以光速感知噪音！這款耳外設備性能優於目前市場上所有的降噪耳機

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

目前市售的主動降噪耳機，都是依靠內置麥克風來檢測襲來的雜訊，然後使用數字信號處理器 DSP（Digital Signal Processor）計算反向聲波抵消來襲的雜訊。不過由於麥克風離耳朵太近了，目前市場上的耳機，只有數十微秒（1 微秒 = 1 百萬分之一秒）的時間來採樣、處理並播放信號。這樣緊張的時間，極大限制了主動降噪耳機的性能，降低了耳機的主動降噪頻率上限。因此，更高頻的雜訊只能由吸聲材料被動吸收降噪。

（圖源：伊利諾伊大學香檳分校）

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香檳分校電子與計算機工程學系博士生，他的團隊開發的新設備「MUTE」提升了主動降噪的上限。沈升表示，他們希望挑戰不使用任何吸聲材料降噪，而是通過設計一個無線傳輸系統為耳機爭取最長的處理時間。

沈博士和他的同事將通常嵌在耳機上的麥克風取下來，改為外置。這套設備的工作過程簡單解釋就是，比如你坐在辦公室，戴著降噪耳機，麥克風裝在辦公室門口，感知走廊的噪音，並以光速將噪音傳給耳機。由於無線信號的速度遠超聲速，MUTE 系統有更多時間處理信號、計算抵消噪音的信號。這一時間優勢，使得耳機能夠提前數毫秒獲得雜訊信息，比傳統耳機的數十微秒快了上百倍，從而更好的進行降噪計算。

圖 | MUTE 工作過程圖示（來源：伊利諾伊大學香檳分校）

沈博士表示，對 DSP 來說，擁有更多如此奢侈的時間，意味著系統能處理更複雜的雜訊。

根據今年 8 月份沈升在布達佩斯 ACM 數據通信專業組會議（ACM SIGCOMM Conference）上的論文，實驗室的早期測試表明，MUTE 系統的性能優於市面上最強的主動降噪耳機，比如 Bose QC 35。

圖 | MUTE 耳機構想圖（來源：伊利諾伊大學香檳分校）

MUTE 降噪系統的第一版只是個實驗室里粗陋的原型機，由廉價的麥克風、揚聲器和 DSP 電路板組成。不過根據目前的技術進展，研究者希望將 MUTE 系統變成可穿戴設備。而 MUTE 的耳機將是一個中空的圓柱形揚聲器。不像其他耳罩式或入耳式耳機，MUTE 耳機將保持耳道的開放暢通。

伊利諾伊大學香檳分校教授 Romit Roy Choudhury 說：「這樣一個中空耳機的優點是佩戴舒適，而且由於耳道有持續空氣流通更有利於健康。」

該團隊對早期版本的 MUTE 系統和 Bose 主動降噪耳機進行了多輪對比測試。在頻率上，MUTE 能覆蓋 0-4 千赫茲，比 Bose 的 0-1 千赫茲主動降噪範圍更寬。Bose 耳機在 1-4 千赫茲頻段使用吸聲材料被動降噪。

由於將頻率上限提升至 4 千赫茲，該系統的採樣頻譜中能涵蓋更多人類的聲音和音樂。研究人員預計在使用運算更快的 DSP 處理器後， MUTE 將能處理更多種類的雜訊，包括演講、音樂和其他諸如玻璃破碎、摔門聲等高於 4 千赫茲的噪音。

在低於 1 千赫茲的低頻範圍，MUTE 系統同樣以平均 6.7 分貝的降噪強度擊敗了 Bose。

當 MUTE 系統與 Bose 耳機主動降噪系統+被動降噪材料組合進行對比時，Bose 耳機的降噪能力以 1 分貝左右的優勢略強於 MUTE 系統。不過如果也加裝被動降噪材料，MUTE 系統將再次以 8.9 分貝的降噪優勢獲勝。

MUTE 系統帶來的額外時間，也能夠允許研究者設計軟體演算法來無縫調整在多個聲源混合下的降噪信號。例如，在人聲和機器背景噪音交替主導的情況下，MUTE 軟體能夠快速的切換信號應對。

圖 | 無線麥克風（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送 900 兆赫茲的模擬 FM 信號（來源：伊利諾伊大學香檳分校）

MUTE 的局限，還不夠便攜

不過 MUTE 外置麥克風系統也將給用戶帶來一些限制。其中之一是，MUTE 系統現在只能工作在單一雜訊源主導的室內環境，比如只有一個人人打電話、放音樂的環境。而研究者希望通過使用多個無線麥克風將 MUTE 的降噪能力擴展至多個雜訊源。每一個麥克風都是一個物聯網中繼站，而聲源分離演算法將能夠區分雜訊。

另一個挑戰是，麥克風外置後，時時位於用戶和噪音之間並發揮作用就成為一個問題。這要求有多個麥克風中繼器在人類周圍分布，從而攔截各個方向的噪音。

沈升表示，對外置麥克風的依賴，使得 MUTE 不像傳統降噪耳機那麼便攜。這個系統可能更適用於靜態場所，比如在辦公室工作，在家睡覺，或者在健身房鍛煉。對於跑步人群來說，除非能在跑步區域遍布麥克風，否則 MUTE 系統並不能有效降噪。

在研究團隊來看，MUTE 可以有三種應用，一是將該降噪技術植入桌面設備，比如類似亞馬遜 Echo 或者 Google Home 智能音箱系統。桌面設備+中空耳機可能將是 MUTE 技術最便攜版本的應用了。

對這樣的智能設備來說，隱私與安全性也是一個伴隨而來的問題。研究者已在論文中表示已經注意到了原型機中麥克風中繼使用的是模擬信號，而且並不是為錄音或採樣專門設計的。他們也承認了存在通過攔截無線中繼信號進行「惡意竊聽」或者信號互相干擾的可能。這些威脅可以通過控制功率和信號聚術等方法緩解。

第二種可能應用則是通過多個麥克風中繼和雲端數字信號處理，為一定區域內的許多人提供降噪功能。這一 MUTE 的「公共邊界服務」（Public Edge Service）將能在呼叫中心或者其他人們主要在一個地點停留的吵鬧環境下使用。

第三種，通過將採集到的雜訊共享，一對多地為周邊的所有人服務。這需要將麥克風中繼直接放在吵鬧的建築設備或者割草機頂端，然後雜訊將無線傳送給所有人的耳機進行處理。

沈博士表示，用麥克風中繼進行「未來聲音採集」（future sound samples）爭取時間，甚至能夠允許耳機運行一些更智能的基於機器學習演算法的 AI 應用，這也為增強現實遊戲或應用中的聲音優化帶來了可能。

但是現在，沈博士和他的同事將專註於將它們的降噪設備商品化：「我們想將目前的原型機變成真正可以戴在耳朵上的產品。」

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