2020年12月1日 星期二

主動式降噪技術介紹

主動式降噪技術緣起自1950年代,在當時 Dr. Lawrence Jerome 發明這個技術是未來了電訊通話能夠清楚應答,降噪技術是為了在當時通訊不易的環境下,讓通話能夠更容易而發明的技術。然而在1970年, Bose Corporation Dr. Amar Bose 將此技術應用於耳機,讓耳機透過 Active Noise Cancellation (ANC)技術而讓音樂更清晰,聲音更純淨。

資料來源: BOSE (史上第一支降噪耳機)

降噪耳機不是一個新概念商品,其實早在10年多前,降噪耳機的領航者Bose就推出了Bose QuietComfort 3,那時候主要都是用於頂級航班的頭等艙的試聽設備。直到2016年6月QuietComfort 35 (QC35)的首次推出開始真正進入大眾市場,2017年9月QuietComfort 35 II的迭代更新,才真正引爆了主流市場的需求。2019年還推出令人期待的新品Bose Noise Cancelling Headphones 700(Bose NC700)。

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2019年7月Sony推出WF-1000XM3,是市面上首款搭載主動抗噪功能的真無線藍牙耳機。隨後,Apple和Master & Dynamic也分別在在同年10和11月也發表Airpods Pro及MW07 PLUS,掀起了一陣真無線藍牙耳機的降噪風潮,越來越多廠牌開始替自家產品添加主動降噪的功能,使其擁護者們能夠安靜聆聽音樂、不受外界干擾的聽眾。

降噪的原理
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降噪耳機的原理:三個裝置(拾音器、降噪晶片、喇叭)的協同產生的。

麥克風(拾音器)
麥克風通常會置於耳罩的內側或外側,負責去聆聽與偵測無法用物理結構隔絕的外部聲音。

降噪處理器(降噪器)
降噪處理器 (簡稱:降噪器),會偵測從麥克風的聲音輸入,然後描繪出噪音的形態,像是頻段、聲波振幅。然後降噪處理器會產生與噪音對立,180°相反的反向聲波。

揚聲器(喇叭)
從降噪器製造出來的反向聲波會跟正常的音樂,一起被傳輸進入耳機的喇叭。雖然反向聲波會以破壞性的方式去消除噪音,但是不會影響正常音樂的音樂的音樂聲波,請放心。

3大降噪耳機類別

主動降噪耳機受歡迎的原因

在降噪耳機流行前,大多數的人都有在搭大眾交通工具時聽音樂的經驗,當捷運車門關閉,開始行駛後,常常伴隨著轟隆轟隆的聲音,讓我們聽不太清楚音樂,此時通常會調大音量來對抗。主動降噪耳機剛好就能減少這類低頻聲音對我們的干擾,讓我們夠享受最乾淨的聲音,細數其好處有以下幾點:

保護聽力

如上所述,當我們聽不清楚音樂時,通常會把音量調大,雖然能聽得比較清楚一點,但對聽力非常有害,而且聽力的損害是不可逆的,很難根治。因此,主動降噪耳機幫助過濾掉低頻噪音,讓我們不需要大音量就能聽到清晰的音樂,降低對耳朵的傷害。

幫助集中精神

有些人喜歡在工作時聆聽音樂,覺得這樣能夠更加專注,藉以提升效率。但環境噪音可能讓音樂變得不清晰,間接影響工作的專注度,無法再集中精神處理業務。這時候,主動降噪耳機就能過濾掉這些惱人的聲音,讓我們沈浸在自己的世界裡,專注在自己手上的事務。

主動式降噪耳機原理技術(Active Noise Cancellation, ANC)

降噪技術 Active Noise Cancellation 其原理是使用耳機上外界噪音接收器(麥克風)接收環境噪音,再利用耳機內部晶片,產生與噪音的反向聲波,抵銷或者是說中和了環境噪音,從而實現降噪的效果(請參考下圖)。


簡單說明及分析如步驟及圖例:
  • 麥克風蒐集環境噪音
  • 產品相反的環境噪音聲波
  • 相反聲波抵銷環境噪音
ANC 抗噪的機制讓人不需提高音量來蓋過外在的噪音,同時降噪功能也可以幫助使用者,在吵雜的環境下(如搭飛機或火車),享受片刻的寧靜,閱讀或睡眠。

主動式降噪技術種類

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主動降噪技術類別:前饋 vs 反饋 vs 複合式降噪
前饋式主動降噪 (Feedforward active noise canceling)

前饋式是最簡單的主動式降噪方式,如上圖,利用在耳機外部的麥克風擷取外部噪音,再透過降噪晶片產生與噪音反向的抗噪音來抵銷噪音。

前饋式主動降噪優點: 麥克風會較快擷取到外部音,使其有更多時間產生抗噪音來降低高達 1-2 KHz 的高頻噪音。

前饋式主動降噪缺點: 這樣的設計讓麥克風無法得知耳道內的聲音情況,因此無法自動校正,也因為這樣,使得耳機完成降噪處理後,即認定該波段工作結束,無法持續優化降噪效果。 如果配戴時未戴佩正確位置,或是角度不對,會讓異音進入耳道,這樣的前饋式降噪耳機是無法達好的降噪效果,也有可能會放大某些頻段的雜音。

反饋式主動降噪(Feedback ANC)

反饋式主動降噪的麥克風介於耳罩內部,也就是驅動單體前面,其收取的聲音為與聽者完全相同。

反饋式主動降噪優點: 麥克風擷取到耳朵聽到的聲音,因此反饋式降噪更能適應變化,並在需要時校正音頻,而且反饋式主動降噪可以在更寬的音頻範圍工作。另外,即使頭戴式耳機的佩戴方式怪異或沒有完全遮住耳朵,反饋式降噪仍可產生一定程度上降噪效果。

反饋式主動降噪缺點: 無法有效地處理高頻聲音,因此在1-2 kHz範圍內的噪音抑制效果不如前饋式降噪。 如果設計不當,可能會還會產生反饋降噪時的噪音。

混和式主動降噪(Hybird ANC)

混和式結合了前饋式與反饋式的優點,通常有2個降噪麥克風,分別於耳塞內部與外部。

混和式主動降噪優點: 幾乎沒有缺點,混合式降噪可以抑制在更寬的音頻範圍,適應並校正降噪效果,並且人員佩戴耳機方式也不拘泥。

混和式主動降噪缺點: 因為需要兩個麥克風,所以混合降噪技術成本是一般的兩倍。同時,其技術門檻需要更多的專業才能有效設定降噪效果。另外,同時擁有兩個麥克風可能會產生更多不必要的 「白噪聲」,因此需要使用高品質的麥克風來抵消這種情況。因此,混合式降噪頭戴式耳機價格比較昂貴。

降噪訊號方案:數位 vs 類比降噪 (Digital ANC vs Analog ANC)
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當設計降噪耳機的時候,大多數的工程師會希望採用數位降噪系統 (DSP-digital signal processing)來處理噪音與產生反向聲波。數位降噪系統好處就是有軟體調校,甚至在耳機製作出來之後也可以調校,不過會衍生一些問題。例如:數位降噪系統通常需要更大的功耗,所以耗電更兇
數位降噪

數位降噪系統因為訊號處理需要很快,有時候跟不上就會產生一些延遲。由於進來的噪音需要先被轉換為數位訊號才能進行降噪處理,然後再傳輸到耳機的喇叭,這就會有機率會發生30ms左右的延遲。雖然聽起來不是很大的延遲,但就降噪這件事情來說,就有可能造成很大的後果。
類比降噪
類比降噪則需要更多專業的工程師來調校耳機,大多會有更好的降噪結果。類比降噪耳機則會有更好的續航能力,對於噪音的因應速度也會更快。

被動式降噪耳機(物理降噪)

被動式降噪耳機是以物理性阻擋外界噪音的機制,其實就是利用耳機主體或耳塞抵擋外界噪音,一般來說,幾乎每一款耳機都有這樣的效果(骨傳導或開放式的耳機不算),只是程度上的差異而已。

被動降噪的好處是因為使用物理方式隔絕噪音,所以不會改變音質,也不需要額外技術而比較便宜。然而,若耳機沒有與耳朵或耳道緊密貼合,外界聲音就會入侵。此外,被動降噪耳機是透過壓在耳朵或耳道來隔絕噪音,因此久戴可能感到不舒服。

被動式降噪效果比較好的耳機為耳罩式耳機,通常較大的耳罩可以有效地阻隔噪音,像是Bose 35就是被動降噪效果很好的耳機。入耳式耳機的部分,則是以IEM監聽設計有較好的效果,像是 Creative Outlier Gold 就是很不錯的被動式入耳式降噪耳機。
耳塞對入耳式耳機的隔音效果

耳塞對音質的影響非常大,因為每個耳塞的隔音效果都不一樣,如果耳塞太小無法跟耳朵形成良好的密封,將會降低聲音質量和舒適度。

矽膠耳塞


耳機廠商最常提供的耳塞種類,由於材料的密度、厚度和形狀,矽膠耳塞之間存在顯著差異。材料越密,提供的隔離度越高,低音水平也越高;厚度越厚,柔韌性就越差,但若太軟,可能會在耳朵中塌陷;如果太硬,則會變得不舒服。

矽膠耳塞在高頻端的隔音效果很好,低頻端則要視貼合程度而定。另一方面,雖然相較其他種類的耳塞,矽膠耳塞的隔音效果較差,但其還是能提供相當程度的隔音效果,只需要注意是否與耳朵緊密貼合,因此還是很受歡迎。

在市面上,Sony的混合耳塞有著非常受歡迎的形狀,可與大多數耳朵貼合使用,而且有4種尺寸可供選擇;Westone的STAR(+ TRUEFIT FOAM)耳塞對許多人來說效果很好;而SpinFit 精心設計的耳塞具有多種不同的噴嘴尺寸。

海綿耳塞


因為海綿可塑性高,能夠隨著耳朵構造變型,所以能夠完美的貼合在耳道,提供極佳的舒適度、隔離度和密封度,隔音效果鶴立雞群,在低頻端的聲音表現優於矽膠耳塞,高頻部分則因為容易被海綿吸收,表現較差。同樣地,市面上也有專賣海綿耳塞的廠商,例如Comply。

不過,大多數的海綿耳塞無法清潔,而且價格也比較貴。

雙節膠耳塞



雙節膠耳塞相對於一般矽膠耳塞的優勢在於,有兩個獨立的區域可以與耳道密封,實現更好的隔音效果,能聽到更豐富的低音。然而,其缺點是可選擇的尺寸有限,要找到適合自己耳朵的雙節膠耳塞可能不太容易。如果您的耳道很大且很深,那麼Hi-Fi Man雙節膠耳塞效果應該會不錯。

三節膠耳塞



三節膠耳塞將雙節膠耳塞提升到更高的水平,如果您的耳道足夠深,其可以提供更好的密封和隔音效果。此外,三節膠耳塞通常可與帶有斜角噴嘴的耳機和耳掛式耳機配合使用,而且大多數三節膠耳塞都很柔軟,容易在耳道中彎曲並隔音。

客製化耳塞根據需求和個人耳道構造來打造耳塞,雖然能夠最完美貼合個人耳道,達到最好的隔音效果,但是考慮其相對較高的成本,可能不是一個划算的選項。

主動降噪的現況與限制

目前的降噪耳機的技術,在低頻的部分表現比較好,但是高頻的部分需要被動式降噪來輔助。人耳能聽到的音頻頻率為 20Hz-20,000Hz,目前市面上的主動降噪耳機降噪頻段為 100Hz-1,000Hz,因此在環境噪音、車輛、飛機等低頻聲音的抵銷是比較好的,而在高頻及人聲部分仍略不足,無法涵蓋整個頻段。

儘管如此,主動降噪耳機還是可以有效降低背景噪音,能夠以較低的音量聽音樂,不會傷害人類聽力,而且戴起來比較舒適。然而,主動降噪需要透過電力和降噪晶片來運作,所以價格比較昂貴,且品質差異很大,高品質的降噪耳機表現可以出色,但低品質的耳機則幾乎沒有任何效果。

人聲頻率範圍 100Hz – 8KHz
環境和車輛噪音範圍 100Hz – 1KHz

因為主動式降噪的限制,加上被動式降噪的特性,一款好的降噪耳機,可以利用主動式降噪耳機消除低頻環境噪音,高頻段的環境噪音需搭配被動降噪,這樣才能有較好的抗噪效果。

容易搞混的降噪技術

常常看到耳機廠商或買家標榜其耳機具有降噪技術,像是ANC、ENC、CVC和DSP,但消費者大多不知道其中的差別,而且如果賣方沒特別指出是哪一種降噪技術,更容易讓人誤以為都是可以讓人安靜享受音樂的主動降噪。

在此,為了將主題聚焦在ANC主動降噪,我們只簡單說明:DSP跟ANC一樣是都讓我們安靜地享受音樂,受益者在我方,但兩者的運作方式有些微的差異;而ENC和CVC都是讓跟我們通話的人可以清楚聽到我方語音的技術,受益者在對方。

ANC主動式降噪耳機的未來發展

Apple AirPods Pro 上市之後,相信會有一波主動式抗噪耳機的流行起來,未來將會有越來越多支援主動式降噪耳機,然而目前真無線的降噪耳機價格約7-8千元台幣,耳罩式降噪耳機約3千到1萬的行情價格,未來耳塞式、入耳式、耳罩式等耳機會有越來越多品牌加入這個行列,如果價格降低,相當有可能成為耳機的主流趨勢。

讓您秒懂得ANC主動式降噪影片

上面說了很多主動降噪的原理,不外乎希望讀者可以快速地了解何謂主動降噪,但如果看了文字的部分,還是不是很了解,可以觀看以下影片。影片中有充分比較,耳機在室內、室外,關閉降噪、開啟降噪的差異。

佩戴方式? 入耳 vs 真無線 vs 耳罩
ANC降噪科普看這篇!最值得購買的降噪耳機推薦丨2020最新-TechTeller (科技說)降噪耳機的形態差異 (by佩戴方式)

雖然這篇文章以介紹耳罩式降噪耳機為主,但我們還是科普一下因為佩戴方式延伸出來的三種佩戴方式。

降噪耳機依據佩戴方式不同,一般分為耳罩式降噪耳機、入耳式降噪耳機、真無線降噪耳機。以降噪效果來說,耳罩式降噪耳機的降噪效果是最好的,因為它能完整的Cover住聽者的耳朵,所以在物理被動抗噪效果也是相當好的。但由於耳罩降噪耳機通常會比較笨重,所以有些用戶會傾向選擇前兩種降噪耳機來換取便攜性。

貼耳式降噪耳機則是相對耳罩式降噪耳機更加舒適,但降噪效果沒這麼好。

入耳式降噪耳機由於直接深入耳道的關係,所以降噪效果跟ANC搭配起來也相當好,非常方便攜帶,但是也有些用戶不喜歡入耳式降噪耳機的侵入感,覺得不舒服。

降噪效果

耳罩式 >入耳式 >貼耳式 >真無線

舒適程度

真無線>入耳式>貼耳式>耳罩式

購買降噪耳機的考量因素
ANC降噪科普看這篇!最值得購買的降噪耳機推薦丨2020最新-TechTeller (科技說)購買降噪耳機的考量因素
降噪效果如何
除了耳罩耳機都具備的被動降噪效果,關於主動降噪效果的評估,購買前還要考慮到降噪晶片、降噪的方式(前饋?反饋? 複合式?),是採用類比降噪方案還是數位降噪方案?佩戴的方式(入耳?耳罩? 貼耳?) 這些因素都會大大影響到降噪的效果。

一般來說複合式降噪+數位降噪+耳罩耳機的搭配效果最好
音質水準

音質水準在耳機上,最直接影響就是聲學與腔體構造的設計、驅動單元的大小。主觀因素來說,耳機的調音師對耳機的EQ出廠調校也非常重要,是強調重低音?均衡音?還是高音優先,這個則是相對主觀的,所以對於EQ sound signature有要求的聽者一定要自行測試才會準確。

除了耳機本體上,音源也是極其重要的因素,所以不要買了好耳機忘了音源。音源是否為無損,音頻格式是什麼?音源輸出裝置是否能夠傳輸高品質的音源也相當重要。
有線無線通用

耳機是否支援3.5mm AUX的音頻輸出也是可以考量的因素,一來藍牙降噪耳機若沒電則可以用有線來聽音樂,二來3.5mm 音頻孔的音質在傳輸上衰減率低,音質表現會更細膩,所以通常選擇藍牙降噪耳機如果支援有線3.5mm會更好。除此之外,3.5mm音頻線的線材也會影響到音質,不過這又是比較小的影響因素,這邊就不贅述了
能否折疊,方便隨身攜帶?

雖然耳罩耳機相對笨重,但如果有收納的轉軸設計則便利許多,有更好的空間利用率在外出旅行、出差也會方便很多,所以如果喜歡帶著耳機啪啪照的你,或許可以將耳機是否能折疊納入優先考量因素哦。
佩戴方式(耳機類型)、佩戴舒適性

主要分為On-ear, Over-ear, In-ear (貼耳、耳罩、入耳)的三種佩戴方式,三種不同類型的耳機就會有不同的降噪性能,一般而言Over-ear降噪效果最好,而In-ear的舒適性最好,不過降噪效果就沒有Over-ear這麼好,購買前需要好好研究一下哪個最適合你哦。
出廠配件

以支援3.5mm的藍牙降噪耳機來說,如果考慮使用場景的話,很多商務客會需要帶上飛機使用,這時候航空轉接頭就相當方便了,因為通常飛機上是不能開藍牙功能的。有了航空轉接頭之後,可以將降噪耳機接在飛機上的多媒體播放器,打開降噪,跟飛機標配的耳機不是一個檔次的高品質降噪享受。所以出廠配件有沒有附上3.5mm音頻線、 航空轉接頭、旅行收納盒..等,都是可以納入考量的因素哦。
續航力與充電
降噪耳機一般來說至少要有20hrs以上的續航力才夠用,因為帶著藍牙降噪耳機出差加等飛機的時間, 加上路途交通工具轉換時間,應該最少都要10小時起跳,搭配好一點的類別與降噪晶片,可以更有效的控制功耗。

像是快速充電功能,充電5分鐘即可使用2至3小時,充電45分鐘就可以完整充電使用30小時,我覺得這是一種將手機的QC 3.0、PD充電移植到耳機的概念,這也是用戶移植期待的技術,所以我覺得在現在時間寶貴的情況下,充電速度也是一個考量點。
1連2配對 (多點技術)

藍牙耳機是否能支援“ 1對2 ”或俗稱“1拖2”,意思就是藍牙耳機可以同時配對兩個裝置 (ex. 兩隻手機,或是一隻手機、一台電腦),而且同時可以在多個配對的裝置間的音源切換自如。這個技術相當方便,在藍牙的技術叫做“多點技術”或“多點連線”。
有些剪輯師、或是多工工作者,需要這樣的技術,多個裝置間的音訊切換就會更加方便與有效率。雖然多點技術並非剛需,但是有這個技術的耳罩藍牙耳機絕對是大大加分的哦!

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