对高铁上嚎叫的小孩，我的降噪耳机为什么没用？

我正坐在返程的高铁上，嗷嗷叫的小屁孩让我生无可恋……幸好，我有科技的力量傍身，把降噪耳机塞进耳朵，打开降噪模式。

瞬间，高铁的轰鸣声消失了，乘客们的交谈也被莫文蔚轻柔的歌声盖住，世界终于安静了。

“这世界有那么多人，人群里，敞着……”

“啊——————！！”小屁孩的尖叫声刺破了歌声。

这世界有那么多人，为什么降噪耳机唯独对小屁孩的尖叫声敞开了一扇门？降噪耳机在“隔绝”外部声音时，还会区别对待吗？

错的是降噪耳机  

借几个降噪耳机，让我们来试一试。

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。

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。尤其是小屁孩扯着嗓子的尖叫。

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。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。所以高铁行驶产生的噪声，能被降噪耳机还不错地“屏蔽”，孩子的叫声在降噪耳机里反而被“凸显”出来。

绿线为降噪开启时，蓝线为降噪关闭时丨图片来源 Woodenear

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。

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”。

所以，面对小孩的尖叫，确实捂耳朵好像更有用一些。

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。

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。

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。

我过年时曾经在小巷子里，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

“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。

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。

如果你在放烟花的现场，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，带上降噪耳机，依旧“肝颤儿”。

至于在高铁上……把小孩打一顿肯定是不推荐的，如果有条件的话，我下次一定选择静音车厢！

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

本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：糕级冻雾，编辑：沈知涵、黑jio妹妹