原创 主动降噪耳机的降噪性能测量

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。

http://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-basics-sound.htm

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。

http://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-further-dipoles.htm

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。