降噪耳机的原理

前言

当你戴上一种经过特殊设计的耳机时，外界的噪声将不再对你造成干扰。这就是降噪耳机给我们带来的享受。为什么降噪耳机能有如此神奇的表现？本文将带你走进降噪耳机的世界。

降噪耳机的分类

可有效降低环境噪声的耳机被我们称为降噪耳机。客观来说，几乎所有耳机在设计之初都考虑到了如何降低外界噪声，但降噪耳机却在降低噪声方面进行了更多的考虑，有着更突出的表现。

降噪耳机按照原理主要分为两种：一种是被动降噪(Passive Noise-Cancelling) 耳机，另一种是主动降噪(Active Noise-Cancelling ) 耳机。所谓被动降噪耳机，就是通过耳机上的隔音材料或者是特殊的结构，尽量隔绝噪声。

以前我们介绍过的入耳式耳塞和大耳罩设计的耳机，都可以划分为被动式降噪耳机。即便下面我们研究的主动式降噪耳机，也都加入了被动降噪耳机的设计。当然，这些并没有严格的界限，因为目的只有一个：如何更有效的降低环境噪声。

而主动降噪耳机，是在耳机中设置了专门的降噪电路。一般通过音频接收器(如微型麦克风)和抗噪声

输出芯片，通过接收、分析外界噪声的频率并产生与其相反的频率，相互减弱或抵消，从而达到屏蔽噪声的目的。

降噪耳机的系统构成

消除噪音的过程

主动降噪耳机从开始运作到人耳听到声音的过程，总共可分为几个步骤—首先，由安置于耳机内的微型麦克风采集耳朵能听到的环境中的中/低频噪声（比如100Hz ～1000Hz）；接下来，将噪声信号传至降噪电路，降噪电路进行实时运算；在降噪电路处理完成后，产生的信号通过扬声器发生与噪声相位相反、振幅相同的声波来抵消噪声；最后，我们的耳朵就会感觉到噪声减弱甚至消失了。

简而言之，就是利用微型麦克风采集噪声，通过降噪电路将噪声相位反相180 度，并产生对应的抗噪声相互抵消。一般来说，主动降噪耳机的是效果非常明显的。

相信很多朋友都有创新的声卡，而在创新声卡中附带了一个名为“Smart Recorder 的”录音软件。这个录音软件带有噪声分析功能，在录音前会先利用麦克风对环境进行录音分析。

简单来说，就是个噪声采样过程。这也是专业音频处理软件有效去除持续稳定的背景噪声的方法之一。其原理就是对噪声的波形样本进行取样以后，在后期的处理中对整段素材的波形和采样噪声样本分析，自

动去除噪声。

在噪声信号采样完毕后，Smart Recorder 便对采样信号进行分析和保存。而当录制人声以后，Smart Recorder 就会调用已保存的采样文件，去掉人声信号中的环境噪声。录音软件的这个降噪过程与降噪耳机如出一辙

A 为噪声信号，

B 为反向补偿信号，

C 为余留噪声信号。在实际听音过程中，我们听到的所有声音都能分解为不同波长和振幅的声波信号，并可用波形图像表示出来。当降噪耳机通过麦克风采集到环境噪声以后，传给降噪电路对噪声波形进行分析，然后实时产生振幅相同、相位相反的波形进行抵消。抵消之后的声音振幅（能量）就降低了，原来听起来很吵的噪声就会变小，而倘若两个声波振幅刚好相等的话，噪声就会完全消失。

通过加入同步反相信号消除噪声就是降噪技术的基本原理。可是从实际来说，恰好完全抵消的情况很难实现，但在进行有效的减弱以后，人耳已经不是很敏感了。降噪的原理虽然很简单，但是实际的情况要复杂很多。

因为我们所听到的声音不只一个频率，而是由很多种不同频率的声音混合而成，同时这些声音的频率和振幅还在不断的变化着。因此，在对噪声信号进行采集之后，必须在同一时间完成不同频率信号的解析和生成同步反相信号这个步骤。

只有这样才能实现降低噪声，否则时间间隔过长就起不到降噪的作用了，甚至还会增大噪声。这是因为外界噪声的频率突然发生变化，但耳机解析噪声和生成同步反相信号的速度不够快，从而生成的信号没有在反相时及时与噪声信号叠加抵消，而是在同向时发生了叠加，使噪声信号不仅没有被消减，反而加强了。可见，降噪耳机的关键是降噪电路的实时处理能力，而高端降噪耳机的优势也在于此。

降噪系统的实现方案一般有两种：直接内置于耳机的耳罩当中和外置降噪系统。第一种方案，降噪模块被直接放到了耳机的耳罩当中，通过电池进行工作。一般来说，降噪耳机都设计了电源开关，当安静环境下不需要使用降噪功能时，直接关闭电源即可。但这样的设计有时稍欠灵活，佩戴起来会让用户觉得头部有一定负担。

而外置降噪系统的方案则相对比较灵活，降噪模块被设计到了线控装置中。这样用户就可以使用轻便

的耳塞，不仅减轻了头部负担，而且佩戴也比较方便，搭配MP3 、MP4 等便携设备非常理想。

关于降噪电路，耳机厂家一直都是讳莫如深，我们也无从得知更详细的技术细节。这里我们按照一般的降噪电路进行简单分析。对于一般的动态降噪电路来说，多用LM1894 和LM832 芯片。但是LM1894 输入电压较高（工作电压为

4.5V ～18V），不适合低电压、低输入信号电平的便携设备。而LM832 电压低（电压为1.5V ～9V），非常适合MP3 和PMP 等便携设备。当然，不同的耳机厂商可能采用不同的芯片进行降噪电路的设计。同样的芯片，不同厂家的设计，也会产生不同的效果，这就是一个研发水平的问题。无论如何，为耳机增加降噪电路是一种非常实用的设计。

事物具有两面性，降噪耳机也是如此。我们首先需要明白的是，降噪这一过程并不是在电路内部就消除噪声，而是一个声音的空间合成效果。从降噪电路的工作原理我们也知道，就是产生一个频率相同、相位相反的新噪声，通过叠加进而最大限度的抵消环境噪声，利用的是声学上的“掩蔽效应”。

因此，所谓的降噪只是听觉上的声波抵消，噪声在电路内部是无法消除的。只能把抵消噪声的信号混合进音频信号里，通过仅有的一个单元发出音乐信号，并同时发出降噪信号。但如此一来问题就产生了，如果降噪系统设计得不完美的话，用于降噪的声音和环境噪声没有相互抵消而是产生了叠加，就不是降低噪声，而是将其增强了。

事实上，降噪电路不可能完美工作得总是能实时应付各种层出不穷的噪声，总会有处理不好的时候。所以厂商的研发就是需要解决这样的问题：即使有新噪声突然出现，也能将降噪电路的负面影响降低到最小，降低到我们的耳朵感觉不明显的程度。

对于用户而言，降噪耳机的局限体现在两个方面。一是降噪耳机需要电源驱动，这样就额外增加了耳机的重量，并不是每个人都希望耳机上挂一个电池盒的；另一方面，对于追求完美的耳机发烧友来说，降噪设计可能是他们无法接受的，因为任何对声音的修饰都意味着破坏了他们心目中的“原汁原味”。

但换一个角度来看，降噪耳机本来就是一个权宜之计，如果不是没办法，谁希望在噪声中听音乐呢？当然，对于在噪声中工作的人来说，降噪设计的好处是显而易见的。比如飞行员的通话系统，在噪声比较固定以后，降噪电路的优势就可以完全发挥了。所以对于降噪耳机而言，无法简单地评判是好是坏，关键在于你所处的环境是不是真正需要它。

最后，我们还是希望能注意降噪耳机的正确使用方法：

1. 音量不可太大，一般为能听得清楚，耳朵无不适感为佳。

2. 单次听音时间不可太长。最好听一段时间休息一下。

3. 不要刻意选择噪声大的环境去体验降噪耳机。因为噪声越大，消除噪声需要的音量也大，对耳朵的刺激也会加重。

4. 切忌在户外活动（如骑车、驾车、步行穿越公路）时使用降噪耳机，毕竟人身安全应被放在首位。