了不起的物理

4 降噪耳機如何降噪?

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在高鐵和飛機上,我們經常會碰到小孩子啼哭、吵鬧的情況,這種環境相信大部分人都是難以忍受的。有一種產品能夠很好地緩解這個問題,那就是降噪耳機,降噪耳機可以說隻要一戴上,世界立刻就清淨了。

降噪耳機之所以那麽神奇,是因為它用到了聲波的“疊加原理”,利用聲波之間的幹涉現象,抵消了外部噪音。

我們知道,聲波本質上是介質在進行機械振動,初中物理課本告訴我們,聲波一般是縱波,但是為了方便理解,我們在這裏用橫波進行討論。橫波的形狀,我們可以粗略地理解為正弦波,有波峰和波穀。如果有兩束波傳播到同一個地方,這個地方的聲音介質要如何運動呢?它的運動滿足波的疊加原理,介質在某處的運動情況等於若幹束波在該地振動情況的疊加。譬如,波峰遇到波峰或者波穀遇到波穀時,該地的運動幅度就是兩束波的振幅相加,如果是波峰遇到波穀,這個地方的運動幅度就會減小,就是兩束波的振幅相減。這種若幹束波打到同一個地方會產生疊加效果的行為,就叫作波的幹涉現象。

降噪耳機的原理正是利用了波的幹涉。兩束完全一樣的聲波打到你的耳朵裏,如果是波峰和波峰相遇、波穀和波穀相遇,你聽到的音量就是原來的四倍,因為聲音的能量與聲波振幅的平方成正比,振幅變成兩倍,能量就是原來的四倍。如果是波峰跟波穀相遇,就正負相抵,這個聲音的振幅是0,你就會覺得非常安靜,因為聲音被完全抵消了。

降噪耳機不光有喇叭,還有一個麥克風,這是為了捕捉周圍的噪音。捕捉到噪音的信息以後,再經過耳機內部芯片的處理,就會向你的耳朵發出一個反相位的聲波。所謂反相位,就是它發出的聲波跟外部噪音的聲波振動情況剛好相反,這樣的話,外部聲波的波峰進入你耳朵時,就會遇到一個跟它振動情況完全相反的聲波波穀。同理,外部聲波的波穀進入你耳朵時,會遇到一個跟它振動情況完全相反聲波的波峰,這樣一來,耳朵最後接收到聲波的強度就被大大削弱了,所以你會覺得特別安靜。