ANC耳机系列之骨导耳机能做ANC吗

　　作者：王佳杰
　　引言
　　近年来，TWS耳机在消费电子领域大放异彩，继苹果AirPods系列之后，国内各厂商相继推出自己的TWS耳机，蓝海市场迅速转为红海市场。而另一方面，传声方式另辟蹊径的骨导耳机也获得了包括户外运动爱好者在内的一众忠实消费者。众所周知，ANC功能已经是TWS耳机的标配，那么很自然的问题是，骨导耳机可以做ANC吗？
　　先上结论理论上可行，但目前在工程上很难实现。
　　图片源于：韶音官网
　　一、气、骨传声路径
　　所谓气导传声路径，是指外部声音经耳廓空间滤波，经由外耳道向内传播，引起鼓膜振动，继而带动中耳室内的听骨链振动，振动最终到达耳蜗，被转换成基底膜上不同位置的振动，对应不同频率的声信号，再由毛细胞转换成神经脉冲信号传给大脑。
　　所谓骨导传声路径，声源振动源可来自人体外部也可来自人体内部，这里主要讨论前者。体外骨导传声路径不像气导一般单一，2019年中科院声学所唐惠芳在其硕士毕业论文〔1〕中整理历史文献，详细梳理并总结了骨导传声的五条路径：一是骨导振动引起耳道振动，声能通过耳道壁辐射出来，再经由气导路径传入；二是骨导振动引起听骨链振动，后续与气导一致；三是引起耳蜗振动，耳蜗内液体（假设不可压缩）随之运动引发听觉；四是直接引起耳蜗流体运动引发听觉；五是头骨振动使脑脊液产生压力传递，经过蜗管使耳蜗流体运动引发听觉。
　　由此可见，骨导声可在气导传声路径的各中间环节插入，最终引起听觉。骨导传声路径十分复杂，甚至涉及到生理学、解剖学等内容。在不同场景下，很难确定占主导作用的路径究竟是哪一种。
　　二、气导ANC
　　气导ANC分前、反馈两种控制模式，前馈依赖耳机外侧的前馈参考麦拾取外部噪声，反馈依靠耳机内侧的反馈误差麦拾取耳腔道内的残余误差信号。控制器系数分固定与自适应两种，近年来又出现所谓的半自适应方式，即根据耳道辨识结果自适应地选取预先设计好的最贴合该类型耳道的固定控制系数。
　　反馈控制方式，无论固定控制器或（半）自适应控制器，均无法脱离耳机内侧的反馈误差麦工作。
　　前馈控制方式，若采用固定控制器，可在无误差麦的情况下工作，因为已预先掌握初、次级通道频响，对目标降噪点鼓膜的相消干涉效果有充分估计。
　　图片源于：百度百科
　　三、骨导ANC
　　（1）可行性
　　首先是可行性，即气导初级噪声经过气导传声路径最终在耳蜗位置产生的响应，同骨导振子产生的次级噪声经过骨导传声路径最终在耳蜗产生的响应，两者是否可以抵消？
　　可喜的是，早在1932年，VonBekesy〔2〕就发现若受试者前额放置骨导振子以400Hz单频振动，再调整同频率的气导声波的幅度和相位，可使受试者感受到的混合声响度降低。即耳蜗的响应与传声路径无关，各传声路径最终到耳蜗处，都体现为基底膜上的行波，而两列行波也满足叠加原理。因此，骨导ANC在理论上是可行的。
　　反观气导ANC耳机，初级噪声、次级噪声这两列声波都是气导路径传入，其叠加发生在外耳道，在传至中耳听骨链之前相消干涉便已经发生，并没有到达耳蜗。
　　（2）与气导ANC的异同
　　与气导ANC相同的是，骨导ANC的初级噪声也是自外界气导路径传入。骨导耳机可在耳突附近（最接近耳甲腔的耳道口）设一前馈麦，力求所拾取的噪声与传入耳道的初级噪声相关性最大，以保证降噪效果。
　　但是，骨导ANC无法设置反馈传感器，因为两列行波的叠加发生在耳蜗处，我们总不可能侵入式地在消费者耳内插入一电极来取得耳蜗内的响应情况。
　　因此，就控制结构而言，骨导ANC最接近气导ANC的前馈控制方式。那么问题随之而来，气导ANC中无误差麦的前馈固定控制方式之所以能保证降噪效果，其根本原因在于可提前测得不同人的在不同佩戴条件下的初、次级通道频响，因此初、次级噪声在耳膜处的幅变、相变均可提前预估，因此耳膜处的残余误差信号可控。
　　但是，对于骨导ANC，即便假设骨导耳机在耳突处的前馈麦拾取的噪声与传至耳道内的初级噪声相关性良好，且不同人在不同佩戴方式下此相关性受损不严重，且不同人由于耳甲腔、耳道形状不同对初级通道频响的改变（在低频的一定频率范围内）是有限的，那么我们可以假定骨导ANC可掌握初级通道传函，对初级噪声的幅变、相变可预估（实际需要大量实测数据去验证此假设）。
　　然而问题在于，不同人的骨导传声路径差异极大（不同人佩戴同一骨导耳机，由于头宽窄不一，骨导振子与耳突的贴合压力不同，且每个人的头骨、软组织性质等因素也不同，即便给予骨导振子相同激励，最终在耳蜗处形成的响应，其幅度和相位也不同），也即次级通道传函难以掌握，对次级噪声的幅变、相频难以预估，最终在耳蜗处的叠加效果难以保证是相消干涉，一旦成为相长干涉则不仅没有达到降噪效果，加大的振动反而可能损伤毛细胞造成听力损失。
　　此即本文开篇所提结论，骨导ANC虽然在理论上可行，但目前在工程上难以实现。
　　四、讨论
　　（1）虽然骨导ANC的次级通道相比气导ANC方差大，不存在对不同人的普适通解，但存在针对特定人的特解，只不过需要类似助听器的较为专业的验配过程，来逐频点（颗粒度待定）地量测骨导次级通道的频响，从而建立对次级噪声幅变、相变情况的掌握。且从工程角度出发，还需要计入多次佩戴引入的方差，费时费力且专业要求高。此技术路径决定了骨导ANC难以大规模商业化。
　　（2）不妨开一下脑洞，在未来，如果技术允许，可在大脑皮层的听觉区块附近非侵入式地贴一电极侦知听觉信号，且能把耳蜗处感知的噪声分离出来便可以构造所谓的反馈误差信号，此电极便是广义上的反馈传感器。那么目前在气导ANC领域应用广泛的前、反馈控制策略均可以迁移至骨导ANC领域。
　　（3）无论对于耳塞式还是耳罩式气导ANC耳机，两侧可视为独立，单侧耳机的扬声器的作用范围仅限于本侧，声音不会跑到异侧去，两侧互不干扰。但对于骨导ANC，左侧的骨导次级噪声不仅会引发左耳耳蜗振动，也同样会引发右耳的耳蜗振动（只不过幅度会小），此即串声现象。因此对于骨导ANC，可能还需要考虑异侧振动源的干扰问题，工程应用更加复杂。
　　五、写在最后
　　本文仅为气导TWS耳机中ANC功能能否迁移至骨导耳机领域，这一趣味问题的一些天马行空般的思考与讨论，并不严谨，而任何猜测都需要大量实验数据的佐证及严密的逻辑推理。可惜的是，学界往往难以具备业界的硬件条件，与人员配合去做看似不靠谱的想法的实证；业绩方面，公司受盈利所限，个人受绩效所限，往往不会去推进没有商业化希望及盈利可能的产品或者技术路径。笔者希望在未来，中国在产学研相互结合甚至紧密配合这方面能做得更好。参考文献：
　　〔1〕唐惠芳。气骨导差异传递函数测量及均衡研究〔D〕。中国科学院大学。
　　〔2〕VBKSYG。Zurtheoriedeshrensbeiderschallaufnahmedurchknochenleitung〔J〕。AnnalenderPhysik，1932，405（1）：111136。