降噪耳機為什麼能消除聲音？
― 「加上一個聲音，把聲音抵消」的巧思
在電車或飛機上戴起有降噪功能的耳機，轟隆隆的低沉引擎聲，一下子就安靜下來。和只是塞住耳朵的一般耳塞不同，它並不會讓所有聲音都消失，卻能把那種低沉的嗡嗡聲乾淨地消除。這是因為它不是把聲音擋住，而是「加上」另一個聲音來抵消。
當你打開降噪功能的那一瞬間，或許有過這種感覺：周圍轟隆隆的低沉聲音，彷彿被轉小了音量旋鈕一樣變小了。
奇妙的是，耳朵周圍的狀況其實什麼都沒變。耳機實際塞住耳朵的程度相同，卻只有某一類聲音（低沉的引擎聲或抽風機的聲音）像被鎖定一樣，一下子消失了。
如果不是把聲音擋住，到底發生了什麼事呢？
聲音是空氣的壓力反覆變高、變低的波。
加上一個波峰和波谷剛好與原本聲音相反的波，兩個波會互相抵消，幾乎不見。
降噪耳機，就是用電子電路人工製造出這種「波的互相抵消」的技術。
聲音是空氣壓力振動形成的「波」
聲音的真面目，是空氣壓力反覆變高、變低的振動。敲鼓時空氣會振動，這個振動以波的形式傳到耳朵，使鼓膜晃動，我們就因此感受到聲音。
波有波峰（壓力高的部分）和波谷（壓力低的部分）。和讓音調聽起來改變的都卜勒效應一樣，聲音是以看不見的波在空氣中傳遞。
加上完全相反的波，波就會消失
這正是降噪的核心。把某個波，和波峰與波谷剛好對調的波（反相波），在同一處同時相加，波峰會被波谷抵消，波谷會被波峰抵消，幾乎變成平坦。這稱為「相消干涉」，也就是「因反相而互相抵消」。
有降噪功能的耳機上，裝有朝向外側的小型麥克風。這個麥克風收錄周圍的噪音，內部的電子電路再在極短的時間內，算出並製造出與該噪音波峰、波谷剛好相反的「反相聲音」。然後由喇叭播放這個反相聲音，據說就能在鼓膜前方，與原本的噪音互相抵消。
也就是說，它不是從物理上把聲音擋住，而是「用相反的聲音去撞擊，加以抵消」。這就是為什麼耳朵被塞住的程度沒變，卻只有特定的聲音變安靜了。
而是在原本的聲音上，加上完全相反的聲音，讓它聽不見。
為什麼低音容易消除，高音卻不容易？
降噪功能對引擎聲、抽風機聲這類低沉而持續的聲音很有效，但已知對人的說話聲，或餐具碰撞的高音效果不大。
原因在於，從麥克風收到聲音，到製造並播放反相聲音，中間需要極短的時間（處理延遲）。相對於聲波振動一次所需的時間（週期），當這個處理延遲大到無法忽略時，反相的時機就會錯開，無法順利抵消。
低音振動一次所花的時間較長，所以即使有些許處理延遲，時機的偏差也不明顯，比較容易抵消。相反地，高音振動一次很快就結束，同樣的處理延遲，相對上就會造成很大的時機偏差，因此比較難抵消。實際上到多高的音還有效果，我們在下一個摺疊區塊用數字來確認。
降噪是減弱特定持續聲音的技術，並不是把周圍所有聲音都消除的技術。突然出現的聲音（喇叭聲、有人叫你等）不容易抵消，仍會照常聽見。步行或騎自行車時，需要留意周圍聲音的場合，請先了解這項功能的特性再使用。
自己可以確認的事
- 準備好可以用兩台裝置同時播放同一首音樂或同一個聲音的智慧型手機（如果沒有，用一台裝置加喇叭，也能作為觀察的線索）
- 如果有降噪耳機，請在安靜的房間裡切換開啟與關閉，比較抽風機或冷氣的聲音有什麼變化
- 比較低沉而持續的聲音（抽風機、冷氣聲）和高而短促的聲音（彈指聲、餐具聲），聽聽看效果是否不同
如果你覺得低沉而持續的聲音明顯變得更安靜，就表示你親身體驗到本文所說的「低音比較容易抵消」這個特性。
總結
降噪是不從物理上擋住聲音，而是製造出與麥克風收到的噪音剛好相反的波（反相聲音），在鼓膜前相加而抵消的技術。處理雖然只需要極短的時間，但仍然需要時間，所以振動一次較久的低音比較容易抵消，振動很短的高音則比較難抵消。
降噪不是創造寂靜的魔法。
它是讀懂波，再打出正好相反的一擊，是一場精密的時機較量。
想知道更多的人 ― 名詞、數值，以及與課本的關聯從國中理化到研究中的話題，都清楚標明屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「基礎物理」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或課本中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（訊號處理、聲學工程）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者仍在探討的話題
國中名詞：與波和聲音有關的詞彙
- 波：某處的狀態（這裡指空氣壓力）週期性地反覆變化並向外傳遞的現象。
- 振幅：波峰的高度（振動的大小）。在聲音中，對應聲音的大小。
- 週期：波振動一次所需的時間。
- 頻率：1 秒內振動的次數。是週期的倒數，單位是 Hz（赫茲）。
高中用算式確認：到多高的音才能抵消？
比較麥克風收到聲音、到播放反相聲音之間的處理延遲，和聲音的週期，就能估算出可以順利抵消的音高大致範圍。
週期 ＝ 1 ÷ 頻率
| 週期 | 波振動一次的時間。單位是秒 |
| 頻率 | 1 秒內振動的次數。單位是 Hz |
| 處理延遲 | 從麥克風收到聲音，到播放反相聲音的時間。單位是秒 |
要讓時機偏差保持很小，「處理延遲」相對於「週期」必須夠短。這裡作為參考，設定「處理延遲在週期的 10 分之 1 以下」這個條件來計算。
降噪功能的處理延遲會因機型和方式而有差異，但一般常見的參考值，約為 100 微秒（0.0001 秒）左右。我們就用這個值來計算。
| 處理延遲（參考值） | 0.0001 秒 |
| 所需的週期（延遲的 10 倍以上） | 0.0001 × 10 ＝ 0.001 |
| 所需的週期 | 0.001 秒以上 |
| 對應這個週期的頻率 | 1 ÷ 0.001 ＝ 1000 |
| 容易抵消的音的上限（參考值） | 約 1000 Hz（1kHz） |
從這個計算可以得到一個參考：低於約 1000Hz 的聲音容易抵消，比這更高的聲音則比較難抵消。飛機和引擎的低沉嗡嗡聲，大多低於這個範圍，所以降噪對它們很有效；另一方面，人的聲音（以子音為主，含有較多更高的頻率成分）有很多部分超出這個範圍，不容易抵消，常有這樣的說明。
※ 處理延遲的實際數值會因機型、方式而有差異，這裡的數字只是代表性的參考值。「週期的 10 分之 1」這個基準，也只是為了便於理解原理而簡化的參考，與實際的設計基準不同。
高中＋從相位偏差來思考
正文和①②是以「時間的偏差」來說明，但在波動領域，一般是把它當作「相位偏差」來處理。反相的聲音，就是比原本的聲音偏移半個週期（以相位來說是 180 度）的狀態。一有處理延遲，這個 180 度就會偏離剛好的 180 度，抵消就變得不完全。偏差太大時，據說不但無法抵消，反而會使聲音互相增強。
大學前饋方式與回授方式
實際的降噪功能有兩種方式：用耳朵外側的麥克風預先處理周圍聲音的「前饋方式」，以及用耳朵內側（靠近鼓膜那一側）的麥克風，一邊測量實際傳到鼓膜的聲音、一邊持續修正的「回授方式」。據說多數產品會把這兩種方式結合使用。
此外，還會使用一種稱為適應濾波器的訊號處理技術，依周圍聲音的特徵細膩調整抵消的方式。這是為了應付現實環境中隨時間變化的聲音，而不是性質事先固定的單純聲音。
研究目前還不明確、仍在持續開發的事
- 對於人的說話聲、餐具聲這類不規則、變化快的聲音（非穩態聲音），能抵消到什麼程度，至今仍是持續研發的領域。與低沉而規律的聲音相比，要有效抵消這類聲音在技術上比較困難。
- 如何抑制在戶外步行時會遇到的「風聲」，也是仍在開發的課題。風直接吹到麥克風所產生的雜音，性質和一般噪音不同，據說很難處理。
- 不戴耳機、只讓特定地點變安靜的「聲音分區」技術，研究也在進行中。這是使用多個喇叭，讓某個地方的聲音被抵消、另一個地方則照常聽見的嘗試，但要實用化，還有許多技術課題。
「加上聲音，把聲音抵消」這個基本想法由來已久，但要讓它對任何聲音、在任何地方都有效，至今仍是持續研究中的技術。
與課本的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・聲音的性質 | 波、振幅、週期的基本名詞 |
| 高中 | 基礎物理・波的性質 | 從週期與頻率的關係，估算可抵消聲音上限的計算 |
| 高中＋ | 物理・波的干涉 | 以相位偏差來說明 |
| 大學 | 聲學工程・訊號處理 | 前饋／回授方式、適應濾波器 |
| 研究 | 聲學工程（開發中） | 非穩態聲音的因應、風噪對策、聲音分區技術 |
- 聲學工程相關教科書中，對主動式噪音控制（Active Noise Control）基本原理的說明。
- Kuo, S. M. & Morgan, D. R., Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations（使用適應濾波器的降噪技術之代表性技術解說）。
- 主要耳機、耳塞製造商針對降噪功能原理所提供的一般讀者向說明資料。
- 物理教科書中，關於波的疊加原理與干涉的說明。
- 聲學工程領域中，關於「個人聲音分區」技術的研究解說。
※ 處理延遲與可抵消頻率的參考值，是為了理解原理而採用的代表性數字，實際性能會因機型和方式而有差異。
※本文是寫給一般讀者的科學解說。降噪功能並不會把周圍的聲音全部隔絕。步行或騎自行車時，若需要留意周圍聲音，請依各產品的使用說明書或指引使用。