一個(gè)超輕的聽筒就能打敗目前市面上最好的主動(dòng)降噪耳機(jī)

不需要堵塞耳道或者戴上厚重的耳罩，一個(gè)超輕的聽筒就能打敗目前市面上最好的主動(dòng)降噪耳機(jī)。這一項(xiàng)新降噪技術(shù)，其實(shí)充分利用了一個(gè)常識(shí)：光速比聲速快 1 百萬倍。

目前市售的主動(dòng)降噪耳機(jī)，都是依靠?jī)?nèi)置麥克風(fēng)來檢測(cè)襲來的噪聲，然后使用數(shù)字信號(hào)處理器 DSP（Digital Signal Processor）計(jì)算反向聲波抵消來襲的噪聲。不過由于麥克風(fēng)離耳朵太近了，目前市場(chǎng)上的耳機(jī)，只有數(shù)十微秒（1 微秒 = 1 百萬分之一秒）的時(shí)間來采樣、處理并播放信號(hào)。這樣緊張的時(shí)間，極大限制了主動(dòng)降噪耳機(jī)的性能，降低了耳機(jī)的主動(dòng)降噪頻率上限。因此，更高頻的噪聲只能由吸聲材料被動(dòng)吸收降噪。

（圖源：伊利諾伊大學(xué)香檳分校）

感知噪音速度提升百倍，獲得更好降噪效果

沈升是伊利諾伊大學(xué)香檳分校電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)系博士生，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新設(shè)備“MUTE”提升了主動(dòng)降噪的上限。沈升表示，他們希望挑戰(zhàn)不使用任何吸聲材料降噪，而是通過設(shè)計(jì)一個(gè)無線傳輸系統(tǒng)為耳機(jī)爭(zhēng)取最長(zhǎng)的處理時(shí)間。

沈博士和他的同事將通常嵌在耳機(jī)上的麥克風(fēng)取下來，改為外置。這套設(shè)備的工作過程簡(jiǎn)單解釋就是，比如你坐在辦公室，戴著降噪耳機(jī)，麥克風(fēng)裝在辦公室門口，感知走廊的噪音，并以光速將噪音傳給耳機(jī)。由于無線信號(hào)的速度遠(yuǎn)超聲速，MUTE 系統(tǒng)有更多時(shí)間處理信號(hào)、計(jì)算抵消噪音的信號(hào)。這一時(shí)間優(yōu)勢(shì)，使得耳機(jī)能夠提前數(shù)毫秒獲得噪聲信息，比傳統(tǒng)耳機(jī)的數(shù)十微秒快了上百倍，從而更好的進(jìn)行降噪計(jì)算。

圖 | MUTE 工作過程圖示（來源：伊利諾伊大學(xué)香檳分校）

沈博士表示，對(duì) DSP 來說，擁有更多如此奢侈的時(shí)間，意味著系統(tǒng)能處理更復(fù)雜的噪聲。

根據(jù)今年 8 月份沈升在布達(dá)佩斯 ACM 數(shù)據(jù)通信專業(yè)組會(huì)議（ACM SIGCOMM Conference）上的論文，實(shí)驗(yàn)室的早期測(cè)試表明，MUTE 系統(tǒng)的性能優(yōu)于市面上最強(qiáng)的主動(dòng)降噪耳機(jī)，比如 Bose QC 35。

圖 | MUTE 耳機(jī)構(gòu)想圖（來源：伊利諾伊大學(xué)香檳分校）

MUTE 降噪系統(tǒng)的第一版只是個(gè)實(shí)驗(yàn)室里粗陋的原型機(jī)，由廉價(jià)的麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和 DSP 電路板組成。不過根據(jù)目前的技術(shù)進(jìn)展，研究者希望將 MUTE 系統(tǒng)變成可穿戴設(shè)備。而 MUTE 的耳機(jī)將是一個(gè)中空的圓柱形揚(yáng)聲器。不像其他耳罩式或入耳式耳機(jī)，MUTE 耳機(jī)將保持耳道的開放暢通。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校教授 Romit Roy Choudhury 說：“這樣一個(gè)中空耳機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是佩戴舒適，而且由于耳道有持續(xù)空氣流通更有利于健康。”

該團(tuán)隊(duì)對(duì)早期版本的 MUTE 系統(tǒng)和 Bose 主動(dòng)降噪耳機(jī)進(jìn)行了多輪對(duì)比測(cè)試。在頻率上，MUTE 能覆蓋 0-4 千赫茲，比 Bose 的 0-1 千赫茲主動(dòng)降噪范圍更寬。Bose 耳機(jī)在 1-4 千赫茲頻段使用吸聲材料被動(dòng)降噪。

由于將頻率上限提升至 4 千赫茲，該系統(tǒng)的采樣頻譜中能涵蓋更多人類的聲音和音樂。研究人員預(yù)計(jì)在使用運(yùn)算更快的 DSP 處理器后， MUTE 將能處理更多種類的噪聲，包括演講、音樂和其他諸如玻璃破碎、摔門聲等高于 4 千赫茲的噪音。

在低于 1 千赫茲的低頻范圍，MUTE 系統(tǒng)同樣以平均 6.7 分貝的降噪強(qiáng)度擊敗了 Bose。

當(dāng) MUTE 系統(tǒng)與 Bose 耳機(jī)主動(dòng)降噪系統(tǒng)+被動(dòng)降噪材料組合進(jìn)行對(duì)比時(shí)，Bose 耳機(jī)的降噪能力以 1 分貝左右的優(yōu)勢(shì)略強(qiáng)于 MUTE 系統(tǒng)。不過如果也加裝被動(dòng)降噪材料，MUTE 系統(tǒng)將再次以 8.9 分貝的降噪優(yōu)勢(shì)獲勝。

MUTE 系統(tǒng)帶來的額外時(shí)間，也能夠允許研究者設(shè)計(jì)軟件算法來無縫調(diào)整在多個(gè)聲源混合下的降噪信號(hào)。例如，在人聲和機(jī)器背景噪音交替主導(dǎo)的情況下，MUTE 軟件能夠快速的切換信號(hào)應(yīng)對(duì)。

圖 | 無線麥克風(fēng)（連著三根線的紅黑色裝置）和無線中繼器。中繼器向降噪裝置發(fā)送 900 兆赫茲的模擬 FM 信號(hào)（來源：伊利諾伊大學(xué)香檳分校）

MUTE 的局限，還不夠便攜

不過 MUTE 外置麥克風(fēng)系統(tǒng)也將給用戶帶來一些限制。其中之一是，MUTE 系統(tǒng)現(xiàn)在只能工作在單一噪聲源主導(dǎo)的室內(nèi)環(huán)境，比如只有一個(gè)人人打電話、放音樂的環(huán)境。而研究者希望通過使用多個(gè)無線麥克風(fēng)將 MUTE 的降噪能力擴(kuò)展至多個(gè)噪聲源。每一個(gè)麥克風(fēng)都是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中繼站，而聲源分離算法將能夠區(qū)分噪聲。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是，麥克風(fēng)外置后，時(shí)時(shí)位于用戶和噪音之間并發(fā)揮作用就成為一個(gè)問題。這要求有多個(gè)麥克風(fēng)中繼器在人類周圍分布，從而攔截各個(gè)方向的噪音。

沈升表示，對(duì)外置麥克風(fēng)的依賴，使得MUTE 不像傳統(tǒng)降噪耳機(jī)那么便攜。這個(gè)系統(tǒng)可能更適用于靜態(tài)場(chǎng)所，比如在辦公室工作，在家睡覺，或者在健身房鍛煉。對(duì)于跑步人群來說，除非能在跑步區(qū)域遍布麥克風(fēng)，否則 MUTE 系統(tǒng)并不能有效降噪。

在研究團(tuán)隊(duì)來看，MUTE 可以有三種應(yīng)用，一是將該降噪技術(shù)植入桌面設(shè)備，比如類似亞馬遜 Echo 或者 Google Home 智能音箱系統(tǒng)。桌面設(shè)備+中空耳機(jī)可能將是 MUTE 技術(shù)最便攜版本的應(yīng)用了。

對(duì)這樣的智能設(shè)備來說，隱私與安全性也是一個(gè)伴隨而來的問題。研究者已在論文中表示已經(jīng)注意到了原型機(jī)中麥克風(fēng)中繼使用的是模擬信號(hào)，而且并不是為錄音或采樣專門設(shè)計(jì)的。他們也承認(rèn)了存在通過攔截?zé)o線中繼信號(hào)進(jìn)行“惡意竊聽”或者信號(hào)互相干擾的可能。這些威脅可以通過控制功率和信號(hào)聚術(shù)等方法緩解。

第二種可能應(yīng)用則是通過多個(gè)麥克風(fēng)中繼和云端數(shù)字信號(hào)處理，為一定區(qū)域內(nèi)的許多人提供降噪功能。這一 MUTE 的“公共邊界服務(wù)”（Public Edge Service）將能在呼叫中心或者其他人們主要在一個(gè)地點(diǎn)停留的吵鬧環(huán)境下使用。

第三種，通過將采集到的噪聲共享，一對(duì)多地為周邊的所有人服務(wù)。這需要將麥克風(fēng)中繼直接放在吵鬧的建筑設(shè)備或者割草機(jī)頂端，然后噪聲將無線傳送給所有人的耳機(jī)進(jìn)行處理。

沈博士表示，用麥克風(fēng)中繼進(jìn)行“未來聲音采集”（future sound samples）爭(zhēng)取時(shí)間，甚至能夠允許耳機(jī)運(yùn)行一些更智能的基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的 AI 應(yīng)用，這也為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲或應(yīng)用中的聲音優(yōu)化帶來了可能。

但是現(xiàn)在，沈博士和他的同事將專注于將它們的降噪設(shè)備商品化：“我們想將目前的原型機(jī)變成真正可以戴在耳朵上的產(chǎn)品。”