給世界裝上靜音鍵——淺析主動降噪技術(shù)
噪聲意識的衍生
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202305/447022.htm4月26日是國際噪音意識日(Noise Awareness Day),在這一天,Apple公布了和密歇根大學合作展開的聽力研究進展。自2019年開始,Apple就有意識地通過iPhone 和 Apple Watch 收集數(shù)據(jù),幫助科學家從事 3 項健康研究。在這項針對環(huán)境噪聲的研究中就發(fā)現(xiàn):美國有三分之一的成年人(約 7700 萬人)暴露在過高的噪音水平中。人口越多,高分貝噪音影響程度最重,美國加利福尼亞、得克薩斯、佛羅里達和紐約州這幾個州最為明顯。
其實,人類同聲音的斗爭自從古代就已經(jīng)開始了,在我國古代的《呂氏春秋·自知》就記載了這樣一個故事:“范氏之亡也,百姓有得鐘者,欲負而走,則鐘大不可負。以錘毀之,鐘況然有音??秩寺勚鴬Z己也,遽掩其耳。”沒錯,這就是在我國家喻戶曉的故事——掩耳盜鈴。這應該是有文字記載的人類與聲音斗爭中最著名的失敗案例之一。
所以,人類同聲音的“戰(zhàn)爭”自古有之,發(fā)展至今也衍生出很多相關(guān)產(chǎn)品:耳塞、隔音棉、隔音板等。但效果總是馬馬虎虎,直到耳機的出現(xiàn)和普及,人們逐漸發(fā)現(xiàn)還是得“用魔法打敗魔法”,用音樂的聲音來蓋過噪音。于是在地鐵中、在飛機上,甚至于當隔壁鄰居在裝修之時。很多人選擇帶起耳機,或者直接把音響聲音調(diào)大。但這種殺敵一千,自損八百的戰(zhàn)術(shù)實在是難以令人接受,噪音沒有實際消失,自己的耳朵倒是因為常年大音量地聽音樂變得越來越不好,對于這個無形的敵人,在1978年,人類終于給出了“終極”武器,那就是主動降噪技術(shù)。
主動降噪技術(shù)的誕生
主動降噪技術(shù)誕生的原因十分簡單,就是在1978年,BOSE的創(chuàng)始人Amar G. Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機上,發(fā)現(xiàn)飛機引擎的噪音干擾了他戴耳機欣賞音樂的興致。這激發(fā)了他對主動降噪技術(shù)的研究動力,在下飛機之后就開始推導驗算,寫出了降噪耳機最原始的方程式。
和所有的高精尖技術(shù)一樣,這項技術(shù)很快就被用在了軍事領(lǐng)域上,在1989年BOSE終于把主動降噪的技術(shù)量產(chǎn),隨即被美國政府看中,專供飛行員使用。據(jù)說,美國軍方通過給飛行員/地勤人員佩戴降噪耳機,節(jié)省由于噪音致殘而需發(fā)放的補償金達2億美金。
BOSE創(chuàng)始人Amar G. Bose博士
主動降噪技術(shù)的原理
主動降噪技術(shù)的原理十分簡單,我們都知道聲音是一種波,既然是波的話那么自然就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,主動降噪就是利用波的干涉相消,通過運用高靈敏度的聲學麥克風采集周圍的噪音,然后通過內(nèi)置的處理器實時運算出一個與噪音相位相反的聲波來抵消噪音,從而達到抵消噪音的效果。
但是在實際的工程實現(xiàn)上卻有著不少的問題,比如在實際生活中,噪聲種類、頻率都不相同,并且音速傳播速度也不算慢,再加上,收音的麥克風與發(fā)聲的耳機不在同一位置,所以麥克風接收的信號并不完全是轉(zhuǎn)換器在產(chǎn)生抗噪信號所需要的。這就對這一整套降噪電路的反應速度和精度提出了苛刻的要求。要知道如果主動降噪系統(tǒng)的信號延遲超過幾毫秒,傳出的抗噪訊號是針對先前噪音的信號,而不是立即產(chǎn)生的當前噪聲,就會將降噪變成增噪,情況變得更糟。
主流的降噪效果三種形式
前饋式降噪:麥克風位于耳機外側(cè),暴露于噪音中。
反饋式降噪:麥克風位于耳機揚聲器(喇叭)附近。
雙饋式降噪:同時有多個麥克風,前饋與反饋的結(jié)合。
前饋式和反饋式拾取噪音的方法各有優(yōu)缺點。前饋式比較容易實現(xiàn),能有效拾取外部噪音;而反饋式則更接近于耳道,理論上能更好地消除噪音。但由于麥克風與揚聲器靠近,會受到耳機發(fā)出聲音的影響,因此需要更高水平的算法。
目前高端的降噪耳機通常采用多種消噪方式(包括被動、前饋和反饋)以及多麥克風的組合,其中雙饋式降噪能夠更加精準全面地拾取噪音信號,從而實現(xiàn)更好的消噪效果。有些降噪耳機甚至配備了4個或6個麥克風。
主動降噪技術(shù)的缺點
有一種對于主動降噪技術(shù)的普遍誤解是:認為主動降噪耳機可以平等地消除所有噪音。實際上,他們做不到,主動降噪通常對較低頻率的聲音更有效,例如噴氣發(fā)動機或空調(diào)的嗡嗡聲。但是對于更加尖銳的高頻噪聲,主動降噪就做不到將這些噪聲剔除了,其原因也很簡單,高頻的聲音波長很短,很難生成一個和高頻噪音信號準確相差180°的主動信號去抵消它,不僅如此,人類的耳朵對于高頻聲音還相對敏感,萬一出現(xiàn)相位差,就會直接被人耳朵捕捉到,降噪就會變成增噪。所以就以目前的芯片和算力來說,很難對于高頻噪聲有什么有效的辦法,還是應該以堵死耳朵這種被動降噪為主。
不僅如此,體驗過主動降噪技術(shù)的讀者應該都有這樣的經(jīng)歷,一旦開啟主動降噪,世界在變得安靜的同時,耳道內(nèi)會出現(xiàn)一股壓力,讓人產(chǎn)生不適和眩暈感,這種“耳壓”的存在,也是主動降噪技術(shù)的缺點之一。
那么,這“耳壓”是怎么產(chǎn)生的呢?上文說道:聲音是一種機械波,而當它的傳播介質(zhì)是空氣時,聲音就是通過空氣的振動來傳播和存在,震動的空氣必然擁有能量。我們都知道,能量不會憑空消失,也不會憑空產(chǎn)生,那么當噪聲被耳機利用反相聲波干涉相消后,聲波原來具有的能量去哪里了呢?答案是變成了耳道內(nèi)空氣的內(nèi)能(熱能),但是這一部分升溫十分微弱,可能連0.1℃都沒有,但是再小的升溫也會引起空氣“熱脹冷縮”,被加熱后的空氣雖然溫度不足以被人體感知,但是氣體的膨脹對于耳朵來說是相當敏感的,如此微小的壓強變化也能被感知到,這便是主動降噪耳機通常都會有較大耳壓的原因。
這也是目前主流耳機廠商主要優(yōu)化的一點:如何平衡降噪強度和耳壓的平衡。如果您的降噪耳機在固件更新之后,發(fā)現(xiàn)降噪水平有所下降,這就應該是廠商對于耳壓做出的妥協(xié)。
結(jié) 語
通過這篇文章各位應該對于主動降噪技術(shù)有了一個更加深刻的認識。其優(yōu)點是:可以有效消除大部分噪聲,從而使得各位可以沉浸在自己的世界中,更好的保護聽力;其缺點是對于高頻噪聲無能為力,而且會降低一部分的耳機音質(zhì),并且會有耳壓的存在使得配搭舒適性有所折扣。
但是對于常年暴露在噪聲中的現(xiàn)代都市人來說,筆者認為降噪耳機還是十分必要的,縱使它有這一些技術(shù)上的缺點,但是在保護聽力面前,都顯得有些微不足道。最后,祝各位讀者都能遠離噪聲危害,有一個健康的聽力!
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