充耳不聞-科學人雜誌
科技解剖室

充耳不聞

2005/03/01 菲謝蒂(Mark Fischetti)
抗噪音耳機運用破壞性干涉,可以抵消外界的噪音。

重點提要

抗噪音耳機運用破壞性干涉,可以抵消外界的噪音。

震耳欲聾的噴射引擎發出的噪音往往高達75~80分貝。在地下鐵、火車和加速的汽車中,乘客也要忍受連續的噪音攻擊。戴上簡單的耳機,打開CD隨身聽放音樂嘗試蓋過這些噪音,往往只是讓耳朵承受更大的噪音。


使用耳塞式耳機,或是看來像工人戴的耳罩式耳機,通常可將噪音降低15~25分貝,但這類耳機戴起來不舒服,而且戴上後也聽不見客艙的電影、音樂頻道或機內音樂的聲音,這時抗噪音耳機就顯得格外好用。要價300美元左右的頂級機種是以建築材料製成,可被動地阻擋頻率比較高的噪音(200赫茲以上)。針對較難阻擋的低頻噪音,這類耳機則是利用電子裝置和喇叭來主動抵消。耳機罩內的麥克風負責感應傳入耳機外殼的聲波,喇叭負責製造壓力波予以抵消。如此一來,就可以用比較適當的音量播放音樂。


最高階產品可被動地將噪音降低15~25分貝。啟動主動式電路,可將低頻噪音再降低10~15分貝。耳機內的麥克風、電路和喇叭構成了反饋系統,配合聲波而立即產生相位相反的等振幅聲波,理想值是180度。如果聲波的相位與理想值的差距能控制在25度內,就可將噪音降低20分貝。耳機反應速度越慢,抵消噪音的效果就越差。


耳機內的電路也可以抵擋一些透入耳機的中頻雜音。美國麻州夫拉明罕著名廠商舶仕音響(Bose Corporation)的抗噪音研究經理高格(Dan Gauger)表示:「如此耳機就可做得更輕或更鬆一點,戴起來更舒服。」但要主動減弱頻率高於500~1000赫茲的噪音還很困難,高格表示,這是因為對硬體而言,可用來產生反向聲波的時間越來越短的關係(一般女性說話的聲音約為225赫茲)。目前還有一種前饋式(Feed-forward)系統可感應耳機外的噪音而產生相反的訊號,但所需要的電子裝置更加複雜。


◆舊瓶裝新酒:舶仕音響的創辦人舶仕(Amar Bose),在1978年從歐洲搭飛機到美國的時候,覺得飛機裡實在是太吵了,因此他便想到要製造抗噪音耳機。美國空軍於1950年代曾經試做過主動抗噪音耳機,但直到1970年代,體積小、耗電低的駐極體麥克風(electret microphone)發明後,這類裝置才得以大幅減輕重量。舶仕和美國空軍合作研發,並於1989年開始銷售商品化機種。


◆啊?你說什麼?:美國國家職業安全與健康研究所表示,長期處於超過85分貝的嘈雜環境,對聽力會有影響。科學研究也證明,持續的噪音會加深疲倦、增加壓力,甚至使飛行時差感延長。分貝是以指數方式計算,50分貝的噪音強度是40分貝的10倍,通常聽起來音量是兩倍大。日常生活中常見狀況的平均音量:一般談話50~60分貝、四汽缸汽車行駛在高速公路上時車內音量70~75分貝、客機經濟艙為75~80分貝、割草機95分貝、圓鋸台105分貝、非露天的搖滾演唱會110~120分貝。


◆安靜的駕駛艙:工程師為了消除軍用飛機駕駛艙內的噪音,曾經在整個駕駛艙內部每隔幾十公分就安裝一組麥克風和喇叭。這種方式要有效果,需安裝多組龐大的喇叭,既佔空間又耗電,還要解決回音和駐波等問題。目前實際使用的系統已能使整個艙內安靜下來,但不是一片死寂。


抗噪音耳機原理
運用破壞性干涉,以抵消噪音的壓力波。喇叭發出振幅相近但相位完全相反(差180度)的聲波。噪音中具有多種頻率。








耳機的外殼和邊封襯墊可降低高頻噪音,但低頻噪音仍會穿入耳機,在前空腔內形成壓力波。麥克風負責感應聲波,電子裝置促使喇叭產生反相聲波,在聲波到達耳膜前加以抵消。






電子裝置接收來自CD、MP3隨身聽或機艙座椅扶手的聲音,並且指示喇叭不要產生與音樂頻率相同的反制聲波。


開口可排出耳機內的空氣,提高喇叭效率。要抵消90分貝的噪音,喇叭必須能夠產生音量相仿的反相聲波,對能量的需求相當大,因此效率是重要的關鍵。





【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2005年第37期3月號】


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