NTT开放式主动降噪（ANC）技术
背景
NTT 建立了 PSZ（Personalized Sound Zone）技术，这是终极的私人声音空间，其中“想要的声音”只能由自己听到，而不会泄露给他人，并且可以减少“不需要的声音”。NTT 一直致力于开发开放式耳机的设计技术，实现只有用户才能听到的播放，而不会堵塞耳朵。这些开放式耳机让用户可以自然地聆听周围的环境，并防止声音泄漏，因此可以在公共场所、办公室和其他共享空间使用。此外，它可以长时间佩戴而不会使耳朵疲劳。针对这些功能，我们提出了一种声学XR技术，该技术将从开耳式耳机听到的虚拟声音与直接通过耳朵听到的真实声音相结合，并正在进行研发和演示测试。
传统的开耳式耳机只能将声音降低到 1,000 Hz 以下，即使它们具有降噪功能。因此，无法将人耳最敏感的 3,000 Hz 左右的声音降低，并且在周围噪音较高时必须提高音量，因此存在听力损失的风险。为了解决这个问题，我们开发了一种主动噪声控制 ANC 技术，可以降低开耳式耳机中 1,000 Hz 以上的噪声。
技术挑战
耳机使用两种降噪方法：主动噪声控制 （ANC） 和被动噪声控制 （PNC）。ANC 使用耳机内置的参考麦克风收集噪声，并使用误差麦克风来确定耳中的噪声是否已消除。ANC 生成噪声的反相位信号，并从耳机播放该信号以抵消噪声。它可以降低低频，尤其是低于 1,000 Hz 的低频。另一方面，PNC 通过用耳机本身的物理结构挡住耳朵来阻挡噪音。它可以降低噪音，尤其是在 1,000 Hz 以上的高频下。配备 ANC 的封闭式耳机已经被广泛使用，通过结合 ANC 和 PNC 实现有效的降噪。
然而，开放式耳机没有遮挡耳朵的结构，因此高频噪音会按原样到达您的耳朵。此外，由于人类的听觉特性在 3,000 Hz 左右时很敏感，因此要有效降低开放式耳机的可闻噪声，必须使用 ANC 技术将 1,000 Hz 以上的高频静音。
图 1 封闭式耳机和开耳式耳机的 ANC 比较
技术要点
为了使用 ANC 技术将噪声降低到 1,000 Hz 以上，ANC 系统必须对参考麦克风捕获的噪声进行处理，直到反相噪声以非常低的延迟（以亚毫秒为单位）到达误差麦克风的位置。对于耳机，由于参考麦克风、误差麦克风和用于播放消除声音的扬声器内置在耳机本身中，因此它们之间的距离约为几厘米。因此，ANC 系统必须非常快，因此 ANC 系统的延迟必须尽可能低。因此，我们开发了一种技术来减少两个延迟因素：
（1） 声学延迟
（2） 机械延迟
（1） 声学延迟是声源和目标位置之间的时间差。声音以每秒约 340 米的速度在空气中传播，这比光信号或电信号慢得多。因此，我们建立了一种新的设计，其中参考麦克风的位置更靠近噪声源，以及耳机扬声器单元更靠近误差麦克风，以减少声学延迟。
（2） 机械延迟是指当设备或耳机内部的机械部件移动时发生的延迟。例如，耳机中扬声器单元的振膜在接收电信号和产生声音之间需要一段物理时间。每个频段的延迟会有所不同，具体取决于扬声器单元的设计。在这项技术中，通过新的硬件设计和软件处理减少了每个频段的机械延迟。在硬件设计中，对扬声器的位置和特性进行了新的设计，在软件处理上，进行了低延迟、低计算的滤波器设计。通过将这项技术与防止声音泄漏的开放式耳机的设计技术相结合，消除声音不会泄漏到周围环境，并且用户周围的噪音会增加。
这项技术可减少声学和机械延迟，从而在开耳式耳机中实现世界上第一个宽带 ANC。我们使用飞机噪声评估了这项技术，发现它将噪声降低到 3,000 Hz 左右。具体来说，在 1 - 3 kHz 时可实现最高高 13.7 dB 和平均 7.8 dB的主动降噪。
图 2 ANC 中的声学和机械延迟
图 3 使用此技术设计的开放式耳机原型
图 4 使用该技术的 ANC 静噪对策性能的评估
展望
为了将来将采用该技术的开耳式耳机商业化，我们将研究在拥挤的街道和移动性等实际环境中的应用。此外，我们将通过将这项技术与 Acoustic XR 技术相结合来创造新的使用场景，该技术将通过耳机听到的虚拟声音与耳朵直接听到的真实声音相结合，并通过 NTT Group 开发新的音频体验，例如沉浸式娱乐和音频指南。
