降噪耳機嘯叫？也許是因為這個原因——「七宗罪」系列之四：嘯叫
前書提到過Bose為了兼顧整體佩戴舒適性，以解決入耳式降噪耳機在佩戴過程中嘯叫問題的產生，才不得已遺留了「爆音」的小遺憾。此篇文章基於這個問題大致解釋下嘯叫到底是如何產生的，以及Bose到底是如何做的。
嘯叫現象，理論上不會出現於任何一款在售的耳機中，因為它屬於質量問題。所以，一般在耳機的設計研發階段，嘯叫問題就已經被解決了。
上圖是自激振蕩示意圖。由圖所示，降噪耳機的聲信號傳遞路徑是由麥克風（M）、濾波器（G）、揚聲器（S）構成的閉環系統。
當揚聲器（S）發出的聲音被反饋麥克風（M）接收後，通過濾波器（G）放大，再經由揚聲器（S）發出，此時的波通常定義為反饋波（A）。反饋波（A）再被反饋麥克風（M）接收，周而復始，如果此循環其每次迭代結果是使得MIC側的信號越來越大，進而在揚聲器側輸出巨大的聲信號（通常是單頻），這個過程就是正反饋，此時產生的現象稱之為自激振蕩。因為其自激頻率通常在中高頻（1k-5kHz）,聽感類似口哨（Whistle）的聲音，人們通常將此現象稱作嘯叫。
降噪耳機和卡拉OK音響系統的嘯叫沒有本質區別，其產生都需要滿足兩個條件：
（1）閉環系統，即各個部件之間是連通的；
（2）閉環系統是不穩定的。
日常生活中，如去卡拉OK唱歌時，有時話筒產生嘯叫，只要捂住話筒或讓麥克風與揚聲器離遠點，嘯叫就能停止。這種避免嘯叫的方法可以通過以下數學原理來解釋，但需要引入一些公式。
假設揚聲器到麥克風的傳遞函數為S，而濾波電路的傳遞函數為G，它們都是頻率f的函數，將系統離散化之後得到閉環的z變換函數S(z)和G(z)。
產生嘯叫的條件是：S(z) x G(z) + 1 = 0 滿足 |z|＞1。這個相當於在拉普拉斯域上出現右半平面的極點，為了控制這個方程的根的走向，系統會引入一個增益因子k，即將降噪效果描述成：
對於上述函數式，為了實現較好的降噪效果，函數幅值越小越好，於是 |1+kG(z)S(z)| 越大越好。但物理的世界從來都不是簡單的向一個方向無限肆意下去。在佩戴QC20的過程中，耳塞受到嚴重擠壓，耳機聲腔內的聲波反射特性隨之發生變化，聲波傳遞函數隨之發生劇烈變化，即S(z)發生非線性變化，而此時因為QC20的濾波器設置是固定的（可以理解為kG(z)是一個固定值），所以聲音信號的閉環系統即出現不穩定。對於離散系統，在 |1+kG(z)S(z)| → 0 的情況下，上述函數式會 → ∞，當 |z| ＞1時，嘯叫產生。Bose系統為避免嘯叫的產生，生硬地調整了增益因子k，卻產生了一個意外的脈衝，表現為之前文章中提到的衝擊爆音。
而市面上其他部分品牌的降噪耳機，為了抑制嘯叫，通常會採用調小k值來實現。但這個調整過程並沒有通過嚴謹得計算和考量，僅僅以不產生嘯叫為標準。所以即使是同一品牌，其耳機的降噪效果也不盡相同。（這其中涉及到耳機生產線的技術要求及相關，在此不贅言，後續有機會再詳述。）
其實，降噪效果、佩戴舒適性、抑制嘯叫或自激、避免衝擊爆音等都與ANC濾波器的設置相關，反映在上述函數式上，即與 1+kG(z)S(z) 有關。在實際研發設計階段，結合奈奎斯特穩定判據、波特圖及根軌跡等各類數學與工程相結合的手段，可以從根源上解決kG(z)值的設定問題，進而抑制嘯叫。此外，通過自激的在線識別系統設計，可以實現自激的偵測，在自激現象即將發生的臨界點，自動識別並啟動抑制過程，使得 |z| ＞1 的現象永不發生。這個過程，可以通過柔性增益（專利號：201710580540.5）的方式實現。
嗯，這就是會聽聲學當下在做的事情。
欲想了解更多關於主動降噪及聲學相關內容，可關注微信公眾平台【huitingshengxue】或訪問http://www.ht-acoustics.com。歡迎各種形式的技藝切磋哦~
關鍵詞：降噪耳機，主動降噪，ANC，數字降噪。
推薦閱讀：