что такое активная система шумоподавления в наушниках
Нетронутая тишина: несколько слов о наушниках с активным шумоподавлением
Мне не раз приходилось видеть людей, которые пытаются избавиться от постороннего шума путём увеличения громкости наушников. Известно, что такой способ изоляции сознания от посторонних шумов вреден для волосковых клеток базилярной мембраны и может привести к повреждению слуха. Не посягаю на право каждого портить своё здоровье удобными для него методами, но всё же считаю, что конструкторская мысль помогла избавиться от шума более щадящими средствами.
В этом посте я хочу подробно описать достоинства, эффективность, а также проблемы этих устройств. И дать возможность читателям решить, насколько такие устройства подходят именно им. Как и в предыдущих материалах, постскриптумом будет небольшое количество корпоративной джинсы, для тех, кто заинтересован в приобретении товаров, ставших темой этого повествования.
Принцип «клин клином»: плоды интерференции
Теоретическая база для создания активного шумоподавления достаточно проста и основана на интерференции звуковых волн. В наушниках с активным шумоподавлением установлены микрофоны (определяющие уровень фонового шума) и динамики (иные излучатели), которые создают волны с той же амплитудой, но с перевернутой фазой (антифазой). В процессе такой интерференции волн, происходит взаимное уменьшение результирующей амплитуды, иными словами, волны гасят друг друга.
В теории этот принцип позволяет добиться тишины, на практике всё несколько сложнее. Оказалось технологически достаточно тяжело создать систему, которая будет точно попадать в противофазу, особенно с СЧ и ВЧ шумом. Активные системы шумоподавления способны эффективно гасить низкочастотный монотонный шум. Достаточно большая длина волны НЧ-сигналов «сглаживает» влияние разницы в значениях инвертированной фазы. В случаях серьезного несоответствия фазы и антифазы для ВЧ и СЧ сигналов, в наушниках может появляться постороннее шипение.
История: в метро из авиации
Идея использования описанного выше принципа для шумоподавления принадлежит американцу Полу Люгу, который в 1934-м году получил патент на применение принципов интерференции при подавлении синусоидальных и иных (произвольных) звуковых сигналов в области громкоговорителя путём инверсии полярности.
Уже в 50-е годы активное шумоподавление находит применение в авиации. Системы Лоуренса Фогеля использовались для подавления шума в кабинах вертолётов и самолётов.
В 1957-м году Уиллардом Микером были созданы первые накладные наушники с активным шумоподавлением, которые также применялись в авиации. Система Микера была способна подавлять шумы в диапазоне от 50 до 500 Гц с затуханием на уровне 20 дБ.
Уиллард Франклин Микер
В 1986-м году появились первые серийные наушники с системой активного шумоподавления, которые выпустила компания BOSE. Гаджет был разработан Диком Рутаном и Джиной Игер и использовался также в авиации, где посторонние шумы двигателей и т.п. мешали лётчикам при ведении переговоров. Уже к 1989 году компания адаптировала технологию для бытового применения, продолжая, при этом, специализированные авиационные разработки.
Первые наушники BOSE с активным шумоподавлением (авиационные)
современные наушники BOSE для применения в быту
Сегодня наушники с активным шумоподавлением выпускаются и разрабатываются такими компаниями как BOSE, Sennheiser, JBL, SONY, Audio-Technica, Philips.
Достоинства и недостатки
Не смотря на достаточное количество преимуществ, головные телефоны с активным шумоподавлением обладают и рядом существенных недостатков.
К достоинствам можно отнести:
Интересно подошли к вопросу питания в компании JBL. Их продукт, анонсированный совместно с компанией HTC – спортивные наушники JBL Reflect Aware С, представленные в прошлом году, подключаются к смартфону через USB type C, что позволяет отказаться от дополнительных источников питания и при этом не требует применения уникальных разъёмов.
Невыносимая чистота музыки
Среди отзывов о NC-наушниках можно встретить рассказы о том, что после длительной или не очень эксплуатации возникают различные побочные эффекты, например, головная боль, неприятные ощущения при прослушивании, психологический дискомфорт. Известно, что около 5-7 % испытуемых, регулярно использующих наушники, не переносят устройства с активным шумоподавлением.
Дело в том, что за время своей жизни человек привыкает и адаптируется к определённому уровню шума. Музыка, как правило, существенно отличается от других звуковых раздражителей – эта разница приводит к тому, что мозг некоторых людей должен заново адаптироваться к новому более монотонному фону, возникающему в NC-наушниках. Кроме того в ряде ситуаций, как я уже писал, работу системы активного шумоподавления может сопровождать собственный высокочастотный шумовой фон, длительное воздействие которого также может сопровождаться головной болью и дискомфортом при прослушивании.
Не стоит также забывать о распространённых сегодня головных болях напряжения, которые может (в числе прочих факторов) спровоцировать тугое оголовье (которое достаточно часто применятся в этом типе наушников для улучшения пассивной звукоизоляции полноразмерных чашек).
Даже если вы ошиблись с выбором, и NC-наушники вызывают у вас дискомфорт, в соответствии со статьями 502 ГК РФ и 25 Закона РФ от 7 февраля 1992 г. № 2300-1 «О защите прав потребителей», вы можете вернуть гаджет в магазин в течение 14-ти дней.
Как работает активное шумоподавление в наушниках
Содержание
Содержание
Выбирая наушники для улицы и поездок, большое внимание стоит уделить степени их шумоизоляции. Существует пассивная и активная шумоизоляция. В первом случае посторонние звуки глушатся массивными амбушюрами, вкладышами особой конструкции и другими ухищрениями. Однако чтобы наушники с тяжелыми амбушюрами не сползали, приходится делать тугие дужки, от которых может разболеться голова. Вкладыши «елочкой», похожие на беруши и лучше всего защищающие от шумов, подойдут не каждому уху. Да и полностью изолировать от внешних звуков все эти ухищрения все равно не могут. С таким справится только активная шумоизоляция, она убирает внешние звуки с помощью электронных схем.
Минутка истории
Первые наушники Bose с активным шумоподавлением
Первые патенты касательно активного шумоподавления появились еще в 1930-х годах. Однако долго не существовало возможности создать достаточно точную электронную начинку. Первые попытки сделать наушники с «шумодавом» были предприняты в конце 50-х, впервые же гарнитура с активным шумоподавлением была использована только в 80-х годах астронавтами во время полета вокруг Земли, а затем применялась в авиации. Ее изобрел профессор Амар Бозе, впоследствии он основал компанию Bose, которая одной из первых начала производить наушники с активным шумоподавлением для массового рынка.
Как работает
Звук — это акустические волны. Если взять звуковую волну шумов с улицы, инвертировать фазу, т.е. отзеркалить ее, а затем направить на исходную — они друг друга компенсируют «в ноль». Поэтому активное шумоподавление в наушниках состоит из:
Внешний шум попадает в микрофон наушника, инвертируется и подается в динамик. В итоге волны с улицы и их отзеркаленные копии взаимно уничтожают друг друга, и в теории слушатель наслаждается музыкой в абсолютной тишине, без лишнего шума и призвуков.
Есть два основных способа сделать инверсию сигнала. Первый — аналоговый, на транзисторах, схемы подобных шумодавов просты, появились довольно давно и сегодня нередко применяются в аудиотехнике, к примеру, предусилителях и звуковых картах.
Однако для реализации качественного шумоподавления недостаточно простой инверсии, нужно учесть еще целый ряд нюансов: убрать шум микрофона и возникающие в схеме гармоники и резонансы, преобразовать звук с учетом АЧХ микрофона и АЧХ динамиков, вычесть сигнал из динамиков: музыку, которую неизбежно будет ловить рядом расположенный микрофон, учесть изменения шумового сигнала при прохождении через корпус наушников и т.д. Получается довольно сложная цепочка обработки, для реализации которой в современных наушниках применяется DSP-процессоры. То есть, аудиосигнал преобразуется в нули и единицы, потом с ним выполняются все «фокусы», далее он снова преобразуется в волну и только затем поступает в динамик наушника.
Несмотря на все высокие технологии, активное шумоподавление работает наиболее эффективно лишь с определенным диапазоном частот — от 100 до 1000 Гц. Это связано с ограниченным АЧХ небольших микрофонов, установленных в наушниках. Впрочем, частоты ниже 100 Гц глушить бесполезно — они настолько мощные, что все равно улавливаются всем телом. Частоты выше 1000 Гц хорошо глушат только наушники с несколькими микрофонами, один из которых настроен на низкие частоты, а другой — на высокие.
Тем не менее, именно на участке от 100 до 1000 Гц находятся наиболее раздражающие шумы: гул транспорта, завывание ветра, разговоры других людей. Так что активной шумоизоляции, работающей на этих частотах, в сочетании с пассивной — вполне достаточно для снижения шума на 20-30 Дб. В таких наушниках будет на 70 % тише, чем в обычных.
Помимо потребительского рынка технология активного шумоподавления востребована операторами станков на шумных производствах, персоналом аэропортов, пилотами, спортсменами (особенно байкерами, гонщиками и стрелками), а также всеми, кому нужно общаться в условиях повышенной шумности.
Минусы активного шумоподавления
Кроме ограниченного спектра частот и очевидной зависимости от батарейки (позволяющей системе работать 15–30 часов), у активного шумоподавления есть и более существенные недостатки.
Во-первых, младшие и дешевые модели наушников с шумодавом» далеко не всегда справляются со своей задачей. Чтобы уловить звук и обернуть его по фазе нужно некоторое время, и слабый микроконтроллер дешевых наушников может просто не успеть в отведенные ему микросекунды. Ведь он должен выполнить свою задачу пока звук, зарегистрированный микрофонами на тыльной стороне наушника, добирается до его динамика. К примеру, расстояние между микрофоном и динамиком всего 1 см, тогда электронике нужно успеть все сделать за 0.0002 секунды! Если не уложится в это время, тогда волна и «антиволна» уже не будут полностью идентичны друг другу, и волшебства не произойдет.
Именно из-за этих технологических особенностей активное шумоподавление так долго не могло выйти на массовый рынок. Даже сегодня до сих пор ведутся исследования, призванные улучшить точность такой системы. К примеру, недавно ученые создали систему, позволяющую устройствам заранее видеть приближающиеся акустические волны и просчитывать «антишум» наперед.
Второй большой минус связан с качеством звучания. Многие слушатели отмечают его ухудшение при включенном режиме активного шумоподавления. Хотя многие топовые модели выдают по-настоящему взрослый и качественный звук, их младшие собратья не всегда могут этим похвастаться. Нередко шумодав — это компромисс между качеством звука и комфортом.
Наконец, третий недостаток. Для некоторых он может оказаться решающим. Дело в том, что у 5–7 % пользователей наушники с активным шумоподавлением вызывают симптомы, схожие с морской болезнью. Как правило, если человека часто укачивает в обычной жизни, то нормально пользоваться этой технологией вряд ли получится. Это происходит из-за попытки обмануть вестибулярный аппарат. Ведь человек слышит не только ухом, но и всем телом. При этом уши никаких звуков не слышат, в итоге мозг думает, что тело в полном покое, хотя оно посылает совершенно противоположные сигналы. Из-за этого могут возникать тошнота и головные боли.
Есть и другой момент. Исследования показали, что абсолютная тишина совсем не так полезна для организма, как некоторые себе представляют. В компаниях, создающих аудиотехнику, всегда есть «комната абсолютной тишины» (еще ее называют «безэховой камерой»). Она спроектирована так, чтобы рассеивать и поглощать все возникающие в ней звуки. Человеку трудно находиться в такой комнате дольше часа. Сначала появляются иллюзии вроде едва улавливаемого писка комара, затем дискомфорт начинают доставлять звуки организма: дыхание, стук сердца, урчание живота, после чего тревога и волнения нарастают настолько, что большинство посетителей с ужасом выбегают наружу. Конечно, наушники вряд ли могут оказать схожий эффект, ведь в них звучит музыка. Однако не всем слушателям эффект музыки в полной тишине может оказаться по душе. Некоторые находят звучание наушников с активным шумоподавлением слишком стерильным и раздражающим. Впрочем, это дело вкуса.
Так выглядит безэховая камера
Так или иначе, очень важно перед покупкой наушников с активным шумоподавлением послушать их 2-3 часа, чтобы понять реакцию своего организма на эту технологию.
Преимущества наушников с шумодавом
На 2019 год производители решили большинство недостатков. Появилось множество моделей наушников с по-настоящему качественным шумоподавлением. Они дают ощущение полной тишины, словно слушатель находится в заглушенной студии звукозаписи. Пользователи отмечают, что особенно хорошо они справляются с назойливыми монотонными шумами: метро, улица, поезд, автобус, самолет и т.д.
Не все наушники с активным шумоподавлением представляют собой громоздкие «головные телефоны». Не так давно Apple выпустила AirPods Pro — миниатюрные затычки с активным шумоподавлением, но похожие модели были и до этого релиза, как, например, проводные Audio-Technica ATH-ANC100BT или беспроводные Sony WF-1000XM3.
Начинка AirPods Pro
Конечно, малый размер «затычек» ограничивает их возможности. Для размещения микрофона и остальной электроники остается очень мало места. Поэтому они не могут заглушить резкие и громкие звуки, вроде внезапного грохота или криков детей, хотя шум дороги и транспорта устраняют без проблем.
По-настоящему почувствовать себя в вакууме космоса позволят только накладные полноразмерные наушники. Их размер дает возможность разместить в них сразу несколько микрофонов. Один устанавливается снаружи и улавливает средние и высокие частоты, а второй — внутри для низкочастотного гула. В сочетании с мягкими амбушюрами, отлично защищающими от внешнего мира, получается эффект почти абсолютной тишины.
Только без шума: как работает система активного шумоподавления
Active Noise Cancelling (ANC) — это технология, которая используется для подавления фонового шума. Теперь она все чаще встречается даже в компактных беспроводных наушниках. Рассказываем, как работает ANC.
Современная жизнь полна всевозможных раздражителей. Интенсивный дорожный трафик, шумные поездки в метро и не самые спокойные соседи часто не позволяют нам в должной мере наслаждаться музыкой. Поэтому неудивительно, что многие производители снабжают наушники системами активного и пассивного шумоподавления.
Активное и пассивное шумоподавление: как это работает
Самый простой способ отсечь лишние шумы — это использовать пассивное шумоподавление. Оно особенно эффективно с внутриканальными, накладными и полноразмерными наушниками. Но если в двух последних случаях всё легко и просто — вам достаточно надеть наушники и наслаждаться звуком, то в случае с внутриканальными наушниками придётся приложить немного усилий.
Дело в том, что эффективность пассивного шумоподавления напрямую зависит от того, насколько плотно наушники прилегают к ушам или голове. Поэтому в комплекте с внутриканальными наушниками обычно поставляется несколько пар насадок разного размера: уши у всех разные, и пользователю необходимо подобрать подходящие именно ему амбушюры. Они не должны давить, но и не должны оставлять зазор для звуковых волн.
Как бы там ни было, но никакое пассивное шумоподавление не в состоянии полностью избавить вас от шумов. Это прекрасно понимают и производители наушников, уделяющие всё больше внимания развитию систем активного шумоподавления. Принцип работы таких систем основан на интерференции звуковых волн и, по сути, не меняется с 30-х годов прошлого века.
На внешней стороне наушников с активным шумоподавлением установлены фиксирующие внешние шумы микрофоны. Полученная ими информация передаётся на DSP-процессор наушников, который анализирует волны, генерируя звук с той же амплитудой, но обратной фазой (противофазой). Получившийся «антизвук» воспроизводится динамиками наушников, и звуковые волны гасят друг друга в процессе интерференции.
На практике это ещё сложнее, чем кажется. Разработка эффективной системы активного шумоподавления сталкивается с целым рядом проблем, причём особенно остро они проявляются в откровенно бюджетных наушниках. В первую очередь это касается недостаточно мощного микроконтроллера таких моделей, который неспособен своевременно реагировать на изменение звукового фона: ему может не хватить времени на обработку звука и преобразование его в антизвук до того, как исходная волна пройдет путь от внешнего микрофона до динамика наушника. В этом случае ни о какой интерференции не может быть и речи.
Другой важный момент касается качества звучания. Многие владельцы дешёвых наушников с ANC отмечают ухудшение качества звука при работе активного шумоподавления. Не стоит забывать и об особенностях звуковых волн. Большая длина низкочастотных волн позволяет сглаживать неизбежные расхождения в фазе обычной и инвертированной волны. В результате активное шумоподавление лучше всего справляется с монотонным шумом в диапазоне частот от 100 до 1000 Гц, на который, например, приходится гул дорожного трафика. В свою очередь, в случае с высоко- и среднечастотными звуками эти ошибки приводят к недостаточно эффективному гашению звуковых волн и появлению дополнительного свиста.
Когда отсутствие звуков — ещё и проблема
Долгое время наушники с системой шумоподавления были прерогативой накладных моделей, но со временем они стали появляться и в полностью беспроводных наушниках (True Wireless Stereo, TWS). Одними из первых, кто реализовал ANC в компактном формфакторе, стал Samsung с его наушниками Galaxy Buds Live. Эта во многом экспериментальная модель получила крайне необычный анатомический дизайн, за который она была прозвана «фасолинами». Наушники отлично справляются с шумом ветра и определённым диапазоном нежелательных звуков, но за счёт открытого типа эффективность шумоподавления всё-таки чуть ниже, чем во внутриканальных наушниках.
Чуть позже помимо самой ANC стали появляться функции управления шумоподавлением. Дело в том, что традиционные (неотключаемые и нерегулиуемые) системы шумоподавления иногда создавали проблемы. Например, чтобы поговорить с коллегой или кассиром в метро, нужно было снимать хотя бы один наушник. К тому же при нахождении на улице полная изоляция всё же небезопасна: вам может просигналить автомобиль или крикнуть велосипедист, а вы этого не услышите.
Наушникам добавили режим прозрачности: в этом режиме микрофоны улавливают звуки окружающего мира и «подмешивают» их к музыке. У Samsung в новых наушниках Galaxy Buds Pro, которые вышли уже в этом году, дебютировала инновационная система интеллектуального переключения между режимом шумоподавления и звуковым фоном: наушники самостоятельно определяют, когда человек начинает говорить, и автоматически усиливают внешние звуки, при этом приглушая громкость музыки, делая тем самым общение более комфортным. Так что системы активного шумоподавления постепенно становились интеллектуальными, одновременно наращивая эффективность за счёт новых технологий.
Но шумное окружение мешает не только слушать музыку, но и использовать наушники в качестве гарнитуры. Если вы пробовали поговорить на улице, наверняка, собеседники жаловались вам на шум ветра или транспорта, из-за которого трудно различить речь. «Шумодав» научили работать и в этом направлении. А частности, за счет использования датчиков костной проводимости: они улавливают вибрацию, которая распространяется по черепу при разговоре. Таким образом удаётся довольно точно фильтровать речь, к тому же при обработке сигнала используется нейросеть, обученная на реальных шумах. Она распознаёт типовые шумы вроде ветра или гула транспорта, поэтому собеседник хорошо вас слышит вне зависимости от того, где вы находитесь. Такие датчики появились, к примеру, в новых SamsungGalaxy Buds2.
Итого: ANC уже отлично работает и в TWS-наушниках
Современные TWS-наушники умеют отлично фильтровать посторонние звуки — намного лучше, чем это делали первые модели с «шумодавом». При этом у них появились интеллектуальные функции и дополнительные возможности: вы можете выбирать уровень фильтрации в зависимости от ситуации, а умные алгоритмы распознают диалоги и отключают подавление звуков, чтобы можно было поговорить, не снимая наушники.
А качество фильтрации продолжает расти. Пока все системы ANC отлично справляются с монотонными звуками вроде гула прибывающего поезда или шума машин на улице. Но с развитием технологий им наверняка покорятся и речь, и одиночные резкие звуки — всё для того, чтобы можно было комфортно послушать хорошую музыку даже в TWS-наушниках.