ANC耳机系列之技术之外的思考

ANC耳机系列之技术之外的思考

作者：王佳杰

引言

2019年以来，笔者对TWS耳机ANC（Active Noise Cancellation，主动降噪）功能的认识逐步深入，角色也从研究生转变为业界工程人员。我愈发认识到，ANC性能的优劣及项目整体状况，并不取决于某个人算法能力是否高超，或某项具体技术是否先进，而与ANC团队成员的协作配合及领导的项目管理能力紧密相关。各厂商ANC团队的领导比我更有资格分享对ANC功能项目管理方面经验、心得与体会，但他们多事务繁忙。我想从有限的观察中，分享一些思考。

一、理论认知水平

理论认知水平直接决定了在ANC功能在开发时的顺利程度。包括但不限于对以下问题的认知及理解：

参考、误差信号相关性与前馈系统理论降噪极限的关系，前馈参考麦的布设位置的选取依据

反馈系统降噪原理，水床抬升原理（伯特灵敏度积分定理），反馈控制理论带宽与延迟之间的关系，反馈误差麦布设位置的选取依据

虚拟传声器策略

混馈控制中混馈降噪量与前、反馈降噪量的关系（详见往期：21dB文章《ANC耳机系列之前馈加反馈等于混馈吗？》）

固定控制器+自适应控制器方案中的自适应控制器，为什么相比于全自适应控制器方案，可以做到阶数更短，收敛更快?

ANC耳机应用场景下，为什么IIR滤波器比FIR更高效（即以更小参、算量取得同等控制性能）?

ANC耳机能量机制

……

前些年深度学习大火，然而由于神经网络可解释性较弱，因此身在业界的工程人员常被大家戏称为调包侠或炼丹师。相比较而言，ANC的应用场景具备较为明确的物理可解释性。但是，如果没有达到一定的理论认知水平，那么ANC工程师也只是调参工程师，同凭借着说不清、道不明的经验干活的炼丹师别无二致——既不能讲明为什么用二阶节，用什么类型的二阶节，也不能阐释为什么改动这个参数而不是那个参数。总之就是改了结果就变好了。

缺少理论基础，调参如同玄学。过程依赖运气，成功如同撞大运，失败也只能继续调。典型场景是在某特定人的特定耳型上调出一个漂亮的降噪量曲线，可以用于展示便欢呼雀跃，但在重复性佩戴测试或多人测试中一旦效果崩坏，又陷入焦灼和自我怀疑的情绪中。且来回测量传函、降噪量，重复指导受试者，重复单调的鼠标点击动作，很容易抹去一个人的斗志，麻痹工程师的头脑，让他疲于应对枯燥的工作，陷入低效的死亡螺旋，而无瑕思考、改进真正重要的控制策略及算法。这样的工作状态，在平时项目不紧张时尚可悠悠度日应付过去，一旦压力来临则手忙脚乱，问题频出，严重则影响对甲方交付，使企业错过机遇，损失订单。

二、组织能力

在TWS耳机应用场景下，ANC功能的一个特性是，每副耳机形状不同，与人群的耳甲腔的贴合程度不同，致使不同人的物理/虚拟初/次级通道频响/时域脉冲数据不可复用，每来一幅新的样机都必须对多人测试传函。且人数规模直接决定了日后产品是否具有广泛优良的性能表现，以及潜在啸叫风险是否可控，比如在500人（性别年龄等因素较为均衡）耳型上获得性能验证的ANC系数组，自然比50人这样小批量群体，更稳定、鲁棒、可靠，更具说服力，在个别人耳朵上出现降噪量严重不足甚至啸叫的概率也会更低。

此特性决定了ANC设计需要多名工程师协同配合，在有限时间内尽可能多地取得多人传函数据并验证、优化ANC策略/算法。如何设计整体工作流程，组织、调配受试者，如何优化、打磨每一个流程细节，取得足量且合格的数据，且减少人力工时开销，降低ANC工程师的烦躁度，提升受试者的愉悦度，都是对ANC工程师的极大考验，而这些统筹、规划能力，实际都隶属于技术之外的项目管理能力。

三、软硬件支持

在软件方面，最好能针对既定工作流开发专属软件——在传函测量、理论/实测降噪量对比观察、二阶节参数自动化求解+后期手动微调、参数写入、周围噪声源控制、被动降噪量测量、ANC开启测降噪量、降噪曲线区局保存等工作环节上，做到一键式、傻瓜式、无脑式操作。这不仅能降低ANC工程师误操作概率，更重要的是，还可以节省他们的脑力、心力、精力与情绪，让他们转而投入更为重要的bug排查工作，或更具挑战性的算法设计任务上去，而不是空耗在鼠标的来回查找、点击上，让公司的薪酬支出更具有价值。

在硬件方面，比如实验平台的搭建与维护，具体到每一个设备的布设位置，每一绺线材的标记都规整、清晰，相对脆弱易坏但对获取结果至关重要的器材比如飞麦最好提前制作多副，大规模测试时用坏及时更换，事后再排查检修，避免浪费测试人员及受试人员的时间。然而国内各厂商，因企业效益及开发成本受限，往往不具备专用消音室，可以让ANC团队长时间独占，那么其他团队如ENC团队在交替使用时，器材的腾退、收纳，下次使用时的重新布置就较为繁琐，也容易变更实验环境引入其他变量。

四、整体规划

此外，ANC设计的不同子模块还存在依赖关系。比如耳机硬件开模先于ANC系数寻优，但在ANC系数寻优的过程中，发现难以优化的频段，又可以反过来指引耳机形体的优化设计（前提是掌握耳机形体与目标传函之间关系，包括但不限于形体、材质、音孔位置及大小）。此外，前馈及反馈麦的布设位置也类似，比如AirPods Max外侧有三个麦克风，ANC的前馈、透传均要用到，因此只有当位置确定之后，才能开始测量传函，初步调节得到ANC系数后得到降噪量，再返回去优化麦克风位置。反复迭代，直至最优。所以当下看到的，外部麦克风数量是三个，且点位分布在前上、后上、下部，也是理论与实验反复验证、渐进式调优的结果。再比如，AirPods Max出音孔位置，内部耳罩内衬材料，分隔前后腔的多孔板的厚度，孔径大小都会影响耳罩内部频响，进而影响ANC设计及音质。

针对存在依赖关系的项目，如何协调个子模块进程，使多个子团队/工程人员的工作成果能互相印证，协同改进，联合优化，最终目的是在有限时间内给出一套完整的甚至性能优良的在市场能打的解决方案，是对ANC团队领导项目管理能力的巨大考验。ANC领导本身最好有技术经历或者懂技术，且理论透彻，熟悉设计流程，深知痛点、难点，才能做出科学合理地安排，包括人员调配，任务排期，把控项目整体进程。

思考

1. 技术人员也应当具备项目管理思维，自己管理自己，可以更高效地规划自己负责的任务内容。与管理者相互理解、密切合作，可以减少内耗，迅速推进项目，缩短研发进程，以更好性能更快抢占市场。

2. 苹果具备丰沛的项目资金、完备的硬件、高水平及人员充足的研发团队，即便需要定制配套软件，也有其他高水平的软件工程师提供强有力的支撑，且能针对一项产品打磨数年，直至它具备开辟市场的性能（AirPods Pro及Apple Watch均如此），而一旦投放便大杀四方，占据极高的市占率，且利润丰厚。国内厂商跟风推进，以较低利润逐步蚕食市场份额，才能分一杯残羹冷炙，煞是可怜。国内团队缺人（国内各高校研究所相关专业毕业的绝对人数较少，且技术人员追逐高薪，随风口浪潮频繁跳槽流动性大）、缺钱（因为研发资金有限）、也缺时间静心打磨产品（都在抢时间追标杆，宁愿做到标杆的80%性能尽快投放，小步快跑，下一代再改进，也不愿再花半年做到90%，结果产品数年更新好多代，没有一代性能惊艳到难以忘却）。从这个角度说，国内距离国际领先水平还是差很远。

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