嘈杂环境如何闹中取静，聊聊音频降噪设计

从信号学的角度来看，降噪是一个很重要的研究分支，比如数码相机拍摄需要降噪，耳机听音乐也需要降噪，严格来说这是一个退化+重建的过程，但实现这一过程的设计模型却是五花八门，话题可能会具有相当的深度，所以今天就举几个简单的，生活中常见的例子来说一说吧。

今天主要说说音频领域的主动降噪技术，与数字图像不同的地方在于音频的噪声源与信号源是分离的，噪声源来自耳机之外的空间，所以逻辑上就很简单了：我们只需要对空间中的噪声进行滤波就行，但具体设计上有两个亟待解决的问题：第一，如何保证环境拾音麦克风的效率，也即布局为前馈还是反馈，前馈设计麦克风朝外（注意看噪声信号和降噪信号的馈入位置）：

前馈设计意味着麦克风与噪声源相对位置是不断变化的，这就会形成时间差，对头戴式设计有比较大的挑战，除此之外也很容易形成风噪，走路的时候会听到呼呼声。而反馈设计如下：

这两张图的区别很明显，反馈设计对于降噪耳机来说拾取耳内信号，在降噪时不免就会影响到音源信号，所以不少反馈设计的降噪耳机在开启和关闭降噪时，音乐效果听起来会有明显区别。

第二个问题，如何降低时滞，因为主动降噪的原理无非是扬声器主动播放与噪声信号180度反相的信号以实现相消干涉，但降噪信号需要有拾取噪声、生成反相信号的过程，这就会造成两者之间一定存在相位差，而相位差越大，干涉效果就越差，相位差可参考一下鼠绘草图：

传统的主动降噪耳机停留在模拟信号域内进行滤波，这意味着组件的容差会导致滤波器形状存在差别，从而影响声学传递函数，出厂时需要人工校准，增加成本，除此之外模拟信号降噪需要调整设计时，往往意味着硬件修改滤波器，同样增加成本。所以现代主动降噪耳机主要采用数字降噪技术，并且可同时使用前馈反馈阵列麦克风设计，随手找了一个AMS AS3410主动降噪芯片的版图，从麦克风布局可以看出采用了前馈式设计：

因为音频播放本身就是一个数模转换+信号放大的过程，降噪拾音麦克风拾取环境噪声后先进行模数转换，在机内处理器实现数字降噪，再与数字音源一同馈入数模转换器和放大器中，实现降噪输出，在调整设计时只需要在芯片内改变参数即可进行验证，灵活度也要高很多，这也引申出数字降噪的一个重要功能——可通过调整数字参数来控制降噪级数，环境适应性会明显更强。当然，模拟降噪也可以通过切换不同滤波电容来实现这个目的，但设计版图会大不少，做起来相对费劲。

在数字降噪的情况下，前面提到的第一个问题不再是问题，而第二个问题就完全取决于处理器速度。相对来说，速度越快功耗越高，无线设计的续航也越短，但随着制造工艺的不断进步，时滞的影响也越来越小，甚至已经基本不存在影响。

而且现代主动式降噪耳机的拾音麦克风在得到环境信号后，不仅可以用来创建降噪信号，反过来也可以实现封闭式播放和外部声场的同步获取，也就是戴着相对耳塞而言声音不外漏、效果更出色的头戴式耳机，同时也能听到通过麦克风拾取的手机铃声，正常与身边人交流等等，效果比单纯关闭降噪明显更好，适应面更广。

除此之外，耳机基本都带麦克风以满足通话和语音控制功能，所以降噪除了要针对听，也得针对说。这时候因为我们发出的声音也会混杂在环境噪声中，所以不能单纯使用相消干涉来进行麦克风降噪，最简单的方法就是把麦克风直接抵到嘴边，使我们发出的声波能在尽量近的距离振动振膜，易于拾取：

但这个造型显得有点不够高大上，美观的方案就是通过阵列麦克风以波束赋形来抽取固定方向的声波信号，这一方案历史悠久，几乎所有麦克风都会采用，体现其中差距的主要是具体硬件性能、麦克风布局和算法。

以我新入手的Bose 700为例，它采用的就是数字降噪模式，有11个等级可调，其中就有可以增强环境拾音的零级模式，而在嘈杂环境下的麦克风降噪效果明显强于采用前代方案的自家QC35 II，实用性很不错。不过这种混合环境声场的降噪多多少少还是会影响通话音质和音量，原理上来看也是不可避免的事情。

通话拾音麦克风是左右各2个，佩戴耳机后就针对口部区域进行拾音：

作为对比，QC35 II只有单侧有2个麦克风，效果自然存在明显差距：

耳机的降噪还有一个很基本的设计就是密闭性，否则环境噪声会通过透气位置进入耳内，效果同样会打折。这方面做得最好的类型是入耳式耳塞，就像用手指头堵住耳朵一样有效率，但耳塞较为狭小的体型注定了降噪设计的上限很难达到头戴式耳机的高度，而且很多人还无法适应入耳式设计，哪怕是浅入耳。而头戴式降噪耳机的密闭性取决于耳套材质和头梁韧性，在头梁紧度适中的情况下，耳套的包裹性要足够强，这其实算是一个舒适性与降噪效果的平衡设计，头梁韧性小意味着舒适度差，但头梁太松又会导致漏风，而且还要考虑量产版产品需要适应各类头型，所以其实设计难度也不算小。

从最终效果来看，Bose 700算是比较符合今天这个主题的产品，对于像我这种头比较大的用户来说一俩小时的佩戴舒适性还不错（更长没试过），皮革耳套不黏耳，手持手机的情况下没有声画延迟，通过右耳机外壳的电容触控来进行操控也挺有创意的，但配套说明书过于简单、机身按键又几乎没有明确标示，上手会有点懵，可能连怎么开机都不知道。Type-C接口好评，但没有送线，如果全家都用苹果手机的话就得单独买线……

从听音效果来说，有QC35或索尼WH1000X系列也没必要升级了（我买Bose 700是给家里人用），降噪效果这三者其实差别也不大，当然也有很多人觉得索尼更好，但从我的感受来说半斤八两。除此之外Bose 700是不可折叠设计（因为主打“表面无螺丝”的设计思维），头梁调节也是靠连接轴滑动而不是传统的结构伸缩，外形设计还是很不一样的，而它最主要的性能优势还是语音通话的降噪，嘈杂环境下的效果明显强于其他两款，所以想要兼顾听和说两方面的降噪，Bose 700就比较有排面了。

总体来说，音频播放的空间降噪技术至少在消费级产品上已经做到了相当高的水准，未来应该也很难会有大跨度的提升空间，倒是麦克风拾音降噪会随着智能家居远场声控需求的增长而有着更广泛的发展空间，而到这个阶段时就应该是设备间的协同处理为主了，比如对手机说话来控制家电等等，但无论怎么说，降噪技术在未来生活场景中的应用也依然会占据很重要的地位。