消費者選擇配戴主動降噪耳機的目的不同，有人是為避免環境噪音影響音質，或為避免環境噪音而提高音量傷害耳朵聽力，抑或減少長期置身於充滿噪音環境造成聽力逐漸衰退，這些原因皆會促使主動降噪耳機的市場快速成長。本文先介紹降噪耳機的基本認識，之後說明在此應用麥克風選擇的重點方向，並描述麥克風選擇的影響。
被動與主動式降噪技術
被動降噪耳機基本上利用物理特性將外部噪音與耳膜隔開，通過隔絕或是吸音材料阻擋噪音，這種方式對500Hz以上的聲音十分有效，一般可使噪音降低大約15~20dB。被動式降噪對於500Hz以下的效果卻不彰，主要原因是低頻聲波有較長的波長，相對高頻聲波較不容易在傳輸的過程中損耗能量或被吸收；若要加強效果必須使用大量的吸音材料而導致體積過於龐大笨重而價格昂貴，不切實際也不符合經濟效益。
被動降噪另一種實現方式為從結構及音場著手，改變噪音傳遞路徑的空間幾何形狀使聲場阻抗改變而減少噪音傳遞的能量，但是設計完成後的降噪系統若需修改造型，則須額外進行聲學模擬工程而墊高費用。一般而言，被動降噪成本低，低頻噪音降噪效果不佳，且由於使用了高密度的隔絕或是吸音材料，耳機較重佩戴不舒服。
主動降噪的基本觀念是聲音在空氣中傳遞，產生一種與噪音頻譜完全相同、相位相反的波形，疊加之後就可將噪音抵消。這種方式首先要檢測外界噪音傳遞波形特點，利用電路產生相位相反的訊號，再通過高還原度揚聲器輸出可與噪音相抵消的波形。由於不同的聲波對應不同的反相訊號，在麥克風接受的波形並非簡單的一種波形，每個波形的長短以及震動幅度也有所不同，高頻的波形更短、變化更快，聲波傳遞介質來不及動作就被下一段波形所覆蓋，因而較難實現對於1kHz以上頻率的降噪。
主動降噪耳機的技術，利用揚聲器產生噪音訊號相位相反的訊號來達到降低噪音效果，此種方式具有被動式降噪沒有的優點，包含較好的低頻消噪效果，體積小價格便宜，主動降噪更具彈性的設計，使其成為市場應用主流。
主動降噪結構前饋與反饋
前饋結構將收音麥克風暴露在耳機外側的環境噪音中，並與揚聲器做物理性的間隔避開，如果揚聲器和前饋麥克風之間的聲學隔離夠好，那麼採用前饋方式就不影響播放路徑。採用前饋結構時，開發者可以對揚聲器到人工耳的傳遞響應進行聲學分析，以確定在這種結構下噪音在傳到耳朵時會受到什麼影響。開發者可以為這個環境噪音在此結構的轉換函數，利用麥克風和揚聲器之間的應用電路實現。
反饋結構的麥克風位於揚聲器與耳膜之間的位置，能處理耳邊的實際噪音，且會對麥克風周圍設計出靜域(Quiet Zone)的區塊，因此麥克風要離耳膜越近，降噪效果越佳；理論上，如果能接收到耳膜的訊號，才有機會做出完美的反饋結構。麥克風距離揚聲器近最大的好處是，系統增益比較高，相對而言比較容易提高麥克風的降噪率，但壞處則是麥克風飽和的風險也比較高。
前饋結構的麥克風在耳機外側，對外部噪音做一檢測，系統輸出一反相波形，目標在耳膜處產生消除噪音的效果，但卻無從得知實際的降噪率；反饋結構的麥克風在耳機內側，對反相波形輸出的降噪效果作一檢測，可得麥克風周圍的降噪率，卻無法檢測耳膜處的實際降噪效果。前饋與反饋結構可以共同搭配設計成混合結構，但是開發上必須共同考量兩種結構的轉換函數關聯性，開發上的難度會明顯提高。
類比與數位式主動降噪濾波器
類比式主動降噪系統，其主動降噪濾波器是基於放大器與離散元件所組成，整體系統採用特性固定的元件，在量產過程中，各種元件特性有一定程度的要求且不得改變，因此類比式主動降噪的優勢主要在低功耗和降噪頻寬，另外也沒有AD/DA過程降低訊噪比與時間延遲的問題。
數位式主動降噪系統，其主動降噪濾波器基於數位電路。使用者有機會選擇不同的數位濾波器參數組合以實現不同的工作模式。數位系統可以使用演算法對音樂播放路徑上的頻率響應公差進行補償，相對於直接更換頻率響應不足的揚聲器，DSP可以彌補性能的缺失。因此數位式主動降噪的優勢主要在數位濾波器參數可調性和量產良率。
類比式與數位式主動降噪各有所長，但開發者必須選擇一適用形式。
主動降噪耳機開發流程
在降噪耳機的產品概念階段，設計人員必須規畫耳機的主要功能、介面與外觀，評估產品的音質與降噪效果需求，也要評估選用前饋、反饋或混合式的降噪方案，並選定麥克風、揚聲器這些關鍵零組件。選定之後要開發主動降噪濾波曲線，必須進行三項測量，第一項是從揚聲器到人耳的頻率與相位響應，第二項是麥克風單體頻率響應與相位響應，第三項是揚聲器單體頻率響應與相位響應，結合以上量測結果來進行主動降噪濾波器的開發。
下一步在原型設計階段，將主動降噪濾波器的電路與機構模型實際製造出實體原型機，工程師對耳機的聲音與降噪參數與相關周邊被動元件配置進行必要的修改。
最後一步，就是整合修改方案，並且為印刷電路板設計和布局。隨著樣品生產出來，主動降噪轉換函數就能同步完成協調，做好後續生產品質管理，確保耳機產品降噪率的一致性。
麥克風選擇要點
以下針對主動降噪耳機的應用，說明麥克風的選擇要點，接著再說明這樣的選擇方針所帶來的正面影響。
 |
| 圖1 麥克風低頻頻率響應衰減對主動降噪參數配置的影響示意圖 |
低頻頻率響應平坦
主動降噪麥克風主要用於檢測外界噪音傳遞波形特點，而外界(環境)噪音主要是以50~200Hz居多，若麥克風低頻頻率響應產生衰減，則後級必須使用有限階數的電路或運算資源對其補償，實際上很容易產生有缺陷的頻率響應；若麥克風的低頻頻率響應平坦(圖1)，則後級不須額外的電路或處理器運算資源在頻率響應的補償上，會實質有效提高降噪效果(圖2)。
 |
| 圖2 兩家不同麥克風的頻率響應差異比較圖(B曲線是頻率響應在低頻仍能保持平坦；A曲線是頻率響應在低頻即往下降) |
相位響應與感度一致性高
麥克風單體量產的相位響應與感度一致性高(圖3)，有助於主動降噪耳機在生產上的良率明顯提升，由於主動降噪耳機的降噪效果是基於理想的麥克風、控制器、揚聲器、密閉音腔的總體相位響應與感度所做出的配置，當各項元件量產品的一致性高，整體的降噪效果才能較為一致。
 |
| 圖3 兩家不同麥克風的相位響應差異比較圖(上圖為相位一致性高CMOS MEMS MIC；下圖為一般MEMS MIC) |
選擇適合的麥克風優勢
挑選低頻頻率響應平坦，以及相位響應與感度一致性高的麥克風，有助於開發主動降噪耳機產品，並提高主動降噪耳機生產的良率，市場上有少數供應商基於CMOS MEMS製程實現的單晶片MEMS麥克風，結構上就具備優勢而做到相位響應與感度一致性，特別是對主動降噪耳機最重要的相位響應一致性無法倚靠調節(Trimming)進行修正，若選擇CMOS MEMS麥克風進行開發，即可有效的提高主動降噪耳機量產的降噪率與分布一致性。
 |
| 圖4 兩家不同麥克風製作主動降噪耳機的降噪率分布圖 |
圖4為耳機方案商開發主動降噪耳機評估麥克風差異與降噪效果的對比，將不同麥克風組合調適到最佳效果後各試做了一批進行試驗，所得到的降噪率分布圖，其中一種麥克風所實現的主動降噪耳機可以做到較高且集中的降噪率，另外一種麥克風所實現的產品降噪率明顯的分布較為分散。
(本文作者為鑫創科技技術經理)