ANC降噪耳機效能量測大揭秘：主動降噪技術深度解析

Allion Labs / Greg Tsai

ANC是什麼？主動式降噪耳機的發展歷程

「主動降噪 ANC」 (Active Noise Cancellation) 是利用揚聲器產生與噪音的音量大小相同、但相位相反的聲波，來抵消噪音。在通訊應用上，ANC耳機有著舉足輕重的角色。早在1936年，Paul Lueg在美國就提出了主動式降噪技術的專利。1955年開始有ANC耳機的研究。1989年，Bose推出第一款ANC耳機。近年來TWS耳機熱銷，2019年Apple AirPods Pro添增了ANC功能，才讓ANC耳機真正走進大眾視野。

依照通訊系統不同，所涉及的降噪需求情境可分為3類：

通訊系統噪音控制之辨析

1. 在「發話端」消除背景噪音

這樣做的目的是為了確保送出的訊號是乾淨的，這個技術的受益者是遠端受話端。

下列技術可應用於這一類情境：

• 指向性麥克風
• 陣列麥克風
• 骨傳導式麥克風、耳內麥克風
• 語音分離演算法

 

2. 在「受話端」消除發話端傳送出來與信號混雜之噪音

這個噪音消除的類別，主要是受話端為了消除發話端已經傳送出來訊號之噪音。這個技術的受益者是當地受話端。由於語音信號與噪音已經混合在一起，因此只能透過純軟體演算法的技術，分離語音訊號和噪音。

下列技術可應用於這一類情境：

• 語音分離演算法

 

3. 在「受話端」消除背景聲學噪音

這樣的技術為本地收聽者帶來好處，免受現場環境干擾，能聽得清楚遠端傳來的聲音。

下列技術可應用於這一類情境：

• 被動式噪音控制（以機構做聲隔離）
• 主動式噪音控制（以反噪音進行聲抵消）（Active Noise Control）

 

因此，一個完美的通訊降噪方案，應同時包括上述三項技術，如下圖所示：

並達成下列目標：

1. 使發話端的噪音不傳到受話端
2. 使受話端能夠排除發話端及傳輸過程所夾帶的噪音
3. 抑制受話端的環境噪音，使受話端聽得清楚

 

由上述的剖析過程中，我們可以清楚地知道，一般所謂的ANC耳機，其實只包含上述降噪技術中的第三種。

ANC主動式降噪技術的基本原理 

最早ANC降噪技術是由Paul Lueg在1936年提出的美國專利，應用在管道的噪音消除。當時的專利圖如下：

 

我們可以先來看一下聲波在管道中的傳播。

管道中聲波的傳播，就像下面這張圖（點此看動畫），活塞往前推的時候，空氣粒子就在管道中被壓縮形成壓力較大的區域，隨著活塞往後，空氣粒子就又變得稀疏，如此循環，在特定的位置（如紅色點）就可以觀察到隨著時間，其壓力變化的波形。

 

因此，Paul Lueg的想法，就是在管道中藉由安置麥克風，來取得上游的管道聲壓，並在下游的揚聲器發出「大小相同、相位相反」的聲波，來將下游的管道噪聲消除掉。

 

關於聲波的破壞性干涉，下面這張圖（點此看動畫）可以更具體地說明這個現象。

這個稱之為Dipole偶極子的現象，是由兩個相位相反的點源相互作用下所構成的聲場，可以看見在中心垂直區域，由於左右波的相位相反，因此產生破壞性干波，因而殘餘聲壓幾乎為零。

因此，透過合適的安排，就可以達成主動消噪的功能，因此消噪耳機的基本概念可以用下面這張圖來表達：

不過，主動降噪技術通常不能夠獨立存在，必須搭配被動隔音技術才能得到良好的發揮。如下圖：

被動隔聲主要依靠隔聲材料的特性決定，對高頻噪音有比較好的效果；若是透過被動隔聲來處理低頻噪音，則材料體積會非常巨大。

反之，主動降噪由於利用破壞性干涉的原理，對低頻聲波反而處理得更好；因此，被動隔聲和主動降噪是相輔相成的。

當我們談論ANC 耳機的降噪/隔聲效能時，被動隔聲和主動降噪能力都是應該要被考慮的。

 

百佳泰降噪耳機量測環境架設

為了評估消噪耳機的消噪性能，我們將它放置在聲學人偶（HATS）上，透過其上的人工耳量測消噪前後的音量大小（也就是計算它的插入損失），透過這樣的方式來評估消噪性能。

我們以耳朵位置的聲壓大小為基準，再量測以下條件，再計算後就可以得到消噪性能：

1. 量測未戴耳機時，人工耳所收到的聲壓值。
2. HATS放上待測耳機，暫時不打開ANC功能，單純量測被動隔音性能。
3. 待測耳機已在HATS上，打開ANC功能，量測開啟ANC後的降噪性能。

由上述第2項減去第1項，可以得到被動隔音效能；第3項減去第2項，就可以得到單純的主動降噪性能。

以下是以Logitech ZoneWireless耳機為例的ANC測試量測結果：

圖1是被動隔音的效能。我們可以看到，的確是高頻的隔音能力比較好，自2kHz 以上，能夠有6dB 以上的衰減量，最高到7kHz有33dB的衰減量；不過被動隔音效能到了低頻，它的效果就不好，甚至還略微增加音量。

接著，圖2是主動降噪性能，我們可以看到主動式噪音消除的確是低頻降噪為最主要。

以這隻耳機來說，600Hz以下開始有2dB以上的衰減量，最高是在230Hz左右有-10dB 的衰減量。

圖3是實際開啓ANC後的總消噪量，它顯示了低頻在230Hz大約有10dB 的降噪效果，而在6kHz有大約39dB的降噪效果。

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