淺析ANC耳機系列之通透模式

本文將聚焦于近年來在ANC耳機上日趨重要，但消費者對其原理幾乎一無所知的一項功能——聲透傳。

聲透傳（Transparency/Hear-through），在Sony系ANC耳機上被稱為環境聲模式，在Apple系ANC耳機上被稱為通透模式。在現實生活中，無須摘下耳機，切換ANC模式至通透模式，即可聆聽對方說話（雖然這樣不太禮貌）；或在通勤時，也可注意包括汽笛聲、行車聲在內的重要環境聲，保障人身安全。

隨著Apple AirPods Pro引爆TWS耳機市場，聲透傳功能以其便利性、應用場景廣泛性，逐漸受到消費者認可，以致其他廠商在研發ANC耳機時，也不得不加入此項功能。但相較于Apple系的ANC耳機，其他廠商的通透模式在主觀聽感上總是不太真實。雖然業界的主動降噪設計已日趨成熟，但聲透傳設計仍有進步的空間，是眾多廠商在下一階段需要追趕Apple的技術重點。

**一、透傳原理 **

聲透傳，以布設于耳機外的傳聲器（可復用前饋降噪所用傳聲器）拾取環境聲，濾波后由耳機揚聲器播放，此部分稱為電子重放聲，與耳機殼體被動防護未隔絕的環境聲（不妨簡稱為被動傳聲）疊加，最終在人耳鼓膜處形成偽環境聲。

有源噪聲控制所用濾波器稱為控制器，均衡所用濾波器稱為均衡器，因此，透傳所用濾波器不妨稱之為透傳器。

在學術上，單麥透傳技術早已成熟。在研究早期，它多被稱為虛擬現實音頻（Augmented Reality Audio, ARA）[1]技術，因此透傳器也被稱為虛擬現實音頻混合器（ARA mixer）或現場均衡器（Live equalizer, LiveEQ）[2]。

圖1 單麥透傳原理圖（圖引自2018, Florian Denk [3]）

聲透傳的設計重點在于求解具備優異透傳性能的透傳器參數，度量指標是偽環境聲和真環境聲在某種準則下誤差最小。由于人耳對相位不敏感，且由于佩戴差異（不同佩戴者耳道、耳廓存在不同，同一佩戴者多次佩戴也可能不同），上式中等式右邊的若干傳函也難免呈現出差異，在高頻尤甚，因此擬合通常僅考慮2kHz以下的響應。

值得一提的是，中高頻的電子重放聲相比于低頻的被動傳聲信號存在相關性，且有延遲。而當兩信號相似，且有固定延遲，且聲壓級相差不大時，會形成梳狀濾波效應如圖2，帶來可聽的音色差異。

圖2 梳狀濾波效應（圖引自Karolina Prawda [4]）

因此透傳路徑總延遲（由抗混疊、重構濾波、AD/DA轉換、電子透傳器引入）必須被控制在一定量級以下，否則將在聽感上帶來可聽的音色差異。且由于佩戴者判斷方向性，須使用到低頻聲的雙耳能量差（ILD）和時延差（ITD）。因此若時延沒處理好，以及雙耳聲重放增益不一致，也會破壞原有的空間線索，影響佩戴者的空間感知能力。

**二、透傳對比 **

本文選取了Apple的AirPods Pro，AirPods Max以及Sony的WH1000XM3三只耳機來研究通透模式，實驗在普通房間進行。噪聲揚聲器播放粉噪，與人工頭相隔1m左右。曲線為三次測量均值，并使用Matlab的smoothSpectrum函數進行了兩個倍頻程的曲線平滑。

圖表 1 單重透傳

上圖中：黑色實線為噪聲源揚聲器播放粉噪時，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號的功率譜；黑色點劃線展示了Apple AirPods Pro，Apple AirPods Max和Sony WH1000XM3通透模式下，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號的功率譜。

上圖右子圖中，紅線、藍線點劃線、綠色虛線分別為Apple AirPods Pro，Apple AirPods Max和Sony WH1000XM3通透模式營造的偽環境聲，相比于真環境聲的傳輸誤差。由圖可見，在2kHz以下，蘋果的主動耳塞和主動耳罩傳輸誤差基本小于3dB，性能十分優異，但索尼存在較大誤差，實際佩戴感也不太真實。

**三、雙重透傳 **

當你同時擁有了AirPods Pro和AirPods Max之后，你可以用它干各種奇怪而有趣的事情，比如同時佩戴形成所謂的AirPods Pro Max，原先耳塞或耳罩的單重透傳也就變成了雙重透傳。

圖表 2 雙重透傳

上圖中上部兩子圖中：黑色實線為噪聲源揚聲器播放粉噪時，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號的功率譜；黑色點劃線展示了耳塞為Apple AirPods Pro，耳罩分別為Apple AirPods Max和Sony WH1000XM3時，耳罩和耳塞都開啟通透模式下，人工頭鼓膜處的傳聲器拾取信號的功率譜。

上圖中下部兩子圖中：紅線為Apple AirPods Pro通透模式傳輸誤差；藍線為Apple AirPods Max或Sony WH1000XM3通透模式的傳輸誤差；綠線為雙重透傳時的傳輸誤差（封號代表同時佩戴）；綠色虛線為單重透傳的傳輸誤差的疊加（加號代表疊加，虛線代表并非真實測得）。

由圖可見，在3kHz以下的頻段，雙重透傳的傳輸誤差基本是單重透傳傳輸誤差的疊加。但在其上的高頻，呈現出較大差異。分析原因如下：

耳罩透傳器原本設計的傳輸末端在鼓膜，雙重透傳時其實只傳到了耳塞的前饋傳聲器處，便由耳塞接過透傳的“接力棒”，繼續向耳道內傳輸。對耳罩而言，耳罩的揚聲器至耳道口和至鼓膜的傳函，在3kHz以下應無較大分別，在3kHz以上則由于高頻聲在耳道傳遞過程中發生較大變化，最終呈現出較大差別，致使雙重透傳不再是單重透傳傳輸誤差的疊加。

**四、多麥透傳 **

AirPods Max左耳罩有三處開孔，共有四枚傳聲器，左前開孔較大，有兩枚傳聲器。右耳罩有三處開孔，共有三枚傳聲器。佩戴并調至通透模式，手指劃過各個孔位，可聽到摩擦音。這說明至少有六枚傳聲器被用于透傳模式。若推測左右用于透傳模式的傳聲器數量相同，則單側有三枚傳聲器被用于透傳模式。

學術上理論推導最優透傳公式，是針對單麥透傳的，那多麥最優透傳是什么呢？我的猜想是，在指向性較強的聲場景下，多麥是否可以做DOA估計，然后選擇該方向角度下，預先設計好的最優透傳器，以求該方向的聲音最清晰地透入進來？但此方案在研發之初就需要探明：

（1）從客觀譜誤差、主觀聽感兩方面入手，評估多方向角度透傳，相比于單角度透傳，是否具有性能提升。如無提升或不足以感知，則預研意義不大。若有明顯提升，隨空間網格選點數上升，感知性能存在邊界。邊界之外再增加網格選點數量，則存在邊際效應遞減現象。因此，要在網格選點數和性能感知之間做權衡。

（2）如何做依賴于裝置（device-specific）的多麥DOA估計，其估計精度、響應時間、追蹤速度、魯棒性，是否滿足實際落地應用時的各項指標要求。

（3）空間網格點選取位置及數量（人類對水平正前方定位精度最高，對兩側定位精度較低，因此合適空間網格選點可能并不是均勻分布的）。

此外，我曾佩戴著Apple AirPods Max并調至通透模式騎車，基本聽不到風噪聲，表現比Sony WH1000XM3要好。推測多麥方案對于消除風噪也有增益。

審核編輯：劉清