Allion Labs / Greg Tsai

主动降噪(ANC)耳机发展历程

「主动降噪」(Active Noise Cancellation)即是利用扬声器产生与噪音的音量大小相同、但相位相反的声波,来抵消噪音。在通讯应用上,ANC耳机有着举足轻重的角色。早在1936年,Paul Lueg在美国就提出了主动式降噪技术的专利。1955年开始有ANC耳机的研究。1989年,Bose推出第一款ANC耳机。近年来TWS耳机热销,2019年Apple AirPods Pro添增了ANC功能,才让ANC耳机真正走进大众视野。

依照通讯系统不同,所涉及的降噪需求情境可分为3类:

通讯系统噪音控制之辨析

1. 在「发话端」消除背景噪音

这样做的目的是为了确保送出的信号是干净的,这个技术的受益者是远程受话端。

下列这些技术可应用于这一类情境:

  • 指向性麦克风
  • 数组麦克风
  • 骨传导式麦克风、耳内麦克风
  • 语音分离算法

2. 在「受话端」消除发话端传送出来与信号混杂之噪音

这个噪音消除的类别,主要是受话端为了消除发话端已经传送出来信号之噪音。这个技术的受益者是当地受话端。由于语音信号与噪音已经混合在一起,因此只能透过纯软件算法的技术,分离语音信号和噪音。

下列这些技术可应用于这一类情境:

  • 语音分离算法

3. 在「受话端」消除背景声学噪音

这样的技术为本地收听者带来好处,免受现场环境干扰,能听得清楚远程传来的声音。

下列这些技术可应用于这一类情境:

  • 被动式噪音控制(以机构做声隔离)
  • 主动式噪音控制(以反噪音进行声抵消) (Active Noise Control)

因此,一个完美的通讯降噪方案,应同时包括上述三项技术,如下图所示:

并达成下列目标:

  1. 使发话端的噪音不传到受话端
  2. 使受话端能够排除发话端及传输过程所夹带的噪音
  3. 抑制受话端的环境噪音,使受话端听得清楚

由上述的剖析过程中,我们可以清楚地知道:一般所谓的ANC耳机,其实只包含上述降噪技术中的第三种。

主动式降噪的基本原理

最早ANC降噪技术是由Paul Lueg在1936年提出的美国专利,应用在管道的噪音消除。当时的专利图如下:

我们可以先来看一下声波在管道中的传播。

管道中声波的传播,就像下面这张图(点此看动画),活塞往前推的时候,空气粒子就在管道中被压缩形成压力较大的区域,随着活塞往后,空气粒子就又变得稀疏,如此循环,在特定的位置(如红色点)就可以观察到随着时间,其压力变化的波形。

因此,Paul Lueg的想法,就是在管道中藉由安置麦克风,来取得上游的管道声压,并在下游的扬声器发出「大小相同、相位相反」的声波,来将下游的管道噪声消除掉。

关于声波的破坏性干涉,下面这张图(点此看动画)可以更具体地说明这个现象。

这个称之为Dipole偶极子的现象, 是由两个相位相反的点源相互作用下所构成的声场,可以看见在中心垂直区域, 由于左右波的相位相反, 因此产生破坏性干波,因而残余声压几乎为零。

因此,透过合适的安排,就可以达成主动消噪的功能,因此消噪耳机的基本概念可以用下面这张图来表达:

不过,主动降噪技术通常不能够独立存在,必须搭配被动隔音技术才能得到良好的发挥。如下图:

被动隔声主要依靠隔声材料的特性决定,对高频噪音有比较好的效果;若是透过被动隔声来处理低频噪音,则材料体积会非常巨大。

反之,主动降噪由于利用破坏性干涉的原理,对低频声波反而处理得更好;因此, 被动隔声和主动降噪是相辅相成的。

当我们谈论ANC耳机的降噪/隔声性能时,被动隔声和主动降噪能力都是应该要被考虑的。

百佳泰降噪耳机测量环境架设

为了评估消噪耳机的消噪性能,我们将它放置在声学人偶(HATS)上,透过其上的人工耳测量消噪前后的音量大小(也就是计算它的插入损失),透过这样的方式来评估消噪性能。

实际架设照片

我们以耳朵位置的声压大小为基准,再测量以下条件,再计算后就可以得到消噪性能:

  1. 量测未戴耳机时,人工耳所收到的声压值。
  2. HATS放上待测耳机,暂时不打开ANC功能,单纯测量被动隔音性能。
  3. 待测耳机已在HATS上,打开ANC功能,测量开启ANC后的降噪性能。

由上述第2项减去第1项,可以得到被动隔音性能;第3项减去第2项,就可以得到单纯的主动降噪性能。

以下是测量结果:

图1

图1是被动隔音的效能。我们可以看到,的确是高频的隔音能力比较好,自2kHz 以上,能够有6dB 以上的衰减量,最高到7kHz有33dB的衰减量;不过被动隔音性能到了低频,它的效果就不好,甚至还略微增加音量。

图2

接着,图2是主动降噪性能,我们可以看到主动式噪音消除的确是低频降噪为最主要。

以这只耳机来说,600Hz以下开始有2dB以上的衰减量,最高是在230Hz左右有-10dB衰减量。

图3

图3是实际开启ANC后的总消噪量, 它显示了低频在230Hz大约有10dB 的降噪效果, 而在6kHz有大约39dB的降噪效果。

关于降噪性能测量如有相关疑问,欢迎随时与我们连络cn_service@allion.com.cn