← 探索新知
ASTERXOR / 探索新知

声音相加,为什么反而更小

两列波可以在某个位置抵消,但让抵消一直成立,要困难得多。

两条方向相反的正弦波围绕中央基线交错。
相加前的两个反向数学信号。没有测量房间或耳机。
探索新知ASTERXOR / LEON LEUNG

多加一个声音,怎么会让原来的声音变轻?

想象空气受到扰动,压力略高于静止时的水平。同一地点、同一时刻,另一种扰动让压力向相反方向改变同样的量。两者相加,结果就是零。抵消的原理简单到可以画出来,而这张图也会告诉我们,现实中的安静为什么难以安排。

抵消,是关于时机的一次对齐。
SUPERPOSITION

空气只留下总和

对于较小的扰动,声压近似满足叠加关系。某个位置的麦克风记录的是所有声音共同产生的结果,而不是每个扬声器各自的一项数值。因此,一次正向压力变化与同样大小的负向变化,可以在那一刻没有净压力变化。这种局部抵消不要求波在所有地方都消失。

计算从一个440 Hz、幅度为1的正弦波开始。第二个信号的频率和幅度相同,只错开半个周期,也就是180度。每个采样点上,一个上升,另一个就同样下降。两个数组相加,得到的线几乎无法与零区分。

三幅图分别显示正弦波、反向波和水平的零值总和。
FIG 01短时间内的两个反向信号及其总和。
TIMING

半个周期,是很具体的一段延迟

440 Hz的一个周期约为2.27毫秒,半个周期约为1.14毫秒。同样的延迟,对其他频率并不都等于半个周期。复杂声音含有许多不断变化的成分,所以这里只匹配一条正弦波,是刻意选择的有利起点。

相位图固定两个信号的幅度,只改变相对时机。同相时,它们相互加强,峰值幅度翻倍;相差180度时,它们抵消。处在两者之间时,总和仍是正弦波,幅度由相位差决定。因此,加上第二个信号,并不必然让声音减弱。

曲线从零度时约1.414下降到180度时的零。
FIG 02相同440 Hz波的均方根幅度随相位差变化。
THE RESIDUE

小小的不匹配,也会留下残余

计算均方根,也就是RMS幅度时,先把采样值平方,求这些平方的平均值,再开平方。这样可以避免正负值互相抹掉。幅度为1的正弦波,RMS约为0.7071。理想抵消的计算只剩约0.000000000000063,这是浮点计算残差,不是物理测量值。

把反向波的幅度降到0.9,残余RMS变成0.07071。保持幅度相同,但与完全反相相差5度,残余则变为0.06169。这是原因不同的两种误差。即使小图上的波形仍很相似,精确匹配也已被破坏。

柱形比较理想抵消、幅度不匹配和相位不匹配。
FIG 03三个受控条件下的残余幅度。
A PLACE IN SPACE

一点安静,不代表整间房都安静

声音传播需要时间。听者移动后,到各个声源的距离通常会以不同幅度改变,新位置上的相对相位也跟着变化。在某处抵消的两列波,可能在另一处相互加强。反射还会增加更多路径,每条路径都有自己的延迟和强度。

因此,这个计算并不声称能让房间静音。它只在一个观察点叠加两个信号,没有模拟墙壁、头部移动或扬声器响应。真实的抵消系统必须处理这些细节,尤其还要在环境声音不断变化时持续发挥作用。

THE ENGINEERING

降噪需要不断更新的估计

主动降噪利用麦克风和处理系统,估计一个在耳边或其他受控区域内有用的反向信号。难点包括时机、声学路径,以及系统本身的限制。可预测的低频声音通常比任意快速变化更容易处理,但具体表现取决于真实设计。

被动隔音做的是另一件事:通过材料和贴合程度减少声音传入。两种方法可以互补。但本文的算术或某个营销名称,都不能证明听力防护效果。面对危险噪声,应使用适用的额定防护设备并遵守说明,不要把主观上更安静当作安全证据。

LISTEN CLOSELY

消失的声音,也有来由

抵消很容易被想象成设备做了一次减法。在空气中,发生的仍是加法。结果之所以出人意料,是因为相加的量会随时间取正值或负值:压力可以高于或低于静止水平。忽略正负号,就看不到这个机制。

真正有用的问题,不只是每个声源有多响,还包括它们在哪里相遇、波峰何时到达,以及匹配保持得多准确。其中任何一项稍有变化,都能把漂亮的零变成可测量的残余。

留一个想法带走

安静可以来自精确对时的叠加。让总和持续足够小,才是工程的难题。