一个超轻的听筒就能打败目前市面上最好的主动降噪耳机
不需要堵塞耳道或者戴上厚重的耳罩，一个超轻的听筒就能打败目前市面上最好的主动降噪耳机。这一项新降噪技术，其实充分利用了一个常识：光速比声速快 1 百万倍。
目前市售的主动降噪耳机，都是依靠内置麦克风来检测袭来的噪声，然后使用数字信号处理器 DSP（Digital Signal Processor）计算反向声波抵消来袭的噪声。不过由于麦克风离耳朵太近了，目前市场上的耳机，只有数十微秒（1 微秒 = 1 百万分之一秒）的时间来采样、处理并播放信号。这样紧张的时间，极大限制了主动降噪耳机的性能，降低了耳机的主动降噪频率上限。因此，更高频的噪声只能由吸声材料被动吸收降噪。
（图源：伊利诺伊大学香槟分校）
感知噪音速度提升百倍，获得更好降噪效果
沈升是伊利诺伊大学香槟分校电子与计算机工程学系博士生，他的团队开发的新设备“MUTE”提升了主动降噪的上限。沈升表示，他们希望挑战不使用任何吸声材料降噪，而是通过设计一个无线传输系统为耳机争取最长的处理时间。
沈博士和他的同事将通常嵌在耳机上的麦克风取下来，改为外置。这套设备的工作过程简单解释就是，比如你坐在办公室，戴着降噪耳机，麦克风装在办公室门口，感知走廊的噪音，并以光速将噪音传给耳机。由于无线信号的速度远超声速，MUTE 系统有更多时间处理信号、计算抵消噪音的信号。这一时间优势，使得耳机能够提前数毫秒获得噪声信息，比传统耳机的数十微秒快了上百倍，从而更好的进行降噪计算。
图 | MUTE 工作过程图示（来源：伊利诺伊大学香槟分校）
沈博士表示，对 DSP 来说，拥有更多如此奢侈的时间，意味着系统能处理更复杂的噪声。
根据今年 8 月份沈升在布达佩斯 ACM 数据通信专业组会议（ACM SIGCOMM Conference）上的论文，实验室的早期测试表明，MUTE 系统的性能优于市面上最强的主动降噪耳机，比如 Bose QC 35。
图 | MUTE 耳机构想图（来源：伊利诺伊大学香槟分校）
MUTE 降噪系统的第一版只是个实验室里粗陋的原型机，由廉价的麦克风、扬声器和 DSP 电路板组成。不过根据目前的技术进展，研究者希望将 MUTE 系统变成可穿戴设备。而 MUTE 的耳机将是一个中空的圆柱形扬声器。不像其他耳罩式或入耳式耳机，MUTE 耳机将保持耳道的开放畅通。
伊利诺伊大学香槟分校教授 Romit Roy Choudhury 说：“这样一个中空耳机的优点是佩戴舒适，而且由于耳道有持续空气流通更有利于健康。”
该团队对早期版本的 MUTE 系统和 Bose 主动降噪耳机进行了多轮对比测试。在频率上，MUTE 能覆盖 0-4 千赫兹，比 Bose 的 0-1 千赫兹主动降噪范围更宽。Bose 耳机在 1-4 千赫兹频段使用吸声材料被动降噪。
由于将频率上限提升至 4 千赫兹，该系统的采样频谱中能涵盖更多人类的声音和音乐。研究人员预计在使用运算更快的 DSP 处理器后， MUTE 将能处理更多种类的噪声，包括演讲、音乐和其他诸如玻璃破碎、摔门声等高于 4 千赫兹的噪音。
在低于 1 千赫兹的低频范围，MUTE 系统同样以平均 6.7 分贝的降噪强度击败了 Bose。
当 MUTE 系统与 Bose 耳机主动降噪系统+被动降噪材料组合进行对比时，Bose 耳机的降噪能力以 1 分贝左右的优势略强于 MUTE 系统。不过如果也加装被动降噪材料，MUTE 系统将再次以 8.9 分贝的降噪优势获胜。
MUTE 系统带来的额外时间，也能够允许研究者设计软件算法来无缝调整在多个声源混合下的降噪信号。例如，在人声和机器背景噪音交替主导的情况下，MUTE 软件能够快速的切换信号应对。
图 | 无线麦克风（连着三根线的红黑色装置）和无线中继器。中继器向降噪装置发送 900 兆赫兹的vwin FM 信号（来源：伊利诺伊大学香槟分校）
MUTE 的局限，还不够便携
不过 MUTE 外置麦克风系统也将给用户带来一些限制。其中之一是，MUTE 系统现在只能工作在单一噪声源主导的室内环境，比如只有一个人人打电话、放音乐的环境。而研究者希望通过使用多个无线麦克风将 MUTE 的降噪能力扩展至多个噪声源。每一个麦克风都是一个物联网中继站，而声源分离算法将能够区分噪声。
另一个挑战是，麦克风外置后，时时位于用户和噪音之间并发挥作用就成为一个问题。这要求有多个麦克风中继器在人类周围分布，从而拦截各个方向的噪音。
沈升表示，对外置麦克风的依赖，使得MUTE 不像传统降噪耳机那么便携。这个系统可能更适用于静态场所，比如在办公室工作，在家睡觉，或者在健身房锻炼。对于跑步人群来说，除非能在跑步区域遍布麦克风，否则 MUTE 系统并不能有效降噪。
在研究团队来看，MUTE 可以有三种应用，一是将该降噪技术植入桌面设备，比如类似亚马逊 Echo 或者 Google Home 智能音箱系统。桌面设备+中空耳机可能将是 MUTE 技术最便携版本的应用了。
对这样的智能设备来说，隐私与安全性也是一个伴随而来的问题。研究者已在论文中表示已经注意到了原型机中麦克风中继使用的是模拟信号，而且并不是为录音或采样专门设计的。他们也承认了存在通过拦截无线中继信号进行“恶意窃听”或者信号互相干扰的可能。这些威胁可以通过控制功率和信号聚术等方法缓解。
第二种可能应用则是通过多个麦克风中继和云端数字信号处理，为一定区域内的许多人提供降噪功能。这一 MUTE 的“公共边界服务”（Public Edge Service）将能在呼叫中心或者其他人们主要在一个地点停留的吵闹环境下使用。
第三种，通过将采集到的噪声共享，一对多地为周边的所有人服务。这需要将麦克风中继直接放在吵闹的建筑设备或者割草机顶端，然后噪声将无线传送给所有人的耳机进行处理。
沈博士表示，用麦克风中继进行“未来声音采集”（future sound samples）争取时间，甚至能够允许耳机运行一些更智能的基于机器学习算法的 AI 应用，这也为增强现实游戏或应用中的声音优化带来了可能。
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原文标题：以光速感知噪音！这款耳外设备性能优于目前市场上所有的降噪耳机
文章出处：【微信号：IEEE_China，微信公众号：IEEE电气电子工程师】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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