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高中物理机械振动知识点总结 机械振动与机械波

随着Airpods Max的流行，降噪耳机这个词也逐渐进入大众的视野 。主动降噪、被动降噪等一系列名词引起了人们的关注 。
那么，降噪耳机的工作原理是什么呢？主动降噪和被动降噪怎么样？下面，让边肖为你解答以上问题 。
一个
降噪的实现
降噪耳机是利用技术手段降低噪音的耳机 。他们的技术可以分为两类:一类是被动降噪技术，通过耳罩对耳朵良好的包围结构，形成一个封闭的空空间；另一种是通过电子技术抵消噪音的主动降噪技术 。
被动降噪技术对隔离高频信号有很好的效果，但对低频噪声效果不好 。而我们生活中的噪声多在低频段，所以被动降噪效果非常有限 。目前降噪效果好的耳机一般都是混合降噪，即同时采用主动降噪技术和被动降噪技术 。
被动降噪技术主要是通过环绕耳朵形成一个封闭空的房间来隔绝外界环境，或者使用硅胶耳塞等隔音材料来阻隔外界噪音 。这种隔音效果完全靠物理结构实现，成本一般较低 。
另外，由于结构封闭，长时间佩戴会引起耳朵不适 。而且硅胶耳塞的耳机还会产生听诊器效应(即耳塞线或单元受到外界冲击或空空气摩擦，产生的振动通过耳塞线直接传递到耳道，产生令人不愉快的摩擦声) 。
主动降噪技术也叫主动降噪，是利用麦克风对环境噪声进行采样，经过数据处理后，发出与噪声相位相反的声波来抵消噪声 。
主动降噪技术采用声波叠加抵消的原理 。基于这个原理，首先必须通过麦克风采集周围环境的噪声信号 。所以我们在使用主动降噪耳机的时候，会发现机身上有一两个孔，这两个孔的位置就是拾音麦克风的位置 。
主动降噪耳机目前有很多技术和不同的算法来实现更精准的降噪功能，比如闭环系统、开环系统、自适应主动降噪耳机系统等 。
主动降噪原理示意图
来源丨主动降噪耳机的研究
2
主动降噪的物理原理
为了更好的理解声波的相消干涉，我们先来了解什么是声波 。
声波来自机械振动产生的机械波，可以在弹性介质中传播 。机械波的产生首先要有一个机械运动的物体，即波源；其次，必须有一种弹性介质能够传播这种振动 。
在弹性介质中，如果波源激发的纵波频率在20Hz ~ 20Hz ~ 20000Hz之间，可引起人的听觉 。引起人听觉的声波不仅有频率范围，还有声强范围 。声强的单位是贝尔，但是这个单位太大了 。通常，我们使用我们更熟悉的分贝(dB) 。
听觉范围
来源:普通物理学
声波也遵循波的叠加原理 。在几个波相遇的区域，一个质点在任何地方的振动都是每个波在该点单独引起的振动之和 。这个定律就是波的叠加原理 。然而，波的叠加原理只在波的强度不太大时才有效 。
【高中物理机械振动知识点总结 机械振动与机械波】波叠加原理示意图
来自腾讯
三
波的干涉现象
我们只考虑频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个简谐波的叠加 。当两个波在空之间的任意一点相遇时，该点的两个分振动具有恒定的相位差 。但是对于空之间的不同点，有不同的相位差 。
因此，在空之间的某些点，振动总是加强，而在其他点，振动总是减弱或完全抵消 。这种现象叫做干涉 。
声波的干扰类似于下图中水波的干扰 。在波峰和波谷重合的地方，两个波的相位相反，组合振幅最小，波动强度甚至可能为零 。
很容易想到，如果用两个频率相同、振幅相同、相位相反的波，那么这两个波应该是互相抵消的 。这是主动降噪耳机使用的相消干涉原理 。
水波的干扰
来自腾讯
破坏性干扰信号
来源丨浅谈主动降噪耳机技术
四
降噪耳机的一些缺点
近年来，虽然耳机的主动降噪技术有了明显的提高，但仍有一些不足之处需要解决 。首先我们要明白，降噪过程并不是消除电路中的噪声，而是利用声学原理在特定空区间内消除噪声 。
如果主动降噪系统设计不完善，产生的抗噪声信号与外界环境噪声叠加而不是相互抵消，那么噪声不是降低了，而是增加了 。
对于主动降噪耳机的用户来说，高品质的主动降噪耳机价格更贵，同时由于耳机内部需要的器件很多，会增加耳机的重量 。此外，一些主动降噪耳机在处理低频环境下快速变化的噪音时可能会失败，从而导致“嘶嘶”的电流声 。
Airpods Pro的流行无疑掀起了耳机更换的热潮，但如今的降噪耳机并不能达到真正意义上的“完美降噪” 。比如对人声要求最高的降噪，基本都是通过耳机被动降噪来实现的 。
其实耳机里的降噪系统并不能应对所有的噪音环境，总有难以处理的情况 。这也是主动降噪耳机企业需要解决的主要问题 。
综上所述，目前的降噪耳机通常只对低频噪音有较好的效果，但对于人声等高频声源，市面上没有一款耳机能高效处理 。所以在室内和乘坐车辆时，如果想降低一些低频的环境声音，买一个降噪耳机是个不错的选择 。
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