摘要:当我们乘坐公交车、火车、飞机等交通工具的时候,是否常常遇到用耳机听歌或者通过耳机进行通话时,仍然会遭到周围环境的噪音的干扰?面对跑进耳朵里的恼人的噪音,我们除了用密封性更好的耳塞,或者将耳机音量放的更大,其实我们还可以主动出击,采用主动降噪技术,将噪声消除掉。

当我们乘坐公交车、火车、飞机等交通工具的时候,是否常常遇到用耳机听歌或者通过耳机进行通话时,仍然会遭到周围环境的噪音的干扰?面对跑进耳朵里的恼人的噪音,我们除了用密封性更好的耳塞,或者将耳机音量放的更大,其实我们还可以主动出击,采用主动降噪技术,将噪声消除掉。

主动降噪技术其实由来已久,此前主要被应用于一些专业领域,比如航空领域、高端汽车、军用耳机、高端专业级头戴式耳机产品当中。不过,随着消费类耳机市场的快速发展,主动降噪技术也开始被应用于消费类耳机市场。

而随着无线音频传输技术的成熟,特别是随着苹果AirPods的大获成功,真无线蓝牙(TWS)耳机市场彻底爆发。众多消费类耳机品牌厂商、数码品牌厂商、手机品牌厂商也纷纷杀入这个市场,再加上上游的TWS芯片厂商的推动,TWS耳机体验快速提升,但是同质化现象也越来越严重,价格也是持续快速走低。

而为了进一步提升产品的体验和竞争力,去年索尼率先在其推出的新款TWS耳机当中加入了主动降噪功能。随后,苹果在新推出的AirPods Pro也加入了主动降噪功能,并受到了用户的追捧。很快不少的TWS耳机厂商也开始跟进,但是由于技术和成本的原因,目前主动降噪功能只被应用在一些高端的TWS耳机上。不过,随着技术和产业链的成熟,主动降噪功能或将成为TWS耳机新标配。

一、主动降噪技术发展历程

1、什么是主动降噪技术?

噪声是指发声体做无规则振动时发出的声音。声音由物体的振动产生,以波的形式在一定的介质(如固体、液体、气体)中进行传播。从生理学观点来看,凡是干扰人们休息、学习和工作以及对所要听的声音产生干扰的声音,即不需要的声音,统称为噪声。当噪声对人及周围环境造成不良影响时,就形成噪声污染。产业革命以来,各种机械设备的创造和使用,给人类带来了繁荣和进步,但同时也产生了越来越多而且越来越强的噪声。

一般而言,消除或者降低噪声通常采用三种降噪措施,即在声源处降噪、在传播过程中降噪和在人耳处降噪;但是这几种方式都是被动的,实际使用过程中往往呈现出低频降噪效果差等缺点。为了主动地消除噪声,人们发明了“有源消声”这一技术,也就是主动降噪技术。

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可以认为所有的声音都由一定的频谱和能量组成。从接收噪声源着手,通过电声处理,运算出反相的波,并通过内置音频处理电路进行放大和重放,相互反相的声音将会叠加,噪声的振幅将会大幅衰减,从而降低了噪声。

用一句话来概括主动降噪的原理:通过发出与噪声相位相反,频率、振幅相同的声波与噪声干涉实现相位抵消。

想要理解这句话,首先要明白声音是什么?相位和振幅是什么?干涉又是如何发生的。

我们平时听到的声音,实质上是空气被挤压并不断传递的现象。

空气受到挤压,自然就会有压缩部分和稀疏部分。这两个部分彼此交错出现,交替一次视作一个周期,而一秒钟内变化多少个周期就叫做频率。我们听到的声音往往由许多具有不同频率的声音组合而成,他们不光是频率不同,被压缩/拉伸的程度也不同,也就是振幅不一样,听起来声音的大小也就不一样。

相位的意思也很简单,某一个时刻声波处于一个周期内的位置就是相位。如果我们规定空气被压缩的最厉害的地方是相位的零点,那么半个周期之后,空气变得最为稀疏的地方,相位就变成180°。等到空气再次被压缩得最密集时,就经过了一整个周期,相位变化了360°又重新变为0°。

如果我们有两个频率接近或者一样的声音叠加在一起合成一个声音,他们的振幅会变大或者变小又或者不变,这个现象就叫做干涉。如果这两个声音相位一致:你振幅最大时我也最大,你最小时我也最小,那么合成出来的声音振幅就变大,听起来也就变更响了。如果两个声音频率是一样的,振幅也是一样的,但是相位偏偏相反:两个声波处处相反,彼此抵消,声音就被消除了。

目前主动降噪技术已经在实际生产生活中得到应用;但是受制于成本、性能等各方面因素限制,其应用范畴还比较局限。常见的应用范围包括:主动降噪耳机、封闭空间有源噪声控制等。

以下从两例典型应用即主动降噪耳机和汽车车内噪声主动控制出发,探究主动降噪技术的技术沿革和当前的研究热点,并结合产业现状分析该技术未来的应用前景和发展趋势。

2、降噪耳机分类及原理

降噪耳机是一种很常见的护耳器,在人们的日常生活和生产中有着广泛的应用。降噪耳机由弓形头环连接两个半球形壳体组成,壳体上附带有吸声材料和密封垫圈,适用于存在噪声污染的环境,降噪量一般在 20 dB 以上,可以单独使用,也可以与耳塞结合使用,脱戴方便,但是长时间佩戴后会有闷热等不适感。

按照降噪方式,降噪耳机可以分为被动降噪耳机(无源降噪耳机)和主动降噪耳机(有源降噪耳机)。

(1)被动降噪耳机(无源降噪耳机)

传统的降噪耳机一般都是被动降噪耳机,又称无源降噪耳机;是利用隔声原理降低噪声的个人防护装置,具有佩戴方便、价格低廉等优点。被动降噪耳机在高频段有着良好的降噪性能,但是由于耳机体积和重量的限制,在 500 Hz 以下低频段的降噪性能较差。

(2)主动降噪耳机(有源降噪耳机)

包含有源降噪系统的耳机,一般称作主动降噪耳机,又称有源降噪耳机。有源降噪系统有良好的低频降噪性能,可以实现在较宽的频带上良好的降噪性能。

那么主动降噪耳机具体是怎么实现这个抵消噪声的过程的呢?

想要产生用于抵消噪声的声波,首先要得到噪声的信息才可以。主动降噪耳机设有反馈麦克风用于采集环境中的噪声信号。这里有一个先后顺序的问题:先采集噪声,但是要与噪声同时产生抵消音才能够降噪。所以处理器会根据噪声进行预测,预测出下一时刻噪声的情况,并产生相应抵消声波。

为了保证降噪质量,还需要一个反馈麦克风用来检测所合成后的噪声是否真的变小了。这时处理器会根据这个反馈麦克风测量到的结果,对处理过程进行调整从而进一步降低合成后的噪声音量,这叫做自适应过程。好比处理器变聪明了,能够根据消噪的效果不断调整自己,以达到最佳降噪效果。

二、主动降噪耳机技术的分类、技术现状与产品链

1. 主动降噪耳机的分类

主动降噪耳机按照控制电路分类可以分为模拟式和数字式,按照控制结构分类可以分为前馈式、反馈式和复合式。

(1)前馈式主动降噪耳机

前馈式主动降噪耳机使用前馈式有源噪声控制系统,该系统又称开环式噪声控制系统,其典型结构如图 2 所示。这种系统一般需要被控制的初级声场的声音信息,通常称为参考信号。参考信号送到前馈式控制器,经过控制器处理后,产生一个相应的控制信号,驱动扬声器输出该声音信号产生次级声场,进而和实际通过物理途径中传来的原始声波信号相叠加,误差传声器检测初级声场和次级声场的叠加所形成的误差信号,送到控制器中,控制器根据特定的算法调整次级声源信号的强度。

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前馈式有源噪声控制的优点是外面的麦克风接收的是纯噪声,并不接收喇叭发出的声音,所以系统是一个开环,不会引起任何的闭环振荡和啸叫,因此可以独立地调试电路,使降噪的效果达到最佳。但噪声经过扬声器并在扬声器内多次反射,其大小和相位已发生变化,外面的麦克风采集到的噪声与扬声器内的噪声将有很大的不同,且外部噪声的方向性很强,难以使用同一电路满足来自不同方向的噪声的降噪要求,这些都是在前馈式有源降噪耳机的设计中需要克服的问题。

(2)反馈式主动降噪耳机

反馈式主动降噪耳机使用反馈式有源噪声控制系统,该系统又称闭环式噪声控制系统,它比前馈式系统少了一个参考传声器,其典型结构如图 3 所示。虽然系统构成上得以简化,但是应用范围也大大缩小。

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次级声源发出的信号将由参考传声器和误差传声器共同决定。前馈式系统可以减弱参考传声器检测到的与初级噪声相关的噪声,反馈式系统则对窄带噪声十分有效。

(3)复合式主动降噪耳机

复合式主动降噪耳机是同时采用了前馈式主动降系统和反馈式主动降噪系统,两者结合使用,可以增强有源噪声控制系统的灵活性,从而比使用单一结构获得更好的降噪效果,但缺点是系统实现复杂、成本也比较高。

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▲索尼前后双反馈蓝牙无线降噪耳机WF-1000XM3内部结构图

2. 耳机降噪性能极限

传入人耳的噪声主要有两个途径,分别是通过耳道中空气传播和通过人体组织传播。耳机只能隔绝通过耳道内空气传播的声音,所以耳机存在一个降噪性能的极限,即骨导传声阈值。此前有大量的研究者对于骨导传声的阈值进行了研究。

根据研究显示,在 100 Hz 至 10 kHz 的范围内骨导传声的极限基本在 50 dB 至 70 dB 之间,如图 6 所示。

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这些研究同时也表明,为提高耳机的降噪量,可使用组合降噪的方法。但无论采用何种方式,均无法突破耳机降噪性能极限。

三、产业链概要与典型产品示例

1. 产业链概要

主动降噪的概念是Bose博士在1978年一次飞行旅途中由于受不了飞机的噪音而提出的。1989年,Bose公司第一个生产出了有源降噪的产品,专为飞行员设计的主动降噪耳机,而且一上市就得到了美军的大单。

经过多年发展,国外主动降噪耳机的研制和生产都已比较成熟,生产厂家也比较多,包括Bose、Sennheiser、Telex、NCT、AKG、飞利浦,日本的索尼、爱华等。目前国内生产工厂主要有歌尔声学、立讯精密、深圳冠旭电子、万魔声学(1More)等。此外,国内一些传统的数码品牌厂商和手机品牌厂商目前也进入到了TWS耳机市场,不少已推出或正在研发支持主动降噪的TWS耳机。

(1)主要技术方案商与科研机构

目前国际上主要的技术方案大都被国外大型音响或耳机公司掌握,它们是业内领先的技术方案商,也同时是产品布局和市场占有率较高的生产厂商。

目前国内的科研机构以中科院声学所和南京大学声学所为主力在该领域开展研究工作,其研究方向不局限于耳机类产品。深圳冠旭电子有限公司等生产厂商也拥有自己独立的研发团队,是目前国内具有代表性的拥有自主知识产权的技术方案商和生产厂商。

(2)主要生产厂商

传统的耳机品牌厂商以及现在的众多智能手机厂商,都有推出自主品牌的主动降噪耳机产品。值得一提的是,歌尔声学股份有限公司作为全球领先的微型扬声器生产厂商,是苹果、三星等大型终端厂商的重要供应商。立讯精密则是苹果AirPods Pro的代工方。

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这里需要补充的是,万魔声学也自主研发了全时主动降噪技术,同时还自主规划了Tiinlab A2专属主动降噪芯片,并应用到了自家的降噪耳机产品当中。

2. 几款典型主动降噪耳机简介

主动降噪耳机产品繁多,价格相对于普通耳机昂贵不少。以下仅列举几例典型的主动降噪耳机(主要列举主动降噪TWS耳机)作为示例。

(1)Bose QuietComfort系列

作为全球首家(1989年)推出主动降噪耳机产品的厂商,Bose在降噪技术上的实力无疑是非常强的。

2000年,Bose首度针对消费性市场推出了主动式抗噪耳机Quietcomfort,自此之后,Quietcomfort成为了Bose主动式抗噪耳机的产品系列名称。该系列产品使用 Bose 专利的 Acoustic Noise Cancelling 有源消噪技术。

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▲Bose Quietcomfort 15

其中Quietcomfort 15于2009年中推出之后,Bose一直到2013年才入耳式主动降噪耳机Quietcomfort 20,2014年才推出新一代的头戴式主动式降噪耳机Quietcomfort 25,产品换代周期高达四五年之久,这在消费类数码产品市场是很少见的,Bose抗噪耳机在市场受欢迎的程度,由此可见一斑。

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▲Quietcomfort 20

(2)索尼WF系列

作为BOSE的老对手,索尼在降噪耳机市场也是深耕多年。特别是近几年推陈出新的步伐非常的快。在2017年,索尼在IFA大会上就发布了三款主动降噪耳机,其中WF-1000X(降噪豆)是继苹果AirPods之后的又一款引起外界极大关注的真无线蓝牙耳机,并且还首度加入了主动降噪功能。

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▲WF-1000X

不过由于WF-1000X仅采用了“Feed-Forward”前馈式降噪方案,因此在降噪效果上仍不够完美,并且市场反馈其开启降噪功能后有较大的延迟效应。

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▲WF-1000XM3

于是在2019年7月5日,索尼又推出了首款支持前后双反馈的TWS降噪耳机——WF-1000XM3,而这势必会将TWS耳机的降噪体验提升到一个全新的高度。不过,由于前后双反馈方案所带来的成本的提升,也使得WF-1000XM3的定价相比2017年发布的WF-1000X还高出了100块。

(3)三星Level In ANC系列

早在2016年,三星就曾推出支持主动降噪的Level In ANC系列有线耳机,其主动降噪功能最高支持降噪20db环境噪音,而且支持专门的式“Talk-in Mode”,该功能将临时关闭降噪功能,以便在需要的时候听到环境音。此后,三星还推出了多款Level In ANC系列有线耳机。

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▲Level In ANC系列有线耳机

在今年三星S20系列发布会上,三星正式发布了Galaxy Buds 真无线耳机。而最新的消息显示,三星很快将会推出一款支持主动降噪功能Galaxy Buds系列TWS耳机。

(4)苹果AirPods Pro

2019年10月20日,苹果官方悄然上线了第三代的AirPods无线耳机——AirPods Pro,国行定价1999元。相比之前的上一代的AirPods来说,AirPods Pro带来了很大的升级,不仅内置了定制的Apple H1无线芯片,还支持最新的蓝牙5.0技术,同时还加入了主动降噪模式,支持IPX4防水。

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另外,为了解决佩戴密闭性较高的入耳式耳机之后,对于外界声音的隔离,导致用户感知外界声音能力降低的问题(比如,边听歌边与人交流时,比如过马路时的汽车鸣笛),AirPods Pro还特别加入了“通透模式”,即借助外向式和内向式麦克风相互配合,使得AirPods Pro能够消除耳机本身对于外界声音的隔离。

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(5)华为FreeBuds 3

华为公司早在2014 年就推出了其首款主动降噪耳机产品 AM180,该耳机配备专属降噪电路,包括定制高灵敏度 MEMS 硅麦和专业级降噪芯片,360°全方位准确拾取环境噪音。相比于同类型产品,其结构和尺寸简单便捷,价格也更加亲民。

2019年9月,华为发布了全球首款采用开放式设计,同时支持主动降噪的TWS耳机FreeBuds 3。其搭载了麒麟A1芯片,支持骨声纹通话降噪,也是首款真正的蓝牙5.1无线耳机,定价1199元。

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▲华为FreeBuds 3

(6)荣耀Flypods 3

在苹果推出支持主动降噪的AirPods Pro之后,2019年11月,荣耀也发布了一款TWS无线耳机FlyPods 3,这款产品同样也加入了主动降噪功能,售价799元,并于2020年3月5日正式开售。

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▲荣耀Flypods 3

(7)万魔声学

作为近几年在耳机快速崛起的新锐品牌1More,此前就曾推出过多款主动降噪耳机(比如1More高清降噪圈铁耳机Lightning数字版)。而在2019年的CES展上,1More也展示了旗下首款前后双反馈降噪方案的TWS耳机。