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聲音總是慢一拍?無線耳機的致命傷「藍牙延遲」是怎麼回事?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/09/18 ・3365字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

本文由 量子音樂 委託,泛科學企劃執行

  • 文/YC WANG

「玩射擊遊戲先看到火光,才聽到槍聲,還沒來得及反應就死了!」、「玩太鼓達人聲音和畫面不同步,玩得好痛苦!」你也曾有過類似的經驗嗎?

常使用藍牙耳機的人,可能會遇到「藍牙延遲」影音不同步的情況。圖/Pexels

習慣使用藍牙耳機的人,對於「藍牙延遲」大約都不陌生。到底為什麼藍牙耳機會有聲音延遲的問題?隨著技術的進步,又有什麼新的方法能減少這個潛在惱人的困擾?挑選耳機,怎樣才能符合自己的需求?

泛科學這次訪問量子音樂創辦人蔡明耀(Hikari),請專家來一一解釋什麼是藍牙延遲,並對於不同屬性的用戶挑選最適合自己的藍牙耳機,提出一些建議。

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聲音延遲……為什麼專業音樂人無法忍受?

「延遲會遇到的狀況其中一項是回音,你在錄 podcast 時,會聽到,Hi Hikari,然後馬上又再有回音 Hi Hikari。」量子音樂的 Hikari 也是一名混音師,他每天工作的日常除了音樂製作、聲音系統還有人工智慧的研發。

他表示,在工作上對於聲音的傳輸,需要嚴苛要求「低延遲」,尤其是在錄音室中,錄音要求延遲在 30 毫秒以下。目前大多錄音室都採用數位設備,數位設備較有機會造成延遲回聲等效果,無論是歌手錄音或 podcast 製作上,均難以接受明顯的聲音延遲。不過,除非經過特殊訓練,否則一般人耳僅能辨別出 60 毫秒以上的延遲。

相較於數位設備,類比器材的速度較快也不會造成延遲,但目前在聲音的編輯處理上,時常需要轉數位化,這也就是造成延遲的開始。

為何類比較不會有延遲的問題?類比音訊的輸出與輸入是透過線來傳輸,不需要經過類比、數位的轉換。但類比雖然速度快,在聲音調控上就完全要靠類比電路,操作不易,目前為了聲音編輯,大部分的聲音處理也主要採數位化,缺點就是有延遲的可能。

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藍牙耳機延遲問題究竟可以如何改善?

其實除了 Hikari 提到在音樂製作上專業上不容出現的聲音延遲,在玩遊戲或看電影的時候,「看到火光之後慢半拍才聽到『砰!』」應該是選用藍牙耳機或喇叭的人都有過的經驗。

為什麼使用藍牙的音響系統,會有這種延遲問題呢?藍牙延遲簡單來說就是:「當藍牙訊號開始傳輸,到接收端收到訊號的時間差」。

藍牙是無線傳輸,聲音源透過「藍牙立體聲音訊傳輸協議」(Advanced Audio Distribution Profile, A2DP)來傳輸訊號,並只能在有限的頻寬下,透過編碼壓縮的方式傳遞音樂訊號,而藍牙接收端(耳機、喇叭裝置)接收訊號後,便會解壓縮藍牙訊號、轉成數位音訊,最後再輸出給裝置上的DAC(數位類比轉換器),然後聲音就會傳到我們的耳朵裡了。

這段音訊訊號傳輸的過程所產生的時間差,便是所謂的藍牙延遲。

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圖/泛科學製

藍牙透過 A2DP 協議來傳輸訊號,一開始是以「能聽到不斷續聲音」而設計。為了避免遭到干擾,藍牙預備了一個的緩衝區(buffer),一個傳出一個接收,如果中間有斷音、不連續,就可以用緩衝丟出音訊,也因此而有延遲。但隨著藍牙耳機用途越來越廣泛,不再像過去只用在通話上時,藍牙延遲問題就需要被改善。這也是藍牙耳機難以應用於製作音樂、錄音、電競產業的主要原因。

藍牙耳機不再像過去只用在通話上,藍牙延遲問題需要被改善才能被廣泛運用。圖/Pexels

其實,像是 Netflix或 YouTube 串流影片有調整延遲的協定,也就是設計當聲音變慢了,畫面也一起變慢,藉由「一起延遲」來解決影音不同步問題。然而,這樣的設計無法應用於電玩,因為遊戲的影像是即時生成,聲音馬上就出來了,因此延遲的問題就較為棘手。

那要怎麼讓藍牙延遲不要這麼嚴重呢?改善的做法之一,在於改進通訊設計。過去藍牙的兩個耳機是兩個藍牙裝置,由裝置傳到 A耳機(主要耳機),再傳到 B耳機(副耳機)會造成二段延遲。

為了解決二段延遲問題,先是將雙邊耳機都設計成可以跟系統溝通的主要耳機,再用 Sniff(監聽)到通訊協定的作法,緩衝就不用設計的那麼長,能降低延遲、縮短傳輸的時間。

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一般藍牙耳機傳送訊號方式是,由主要耳機接收訊號,再傳遞給另一個耳機;目前也有技術是將藍牙左右耳機都設為主要耳機,耳機可以視情況選擇左耳或右耳當主要耳機。除了以此增加效率,還可以加入「監聽」(Sniff,虛線部分)功能,讓另一支耳機能攔截訊號,使訊號不需要繞過頭部來傳輸,降低延遲。圖/泛科學製

優化後就不一樣!藍牙低延遲排行公開

除了優化通訊設計,要改善藍牙延遲的問題,可以調整的細節很多,包括優化傳輸編碼以及天線、晶片優化等各項調整,就有機會維持可接受的音質,並有效改善延遲情況。

挑選藍牙耳機時,最常出現的討論當然還包括傳輸編碼的選擇。

藍牙傳輸的編碼,主要可分為四種常見規格:SBC、AAC、aptX、LDAC。在數據的封包傳輸量上,一般來說,SBC<AAC<aptX<LDAC。越後者理論上封包越大,越有機會延遲。

但除了考慮到延遲,實際應用還有支援度與音質的問題。

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首先,討論支援度的部分。SBC、AAC 是普遍手機、電腦都具有的編碼規格,而 aptX則是高通所開發的一系列編碼(包括 aptX、aptX HD、aptX LL、aptX Adaptive)。目前 Android 手機普遍支援apt X、aptX HD規格,但 iPhone 就沒有支援aptX系列,僅支援SBC與AAC;另外,aptX LL雖然很快,但目前沒有任何手機支援。而 LDAC 則是 Sony 獨家的技術,目前僅有少數高階藍牙耳罩耳機有支援此項傳輸協定,音質好但延遲問題明顯。

前面描述的規格僅限於一般的規範,實際上還要看耳機的優化狀況。有些討論中常誤解認為 AAC 技術在傳輸速度必定輸給 aptX LL,但實際上考量到支援度,已經有開發團隊以優化 AAC 的方式來改善延遲問題。最知名的例子就是,在Apple生態系之下,iOS系統連接蘋果的藍牙耳機 AirPods Pro,經過優化的結果,就要比一般藍牙耳機透過 AAC 連接 iOS 延遲還要低上許多。因此加入「優化AAC」選項後,藍牙傳輸速度排名:優化AAC > aptX LL>AAC>aptX。

圖/Pexels

再來,討論音質的部分。影響音質的因素很多,耳機的整體配置都會有所影響,包括耳機共鳴體、驅動單體、組件搭配……等,再加上考慮到使用情境,若大多聽 KKBOX、Spotify、YouTube 等串流音樂,「優化 AAC」在音質與降低延遲取得平衡可以有很不錯的成效,提供使用者最佳的體驗。

怎麼選擇藍牙耳機?便利性、環繞音、低延遲

討論到最後,我們問到混音師 Hikari 對於藍牙耳機音質的評價,他坦率表示曾實際測試多款耳機。現有的藍牙耳機對專業混音師來說,完全難以達到工作所需要的音質,但他個人並不排斥在生活中使用。在通勤等生活情境中,藍牙耳機的「方便性」是他最在意的優點之一。

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對一般消費者來說,選擇耳機主要要考量喜歡聽哪種頻率的音樂,例如中頻很好的耳機,拿來聽蔡琴的聲音很理想,但拿來打遊戲可能就聽不到敵方腳步聲的聲音。

對Hikari來說,選擇合適的耳機,跟使用情境與慣聽的音樂屬性有很大的關聯,對想一邊舒適地聽音樂、又可以通話,甚至想要輕鬆玩遊戲的人來說,無線藍牙耳機肯定是最好的選擇啦。

以下是他的推薦名單,如果你也有各種心頭好,也不妨推薦給我們吧!

Hikari推薦耳機名單

  • 注重隔音、主動降噪(ANC),想隔絕外部噪音:
    Airpods Pro、Sony WH-1000XM4
  • 注重中低頻響應,適合電音、Dubstep聆聽且具備情境切換功能:
    jlab jbuds air executive
  • 低價但擁有不錯音質的超高CP值耳機:
    pamu scroll plus
  • 錄音與音樂製作,或是想要發燒耳機品質:
    Sony MDR-900ST、BEYERDYNAMIC DT1770 pro (所有藍牙耳機都不適合,請乖乖用類比耳機)

參考資料

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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