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降噪耳机如何处理音乐失真

发布时间:2019-11-09 发布人:


当时就有读者朋友提出,认为关上降噪功能的降噪耳机是可以做成一款HiFi耳机的,这就完美解决了降噪和音质不能共存的矛盾。

到底这个方法有没有可行性呢?

今天,我们就来接着降噪耳机的音质问题深入讲讲。


提问1:关了降噪功能的降噪耳机是否可以做到不失真?

首先,让我们聊聊粉丝提到的这个问题:如果抹去耳机的降噪功能,降噪耳机本身究竟可不可以做到音质不失真?

裴哥先把结论写在前面:很难!
如果想把降噪做到最好,音质就很难保证!

这也是目前市面上的高端降噪耳机都不是HiFi耳机的原因所在。那这原因究竟是啥呢?

想要做好降噪,耳机本体就必须满足以下三个特征:
耳机后腔不能完全开放、扬声器膜片不能太厚、耳机阻抗不能很高。

主动降噪

首先,因为降噪的需求限制,降噪耳机的腔体一定得是封闭式的,不能是开放或半开放的。但是,封闭之后就会衍生出一个问题:扬声器膜片振动的时候,耳机后腔的空气会受到挤压成为阻力,使得膜片做非自由振动。而这就免不了会导致声音的失真。

其次,降噪对于时间的要求很精准严格。一般耳机100ms的延迟都算ok,但做降噪的话哪怕是100us都嫌太长。在对延迟如此严格要求的条件下,耳机扬声器的膜片必须要轻薄,不能太厚。然而,薄膜片却容易引发更严重的谐波失真,从而导致播放出的音乐质量下降。

最后,降噪耳机一般都是搭配手机使用,系统功率有限制,所以耳机不能是高阻,否则推不动。然而,一般高阻的耳机都可以把低频作平,呈现更高的音乐细节与品质。

综上所述,降噪耳机的声腔结构在音质方面先天已经不足。


提问2:降噪功能究竟对于降噪耳机的音质有何影响?

讲完耳机结构的不足,我们再看看想要实现降噪这个功能对于耳机的音质会有何影响。我们不妨从以下三个方面去分析。

影响因素1:声学结构改变

首先,我们还是再强调一下,耳机的降噪方案并不具有通用型!

换句话说,如果想要把一个耳机的降噪效果做到最好,是需要针对性对这个耳机的结构精细地建模,最终得到一个专属它的传递函数。然而,这也会使得耳机壳体内的一点变化都可能影响其降噪效果。

举个例子,提问,你知道前馈麦、反馈麦都安在耳机的什么位置吗?
你可能觉得小菜一碟,不就是把反馈麦放置在能接受扬声器信号的地方,把前馈麦放置在跟扬声器隔离的地方就ok了呗。

然而,实际上它们放在耳机哪个位置都是声学工程师们精心设计计算过的,只为了耳机最终达成最
理想的传递函数


前后腔哪里放麦、哪里凿洞、哪里贴纸,这些设计上的细节都能使得系统的传递函数发生大改变。这就使得不同频率的信号进入系统后极有可能发生共振及各种其它不可预知的物理现象,比如某频率的音乐信号音量突然变大等等。

影响因素2:低频削弱严重

反馈麦得放在能接受扬声器信号的地方,这属于基本认知。然而,它却也连带产生了一个问题:反馈麦自己是分不清噪声和耳机本身播放出的音乐的。

换句话说,当反馈麦在工作时,它会在降低环境噪声的同时,也把音乐本身一并降下去。而又因为主动降噪主要针对中低频噪声进行降噪,打开降噪后播放的音乐往往低频缺失严重。

影响因素3:谐波失真严重



音乐从耳机进来,首先要通过模数转换器(ADC)从模拟转成数字信号,然后进行降噪处理,最后再通过数模转换器(DAC)再变回模拟信号。这个过程中的三个环节,每个环节都会产生失真。


提问3:如何改善降噪耳机音质?

“裴哥裴哥,说了这么多影响音质的因素,到底有没有什么补偿的方法呢?”

有,当然有!

不过讲之前,为了大家更方便理解,请允许我先引入一个常见的多人竞技体育项目——“N人N+1足”。



请大家随我一起打开脑洞:我们假设有6个不同频率的信号 一起参加6人7足比赛。理想情况下,队形可以一直保持水平,平稳地向着终点移动。那么整个比赛过程俯视看大概长下图这样。

注:俯视图更简单形象(理直气壮减少自己工作量)

而实际上,队形可能是长下面这个怂样:


然而,无论比赛过程中队伍多拧巴,我们希望达到的是在冲线的那一刻的队形是水平的。(请大家记住这个最终目标!)

然后,咱们回到降噪音质的事情上。
如果把这6个信号当是准备播放的音乐,把起点当成耳机里出音乐的喇叭,把终点当成是人耳的鼓膜。
因为降噪耳机本身的原因,这些信号的初始队形是很混乱的。



那么我们要做的是什么呢?
就是
在信号们到达鼓膜终点之前,进行“队形调整”
,并且最佳的理想到达状态就是六个信号选手们可以以水平一条线的形态撞线。

另外,要强调的一点就是,在这里我们追求的不是整个队伍最快到达,而是统一撞线。换句话说,降噪耳机在调音质的时候是可以允许音乐延迟一些播放的(当然你也不能太慢,按了播放键然后等了10秒钟才放歌就过分了哦)。比起音乐整体的延迟,我们关注的是群延迟。

那么,啥是群延迟(Group Delay,GD)?咱们先简单科普一下。

摘自IEEE Standard Dictionary:
Group Delay is the derivative of radian phase with respect to radian frequency.

用公式来表达,即:


当信号们有常数的群延迟时,相当于它们之间的相对位移不变,那么冲线也可以还保持一个完整的“一”字。但是反过来,如果每个信号之间延迟都不同,最终到达鼓膜时的音乐音质自然就会很差劲。

比起完全让音乐没有延迟的理想状态,降噪首先要解决的是如何让不同频率的信号延迟一样,即GD为一常数。


然而,搞定了延迟还不够。
降噪耳机的音乐信号们其实不仅仅是在队形上不整齐,甚至信号本身的个头也是参差不齐。

所以,我们还需要通过均衡器(Equalizer,EQ)让不同频段的信号能回到自己正常的样子,实现统一。

推送最后,我们再从理论层面讲一嘴音质调整。
注:下面这堆话是来自老板的表述,你们看不懂请直接去打他(@老虞)!

一般而言,
一个系统可以被表示成以下三个部分的乘积。



其中,F2是一个最小相位系统,没有系统时延,可以被表示为B(z)/A(z)的真有理分式。那么当将它乘上A(z)/B(z)时,就可以变成1。

放在降噪音质调整的过程中看,F2对应的部分即可用刚才提到的均衡器来调节。根据人耳道特性管道效应,最终使之达到各频率信号分布正常化。

而F1这个全通滤波器,就对应刚才提过的群延迟。而我们调节F1即整队的主要手段则是通过声腔结构的重新优化。

至于F0,则是声波在耳机内的运动以及电子在芯片里运动的速度共同决定的,我们可以直接当成一个常量来看。

概括一下,降噪耳机音质改善分两步:调均衡、调延迟。

但具体应该如何调才可以达到最佳效果呢?
那就要看工程师们的声学工程经验及自身的知识储备啦。


今天的推送就到这,最后请允许裴哥打个小广告。
会听,不仅拥有降噪效果世界领先的主动降噪算法,也积累了多年声学工程经验,简直是主动降噪耳机制造合作的最佳拍档(都是大实话,完全不害臊)。
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