摩擦学原理第五版(耳机一戴，谁都不爱降噪耳机是怎么降噪的？)

Posted 2023-05-27

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随着Airpods Max的大卖，降噪耳机一词逐渐走入大众的视野。主动降噪、被动消噪等一系列名词引起了人们的注意。

那么，降噪耳机的工作原理是什么？主动降噪、被动消噪又是怎么一回事？下面，就由小编来为大家解答以上疑惑。

降噪的实现

降噪耳机是利用技术手段达到降低噪声的耳机产品，其技术分为两类：一类是通过耳罩对耳朵的良好包围结构形成封闭空间阻隔外界噪音的被动降噪技术；另一类是通过电子技术来抵消噪声的主动降噪技术。

被动降噪技术对高频信号隔绝效果很好，对中低频噪声降噪效果不好，而我们生活中的噪声大多是中低频段，因此被动降噪效果非常有限。目前降噪效果好的耳机一般都是混合型降噪，即同时利用主动降噪技术和被动降噪技术。

被动降噪技术，主要是通过包围耳朵形成封闭空间来隔绝外界环境，或者采用硅胶耳塞等隔音材料来阻挡外界噪声。这种隔音效果完全是采用物理结构实现的，造价一般较为低廉。

另外，由于采用封闭的结构，佩戴时间久了会造成耳朵不适。而且采用硅胶耳塞的耳机还会产生听诊器效应（即耳塞线或单元处受外界碰撞或空气摩擦，产生的振动通过耳塞线直接传递到耳道内，产生让人很不愉快的摩擦声）。

主动降噪技术，也叫有源降噪，是利用麦克风采样环境噪声，经过数据处理后发出与噪声相位相反的声波来抵消噪声。

主动降噪技术采用的是声波叠加抵消原理。基于这一原理，首先必须通过传声器采集周围环境的噪声信号，因此我们在使用有源降噪耳机时，会发现机身处有一到两个小孔，这两个小孔的位置就是采集传声器的位置。

主动降噪耳机目前有非常多的技术和不同的算法，来实现更加精确的降噪功能，例如闭环路系统、开环路系统、自适应主动降噪耳机系统等。

主动降噪原理示意图

来源丨关于主动降噪耳机的研究

主动降噪的物理原理

为了更好地理解声波相消干涉，我们先了解一下什么是声波。

声波来自于机械振动产生的机械波，可以在弹性介质中传播。机械波的产生首先要有做机械运动的物体，即波源；其次还要有能够传播这种振动的弹性介质。

在弹性介质中，如果波源所激起的纵波的频率在20Hz~20000Hz之间，就能够引起人的听觉。引起人类听觉的声波，不仅有频率范围，而且有声强范围。声强级的单位是贝尔，但这一单位过大，平时我们所用的是我们更熟悉的分贝（dB）。

听觉范围

来源丨《普通物理学》

声波还遵循波的叠加原理。在几列波相遇的区域内，任一处的质点元的振动为各列波单独在该点引起的振动之和，这一规律便是波的叠加原理。但是，波的叠加原理只有在波的强度不太大的时候才成立。

波的叠加原理示意图

来源丨腾讯

波的干涉现象

我们只考虑两列频率相同、振动方向相同、相位相同或者相位差恒定的简谐波的叠加。两列波在空间中任何一点相遇时，该点的两个分振动有着恒定的相位差。但是对于空间不同的点，有着不同的相位差。

因而在空间某些点处，振动始终加强，而在另一些点处，振动始终减弱或者完全抵消。这种现象就叫做干涉。

声波的干涉和下图中水波的干涉现象类似。在波峰与波谷相重合的地方，两列波的相位相反，合振幅最小，波动强度甚至可能为零。

很容易可以想到，如果利用两列频率相同，振幅相同，相位相反的波，那么这两列波应该会相互抵消。这便是主动减噪耳机所利用的相消干涉原理。

水波的干涉

来源丨腾讯

相消干涉示意

来源丨浅谈主动降噪耳机技术

降噪耳机的一些缺点

近几年虽然耳机主动降噪技术得到了显著提升，但是却仍然存在一些缺点亟待解决。首先，我们需要明白的是，降噪过程并非是在电路内将噪音进行消除，而是利用声学原理在特定的空间内将噪音进行抵消。

若主动降噪系统设计不够完善，所产生的抗噪信号与外界环境噪音未能相互抵消而是叠加，那么就不是降低噪音，而是提高噪音。

对于主动降噪耳机用户而言，高品质的主动降噪耳机价格较为昂贵，同时因耳机内部所需要的设备较多，会额外增加耳机的重量。除此之外，有些主动降噪耳机在低频环境下应对快速变换的噪音时可能会出现失效现象，进而引发“嘶嘶”的电流声。

Airpods Pro的火热，无疑是掀起了一阵耳机更换的热潮，但如今的降噪耳机并不能实现真正意义上的“完美降噪”，例如需求最大的对人声的降噪，还是基本依靠耳机的被动降噪来实现的。

实际上，耳机内的降噪系统不可能应对所有的噪音环境，总有难以处理的情况，这也是主动降噪耳机企业所需要解决的主要问题。

总结一下，目前的降噪耳机，通常都只能对低频噪音有着良好的效果，而对于人声等高频声源，市面上没有哪一款耳机能进行高效处理。所以，若是想要降低室内以及乘坐交通工具时的一些低频环境音，购买一款降噪耳机不失为一种好的选择。

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来源：中科院高能所