平头塞耳机为什么很难实现主动降噪？

俗称的平头塞，或者叫半入耳式耳塞，是指佩戴时耳塞的耳壳基本在耳道以外的耳机，典型如苹果AirPods/EarPods。这类耳塞的优点就是佩戴舒适，甚至长时间放在耳朵里，也不会感觉到不适——眼见苹果AirPods耳塞销量如此之好，就知这类耳机有多受欢迎了。

不过半入耳式耳塞有个很大的问题：隔音差，这就很大程度影响了音乐播放、音频通话的效果和体验。尤其在户外非常嘈杂的时候，很多人说半入耳式耳塞听音乐在噪杂环境下也只能听个响了，别谈音质。既然外界噪音大，那做个降噪不就行了吗？可市面上根本还没有支持降噪的半入耳式耳塞。

一方面是半入耳式耳塞的形态，决定了被动降噪是不可能的：所谓的被动降噪就基本等同于加些单纯的物理隔音装置，这种降噪方式对10kHz以上的噪音有很好的过滤效果——很多头戴式耳机，以及完全塞入耳朵的入耳式耳塞，在这方面有结构方面的先天优势，但半入耳的“半”字基本宣告了被动降噪没希望。

平头塞的降噪难点在哪儿？

那么主动降噪能不能用在半入耳式耳塞上呢？就这事儿我们特别在MWC 2019上海展会上问了艾迈斯半导体（ams）耳机与汽车传感器部门的无线耳塞解决方案营销经理Christian Feierl。

艾迈斯半导体耳机与汽车传感器部门无线耳塞解决方案营销经理Christian Feierl

所谓的主动降噪（ANC），就是通过降噪系统，产生与耳机外界噪音相等的反向声波，起到消除噪音的作用。通常其工作方式是首先由麦克风采集噪音信号，分析后由扬声器（speaker，音箱中叫扬声器，耳机中叫振动单元）产生一个与噪声大小相等、相位差180度的声波，该声波与噪音叠加实现了主动降噪。

现在民用市场的主动降噪耳机产品就已经不少了，著名的比如Bose、索尼、飞利浦、AKG等品牌都有专门的降噪耳机和耳塞产品，经常坐飞机的用户应该能感觉到主动降噪耳机在应对飞机引擎轰鸣声这类低频噪音时的实用性。而且市场上也有无线入耳式耳塞具备降噪功能的，像索尼WI-1000X——这款耳塞就是典型采用艾迈斯半导体降噪芯片的产品；甚至包括传说中的TWS真无线立体声耳塞。不过它们都是“全”入耳式的耳塞，而非平头塞。

Christian Feierl说：半入耳式耳塞本身的结构决定了很难保证系统低频响应，另外在我们佩戴半入耳式耳塞的时候，只要佩戴姿势稍微不对，比如稍松动一下，外界的噪音就会有较大程度的泄露量。如果要在这种耳塞中加入主动降噪系统，那么实时性会变得非常重要，因为噪音在不断发生变化，扬声器的目标滤波器就需要发生变化。如果要实时检测噪音的泄露量，做到主动降噪的及时检测、即时调整，对算力要求就会提高。

半入耳式耳塞作为便携式产品，一方面不可能做得太大太重，另一方面加重算力对续航也会是重大考验——毕竟现在无线耳塞是主流，这种耳塞都是靠电池驱动的。所以艾迈斯半导体今天宣布具备这种噪音泄露实时补偿能力的AS3460芯片，也就是说未来很快会支持主动降噪的无线半入耳式耳塞出现。

所以是怎么做到的？

值得一提的是，AS3460采用的是数字降噪方案。早前艾迈斯半导体的主动降噪方案很多是基于模拟电路。模拟降噪是通过外围模拟电路处理模拟信号，需要搭建复杂的电阻电容生成噪声滤波电路；而数字降噪自然是透过芯片内部DSP以及相关算法处理数字信号，无需复杂的外围模拟硬件电路。它们之间当然所处的位置也是不同的。

实际上，早在2016年艾迈斯半导体就收购了一家名叫Incus Laoratories的英国公司——这就是一家具备数字主动降噪技术的供应商。一般来说，数字降噪存在时延更高的问题，毕竟数字电路这部分处理自带了更多的延迟。但模拟电路的元器件在量产时较难保证精度，尤其品控管理不好的话，一个型号的耳塞之间可能降噪能力都有差异；另外数字降噪的灵活性也高于模拟降噪。这就决定了半入耳式耳塞的降噪必然是基于数字降噪的。

我们来看看AS3460的内部简单结构图。首先这颗芯片支持最多6个麦克风，其主要价值在于对前馈和反馈降噪的同时支持——用Christian的话来说：“一颗芯片就可以做混合降噪的头戴耳塞。”这里反馈降噪是在面向耳朵侧也加入麦克风，在降噪效果上会比单纯的前馈——只收集外界噪音并处理，不检查降噪结果的方式要好。

另外I2S（音频总线）支持连接蓝牙SoC。这里的核心在于基于ARM M4F的MCU，以及来自Incus技术的DSP单元。这两者联合，就能根据不同的环境，比如说坐高铁、公交、坐飞机等各种场景，“都能把最好的降噪参数拿出来”。还有真正的关键：自适应声学补偿系统（ALC）。

就如前面提到的，半入耳式耳塞的特点是噪音的动态泄露过程，会导致降噪所需的滤波器（filter）发生变化。这种ALC自适应声学补偿系统，按照Christian的说法，“可保证一定泄露范围内仍然达到较好的降噪效果”，FTT频谱分析可以帮助侦测一些极端应用场景，比如耳塞脱离耳朵这种情况。

这里的DSP，“IP是收购英国公司Incus后获得的技术，我们目前还没有发现市面上有同类DSP的性能能够达到这个程度。”Christian说，“这里的DSP也就是艾迈斯半导体的AHE（Augmented Hearing Engine增强听觉引擎）引擎，滤波器的运算就是在DSP中进行的。”这是实现即时环境噪音检测，匹配最佳滤波器的核心所在。降噪效果可以达到40dB。

Christian Feierl在展示AS3460开发板

另外Christian特别强调说，这颗DSP具备低延迟（4.3us-14.7us）的特点。更为重要的一点是AS3460本身尺寸很小，“内部有晶振有flash，并不需要很多外围器件，本身尺寸3x3mm”，这里数字核心的功耗<5mW。所以AS3460可适用于采用电池的无线半入耳式耳塞，并且依然保持其合理的轻便佩戴体验。

不过我们也追问了在如此算力的DSP产品上，对最终耳机的续航会产生何种程度的影响，Christian则表示这需要根据产品具体的使用情况来定，“音乐播放时间的影响会控制在1小时以内，毕竟因为需要进行更多的运算，所以播放时间会有一定程度的牺牲，但在可接受范围内”，“未来我们还会在这方面进行持续的优化，而且也已经有一些主流的品牌在采用我们的方案，实际上不会带来太大的影响。”

这是艾迈斯半导体展示的一个耳机充电盒原型，其中和耳机的触点为2pin，它们将充电盒子的信息传到耳机，再发送到手机应用上，这2pin是充电、通讯同时进行，带来对机械结构设计的优势。市面上的很多产品是3-5pin。

不只是听音乐降噪

Christian甚至说，很多客户在看到产品演示时是不敢相信的。我们也在MWC 2019上海展会现场体验了应用这种技术的耳塞原型，针对现场准备的飞机、公车等噪声场景，耳塞的确表现出了不错的降噪效果，不过不知道应用到具体听音乐、打电话的场景中表现如何。

另外我们还特别问了Christian，这种程度的降噪是否会破坏音质。他刚开始的回答只有一个no字，随后他又补充说：“市面上的很多产品只会做前馈降噪，不检测音乐本身；而我们自己还有音乐补偿方面的专利，所以它不会对音质产生影响。”“我们甚至可以给它拉任意形态的音乐补偿曲线。”

所以具体的产品还是值得期待的。不过就AS3460本身，或许仍然需要考虑其续航妥协到什么程度，还有主动降噪本身对高频噪音的过滤并不好——这需要靠被动降噪来实现，而半入耳式耳塞实际上也很难做被动降噪，这可能会是它的听音效果不及其它类型耳机的一部分：当然AS3460本身也并不只是仅适用于半入耳式耳塞而已。

实际上，由于AS3460的这种设计和结构，全套解决方案可以实现的功能还可以更多。Christian解释说，在不同场景的降噪切换中，AS3460可以提供平滑的过渡，不会让人在听觉上产生割裂感；还有诸如戴着耳塞过马路的时候，针对特定频段实现放大，比如汽车的喇叭声，就可以在听音乐、打电话的时候规避环境危险；在未来的解决方案中，芯片甚至可以针对一些人的耳鸣频段做滤波器，不管这种会导致耳鸣的频率是来自音乐还是来自周边环境。

艾迈斯半导体提供的布局布线参考设计，这其中下方的数字MEMS麦克风一旁还有个接近光传感器（TMD2635），可实现摘下耳机暂停音乐等特性；按照艾迈斯半导体所说，耳机理应是个生态系统，艾迈斯半导体本来就擅长全方位的传感器技术，所以基于芯片支持耳机上下滑动增减音量，甚至血压检测、定向拾音、风噪降低等各种特性都是可行的。

早前有公司在做基于AI的降噪芯片，通过单麦克风拾取噪音，然后通过降噪芯片中的神经网络单元来推测噪音场景，不过这种方案的问题在于功耗比较大，很难应用到TWS耳机产品中。但这也表明，更为智能的降噪方案，包括AS3460这样可实时更换filter的芯片，可能会成为未来耳机和耳塞的某种标配。

从Yole、Gartner等统计机构的数据来看，有线耳机在消费市场的需求会持续下降，头戴式耳机是个基本持平的状态，颈挂式无线耳塞会有小幅上扬，而未来市场最大的就是TWS无线耳塞。艾迈斯半导体在这一市场的发力也就完全可以理解了。

MWC 2019上海艾迈斯半导体的展台

展台上展示的一款非常小的微型摄像头模块，可应用于医用内窥镜、小型无人机、AR/VR人眼追踪等

艾迈斯半导体展示的一款光谱传感器，通过对被照射物体反射光线的波长分析，确定物质构成，比如现在看到的这个是蔗糖，波长分布情况与预设几乎重叠

通过艾迈斯半导体的ToF传感器方案，配合常规的CMOS图像传感器来实现人脸3D建模

艾迈斯半导体展示的耳机光学滑块，通过光传感器测量手指移动，实现增减音量、切歌等功能。