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不用戴降噪耳机的「降噪耳机」

本文作者:伍文靓 2020-12-22 10:36
导语:这个系统的性能接近一副主动降噪耳机,但不需要笨重的耳机或其他设备。

近年来,降噪耳机已经走入了许多人的生活当中;但优化用户体验的问题一直都需要新的思考。           

具体来说,我们平时所用的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。                   

被动降噪耳机,即通过耳机上的隔音材料或者是特殊的结构尽量隔绝噪声,主要是入耳式耳塞和全罩耳式耳机,长期佩戴的话会使得耳朵胀疼,过大的声压甚至还会对听力造成影响。                   

主动降噪耳机,即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。                  

但事实上,无论是哪一种降噪耳机,用户的佩戴时间过长都会影响使用体验,尤其是在需要降噪的环境中睡觉时。        

长期以来,悉尼科技大学音频、声学和振动中心的研究人员一直都在研究新型虚拟噪声消除系统,该系统可以将主动降噪的部件从个人音频设备转移到椅子的头枕上。

主动降噪技术的起源可追溯到 20 世纪 30 年代。当时,美国授予了第一项相关的专利,该专利可以通过反转声音的极性并播放这些声音来消除不需要的噪音。1989 年,主动降噪耳机的第一个工作原型由航空工业发布。1991 年,主动降噪技术被用于封闭空间内的噪音控制,被搭载上了日产蓝鸟的硬顶车型。

尽管主动降噪技术的发展已经有了近一百年的时间积累,但不同于主动降噪耳机,主动降噪头枕的噪声消除系统多年来几乎没有进展。

参与研究的肖童(音)透露了一些原因。

现有的主动降噪头枕所使用的麦克风被放置在用户头部周围的位置,以采样用户能够听到的声音。这些设备最适合处理高达 1 kHz 的低频噪声。然而,耳机的耳罩和隔音材料所带来的被动降噪效果,可以有效减少高频噪音,包括4-6 kHz 的人类的声音。这正是主动降噪头枕所缺乏的。

为了解决这一问题,研究团队需要搭建一个同时处理高频噪音和低频噪音的主动降噪系统。

因此,他们基于激光多普勒振动仪(LDV)设计了一个远程声学传感系统,该系统可以测量大范围内的非接触式振动。在测试中,他们在耳朵里放置了一层珠宝大小的反射膜,作为 LDV 的拾音器。

据肖童透露,测试成功了,系统能够有效消除 6kHz 的噪声,衰减效果到 10-20 分贝。

研究人员在三种有典型的噪声环境中测试了这个系统——乘坐飞机时、飞机从头顶飞过时,人们说话时。肖童表示,他们的系统性能接近一副主动降噪耳机,具有宽频率响应,但不需要笨重的耳机或其他设备。他说道:

我们称之为「主动降噪虚拟耳机」。

不用戴降噪耳机的「降噪耳机」

左:两个辅助扬声器放置在头部和躯干模拟器(帽子)后面,用于声音控制。如图所示,多个主扩音器被任意放置,以模拟来自不同方向的噪音。激光多普勒测振仪(LDV)发出的探测激光束对准耳膜。

右图:一层反射膜被放置在靠近帽子左合成耳道的耳道处。LDV 可远程测量膜表面的振动频率,从而为主动降噪控制器发送信号。

这些「虚拟耳机」一直模拟器设备上演示,以记录测量结果。不过,目前也已经有人类受试者进行了初步测试。肖童说道:

这样的配置简单又有效,目前最大的限制就是成本高昂。因为系统所需的 LDV 是一种精密的科学仪器,价格并不便宜。

当然,该系统还有其他方面有待解决,比如反射膜放置在人耳中哪个位置更合适;更高水平的主动降噪效果如何实现等。

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不用戴降噪耳机的「降噪耳机」

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