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.
Как работает активное шумоподавление в наушниках
Противофаза — всему голова.
Наушники с системой ANC стали самыми популярными устройствами для прослушивания музыки — шумодавы встраивают даже в самые бюджетные модели. Плюсы подавления шума очевидны: можно слушать музыку, не отвлекаясь на окружающий шум, чем бы он ни был вызван. Специально для тех, кто задумался о покупке ушей с шумодавом рассказываем, как работает активное шумоподавление в наушниках, насколько оно эффективно и к каким проблемам может привести.
Беспроводные наушники с активным шумоподавлением устроены сложнее обычных моделей. И помимо практически полного отсутствия фонового шума у них есть недостаток: из-за особенностей технологии шумодава такой гаджет может вызвать дискомфорт у некоторых пользователей.
Как устроены наушники с системой активного шумоподавления?
Среди меломанов сейчас очень популярны беспроводные наушники с шумоподавлением. Такие гаджеты составляют большую часть ассортимента всех моделей в отделах аудиотехники. Востребованность наушников такого типа объясняется отсутствием внешних шумов при прослушивании музыки. Можно ездить в метро, лететь в самолёте, гулять по городу и наслаждаться треками любимых исполнителей, не обращая внимания на гул и прочий шум вокруг.
Шумоподавление в наушниках бывает активным и пассивным. Отличия просты:
Устройства с пассивным шумоподавлением известны давно — фактически они появились вместе с открытием звукопоглощающих материалов. Активное шумоподавление — более молодая технология, запатентованная в 1936 году американцем Полом Люгом. В своём патенте Люг описал принцип подавления синусоидальных звуковых волн с помощью фазового сдвига волны, а также объяснил, как устранить шум вокруг динамика с помощью изменения полярности сигнала. Долгие годы система активного шумоподавления на основе патента Люга применялась в авиации. В потребительский сегмент она перебралась только вместе с развитием портативных MP3-плееров.
Устройство наушников с системой шумоподавления
Популярные в наши дни наушники с системой активного шумоподавления устроены просто: внутри чаши наушника устанавливается специальный микрофон, улавливающий поступающие шумы и передающий информацию на встроенный микропроцессор. Последний определяет силу шума и инвертирует сигнал, чтобы устранить помехи окружающего мира.
Как работает активное шумоподавление в наушниках
Технология активного шумоподавления (англ. Active Noise Cancelling, Active Noise Cancellation или сокращённо ANC) применяется применяется в наушниках для снижения воздействия фонового шума на барабанные перепонки слушателя. Устроена система в целом несложно: окружающий шум поступает на встроенные в гаджете микрофоны, а специальный процессор преобразует принятую волну в противоположную фазу.
Как работает активное шумоподавление в наушниках
Внутри наушника образуются две аналогичные по длине и высоте волны, находящиеся в разных фазах. Накладываясь друг на друга, они взаимоуничтожаются. Плюс системы в том, что она никак не влияет на воспроизводимый сигнал, а только устраняет лишний фоновый шум. Благодаря этому уши меломана принимают только музыку и аннулированный сигнал, который мы не можем услышать. Но всё не так идеально…
Эффективность наушников с активным шумоподавлением
К сожалению, ANC-система неидеальна. Нет ни одной модели беспроводных наушников с активным шумоподавлением, которые могли бы обеспечить полное отсутствие фона на протяжении всего диапазона, воспринимаемого человеком. Лучше всего качественный шумодав работает на частоте 100-1000 Гц. На этом отрезке диапазона достигается снижение внешнего влияния звуков до −30 дБ.
Поскольку низкие частоты человек воспринимает не столько ушами, сколько телом, используемая ANC-система малоэффективна. При обработке шумов частотой выше 1000 Гц шумодавы могут даже немного добавить фон. Это будет очень слабое шипение, услышать которое сможет не каждый пользователь.
Sennheiser PXC 480
В некоторых моделях наушников система реализована просто великолепно: надевая условные Sennheiser PXC 480, сначала создаётся впечатление, будто находишься в тихой комнате, а не в шумном метро или улице. Более того, встречаются гаджеты, в которых предусмотрено временное отключение функции ANC, а окружающие звуки слышны из акустических излучателей. Эта функция позволяет разговаривать с людьми или прослушать важную информацию, не снимая наушники.
Основные проблемы, связанные с шумоподавлением
Наушники с системой активного шумоподавления — настоящий подарок для любителей музыки, ведь окружающий шум больше не мешает слушать любимые треки. Однако подобные наушники часто становятся причиной головных болей, вызванных влиянием системы шумоподавления на мозг слушателя.
Головные боли от наушников с шумоподавлением
При всех своих достоинствах, от наушников с активным шумоподавлением может болеть голова. Некоторые пользователи гаджетов жалуются, что при длительном использовании шумодава у них начинаются мигрени. И это вовсе не миф. Причин головной боли может быть несколько, но все они связаны именно с функцией активного шумоподавления:
Всё это относится далеко не ко всем людям, но встречаются меломаны, которые не могут комфортно чувствовать себя с включенным режимом шумоподавления в наушниках. Определить, кому подходит система ANC, а кому нет наверняка невозможно. Все люди индивидуальны, и нужно подбирать устройства под себя.
Выводы
Активное шумоподавление позволяет углубиться в прослушивание любимой музыки. Устройства большинства известных брендов отличаются хорошей детализацией и качеством звука. Однако надпись «Active Noise Cancelling» на бюджетных моделях сомнительных производителей не гарантирует хорошее подавление внешнего фона и качественного звучания. Чтобы понять насколько вам подходят наушники, перед покупкой лучше воспользоваться девайсом знакомых и послушать музыку около трёх часов. Если после этого чувствуется головная боль, лучше отказаться от функции ANC, и выбрать модель с хорошо проработанным пассивным шумоподавлением.
Что такое ANC в наушниках
Активный ритм жизни заставляет нас постоянно находиться в движении. Часто мы путешествуем, ездим на общественном транспорте или просто идём по улице и хочется отгородиться от городской суеты и шума, погрузиться в ритмы любимой музыки. Это помогут сделать наушники с функцией ANC.
Что представляет собой функция ANC в наушниках
В основе действия любых наушников стоит извлечение звуковой волны. Это и есть та музыка, которую мы слышим. Если вы идёте по улице или едете, на ваш слух воздействует и другая звуковая волна, представляющая собой неприятный шумовой эффект. Две эти волны накладываются друг на друга, взаимно гасятся и в результате получается музыка, которую плохо слышно из-за городского шума.
Функция ANC, представляющая собой активное шумоподавление, позволяет улучшить звучание и защитить при прослушивании от посторонних шумов на 85–100%. Как это происходит?
Помимо динамика, необходимого для воспроизведения звука, производители поместили в наушники микрофон. Принцип его работы основан на том, что он принимает инородный звук, преобразует его в ту же частоту, на которой звучит музыка и соединяет их в один поток. В итоге, вы слышите не смесь нескольких звуков, а качественный, изолированный от внешних воздействий трек.
Особенности наушников с ANC, лучшие модели
Наушники с ANC — это отличный, качественный аксессуар для настоящих меломанов. Устройство определённо имеет превосходство над обыкновенной звукоизоляционной системой. Однако, эффект активного шумоподавления имеет и некоторые недостатки:
ВАЖНО! Выход из этой ситуации простой – проведите тест. Если в течение 2–3 часов прослушивания музыки в наушниках с активным шумоподавлением вы не чувствуете дискомфорт, можете спокойно приобретать подобную гарнитуру.
На рынке присутствует достаточно много моделей, снабжённых функцией ANC. Из них наиболее качественными и функциональными являются следующие:
Теперь вы знаете, что отгородиться от шума и посторонних звуков можно при помощи современного устройства – наушников с функцией ANC. Достаточно выбрать подходящие именно вам набор функций, дизайн и ценовую категорию и можно наслаждаться прослушиванием любимой музыки где и когда угодно!
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 на самом деле работает шумоподавление (ANC) в наушниках
Если вы открыли эту статью, то, стало быть, хотите понять, как же на самом деле работает активное шумоподавление в наушниках на подобие AirPods Pro, Sony WF-1000XM3 или Huawei FreeBuds 3i. И под словами понять на самом деле я подразумеваю, что вы не хотите слышать об интерференции звуковых волн, амплитуде или противофазе.
Ну, правда, неужели авторы подобных статей полагают, что человек, понимающий эти термины, не сможет «сложить два плюс два» в своей голове?
Надеюсь, эта статья расставит всё по полочкам и поможет разобраться в этой важной и очень полезной для здоровья функции. Но прежде, чем мы сможем понять, как работает шумоподавление, нужно разобраться с тем, что вообще такое «шум» или звук.
Если вы знаете ответ на этот вопрос и вас не смущает тот факт, что мир не такой, каким его рисует ваше воображение, тогда сразу переходите ко второй части, где я непосредственно расскажу о шумоподавлении.
Часть 1. Что такое звук? Или зачем подавлять то, чего не существует
Говоря простыми словами, звук — это сигнал того, что где-то что-то пошевелилось. Если вы слышите звук, значит, где-то что-то упало, поползло, завибрировало и так далее.
Хорошо, давайте проверим это определение. Попробуйте быстренько пошевелить пальцами. Видимо, теория не работает, не так ли? Ведь если звук — это движение, тогда почему движение пальцев не сопровождается никаким звуком?
Дело в том, что наше ухо «не слышит» никакого звука, если что-то вибрирует менее 20-30 раз в секунду. Если же, к примеру, что-то начнет двигаться вперед-назад с частотой 440 раз в секунду, мы услышим ноту Ля. И чем быстрее что-то будет вибрировать, тем более высоким нам будет казаться звук. Если же скорость вибрации превысит 20 тысяч раз в секунду, звук снова перестанет для нас существовать, но его будут продолжать слышать многие животные.
Всё дело в том, что пространство вокруг нас не является пустотой, а заполнено молекулами азота и кислорода, между которыми есть много свободного места. Чтобы лучше это понять, представьте себе молекулы маленькими бесцветными шариками:
К примеру, когда мы хлопаем в ладоши, то воздух между руками сжимается, то есть, эти шарики (молекулы) разлетаются в разные стороны и ударяются о ближайшие молекулы. Те, в свою очередь, отлетают и бьют по следующим молекулам — в точности, как бильярдные шары:
Так причем же здесь звук? Да при том, что рано или поздно, эти столкновения дойдут до молекул, которые летают внутри вашего уха (в ушном канале). Так как им некуда будет деваться, они со всего размаху ударят вам по барабанной перепонке:
От этих ударов перепонка завибрирует и вибрация по слуховым косточкам будет передана прямо в улитку, заполненную жидкостью. И вот здесь начинается самое интересное!
Если бы мы развернули улитку, то нашли бы внутри что-то вроде пианино (базилярная мембрана) с большим количеством «клавиш» (волосковые клетки):
У основания улитки находятся «клавиши», отвечающие за самые высокие тона, а в конце — за низкие частоты (бас). Если удары по улитке будут очень короткими и частыми, вибрация жидкости будет возбуждать только те волоски, что находятся вначале. Если же увеличить продолжительность ударов и сделать их более редкими, тогда возбудятся клетки на конце улитки.
Теперь смотрите, что будет, если мы натянем и отпустим, скажем, струну гитары. Она начнет вибрировать, то есть, двигаться вперед-назад.
При движении вперед струна будет ударять по молекулам воздуха, они будут также отлетать вперед и толкать другие молекулы, находящиеся в состоянии покоя. Но когда струна начнет движение в обратную сторону, она потянет за собой и молекулы, то есть, воздух перед струной станет немножко разреженным:
Естественно, в скором времени эти сжатия и разрежения воздуха достигнут нашего уха, соберутся в один пучок (форма уха сделана так, чтобы направлять весь воздух в узкую трубку — ушной канал) и далее произойдет следующее. Те молекулы, что сбились в кучу, ударят по перепонке, затем наступит пауза (небольшой вакуум) и перепонка вернется в обратную сторону, затем снова последуют удары (опять участок сжатого воздуха).
Мозг анализирует от какого именно по счету нерва пришел сигнал, чтобы «сыграть» для вас (для вашего сознания) заготовленный от рождения звук. И вот только теперь появляется музыка. Но она не звучала во внешнем мире, она просто сгенерирована в вашем воображении!
Стоп-стоп! Ну что за ерунда! Ведь есть же микрофоны, которые точно так же, как и люди, «слышат» все звуки! Получается, если микрофоном можно зафиксировать звук, значит, он объективно существует и наше сознание здесь ни при чем!
Что делает микрофон? Или шокирующая правда об окружающем мире
Не спешите успокаивать себя той мыслью, что звук — это не плод нашей фантазии (не продукт нашего мозга).
Мы просто научились записывать при помощи специальных устройств изменение давления воздуха. Микрофон — это обычная тоненькая мембрана (как у динамика), по которой стучат молекулы. Чем сильнее молекулы ударились о мембрану, тем сильнее она отклонилась и сгенерировала более высокое напряжение, то есть, «звук» в итоге будет громче.
Если молекулы будут делать за одну секунду 1000 ударов по мембране, наш микрофон так и запишет, а мы затем скажем, что это был звук с частотой 1000 Гц или 1 кГц. Кстати, запишем мы это волной, где по вертикали (ось Y) будем указывать давление воздуха (чем сильнее — тем выше поднимается график), а по горизонтали (ось X) — время:
Количество чередований сжатого и разреженного воздуха за 1 секунду — это и будет частотой (если за секунду будут проходить 50 циклов сжатого-разреженного воздуха, это будет частота 50 Гц). А расстояние между двумя последовательными сжатиями молекул называется длиной волны.
Теперь нам просто нужно всё провернуть в обратном порядке — заставить такую же мембрану вибрировать 1000 раз в секунду. И уже мембрана будет толкать молекулы с такой скоростью и частотой, с какой молекулы ударялись о мембрану при записи звука.
По сути, мы лишь просто записываем движение молекул и затем снова толкаем их, чтобы воспроизвести движение. Но в реальном мире, что при записи звука, что при проигрывании была полная тишина. Звук появится только в нашем мозге.
В каком-то смысле можно сказать, что красивые и уникальные голоса великих певцов еще с рождения присутствовали в нашей голове. Просто нужен был человек, который бы сумел так растолкать молекулы в воздухе, чтобы они, ударив по перепонке и вызвав нужные колебания жидкости в улитке, затронули «правильные» нотки нашего внутреннего уха, чтобы мозг мог достать из своей «библиотеки заранее сохраненных звуков» нужные тона. Это же касается и всех остальных звуков живой и неживой природы.
Часть 2. Как работает активное шумоподавление в наушниках
Думаю, после прочтения первой части, многие поняли уже технологию работы шумоподавления. Логика подсказывает, что нам просто нужно проанализировать сжатия и разряжения воздуха, приближающиеся к нам в уши, а затем разреженные участки (в которых мало молекул) заполнить молекулами, а сжатые участки немножко разредить, то есть, убрать давление, чтобы молекулы перестали толкать друг друга.
Для этого мы делаем следующее:
В теории всё просто и понятно, вот только в реальности система активного шумоподавления работает далеко не так качественно и эффективно. Некоторые наушники неплохо подавляют только низкочастотные звуки, другие вообще могут даже усиливать некоторые частоты (например, Sony WF-1000XM3). Что же происходит!?
Думаю, не нужно объяснять, что наилучшее шумоподавление достигается только при хорошей изоляции ушного канала. То есть, наушники-вкладыши, вроде Huawei FreeBuds 3 или Samsung Galaxy Buds Live, несмотря на наличие функции активного шумоподавления, не будут гасить внешние звуки так же эффективно, как внутриканальные модели. Это понятно.
Теперь разберемся, почему наушники отлично погашают только низкочастотный гул, но очень плохо справляются с высокими частотами.
Подавляем низкие и высокие частоты
В интернете можно встретить различные глупые объяснения, будто производители специально делают так, чтобы в аэропорту вы услышали важное объявление, но не слышали гул мотора самолета. Некоторые модели действительно имеют разные режимы работы шумодава, но проблема в том, что даже при самом сильном шумоподавлении, отсекаются, в основном, низкие частоты.
Википедия пишет, что гул двигателя самолета или автомобиля — это стабильный и однообразный шум, соответственно, наушникам проще его распознать и подавить, а вот внезапные случайные шумы, вроде разговора, отследить гораздо труднее. Действительно, периодические волны погасить проще, но проблема в том, что наушники легко отсекают даже самый внезапный звук на низкой частоте.
Чтобы разобраться в этом, посмотрите внимательно на две волны:
При звуке высокой частоты мы видим, что сжатые и разреженные области воздуха чередуются гораздо чаще, чем при звуке низкой частоты. Кроме того, области воздуха разного давления на низкой частоте гораздо длиннее. Другими словами, длина волны (одна порция низкого и высокого давления воздуха) гораздо больше.
Давайте посмотрим на цифры. Вот у нас работает двигатель самолета и он расталкивает молекулы вокруг себя с большой силой примерно 150 раз в секунду. То есть, издает звук на частоте 150 Гц.
Как вы думаете, насколько длинной будет область сжатого воздуха? Посчитать это очень легко! Если мы предположим, что температура окружающего воздуха равняется 20°C, тогда скорость распространения звуковой волны будет составлять примерно 343 метра в секунду. Соответственно, если за секунду проходит 150 волн (чередующихся сжатых и разреженных областей), тогда длина одной волны будет составлять 2.2 метра:
Если же мы возьмем звук высокой частоты, скажем, 2 кГц (2000 Гц или 2000 раз в секунду), тогда длина волны составит всего 17 см, а ее сжатая область и того меньше. Для 10 кГц длина волны не превысит и 3 см. Все эти волны будут пролетать через наушники со скоростью 343 метра в секунду.
Несложно понять, что при низкочастотном шуме, давление, проходящее через наушники, будет гораздо дольше оставаться неизменным и равномерным, чем при высокочастотном. Соответственно, выровнять такое постоянное давление гораздо проще, чем попадать в такт очень быстро изменяющемуся давлению.
Не забывайте, что наушники должны не просто погашать внешний звук, но и производить музыку. То есть, за эти микросекунды наушник должен учесть внешний шум, проанализировать звук композиции, создать новую звуковую волну, которая будет учитывать и музыку, и движение мембраны для погашения нежелательных звуков, а лишь потом подать сигнал на динамик.
Но и это еще не все! Модели, вроде Apple AirPods Pro, слушают не только внешний шум, но и результат работы шумоподавления при помощи внутреннего микрофона, размещенного уже за динамиком. Чтобы иметь возможность что-то подстроить или изменить, звуковая волна должна быть достаточно длинной. Поэтому такие наушники еще более эффективно подавляют низкочастотный гул.
Как понять, в каких наушниках самое лучшее шумоподавление? Или как читать характеристики шумодава
К сожалению, шумоподавление очень сильно отличается от модели к модели. Такие наушники, как AirPods Pro, Huawei FreeBuds 3i или OPPO Enco W51 гораздо лучше справляются со всеми частотами, чем Sony WF-1000XM3 или Sennheiser Momentum True Wireless 2.
Это зависит от скорости процессора, алгоритмов, качества микрофонов и их количества, качества мембраны динамика и пр.
Естественно, лучше всего проверять качество шумоподавления самостоятельно. Но если такой возможности нет, тогда остается лишь читать обзоры (например, наши) или, хотя бы, посмотреть технические характеристики наушников на сайте производителя.
Кто-то указывает, к примеру, частотную характеристику микрофонов. Если микрофон наушников не способен улавливать звук ниже 200 Гц, естественно, и подавить этот шум такая модель не сможет (даже теоретически). Так как для наушников не будет существовать звуков на частоте до 200 Гц.
Но сейчас модным трендом стало указывать уровень подавления шумов в децибелах. Вот лишь несколько примеров (данные взяты с официальных сайтов):
| Модель | Уровень шумоподавления |
| OPPO Enco W51 | 35 дБ |
| Huawei FreeBuds Pro | 40 дБ |
| Huawei FreeBuds 3i | 32 дБ |
Что значат эти децибелы (дБ)? На самом деле, ответ на этот вопрос заслуживает отдельной статьи, так как даже авторы некоторых популярных русскоязычных техно-ресурсов пишут, что в 2 раза громче — это в 2 раза больше децибел (например, 120 дБ — это в два раза громче 60 дБ). Что и говорить о простых людях…
Я не буду сейчас углубляться в этот вопрос, но дам вам простую формулу: каждые 10 дБ мы воспринимаем в 2 раза громче. То есть, если один звук имеет громкость 60 дБ, то в 2 раза громче — это 70 дБ, в 4 раза громче — это 80 дБ.
Если мы видим в характеристиках, что уровень шумоподавления составляет 30 дБ, это значит, что внешний шум будет восприниматься нами в таких наушниках в 8 раз тише (каждые 10 дБ — это в 2 раза).
Но опять есть это «но»… Не стоит сильно вдохновляться рекламой и сразу же покупать наушники, где заявлены самые сказочные характеристики. Дело в том, что производитель нигде не указывает, о какой конкретно частоте (или частотном диапазоне) идет речь. Получается, наушники могут погасить в 8 раз только один звук на частоте 100 Гц, а остальные звуки могут быть слышны сильнее, чем у конкурентов.
Поэтому, всё, что касается шумоподавления, нужно пробовать самому (или доверять совету других). Но даже независимые тесты могут не отображать реальной картины, так как тестирование всегда должно проходить на какой-то физической модели уха и здесь снова появляются вопросы к пассивной шумоизоляции, как наушники были вставлены, подобраны ли правильно амбушюры и т.п.
И последнее замечание. Активное шумоподавление требует активных вычислений, поэтому всегда при шумоподавлении любые беспроводные наушники будут разряжаться быстрее. Об этом следует помнить.
В любом случае, теперь вы знаете, как работает шумоподавление в наушниках на молекулярном уровне!
Алексей, глав. редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?