主动噪音控制(ANC),顾名思义,是一种通过添加特定设计的声音来降低不必要的声音的技术。这种技术的概念最早于1930年代末期提出,随后于1950年代进行进一步开发,最终在1980年代末期实现商业化。如今,主动噪音消除技术已广泛应用于商业航空耳机、汽车、手机、耳朵耳机和头戴式耳机等各个领域。
声音是压力波,由压缩和稀疏交替周期组成。噪音消除扬声器会发出与原始声音相同幅度但相位相反的声波,这一过程称为干涉,能有效地抵消彼此。
现代的主动噪音控制主要通过使用类比电路或数字信号处理来实现。自适应算法能够分析背景噪音的波形,根据特定的算法生成一个信号,该信号将会相位移动或翻转原始信号的极性。这种翻转信号(反相)会被放大,然后通过传感器创造出与原始波形的幅度成正比的声波,从而形成破坏性干涉,有效减少可感知的噪音。
噪音消除扬声器可与要降低音量的声音源同时存在,这样扬声器的音频功率水平必须与不需要的声音相同,以实现噪音的cancel。然而,如果将发出消除信号的传感器放置在需要降噪的地方(例如使用者的耳朵附近),那么所需的功率等级会低得多,但这仅适用于单一使用者。相对于不同地点进行噪声消除则要困难得多,因为不需要的声音和消除信号的三维波前可能会匹配,形成交错的建设性和破坏性干涉,在某些地方减少噪音的同时,在别的地方却加强噪音。
主动噪音消除技术的应用可分为一维和三维,具体取决于要保护的区域之类型。周期性声音(如引擎声)即使是复杂的声音也更容易被取消,而随机声音则相对困难。针对一维区域的保护,所需的麦克风和扬声器仅需一至两个,而三维区域则需要多个设备,因此更加昂贵。
高频波在三维空间中很难被有效减少,因为它们在空气中的声音波长相对较短,这使得噪音的抵消变得不稳定。
噪音控制分为主动和被动两种方式。主动噪音控制依赖于电源以减少音量,而被动噪音控制则依靠隔音材料如绝缘材料或吸音瓷砖。对于低频噪音,主动控制最为有效;而高频噪音由于技术限制,通常转向被动的隔音解决方案。
1936年,发明家保罗·卢格获得了美国第一个噪音控制系统的专利,该专利描述了如何在管道中通过相位提前来取消正弦波音调,以及通过翻转极性来取消周围的随机声音。到了1950年代,洛伦斯·J·福戈为直升机和飞机驾驶舱的噪音消除专利。在1957年,威拉德·米克尔开发了一种在耳罩上应用的主动噪音控制模型,并于1980年代推出了首款商用主动噪音消除耳机。
现代科技的发展使得主动噪音控制技术在手机多麦克风设计中得以应用,这不仅提高了语音音质,还在面对周围噪音时表现出色。值得我们思考的是,在这些技术快速进步的背后,我们是否能够预测未来会有更多哪种形式的音效控制技术出现?