作者：王佳傑
引言
近年來，TWS耳機在消費電子領域大放異彩，繼蘋果AirPods系列之後，國內各廠商相繼推出自己的TWS耳機，藍海市場迅速轉為紅海市場。而另一方面，傳聲方式另闢蹊徑的骨導耳機也獲得了包括戶外運動愛好者在內的一眾忠實消費者。眾所周知，ANC功能已經是TWS耳機的標配，那麼很自然的問題是，骨導耳機可以做ANC嗎？
先上結論——理論上可行，但目前在工程上很難實現。
一、氣、骨傳聲路徑
所謂氣導傳聲路徑，是指外部聲音經耳廓空間濾波，經由外耳道向內傳播，引起鼓膜振動，繼而帶動中耳室內的聽骨鏈振動，振動最終到達耳蝸，被轉換成基底膜上不同位置的振動，對應不同頻率的聲信號，再由毛細胞轉換成神經脈衝信號傳給大腦。
所謂骨導傳聲路徑，聲源/振動源可來自人體外部也可來自人體內部，這裡主要討論前者。體外骨導傳聲路徑不像氣導一般單一，2019年中科院聲學所唐惠芳在其碩士畢業論文[1]中整理歷史文獻，詳細梳理並總結了骨導傳聲的五條路徑：一是骨導振動引起耳道振動，聲能通過耳道壁輻射出來，再經由氣導路徑傳入；二是骨導振動引起聽骨鏈振動，後續與氣導一致；三是引起耳蝸振動，耳蝸內液體（假設不可壓縮）隨之運動引發聽覺；四是直接引起耳蝸流體運動引發聽覺；五是頭骨振動使腦脊液產生壓力傳遞，經過蝸管使耳蝸流體運動引發聽覺。
由此可見，骨導聲可在氣導傳聲路徑的各中間環節插入，最終引起聽覺。骨導傳聲路徑十分複雜，甚至涉及到生理學、解剖學等內容。在不同場景下，很難確定占主導作用的路徑究竟是哪一種。
二、氣導ANC
氣導ANC分前、反饋兩種控制模式，前饋依賴耳機外側的前饋參考麥拾取外部噪聲，反饋依靠耳機內側的反饋誤差麥拾取耳腔/道內的殘餘誤差信號。控制器係數分固定與自適應兩種，近年來又出現所謂的「半自適應」方式，即根據耳道辨識結果自適應地選取預先設計好的最貼合該類型耳道的固定控制係數。
反饋控制方式，無論固定控制器或（半）自適應控制器，均無法脫離耳機內側的反饋誤差麥工作。
前饋控制方式，若採用固定控制器，可在無誤差麥的情況下工作，因為已預先掌握初、次級通道頻響，對目標降噪點鼓膜的相消干涉效果有充分估計。
圖片源於：百度百科
三、骨導ANC
（1）可行性
首先是可行性，即氣導初級噪聲經過氣導傳聲路徑最終在耳蝸位置產生的響應，同骨導振子產生的次級噪聲經過骨導傳聲路徑最終在耳蝸產生的響應，兩者是否可以抵消？
可喜的是，早在1932年，Von Bekesy[2]就發現若受試者前額放置骨導振子以400Hz單頻振動，再調整同頻率的氣導聲波的幅度和相位，可使受試者感受到的混合聲響度降低。即耳蝸的響應與傳聲路徑無關，各傳聲路徑最終到耳蝸處，都體現為基底膜上的行波，而兩列行波也滿足疊加原理。因此，骨導ANC在理論上是可行的。
反觀氣導ANC耳機，初級噪聲、次級噪聲這兩列聲波都是氣導路徑傳入，其疊加發生在外耳道，在傳至中耳聽骨鏈之前相消干涉便已經發生，並沒有到達耳蝸。
（2）與氣導ANC的異同
與氣導ANC相同的是，骨導ANC的初級噪聲也是自外界氣導路徑傳入。骨導耳機可在耳突附近（最接近耳甲腔的耳道口）設一前饋麥，力求所拾取的噪聲與傳入耳道的初級噪聲相關性最大，以保證降噪效果。
但是，骨導ANC無法設置反饋傳感器，因為兩列行波的疊加發生在耳蝸處，我們總不可能侵入式地在消費者耳內插入一電極來取得耳蝸內的響應情況。
因此，就控制結構而言，骨導ANC最接近氣導ANC的前饋控制方式。那麼問題隨之而來，氣導ANC中無誤差麥的前饋固定控制方式之所以能保證降噪效果，其根本原因在於可提前測得不同人的在不同佩戴條件下的初、次級通道頻響，因此初、次級噪聲在耳膜處的幅變、相變均可提前預估，因此耳膜處的殘餘誤差信號可控。
但是，對於骨導ANC，即便假設骨導耳機在耳突處的前饋麥拾取的噪聲與傳至耳道內的初級噪聲相關性良好，且不同人在不同佩戴方式下此相關性受損不嚴重，且不同人由於耳甲腔、耳道形狀不同對初級通道頻響的改變（在低頻的一定頻率範圍內）是有限的，那麼我們可以假定骨導ANC可掌握初級通道傳函，對初級噪聲的幅變、相變可預估（實際需要大量實測數據去驗證此假設）。然而問題在於，不同人的骨導傳聲路徑差異極大（不同人佩戴同一骨導耳機，由於頭寬窄不一，骨導振子與耳突的貼合壓力不同，且每個人的頭骨、軟組織性質等因素也不同，即便給予骨導振子相同激勵，最終在耳蝸處形成的響應，其幅度和相位也不同），也即次級通道傳函難以掌握，對次級噪聲的幅變、相頻難以預估，最終在耳蝸處的疊加效果難以保證是相消干涉，一旦成為相長干涉則不僅沒有達到降噪效果，加大的振動反而可能損傷毛細胞造成聽力損失。
此即本文開篇所提結論，骨導ANC雖然在理論上可行，但目前在工程上難以實現。
四、討論
（1）雖然骨導ANC的次級通道相比氣導ANC方差大，不存在對不同人的普適通解，但存在針對特定人的特解，只不過需要類似助聽器的較為專業的驗配過程，來逐頻點（顆粒度待定）地量測骨導次級通道的頻響，從而建立對次級噪聲幅變、相變情況的掌握。且從工程角度出發，還需要計入多次佩戴引入的方差，費事費力且專業要求高。此技術路徑決定了骨導ANC難以大規模商業化。
（2）不妨開一下腦洞，在未來，如果技術允許，可在大腦皮層的聽覺區塊附近非侵入式地貼一電極偵知聽覺信號，且能把耳蝸處感知的噪聲分離出來——便可以構造所謂的反饋誤差信號，此電極便是廣義上的反饋傳感器。那麼目前在氣導ANC領域應用廣泛的前、反饋控制策略均可以遷移至骨導ANC領域。
（3）無論對於耳塞式還是耳罩式氣導ANC耳機，兩側可視為獨立，單側耳機的揚聲器的作用範圍僅限於本側，聲音不會跑到異側去，兩側互不干擾。但對於骨導ANC，左側的骨導次級噪聲不僅會引發左耳耳蝸振動，也同樣會引發右耳的耳蝸振動（只不過幅度會小），此即「串聲」現象。因此對於骨導ANC，可能還需要考慮異側振動源的干擾問題，工程應用更加複雜。
五、寫在最後
本文僅為氣導TWS耳機中ANC功能能否遷移至骨導耳機領域，這一趣味問題的一些「天馬行空」般的思考與討論，並不嚴謹，而任何猜測都需要大量實驗數據的佐證及嚴密的邏輯推理。可惜的是，學界往往難以具備業界的硬件條件，與人員配合去做看似不靠譜的想法的實證；業界方面，公司受盈利所限，個人受績效所限，往往不會去推進沒有商業化希望及盈利可能的產品或者技術路徑。筆者希望在未來，中國在產學研相互結合甚至緊密配合這方面能做的更好。
參考文獻：
[1] 唐惠芳. 氣--骨導差異傳遞函數測量及均衡研究[D]. 中國科學院大學.
[2] V BÉKÉSY G. Zur theorie des hörens bei der schallaufnahme durch knochenleitung[J]. Annalen der Physik, 1932, 405(1): 111-136.
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