jī)就會(huì)捂得特別緊很笨重，這都會(huì)影響耳機(jī)的舒適感。

耳機(jī)的降噪技術(shù)分為被動(dòng)降噪和主動(dòng)降噪兩個(gè)部分，所有降噪耳機(jī)的降噪效果均為這兩者的共同作用。

主動(dòng)和被動(dòng)降噪的區(qū)別

聲音通過介質(zhì)傳播，在傳播過程中能量使得介質(zhì)不斷振動(dòng)。被動(dòng)降噪的目的即通過介質(zhì)盡可能地吸收減弱振動(dòng)能量，使傳遞通過介質(zhì)的振動(dòng)能量盡量小，以構(gòu)建內(nèi)部封閉的傳播環(huán)境。

入耳式耳機(jī)的介質(zhì)同時(shí)要滿足降噪和固定耳機(jī)的作用，通常選用橡膠作為介質(zhì)；頭戴式耳機(jī)的介質(zhì)主要是隔音棉，相對有著更大的隔音體積，效果相比前者更好。被動(dòng)降噪總是會(huì)在某種程度上增加用戶的不便，通常來講，被動(dòng)降噪可以隔絕10-15分貝的音量，仍然無法完全阻擋外來的音量，降噪效果有限。

1973 年在維也納進(jìn)行的電子噪聲管理測試

為此，人們開發(fā)出了ANC主動(dòng)降噪耳機(jī)。這并不一項(xiàng)新技術(shù)，早在1980 年代末就推出了采用該技術(shù)的商業(yè)航空耳機(jī)。該技術(shù)還用于道路車輛、移動(dòng)電話、耳機(jī)和頭戴式耳機(jī)。

聲音是一種壓力波，描述波形變化的一個(gè)參數(shù)是相位，有了相位，聲波中某個(gè)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)刻是處在波峰、波谷或是其它位置就可以精確計(jì)算出來。而主動(dòng)降噪的原理堪稱“以毒攻毒”，當(dāng)降噪耳機(jī)檢測到外部噪音，它不是被動(dòng)地屏蔽，而是使芯片主動(dòng)發(fā)出與噪聲相位相反的白噪音，在耳內(nèi)與噪聲形成干涉，兩者疊加后就能降低噪音的波幅。

?主動(dòng)降噪技術(shù)原理示意圖

一般一個(gè)主動(dòng)降噪耳機(jī)的耳罩外面有一個(gè)麥克風(fēng)，中間有一個(gè)揚(yáng)聲器，里面也有一個(gè)麥克風(fēng)。外面的麥克風(fēng)可以識別周圍環(huán)境的聲音，中間的揚(yáng)聲器用來播放抵消噪聲的反相聲波，里面的麥克風(fēng)作為一個(gè)反饋，檢查降噪的效果。

你或許會(huì)問，耳機(jī)是如何保證音樂通透不被抵消的呢？

二、降噪耳機(jī)如何保持“通透”

降噪技術(shù)在硬件上分為前饋式、反饋式和雙饋式降噪。主流耳機(jī)都使用雙饋式降噪，即首先采用外部麥克風(fēng)收集環(huán)境聲音進(jìn)行抵消處理，同時(shí)耳道內(nèi)部還有一支麥克風(fēng)，進(jìn)一步二次采集耳內(nèi)的噪聲進(jìn)行抵消處理，并繼續(xù)優(yōu)化中低頻音效。音樂等通話聲音是不會(huì)受到影響的。

目前主要采用雙饋式降噪

此外，降噪耳機(jī)通常具備通透模式，它能與降噪模式實(shí)現(xiàn)不同的效果。如果說耳機(jī)僅僅為了實(shí)現(xiàn)降噪，那么被動(dòng)降噪依然能發(fā)揮不錯(cuò)的作用，而主動(dòng)降噪則是在聲音進(jìn)入耳朵之前實(shí)現(xiàn)抵消作用。不過倘若在降噪的同時(shí)，還需要允許外部聲音進(jìn)入，甚至保留周圍特定的聲音信息（例如自己的通話聲音或是他人的對話），建立所謂的“通透模式”，就非得依靠算法來實(shí)現(xiàn)了，相對單純降噪的技術(shù)難度更大。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要有效地利用聲紋的物理性質(zhì)。顧名思義，聲紋如同指紋，有著特定性和相對穩(wěn)定的特點(diǎn)。也就是說，一個(gè)人無論如何掩飾，他的對話聲紋總是能夠被提取出相同的特征，此外其他有規(guī)律的聲音也具備較穩(wěn)定且獨(dú)特的聲紋。

每一個(gè)聲音都具有獨(dú)特的聲紋特征

無論是降噪還是通透亦或是壓波處理，其核心都在于對特定聲紋的識別。利用深度學(xué)習(xí)算法提取不同聲源發(fā)出的聲紋特征，就可以對該聲源發(fā)出的特定聲音濾波。在識別不同聲波后，即可對不同種類的環(huán)境音進(jìn)行消除或是放縮處理，從而反饋給用戶不同的功能。

三、降噪耳機(jī)會(huì)損害聽力嗎？

事實(shí)上，主動(dòng)降噪耳機(jī)對聽力肯定是有好處的。

這是由于聽覺有掩蔽效應(yīng)，在一個(gè)比較吵的環(huán)境里面，比如噪聲環(huán)境是70分貝，那至少要將音樂放到75分貝或者80分貝時(shí)，才能壓過噪聲。如果周圍環(huán)境的噪音只有30分貝，那么45分貝的音樂就可以聽得很清楚。

　　正因如此，當(dāng)周圍很吵，我們不自覺就會(huì)把音樂聲音調(diào)得更大，不然就會(huì)有很多細(xì)節(jié)聽不到。周圍環(huán)境越吵，聲音調(diào)得越大，對耳朵的損傷就會(huì)越重。特別是有的手機(jī)為了保證音樂里低音的效果，還會(huì)用一些補(bǔ)償?shù)氖侄巫尩鸵舾蟆?/p>

降噪耳機(jī)能防止過大的音量對耳朵的損害

當(dāng)使用降噪耳機(jī)時(shí)，周圍的低頻噪聲都被抵消了，那么播放音樂的音量也就可以相應(yīng)降低，又不會(huì)影響緊急情況下尖鳴的喇叭等警示音。

四、我國降噪耳機(jī)產(chǎn)業(yè)

對性能和成本的平衡是消費(fèi)級降噪耳機(jī)的重中之重，我國在模具加工、零件性價(jià)比以及產(chǎn)業(yè)鏈本土化上有著碾壓性的優(yōu)勢，這讓世界所有的量產(chǎn)型降噪耳機(jī)商都“繞不開”中國。

TWS真無線耳機(jī)的快速發(fā)展，為眾多國內(nèi)廠商帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。目前主動(dòng)降噪已成為市場高端TWS耳機(jī)標(biāo)配功能。降噪耳機(jī)從幾十塊錢到成千上萬的都有，差別在于音質(zhì)、延遲、續(xù)航、舒適度等都有區(qū)別，背后更多是硬件和軟件的差別，從做工到協(xié)議、從功能性聲音表現(xiàn)、從穩(wěn)定性到故障率等都有差異。

無線耳機(jī)生產(chǎn)線

高端耳機(jī)芯片仍無法在國內(nèi)自研自產(chǎn)，芯片正是實(shí)現(xiàn)出色主動(dòng)降噪功能的關(guān)鍵。但我國濾波算法以及整個(gè)耳機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)整合等能力都在快速發(fā)展，硬件和軟件正在和國際品牌逐步減小差距。

目前的TWS耳機(jī)市場，硬件解決方案目前有單麥、雙麥、三麥協(xié)同，以及少量產(chǎn)品還加入了骨傳導(dǎo)傳感器，搭配軟件層面的通話降噪算法實(shí)現(xiàn)。以及少量產(chǎn)品還加入了骨傳導(dǎo)傳感器，搭配軟件層面的通話降噪算法實(shí)現(xiàn)。

想要實(shí)現(xiàn)TWS耳機(jī)差異化主要還是在于軟件層面的降噪算法。目前市面上能夠?yàn)門WS耳機(jī)提供降噪算法的國內(nèi)公司相對也比較豐富，如大象聲科、出門問問、聲加科技、思必馳、聲智科技、芯聲智能等眾多廠商可以為耳機(jī)AI算法降噪方案。

五、降噪耳機(jī)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用

戰(zhàn)場上的聲音音量較大，且聲音具備突發(fā)性，士兵需要額外的設(shè)備來保護(hù)聽力，產(chǎn)生了軍用降噪耳機(jī)的需求。得益于我國發(fā)達(dá)的耳機(jī)產(chǎn)業(yè)，基于壓波機(jī)制的降噪耳機(jī)已經(jīng)大量普及并整合進(jìn)我軍的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，廣泛用于炮兵、步兵、裝甲兵等單位。

軍用降噪耳機(jī)不僅要求降噪這樣簡單，更重要的是快速感知周圍環(huán)境，由于主動(dòng)降噪耳機(jī)在中低頻的降噪效果很好，在高頻的降噪效果比較差。所以軍用很少采用主動(dòng)降噪耳機(jī)，基本都是被動(dòng)降噪。而爆炸聲、射擊聲等戰(zhàn)場環(huán)境都屬于高頻，主動(dòng)噪音都會(huì)有細(xì)微的時(shí)間差延遲，不利于士兵快速做出反應(yīng)。

為保證通訊指令準(zhǔn)確接收，適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境抗電磁干擾，基于濾波技術(shù)，降噪耳機(jī)能夠在保護(hù)士兵聽力的同時(shí)整合了戰(zhàn)術(shù)通訊系統(tǒng)。

軍用降噪耳機(jī)多采用被動(dòng)降噪和壓波拾音技術(shù)，即把所有強(qiáng)度超過限度的聲音進(jìn)行部分抵消，以盡可能還原真實(shí)的波形，保留聲音細(xì)節(jié)，失真度比較小，可以分辨出原聲源的類型和方位，更專業(yè)的軍用耳機(jī)還會(huì)采用數(shù)字電路。

陸軍炮兵部隊(duì)普遍裝備降噪耳機(jī)

結(jié)語：主動(dòng)降噪技術(shù)的普及，不僅意味著更多人能以合理的價(jià)格享受到更優(yōu)質(zhì)的音樂，底噪的降低亦能給用戶創(chuàng)造更好的生活狀態(tài)。它不僅對音樂行業(yè)意義非凡，更是杰出的人機(jī)工程成果。

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[5] 軍事科技.軍用拾音降噪耳機(jī)的神秘之處，提升戰(zhàn)斗力的必備之品