審核專家：羅會仟
中國科學院物理研究所副研究員
隨著Airpods Max的大賣，降噪耳機一詞逐漸走入大眾的視野。主動降噪、被動消噪等一系列名詞引起了人們的注意。
那麼，降噪耳機的工作原理是什麼？主動降噪、被動消噪又是怎麼一回事？下面，就由小編來為大家解答以上疑惑。
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降噪的實現
降噪耳機是利用技術手段達到降低噪聲的耳機產品，其技術分為兩類：一類是通過耳罩對耳朵的良好包圍結構形成封閉空間阻隔外界噪音的被動降噪技術；另一類是通過電子技術來抵消噪聲的主動降噪技術。
被動降噪技術對高頻信號隔絕效果很好，對中低頻噪聲降噪效果不好，而我們生活中的噪聲大多是中低頻段，因此被動降噪效果非常有限。目前降噪效果好的耳機一般都是混合型降噪，即同時利用主動降噪技術和被動降噪技術。
被動降噪技術，主要是通過包圍耳朵形成封閉空間來隔絕外界環境，或者採用矽膠耳塞等隔音材料來阻擋外界噪聲。這種隔音效果完全是採用物理結構實現的，造價一般較為低廉。
另外，由於採用封閉的結構，佩戴時間久了會造成耳朵不適。而且採用矽膠耳塞的耳機還會產生聽診器效應（即耳塞線或單元處受外界碰撞或空氣摩擦，產生的振動通過耳塞線直接傳遞到耳道內，產生讓人很不愉快的摩擦聲）。
主動降噪技術，也叫有源降噪，是利用麥克風採樣環境噪聲，經過數據處理後發出與噪聲相位相反的聲波來抵消噪聲。
主動降噪技術採用的是聲波疊加抵消原理。基於這一原理，首先必須通過傳聲器採集周圍環境的噪聲信號，因此我們在使用有源降噪耳機時，會發現機身處有一到兩個小孔，這兩個小孔的位置就是採集傳聲器的位置。
主動降噪耳機目前有非常多的技術和不同的算法，來實現更加精確的降噪功能，例如閉環路系統、開環路系統、自適應主動降噪耳機系統等。
主動降噪原理示意圖
來源丨關於主動降噪耳機的研究
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主動降噪的物理原理
為了更好地理解聲波相消幹涉，我們先了解一下什麼是聲波。
聲波來自於機械振動產生的機械波，可以在彈性介質中傳播。機械波的產生首先要有做機械運動的物體，即波源；其次還要有能夠傳播這種振動的彈性介質。
在彈性介質中，如果波源所激起的縱波的頻率在20Hz~20000Hz之間，就能夠引起人的聽覺。引起人類聽覺的聲波，不僅有頻率範圍，而且有聲強範圍。聲強級的單位是貝爾，但這一單位過大，平時我們所用的是我們更熟悉的分貝（dB）。
聽覺範圍
來源丨《普通物理學》
聲波還遵循波的疊加原理。在幾列波相遇的區域內，任一處的質點元的振動為各列波單獨在該點引起的振動之和，這一規律便是波的疊加原理。但是，波的疊加原理只有在波的強度不太大的時候才成立。
波的疊加原理示意圖
來源丨騰訊
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波的幹涉現象
我們只考慮兩列頻率相同、振動方向相同、相位相同或者相位差恆定的簡諧波的疊加。兩列波在空間中任何一點相遇時，該點的兩個分振動有著恆定的相位差。但是對於空間不同的點，有著不同的相位差。
因而在空間某些點處，振動始終加強，而在另一些點處，振動始終減弱或者完全抵消。這種現象就叫做幹涉。
聲波的幹涉和下圖中水波的幹涉現象類似。在波峰與波谷相重合的地方，兩列波的相位相反，合振幅最小，波動強度甚至可能為零。
很容易可以想到，如果利用兩列頻率相同，振幅相同，相位相反的波，那麼這兩列波應該會相互抵消。這便是主動減噪耳機所利用的相消幹涉原理。
水波的幹涉
來源丨騰訊
相消幹涉示意
來源丨淺談主動降噪耳機技術
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降噪耳機的一些缺點
近幾年雖然耳機主動降噪技術得到了顯著提升，但是卻仍然存在一些缺點亟待解決。首先，我們需要明白的是，降噪過程並非是在電路內將噪音進行消除，而是利用聲學原理在特定的空間內將噪音進行抵消。
若主動降噪系統設計不夠完善，所產生的抗噪信號與外界環境噪音未能相互抵消而是疊加，那麼就不是降低噪音，而是提高噪音。
對於主動降噪耳機用戶而言，高品質的主動降噪耳機價格較為昂貴，同時因耳機內部所需要的設備較多，會額外增加耳機的重量。除此之外，有些主動降噪耳機在低頻環境下應對快速變換的噪音時可能會出現失效現象，進而引發「嘶嘶」的電流聲。
Airpods Pro的火熱，無疑是掀起了一陣耳機更換的熱潮，但如今的降噪耳機並不能實現真正意義上的「完美降噪」，例如需求最大的對人聲的降噪，還是基本依靠耳機的被動降噪來實現的。
實際上，耳機內的降噪系統不可能應對所有的噪音環境，總有難以處理的情況，這也是主動降噪耳機企業所需要解決的主要問題。
總結一下，目前的降噪耳機，通常都只能對低頻噪音有著良好的效果，而對於人聲等高頻聲源，市面上沒有哪一款耳機能進行高效處理。所以，若是想要降低室內以及乘坐交通工具時的一些低頻環境音，購買一款降噪耳機不失為一種好的選擇。