耳朵接收到的,是同一处的总变化
声波使空气压力围绕平衡值起伏。对于这里的小振幅声音,同一位置来自不同声源的声压变化可以叠加。如果一段声音正让声压增大,另一段恰好让它等量减小,总变化就会变小。
实验里的蓝线是环境声,橙线是抵消声,绿线是两者在观察点的合成。保持幅度相同,把相位设为 180°,每个波峰就对上另一个波谷。理想条件下,总声压变化为零。
开启轻声试听,再把相位慢慢调向 0°。声音会变大:此时两个波峰相遇,振幅相加。“加上一段声音”可以变安静,也可以变得更吵,取决于它们在哪里、怎样相遇。
主动降噪耳机通过麦克风获取噪声信息,用扬声器在耳边产生适当的抵消声。它要控制的是靠近耳膜处的结果,不能让整个房间里的声音都消失。
只晚一点点,为什么就对不齐?
- 先让两条波形大小相同、峰谷相对,再观察合成结果。
- 只增加一点延迟,看看原来对齐的峰谷怎样错开。
- 恢复时机,只改变抵消声大小:为什么仍可能留下声音?试听由你主动开启,保持轻声即可。
真正的噪声,远不止一条正弦波
进一步操作与数值核对
先设定 160 Hz、相位 180°、相对幅度 1。把额外延迟从 0 增加到 1 ms,再提高频率。你会发现,同样的时间误差,在高频下对应更大的相位错位。
因为高频振动的一整圈用时更短。延迟占一圈的比例变大,原本准备对着波谷播放的波峰,可能已经错过了位置。
再只改变抵消声幅度。即使相位完全相反,幅度不匹配也会留下残余。想要抵消得好,需要同时照顾时机和大小。
把频率设为 500 Hz,相位设为 180°,再加入 1 ms 延迟。算算这半个周期的延迟,会把抵消变成什么。
展开:为什么稳定的低频轰鸣更容易处理?
噪声可能包含许多频率,声学路径也会随着头部运动、耳罩密封程度和周围环境变化。耳机必须估计这些路径,并快速调整输出。时间与空间误差在高频下通常更难容忍,稳定的低频噪声也更容易预测。
现实系统使用自适应滤波等方法处理复杂声音,不能简化为“把麦克风收到的波形直接倒过来播放”。被动隔音也会参与整体效果,尤其在较高频率区域。
展开:声压级与能量如何理解?
界面计算的是同一点、同频纯音的残余振幅。相对声压级变化使用 20 log10(残余振幅 / 原振幅)。理想零振幅对应数学上的负无穷,并不代表真实设备能做到无限降噪。
局部相消也不意味着系统中所有声能消失。声场的其他位置、声源之间的能量交换以及吸收损耗,都属于完整能量分析的一部分。这个实验只展示观察点的线性叠加。