“以毒攻毒”的降噪耳機，咋就變安靜了？
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導語：中國是耳機生產大國，全球約90%的耳機產自中國。對性能和成本的平衡是消費級降噪耳機的重中之重，降噪耳機已經成爲現今年輕人手機必不可少的手機配件之一，今天我們就來聊聊降噪耳機。
一、“以毒攻毒”的主動降噪技術
通常我們把聽到的聲音劃分爲高、中、低幾個階段。20～200Hz屬於低頻，200～4000Hz屬於中頻，4000～20000Hz屬於高頻。
日常的噪聲裡面，大多是中低頻階段的聲音，比如地鐵、高鐵以及飛機上的噪聲等。生活中高頻的噪聲是比較少的，但一些警示聲，如車喇叭有部分高頻的成分。
從外觀上來看，我們常用的密閉式耳機和開放式耳機沒有實質的區別。傳統的密閉式耳機只能實現對中高頻聲音的降噪，要實現對中低頻的降噪很困難。因爲想要達到的降噪量越大，需要用到的隔聲材料的質量就要越大，這樣耳機就會捂得特別緊很笨重，這都會影響耳機的舒適感。
耳機的降噪技術分爲被動降噪和主動降噪兩個部分，所有降噪耳機的降噪效果均爲這兩者的共同作用。
聲音通過介質傳播，在傳播過程中能量使得介質不斷振動。被動降噪的目的即通過介質儘可能地吸收減弱振動能量，使傳遞通過介質的振動能量儘量小，以構建內部封閉的傳播環境。
入耳式耳機的介質同時要滿足降噪和固定耳機的作用，通常選用橡膠作爲介質；頭戴式耳機的介質主要是隔音棉，相對有着更大的隔音體積，效果相比前者更好。被動降噪總是會在某種程度上增加用戶的不便，通常來講，被動降噪可以隔絕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。
爲此，人們開發出了ANC主動降噪耳機。這並不一項新技術，早在1980 年代末就推出了採用該技術的商業航空耳機。該技術還用於道路車輛、移動電話、耳機和頭戴式耳機。
聲音是一種壓力波，描述波形變化的一個參數是相位，有了相位，聲波中某個點在某個時刻是處在波峰、波谷或是其它位置就可以精確計算出來。而主動降噪的原理堪稱“以毒攻毒”，當降噪耳機檢測到外部噪音，它不是被動地屏蔽，而是使芯片主動發出與噪聲相位相反的白噪音，在耳內與噪聲形成干涉，兩者疊加後就能降低噪音的波幅。
一般一個主動降噪耳機的耳罩外面有一個麥克風，中間有一個揚聲器，裡面也有一個麥克風。外面的麥克風可以識別周圍環境的聲音，中間的揚聲器用來播放抵消噪聲的反相聲波，裡面的麥克風作爲一個反饋，檢查降噪的效果。
你或許會問，耳機是如何保證音樂通透不被抵消的呢？
二、降噪耳機如何保持“通透”
降噪技術在硬件上分爲前饋式、反饋式和雙饋式降噪。主流耳機都使用雙饋式降噪，即首先採用外部麥克風收集環境聲音進行抵消處理，同時耳道內部還有一支麥克風，進一步二次採集耳內的噪聲進行抵消處理，並繼續優化中低頻音效。音樂等通話聲音是不會受到影響的。
此外，降噪耳機通常具備通透模式，它能與降噪模式實現不同的效果。如果說耳機僅僅爲了實現降噪，那麼被動降噪依然能發揮不錯的作用，而主動降噪則是在聲音進入耳朵之前實現抵消作用。不過倘若在降噪的同時，還需要允許外部聲音進入，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現了，相對單純降噪的技術難度更大。
爲了實現這個目的，需要有效地利用聲紋的物理性質。顧名思義，聲紋如同指紋，有着特定性和相對穩定的特點。也就是說，一個人無論如何掩飾，他的對話聲紋總是能夠被提取出相同的特徵，此外其他有規律的聲音也具備較穩定且獨特的聲紋。
無論是降噪還是通透亦或是壓波處理，其核心都在於對特定聲紋的識別。利用深度學習算法提取不同聲源發出的聲紋特徵，就可以對該聲源發出的特定聲音濾波。在識別不同聲波後，即可對不同種類的環境音進行消除或是放縮處理，從而反饋給用戶不同的功能。
三、降噪耳機會損害聽力嗎？
事實上，主動降噪耳機對聽力肯定是有好處的。
這是由於聽覺有掩蔽效應，在一個比較吵的環境裡面，比如噪聲環境是70分貝，那至少要將音樂放到75分貝或者80分貝時，才能壓過噪聲。如果周圍環境的噪音只有30分貝，那麼45分貝的音樂就可以聽得很清楚。
正因如此，當週圍很吵，我們不自覺就會把音樂聲音調得更大，不然就會有很多細節聽不到。周圍環境越吵，聲音調得越大，對耳朵的損傷就會越重。特別是有的手機爲了保證音樂裡低音的效果，還會用一些補償的手段讓低音更大。
當使用降噪耳機時，周圍的低頻噪聲都被抵消了，那麼播放音樂的音量也就可以相應降低，又不會影響緊急情況下尖鳴的喇叭等警示音。
四、我國降噪耳機產業
對性能和成本的平衡是消費級降噪耳機的重中之重，我國在模具加工、零件性價比以及產業鏈本土化上有着碾壓性的優勢，這讓世界所有的量產型降噪耳機商都“繞不開”中國。
TWS真無線耳機的快速發展，爲衆多國內廠商帶來了新的發展機遇。目前主動降噪已成爲市場高端TWS耳機標配功能。降噪耳機從幾十塊錢到成千上萬的都有，差別在於音質、延遲、續航、舒適度等都有區別，背後更多是硬件和軟件的差別，從做工到協議、從功能性聲音表現、從穩定性到故障率等都有差異。
高端耳機芯片仍無法在國內自研自產，芯片正是實現出色主動降噪功能的關鍵。但我國濾波算法以及整個耳機系統的設計整合等能力都在快速發展，硬件和軟件正在和國際品牌逐步減小差距。
目前的TWS耳機市場，硬件解決方案目前有單麥、雙麥、三麥協同，以及少量產品還加入了骨傳導傳感器，搭配軟件層面的通話降噪算法實現。以及少量產品還加入了骨傳導傳感器，搭配軟件層面的通話降噪算法實現。
想要實現TWS耳機差異化主要還是在於軟件層面的降噪算法。目前市面上能夠爲TWS耳機提供降噪算法的國內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、芯聲智能等衆多廠商可以爲耳機AI算法降噪方案。
五、降噪耳機技術在軍事上的應用
戰場上的聲音音量較大，且聲音具備突發性，士兵需要額外的設備來保護聽力，產生了軍用降噪耳機的需求。得益於我國發達的耳機產業，基於壓波機制的降噪耳機已經大量普及並整合進我軍的單兵作戰系統，廣泛用於炮兵、步兵、裝甲兵等單位。
軍用降噪耳機不僅要求降噪這樣簡單，更重要的是快速感知周圍環境，由於主動降噪耳機在中低頻的降噪效果很好，在高頻的降噪效果比較差。所以軍用很少採用主動降噪耳機，基本都是被動降噪。而爆炸聲、射擊聲等戰場環境都屬於高頻，主動噪音都會有細微的時間差延遲，不利於士兵快速做出反應。
爲保證通訊指令準確接收，適應戰場環境抗電磁干擾，基於濾波技術，降噪耳機能夠在保護士兵聽力的同時整合了戰術通訊系統。
軍用降噪耳機多采用被動降噪和壓波拾音技術，即把所有強度超過限度的聲音進行部分抵消，以儘可能還原真實的波形，保留聲音細節，失真度比較小，可以分辨出原聲源的類型和方位，更專業的軍用耳機還會採用數字電路。
結語：主動降噪技術的普及，不僅意味着更多人能以合理的價格享受到更優質的音樂，底噪的降低亦能給用戶創造更好的生活狀態。它不僅對音樂行業意義非凡，更是傑出的人機工程成果。
參考文獻：
[1] 中國數字科技館.耳機降噪的原理是什麼？
[2] 中國科學院聲學研究所.神奇的主動降噪技術.2015.9
[3] 科技日報.聲音會被模仿，聲紋還可靠嗎.2019.12
[4] 中國科學院聲學研究所.降噪耳機會損害聽力？明明是保護吧.2018.7
[5] 軍事科技.軍用拾音降噪耳機的神秘之處，提升戰鬥力的必備之品