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发表于 2021-8-1
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主动降噪耳机的降噪效能量测
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Allion Labs / Greg Tsai* x, {9 c2 ?' A- s$ @) T
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主动降噪（ANC）耳机发展歷程
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「主动降噪」（Active Noise Cancellation）即是利用扬声器產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耳机有著举足轻重的角色。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耳机真正走进大眾视野。
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3 g7 _2 T) w, i7 [% k% b8 }依照通讯系统不同，所涉及的降噪需求情境可分為3类：) E+ h7 Y- T W2 U7 S6 j7 m
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通讯系统噪音控制之辨析3 T" _1 U& J, R$ W, z2 o$ p* g6 K
" d: L& Q- @ f% a e" i# z+ l1. 在「发话端」消除背景噪音
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这样做的目的是為了确保送出的讯号是乾净的，这个技术的受益者是远端受话端。
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, z2 F$ R6 H6 s9 F0 J6 \5 H: h下列技术可应用於这一类情境：
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指向性麦克风: p; c4 P& f A* X$ ?# e L
阵列麦克风
2 u2 N$ A) ?* o" _- D骨传导式麦克风、耳内麦克风
" h8 C& j# h7 B+ ?% }4 {1 o+ @语音分离演算法
& |4 V9 J, L ?+ z1 t2. 在「受话端」消除发话端传送出来与信号混杂之噪音
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8 _* ^5 R1 q6 j# _. a这个噪音消除的类别，主要是受话端為了消除发话端已经传送出来讯号之噪音。这个技术的受益者是当地受话端。由於语音信号与噪音已经混合在一起，因此只能透过纯软体演算法的技术，分离语音讯号和噪音。
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下列技术可应用於这一类情境：
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语音分离演算法
8 p/ ~# F. g- G9 _& h' L3. 在「受话端」消除背景声学噪音/ p' z: h; @6 h& a; U
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/ G6 s- c4 j, |$ C4 Z; B, m这样的技术為本地收听者带来好处，免受现场环境干扰，能听得清楚远端传来的声音。/ _4 o" v H& F" d) j2 S; P
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下列技术可应用於这一类情境：
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/ s6 b( L$ q; Y3 ?被动式噪音控制（以机构做声隔离）
* ]; ^, C% |; ], Z- ~/ [主动式噪音控制（以反噪音进行声抵消）（Active Noise Control）
$ i7 X% c- x0 U) M0 Q. W5 L+ R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：
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并达成下列目标：3 I" J. Z0 a1 V( Y
H+ p& Q3 t. t使发话端的噪音不传到受话端
' L6 z X! Y$ z0 V/ r使受话端能够排除发话端及传输过程所夹带的噪音
5 p! X3 h+ h g6 K, l抑制受话端的环境噪音，使受话端听得清楚
, Q- b# y: L' k# z! m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。& h, T/ Y2 f1 l% c/ k5 i0 n. ~( T
4 G3 C2 Q% {1 p3 G& o主动式降噪的基本原理
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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：
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我们可以先来看一下声波在管道中的传播。9 H! Y/ p2 p/ [8 T _
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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，随著活塞往后，空气粒子就又变得稀疏，如此循环，在特定的位置（如红色点）就可以观察到随著时间，其压力变化的波形。, \: h9 ?5 M7 a3 a
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1 T1 Z6 w' b/ \. A3 }2 o" ]& T/ p9 @9 B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。
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关於声波的破坏性干涉，下面这张图（点此看动画）可以更具体地说明这个现象。
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# K* w& x% T% U9 w6 K1 a这个称之為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，由於左右波的相位相反，因此產生破坏性干波，因而残餘声压几乎為零。& J, J7 ]% v- [$ F; t+ I
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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：: |3 v5 m* R! E' X; Q: L
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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：8 A4 s& v$ C( p
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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。
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- ~; _+ g! w# |$ @* w: _反之，主动降噪由於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。9 i4 v# v- i! g9 x1 V) t
3 G- |) J1 Z$ C) Z" M/ X当我们谈论ANC 耳机的降噪/隔声效能时，被动隔声和主动降噪能力都是应该要被考虑的。
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, u' a5 |! T* r# t0 B- c* d h百佳泰降噪耳机量测环境架设
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6 s3 s* D( g7 @" D6 G為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，透过其上的人工耳量测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。# h2 k# n- ?( T1 [6 _, c3 |0 x: \
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1 N5 H$ U; _$ d. v9 i实际架设照片
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我们以耳朵位置的声压大小為基準，再量测以下条件，再计算后就可以得到消噪性能：
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量测未戴耳机时，人工耳所收到的声压值。" j0 T$ N& q: k2 e( Z
HATS放上待测耳机，暂时不打开ANC功能，单纯量测被动隔音性能。
9 w, t2 E! Q1 y G: G待测耳机已在HATS上，打开ANC功能，量测开啟ANC后的降噪性能。8 U/ V0 e, B3 i& N% ]; m p
由上述第2项减去第1项，可以得到被动隔音效能；第3项减去第2项，就可以得到单纯的主动降噪性能。
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5 v* r7 x. m. u% q$ y4 m# j以下是量测结果： N! q* w- T: W
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5 L7 T& s) O5 { S图1. J4 i- W a- x7 u" I
/ c- J+ M$ h* f$ l. q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；不过被动隔音效能到了低频，它的效果就不好，甚至还略微增加音量。* P9 ~! b% p# W/ T2 L! J0 H+ P
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图2 d0 c) W. `* o- Z+ ]& F- i
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接著，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為最主要。
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以这隻耳机来说，600Hz以下开始有2dB以上的衰减量，最高是在230Hz左右有-10dB 的衰减量。
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" l5 P$ n% |7 X0 r9 F+ H& G, t图3
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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。
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