1降噪耳機技術面面談
[中關村在線音頻頻道原創]噪聲，也稱噪音，是讓聽到它的人和自然界帶來煩惱的、不受歡迎的聲音。影響人們工作學習休息的聲音都稱為噪聲。對噪聲的感受因各人的感覺、習慣等而不同，因此噪聲有時是一個主觀的感受。一般來說人們將影響人的交談或思考的環境聲音稱為噪聲。
雖然我們使用的耳機產品越來越高檔，享受音樂的品質也越來越高，但不過不得不承認的是城市的噪聲汙染越來越嚴重，在室外使用普通耳機耳塞，只能提高音量來蓋過噪聲，這樣一來不但不能享受美妙的音樂，對自己的聽力也有很大的影響，你也許很快就會感到聽覺疲勞。很多可攜式耳機越來越考慮到隔音的問題，但終歸是治標不治本的辦法，在外界聆聽音樂總歸是要同很多噪聲一起「享受」的。
不過此時，如果想靜靜地享受音樂世界，那麼降噪耳機可能成為最佳選擇。降噪耳機就目前看來也並不算是相當主流的產品，但這個最先只是為了商務人士在飛機上使用設計的耳機越來越受到人們的關注。今年可謂是降噪耳機蓄力爆發的一年，我們已經看到了很多品牌將致力於普及降噪耳機產品，打造親民化的消費級降噪耳機，讓大眾人群也同這些「高端白領」用戶們一樣享受安靜地聆聽。
主動降噪耳機是啥? 降噪耳機技術面面談
但降噪耳機要想站在同便攜耳機一樣的高度，首先還需要得到人們的認同。大多數人對於降噪耳機產品了解較少，對於降噪耳機的功能和應用也沒有一個完善的了解，那麼我們從現在開始，就為大家來介紹一些關於降噪耳機的知識。
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2主動降噪和被動降噪差異
降噪耳機分為主動式降噪和被動式降噪兩種。被動式降噪耳機利用物理特性將外部噪聲與耳朵隔絕開，主要通過隔聲材料阻擋噪聲，對高頻率聲音非常有效，一般可使噪聲降低大約為15-20dB。這種方法原理簡單，降噪成本低，但效果略為遜色，且由於使用了高密度的隔聲材料，耳機較重佩戴不舒服。
隔音耳塞就是被動是降噪原理
我們可以看見的大多數可攜式隔音耳機產品都是這種被動式降噪方式，入耳式耳塞和封閉式耳機能夠在一定程度上隔離噪音，但卻沒有辦法來中和噪聲達到安靜的聆聽效果。被動降噪的優勢是降噪空間大，對於高頻信號的隔絕效果好，比如公路旁邊的隔音板。但是，對於小空間的低頻噪聲來說，像空調工作噪聲、飛機發動機噪聲等噪音則效果大打折扣。
全罩式封閉便攜耳機也是被動降噪原理
主動降噪概念是BOSE公司創始人Amar G. Bose博士在一次飛行旅途中由於受不了飛機噪音而提出的。1989年，BOSE主動降噪耳機推出，但主要用於商業以及軍用戰場上，真正量產到民用還是在2000年。之所以要採用主動降噪耳機，一方面是因為某些噪音是無法通過物理方式隔絕的，另一方面，很多情況下，噪音來自於多方面，我們無法通過傳統方法來進行降噪。
BOSE公司創始人Amar G. Bose博士
其實主動降噪的理論十分簡單，「聲波」是我們中學物理課程中都會學到的理論。聲音的傳播是通過介質的振動來實現，波與波之間如果呈反相則會在理論條件下實現抵消。這就好比平靜的湖中兩組不同方向的波浪相互抵消一個道理。
主動降噪示意圖
主動降噪的原理在於首先要收集噪音的波型特點，然後通過內置的處理晶片運算出反相的波，再通過高還原度揚聲器相抵消。所以主動降噪系統必備的設備有拾音器、處理晶片、揚聲器，每一個部分都要保證高質量才能達到最終的效果，故成本上就要比傳統非降噪設備高。
3主動降噪耳機、開環路降噪系統
主動降噪耳機除使用隔聲材料，耳機內部還設有音頻處理電路，可對部分低頻信號進行消減，因此降噪效果比被動式耳機要好。所有的聲音都由一定的頻譜組成，如果可以找到一種聲音，其頻譜與所要消除的噪聲完全一樣，只是相位剛好相反，相差180°，就可以將這噪聲完全抵消掉，如圖所示。
主動降噪原理圖
抗噪信號僅僅是通過對原始噪聲信號的反相處理得到的，目的就是當它們相遇時可以互相抵消。這種方法基於疊加原理，當波形相同、相位相差180。的兩個信號相互疊加時，就會產生幹涉相消現象。如果噪聲抑制信號和原信號不完全相同或者相位不是精確的相差180°，則只會減弱噪聲，並不能達到完全抵消的效果。
外置傳感器的開環路主動降噪耳機系統
主動降噪系統通過一隻傳聲器採集噪聲並產生抗噪信號。在一個開環路系統中，如圖所示，傳聲器放置於耳罩的外部，其拾取的聲音信號經反相放大器輸出得到抗噪信號，而後與所需的音頻信號混合，最終在耳機換能器中重放嘲。抗噪信號能夠衰減外界噪聲，使原始聲音更便於理解。通常，開環主動降噪系統可以實現噪聲衰減10-15dB，這在為專業人士及普通消費者設計的不同種類的降噪耳機中可以普遍發現。可是，這種設計對於那些想要獨自調整抗噪信號大小以滿足最佳聽音效果的人們來說並不適用。
開環路系統的最大優勢就是簡單，但與其他類型的降噪耳機比，可能並不是最令人滿意的。由於傳聲器放置於耳罩外，實際採集到的噪聲和耳罩內聽到的噪聲並不完全一樣。事實上，經過耳罩再加上其內部的反射作用，聲音已發生了改變。因此，在很多情況下，抗噪信號可以在耳機內生成。
4閉環路系統、自適應降噪系統
如果傳聲器放置於耳罩內換能器的前方，系統可能生成一個更加精確的抗噪信號，如圖所示。此時，傳聲器拾取到的聲音既包括耳機換能器發出的聲音，又包括耳罩內產生的噪聲，這個信號作為糾錯信號反饋給所需的聲音信號，因此被稱為「閉環路系統」。閉路系統的運行特點是通過反饋方式來達到降噪的目的。
內置傳感器的閉環路主動降噪耳機系統
控制論中，噪聲(比如放大器的失真)被看作是一種非線性的變化，可以通過在系統中引入校正信號來減輕或消除這種失真。圖3所示的是一個閉環路主動降噪耳機系統。傳聲器置於耳罩內部，拾取到的是所需的聲音和噪聲的混合聲。首先，這個系統將所需信號從混合信號中分離出來並對剩下的噪聲信號進行反相。然後，對反相的噪聲信號進行補償，以便抵消閉環系統中的噪聲。輸出級將抗噪信號和所需信號重新合成，最終在耳機換能器中實現重放。由於這是一個反饋的過程，所以在某些情況下，閉環系統可能會不穩定。
● 自適應主動降噪耳機系統
上面提到的開環系統和閉環系統都是採用模擬濾波器來產生抗噪信號，而數字濾波器的功能更為強大，設置也更為簡單。用數字濾波器來消除噪聲的方法叫做自適應濾波法，它可以同時實現糾正相位錯誤和幅度錯誤。
自適應主動降噪耳機系統
上圖是使用自適應主動降噪耳機系統的原理圖。在頭戴耳機的頂部放置一隻傳聲器拾取噪聲信號作為參考信號，自適應濾波器利用當前信號經過耳機系統模型的轉移函數來預測耳罩內的噪聲，然後將預測噪聲反相後與所需音頻信號進行疊加，最終傳送給耳機換能器。置於耳罩內的傳聲器拾取實際的聲音並產生一個誤差信號，使濾波器收斂於零以得到更加準確的抗噪信號。
5降噪耳機的一些技術進展
降低噪聲通常所採用的三種降噪措施，即在聲源處降噪、在傳播過程中降噪及在人耳處降噪，這些技術都是消極被動的。為了積極主動地消除噪聲，人們發明了主動噪聲控制ANC這一技術。
索尼的NDR-NC500D降噪過程數位化、人工智慧自動選擇降噪模式
主動降噪通過測量、反向控制、聲場疊加三個主要過程實現聲場抵消嘲。在眾多主動降噪耳機中，這個原理基本是通用的且多年沒有變化，主動降噪耳機的發展似乎遇到了自己的瓶頸。瓶頸在主動降噪技術上，而各廠家又都想把自己的產品變成市場中的王者，於是將關注點放在了其他方面。
BOSE的產品就採用了ANC降噪技術
同樣採用ANC降噪技術的鐵三角耳機
經過長期的探索，人們清醒地認識到，噪聲控制的根本途徑是對聲源的有效控制，所以從分析聲源的發聲機理出發，對聲源或近場域實施主動控制才是解決噪聲控制積極主動的發展方向。在各種產品向數位化發展的今天，數位化主動降噪技術已成為今後降噪耳機的發展趨勢。同時，將ANC與智能控制技術、智能材料和光纖技術有機結合起來，既提高了主動降噪系統的性能，又保證系統控制的性能。
6消費者關係的問題解答
● 降噪耳機會影響音質嗎？
會。由於被動降噪耳機涉及了運算過程，音質受到影響，這是肯定的。被動降噪一般意義上不作為真正的降噪耳機來討論，因為它可以是音質很好的監聽返送設備，以音質為賣點的那種。但目前降噪影響音質的問題已經有一些廠商在改進，目前有產品可以實現開啟降噪同時提升音質，不過這樣的產品還不算多見。
● 降噪耳機價格貴嗎？
不便宜。最便宜的降噪耳機起跳都要幾百塊，當然，這是不會有很好的降噪效果和音質表現的。如果你想要一款鋰電池供電、降噪效果好、音質表現佳的產品，那麼三千到四千元的鈔票是肯定要花的。今年，很多廠商搭理推廣降噪耳機，將產品價格下拉以進入消費級用戶市場，這是一個不錯的趨勢。
● 降噪耳機有啥缺點？
缺點談不上，最多是個使用不方便，比如它需要電池供電、體積過大不便攜、價格偏貴、馬路上使用容易出危險等等。如果算的話，大品牌的降噪耳機目前來說也都不算太過便宜，這可能是個缺點吧。
● 降噪耳機市場現狀如何？
不是很好。一方面是廠商在不斷的向市場投入新的降噪耳機產品，另一方面則是消費者的「淡定」對待。從降噪耳機市場目前整體銷量來看，絕對可以算得上是個小眾市場。
原因很多，但最重要的還是價格。願意花數千元買一隻HiFi耳機來聽聽，但絕對沒有數千元買降噪耳機的需求。不過降噪耳機既然價格下調，有這方面需求的人一定會增多，畢竟我們面臨的日常生活環境也越來越複雜，生活中接觸到的噪音也越來越多
● 什麼樣的人需要降噪耳機？
商務人士、空中飛人，這是毫無疑問的。本身降噪耳機就是因飛機而生，那麼回歸它本身的應用就是很自然的事情。不過，在目前噪音越來越多的城市中，地鐵、公交也不失為降噪耳機應該合理出現的更好場合。
72014降噪耳機將大力發展
要讓降噪耳機普及，那得再多催生好大一個規模的燒包用戶群體，好大好大的那種。目前的人們對於降噪耳機的需求仍然並不算太大，首先是因為對於這類產品的了解程度並不高，另外目前的降噪耳機也越是太昂貴了，不過首先大家應該認識到降噪耳機的優勢還是相當明顯的。
主動降噪耳機確實很適合飛機這樣噪聲很大的環境中使用
被動降噪屏蔽的是高頻噪聲，它更適合一些比較規則的降噪場景，通過堆積隔音材料來實現。但是對付環境複雜，且大量低頻共振噪聲就束手無策。主動降噪通過麥克風拾音，可以有效地處理複雜環境的噪音，例如車內、機艙等環境。所以說，某些特定條件下，主動降噪的優勢極為明顯。主動降噪對於低頻噪音信號的消除有明顯的效果，尤其是空調、發動機等噪聲。最多可降低25dB-30dB的環境噪音。相比於被動降噪來說，主動降噪的效果更加智能。
BOSE的降噪耳機產品
另外在音質方面，主動降噪在原有的音樂上加入了降噪處理信號，勢必會造成音樂純度的影響形成音染。降噪處理晶片、拾音麥克風在工作中會出現誤差，導致部分非噪音信號被抵消。這也是為什麼許多用戶發現主動降噪耳機的聲音細節不夠，發悶的原因。不過目前已經擁有一些品牌在降噪的同時也更加注意音質問題，已經實現了開啟降噪同時提升音質，讓我們有理由相信降噪實現HiFi是可行的。
有些耳機已經實現了開啟降噪同時提升音質
主動降噪技術發展了數十年，技術已經不斷成熟，，正在逐步從高端應用延伸到民用市場，所應用的環境也是多種多樣。最根本在於，和被動降噪的材料學相比，主動降噪的處理機制提升空間更大。但技術封鎖是最令行業頭疼的問題，目前行業內擁有主動降噪核心技術的幾家公司均不會透露自己的技術，技術封鎖顯然對行業的發展不利。
國內一些品牌在今年將致力於將降噪耳機帶給消費級用戶
但這並無法降噪的發展，目前已經擁有一些國內品牌在自主研發主動降噪技術，並且在今年將大力推廣主動降噪耳機產品。我們面臨的環境越來越複雜，生活中的環境越來越大了，將降噪耳機親民化，帶給大眾消費級人群使用是唯一的目的。
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隨著人們對於生活品質要求的逐步提高，越來越多的用戶開始考慮降噪耳機的選購，旨在保證最為舒適的試聽環境和出色的聽力保護效果，相信這篇文章之後可以幫助越來越多的用戶選擇到適合自己的降噪耳機產品。