主動降噪耳機是如何工作的?

我最近旅行頻繁,飛機引擎的轟鳴聲非常煩人。雖然我有一副降噪耳塞,比預設的iPhone耳機更舒適,音質也更好,但我一直在猶豫是否要購買一副主動降噪耳機 [...]

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本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點


我最近旅行頻繁,飛機引擎的轟鳴聲非常煩人。雖然我有一副降噪耳塞,比預設的iPhone耳機更舒適,音質也更好,但我一直在猶豫是否要為自己購買一副主動降噪耳機。

雖然我瞭解耳機工作原理的物理學(以及隨之而來的數學——特別是三角學),但我不太確定這項技術是否足夠先進,能夠以合理的價格為普通旅客消除環境噪音。

出於對購買這些裝置的實用性的好奇,我詢問了幾位經常飛行的旅客的意見。總的來說,他們對這些裝置表達了極大的熱情,所以我做了一些進一步的研究。當得知 Bose 為太空梭上的宇航員製造了主動降噪耳機時,我從理論上被說服了。我只是不得不等待一款價格在我預算之內且尺寸適合旅行的產品的出現。


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當我最終找到一款價格在可測試範圍內且尺寸合理的耳機時,我想到要為 SciAm 的讀者找一個解釋主動降噪耳機工作原理的科學和技術的影片,但令人驚訝的是,我只找到一個。它來自 HeadSqueeze 的 James May。我認為它對這項技術做了相當不錯的解釋,即使他完全忘記使用“破壞性干涉”這個詞!

為了讓您獲得更多視覺科學體驗,我找到了一個簡短但有效的演示,展示了聲波干涉(包括建設性干涉和破壞性干涉)的基本原理。

http://youtu.be/mDS5r5t0VS0

有幾個網站解釋了這些耳機的工作原理,所以簡單的谷歌搜尋會引導您找到它們,但實際上,如果您不介意一些物理術語,維基百科做得很好。

聲音是一種壓力波,由壓縮階段和稀疏階段組成。降噪揚聲器發出與原始聲音振幅相同但相位相反(也稱為反相)的聲波。這些波結合形成一個新的波,這個過程稱為干涉,並有效地相互抵消——這種效果稱為相位消除。

現代主動噪聲控制通常透過使用類比電路或數字訊號處理來實現。自適應演算法旨在分析背景聽覺或非聽覺噪聲的波形,然後根據特定的演算法生成一個訊號,該訊號將使原始訊號發生相移或反轉極性。然後將這個反相訊號(以反相)放大,並且感測器產生與原始波形振幅成正比的聲波,從而產生破壞性干涉。這有效地降低了可感知噪音的音量。

降噪揚聲器可以與要衰減的聲音源同位置放置。在這種情況下,它必須具有與不需要的聲音源相同的音訊功率水平。或者,發射抵消訊號的感測器可以位於需要聲音衰減的位置(例如,使用者的耳朵)。這需要低得多的功率水平進行抵消,但僅對單個使用者有效。在其他位置進行噪聲消除更加困難,因為不需要的聲音和抵消訊號的三維波前可能會匹配並建立建設性和破壞性干涉的交替區域,從而減少某些位置的噪音,同時使其他位置的噪音加倍。在小的封閉空間(例如,汽車的乘客艙)中,可以透過多個揚聲器和反饋麥克風以及對外殼的模態響應的測量來實現全域性噪聲降低。

最終,我根據CNET 評論做出了決定。此外,我在福布斯找到了一篇最近的評論/解釋。降噪耳機值得嗎?

最終,我選擇了這款,至少目前是這樣。

您有喜歡(或討厭)的耳機嗎?

Joanne Manaster is a university level cell and molecular biology lecturer with an insatiable passion for science outreach to all ages. Enjoy her quirky videos at www.joannelovesscience.com, on twitter @sciencegoddess and on her Facebook page at JoanneLovesScience

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