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熊孩子怎么比鞭炮威力还大,我拿降噪耳机测了测

2023-01-23

大年三十,小姑带着她的儿子、女儿准时出现在我家里。男孩七八岁大,沉迷 iPad,看动画;女孩三岁左右,精力充沛,喜欢上蹿下跳。此刻,他们都在做着自己擅长的事情——滋哇乱叫。

幸好,我还存有一丝清醒,把降噪耳机从包里翻了出来,放一首金属乐再把音量拉到8格。

手机提示我“耳机音量大”,无所谓了,世界终于“安静”。不对,为什么我还能听到妹妹的尖叫声?降噪耳机在“隔绝”外部声音时,还会区别对待吗?

  不怪妹妹,错的是降噪耳机  

我借了几个发小的降噪耳机,出门准备试一试。大年三十,小区周边马路上的行车不多,一条路上只有两家店铺还在“叫卖”。

我用 Apple Watch“噪音”功能,测试交通噪音在 65-67 之间,短暂的鸣笛将分贝拉到 70 以上。Bose QuietControl 30(入耳式)降噪级别开到最大后,明显过滤掉发动机声音,留下更多车轮和地表之间尖、涩的摩擦声。

先要搞清楚降噪耳机的原理。核心是“主动降噪”(ANC,Active noise Cancellation)技术。通过耳机上配备的麦克风,收集外界声音,再通过降噪芯片生成与之波形相同、相位相差 180 度(也就是相反)的反向声波,两波相消,实现降噪目的。

主动降噪原理丨图片来源物理书

问题来了。低频声波周期长,波形相对规整;高频声波频率快,声波短,变化不好预测。主动降噪技术对于高频噪音很难快速识别,并生成准确相差 180 度的主动信号去抵消它。对低频噪音的屏蔽效果更好,声音越高频,对其屏蔽效果越差。

这一技术已经发展了半个世纪。20 世纪 50 年代,就有博士递交关于主动降噪的专利。70、80 年代,Bose 和森海塞尔都在研究给飞行员制作专门的降噪耳机。

人耳能听到的频率介于 20Hz-20000Hz 之间。其中,30-150Hz 为低频段,150-500Hz 为中低频段,500-5KHz 为中高频段,5K-16KHz 高频段,5K-20KHz 极高频段。

人声的频率范围是 100Hz 到 8000Hz,绝大部分处于中高频声音。

直升机噪音在频率 250Hz 以下的音量较大,频率超过 250Hz 时,音量有明显下降趋势。大部分低频噪音分布在 10-40Hz 之间,飞机环境中的声音规律,风扇、燃烧室、涡轮、喷流噪声这几类,都属于低频、中低频噪音。所以这是为什么,主动降噪耳机先从这一领域应用起来。

根据测评社区 Woodenear 对 AirPods Pro 2 的降噪能力测试,当 ANC 打开,在中低频段最多可以降掉近 45dB。随着声音频率越高,降噪能力明显削弱。即便今天主流的降噪耳机,在中低频,和高频的表现差距仍旧明显。

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绿线为降噪开启时,蓝线为降噪关闭时丨图片来源 Woodenear

正当我沉浸时,两个小男孩在我脚下“摔了一炮”,在安静的声音环境里,这一声显得猝不及防。我威胁着从他们手里抢来两个,跑到没人的地方做了个实验。

我把摔炮的声音录了下来,用声音软件分析。发现摔炮声集中在在 1KHz-10KHz 之间(中高频),波动更为剧烈。怪不得,根据我的实际听感,摔炮声在降噪耳机里反而被“凸显”出来。

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摔炮声音的频段分析丨图片来源作者



好了,我知道了,再碰到“熊孩子”,我还不如捂耳朵。

  主动降噪用“反弹”,被动降噪靠“捂”  

“捂耳朵”其实是一种被动降噪(Passive Noise Canceling,PNC)方式,就是物理上把人耳和外部噪音隔绝开。说白了,降噪耳机没开主动降噪时,就起到被动降噪的作用。

我站在“蜜雪冰城”旁边,戴上索尼 WH-1000XM5(包头式)。感受被动降噪的效果,更像是“蒙了一层”的整体降噪,汽车行驶,临街音乐都有一定程度地下降,但听得依然清楚。远方传来的音乐声,因为耳朵一被“罩”,几乎被隔绝没了。

被动降噪效果很大程度上取决于产品形态。

包耳式头戴耳机,是通过“包裹”耳朵的方式隔绝噪音,入耳式则是通过硅胶、海绵等材质制作的耳套填充耳道。平头塞就不如入耳式降噪力强。专业的 PNC 隔音耳机,可以把中高频率的噪音根据不同频段,阻挡约 10-40 dB。

当然也与噪音频段有关。

低频和高频噪音的一个差别在于,它们是否会随着传播而衰减。高频声音穿透力差,距离一远,遇到障碍物就会明显衰减。所以物理上的“隔绝”就很有效。低频声音传播距离远,穿透力强。主动降噪的方式更好来“抵消”。

以前戴着传统的平头塞耳机(没有主动降噪功能),坐地铁,恨不得把音量调满格。这样长期听力会受损。

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长期处于高分贝环境对人体伤害丨图片来源中华预防医学会

据科学研究,听觉细胞受损的一个阈值是:连续 8 小时接触 85 分贝。因此最近几年,主动降噪技术有取代之势。

  降噪耳机,麦克风+芯片+算法  

如果你也是降噪耳机的“重度用户”,或许记得早几年的降噪耳机响应慢、有底噪、抗风噪能力差、戴上瞬间还有强烈负压等不适体验。

麦克风的“朝向”影响很大。前馈式内部结构相对简单,将收音麦克风放在耳机外侧,侦测周围的声音环境。再将信号传给处理器处理,扬声器发出反向声波,“中和”噪音。

反馈式是将麦克风放到耳机内侧,扬声器附近,更加接近人耳所能听到的声音。弊端是,同时将与噪音类似的音乐声音当做噪音处理。

当两种单馈式降噪方式都有缺点,混合式就将耳机外部和扬声器附近都放置麦克风。这也是如今大厂旗舰款采用的方式。比如索尼 WH-1000XM5,(单侧)搭载了 4 颗麦克风。外部的 3 颗麦克风将环境噪音,先处理,抵消噪音。1 颗内反馈麦克风检测耳道附近的残余噪音,再进行一次降噪。

受限于可穿戴设备的外形体积限制。类比智能手机发力“计算摄影”,降噪耳机也在提升芯片算力,和软件算法,在内部空间有限的前提下,实现降噪能力和音质的迭代。国内就有厂商会预设不同降噪模式,根据环境来自动切换。研制算法能根据风噪检测结果,调控 ANC 控制器参数,优化风噪声泄露。

AirPods Pro2 在内外各配置了一颗收音麦克风。因为 H2 的芯片能力,AirPods Pro2 的降噪深度比第一代高出一倍,但“压耳感”并没有令人不适。H2 芯片以及优化之后的声学算法给了一个合适的降噪环境,达到降噪深度与舒适性的平衡。

但在“暴力级”分贝当前,这都没用。

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烟花丨图片来源作者

根据美国语言和听力协会(ASHA)对日常生活中常见声源的音量程度,一米内的烟花爆竹声音强度可达 150 分贝。

我在小巷子里,偶遇一家人放红挂鞭炮。隔了差不多 5 米,经过 AirPods Pro 2 的降噪后,Apple Watch 检测仍然高达 81 分贝,属于“需要马上逃离现场”的噪音程度。

红挂鞭炮的频段分析丨图片@ Jimmy Ng HK Chinese New Year 2012 - Day 2 - firecrackers

因为逃得太快,我没录下来。后来从网上找了一段网友录下的视频,做了分析。可以看出“红挂鞭炮”声音集中在 500 Hz - 7500 Hz(属于中高频)之间密集波动。

  有“硬伤”  

为什么芯片的处理能力在提升,还是解决不了“高频 bug”?

Woodenear 测试了 AirPods Pro2 的通透模式(又称透传模式),通透模式的原理即是经麦克风采集外部声音后,在耳机内回放,能侧面看出降噪耳机麦克风的采集能力。

我们看到在中低频段,透传模式后的声压(声波通过媒质时,由振动所产生的压强改变量)几乎无变化。而在 2KHz 开始出现抖动,到 5KHz 剧烈抖动。证明没法很好地采集中高频段。

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AirPods Pro2 透传模式分析丨图片来源Woodenear 

也就是说,即便 AirPods Pro2 所搭载的 H2 芯片,每秒可进行 48000 次噪音处理。即便芯片能力够了,但“硬伤”出现在麦克风上,在采集高频段就失真了。

包括 AirPods Pro 在内,许多中高端降噪耳机都会使用 MEMS 麦克风。由于可穿戴设备的应用需求驱动,MEMS 麦克风封装尺寸越来越小,但太小的封装尺寸将带来性能及可靠性的下降。一家 MEMS 麦克风供应商(英飞凌 XENSIV™ MEMS)提供的数据,这类麦克风在低频响应非常平坦,但到高频浮动明显上升。

低频响应非常平坦,但到高频浮动明显上升丨图片来源英飞凌

就算使用配备 1/2 英寸(振膜面积)麦克风的人工耳,精度和灵敏度依旧有限。LEC(国际电工协会)对人工耳的声阻抗特性也只规范到了 100Hz- 10000Hz。相比之下,AirPods 的长宽高 3*2*0.98 毫米,体积不足米粒大小。

接近晚上,外面放鞭炮的多了起来。调皮孩子的摔炮,混合着勇敢青年的二踢脚,时不时还有窜天猴,和烟花上天。

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窜天猴在中高频、高频声段密集丨图片来源作者



如果你在放炮现场,降噪耳机也只能帮你过滤掉少量“轰隆”声,对“咻~咻~”和“干脆的噼里啪啦”的尖刺噪声于事无补。当然,对于二踢脚这种“级别”的炮仗,即便声音集中在中低频,我带上降噪耳机,依旧“肝颤儿”。

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二踢脚在中低频,中频音量比较大丨图片来源作者


如果你跟我一样正在逃离鞭炮现场,我更建议你,彻底堵住耳朵来保护听力。

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Apple Watch 噪声检测丨图片来源作者

回到家,隔壁小区的烟花,通过物理上的层层削弱,传到耳朵里中低频声波居多,这时候带上降噪耳机,听到的鞭炮声和空调外机差不多。

但也挡不住一句,“姐姐,你终于回来了~”这一声,异常响亮。

参考文献

[1] https://techteller.com/sci/anc/

[2] https://www.headphonesty.com/2022/11/active-noise-cancellation/

[3] https://www.airitilibrary.com/Publication/alDetailedMesh?docid=a0000157-199412-29-6-452-456-a

[4] http://www.gov.cn/govweb/fwxx/kp/2013-08/20/content_2470212.htm

[5] https://picture.iczhiku.com/weixin/message1593447396323.html

[6] https://www.woodenears.com/article/b8246101-be09-44f3-ab33-f46300b10f94

作者:糕级冻雾

编辑:沈知涵

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