主動降噪耳機的降噪效能量測

Allion Labs / Greg Tsai

主動降噪(ANC)耳機發展歷程

「主動降噪」(Active Noise Cancellation)即是利用揚聲器產生與噪音的音量大小相同、但相位相反的聲波,來抵消噪音。在通訊應用上,ANC耳機有著舉足輕重的角色。早在1936年,Paul Lueg在美國就提出了主動式降噪技術的專利。1955年開始有ANC耳機的研究。1989年,Bose推出第一款ANC耳機。近年來TWS耳機熱銷,2019年Apple AirPods Pro添增了ANC功能,才讓ANC耳機真正走進大眾視野。

依照通訊系統不同,所涉及的降噪需求情境可分為3類:

通訊系統噪音控制之辨析

1. 在「發話端」消除背景噪音

這樣做的目的是為了確保送出的訊號是乾淨的,這個技術的受益者是遠端受話端。

下列技術可應用於這一類情境:

  • 指向性麥克風
  • 陣列麥克風
  • 骨傳導式麥克風、耳內麥克風
  • 語音分離演算法

2. 在「受話端」消除發話端傳送出來與信號混雜之噪音

這個噪音消除的類別,主要是受話端為了消除發話端已經傳送出來訊號之噪音。這個技術的受益者是當地受話端。由於語音信號與噪音已經混合在一起,因此只能透過純軟體演算法的技術,分離語音訊號和噪音。

下列技術可應用於這一類情境:

  • 語音分離演算法

3. 在「受話端」消除背景聲學噪音

這樣的技術為本地收聽者帶來好處,免受現場環境干擾,能聽得清楚遠端傳來的聲音。

下列技術可應用於這一類情境:

  • 被動式噪音控制(以機構做聲隔離)
  • 主動式噪音控制(以反噪音進行聲抵消)(Active Noise Control)

因此,一個完美的通訊降噪方案,應同時包括上述三項技術,如下圖所示:

並達成下列目標:

  1. 使發話端的噪音不傳到受話端
  2. 使受話端能夠排除發話端及傳輸過程所夾帶的噪音
  3. 抑制受話端的環境噪音,使受話端聽得清楚

由上述的剖析過程中,我們可以清楚地知道,一般所謂的ANC耳機,其實只包含上述降噪技術中的第三種。

主動式降噪的基本原理 

最早ANC降噪技術是由Paul Lueg在1936年提出的美國專利,應用在管道的噪音消除。當時的專利圖如下:

我們可以先來看一下聲波在管道中的傳播。

管道中聲波的傳播,就像下面這張圖(點此看動畫),活塞往前推的時候,空氣粒子就在管道中被壓縮形成壓力較大的區域,隨著活塞往後,空氣粒子就又變得稀疏,如此循環,在特定的位置(如紅色點)就可以觀察到隨著時間,其壓力變化的波形。

因此,Paul Lueg的想法,就是在管道中藉由安置麥克風,來取得上游的管道聲壓,並在下游的揚聲器發出「大小相同、相位相反」的聲波,來將下游的管道噪聲消除掉。

關於聲波的破壞性干涉,下面這張圖(點此看動畫)可以更具體地說明這個現象。

這個稱之為Dipole偶極子的現象,是由兩個相位相反的點源相互作用下所構成的聲場,可以看見在中心垂直區域,由於左右波的相位相反,因此產生破壞性干波,因而殘餘聲壓幾乎為零。

因此,透過合適的安排,就可以達成主動消噪的功能,因此消噪耳機的基本概念可以用下面這張圖來表達:

不過,主動降噪技術通常不能夠獨立存在,必須搭配被動隔音技術才能得到良好的發揮。如下圖:

被動隔聲主要依靠隔聲材料的特性決定,對高頻噪音有比較好的效果;若是透過被動隔聲來處理低頻噪音,則材料體積會非常巨大。

反之,主動降噪由於利用破壞性干涉的原理,對低頻聲波反而處理得更好;因此,被動隔聲和主動降噪是相輔相成的。

當我們談論ANC 耳機的降噪/隔聲效能時,被動隔聲和主動降噪能力都是應該要被考慮的。

百佳泰降噪耳機量測環境架設

為了評估消噪耳機的消噪性能,我們將它放置在聲學人偶(HATS)上,透過其上的人工耳量測消噪前後的音量大小(也就是計算它的插入損失),透過這樣的方式來評估消噪性能。

實際架設照片

我們以耳朵位置的聲壓大小為基準,再量測以下條件,再計算後就可以得到消噪性能:

  1. 量測未戴耳機時,人工耳所收到的聲壓值。
  2. HATS放上待測耳機,暫時不打開ANC功能,單純量測被動隔音性能。
  3. 待測耳機已在HATS上,打開ANC功能,量測開啟ANC後的降噪性能。

由上述第2項減去第1項,可以得到被動隔音效能;第3項減去第2項,就可以得到單純的主動降噪性能。

以下是量測結果:

圖1

圖1是被動隔音的效能。我們可以看到,的確是高頻的隔音能力比較好,自2kHz 以上,能夠有6dB 以上的衰減量,最高到7kHz有33dB的衰減量;不過被動隔音效能到了低頻,它的效果就不好,甚至還略微增加音量。

圖2

接著,圖2是主動降噪性能,我們可以看到主動式噪音消除的確是低頻降噪為最主要。

以這隻耳機來說,600Hz以下開始有2dB以上的衰減量,最高是在230Hz左右有-10dB 的衰減量。

圖3

圖3是實際開啓ANC後的總消噪量,它顯示了低頻在230Hz大約有10dB 的降噪效果,而在6kHz有大約39dB的降噪效果。

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