“以毒攻毒”的降噪耳机，咋就变安静了？
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导语：中国是耳机生产大国，全球约90%的耳机产自中国。对性能和成本的平衡是消费级降噪耳机的重中之重，降噪耳机已经成为现今年轻人手机必不可少的手机配件之一，今天我们就来聊聊降噪耳机。
一、“以毒攻毒”的主动降噪技术
通常我们把听到的声音划分为高、中、低几个阶段。20～200Hz属于低频，200～4000Hz属于中频，4000～20000Hz属于高频。
日常的噪声里面，大多是中低频阶段的声音，比如地铁、高铁以及飞机上的噪声等。生活中高频的噪声是比较少的，但一些警示声，如车喇叭有部分高频的成分。
从外观上来看，我们常用的密闭式耳机和开放式耳机没有实质的区别。传统的密闭式耳机只能实现对中高频声音的降噪，要实现对中低频的降噪很困难。因为想要达到的降噪量越大，需要用到的隔声材料的质量就要越大，这样耳机就会捂得特别紧很笨重，这都会影响耳机的舒适感。
耳机的降噪技术分为被动降噪和主动降噪两个部分，所有降噪耳机的降噪效果均为这两者的共同作用。
声音通过介质传播，在传播过程中能量使得介质不断振动。被动降噪的目的即通过介质尽可能地吸收减弱振动能量，使传递通过介质的振动能量尽量小，以构建内部封闭的传播环境。
入耳式耳机的介质同时要满足降噪和固定耳机的作用，通常选用橡胶作为介质；头戴式耳机的介质主要是隔音棉，相对有着更大的隔音体积，效果相比前者更好。被动降噪总是会在某种程度上增加用户的不便，通常来讲，被动降噪可以隔绝10-15分贝的音量，仍然无法完全阻挡外来的音量，降噪效果有限。
为此，人们开发出了ANC主动降噪耳机。这并不一项新技术，早在1980 年代末就推出了采用该技术的商业航空耳机。该技术还用于道路车辆、移动电话、耳机和头戴式耳机。
声音是一种压力波，描述波形变化的一个参数是相位，有了相位，声波中某个点在某个时刻是处在波峰、波谷或是其它位置就可以精确计算出来。而主动降噪的原理堪称“以毒攻毒”，当降噪耳机检测到外部噪音，它不是被动地屏蔽，而是使芯片主动发出与噪声相位相反的白噪音，在耳内与噪声形成干涉，两者叠加后就能降低噪音的波幅。
一般一个主动降噪耳机的耳罩外面有一个麦克风，中间有一个扬声器，里面也有一个麦克风。外面的麦克风可以识别周围环境的声音，中间的扬声器用来播放抵消噪声的反相声波，里面的麦克风作为一个反馈，检查降噪的效果。
你或许会问，耳机是如何保证音乐通透不被抵消的呢？
二、降噪耳机如何保持“通透”
降噪技术在硬件上分为前馈式、反馈式和双馈式降噪。主流耳机都使用双馈式降噪，即首先采用外部麦克风收集环境声音进行抵消处理，同时耳道内部还有一支麦克风，进一步二次采集耳内的噪声进行抵消处理，并继续优化中低频音效。音乐等通话声音是不会受到影响的。
此外，降噪耳机通常具备通透模式，它能与降噪模式实现不同的效果。如果说耳机仅仅为了实现降噪，那么被动降噪依然能发挥不错的作用，而主动降噪则是在声音进入耳朵之前实现抵消作用。不过倘若在降噪的同时，还需要允许外部声音进入，甚至保留周围特定的声音信息（例如自己的通话声音或是他人的对话），建立所谓的“通透模式”，就非得依靠算法来实现了，相对单纯降噪的技术难度更大。
为了实现这个目的，需要有效地利用声纹的物理性质。顾名思义，声纹如同指纹，有着特定性和相对稳定的特点。也就是说，一个人无论如何掩饰，他的对话声纹总是能够被提取出相同的特征，此外其他有规律的声音也具备较稳定且独特的声纹。
无论是降噪还是通透亦或是压波处理，其核心都在于对特定声纹的识别。利用深度学习算法提取不同声源发出的声纹特征，就可以对该声源发出的特定声音滤波。在识别不同声波后，即可对不同种类的环境音进行消除或是放缩处理，从而反馈给用户不同的功能。
三、降噪耳机会损害听力吗？
事实上，主动降噪耳机对听力肯定是有好处的。
这是由于听觉有掩蔽效应，在一个比较吵的环境里面，比如噪声环境是70分贝，那至少要将音乐放到75分贝或者80分贝时，才能压过噪声。如果周围环境的噪音只有30分贝，那么45分贝的音乐就可以听得很清楚。
正因如此，当周围很吵，我们不自觉就会把音乐声音调得更大，不然就会有很多细节听不到。周围环境越吵，声音调得越大，对耳朵的损伤就会越重。特别是有的手机为了保证音乐里低音的效果，还会用一些补偿的手段让低音更大。
当使用降噪耳机时，周围的低频噪声都被抵消了，那么播放音乐的音量也就可以相应降低，又不会影响紧急情况下尖鸣的喇叭等警示音。
四、我国降噪耳机产业
对性能和成本的平衡是消费级降噪耳机的重中之重，我国在模具加工、零件性价比以及产业链本土化上有着碾压性的优势，这让世界所有的量产型降噪耳机商都“绕不开”中国。
TWS真无线耳机的快速发展，为众多国内厂商带来了新的发展机遇。目前主动降噪已成为市场高端TWS耳机标配功能。降噪耳机从几十块钱到成千上万的都有，差别在于音质、延迟、续航、舒适度等都有区别，背后更多是硬件和软件的差别，从做工到协议、从功能性声音表现、从稳定性到故障率等都有差异。
高端耳机芯片仍无法在国内自研自产，芯片正是实现出色主动降噪功能的关键。但我国滤波算法以及整个耳机系统的设计整合等能力都在快速发展，硬件和软件正在和国际品牌逐步减小差距。
目前的TWS耳机市场，硬件解决方案目前有单麦、双麦、三麦协同，以及少量产品还加入了骨传导传感器，搭配软件层面的通话降噪算法实现。以及少量产品还加入了骨传导传感器，搭配软件层面的通话降噪算法实现。
想要实现TWS耳机差异化主要还是在于软件层面的降噪算法。目前市面上能够为TWS耳机提供降噪算法的国内公司相对也比较丰富，如大象声科、出门问问、声加科技、思必驰、声智科技、芯声智能等众多厂商可以为耳机AI算法降噪方案。
五、降噪耳机技术在军事上的应用
战场上的声音音量较大，且声音具备突发性，士兵需要额外的设备来保护听力，产生了军用降噪耳机的需求。得益于我国发达的耳机产业，基于压波机制的降噪耳机已经大量普及并整合进我军的单兵作战系统，广泛用于炮兵、步兵、装甲兵等单位。
军用降噪耳机不仅要求降噪这样简单，更重要的是快速感知周围环境，由于主动降噪耳机在中低频的降噪效果很好，在高频的降噪效果比较差。所以军用很少采用主动降噪耳机，基本都是被动降噪。而爆炸声、射击声等战场环境都属于高频，主动噪音都会有细微的时间差延迟，不利于士兵快速做出反应。
为保证通讯指令准确接收，适应战场环境抗电磁干扰，基于滤波技术，降噪耳机能够在保护士兵听力的同时整合了战术通讯系统。
军用降噪耳机多采用被动降噪和压波拾音技术，即把所有强度超过限度的声音进行部分抵消，以尽可能还原真实的波形，保留声音细节，失真度比较小，可以分辨出原声源的类型和方位，更专业的军用耳机还会采用数字电路。
结语：主动降噪技术的普及，不仅意味着更多人能以合理的价格享受到更优质的音乐，底噪的降低亦能给用户创造更好的生活状态。它不仅对音乐行业意义非凡，更是杰出的人机工程成果。
参考文献：
[1] 中国数字科技馆.耳机降噪的原理是什么？
[2] 中国科学院声学研究所.神奇的主动降噪技术.2015.9
[3] 科技日报.声音会被模仿，声纹还可靠吗.2019.12
[4] 中国科学院声学研究所.降噪耳机会损害听力？明明是保护吧.2018.7
[5] 军事科技.军用拾音降噪耳机的神秘之处，提升战斗力的必备之品