2024年4月2日发(作者：屈邃)
V
oice Technology
文献引用格式：费艳锋，曹祖杨，李坚维.关于主动降噪耳机的研究［J］.电声技术，2020，44（5）：38 - 40.
FEI Y F，CAO Z Y，LI J W．Research on Active Noise ReductionEarphone［J］.Audio Engineering，2020，44（5）：38 - 40.
中图分类号：TN643 文献标志码：A DOI：10. 16311
/
j. audioe. 2020. 05. 008
语音技术
关于主动降噪耳机的研究
费艳锋
1
，曹祖杨
2
，李坚维
1
（1.湖南国声声学科技股份有限公司深圳研发中心，广东 深圳 518055；2.杭州兆华电子有限公司，浙江 杭州 311122）
摘要：本文从主动降噪耳机技术工作者的角度介绍主动降噪耳机的原理、分类和设计流程，结合实际对几类主动降噪耳机的
特性做了总结，对主动降噪耳机的技术设计方向和产品的选择做了分析，最后对主动降噪耳机技术现行运用中的两个不足之
处做了详细讲解。
关键词：主动降噪；被动降噪；蓝牙耳机
Research on Active Noise Cancelation Earphone
( Voc Acoustics Technology Co., Ltd. RD Centre Shenzhen, Shenzhen 518055, China;
Abstract:
This paper introduces the principle, classification and design flow of active noise-cancelling earphone from the perspective
of active noise-cancelling earphone technician; Combined with practical application, the paper summarizes the characteristics of
various kinds of active noise-cancelling headphones, and analyzes the technical design direction and product selection of active noise-
cancelling earphones; At last, two deficiencies of active noise reduction earphone technology are explained in detail.
Key words:
active noise cancellation ; passive noise cancelation ; bluetooth headset
ou CRYSOUND Electronics Co., Ltd., Hangzhou 311122, China)
FEI Yanfeng
1
, CAO Zuyang
2
, LI Jianwei
1
2019年10月29日，苹果发布了第三代TWS
蓝牙耳机（AirPods Pro）。最新苹果蓝牙耳机最大
卖点是具有主动降噪功能。主动降噪功能对声学
专业或耳机前沿工作者来说并不陌生，但苹果品牌
有极大的号召力，因而各公司都开始积极研发主动
降噪耳机。传统降噪耳机品牌如BOSE、SONY等
专业耳机公司做了多年的降噪耳机，但一直都无法
取得大的市场份额。而苹果降噪耳机的推出，使得
降噪耳机市场开始蓬勃发展，这必引起极大的市场
响应和关注，如此本人以一声学工作者的角度去分
析主动降噪耳机原理和运用。
本应听到的环境噪声，从而达到降噪的目的。主动
降噪原理示意图如图1所示，图2为典型室内环境
噪声
［1］
频谱。
图1 主动降噪原理图示
被动降噪原理
1
主动、
1.1
主动降噪原理
环境噪声被降噪麦克风采集到，再通过主动降
噪（Active Noise Cancellation，ANC）芯片处理后，
生成一反向180°相位声波，通过耳机扬声器传播
到人耳道，与噪声产生相位差180°，抵消掉人耳
1.2
被动降噪
被动降噪（Passive Noise Cancellation，PNC），
其原理是使用被动器件物理特性来起到降噪隔音
效果，如硅胶耳帽、头戴皮套等。
完整地讲，主动降噪耳机基本上是主动降噪与被
动降噪的完美结合；同时，从原理和实际运用上看，没
有好的被动降噪很难做出好的主动降噪耳机。
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2020年第44卷第5期
投稿网址
:
Voice Technolog
语音技术
Y
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100
80
60
40
20
0
-20
-40
21K2K5K10K20K
496 Hz
53.72 dB
图2 典型室内环境噪声频谱
2
基于采集噪声咪位置的主动降噪分类
2.1
前馈式主动降噪
前馈式主动降噪（Feedforward，FF）耳机，特
点：麦克风（FF咪）对耳机外部环境噪声做噪声信
号采集，用耳机扬声器播放反相信号，用以抵消噪
声。性能特色为：降噪频率宽度可以宽，但降噪深
度一般。图3为前馈式主动降噪原理示意图。
噪声MIC FF咪
传递函数
音乐信号Dff
特色：降噪频宽难做宽，但主动降噪的深度可以做
深。原理示意图如图5所示。
噪声
音乐信号
噪声
传递函数
Dfb
ANC芯片
Dff
耳机与
人耳耦合腔体
MIC FB咪
图5 反馈式主动降噪原理示意图
ANC芯片
图3 前馈式主动降噪原理示意图
2.3
混合式主动降噪
混合式降噪（Hybrid ANC）即前馈主动降噪
加后馈主动降噪（FF+FB）。特色：有前馈式主动
降噪（FF ANC）宽度，又有反馈式主动降噪（FB
ANC）的深度。混合式主动降噪原理示意图如图6
所示。
噪声
MIC FF咪
图4为某主动降噪耳机前馈式主动降噪耳机
曲线
2.2
反馈式主动降噪
反馈式主动降噪（Feedback ANC）耳机，特点：
麦克风（FB咪）位于耳机与人耳耦合腔体内，采集
耳机与人耳耦合腔体内的“声音”（此“声音”包含
正常的音乐信号和环境噪声到耦合腔体内的“残留
噪声”），通过降噪芯片处理，达到降噪目的。性能
传递函数
音乐信号
传递
函数
MIC FB咪
ANC芯片
人耳
图6 混合式主动降噪原理示意图
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
2006008001k2k3k4k5k6k8k10k20k
图4 某ANC耳机前馈式主动降噪耳机曲线
投稿网址
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2020年第44卷第5期
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语音技术
典型混合主动降噪调试图如图7所示（依次为
（a）FF降噪曲线、 （b）FB降噪曲线、 （c）
Hybrid降噪曲线）
20
ANC Performance
10
0
-10
-20
-30
-40
10
10
Frequency/Hz
1010
10
10
（a）FF
ANC Performance
Frequency/Hz
降噪曲线
1010
20
ANC Performance
10
0
-10
-20
-30
-40
1010Frequency/Hz1010
1010
（b）FB
Frequency/Hz
降噪曲线
1010
20
ANC Performance
10
-10
0
-20
-30
-40
1010
Frequency/Hz
1010
（c）Hybrid降噪曲线
图7 典型混合主动降噪曲线
从图7可以看出，降噪效果最有优势特色的是
混合式主动降噪。市面主动降噪性能优秀的主动
降噪耳机大部分为混合式主动降噪耳机。
图8为某混合式主动降噪耳机降噪参数与竞
品对比情况。
5
0
-5
PNC
]
B
d
-10
[
airpods pro-PNC
e
r
a
p
-15
m
o
C
-20
>
-
l
e
-25
v
e
L
-30
-35
ANC ON
-40
-45
airpods pro-ANC
-50
200
Frequency/Hz
5001k2k3k5k10k20k
图8 某混合式主动降噪耳机（蓝色）降噪参数与竞品（红
色）对比
3
3.1
主动降噪耳机声学设计流程
声学设计
降噪方式的选择，此决定主动降噪的理论极
限；声学器件的扬声器和麦克风的选型及声学结构
设计（被动降噪设计应包含声学结构设计），此决定
降噪的效果。
3.2
声学测量
按照降噪原理做必要的声学测试步骤计算传
递函数。前馈降噪和反馈降噪各有不一样的测试
步骤和计算方式。
40
2020年第44卷第5期
3.3
滤波器设计
选用合适的滤波器类型，设计调整滤波器参
数，包含滤波器类型、滤波器增益、滤波器
Q
值、滤
波器运用频点。
3.4
降噪性能测试
在标准测试环境中，测试空载曲线、被动降噪
和主动降噪曲线，得出耳机整体降噪曲线。
以上是主要的声学设计步骤，细节上还有很多
特殊的测试及注意事项。综合多家主动降噪芯片
方案，各家降噪原理基本看不出特别的地方，测试
步骤基本一样。
以上步骤是标准流程，可以适量简化；同时，测
试的必要设备完善和测试环境良好是做好产品的
必要条件。开发简化设计及测试在逐步完善，但降
噪性能参数的模拟仿真已经有实例。
4
总结
主动降噪芯片技术还分模拟与数字。模拟主
动降噪芯片技术出现较早，但模拟可控性差，前景
一般；现在已经完全进入数字时代，基本都是使用
数字ANC降噪技术。以上所提到的产品，只是做
原理解释的示例，并不能证明产品本身之优劣。很
多主动降噪芯片的降噪功能还有环境音监听/通透
模式（Passthrough），简单看是前馈降噪的反向运
用，不过在设计运用中还要注意声音的还原度，同
时要避免不必要的增益啸叫。AirPods Pro也有此
功能，好的降噪耳机产品都应该有此功能，此功能
可以让降噪耳机佩戴者在不摘下耳机的条件下自
然地听到环境声，保障安全，也可以在聊天时不摘
下耳机，清晰的与对方自由聊天。
主动降噪耳机技术运用中目前还有两大不足：
一是数据不“靠谱”。究其原因是测试和设计
差异，即降噪数据看似合理，实际降噪效果不好。
不过，对于已熟练掌握主动降噪技术的团队来说，
该问题已经不存在。
二是主动降噪功能会破坏耳机音质，即开主动
降噪和不开主动降噪会导致耳机音质差异大，究其
原因是主动降噪算法设计不到位。如果降噪算法
设计完善，此问题亦可以良好解决。
在主动降噪耳机的选择上，除考虑佩戴方式
外，还可以按个人对降噪的需求如降噪深度和降噪
（
下转第46页
）
投稿网址
:
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oice Technology
squares regression［J］．IEEE Signal Processing Letters，
［9］ 金琴，陈师哲，李锡荣，等．基于声学特征的语言情感识
别［J］．计算机科学，2015，42（9）：24 - 28．
［10］ MURRAY I，ARNOTT J． Towards the simulation of emotion
in synthetic speech: A review of the literature on human vocal
1993，93（2）：1097．
emotion［J］．Journal of the Acoustical Society of America，
［11］ MOORE E，CLEMENTS M A，PEIRFER J W，et al．
Critical Analysis of the Impact of Glottal Features in the
Classification of Clinical Depression in Speech［J］． IEEE
107．
2016，23（5）：585 - 589．
［16］ ALKU P． Glottal Wave Analysis with Pitch Synchronous
Iterative Adaptive Inverse Filtering［J］．Speech
［17］ FANT G，LILJENCRANTS J，LIN Q． A fourparameter
［18］AICHA A B． Voice Source Modelling Using Modified LF
model with reduced parameters［J］．Procedia Computer
［19］ 李昊璇．基于扩展卡尔曼滤波器的声门激励LF模型参数
估计［J］．测试技术学报，2013，27（5）：425 - 430．
［20］ SCHULLER B，STEIDL S，BATLINER A，et al． The
Interspeech 2010 paralinguistic challenge［C］．Interspeech，
［21］ EYBEN F，WOLLMER M． Opensmile - the Munich Versatile
and Fast Open - source Audio Feature Extractor［C］．Proc．
［22］ FERARU S M，ZBANCIOC M D． Emotion recognition for
disgust and boredom states［C］．International Symposium on
［23］ 何凌，黄华，刘肖珩．基于声门特征参数的语音情感识别
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2151．
Signals，2017：1 - 4．
ACM Multimedia，Florence，2010．
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Science，2018，126（7）：413 - 420．
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语音技术
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［12］ 景少玲，毛峡，陈立江，等．汉语双模情感语音数据库标
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2016，24（12）：2507 - 2515．
Transactions on Audio， Speech， and Language Processing，
onBiomedical Engineering，1994，41（7）：663 - 671．
2014（16）：703 - 746．
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目
（61906128，61802272）；江苏省自然科学基金青年基金项
目（BK20180834）。
责任编辑：葛存 收稿日期：2020 - 04 - 12
（
上接第40页
）
舒服体验度进行选择。在实际降噪设计中，降噪深
度和降噪舒服体验度是两个很难兼顾的问题，笔者
认为此是降噪设计的两种风格。一款优秀的降噪
耳机除有优秀的降噪性能外，还应具备以下特质：
一是不对音质产生过多破坏，即不因开与不开主动
降噪而造成较大音质差异；二是耳机不能带有底
噪、风噪、电流声等异常音。兼具以上两点的好产
品并不多，如某B品牌虽然降噪优异，但风噪明显，
同时在静电干扰时，杂音严重影响主动降噪的使用。
整体来说，主动降噪耳机声学设计需考虑的问题比
其他耳机多许多。对于主动降噪耳机来说，并非越
贵越好，也并非便宜就差（当然，从现在的市场产品
看：便宜的主动降噪耳机效果一般不会很好）。
6
结语
由于苹果产品的号召力，主动降噪声学技术必
然兴起。本文只是个人关于主动降噪耳机的部分
研究，希望能够促使主动降噪耳机技术得到更广泛
的运用，带给耳机消费者更好的实用体验。
参考文献：
［1］ 杜功焕，朱哲民，龚秀芬．声学基础［M］．南京：南京大学
出版社，2001．
责任编辑：郭芳园 收稿日期：2020 - 04 - 17
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文献引用格式：费艳锋，曹祖杨，李坚维.关于主动降噪耳机的研究［J］.电声技术，2020，44（5）：38 - 40.
FEI Y F，CAO Z Y，LI J W．Research on Active Noise ReductionEarphone［J］.Audio Engineering，2020，44（5）：38 - 40.
中图分类号：TN643 文献标志码：A DOI：10. 16311
/
j. audioe. 2020. 05. 008
语音技术
关于主动降噪耳机的研究
费艳锋
1
，曹祖杨
2
，李坚维
1
（1.湖南国声声学科技股份有限公司深圳研发中心，广东 深圳 518055；2.杭州兆华电子有限公司，浙江 杭州 311122）
摘要：本文从主动降噪耳机技术工作者的角度介绍主动降噪耳机的原理、分类和设计流程，结合实际对几类主动降噪耳机的
特性做了总结，对主动降噪耳机的技术设计方向和产品的选择做了分析，最后对主动降噪耳机技术现行运用中的两个不足之
处做了详细讲解。
关键词：主动降噪；被动降噪；蓝牙耳机
Research on Active Noise Cancelation Earphone
( Voc Acoustics Technology Co., Ltd. RD Centre Shenzhen, Shenzhen 518055, China;
Abstract:
This paper introduces the principle, classification and design flow of active noise-cancelling earphone from the perspective
of active noise-cancelling earphone technician; Combined with practical application, the paper summarizes the characteristics of
various kinds of active noise-cancelling headphones, and analyzes the technical design direction and product selection of active noise-
cancelling earphones; At last, two deficiencies of active noise reduction earphone technology are explained in detail.
Key words:
active noise cancellation ; passive noise cancelation ; bluetooth headset
ou CRYSOUND Electronics Co., Ltd., Hangzhou 311122, China)
FEI Yanfeng
1
, CAO Zuyang
2
, LI Jianwei
1
2019年10月29日，苹果发布了第三代TWS
蓝牙耳机（AirPods Pro）。最新苹果蓝牙耳机最大
卖点是具有主动降噪功能。主动降噪功能对声学
专业或耳机前沿工作者来说并不陌生，但苹果品牌
有极大的号召力，因而各公司都开始积极研发主动
降噪耳机。传统降噪耳机品牌如BOSE、SONY等
专业耳机公司做了多年的降噪耳机，但一直都无法
取得大的市场份额。而苹果降噪耳机的推出，使得
降噪耳机市场开始蓬勃发展，这必引起极大的市场
响应和关注，如此本人以一声学工作者的角度去分
析主动降噪耳机原理和运用。
本应听到的环境噪声，从而达到降噪的目的。主动
降噪原理示意图如图1所示，图2为典型室内环境
噪声
［1］
频谱。
图1 主动降噪原理图示
被动降噪原理
1
主动、
1.1
主动降噪原理
环境噪声被降噪麦克风采集到，再通过主动降
噪（Active Noise Cancellation，ANC）芯片处理后，
生成一反向180°相位声波，通过耳机扬声器传播
到人耳道，与噪声产生相位差180°，抵消掉人耳
1.2
被动降噪
被动降噪（Passive Noise Cancellation，PNC），
其原理是使用被动器件物理特性来起到降噪隔音
效果，如硅胶耳帽、头戴皮套等。
完整地讲，主动降噪耳机基本上是主动降噪与被
动降噪的完美结合；同时，从原理和实际运用上看，没
有好的被动降噪很难做出好的主动降噪耳机。
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语音技术
Y
120
100
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21K2K5K10K20K
496 Hz
53.72 dB
图2 典型室内环境噪声频谱
2
基于采集噪声咪位置的主动降噪分类
2.1
前馈式主动降噪
前馈式主动降噪（Feedforward，FF）耳机，特
点：麦克风（FF咪）对耳机外部环境噪声做噪声信
号采集，用耳机扬声器播放反相信号，用以抵消噪
声。性能特色为：降噪频率宽度可以宽，但降噪深
度一般。图3为前馈式主动降噪原理示意图。
噪声MIC FF咪
传递函数
音乐信号Dff
特色：降噪频宽难做宽，但主动降噪的深度可以做
深。原理示意图如图5所示。
噪声
音乐信号
噪声
传递函数
Dfb
ANC芯片
Dff
耳机与
人耳耦合腔体
MIC FB咪
图5 反馈式主动降噪原理示意图
ANC芯片
图3 前馈式主动降噪原理示意图
2.3
混合式主动降噪
混合式降噪（Hybrid ANC）即前馈主动降噪
加后馈主动降噪（FF+FB）。特色：有前馈式主动
降噪（FF ANC）宽度，又有反馈式主动降噪（FB
ANC）的深度。混合式主动降噪原理示意图如图6
所示。
噪声
MIC FF咪
图4为某主动降噪耳机前馈式主动降噪耳机
曲线
2.2
反馈式主动降噪
反馈式主动降噪（Feedback ANC）耳机，特点：
麦克风（FB咪）位于耳机与人耳耦合腔体内，采集
耳机与人耳耦合腔体内的“声音”（此“声音”包含
正常的音乐信号和环境噪声到耦合腔体内的“残留
噪声”），通过降噪芯片处理，达到降噪目的。性能
传递函数
音乐信号
传递
函数
MIC FB咪
ANC芯片
人耳
图6 混合式主动降噪原理示意图
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图4 某ANC耳机前馈式主动降噪耳机曲线
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语音技术
典型混合主动降噪调试图如图7所示（依次为
（a）FF降噪曲线、 （b）FB降噪曲线、 （c）
Hybrid降噪曲线）
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ANC Performance
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Frequency/Hz
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（a）FF
ANC Performance
Frequency/Hz
降噪曲线
1010
20
ANC Performance
10
0
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1010Frequency/Hz1010
1010
（b）FB
Frequency/Hz
降噪曲线
1010
20
ANC Performance
10
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0
-20
-30
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1010
Frequency/Hz
1010
（c）Hybrid降噪曲线
图7 典型混合主动降噪曲线
从图7可以看出，降噪效果最有优势特色的是
混合式主动降噪。市面主动降噪性能优秀的主动
降噪耳机大部分为混合式主动降噪耳机。
图8为某混合式主动降噪耳机降噪参数与竞
品对比情况。
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PNC
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airpods pro-PNC
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ANC ON
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-50
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Frequency/Hz
5001k2k3k5k10k20k
图8 某混合式主动降噪耳机（蓝色）降噪参数与竞品（红
色）对比
3
3.1
主动降噪耳机声学设计流程
声学设计
降噪方式的选择，此决定主动降噪的理论极
限；声学器件的扬声器和麦克风的选型及声学结构
设计（被动降噪设计应包含声学结构设计），此决定
降噪的效果。
3.2
声学测量
按照降噪原理做必要的声学测试步骤计算传
递函数。前馈降噪和反馈降噪各有不一样的测试
步骤和计算方式。
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3.3
滤波器设计
选用合适的滤波器类型，设计调整滤波器参
数，包含滤波器类型、滤波器增益、滤波器
Q
值、滤
波器运用频点。
3.4
降噪性能测试
在标准测试环境中，测试空载曲线、被动降噪
和主动降噪曲线，得出耳机整体降噪曲线。
以上是主要的声学设计步骤，细节上还有很多
特殊的测试及注意事项。综合多家主动降噪芯片
方案，各家降噪原理基本看不出特别的地方，测试
步骤基本一样。
以上步骤是标准流程，可以适量简化；同时，测
试的必要设备完善和测试环境良好是做好产品的
必要条件。开发简化设计及测试在逐步完善，但降
噪性能参数的模拟仿真已经有实例。
4
总结
主动降噪芯片技术还分模拟与数字。模拟主
动降噪芯片技术出现较早，但模拟可控性差，前景
一般；现在已经完全进入数字时代，基本都是使用
数字ANC降噪技术。以上所提到的产品，只是做
原理解释的示例，并不能证明产品本身之优劣。很
多主动降噪芯片的降噪功能还有环境音监听/通透
模式（Passthrough），简单看是前馈降噪的反向运
用，不过在设计运用中还要注意声音的还原度，同
时要避免不必要的增益啸叫。AirPods Pro也有此
功能，好的降噪耳机产品都应该有此功能，此功能
可以让降噪耳机佩戴者在不摘下耳机的条件下自
然地听到环境声，保障安全，也可以在聊天时不摘
下耳机，清晰的与对方自由聊天。
主动降噪耳机技术运用中目前还有两大不足：
一是数据不“靠谱”。究其原因是测试和设计
差异，即降噪数据看似合理，实际降噪效果不好。
不过，对于已熟练掌握主动降噪技术的团队来说，
该问题已经不存在。
二是主动降噪功能会破坏耳机音质，即开主动
降噪和不开主动降噪会导致耳机音质差异大，究其
原因是主动降噪算法设计不到位。如果降噪算法
设计完善，此问题亦可以良好解决。
在主动降噪耳机的选择上，除考虑佩戴方式
外，还可以按个人对降噪的需求如降噪深度和降噪
（
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squares regression［J］．IEEE Signal Processing Letters，
［9］ 金琴，陈师哲，李锡荣，等．基于声学特征的语言情感识
别［J］．计算机科学，2015，42（9）：24 - 28．
［10］ MURRAY I，ARNOTT J． Towards the simulation of emotion
in synthetic speech: A review of the literature on human vocal
1993，93（2）：1097．
emotion［J］．Journal of the Acoustical Society of America，
［11］ MOORE E，CLEMENTS M A，PEIRFER J W，et al．
Critical Analysis of the Impact of Glottal Features in the
Classification of Clinical Depression in Speech［J］． IEEE
107．
2016，23（5）：585 - 589．
［16］ ALKU P． Glottal Wave Analysis with Pitch Synchronous
Iterative Adaptive Inverse Filtering［J］．Speech
［17］ FANT G，LILJENCRANTS J，LIN Q． A fourparameter
［18］AICHA A B． Voice Source Modelling Using Modified LF
model with reduced parameters［J］．Procedia Computer
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责任编辑：葛存 收稿日期：2020 - 04 - 12
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上接第40页
）
舒服体验度进行选择。在实际降噪设计中，降噪深
度和降噪舒服体验度是两个很难兼顾的问题，笔者
认为此是降噪设计的两种风格。一款优秀的降噪
耳机除有优秀的降噪性能外，还应具备以下特质：
一是不对音质产生过多破坏，即不因开与不开主动
降噪而造成较大音质差异；二是耳机不能带有底
噪、风噪、电流声等异常音。兼具以上两点的好产
品并不多，如某B品牌虽然降噪优异，但风噪明显，
同时在静电干扰时，杂音严重影响主动降噪的使用。
整体来说，主动降噪耳机声学设计需考虑的问题比
其他耳机多许多。对于主动降噪耳机来说，并非越
贵越好，也并非便宜就差（当然，从现在的市场产品
看：便宜的主动降噪耳机效果一般不会很好）。
6
结语
由于苹果产品的号召力，主动降噪声学技术必
然兴起。本文只是个人关于主动降噪耳机的部分
研究，希望能够促使主动降噪耳机技术得到更广泛
的运用，带给耳机消费者更好的实用体验。
参考文献：
［1］ 杜功焕，朱哲民，龚秀芬．声学基础［M］．南京：南京大学
出版社，2001．
责任编辑：郭芳园 收稿日期：2020 - 04 - 17
46
2020年第44卷第5期
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