淺析ANC耳機(jī)系列之通透模式

本文將聚焦于近年來在ANC耳機(jī)上日趨重要，但消費(fèi)者對(duì)其原理幾乎一無所知的一項(xiàng)功能——聲透?jìng)鳌?/p>

聲透?jìng)鳎═ransparency/Hear-through），在Sony系A(chǔ)NC耳機(jī)上被稱為環(huán)境聲模式，在Apple系A(chǔ)NC耳機(jī)上被稱為通透模式。在現(xiàn)實(shí)生活中，無須摘下耳機(jī)，切換ANC模式至通透模式，即可聆聽對(duì)方說話（雖然這樣不太禮貌）；或在通勤時(shí)，也可注意包括汽笛聲、行車聲在內(nèi)的重要環(huán)境聲，保障人身安全。

隨著Apple AirPods Pro引爆TWS耳機(jī)市場(chǎng)，聲透?jìng)鞴δ芤云浔憷?、?yīng)用場(chǎng)景廣泛性，逐漸受到消費(fèi)者認(rèn)可，以致其他廠商在研發(fā)ANC耳機(jī)時(shí)，也不得不加入此項(xiàng)功能。但相較于Apple系的ANC耳機(jī)，其他廠商的通透模式在主觀聽感上總是不太真實(shí)。雖然業(yè)界的主動(dòng)降噪設(shè)計(jì)已日趨成熟，但聲透?jìng)髟O(shè)計(jì)仍有進(jìn)步的空間，是眾多廠商在下一階段需要追趕Apple的技術(shù)重點(diǎn)。

**一、透?jìng)髟?**

聲透?jìng)鳎圆荚O(shè)于耳機(jī)外的傳聲器（可復(fù)用前饋降噪所用傳聲器）拾取環(huán)境聲，濾波后由耳機(jī)揚(yáng)聲器播放，此部分稱為電子重放聲，與耳機(jī)殼體被動(dòng)防護(hù)未隔絕的環(huán)境聲（不妨簡(jiǎn)稱為被動(dòng)傳聲）疊加，最終在人耳鼓膜處形成偽環(huán)境聲。

有源噪聲控制所用濾波器稱為控制器，均衡所用濾波器稱為均衡器，因此，透?jìng)魉脼V波器不妨稱之為透?jìng)髌鳌?/p>

在學(xué)術(shù)上，單麥透?jìng)骷夹g(shù)早已成熟。在研究早期，它多被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)音頻（Augmented Reality Audio, ARA）[1]技術(shù)，因此透?jìng)髌饕脖环Q為虛擬現(xiàn)實(shí)音頻混合器（ARA mixer）或現(xiàn)場(chǎng)均衡器（Live equalizer, LiveEQ）[2]。

圖1 單麥透?jìng)髟韴D（圖引自2018, Florian Denk [3]）

聲透?jìng)鞯脑O(shè)計(jì)重點(diǎn)在于求解具備優(yōu)異透?jìng)餍阅艿耐競(jìng)髌鲄?shù)，度量指標(biāo)是偽環(huán)境聲和真環(huán)境聲在某種準(zhǔn)則下誤差最小。由于人耳對(duì)相位不敏感，且由于佩戴差異（不同佩戴者耳道、耳廓存在不同，同一佩戴者多次佩戴也可能不同），上式中等式右邊的若干傳函也難免呈現(xiàn)出差異，在高頻尤甚，因此擬合通常僅考慮2kHz以下的響應(yīng)。

值得一提的是，中高頻的電子重放聲相比于低頻的被動(dòng)傳聲信號(hào)存在相關(guān)性，且有延遲。而當(dāng)兩信號(hào)相似，且有固定延遲，且聲壓級(jí)相差不大時(shí)，會(huì)形成梳狀濾波效應(yīng)如圖2，帶來可聽的音色差異。

圖2 梳狀濾波效應(yīng)（圖引自Karolina Prawda [4]）

因此透?jìng)髀窂娇傃舆t（由抗混疊、重構(gòu)濾波、AD/DA轉(zhuǎn)換、電子透?jìng)髌饕耄┍仨毐豢刂圃谝欢考?jí)以下，否則將在聽感上帶來可聽的音色差異。且由于佩戴者判斷方向性，須使用到低頻聲的雙耳能量差（ILD）和時(shí)延差（ITD）。因此若時(shí)延沒處理好，以及雙耳聲重放增益不一致，也會(huì)破壞原有的空間線索，影響佩戴者的空間感知能力。

**二、透?jìng)鲗?duì)比 **

本文選取了Apple的AirPods Pro，AirPods Max以及Sony的WH1000XM3三只耳機(jī)來研究通透模式，實(shí)驗(yàn)在普通房間進(jìn)行。噪聲揚(yáng)聲器播放粉噪，與人工頭相隔1m左右。曲線為三次測(cè)量均值，并使用Matlab的smoothSpectrum函數(shù)進(jìn)行了兩個(gè)倍頻程的曲線平滑。

圖表 1 單重透?jìng)?/p>

上圖中：黑色實(shí)線為噪聲源揚(yáng)聲器播放粉噪時(shí)，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號(hào)的功率譜；黑色點(diǎn)劃線展示了Apple AirPods Pro，Apple AirPods Max和Sony WH1000XM3通透模式下，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號(hào)的功率譜。

上圖右子圖中，紅線、藍(lán)線點(diǎn)劃線、綠色虛線分別為Apple AirPods Pro，Apple AirPods Max和Sony WH1000XM3通透模式營(yíng)造的偽環(huán)境聲，相比于真環(huán)境聲的傳輸誤差。由圖可見，在2kHz以下，蘋果的主動(dòng)耳塞和主動(dòng)耳罩傳輸誤差基本小于3dB，性能十分優(yōu)異，但索尼存在較大誤差，實(shí)際佩戴感也不太真實(shí)。

**三、雙重透?jìng)?**

當(dāng)你同時(shí)擁有了AirPods Pro和AirPods Max之后，你可以用它干各種奇怪而有趣的事情，比如同時(shí)佩戴形成所謂的AirPods Pro Max，原先耳塞或耳罩的單重透?jìng)饕簿妥兂闪穗p重透?jìng)鳌?/p>

圖表 2 雙重透?jìng)?/p>

上圖中上部?jī)勺訄D中：黑色實(shí)線為噪聲源揚(yáng)聲器播放粉噪時(shí)，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號(hào)的功率譜；黑色點(diǎn)劃線展示了耳塞為Apple AirPods Pro，耳罩分別為Apple AirPods Max和Sony WH1000XM3時(shí)，耳罩和耳塞都開啟通透模式下，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號(hào)的功率譜。

上圖中下部?jī)勺訄D中：紅線為Apple AirPods Pro通透模式傳輸誤差；藍(lán)線為Apple AirPods Max或Sony WH1000XM3通透模式的傳輸誤差；綠線為雙重透?jìng)鲿r(shí)的傳輸誤差（封號(hào)代表同時(shí)佩戴）；綠色虛線為單重透?jìng)鞯膫鬏斦`差的疊加（加號(hào)代表疊加，虛線代表并非真實(shí)測(cè)得）。

由圖可見，在3kHz以下的頻段，雙重透?jìng)鞯膫鬏斦`差基本是單重透?jìng)鱾鬏斦`差的疊加。但在其上的高頻，呈現(xiàn)出較大差異。分析原因如下：

耳罩透?jìng)髌髟驹O(shè)計(jì)的傳輸末端在鼓膜，雙重透?jìng)鲿r(shí)其實(shí)只傳到了耳塞的前饋傳聲器處，便由耳塞接過透?jìng)鞯摹敖恿Π簟?，繼續(xù)向耳道內(nèi)傳輸。對(duì)耳罩而言，耳罩的揚(yáng)聲器至耳道口和至鼓膜的傳函，在3kHz以下應(yīng)無較大分別，在3kHz以上則由于高頻聲在耳道傳遞過程中發(fā)生較大變化，最終呈現(xiàn)出較大差別，致使雙重透?jìng)鞑辉偈菃沃赝競(jìng)鱾鬏斦`差的疊加。

**四、多麥透?jìng)?**

AirPods Max左耳罩有三處開孔，共有四枚傳聲器，左前開孔較大，有兩枚傳聲器。右耳罩有三處開孔，共有三枚傳聲器。佩戴并調(diào)至通透模式，手指劃過各個(gè)孔位，可聽到摩擦音。這說明至少有六枚傳聲器被用于透?jìng)髂Ｊ?。若推測(cè)左右用于透?jìng)髂Ｊ降膫髀暺鲾?shù)量相同，則單側(cè)有三枚傳聲器被用于透?jìng)髂Ｊ健?/p>

學(xué)術(shù)上理論推導(dǎo)最優(yōu)透?jìng)鞴?，是針?duì)單麥透?jìng)鞯?，那多麥最?yōu)透?jìng)魇鞘裁茨兀课业牟孪胧?，在指向性較強(qiáng)的聲場(chǎng)景下，多麥?zhǔn)欠窨梢宰鯠OA估計(jì)，然后選擇該方向角度下，預(yù)先設(shè)計(jì)好的最優(yōu)透?jìng)髌?，以求該方向的聲音最清晰地透入進(jìn)來？但此方案在研發(fā)之初就需要探明：

（1）從客觀譜誤差、主觀聽感兩方面入手，評(píng)估多方向角度透?jìng)?，相比于單角度透?jìng)?，是否具有性能提升。如無提升或不足以感知，則預(yù)研意義不大。若有明顯提升，隨空間網(wǎng)格選點(diǎn)數(shù)上升，感知性能存在邊界。邊界之外再增加網(wǎng)格選點(diǎn)數(shù)量，則存在邊際效應(yīng)遞減現(xiàn)象。因此，要在網(wǎng)格選點(diǎn)數(shù)和性能感知之間做權(quán)衡。

（2）如何做依賴于裝置（device-specific）的多麥DOA估計(jì)，其估計(jì)精度、響應(yīng)時(shí)間、追蹤速度、魯棒性，是否滿足實(shí)際落地應(yīng)用時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

（3）空間網(wǎng)格點(diǎn)選取位置及數(shù)量（人類對(duì)水平正前方定位精度最高，對(duì)兩側(cè)定位精度較低，因此合適空間網(wǎng)格選點(diǎn)可能并不是均勻分布的）。

此外，我曾佩戴著Apple AirPods Max并調(diào)至通透模式騎車，基本聽不到風(fēng)噪聲，表現(xiàn)比Sony WH1000XM3要好。推測(cè)多麥方案對(duì)于消除風(fēng)噪也有增益。

審核編輯：劉清