您是否曾在戴上耳機的瞬間，周遭捷運的轟鳴、辦公室的鍵盤聲、咖啡廳的嘈雜人聲彷彿被按下了靜音鍵？這神奇的體驗，正是「主動降噪 (Active Noise Cancellation, ANC)」技術的功勞。這項技術不僅僅是降噪耳機的核心，更是現代聲學工程的奇蹟！
許多外部噪音，如鄰居的吵鬧、機器的震動和電話會議的閒談，都嚴重影響了我們生活中的聽覺體驗。本文將為您完整介紹「主動降噪」，這是一套專門為消除噪音而設計的尖端技術。如同其名稱，主動降噪會主動地透過產生一種「反向噪音」來精準抵消原始的噪音，其核心原理如 Fig. 1 與 Fig.2 所示。
這項技術完美融合了適應性信號處理和數字信號處理（DSP）。然而，要將其應用於真實世界，還需克服許多挑戰，如二次路徑效應和聲學反饋問題等，這些更為複雜的議題，我們會在後續內容深入探討。
主動降噪 vs. 被動降噪
主動降噪技術的發展日新月異，不僅因為它能夠有效地控制惱人的低頻噪音，也因為它在尺寸、重量和成本上具有明顯優勢。
傳統上，我們採用被動降噪方式，如厚重的隔音牆、耳塞和消音器來降低噪音。儘管這些物理隔絕方法在高頻段（如尖銳的說話聲）表現優異，但在處理穿透力強的低頻噪音時卻效果有限。因此，主動降噪技術近年來受到大量研究，並在各行各業中展現出極大的應用潛力，成為現代噪音控制的首選方案。
主動降噪技術的四大核心應用領域
主動降噪技術憑藉其卓越的降噪效能，在多個領域中得到廣泛應用，包括汽車、工業、運輸和商業。以下將簡述其在各領域的應用：
1. 汽車領域：移動的私人靜謐空間
當汽車行駛時，其噪音源繁多，如引擎聲、排氣聲、空調運轉、路面振動以及其他機械設備。主動降噪技術可顯著降低車內的環境噪音，提升駕駛與乘坐的舒適度。若結合先進的麥克風/揚聲器陣列技術，甚至可在車內特定座位實現更極致的靜音效果，儘管這也增加了系統成本和計算需求。
2. 工業領域：工作者的聽力健康
工業場所中的主動降噪應用相較於汽車來得更為簡單，主因是其所需控制的噪音多為週期性噪音（如固定轉速的風扇或馬達），這種規律的噪音相對於隨機噪音更易於預測與抵消。此技術經常被運用於大型風扇、通風管道、發電機等設備。特別值得注意的是，為保護長時間在噪音環境工作的員工聽力，許多工廠也已導入主動降噪技術作為聽力保護方案。
3. 運輸領域：開放環境的降噪挑戰
對於飛機、船隻、摩托車及其他交通工具所產生的環境噪音，主動降噪提供了一套有效的解決方案。但在此類應用中，主動降噪面對的挑戰更大，因為需要在相對開放的環境中抑制特定範圍的噪音，技術難度更高。
4. 商業領域：降噪技術的完美體現
在商業產品中，降噪耳機無疑是主動降噪技術最成功的應用典範。它允許用戶在如捷運、飛機這樣的嘈雜環境中，仍能享受清晰沉浸的聲音體驗，無論是聆聽音樂、看電影或玩遊戲，降噪效果均極為顯著，是現代都市人不可或缺的科技良伴。
如何分類主動降噪技術？
主動降噪可依其處理的噪音頻率範疇，分為寬頻 (Broadband) 和窄頻 (Narrowband) 兩大類。
寬頻主動降噪：專門對付頻率範圍較廣的隨機噪音（如風聲、路噪），其核心建立在 Filtered-x LMS (FxLMS) 演算法上，並可進一步細分為前饋、反饋及混合型。
窄頻主動降噪：專注於消除特定基頻及其諧波的週期性噪音。
模態匹配主動降噪：另一種較為複雜的分類，此處暫不詳述。
以下將分別針對這兩大主流算法進行簡述。
A. 寬頻主動降噪
無論是前饋、反饋或混合型主動降噪，其核心都是 FxLMS 演算法，此算法通常運用兩支麥克風與一支揚聲器，透過最小均方演算法 (LMS) 的方法即時計算出最佳的消噪訊號。然而，原始的 LMS 演算法需要經過調整，以適應二次路徑的物理效應。
為了確保算法能正確收斂，系統會利用二次路徑估計模型 S(z) 來預先過濾錯誤信號。目前大量研究都建議採用 FxLMS 演算法來應對主動降噪中的二次路徑效應。下方的圖3~圖5，呈現了三種基本寬頻主動降噪的架構。
Figure 3. Architecture of Feedforward ANC System
Figure 4. Architecture of Feedback ANC System
Figure 5. Architecture of Hybrid ANC System
B. 窄頻主動降噪
窄頻與寬頻主動降噪最大的不同，在於窄頻主動降噪可以針對週期性噪音進行高效處理，而無需嚴格考量因果關係。傳統窄頻主動降噪主要是透過非聲學感測器去捕捉噪音的基頻，再用適應性濾波器生成精準的消噪訊號。
單頻主動降噪：在工業領域，許多噪音如引擎或風扇，會發出特定頻率的噪音及其諧波。單頻主動降噪會用加速計等感測器去捕捉此基頻 f0，接著用信號發生器輸出一相位相反的正弦波進行抵消。此算法也採用了圖6中的FxLMS架構。
多頻主動降噪：此技術用於處理由多種單一頻率組成的噪音源。其運作概念與單頻相似，結構可參考圖7。
主動降噪技術常見的三大挑戰
儘管主動降噪原理看似簡單，但在實際應用中，工程師必須克服以下三大技術挑戰：
1. 無法忽視的次級路徑效應
參考圖 1 的架構，理想的降噪是讓反向噪音完美抵銷原始噪音。但現實中，反向噪音從揚聲器發出後，會經過空間傳播、數位類比轉換、濾波器、功率放大器等一系列複雜的電子與聲學路徑，最終才到達偵測效果的「錯誤麥克風」。這整條路徑被稱為次級路徑（如圖 8），它會對反向噪音信號造成延遲與失真，若不加以補償，將嚴重影響降噪效果。
2. 與時間賽跑的因果性問題
在執行即時的主動降噪時，必須滿足物理上的因果性 。
簡單來說，系統產生反向噪音的速度，必須快於原始噪音傳播到抵消點的速度。這包含了 DSP 晶片的運算延遲、硬體處理延遲以及聲音在空氣中傳播的延遲。舉例來說，當參考麥克風與錯誤麥克風之間距離為 10 公分時，聲音傳播約需 0.3 毫秒 (ms)，整個系統必須在這極短的時間內完成偵測、計算與播放，才能確保主動降噪的性能。這也意味著主動降噪對硬體性能有著相當高的要求。
3. 聲學反饋
聲學反饋是主動降噪系統的一大夢魘。當反向揚聲器發出的反向噪音被前端的參考麥克風再次偵測到時，就會形成一個閉環迴路。
這個不必要的回授信號會干擾系統的判斷，導致演算法無法收斂，甚至產生嘯叫聲，最終使主動降噪效能大幅降低或完全失效。解決此問題的常用方法是導入反饋消除 (Feedback Cancellation) 技術，這也是聲學迴音消除 (Acoustic Echo Cancellation) 中採用的核心方法，詳情可參照圖 9。
如何挑選最適合你的主動降噪耳機？
了解了主動降噪的運作原理和分類後，當我們面對市面上琳瑯滿目的降噪耳機時，該如何做出選擇？從數千元到上萬元的產品，它們的降噪效果真的有差嗎？別擔心，根據上面介紹的技術知識，我們可以歸納出幾個關鍵的選購要點，幫助你找到命定的那副耳機。
辨識降噪架構：前饋、反饋還是混合式？
我們在前面提到了寬頻主動降噪的三種主流架構，這直接關係到耳機的降噪深度與廣度：
前饋式 ： 麥克風在耳罩外側，能快速偵測環境噪音並處理。這是較基礎的降噪方案，對高頻噪音的處理稍好，但可能無法完美修正你實際聽到的聲音。
反饋式： 麥克風在耳罩內側，能偵測你耳朵實際聽到的聲音，並進行精準校正。它對風噪等外部干擾較不敏感，但在處理高頻噪音上較為遜色。
混合式： 這是目前高階降噪耳機的主流方案。它結合了前饋與反饋麥克風，同時偵測外部環境噪音與耳內殘留噪音，透過強大的晶片演算法進行整合處理，達到最深、最廣的降噪效果。如果你的預算允許，追求極致的靜謐體驗，搭載混合式主動降噪的耳機無疑是首選。
思考你的主要使用場景
給頻繁通勤與旅行者： 你需要的是最強效的低頻噪音消除能力，用以對抗飛機引擎、捷運或巴士的持續轟鳴。建議優先選擇搭載混合式主動降噪的頭戴式耳機，其物理隔音（被動降噪）效果通常也更佳。
給辦公室或咖啡廳工作者： 在這種環境下，你需要過濾的是人聲、鍵盤敲擊聲等中高頻噪音。雖然主動降噪對這類噪音效果有限，但優質的混合式降噪依然能顯著降低干擾，幫助你維持專注。
給運動或日常使用者： 入耳式降噪耳機（真無線耳機）的便利性與穩固性會是你的首選。它們的降噪效果雖可能不及頂級頭戴式耳機，但足以應付多數日常場景，且通常具備「通透模式」，讓你無需取下耳機也能感知周遭環境，確保安全。
哪些降躁耳機品牌值得關注？
Sony 和 Bose 可說是消費級主動降噪領域的兩大巨頭，長年來在降噪深度與音質調校上不斷競爭，是追求頂級降噪性能的用戶時常比較的品牌。
Apple (AirPods Pro/Max) 則憑藉其強大的晶片運算能力和與自家生態系統的無縫整合，提供了極為智能且自然的降噪與空間音訊體驗。
其他如 Sennheiser、Anker Soundcore 等品牌，也分別在音質或性價比方面提供了非常有競爭力的降噪產品。
最終，最好的降噪耳機，往往是能符合你預算、裝置、佩戴舒適、且在你的主要使用場景下降噪效果最滿意的那一款。建議在了解技術原理後，親自到實體店面試聽體驗，感受世界瞬間變安靜的魔法吧！
參考
- [1] K. H. Liu, L. C. Chen, T. Ma, G. Bellala, and K. Chu, “Active Noise Cancellation Project,” EECS 452, Winter 2008.
- [2] S. M. Kuo and D. R. Morgan, “Active noise control: a tutorial review,” in Proceedings of the IEEE, vol. 87, no. 6, pp. 943-973, June 1999.
- [3] KUO, Sen M., et al. Design of active noise control systems with the TMS320 family. Texas Instruments, 1996.
- [4] 李昆哲與林仲廉，“應用主動式噪音控制技術於勞工作業空間降噪效能之探討＂，勞動部勞動及職業安全衛生研究所，2018。
