人類與噪音的斗爭史可以追溯到原始社會了。老祖宗們沒多少見識，打個雷都會嚇得捂住耳朵。這也算是人類最早的主動降噪手段了，屢試不爽，沿用至今。

　　所以，隔音降噪的手段歷史悠久，發(fā)展至今也衍生出很多相關(guān)產(chǎn)品：耳塞、隔音棉、隔音板等。

　　后來，人們發(fā)現(xiàn)這種手段的隔音效果有限，所以也在探索更多方法，比如用其他聲音來蓋過噪音，聽音樂就是一個不錯的選擇。

　　于是，遇到隔壁裝修的時候，很多人選擇帶起耳機，或者直接把音響聲音調(diào)大。

　　殊不知夾雜著噪音的音樂，本身也就成了噪音，所以這也不是降噪的終極奧義。為了聽到更加純粹的音樂，降噪耳機由此誕生。

　　之前和BOSE的“攻城獅”交流，大師侃侃而談，講述了主動降噪技術(shù)的由來。

　　1978年，BOSE的創(chuàng)始人Amar G. Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機上，發(fā)現(xiàn)飛機引擎的噪音干擾了他戴耳機欣賞音樂的興致。這激發(fā)了他對主動降噪技術(shù)的研究動力，在下飛機之后就開始推導(dǎo)驗算，寫出了降噪耳機最原始的方程式。

　　BOSE的創(chuàng)始人Amar G. Bose博士

　　世界上第一個降噪耳機由此誕生。與所有的高精尖技術(shù)一樣，這項在當時看來先進的技術(shù)最早也是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。

　　在槍林彈雨中聽得更清楚一點，才能穩(wěn)操勝券。

　　直到 1989 年，BOSE才終于將這項技術(shù)投入量產(chǎn)，專供飛行員使用。此耳機剛一面市就得到了美國軍方的大單。

　　據(jù)說，美國軍方通過給飛行員/地勤人員佩戴降噪耳機，節(jié)省由于噪音致殘而需發(fā)放的補償金達2億美金。

　　其實，主動降噪技術(shù)的原理不是很復(fù)雜，就是通過收集噪聲，然后經(jīng)過內(nèi)部的降噪電路運算后，發(fā)出這些噪聲的反向聲波，來抵消噪音。

　　原理簡單，但在實際應(yīng)用中有一個非常關(guān)鍵的問題，那就是噪音的種類、頻率都不一樣，而且噪音的傳遞速度很快，總不能噪音都已經(jīng)傳遞到耳朵里了，您這邊還沒運算清楚，這就沒得玩了。

　　所以，如何在不同的噪音傳遞到耳朵之前就能清楚辨別，然后釋放出對應(yīng)的聲波進行抵消，這就是這項技術(shù)的關(guān)鍵。

　　據(jù)工程師介紹，BOSE的解決辦法是提前預(yù)判：通過收集當前噪音，對未來馬上要產(chǎn)生的噪音進行預(yù)判，在恰當?shù)臅r機給出“未來噪音”的反向聲波，從而在下一波噪音抵達戰(zhàn)場之前就能排兵布陣，然后從容消滅來犯之敵。

　　如今，這項技術(shù)已經(jīng)不再局限于耳機層面，而是即將應(yīng)用于車艙內(nèi)，但這種轉(zhuǎn)變又將帶來一個新的問題。

　　車艙不像耳機那樣緊貼著耳朵，可以在很小的范圍內(nèi)對噪音進行攔截，而車艙內(nèi)想要做到這一點，這就需要營造一個聲波場：利用多個揚聲器協(xié)調(diào)作業(yè)制造聲波場，確保噪音可以無死角被抵消，這就需要考慮到更多的場景和更加細致的算法支持。

　　目前，這項技術(shù)對于路噪的抑制已經(jīng)初見成效。

　　降低噪音通常所采用的三種降噪措施，即在聲源處降噪、在傳播過程中降噪及在人耳處降噪，都是被動的。為了主動地消除噪聲，人們發(fā)明了“有源消聲”這一技術(shù)。它的原理是：所有的聲音都由一定的頻譜組成，如果可以找到一種聲音，其頻譜與所要消除的噪聲完全一樣，只是相位剛好相反(相差180°)，就可以將這噪聲完全抵消掉。關(guān)鍵就在于如何得到那抵消噪聲的聲音。實際采用的辦法是：從噪聲源本身著手，設(shè)法通過電子線路將原噪聲的相位倒過來。由此看來，有源消聲這一技術(shù)實際上是“以毒攻毒”。

　　聲音是由物體振動產(chǎn)生的，而振動在彈性介質(zhì)中的傳播形式就是聲波，處于一定頻率范圍內(nèi)(20～20000Hz)的聲波作用于人耳就產(chǎn)生了聲音的感覺。噪聲(noise)通常定義為“不需要的聲音”(unwanted sound)，是一種環(huán)境現(xiàn)象。人一生都暴露在有噪聲的環(huán)境，噪聲也是一種由人類各種活動產(chǎn)生的環(huán)境污染物。振動(vibration)，是物體(或物體的一部分)沿直線或曲線并經(jīng)過平衡位置所作的往復(fù)的周期性運動。它廣泛存在于自然界和工程界。

　　既然振動是噪聲之源，減振降噪實踐中，通過解決振動就可以有效解決噪聲問題。在常見的噪聲治理中，金屬薄板振動如空氣動力機械的管壁，機器的外殼，車體和船體等一般均由薄金屬板制成，當設(shè)備運行時，這些薄板都會產(chǎn)生振動，進而輻射噪聲，像這類由金屬板結(jié)構(gòu)振動引起的噪聲稱之為結(jié)構(gòu)噪聲。對于這種金屬板輻射噪聲的有效控制方法，一是在設(shè)計上，盡量減少其噪聲輻射面積，去掉不必要的金屬板面;二是在金屬結(jié)構(gòu)上涂敷一層阻尼涂料，利用阻尼材料抑制結(jié)構(gòu)振動、減少噪聲，這種方法我們稱之為阻尼減振(vibration damping)，便是一種主動的降噪技術(shù)。

　　主動降噪技術(shù)(ANC)的 原理：

　　主動降噪就是通過反相檢測麥克風(fēng)的聲音或噪聲來減弱周圍環(huán)境的噪聲讓揚聲器出來的聲音聽起來更清晰。主動降噪技術(shù)的目標就是通過一個自適應(yīng)濾波器把不想要的噪聲反相從而把噪聲約束到固定的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)必須要把揚聲器到麥克風(fēng)的二階誤差考慮進去。主動降噪用到的主要原理是：FxLMS(過濾的最小均方差濾波器)。這個算法的會讓輸入到濾波器的錯誤信號急速銳減，從而達到降噪的目的。這個錯誤信號在期望值和FxLMS濾波器輸出值之間是有差異的。

　　我們可以看一下這個算法的模型：

　　輸入?yún)?shù)：

　　參考輸入: 就是要消除的噪聲

　　錯誤輸入：降噪引入的噪聲加揚聲器的輸出聲音

　　適配開關(guān)

　　參考濾波輸入：二級路徑的參考濾波信號，所謂的二級路徑就是FxLMS濾波器輸出值反饋到FxLMS濾波器的錯誤輸入。

　　模型的輸出：

　　降噪后的結(jié)果

　　可調(diào)參數(shù)：

　　自適應(yīng)濾波器長度

　　自適應(yīng)步長

　　泄漏因子

　　下面的這個圖應(yīng)該能夠很好的詮釋了這個流程：

　　輸出y(n) 和輸入x(n)之間有個適量因子W，W的參數(shù)是通過下面公式計算出來的：

　　W = (1- alpha * Leakage)* W + alpha * error(n) * XFilterd/ energy

　　這里的因子的含義：

　　* XFilterd：濾波后的參數(shù)輸入矢量

　　* alpha：步長參數(shù)

　　* Leakage：泄漏因子

　　* error(n): 本幀的錯誤采樣

　　* energy:濾波后的參考矢量的平方值

　　下圖是經(jīng)過LxLMS濾波器后的效果圖：第一個是輸入噪聲，第三個為反相信號，中間的為濾波器的輸出信號。

　　主動降噪耳機的分類

　　主動降噪耳機按照控制電路分類可以分為模擬式和數(shù)字式，按照控制結(jié)構(gòu)分類可以分為

　　前饋式、反饋式和復(fù)合式。

　　前饋式主動降噪耳機

　　前饋式主動降噪耳機使用前饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱開環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般需要被控制的初級聲場的聲音信息，通常稱為參考信號。參考信號送到前饋式控制器，經(jīng)過控制器處理后，產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動揚聲器輸出該聲音信號產(chǎn)生次級聲場，進而和實際通過物理途徑中傳來的原始聲波信號相疊加，誤差傳聲器檢測初級聲場和次級聲場的疊加所形成的誤差信號，送到控制器中，控制器根據(jù)特定的算法調(diào)整次級聲源信號的強度。

　　前饋式主動降噪耳機典型結(jié)構(gòu)

　　前饋式有源噪聲控制的優(yōu)點是傳聲器接收的是純噪聲，并不接收喇叭發(fā)出的聲音，所以系統(tǒng)是一個開環(huán)，不會引起任何的閉環(huán)振蕩和嘯叫，因此可以獨立地調(diào)試電路，使降噪的效果達到最佳。但噪聲經(jīng)過揚聲器并在揚聲器內(nèi)多次反射，其大小和相位已發(fā)生變化，傳聲器采集到的噪聲與揚聲器內(nèi)的噪聲將有很大的不同，且外部噪聲的方向性很強，難以使用同一電路滿足來自不同方向的噪聲的降噪要求，這些都是在前饋式有源降噪耳機的設(shè)計中需要克服的問題。

　　反饋式主動降噪耳機

　　反饋式主動降噪耳機使用反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱閉環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)，它比前饋式系統(tǒng)少了一個參考傳聲器。雖然系統(tǒng)構(gòu)成上得以簡化，但是應(yīng)用范圍也大大縮小。

　　反饋式主動降噪耳機典型結(jié)構(gòu)

　　反饋結(jié)構(gòu)的有源噪聲控制系統(tǒng)不需要預(yù)先得到聲音信息，而是通過控制器調(diào)整誤差信號，從而降低噪聲。由于是反饋系統(tǒng)，當放大器的增益加大到一定程度時，系統(tǒng)將變得很不穩(wěn)定，產(chǎn)生高頻嘯叫或低頻振蕩，為了維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，一般會要求控制器和誤差傳聲器的位置十分接近，這就限制了反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

　　復(fù)合式主動降噪耳機

　　復(fù)合式主動降噪耳機結(jié)合了前饋式、反饋式的結(jié)構(gòu)，次級聲源發(fā)出的信號將由參考傳聲器和誤差傳聲器共同決定。前饋式系統(tǒng)可以減弱參考傳聲器檢測到的與初級噪聲相關(guān)的噪聲，反饋式系統(tǒng)則對窄帶噪聲十分有效，兩者結(jié)合使用，可以增強有源噪聲控制系統(tǒng)的靈活性，從而比使用單一結(jié)構(gòu)獲得更好的降噪效果，但缺點是系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜、成本也非常高。

　　降噪算法模型與優(yōu)化

　　主動降噪技術(shù)的核心在于噪聲控制系統(tǒng)及算法性能。目前主要的研究熱點集中于自適應(yīng)噪聲控制與算法優(yōu)化。

　　在有源噪聲控制系統(tǒng)中，信號處理的主要任務(wù)是解決噪聲中信號的提取問題。隨著數(shù)字降噪技術(shù)的發(fā)展，有源降噪算法的優(yōu)化和研究工作依然有很多優(yōu)化和進步的空間。

　　產(chǎn)業(yè)鏈概要

　　1989 年美國 Bose 公司第一個生產(chǎn)出了有源降噪的產(chǎn)品，專為飛行員設(shè)計的主動降噪耳機。經(jīng)過多年發(fā)展，國外主動降噪耳機的研制和生產(chǎn)比較成熟，生產(chǎn)廠家也比較多，包括Bose、Sennheiser、Telex 及 NCT，日本的索尼、愛華等。

　　目前國內(nèi)生產(chǎn)廠商主要是深圳冠旭電子有限公司、歌爾聲學(xué)股份有限公司等。

　　主要技術(shù)方案商與科研機構(gòu)

　　目前國際上主要的技術(shù)方案主要被大型音響公司掌握，它們是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)方案商，也同時是產(chǎn)品布局和市場占有率較高的生產(chǎn)廠商。

　　目前國內(nèi)的科研機構(gòu)以中科院聲學(xué)所和南京大學(xué)聲學(xué)所為主力在該領(lǐng)域開展研究工作，其研究方向不局限于耳機類產(chǎn)品。此外，深圳冠旭電子有限公司等生產(chǎn)廠商也擁有自己獨立的研發(fā)團隊，是目前國內(nèi)具有代表性的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)方案商和生產(chǎn)廠商。

　　主要生產(chǎn)廠商

　　以上所列舉技術(shù)方案商和科研機構(gòu)中，國內(nèi)的科研機構(gòu)尚無自主品牌的商業(yè)化耳機產(chǎn)品，更多的是開展與歌爾等國內(nèi)公司的技術(shù)合作，作為其技術(shù)方案商參與主動降噪耳機的產(chǎn)品化、商業(yè)化運作。

　　其余所列舉公司，都擁有自主品牌的主動降噪耳機產(chǎn)品。值得一提的是，歌爾聲學(xué)股份有限公司作為全球領(lǐng)先的微型揚聲器生產(chǎn)廠商，是蘋果、三星等大型終端廠商的重要供應(yīng)商。