大年三十，小姑帶着她的兒子、女兒準時出現在我家裡。男孩七八歲大，沉迷 iPad，看動畫；女孩三歲左右，精力充沛，喜歡上蹿下跳。此刻，他們都在做着自己擅長的事情——滋哇亂叫。
幸好，我還存有一絲清醒，把降噪耳機從包裡翻了出來，放一首金屬樂再把音量拉到8格。
手機提示我“耳機音量大”，無所謂了，世界終于“安靜”。不對，為什麼我還能聽到妹妹的尖叫聲？降噪耳機在“隔絕”外部聲音時，還會差別對待嗎？
不怪妹妹，錯的是降噪耳機
我借了幾個發小的降噪耳機，出門準備試一試。大年三十，小區周邊馬路上的行車不多，一條路上隻有兩家店鋪還在“叫賣”。
我用 Apple Watch“噪音”功能，測試交通噪音在 65-67 之間，短暫的鳴笛将分貝拉到 70 以上。Bose QuietControl 30（入耳式）降噪級别開到最大後，明顯過濾掉發動機聲音，留下更多車輪和地表之間尖、澀的摩擦聲。
先要搞清楚降噪耳機的原理。核心是“主動降噪”（ANC，Active noise Cancellation）技術。通過耳機上配備的麥克風，收集外界聲音，再通過降噪晶片生成與之波形相同、相位相差 180 度（也就是相反）的反向聲波，兩波相消，實作降噪目的。
主動降噪原理丨圖檔來源實體書
問題來了。低頻聲波周期長，波形相對規整；高頻聲波頻率快，聲波短，變化不好預測。主動降噪技術對于高頻噪音很難快速識别，并生成準确相差 180 度的主動信号去抵消它。對低頻噪音的屏蔽效果更好，聲音越高頻，對其屏蔽效果越差。
這一技術已經發展了半個世紀。20 世紀 50 年代，就有博士遞交關于主動降噪的專利。70、80 年代，Bose 和森海塞爾都在研究給飛行員制作專門的降噪耳機。
人耳能聽到的頻率介于 20Hz-20000Hz 之間。其中，30－150Hz 為低頻段，150－500Hz 為中低頻段，500－5KHz 為中高頻段，5K-16KHz 高頻段，5K-20KHz 極高頻段。
人聲的頻率範圍是 100Hz 到 8000Hz，絕大部分處于中高頻聲音。
直升機噪音在頻率 250Hz 以下的音量較大，頻率超過 250Hz 時，音量有明顯下降趨勢。大部分低頻噪音分布在 10-40Hz 之間，飛機環境中的聲音規律，風扇、燃燒室、渦輪、噴流噪聲這幾類，都屬于低頻、中低頻噪音。是以這是為什麼，主動降噪耳機先從這一領域應用起來。
根據測評社群 Woodenear 對 AirPods Pro 2 的降噪能力測試，當 ANC 打開，在中低頻段最多可以降掉近 45dB。随着聲音頻率越高，降噪能力明顯削弱。即便今天主流的降噪耳機，在中低頻，和高頻的表現差距仍舊明顯。
綠線為降噪開啟時，藍線為降噪關閉時丨圖檔來源 Woodenear
正當我沉浸時，兩個小男孩在我腳下“摔了一炮”，在安靜的聲音環境裡，這一聲顯得猝不及防。我威脅着從他們手裡搶來兩個，跑到沒人的地方做了個實驗。
我把摔炮的聲音錄了下來，用聲音軟體分析。發現摔炮聲集中在在 1KHz-10KHz 之間（中高頻），波動更為劇烈。怪不得，根據我的實際聽感，摔炮聲在降噪耳機裡反而被“凸顯”出來。
摔炮聲音的頻段分析丨圖檔來源作者
好了，我知道了，再碰到“熊孩子”，我還不如捂耳朵。
主動降噪用“反彈”，被動降噪靠“捂”
“捂耳朵”其實是一種被動降噪（Passive Noise Canceling，PNC）方式，就是實體上把人耳和外部噪音隔絕開。說白了，降噪耳機沒開主動降噪時，就起到被動降噪的作用。
我站在“蜜雪冰城”旁邊，戴上索尼 WH-1000XM5（標頭式）。感受被動降噪的效果，更像是“蒙了一層”的整體降噪，汽車行駛，臨街音樂都有一定程度地下降，但聽得依然清楚。遠方傳來的音樂聲，因為耳朵一被“罩”，幾乎被隔絕沒了。
被動降噪效果很大程度上取決于産品形态。
包耳式頭戴耳機，是通過“包裹”耳朵的方式隔絕噪音，入耳式則是通過矽膠、海綿等材質制作的耳套填充耳道。平頭塞就不如入耳式降噪力強。專業的 PNC 隔音耳機，可以把中高頻率的噪音根據不同頻段，阻擋約 10-40 dB。
當然也與噪音頻段有關。
低頻和高頻噪音的一個差别在于，它們是否會随着傳播而衰減。高頻聲音穿透力差，距離一遠，遇到障礙物就會明顯衰減。是以實體上的“隔絕”就很有效。低頻聲音傳播距離遠，穿透力強。主動降噪的方式更好來“抵消”。
以前戴着傳統的平頭塞耳機（沒有主動降噪功能），坐地鐵，恨不得把音量調滿格。這樣長期聽力會受損。
長期處于高分貝環境對人體傷害丨圖檔來源中華預防醫學會
據科學研究，聽覺細胞受損的一個門檻值是：連續 8 小時接觸 85 分貝。是以最近幾年，主動降噪技術有取代之勢。
降噪耳機，麥克風+晶片+算法
如果你也是降噪耳機的“重度使用者”，或許記得早幾年的降噪耳機響應慢、有底噪、抗風噪能力差、戴上瞬間還有強烈負壓等不适體驗。
麥克風的“朝向”影響很大。前饋式内部結構相對簡單，将收音麥克風放在耳機外側，偵測周圍的聲音環境。再将信号傳給處理器處理，揚聲器發出反向聲波，“中和”噪音。
回報式是将麥克風放到耳機内側，揚聲器附近，更加接近人耳所能聽到的聲音。弊端是，同時将與噪音類似的音樂聲音當做噪音處理。
當兩種單饋式降噪方式都有缺點，混合式就将耳機外部和揚聲器附近都放置麥克風。這也是如今大廠旗艦款采用的方式。比如索尼 WH-1000XM5，（單側）搭載了 4 顆麥克風。外部的 3 顆麥克風将環境噪音，先處理，抵消噪音。1 顆内回報麥克風檢測耳道附近的殘餘噪音，再進行一次降噪。
受限于可穿戴裝置的外形體積限制。類比智能手機發力“計算攝影”，降噪耳機也在提升晶片算力，和軟體算法，在内部空間有限的前提下，實作降噪能力和音質的疊代。國内就有廠商會預設不同降噪模式，根據環境來自動切換。研制算法能根據風噪檢測結果，調控 ANC 控制器參數，優化風噪聲洩露。
AirPods Pro2 在内外各配置了一顆收音麥克風。因為 H2 的晶片能力，AirPods Pro2 的降噪深度比第一代高出一倍，但“壓耳感”并沒有令人不适。H2 晶片以及優化之後的聲學算法給了一個合适的降噪環境，達到降噪深度與舒适性的平衡。
但在“暴力級”分貝目前，這都沒用。
煙花丨圖檔來源作者
根據美國語言和聽力協會（ASHA）對日常生活中常見聲源的音量程度，一米内的煙花爆竹聲音強度可達 150 分貝。
我在小巷子裡，偶遇一家人放紅挂鞭炮。隔了差不多 5 米，經過 AirPods Pro 2 的降噪後，Apple Watch 檢測仍然高達 81 分貝，屬于“需要馬上逃離現場”的噪音程度。
紅挂鞭炮的頻段分析丨圖檔@ Jimmy Ng HK Chinese New Year 2012 - Day 2 - firecrackers
因為逃得太快，我沒錄下來。後來從網上找了一段網友錄下的視訊，做了分析。可以看出“紅挂鞭炮”聲音集中在 500 Hz - 7500 Hz（屬于中高頻）之間密集波動。
有“硬傷”
為什麼晶片的處理能力在提升，還是解決不了“高頻 bug”？
Woodenear 測試了 AirPods Pro2 的通透模式（又稱透傳模式），通透模式的原理即是經麥克風采集外部聲音後，在耳機内回放，能側面看出降噪耳機麥克風的采集能力。
我們看到在中低頻段，透傳模式後的聲壓（聲波通過媒質時，由振動所産生的壓強改變量）幾乎無變化。而在 2KHz 開始出現抖動，到 5KHz 劇烈抖動。證明沒法很好地采集中高頻段。
AirPods Pro2 透傳模式分析丨圖檔來源Woodenear
也就是說，即便 AirPods Pro2 所搭載的 H2 晶片，每秒可進行 48000 次噪音處理。即便晶片能力夠了，但“硬傷”出現在麥克風上，在采集高頻段就失真了。
包括 AirPods Pro 在内，許多中高端降噪耳機都會使用 MEMS 麥克風。由于可穿戴裝置的應用需求驅動，MEMS 麥克風封裝尺寸越來越小，但太小的封裝尺寸将帶來性能及可靠性的下降。一家 MEMS 麥克風供應商（英飛淩 XENSIV MEMS）提供的資料，這類麥克風在低頻響應非常平坦，但到高頻浮動明顯上升。
低頻響應非常平坦，但到高頻浮動明顯上升丨圖檔來源英飛淩
就算使用配備 1/2 英寸（振膜面積）麥克風的人工耳，精度和靈敏度依舊有限。LEC（國際電工協會）對人工耳的聲阻抗特性也隻規範到了 100Hz- 10000Hz。相比之下，AirPods 的長寬高 3*2*0.98 毫米，體積不足米粒大小。
接近晚上，外面放鞭炮的多了起來。調皮孩子的摔炮，混合着勇敢青年的二踢腳，時不時還有竄天猴，和煙花上天。
竄天猴在中高頻、高頻聲段密集丨圖檔來源作者
如果你在放炮現場，降噪耳機也隻能幫你過濾掉少量“轟隆”聲，對“咻～咻～”和“幹脆的噼裡啪啦”的尖刺噪聲于事無補。當然，對于二踢腳這種“級别”的炮仗，即便聲音集中在中低頻，我帶上降噪耳機，依舊“肝顫兒”。
二踢腳在中低頻，中頻音量比較大丨圖檔來源作者
如果你跟我一樣正在逃離鞭炮現場，我更建議你，徹底堵住耳朵來保護聽力。
Apple Watch 噪聲檢測丨圖檔來源作者
回到家，隔壁小區的煙花，通過實體上的層層削弱，傳到耳朵裡中低頻聲波居多，這時候帶上降噪耳機，聽到的鞭炮聲和空調外機差不多。
但也擋不住一句，“姐姐，你終于回來了～”這一聲，異常響亮。
參考文獻
[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
作者：糕級凍霧
編輯：沈知涵