浅析ANC耳机系列之通透模式
本文将聚焦于近年来在anc耳机上日趋重要，但消费者对其原理几乎一无所知的一项功能——声透传。
声透传（transparency/hear-through），在sony系anc耳机上被称为环境声模式，在apple系anc耳机上被称为通透模式。在现实生活中，无须摘下耳机，切换anc模式至通透模式，即可聆听对方说话（虽然这样不太礼貌）；或在通勤时，也可注意包括汽笛声、行车声在内的重要环境声，保障人身安全。
随着apple airpods pro引爆tws耳机市场，声透传功能以其便利性、应用场景广泛性，逐渐受到消费者认可，以致其他厂商在研发anc耳机时，也不得不加入此项功能。但相较于apple系的anc耳机，其他厂商的通透模式在主观听感上总是不太真实。虽然业界的主动降噪设计已日趋成熟，但声透传设计仍有进步的空间，是众多厂商在下一阶段需要追赶apple的技术重点。
**一、透传原理 **
声透传，以布设于耳机外的传声器（可复用前馈降噪所用传声器）拾取环境声，滤波后由耳机扬声器播放，此部分称为电子重放声，与耳机壳体被动防护未隔绝的环境声（不妨简称为被动传声）叠加，最终在人耳鼓膜处形成伪环境声。
有源噪声控制所用滤波器称为控制器，均衡所用滤波器称为均衡器，因此，透传所用滤波器不妨称之为透传器。
在学术上，单麦透传技术早已成熟。在研究早期，它多被称为虚拟现实音频（augmented reality audio, ara）[1]技术，因此透传器也被称为虚拟现实音频混合器（ara mixer）或现场均衡器（live equalizer, liveeq）[2]。
图1 单麦透传原理图（图引自2018, florian denk [3]）
声透传的设计重点在于求解具备优异透传性能的透传器参数，度量指标是伪环境声和真环境声在某种准则下误差最小。由于人耳对相位不敏感，且由于佩戴差异（不同佩戴者耳道、耳廓存在不同，同一佩戴者多次佩戴也可能不同），上式中等式右边的若干传函也难免呈现出差异，在高频尤甚，因此拟合通常仅考虑2khz以下的响应。
值得一提的是，中高频的电子重放声相比于低频的被动传声信号存在相关性，且有延迟。而当两信号相似，且有固定延迟，且声压级相差不大时，会形成梳状滤波效应如图2，带来可听的音色差异。
图2 梳状滤波效应（图引自karolina prawda [4]）
因此透传路径总延迟（由抗混叠、重构滤波、ad/da转换、电子透传器引入）必须被控制在一定量级以下，否则将在听感上带来可听的音色差异。且由于佩戴者判断方向性，须使用到低频声的双耳能量差（ild）和时延差（itd）。因此若时延没处理好，以及双耳声重放增益不一致，也会破坏原有的空间线索，影响佩戴者的空间感知能力。
**二、透传对比 **
本文选取了apple的airpods pro，airpods max以及sony的wh1000xm3三只耳机来研究通透模式，实验在普通房间进行。噪声扬声器播放粉噪，与人工头相隔1m左右。曲线为三次测量均值，并使用matlab的smoothspectrum函数进行了两个倍频程的曲线平滑。
图表 1 单重透传
上图中：黑色实线为噪声源扬声器播放粉噪时，人工头鼓膜处的传声器拾取信号的功率谱；黑色点划线展示了apple airpods pro，apple airpods max和sony wh1000xm3通透模式下，人工头鼓膜处的传声器拾取信号的功率谱。
上图右子图中，红线、蓝线点划线、绿色虚线分别为apple airpods pro，apple airpods max和sony wh1000xm3通透模式营造的伪环境声，相比于真环境声的传输误差。由图可见，在2khz以下，苹果的主动耳塞和主动耳罩传输误差基本小于3db，性能十分优异，但索尼存在较大误差，实际佩戴感也不太真实。
**三、双重透传 **
当你同时拥有了airpods pro和airpods max之后，你可以用它干各种奇怪而有趣的事情，比如同时佩戴形成所谓的airpods pro max，原先耳塞或耳罩的单重透传也就变成了双重透传。
图表 2 双重透传
上图中上部两子图中：黑色实线为噪声源扬声器播放粉噪时，人工头鼓膜处的传声器拾取信号的功率谱；黑色点划线展示了耳塞为apple airpods pro，耳罩分别为apple airpods max和sony wh1000xm3时，耳罩和耳塞都开启通透模式下，人工头鼓膜处的传声器拾取信号的功率谱。
上图中下部两子图中：红线为apple airpods pro通透模式传输误差；蓝线为apple airpods max或sony wh1000xm3通透模式的传输误差；绿线为双重透传时的传输误差（封号代表同时佩戴）；绿色虚线为单重透传的传输误差的叠加（加号代表叠加，虚线代表并非真实测得）。
由图可见，在3khz以下的频段，双重透传的传输误差基本是单重透传传输误差的叠加。但在其上的高频，呈现出较大差异。分析原因如下：
耳罩透传器原本设计的传输末端在鼓膜，双重透传时其实只传到了耳塞的前馈传声器处，便由耳塞接过透传的“接力棒”，继续向耳道内传输。对耳罩而言，耳罩的扬声器至耳道口和至鼓膜的传函，在3khz以下应无较大分别，在3khz以上则由于高频声在耳道传递过程中发生较大变化，最终呈现出较大差别，致使双重透传不再是单重透传传输误差的叠加。
**四、多麦透传 **
airpods max左耳罩有三处开孔，共有四枚传声器，左前开孔较大，有两枚传声器。右耳罩有三处开孔，共有三枚传声器。佩戴并调至通透模式，手指划过各个孔位，可听到摩擦音。这说明至少有六枚传声器被用于透传模式。若推测左右用于透传模式的传声器数量相同，则单侧有三枚传声器被用于透传模式。
学术上理论推导最优透传公式，是针对单麦透传的，那多麦最优透传是什么呢？我的猜想是，在指向性较强的声场景下，多麦是否可以做doa估计，然后选择该方向角度下，预先设计好的最优透传器，以求该方向的声音最清晰地透入进来？但此方案在研发之初就需要探明：
（1）从客观谱误差、主观听感两方面入手，评估多方向角度透传，相比于单角度透传，是否具有性能提升。如无提升或不足以感知，则预研意义不大。若有明显提升，随空间网格选点数上升，感知性能存在边界。边界之外再增加网格选点数量，则存在边际效应递减现象。因此，要在网格选点数和性能感知之间做权衡。
（2）如何做依赖于装置（device-specific）的多麦doa估计，其估计精度、响应时间、追踪速度、鲁棒性，是否满足实际落地应用时的各项指标要求。
（3）空间网格点选取位置及数量（人类对水平正前方定位精度最高，对两侧定位精度较低，因此合适空间网格选点可能并不是均匀分布的）。
此外，我曾佩戴着apple airpods max并调至通透模式骑车，基本听不到风噪声，表现比sony wh1000xm3要好。推测多麦方案对于消除风噪也有增益。
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随着apple airpods pro引爆tws耳机市场，声透传功能以其便利性、应用场景广泛性，逐渐受到消费者认可，以致其他厂商在研发anc耳机时，也不得不加入此项功能。但相较于apple系的anc耳机，其他厂商的通透模式在主观听感上总是不太真实。虽然业界的主动降噪设计已日趋成熟，但声透传设计仍有进步的空间，是众多厂商在下一阶段需要追赶apple的技术重点。
**一、透传原理 **
声透传，以布设于耳机外的传声器（可复用前馈降噪所用传声器）拾取环境声，滤波后由耳机扬声器播放，此部分称为电子重放声，与耳机壳体被动防护未隔绝的环境声（不妨简称为被动传声）叠加，最终在人耳鼓膜处形成伪环境声。
有源噪声控制所用滤波器称为控制器，均衡所用滤波器称为均衡器，因此，透传所用滤波器不妨称之为透传器。
在学术上，单麦透传技术早已成熟。在研究早期，它多被称为虚拟现实音频（augmented reality audio, ara）[1]技术，因此透传器也被称为虚拟现实音频混合器（ara mixer）或现场均衡器（live equalizer, liveeq）[2]。
图1 单麦透传原理图（图引自2018, florian denk [3]）
声透传的设计重点在于求解具备优异透传性能的透传器参数，度量指标是伪环境声和真环境声在某种准则下误差最小。由于人耳对相位不敏感，且由于佩戴差异（不同佩戴者耳道、耳廓存在不同，同一佩戴者多次佩戴也可能不同），上式中等式右边的若干传函也难免呈现出差异，在高频尤甚，因此拟合通常仅考虑2khz以下的响应。
值得一提的是，中高频的电子重放声相比于低频的被动传声信号存在相关性，且有延迟。而当两信号相似，且有固定延迟，且声压级相差不大时，会形成梳状滤波效应如图2，带来可听的音色差异。
图2 梳状滤波效应（图引自karolina prawda [4]）
因此透传路径总延迟（由抗混叠、重构滤波、ad/da转换、电子透传器引入）必须被控制在一定量级以下，否则将在听感上带来可听的音色差异。且由于佩戴者判断方向性，须使用到低频声的双耳能量差（ild）和时延差（itd）。因此若时延没处理好，以及双耳声重放增益不一致，也会破坏原有的空间线索，影响佩戴者的空间感知能力。
**二、透传对比 **
本文选取了apple的airpods pro，airpods max以及sony的wh1000xm3三只耳机来研究通透模式，实验在普通房间进行。噪声扬声器播放粉噪，与人工头相隔1m左右。曲线为三次测量均值，并使用matlab的smoothspectrum函数进行了两个倍频程的曲线平滑。
图表 1 单重透传
上图中：黑色实线为噪声源扬声器播放粉噪时，人工头鼓膜处的传声器拾取信号的功率谱；黑色点划线展示了apple airpods pro，apple airpods max和sony wh1000xm3通透模式下，人工头鼓膜处的传声器拾取信号的功率谱。
上图右子图中，红线、蓝线点划线、绿色虚线分别为apple airpods pro，apple airpods max和sony wh1000xm3通透模式营造的伪环境声，相比于真环境声的传输误差。由图可见，在2khz以下，苹果的主动耳塞和主动耳罩传输误差基本小于3db，性能十分优异，但索尼存在较大误差，实际佩戴感也不太真实。
**三、双重透传 **
当你同时拥有了airpods pro和airpods max之后，你可以用它干各种奇怪而有趣的事情，比如同时佩戴形成所谓的airpods pro max，原先耳塞或耳罩的单重透传也就变成了双重透传。
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由图可见，在3khz以下的频段，双重透传的传输误差基本是单重透传传输误差的叠加。但在其上的高频，呈现出较大差异。分析原因如下：
耳罩透传器原本设计的传输末端在鼓膜，双重透传时其实只传到了耳塞的前馈传声器处，便由耳塞接过透传的“接力棒”，继续向耳道内传输。对耳罩而言，耳罩的扬声器至耳道口和至鼓膜的传函，在3khz以下应无较大分别，在3khz以上则由于高频声在耳道传递过程中发生较大变化，最终呈现出较大差别，致使双重透传不再是单重透传传输误差的叠加。
**四、多麦透传 **
airpods max左耳罩有三处开孔，共有四枚传声器，左前开孔较大，有两枚传声器。右耳罩有三处开孔，共有三枚传声器。佩戴并调至通透模式，手指划过各个孔位，可听到摩擦音。这说明至少有六枚传声器被用于透传模式。若推测左右用于透传模式的传声器数量相同，则单侧有三枚传声器被用于透传模式。
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