人類與噪音的斗爭(zhēng)史可以追溯到原始社會(huì)了。老祖宗們沒(méi)多少見(jiàn)識(shí)，打個(gè)雷都會(huì)嚇得捂住耳朵。這也算是人類最早的主動(dòng)降噪手段了，屢試不爽，沿用至今。

所以，隔音降噪的手段歷史悠久，發(fā)展至今也衍生出很多相關(guān)產(chǎn)品：耳塞、隔音棉、隔音板等。

后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)這種手段的隔音效果有限，所以也在探索更多方法，比如用其他聲音來(lái)蓋過(guò)噪音，聽(tīng)音樂(lè)就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

于是，遇到隔壁裝修的時(shí)候，很多人選擇帶起耳機(jī)，或者直接把音響聲音調(diào)大。

殊不知夾雜著噪音的音樂(lè)，本身也就成了噪音，所以這也不是降噪的終極奧義。為了聽(tīng)到更加純粹的音樂(lè)，降噪耳機(jī)由此誕生。

之前和BOSE的“攻城獅”交流，大師侃侃而談，講述了主動(dòng)降噪技術(shù)的由來(lái)。

1978年，BOSE的創(chuàng)始人Amar G. Bose博士在從歐洲飛往波士頓的飛機(jī)上，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)引擎的噪音干擾了他戴耳機(jī)欣賞音樂(lè)的興致。這激發(fā)了他對(duì)主動(dòng)降噪技術(shù)的研究動(dòng)力，在下飛機(jī)之后就開(kāi)始推導(dǎo)驗(yàn)算，寫出了降噪耳機(jī)最原始的方程式。

BOSE的創(chuàng)始人Amar G. Bose博士

世界上第一個(gè)降噪耳機(jī)由此誕生。與所有的高精尖技術(shù)一樣，這項(xiàng)在當(dāng)時(shí)看來(lái)先進(jìn)的技術(shù)最早也是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。

在槍林彈雨中聽(tīng)得更清楚一點(diǎn)，才能穩(wěn)操勝券。

直到 1989 年，BOSE才終于將這項(xiàng)技術(shù)投入量產(chǎn)，專供飛行員使用。此耳機(jī)剛一面市就得到了美國(guó)軍方的大單。

據(jù)說(shuō)，美國(guó)軍方通過(guò)給飛行員/地勤人員佩戴降噪耳機(jī)，節(jié)省由于噪音致殘而需發(fā)放的補(bǔ)償金達(dá)2億美金。

其實(shí)，主動(dòng)降噪技術(shù)的原理不是很復(fù)雜，就是通過(guò)收集噪聲，然后經(jīng)過(guò)內(nèi)部的降噪電路運(yùn)算后，發(fā)出這些噪聲的反向聲波，來(lái)抵消噪音。

原理簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中有一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題，那就是噪音的種類、頻率都不一樣，而且噪音的傳遞速度很快，總不能噪音都已經(jīng)傳遞到耳朵里了，您這邊還沒(méi)運(yùn)算清楚，這就沒(méi)得玩了。

所以，如何在不同的噪音傳遞到耳朵之前就能清楚辨別，然后釋放出對(duì)應(yīng)的聲波進(jìn)行抵消，這就是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

據(jù)工程師介紹，BOSE的解決辦法是提前預(yù)判：通過(guò)收集當(dāng)前噪音，對(duì)未來(lái)馬上要產(chǎn)生的噪音進(jìn)行預(yù)判，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)給出“未來(lái)噪音”的反向聲波，從而在下一波噪音抵達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)之前就能排兵布陣，然后從容消滅來(lái)犯之?dāng)场?/p>

如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)不再局限于耳機(jī)層面，而是即將應(yīng)用于車艙內(nèi)，但這種轉(zhuǎn)變又將帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題。
車艙不像耳機(jī)那樣緊貼著耳朵，可以在很小的范圍內(nèi)對(duì)噪音進(jìn)行攔截，而車艙內(nèi)想要做到這一點(diǎn)，這就需要營(yíng)造一個(gè)聲波場(chǎng)：利用多個(gè)揚(yáng)聲器協(xié)調(diào)作業(yè)制造聲波場(chǎng)，確保噪音可以無(wú)死角被抵消，這就需要考慮到更多的場(chǎng)景和更加細(xì)致的算法支持。

目前，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于路噪的抑制已經(jīng)初見(jiàn)成效。

降低噪音通常所采用的三種降噪措施，即在聲源處降噪、在傳播過(guò)程中降噪及在人耳處降噪，都是被動(dòng)的。為了主動(dòng)地消除噪聲，人們發(fā)明了“有源消聲”這一技術(shù)。它的原理是：所有的聲音都由一定的頻譜組成，如果可以找到一種聲音，其頻譜與所要消除的噪聲完全一樣，只是相位剛好相反（相差180°），就可以將這噪聲完全抵消掉。關(guān)鍵就在于如何得到那抵消噪聲的聲音。實(shí)際采用的辦法是：從噪聲源本身著手，設(shè)法通過(guò)電子線路將原噪聲的相位倒過(guò)來(lái)。由此看來(lái)，有源消聲這一技術(shù)實(shí)際上是“以毒攻毒”。

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，而振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播形式就是聲波，處于一定頻率范圍內(nèi)（20～20000Hz）的聲波作用于人耳就產(chǎn)生了聲音的感覺(jué)。噪聲（noise）通常定義為“不需要的聲音”（unwanted sound），是一種環(huán)境現(xiàn)象。人一生都暴露在有噪聲的環(huán)境，噪聲也是一種由人類各種活動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境污染物。振動(dòng)（vibration），是物體（或物體的一部分）沿直線或曲線并經(jīng)過(guò)平衡位置所作的往復(fù)的周期性運(yùn)動(dòng)。它廣泛存在于自然界和工程界。

既然振動(dòng)是噪聲之源，減振降噪實(shí)踐中，通過(guò)解決振動(dòng)就可以有效解決噪聲問(wèn)題。在常見(jiàn)的噪聲治理中，金屬薄板振動(dòng)如空氣動(dòng)力機(jī)械的管壁，機(jī)器的外殼，車體和船體等一般均由薄金屬板制成，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，這些薄板都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而輻射噪聲，像這類由金屬板結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的噪聲稱之為結(jié)構(gòu)噪聲。對(duì)于這種金屬板輻射噪聲的有效控制方法，一是在設(shè)計(jì)上，盡量減少其噪聲輻射面積，去掉不必要的金屬板面；二是在金屬結(jié)構(gòu)上涂敷一層阻尼涂料，利用阻尼材料抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)、減少噪聲，這種方法我們稱之為阻尼減振（vibration damping），便是一種主動(dòng)的降噪技術(shù)。

主動(dòng)降噪技術(shù)（ANC）的 原理：

主動(dòng)降噪就是通過(guò)反相檢測(cè)麥克風(fēng)的聲音或噪聲來(lái)減弱周圍環(huán)境的噪聲讓揚(yáng)聲器出來(lái)的聲音聽(tīng)起來(lái)更清晰。主動(dòng)降噪技術(shù)的目標(biāo)就是通過(guò)一個(gè)自適應(yīng)濾波器把不想要的噪聲反相從而把噪聲約束到固定的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)必須要把揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)的二階誤差考慮進(jìn)去。主動(dòng)降噪用到的主要原理是：FxLMS（過(guò)濾的最小均方差濾波器）。這個(gè)算法的會(huì)讓輸入到濾波器的錯(cuò)誤信號(hào)急速銳減，從而達(dá)到降噪的目的。這個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)在期望值和FxLMS濾波器輸出值之間是有差異的。
我們可以看一下這個(gè)算法的模型：
輸入?yún)��?shù)：

參考輸入: 就是要消除的噪聲
錯(cuò)誤輸入：降噪引入的噪聲加揚(yáng)聲器的輸出聲音
適配開(kāi)關(guān)
參考濾波輸入：二級(jí)路徑的參考濾波信號(hào)，所謂的二級(jí)路徑就是FxLMS濾波器輸出值反饋到FxLMS濾波器的錯(cuò)誤輸入。
模型的輸出：

降噪后的結(jié)果
可調(diào)參數(shù)：

自適應(yīng)濾波器長(zhǎng)度
自適應(yīng)步長(zhǎng)
泄漏因子
下面的這個(gè)圖應(yīng)該能夠很好的詮釋了這個(gè)流程：

輸出y(n) 和輸入x（n）之間有個(gè)適量因子W，W的參數(shù)是通過(guò)下面公式計(jì)算出來(lái)的：
　　W = (1- alpha * Leakage)* W + alpha * error(n) * XFilterd/ energy
這里的因子的含義：
　　* XFilterd：濾波后的參數(shù)輸入矢量
　　* alpha：步長(zhǎng)參數(shù)
　　* Leakage：泄漏因子
　　* error(n): 本幀的錯(cuò)誤采樣
　　* energy:濾波后的參考矢量的平方值
下圖是經(jīng)過(guò)LxLMS濾波器后的效果圖：第一個(gè)是輸入噪聲，第三個(gè)為反相信號(hào)，中間的為濾波器的輸出信號(hào)。

主動(dòng)降噪耳機(jī)的分類
主動(dòng)降噪耳機(jī)按照控制電路分類可以分為模擬式和數(shù)字式，按照控制結(jié)構(gòu)分類可以分為
前饋式、反饋式和復(fù)合式。

前饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)
前饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)使用前饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱開(kāi)環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般需要被控制的初級(jí)聲場(chǎng)的聲音信息，通常稱為參考信號(hào)。參考信號(hào)送到前饋式控制器，經(jīng)過(guò)控制器處理后，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出該聲音信號(hào)產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng)，進(jìn)而和實(shí)際通過(guò)物理途徑中傳來(lái)的原始聲波信號(hào)相疊加，誤差傳聲器檢測(cè)初級(jí)聲場(chǎng)和次級(jí)聲場(chǎng)的疊加所形成的誤差信號(hào)，送到控制器中，控制器根據(jù)特定的算法調(diào)整次級(jí)聲源信號(hào)的強(qiáng)度。 
 
前饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)典型結(jié)構(gòu)

前饋式有源噪聲控制的優(yōu)點(diǎn)是傳聲器接收的是純?cè)肼�，并不接收喇叭發(fā)出的聲音，所以系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)，不會(huì)引起任何的閉環(huán)振蕩和嘯叫，因此可以獨(dú)立地調(diào)試電路，使降噪的效果達(dá)到最佳。但噪聲經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器并在揚(yáng)聲器內(nèi)多次反射，其大小和相位已發(fā)生變化，傳聲器采集到的噪聲與揚(yáng)聲器內(nèi)的噪聲將有很大的不同，且外部噪聲的方向性很強(qiáng)，難以使用同一電路滿足來(lái)自不同方向的噪聲的降噪要求，這些都是在前饋式有源降噪耳機(jī)的設(shè)計(jì)中需要克服的問(wèn)題。

反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)

反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)使用反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱閉環(huán)式噪聲控制系統(tǒng)，它比前饋式系統(tǒng)少了一個(gè)參考傳聲器。雖然系統(tǒng)構(gòu)成上得以簡(jiǎn)化，但是應(yīng)用范圍也大大縮小。 
 
 反饋式主動(dòng)降噪耳機(jī)典型結(jié)構(gòu)

反饋結(jié)構(gòu)的有源噪聲控制系統(tǒng)不需要預(yù)先得到聲音信息，而是通過(guò)控制器調(diào)整誤差信號(hào)，從而降低噪聲。由于是反饋系統(tǒng)，當(dāng)放大器的增益加大到一定程度時(shí)，系統(tǒng)將變得很不穩(wěn)定，產(chǎn)生高頻嘯叫或低頻振蕩，為了維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，一般會(huì)要求控制器和誤差傳聲器的位置十分接近，這就限制了反饋式有源噪聲控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

 復(fù)合式主動(dòng)降噪耳機(jī)

復(fù)合式主動(dòng)降噪耳機(jī)結(jié)合了前饋式、反饋式的結(jié)構(gòu)，次級(jí)聲源發(fā)出的信號(hào)將由參考傳聲器和誤差傳聲器共同決定。前饋式系統(tǒng)可以減弱參考傳聲器檢測(cè)到的與初級(jí)噪聲相關(guān)的噪聲，反饋式系統(tǒng)則對(duì)窄帶噪聲十分有效，兩者結(jié)合使用，可以增強(qiáng)有源噪聲控制系統(tǒng)的靈活性，從而比使用單一結(jié)構(gòu)獲得更好的降噪效果，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本也非常高。

降噪算法模型與優(yōu)化

主動(dòng)降噪技術(shù)的核心在于噪聲控制系統(tǒng)及算法性能。目前主要的研究熱點(diǎn)集中于自適應(yīng)噪聲控制與算法優(yōu)化。

在有源噪聲控制系統(tǒng)中，信號(hào)處理的主要任務(wù)是解決噪聲中信號(hào)的提取問(wèn)題。隨著數(shù)字降噪技術(shù)的發(fā)展，有源降噪算法的優(yōu)化和研究工作依然有很多優(yōu)化和進(jìn)步的空間。

產(chǎn)業(yè)鏈概要
1989 年美國(guó) Bose 公司第一個(gè)生產(chǎn)出了有源降噪的產(chǎn)品，專為飛行員設(shè)計(jì)的主動(dòng)降噪耳機(jī)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)外主動(dòng)降噪耳機(jī)的研制和生產(chǎn)比較成熟，生產(chǎn)廠家也比較多，包括Bose、Sennheiser、Telex 及 NCT，日本的索尼、愛(ài)華等。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠商主要是深圳冠旭電子有限公司、歌爾聲學(xué)股份有限公司等。

主要技術(shù)方案商與科研機(jī)構(gòu)

目前國(guó)際上主要的技術(shù)方案主要被大型音響公司掌握，它們是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)方案商，也同時(shí)是產(chǎn)品布局和市場(chǎng)占有率較高的生產(chǎn)廠商。

目前國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)以中科院聲學(xué)所和南京大學(xué)聲學(xué)所為主力在該領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，其研究方向不局限于耳機(jī)類產(chǎn)品。此外，深圳冠旭電子有限公司等生產(chǎn)廠商也擁有自己獨(dú)立的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，是目前國(guó)內(nèi)具有代表性的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)方案商和生產(chǎn)廠商。

主要生產(chǎn)廠商

以上所列舉技術(shù)方案商和科研機(jī)構(gòu)中，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)尚無(wú)自主品牌的商業(yè)化耳機(jī)產(chǎn)品，更多的是開(kāi)展與歌爾等國(guó)內(nèi)公司的技術(shù)合作，作為其技術(shù)方案商參與主動(dòng)降噪耳機(jī)的產(chǎn)品化、商業(yè)化運(yùn)作。

其余所列舉公司，都擁有自主品牌的主動(dòng)降噪耳機(jī)產(chǎn)品。值得一提的是，歌爾聲學(xué)股份有限公司作為全球領(lǐng)先的微型揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠商，是蘋果、三星等大型終端廠商的重要供應(yīng)商。