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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，降噪耳機已經成為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為高、中、低幾個階段。20～200Hz屬于低頻，200～4000Hz屬于中頻，4000～20000Hz屬于高頻。

日常的噪聲里面，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(qū)別。傳統(tǒng)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。因為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。

耳機的降噪技術分為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為這兩者的共同作用。

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盡可能地吸收減弱振動能量，使傳遞通過介質的振動能量盡量小，以構建內部封閉的傳播環(huán)境。

入耳式耳機的介質同時要滿足降噪和固定耳機的作用，通常選用橡膠作為介質；頭戴式耳機的介質主要是隔音棉，相對有著更大的隔音體積，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。

為此，人們開發(fā)出了ANC主動降噪耳機。這并不一項新技術，早在1980 年代末就推出了采用該技術的商業(yè)航空耳機。該技術還用于道路車輛、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(fā)出與噪聲相位相反的白噪音，在耳內與噪聲形成干涉，兩者疊加后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，里面也有一個麥克風。外面的麥克風可以識別周圍環(huán)境的聲音，中間的揚聲器用來播放抵消噪聲的反相聲波，里面的麥克風作為一個反饋，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為前饋式、反饋式和雙饋式降噪。主流耳機都使用雙饋式降噪，即首先采用外部麥克風收集環(huán)境聲音進行抵消處理，同時耳道內部還有一支麥克風，進一步二次采集耳內的噪聲進行抵消處理，并繼續(xù)優(yōu)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。如果說耳機僅僅為了實現降噪，那么被動降噪依然能發(fā)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。

為了實現這個目的，需要有效地利用聲紋的物理性質。顧名思義，聲紋如同指紋，有著特定性和相對穩(wěn)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征，此外其他有規(guī)律的聲音也具備較穩(wěn)定且獨特的聲紋。

無論是降噪還是通透亦或是壓波處理，其核心都在于對特定聲紋的識別。利用深度學習算法提取不同聲源發(fā)出的聲紋特征，就可以對該聲源發(fā)出的特定聲音濾波。在識別不同聲波后，即可對不同種類的環(huán)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。

這是由于聽覺有掩蔽效應，在一個比較吵的環(huán)境里面，比如噪聲環(huán)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(huán)境的噪音只有30分貝，那么45分貝的音樂就可以聽得很清楚。

　　正因如此，當周圍很吵，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(jié)聽不到。周圍環(huán)境越吵，聲音調得越大，對耳朵的損傷就會越重。特別是有的手機為了保證音樂里低音的效果，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，那么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(yè)

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(yè)鏈本土化上有著碾壓性的優(yōu)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(fā)展，為眾多國內廠商帶來了新的發(fā)展機遇。目前主動降噪已成為市場高端TWS耳機標配功能。降噪耳機從幾十塊錢到成千上萬的都有，差別在于音質、延遲、續(xù)航、舒適度等都有區(qū)別，背后更多是硬件和軟件的差別，從做工到協(xié)議、從功能性聲音表現、從穩(wěn)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(tǒng)的設計整合等能力都在快速發(fā)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(xié)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于軟件層面的降噪算法。目前市面上能夠為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、芯聲智能等眾多廠商可以為耳機AI算法降噪方案。

五、降噪耳機技術在軍事上的應用

戰(zhàn)場上的聲音音量較大，且聲音具備突發(fā)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。得益于我國發(fā)達的耳機產業(yè)，基于壓波機制的降噪耳機已經大量普及并整合進我軍的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，廣泛用于炮兵、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(huán)境，由于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。所以軍用很少采用主動降噪耳機，基本都是被動降噪。而爆炸聲、射擊聲等戰(zhàn)場環(huán)境都屬于高頻，主動噪音都會有細微的時間差延遲，不利于士兵快速做出反應。

為保證通訊指令準確接收，適應戰(zhàn)場環(huán)境抗電磁干擾，基于濾波技術，降噪耳機能夠在保護士兵聽力的同時整合了戰(zhàn)術通訊系統(tǒng)。

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，以盡可能還原真實的波形，保留聲音細節(jié)，失真度比較小，可以分辨出原聲源的類型和方位，更專業(yè)的軍用耳機還會采用數字電路。

結語：主動降噪技術的普及，不僅意味著更多人能以合理的價格享受到更優(yōu)質的音樂，底噪的降低亦能給用戶創(chuàng)造更好的生活狀態(tài)。它不僅對音樂行業(yè)意義非凡，更是杰出的人機工程成果。

參考文獻：

[1] 中國數字科技館.耳機降噪的原理是什么？

[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(zhàn)斗力的必備之品