蓝牙降噪耳机“主动降噪”原理科普及选购要点

2020-05-11 20:55:50 50点赞 170收藏 13评论

本文目录

一、降噪耳机原理的提出

二、降噪耳机最初的专业/工业用途

三、降噪耳机进入民用消费领域大事记

四、“主动降噪ANC”技术原理

五、决定耳机降噪能力的因素

六、耳机降噪能力评估方法及降噪参数

七、降噪曲线详解

八、蓝牙降噪耳机选购要点

九、代表性品牌介绍

十、行业发展趋势

名词解释

降噪耳机(Noise-cancelling headphones或 noise-canceling headphones)分为主动降噪耳机和被动降噪耳机两种类型。主动降噪耳机与被动降噪耳机的最大区别是,主动降噪耳机内部有降噪电路元件,而被动降噪耳机没有,被动降噪耳机仅仅依靠物理隔绝的方式来阻止外部噪音进入耳朵,我们日常提到的降噪耳机在大部分情况下均特指主动降噪耳机。

一、降噪耳机原理的提出

降噪耳机的发明是基于德国Paul Lueg博士在1933年提出的主动降噪技术原理。 Paul Lueg博士在该年申请了一项关于用相位推进波抵消管道中的正弦波,用反极性抵消扬声器周围的声音的专利。但由于时代的限制,虽然这项专利在理论上是可行的,但是Paul Lueg没有合适的设备来检测、处理、产生所需的声波信号。

Paul Lueg博士照片,摄于1975年Paul Lueg博士照片,摄于1975年

二、降噪耳机最初的专业/工业用途

在1950年代,美国的Lawrence Jerome Fogel 博士发明了“主动噪音消除系统”并申请了美国专利,他利用此技术发明的降噪耳机系统最初是用来实现降低飞机飞行期间的驾驶舱噪音、方便空中通讯、保护飞行员听力的目的。与此同时,美国空军研究实验室启动了一项听力保护的声学研究项目,作为该项目主管的Willard Meeker提出利用耳罩和耳塞作为被动的听力保护材料的概念,并将其整合进“主动噪音控制模型”中。在这一时期,头戴式耳机的圆形耳罩证实可以被动阻隔频率为50至500赫兹之间的噪音,最大降噪效果能达到20分贝。

主动、被动降噪技术最初应用在航空、军事、警用以及需要保护听力的工业生产领域,例如3M公司的隔音耳罩。降噪耳机从专业市场走向民用,始于1978年。关于民用降噪耳机的发明不得不提Bose公司的创始人Amar G. Bose 博士。在1978年一次去欧洲旅途的飞机上,被飞机引擎噪音打扰无法正常的欣赏音乐和休息的Amar G. Bose博士在脑海中出现了制造一款民用降噪耳机的想法。在经过Bose公司多年的研究后,1986年Bose公司开发的降噪耳机原型通过了两位飞行员在飞机上长达9天的噪音消除效果测试。

Bose公司的创始人Amar G. Bose博士Bose公司的创始人Amar G. Bose博士

但Bose公司并不是开发降噪耳机的唯一公司。德国的Sennheiser 森海塞尔公司于1987年推出一款受到FAA-TSO认证的主动降噪飞行员耳机,型号是 LHM 45 NoiseGard。随后,Bose公司也于1989年推出一款飞行员降噪耳机,型号Aviation Headset Series I。

三、降噪耳机进入民用消费领域大事记

主动降噪耳机发明后的很长一段时间主要都是应用在航空降噪、军事等专业领域,降噪耳机逐渐进入民用消费领域是在2000年前后。

索尼公司是最早进入消费级主动降噪耳机市场的厂商之一,也是至今推出降噪耳机型号最多的耳机制造商之一。1995年,索尼推出旗下第一款降噪耳机产品MDR-NC10。索尼近年发布的降噪耳机产品在市场上掀起了很大的反响,型号包括MDR-100ABN(2016年),WI000X(2017年),WH-1000XM2(2017年),WH-1000XM3(2018年)等。

索尼公司于1995年推出旗下第一款降噪耳机产品,型号是MDR-NC10索尼公司于1995年推出旗下第一款降噪耳机产品,型号是MDR-NC10

Bose公司是主动降噪耳机的专业制造商,Bose降噪耳机是不少大型航空公司头等舱、商务舱的标配降噪耳机。Bose QuietComfort (QC1) 耳机是Bose公司在2000年发布的第一款消费级的降噪耳机。随后,Bose又推出QuietComfort 2(2003年),QuietComfort 15 (QC15) (2009年),QuietComfort 25 (QC25) (2014年),QuietComfort 35 (QC35) (2016年),Bose 700 (2019年)等广受欢迎的降噪耳机产品。

Bose于2000年推出第一款消费级降噪耳机产品QuietComfort (QC1)Bose于2000年推出第一款消费级降噪耳机产品QuietComfort (QC1)

推出主动降噪耳机的除了索尼公司和Bose公司,还有森海塞尔、BANG & OLUFSEN、铁三角、AKG爱科技、Beats、微软、苹果和FIIL等公司。

微软公司2018年推出旗下第一款降噪耳机Surface Headphones微软公司2018年推出旗下第一款降噪耳机Surface Headphones

苹果公司2019年推出旗下第一款真无线降噪耳机产品 airpods pro苹果公司2019年推出旗下第一款真无线降噪耳机产品 airpods pro

四、“主动降噪ANC”技术原理

主动降噪active noise control(ANC),也叫主动减噪(active noise reduction)

或消噪(noise cancellation),是利用声波干涉的原理,通过加入一段反噪音的信号到噪音信号中,达到降低噪音信号的目的。因此,主动降噪耳机上有一个检测外界噪音的麦克风,并根据检测到的噪音信号产生一段与噪音相反的干涉信号,利用声波干涉将外界噪音抵消。

利用声波干涉原理的主动降噪技术利用声波干涉原理的主动降噪技术

五、决定耳机降噪能力的因素

下面以头戴式降噪耳机为例来说明影响降噪能力的多个因素(入耳式降噪耳机与此类似)。在这里,先引入一个“降噪信号作用空间”的概念。“降噪信号作用空间”是指头戴式耳机包裹耳朵后,耳机与耳朵之间存在的一个空间(见下图红色字体标注的部分)。降噪耳机首先将麦克风检测到的外界噪音信号,交由芯片分析处理,然后释放一段与外界噪音反相的信号到“降噪信号作用空间”中,通过反噪信号与噪音信号的互相抵消,使到达人耳的外界噪音降低到最小程度,以实现降噪的目的。

“降噪信号作用空间”在降噪耳机设计过程中对降噪效果的好坏起重要作用“降噪信号作用空间”在降噪耳机设计过程中对降噪效果的好坏起重要作用

影响耳机降噪能力的主要因素包括:

(1)降噪耳机的麦克风检测外界噪音的能力。麦克风的灵敏度越高,检测噪音的能力就越强。

(2)降噪芯片分析、处理外界噪音信号的能力。降噪芯片要具备分析有规则的高频、中频、低频的噪音信号的能力,还要具备分析无规则噪音信号的能力。

(3)降噪耳机产生的反噪信号(反相波)抵消外界噪音的能力。反噪信号要能很好的抵消外界噪音。

(4)“降噪信号作用空间”应该尽量避免外界多余噪音的进入,就是要求耳机的密封性要好,能通过物理阻隔的方式阻挡多余噪音的进入。因为“降噪信号作用空间”里面已经有噪音信号和反噪信号两种声波了,如果耳机密封性较差,“降噪信号作用空间”漏入第三种声波信号(多余的外界噪音),则降噪效果会大打折扣。

从降噪耳机的内部构造、降噪信号作用方式来分析影响降噪效果的主要因素从降噪耳机的内部构造、降噪信号作用方式来分析影响降噪效果的主要因素

从上面的分析可以看出,影响降噪耳机的降噪能力的因素非常多,设计一款降噪能力优秀的降噪耳机是一个系统性的复杂工程。

六、耳机降噪能力评估方法及降噪参数

评价一款主动降噪耳机的降噪能力,可以通过主观试听的主观评价方法,或者通过仪器测量的客观评价方法。由于耳机佩戴者的个体差异,主观评价方法存在较大的误差。因此,降噪耳机的降噪能力常常通过仪器测量的客观评价方法来评价。

一款降噪耳机的降噪能力由低频(20赫兹到250赫兹)降噪能力、中频(250赫兹到2500赫兹)降噪能力、高频(2500赫兹到20000赫兹)降噪能力组成。低频噪音举例来说就是汽车、摩托车等交通工具的引擎噪声,如果你是经常乘坐公共交通工具,那么低频降噪能力是你选购降噪耳机需要特别关注的一点。中频噪音举例来说就是办公室的说话声、人声等噪音,如果你经常呆在人声嘈杂的地方,就需要一款中频降噪能力突出的降噪耳机。高频噪音举例就是高铁刹车的啸叫声、工厂里机器切割金属的声音,在这些场合使用降噪耳机,需要优秀的高频降噪能力。

苹果airpods pro耳机的降噪参数苹果airpods pro耳机的降噪参数

例如,rtings网站对苹果airpods pro耳机进行测量的低、中、高频降噪能力分别是降低19.56dB、21.82dB和27.8dB,综合降噪能力是降低23.01dB的噪音。从这些降噪参数来看,airpods pro耳机的降噪能力是属于市场上第一降噪梯队的,降噪能力非常优秀。

七、降噪曲线详解

不同的评测机构采用的降噪曲线基本上是大同小异,下面用rtings网站的airpods pro耳机的降噪曲线为例进行详细说明(见下图)。

苹果airpods pro耳机的降噪曲线苹果airpods pro耳机的降噪曲线

降噪曲线图的横坐标是声音的频率,从20到20000赫兹;纵坐标是降低的分贝数(数值越低降噪能力越强)。上图只要看灰色、蓝色两条曲线就好了,虚线不用看。灰色线代表不开降噪时,耳机隔绝外界噪音的能力。从上图可以看出,灰色线从20赫兹到700赫兹之间几乎是一条平行线(数值保持在0dB左右),也就是说,不开启降噪模式的情况下,airpods pro对20到700赫兹之间频率的噪音是无能为力的,但是对700赫兹到2万赫兹之间频率的噪音有一定的阻隔能力(说明airpods pro对700赫兹以上噪音的被动降噪效果还是有一些的)。蓝色曲线代表开启主动降噪模式后的降噪效果。我们只要记住一点:蓝色曲线越往下靠(数值越低),则降噪效果越好。比较两款耳机之间的降噪能力,只要看降噪曲线上,哪款耳机的蓝色曲线越往下面靠,就代表哪款耳机的降噪效果更好。

八、蓝牙降噪耳机选购要点

蓝牙降噪耳机既有无线羁绊的优点,也有降噪耳机的过人之处。在嘈杂的公共场合安静的读书、在旅途飞机的轰鸣声中安静的睡觉、在宿舍同学们嘈杂的说话声中安静的学习……。蓝牙降噪耳机为我们日常生活中增添了更多的需要安静的场合,使我们的注意力更加集中、更加不被外界干扰,工作效率更高;另外蓝牙降噪耳机使我们在嘈杂的环境中可以使用很低的音量欣赏音乐。在降噪耳机发明以前,在嘈杂环境中听歌需要开很大的音量来盖过环境噪音,长时间大音量使用耳机会损伤听力,因此蓝牙降噪耳机还有保护听力的功能。

面对入耳式、半入耳式、压耳式、包耳式等不同类型的蓝牙降噪耳机该怎么选择呢?

蓝牙降噪耳机“主动降噪”原理科普及选购要点

从耳机的重量上来说,入耳式/半入耳式耳机比压耳式/包耳式轻不少,因此如果很在意耳机的重量,建议选择入耳式/半入耳式降噪耳机。

从长久佩戴的闷热程度来说,入耳式/半入耳式耳机比压耳式/包耳式耳机凉快不少,因此在夏天更建议佩戴入耳式/半入耳式降噪耳机,而在冬天佩戴压耳式/包耳式降噪耳机会比入耳式/半入耳式更温暖更防风。

蓝牙降噪耳机“主动降噪”原理科普及选购要点

从降噪效果来说,入耳式/半入耳式耳机,以及压耳式/包耳式耳机均有降噪效果很好的型号,根据实际需要选择即可。

如果不习惯入耳式耳机佩戴时深入耳道的感觉,可以尝试Bose公司的QC20/QC30型号(或苹果公司的airpods pro)的半入耳式降噪耳机,半入耳式耳机佩戴时由于不会深入佩戴者耳道,因此佩戴舒适度会比入耳式耳机更好。如果连半入耳式耳机也不能忍受,只能选择压耳式/包耳式降噪耳机了。

九、代表性品牌介绍

Bose公司:Bose是深耕降噪耳机领域的美国科技公司,该公司生产的降噪耳机产品佩戴舒适、降噪实力优异,是降噪耳机市场上的大热品牌。

SONY公司:从降噪实力看,索尼公司生产的旗舰降噪耳机产品与Bose公司不分伯仲,均位于第一降噪梯队。索尼公司生产的降噪耳机产品型号多,市场占有率大。Bose公司与索尼公司是降噪耳机两巨头。

苹果公司:虽然该公司仅于2019年推出了唯一的一款降噪耳机产品airpods pro,但得益于苹果公司ios设备的强大生态圈,airpods pro的市场占有率不断提高,相对于Bose与SONY公司来说,后发优势十分明显,有叫板两巨头的实力。

蓝牙降噪耳机“主动降噪”原理科普及选购要点

BANG & OLUFSEN公司:来自丹麦的B&O公司推出的耳机产品设计精良,做工奢华,有发烧友称其为耳机界的“劳斯莱斯”。在售的主动降噪耳机型号有B&O beoplay H8i、B&O beoplay H9i等。

Audio Technica 铁三角公司:日本耳机制造商,有悠久的传统耳机制造历史。在降噪耳机上,铁三角有ANC700BT、WS990BT等在售型号。

Sennheiser 森海塞尔公司:德国耳机制造商,发烧友心目中的四大耳机品牌之一。在主动降噪耳机领域,森海塞尔在售降噪耳机有PXC550 、PXC550 II Wireless、HD4.50BTNC、HD450BT等型号。

AKG 爱科技公司:原来是奥地利耳机制造商,是发烧友心目中的四大耳机品牌之一,后被三星公司收购。有AKG N700NC Wireless、AKG N700NCM2、N200NC、N60NC BT等在售降噪耳机型号。

Beats by dre公司: Beats公司是美国一个年轻的声乐设备品牌,2014年被苹果公司收购。有Beats Solo Pro、Beats Studio3 Wireless等降噪耳机型号。

JBL 杰宝公司: JBL是美国著名的扬声器制种商,其便携式蓝牙音箱市场占有率非常高。有JBL TUNE 600BTNC、JBL TUNE 750BTNC、JBL Quantum ONE等在售的降噪耳机型号。

FIIL公司:FIIL耳机公司是知名音乐人汪峰参与创立的耳机品牌。随身星DNC PLUS、随身星Pro、FIIL Diva2、FIIL Diva2 Pro等在售的降噪耳机型号。

十、行业发展趋势

降噪耳机从诞生以来,型号类型发展得越来越多,头戴式、入耳式、半入耳式应有尽有。产品线也从最初的有线降噪耳机逐渐过渡到目前以蓝牙无线降噪耳机为主的阶段。

蓝牙降噪耳机的发展趋势是,会往重量越来越轻,佩戴舒适度越来越好,降噪能力越来越强,续航时间越来越长的方向发展。

参考文献

1. https://asa.scitation.org/doi/10.1121/1.399195

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Noise-cancelling_headphones

3. https://krisp.ai/blog/noise-cancelling-headphones-story/

4. https://www.rtings.com/headphones/reviews/apple/airpods-pro-truly-wireless

全文完

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