降噪耳机对小孩在高铁上嚎叫毫无用处？

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原名|为什么降噪耳机对小孩在高铁上嚎叫毫无用处？

作者 |蛋糕状的糖霜薄雾

编辑|沈知涵，黑吉奥的妹妹

封面图片来源|我自己拍的

回去的路上我坐在高铁上，小孩子的嚎叫让我绝望……幸好我手头有科技的力量，于是我把降噪耳机戴在耳边，打开了降噪模式。

刹那间，高铁的嗡嗡声消失了，乘客夫妇的谈话被莫文蔚轻柔的歌声淹没，世界终于归于寂静。

“这个世界上有那么多人，而人群中却有一个空旷的地方……”

“啊 - - ！！”小孩的尖叫声划破了歌声。

这个世界上有那么多人，为什么降噪耳机只为小孩子的尖叫声打开大门？降噪耳机在“隔离”外界声音时是否有不同的处理方式？

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错误的降噪耳机

借一些降噪耳机来试试吧。

我用Apple Watch的“噪音”功能测试了65到67之间的交通噪音，短促的警报声就会将贝拉推到70以上。当 Bose QuietControl 30（入耳式）降噪级别调至最大时，发动机的声音被明显滤除，车轮与地面之间留下更尖锐、更紧缩的摩擦声。

首先，我们需要了解降噪耳机的原理。其核心是“主动降噪”（ANC，Active Noise Cancellation）技术。耳机的麦克风拾取外部声音，然后使用降噪电路创建波形相同、相位相差 180 度（即相反）的反向声波。两波相互抵消，达到降噪的目的。

主动降噪原理丨图源物理书

问题来了。低频声波周期长，波形比较规则；高频声波频率快、声波短，其变化难以预测。有源噪声消除技术很难快速识别高频噪声并产生精确 180 度异相的有源信号。对低频噪声的屏蔽效果较好。声音频率越高，防护效果越差。

人耳可听到的频率为20赫兹至20,000赫兹。其中，30-150Hz为低频段，150-500Hz为中低频段，500-5KHz为中高频段，5K-16KHz为高频段，5K- 20KHz是一个非常高的频段。

人声的频率范围为100赫兹至8000赫兹，大部分处于中高频范围。尤其是小孩子更是声嘶力竭地尖叫。

这项技术已经发展了半个世纪。 20世纪50年代，一些医生申请了主动噪声消除的专利。在 20 世纪 70 年代和 80 年代，Bose 和 Sennheiser 都探索生产专门为飞行员提供的降噪耳机。飞机环境中的声音模式，如风扇、燃烧室、涡轮和喷气噪声，都属于低频和中低频噪声类别。因此，主动降噪耳机在该领域首先被采用。

根据评测社区 Woodenear 对 AirPods Pro 2 的降噪测试，开启 ANC 后，在中低频范围内最多可降低近 45 dB。随着声音频率的增加，降噪能力明显下降。即使是当今主流的降噪耳机，中低频和高频之间的性能差距仍然很明显。因此，乘坐高铁时产生的噪音可以被降噪耳机很好地“防护”，孩子的尖叫声在降噪耳机中得到“强调”。

绿线是降噪开启时，蓝线是降噪关闭时 |图片来源 Woodenear

好的，我明白了。如果再遇到“顽皮的孩子”，我还不如捂住耳朵。

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主动降噪采用的是“回弹”，被动降噪则采用的是“覆盖”

“捂住耳朵”实际上是一种被动降噪方法（Passive Noise Canceling，PNC），从物理上将人耳与外界噪音隔离。说白了，在未开启主动降噪的情况下，降噪耳机的作用就是被动降噪。

被动降噪的效果比一般降噪的“覆盖层”还要多。驾驶和街头音乐受到一定程度的限制，但仍然可以听得很清楚。远处传来的音乐声几乎因为耳朵被“捂住”而被挡住了。

被动降噪效果很大程度上取决于产品的形状。

包耳式耳机通过“包裹”耳朵来隔离噪音，而入耳式耳机则是用硅胶、海绵等材料制成的护耳器填充耳道。扁塞的降噪效果不如入耳式。专业PNC隔音耳机根据不同频段，可阻隔中高频噪音约10-40dB。

当然，也与噪声的频段有关。

低频和高频噪声之间的区别之一是它们在传播时是否衰减。高频声音穿透力差，距离较远时遇到障碍物衰减很大。所以物理“隔离”是非常有效的。低频声音传播距离远，穿透力强。主动降噪是一种更好的“补偿”方式。

所以，面对小孩的喊叫，捂住耳朵似乎还是有用的。

以前，当我使用传统的平板耳机（没有主动降噪功能）乘坐地铁时，我想把音量开到最大。这会导致长期的听力损伤。

长期暴露在高分贝环境对人体有害 |图片来源：中华预防医学会

根据科学研究，听力细胞受损的阈值之一是：连续暴露在85分贝的环境中8小时。因此，近年来主动降噪技术取代了它。03

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”，可能一听到降噪耳机的反应慢、噪音大、抗风噪能力差、负压强等不愉快的经历，你可能还记得。穿上它们。

麦克风的“方向”影响很大。前馈式的内部结构比较简单。麦克风放置在耳机外部，用于检测周围的声音环境。然后信号被传递到处理器进行处理，扬声器发出反向声波以“中和”噪音。

反馈式将麦克风放置在耳机内部靠近扬声器的位置，更接近人耳听到的声音。缺点是类似噪音的音乐声音同时被视为噪音。

虽然两种单馈降噪方法都有其缺点，但混合方法将麦克风放置在耳机外部和扬声器附近。如今，主要制造商也在其旗舰型号中使用了这种方法。例如，索尼 WH-1000XM5 配备 4 个麦克风（一侧）。三个外部麦克风首先处理环境噪音并将其抑制。 1个内部反馈麦克风检测耳道附近的残留噪音并再次降低噪音。

受可穿戴设备尺寸的限制。类似于智能手机在“计算摄影”方面的努力，降噪耳机也利用芯片计算能力和软件算法，在有限的内部空间内实现降噪能力和音质的迭代。国内一些厂商预设了多种降噪模式，并根据环境自动切换。开发的算法可以根据风噪声检测结果调整ANC控制器的参数并优化风噪声泄漏。

AirPods Pro2 内部和外部均配有麦克风。得益于H2的芯片实力，AirPods Pro2的降噪深度是第一代的两倍，但“耳压感”并不难受。 H2芯片和优化的声学算法提供了合适的降噪环境，实现了降噪深度和舒适度之间的平衡。

但在目前的“暴力级别”分贝下，这是没有用的。

烟花丨图片来源作者

根据美国言语和听力协会（ASHA）对日常生活中常见声源音量水平的估算，烟花在一米距离处的音量可达150分贝。

我曾经在过年的时候遇到过一户人家在巷子里放红色的鞭炮。在近 5 米的距离处，使用 AirPods Pro 2 的降噪功能后，Apple Watch 仍然检测到高达 81 分贝的噪音水平，这是“需要立即逃离现场”的噪音水平。

红色挂鞭炮频段分析|图片@Jimmy Ng 香港农历新年2012-第2天-鞭炮

“红挂鞭炮”的声音在500赫兹到7500赫兹（属于中高频）之间变化剧烈。04

有“缺陷”

为何芯片处理能力提升却无法解决“高频bug”？

Woodenear测试了AirPods Pro2的透明模式（也称为透明传输模式）。透明模式的原理是通过麦克风收集外部声音并在耳机中再现。降噪耳机的采集能力从侧面就可以看出。

我们看到，在中低频范围内，透传状态后声压几乎没有变化（声波穿过介质时振动引起的压力变化）。抖动在 2 kHz 处开始出现，并在 5 kHz 处剧烈抖动。说明中高频段采集效果不好。

AirPods Pro2透传模式解析丨图片来源Woodenear

换句话说，即使是 AirPods Pro2 中的 H2 芯片也能每秒处理 48,000 次噪音。即使芯片具有足够的特性，“故障”也会出现在麦克风中，导致高频段失真。

许多中端和高端降噪耳机，包括 AirPods Pro，都使用 MEMS 麦克风。在可穿戴设备应用需求的推动下，MEMS麦克风封装尺寸越来越小，但封装尺寸太小会降低性能和可靠性。根据MEMS麦克风供应商（Infineon XENSIV MEMS）提供的信息，此类麦克风的响应在低频时非常平坦，但在高频时变异性显着增加。

低频响应非常平坦，但高频时变化明显增大丨图片来源英飞凌

即使使用配备 1/2 英寸（隔膜）麦克风的人工耳，准确性和灵敏度仍然有限 。 LEC（国际电工委员会）仅规定了仿真耳100Hz-10000Hz的声阻抗特性。相比之下，AirPods的长宽高均为3*2*0.98mm，还不到一粒米的大小。

如果您在观看烟花表演，降噪耳机可能会帮助您过滤掉少量的“轰隆”声，但对于尖锐的“嗖嗖~嗖嗖~”和“简单的噼啪声”声音没有帮助。当然，对于Erkick这样的“级别”鞭炮来说，即使声音集中在中低频，戴上降噪耳机依然会让你“不寒而栗”。至于坐动车……打小孩是绝对不推荐的。如果可以的话下次一定会选择安静的车！

参考

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