4月26日是国际噪音意识日（Noise Awareness Day），在这一天，Apple公布了和密歇根大学合作展开的听力研究进展。自2019年开始，Apple就有意识地通过iPhone 和 Apple Watch 收集数据，帮助科学家从事 3 项健康研究。在这项针对环境噪声的研究中就发现：美国有三分之一的成年人（约 7700 万人）暴露在过高的噪音水平中。人口越多，高分贝噪音影响程度最重，美国加利福尼亚、得克萨斯、佛罗里达和纽约州这几个州最为明显。
其实，人类同声音的斗争自从古代就已经开始了，在我国古代的《吕氏春秋·自知》就记载了这样一个故事：“范氏之亡也，百姓有得钟者，欲负而走，则钟大不可负。以锤毁之，钟况然有音。恐人闻之而夺己也，遽掩其耳。”没错，这就是在我国家喻户晓的故事——掩耳盗铃。这应该是有文字记载的人类与声音斗争中最著名的失败案例之一。
所以，人类同声音的“战争”自古有之，发展至今也衍生出很多相关产品：耳塞、隔音棉、隔音板等。但效果总是马马虎虎，直到耳机的出现和普及，人们逐渐发现还是得“用魔法打败魔法”，用音乐的声音来盖过噪音。于是在地铁中、在飞机上，甚至于当隔壁邻居在装修之时。很多人选择带起耳机，或者直接把音响声音调大。但这种杀敌一千，自损八百的战术实在是难以令人接受，噪音没有实际消失，自己的耳朵倒是因为常年大音量地听音乐变得越来越不好，对于这个无形的敌人，在1978年，人类终于给出了“终极”武器，那就是主动降噪技术。
主动降噪技术的诞生
主动降噪技术诞生的原因十分简单，就是在1978年，BOSE的创始人Amar G. Bose博士在从欧洲飞往波士顿的飞机上，发现飞机引擎的噪音干扰了他戴耳机欣赏音乐的兴致。这激发了他对主动降噪技术的研究动力，在下飞机之后就开始推导验算，写出了降噪耳机最原始的方程式。
和所有的高精尖技术一样，这项技术很快就被用在了军事领域上，在1989年BOSE终于把主动降噪的技术量产，随即被美国政府看中，专供飞行员使用。据说，美国军方通过给飞行员/地勤人员佩戴降噪耳机，节省由于噪音致残而需发放的补偿金达2亿美金。
主动降噪技术的原理
主动降噪技术的原理十分简单，我们都知道声音是一种波，既然是波的话那么自然就会产生干涉现象，主动降噪就是利用波的干涉相消，通过运用高灵敏度的声学麦克风采集周围的噪音，然后通过内置的处理器实时运算出一个与噪音相位相反的声波来抵消噪音，从而达到抵消噪音的效果。
但是在实际的工程实现上却有着不少的问题，比如在实际生活中，噪声种类、频率都不相同，并且音速传播速度也不算慢，再加上，收音的麦克风与发声的耳机不在同一位置，所以麦克风接收的信号并不完全是转换器在产生抗噪信号所需要的。这就对这一整套降噪电路的反应速度和精度提出了苛刻的要求。要知道如果主动降噪系统的信号延迟超过几毫秒，传出的抗噪讯号是针对先前噪音的信号，而不是立即产生的当前噪声，就会将降噪变成增噪，情况变得更糟。
主流的降噪效果三种形式
前馈式降噪：麦克风位于耳机外侧，暴露于噪音中。
反馈式降噪：麦克风位于耳机扬声器（喇叭）附近。
双馈式降噪：同时有多个麦克风，前馈与反馈的结合。
前馈式和反馈式拾取噪音的方法各有优缺点。前馈式比较容易实现，能有效拾取外部噪音；而反馈式则更接近于耳道，理论上能更好地消除噪音。但由于麦克风与扬声器靠近，会受到耳机发出声音的影响，因此需要更高水平的算法。
目前高端的降噪耳机通常采用多种消噪方式（包括被动、前馈和反馈）以及多麦克风的组合，其中双馈式降噪能够更加精准全面地拾取噪音信号，从而实现更好的消噪效果。有些降噪耳机甚至配备了4个或6个麦克风。
主动降噪技术的缺点
有一种对于主动降噪技术的普遍误解是：认为主动降噪耳机可以平等地消除所有噪音。实际上，他们做不到，主动降噪通常对较低频率的声音更有效，例如喷气发动机或空调的嗡嗡声。但是对于更加尖锐的高频噪声，主动降噪就做不到将这些噪声剔除了，其原因也很简单，高频的声音波长很短，很难生成一个和高频噪音信号准确相差180°的主动信号去抵消它，不仅如此，人类的耳朵对于高频声音还相对敏感，万一出现相位差，就会直接被人耳朵捕捉到，降噪就会变成增噪。所以就以目前的芯片和算力来说，很难对于高频噪声有什么有效的办法，还是应该以堵死耳朵这种被动降噪为主。
不仅如此，体验过主动降噪技术的读者应该都有这样的经历，一旦开启主动降噪，世界在变得安静的同时，耳道内会出现一股压力，让人产生不适和眩晕感，这种“耳压”的存在，也是主动降噪技术的缺点之一。
那么，这“耳压”是怎么产生的呢？上文说道：声音是一种机械波，而当它的传播介质是空气时，声音就是通过空气的振动来传播和存在，震动的空气必然拥有能量。我们都知道，能量不会凭空消失，也不会凭空产生，那么当噪声被耳机利用反相声波干涉相消后，声波原来具有的能量去哪里了呢？答案是变成了耳道内空气的内能（热能），但是这一部分升温十分微弱，可能连0.1℃都没有，但是再小的升温也会引起空气“热胀冷缩”，被加热后的空气虽然温度不足以被人体感知，但是气体的膨胀对于耳朵来说是相当敏感的，如此微小的压强变化也能被感知到，这便是主动降噪耳机通常都会有较大耳压的原因。
这也是目前主流耳机厂商主要优化的一点：如何平衡降噪强度和耳压的平衡。如果您的降噪耳机在固件更新之后，发现降噪水平有所下降，这就应该是厂商对于耳压做出的妥协。
结 语
通过这篇文章各位应该对于主动降噪技术有了一个更加深刻的认识。其优点是：可以有效消除大部分噪声，从而使得各位可以沉浸在自己的世界中，更好的保护听力；其缺点是对于高频噪声无能为力，而且会降低一部分的耳机音质，并且会有耳压的存在使得配搭舒适性有所折扣。
但是对于常年暴露在噪声中的现代都市人来说，笔者认为降噪耳机还是十分必要的，纵使它有这一些技术上的缺点，但是在保护听力面前，都显得有些微不足道。最后，祝各位读者都能远离噪声危害，有一个健康的听力！
作者： ZongYu
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