标签: 降噪耳机

随着真无线蓝牙(TWS)耳机的兴起，也带动了主动降噪(ANC)耳机的再次发展。而由于ANC芯片技术的推出，ANC耳机不再是只有少数厂商能做的产品，据调研机构统计数据显示，2029年ANC耳机将达到 34.42亿美元市场规模。 Active Noise Cancellation Headphones Market Size & Share Analysis – Industry Research Report – Growth Trends (mordorintelligence.com) 然而，ANC性能的真实性，需持保留态度。传统上是透过White/Pink Noise，以及声学人偶中的麦克风来评估ANC耳机的降噪性能，但这方式最明显的缺点是：White/Pink Noise是平稳噪音，无法代表瞬息万变的真实世界噪音。因此比较好的评估方法是透过「声场重建」的方式来进行。 在 现实生活中，ANC耳机不是单纯用来降噪，消费者对它有更高的期待－－提升通话时的语音聆听质量。为了达成这个目标，百佳泰购置了专业Head Acoustic 3QUEST语音质量评估系统。3QUEST(三元质量评估系统)与另一语音信号评估工具POLQA最大的不同在于，它是特别针对存在背景噪音条件下，进行语音质量评估的工具。 了解3QUEST技术 3QUEST依据的标准规范如图所示: 在通讯领域，语音质量一直是评估通话效能的关键指标，而通话场景大致可分为安静环境和有背景噪音的环境。 3QUEST是一个专为背景噪音环境所设计的测试方法，基于ETSI(欧洲电信标准化协会)的标准EG 202 396-3来评估存在背景噪音时的语音质量。 传统上，语音质量的评估依赖主观听力测试，透过多人聆听并对语音给予评分来计算平均意见得分(MOS)。ITU-T P.800标准化了这种主观评测方法，然而，主观测试方法耗时且成本高昂，难以广泛应用于工业领域，因此客观测试方法成为了迫切的需求。 在此背景下，诸如PSQM、PESQ、TOSQA和POLQA等客观测试方法相继出现。 PSQM(ITU-T P.861)： 一种侵入式算法，主要用于评估300Hz-3400Hz的窄频语音质量。 PESQ(ITU-T P.862)： 综合了PSQM和PAMS的优点，并在时间对齐方面进行了优化，能够评估窄频和宽带语音 POLQA(ITU-T P.863)： 在PESQ的基础上增加了对新型语音编码技术和更宽讯号带宽的支持。 针对噪音环境下的语音质量评估，ETSI EG 202 396-3标准定义了客观测试方法。此方法透过比较原始语音(Clean Speech Signal)、加上背景噪声未经处理的讯号(Unprocessed Signal)和经过装置处理后的讯号(Processed Signal)，来计算与噪声处理能力相关的N-MOS分数，以及与语音质量相关的S-MOS分数，并由这两者透过二次线性回归运算得出综合的G-MOS评分。3QUEST测试主要就是依据ETSI标准进行！ 3QUEST测试方法的特点是透过定量的客观参数来评估设备在噪音环境下处理语音的能力。N-MOS(噪音质量意见分数)、S-MOS(语音质量意见分数)和G-MOS(整体质量意见分数)是此方法的核心评分指标。 这些指标不仅能反映设备在噪音环境中处理语音的效果，还能评估设备在保留语音清晰度方面的表现。 3QUEST藉由相对算法比较处理前后的讯号变化，客观地衡量背景噪音处理技术的有效性。不仅对开发和测试高性能ANC耳机至关重要，也适用于各种通讯系统和终端的评估，包括汽车内建通讯系统、智能型手机和会议通讯设备等。 实际应用与案例研究 本文分享实验，安排了以下四款ANC耳机： 测试地点是专为声学量测而建立的聆听室，该聆听室底噪达到19dBA以下。首先我们安排在没有噪音播放的条件下进行，以取得比较基准。其3QUEST的量测结果如下： 由于没有播放背景噪音(Back Ground Noise,BGN)的关系，因此不管有没有启动ANC，N-MOS分数都偏高。但Model C的S-MOS分数就比其他款式低，也因此使得它的G-MOS较其他耳机低。这表示C耳机所播放出的语音，在人耳的听感上会稍差一些。 有了以上「未播放背景噪音」条件下的基础数据，接着就可以再进行「噪音播放」条件下的3QUEST量测。以下是量测数据： 结果与讨论 单就降噪量效果来说，Model A和Model B耳机同属罩耳式耳机，定价也比较高， 正如预期，它们的N-MOS分数高，正代表它们的降噪性能比另两款入耳式耳机来得好。 而Model D的N-MOS分数比其他机种都低，这也表示它的降噪性能较差，虽然它的S-MOS分数是最高的，但其降噪分数N-MOS却把它的总体分数G-MOS拉低了下来，使得它的综合分数与Model C相去不远。如果Model D的降噪性能再提升，那么它的G-MOS分数也将会得到相应的提升。综观结果，整体G-MOS效果最好的是Model B，而它也是这四款耳机中最贵的一款。 从上述的研究数据中可得知，好的产品设计必须考虑到用户的应用情境，而耳机产品更是需要考虑在不同环境噪音下的降噪效能表现，避免产生客诉问题！

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： 使发话端的噪音不传到受话端 使受话端能够排除发话端及传输过程所夹带的噪音 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： 量测未戴耳机时，人工耳所收到的声压值。 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。 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。