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主动降噪技术会影响耳朵听力吗?

时间:2018-10-08 作者:赵明灿 阅读:
最近EDN小编听到大家讨论一个有趣的话题:主动降噪技术会影响耳朵听力?这几年,小编也是受邀参加过好几次主动降噪耳机芯片的发布会,自己也入手过好几款主动降噪耳机(或者说厂商赠送,偷笑)。那今天咱们就从技术角度和小编的切身体验来捋一捋,这个话题是否有它的合理性?

最近EDN小编听到大家讨论一个有趣的话题:主动降噪技术会影响耳朵听力?这几年,小编也是受邀参加过好几次主动降噪耳机芯片的发布会,自己也入手过好几款主动降噪耳机(或者说厂商赠送,偷笑)。那今天咱们就从技术角度和小编的切身体验来捋一捋,这个话题是否有它的合理性?

什么是主动降噪技术?

首先,咱们先来弄清楚,什么是被动降噪和主动降噪技术?

被动降噪又称无源降噪,主动降噪又称有源降噪。它们的主要区别在于,被动降噪是使用塑料、泡沫、硅橡胶或其他材料制成的耳塞或者耳罩,机械性地将耳朵与环境进行隔离。这种降噪方式传统且普遍,价格相对主动降噪耳机也更加便宜。

主动降噪技术则是后起之秀,最开始是应用在飞机上,而后才引入到民用。它是通过麦克风采集周围的噪声,产生一个反向声波来抵消它,来达到降噪的效果。

ANC-20180930-1.jpg

据了解,根据使用的材料不同,被动降噪仅能对500Hz以上的声音产生影响。而主动降噪技术则对低至20Hz、高至数千Hz的频率均有效。

现在高端的降噪耳机普遍结合使用了这两种技术。

主动降噪的工作原理

学过《自动控制原理》的同学都知道,噪声抑制/消除的方法无外乎两种:前馈和反馈。主动降噪耳机的工作原理也是一样的。

ANC-20180930-2.jpg

为了说明主动降噪的工作原理,这里摘抄我几年前参加AMS公司活动时写的几段话:

前馈设计

采用前馈拓扑结构,设计人员可以对耳机进行声学分析,以确定噪声在到达耳朵时在频率、相位和振幅上是如何变化的。然后,可以在电气上建立传递函数G(w)模型,并将其插在麦克风和扬声器之间。

前馈设计常受到方向问题影响,因此,麦克风必须是全方位的。同样,噪声通道无法被机械地集中起来。因为麦克风必须在噪声到达耳朵之前获得这些噪声,所以并行的声音路径必须被最小化。

反馈设计

反馈拓扑结构根据耳朵上的实际噪声起作用,按照定义,它与前馈结构使用的模拟效果相比更能准确地表现噪声。然而,系统的响应速度约束了性能表现。定义传递函数时需要特别注意避免引入不稳定性,比如正反馈。

反馈设计扣除了麦克风的回放。由此产生的信号代表了耳朵周围的噪声。使用传递函数可以使用具有相移的信号消除不想要的声音。

适合反馈式主动降噪的理想耳机将在扬声器和获取扬声器输出的麦克风之间实现零延迟。这是无法实现的,因为这样的话,扬声器和麦克风将需要共用同一个声学中心。从物理角度来说,这将不可能实现。可以做到的是将麦克风放在距离扬声器薄膜尽可能近的地方,以减少传播延迟。

由于麦克风在反馈式耳机中不能区分噪声和回放,使用反馈式设计的耳机通常都会存在一些信号失真。为了克服这个问题,常见的方法是在回放路径中添加均衡电路,以确保无论主动降噪是否被激活,声音都相同。

同一个耳机中也可以将前馈和反馈两种设计方式结合起来。这可以发挥两种方法各自的优点,但是也会增加设计的复杂性和额外的成本(需要评估权衡)。

主动降噪耳机的类型

如前所述,主动降噪耳机可分为前馈、反馈和前馈+反馈三种类型。

同时,按式样分,耳机又可分成入耳式、包耳式、罩耳式等多种类型。那哪种式样的耳机降噪效果更好呢?

据了解,在反馈入耳式系统中,麦克风的摆放会受到空间限制。所以,99%的反馈式耳机一般都是罩耳式或者包耳式设计。当然,目前市场上还是有反馈入耳式设计的。所以说,大体上罩耳式或包耳式主动降噪耳机(前馈+反馈)的降噪效果是优于入耳式设计的,从物理隔离来看也是如此,但价格也会更高。

主动降噪会影响听力吗?

那大家是基于什么原因认为主动降噪会降低听力的呢?下面借用两张图来说明。

ANC-20180930-3.png

ANC-20180930-4.png

(图片来自网络)

我们希望耳机产生的反向音正好能和噪声抵消,也就是两者能正好成180度的相位差。但事实上,由于设计(比如芯片、算法)的不完美性,或多或少会出现一定偏差。拿最严重的情况来看,当偏差大到180度时,就相当于反而把噪声增大一倍了!

所以,我们在选购主动降噪耳机时,为了达到理想的期望值,还是要选购大品牌,比如Bose、Sony等。

以EDN小编的切身体验看,可以说主动降噪耳机用了之后就回不去了。

几年前我去参加AMS活动时,他们送了我一款铁三角的入耳式耳机(采用他们家的方案)。这款耳机我用了两三年后,一边耳机坏掉了,但它的降噪效果确实很好,特别是在坐公交车或地铁时。

几年后,我在参加另一个公司发布会时又获赠了另一款国产的主动降噪耳机。这款降噪耳机的性能相对于其价位还算不错,但偶尔会听到不和谐的“哧哧”声,略为影响用户体验。我将这个问题反馈给了那家芯片原厂的老板,他回复我,这款芯片由于是第一代产品,确实存在上述问题,但第二代产品即将推出,性能也会好很多。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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