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:
- Микрофона, который обычно располагается с тыльной стороны каждого наушника. Он ловит все звуки окружающей среды.
- Электронной начинки, которая инвертирует на 180˚ все, что услышал микрофон и посылает в динамик наушника.
- Аккумулятора или батарейки, потому что такое устройство требует электричества для работы.
- Динамика, который играет музыку вместе с «антишумом».
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.
Источник
Окунуться в тишину мегаполиса: разбираемся с системой активного шумоподавления в наушниках
Кому не хочется отключиться от внешнего мира и спокойно наслаждаться любимой музыкой, не искажаемой шумом автомобилей или поездов, бесконечными разговорами соседей по вагону и общим гулом мегаполиса? Можно выкрутить звук на максимум, вставить поглубже в уши «капельки» или, например, использовать наушники с активным шумоподавлением. Последние, несмотря на более высокую стоимость относительно обычных вкладышей или накладных наушников, продолжают набирать популярность. Но насколько они безопасны и так ли хорошо работают? Попробуем разобраться.
Принцип работы системы активного шумоподавления был предложен еще в 30-х годах прошлого века и с тех пор не претерпел существенных изменений. Основная идея проста: система улавливает внешние шумы, а затем инвертирует их и воспроизводит в противофазе. Таким образом происходит взаимовычетание фазы и противофазы окружающего шума, благодаря чему и снижается его уровень.
Реализация такого рода системы для мониторных наушников предполагает, что на внешней стороне чашек устанавливаются микрофоны. Они улавливают окружающий шум, затем система инвертирует его и передает на динамики.
Так как обязательными компонентами системы являются усилитель и преобразователь, она не может работать без источника питания, коим обычно выступает аккумулятор. При этом многие старые модели не функционируют при отключенном «шумодаве»: как только аккумулятор разряжается — музыка прекращается. В современных наушниках система обычно позволяет пустить сигнал в обход «шумодава» и слушать музыку, не задействуя аккумулятор.
Denon AH-NCW500. Все компоненты системы шумоподавления поместились в чашечках этих наушников
Кстати, именно за счет встроенного усилителя некоторые модели наушников при включенной системе шумоподавления могут играть более качественно, чем без нее. Ведь наушники с «шумодавом» чаще всего используются со смартфонами либо с портативными плеерами. Выходная мощность у таких устройств, как правило, невелика, да и качество встроенных усилителей не самое лучшее. Соответственно, по максимуму использовать наушники они не дают.
Усилитель в системе шумоподавления дополнительно работает в этом направлении. Отсюда и более высокое качество звука.
Вставные беспроводные Bose QC-30. Часть компонентов системы шумоподавления вынесена в эргономичную дужку
Эффективно?
Прежде всего, следует сказать, что качественно работает такая система не во всем диапазоне частот, а в промежутке приблизительно от 100 до 1 КГц. На этом участке хорошие модели наушников способны обеспечить снижение шума до уровня -30 дБ. В самом нижнем звуковом диапазоне, до 100 Гц, человек воспринимает звуковые колебания не столько органами слуха, сколько телом, и наушники, какой бы уровень компенсации они бы не давали, от шума не спасут.
Уровень отсечения шумов Bose QC-25 с выключенной (зеленая линия) и включенной (сиреневая линия) системой шумоподавления. Источник: lifewire.com
В диапазоне свыше 1 КГц система даже может немного добавлять шума. Однако это не уличный гул, а равномерное, спокойное «шипение», к тому же — очень тихое —
расслышать его можно лишь в очень спокойной обстановке.
В диапазоне 100-1000 Гц при условии качественной реализации «шумодав» вполне способен значительно снизить звуковое давление окружающей среды. В хороших шумоподавляющих наушниках вполне реально почувствовать себя в тихом безлюдном помещении, находясь на шумной улице.
В отдельных моделях «шумодав» работает воистину поразительно. Это, например, свежая линейка Bose и старшие модели Sony, в особенности MDR-1000x: надеваешь наушники и первое время отказываешься верить своим ушам. Очень хорошо справляются с отсечением шумов такие модели как Sennheiser Momentum 2.0 Wireless, Parrot Zik, всевозможные Beats. В то же время во многих бюджетных «ноунейм»-вариантах «шумодав» может присутствовать лишь номинально, а эффект от его работы стремиться к нулю.
Sony MDR-1000x
Безопасно?
Казалось бы, технология активного шумоподавления — штука безобидная. Тем не менее, интернет-пользователи активно интересуются вопросом, не вредна ли она для слуха, да и для здоровья в целом? Соответствующее обсуждение есть, к примеру, на известном аудиофильском форуме head-fi, где порой высказываются занятные предположения на этот счет. Официальные научные исследования на эту тему не проводились, но в целом преобладает мнение, что особых поводов для беспокойства нет.
Тогда откуда страхи? Дело в том, что отдельные пользователи отмечают у себя симптомы того, что можно назвать индивидуальной непереносимостью «шумодава». Кое-кто жалуется, что достаточно продолжительное использование наушников с системой шумоподавления вызывает у него головную боль, головокружение и даже приступы тошноты.
Об истинных причинах говорить сложно. В отдельных случаях головокружение и боль могут возникать из-за длительного прослушивания музыки, слишком сильного прижима чашечек наушников к голове и других эргономических нюансов, а списываться пользователем на работу «шумодава».
Но виноватым может оказаться и сам «шумодав». По одной из версий, причиной головной боли и головокружений является диссонанс между картинкой и звуком. Ведь при использовании наушников с системой активного шумоподавления пользователь слышит не то, что видит. К примеру, если человек в таких наушниках выйдет на улицу, почти все органы чувств будут сигнализировать мозгу о том, что его хозяин движется, а вокруг шумят. При этом слух будет сообщать о практически полной тишине и покое. Мозг не всегда может адекватно сопоставить информацию, что приводит к дискомфорту.
Второе предположение специалисты основывают на том, что «шумодав» в процессе работы сам в значительных количествах производит низкочастотные колебания. Эти колебания воздействуют на вестибулярные рецепторы, соединенные с волосками внутреннего уха, что вносит смуту в работу вестибулярного аппарата и, как вариант, вызывает головную боль или головокружение у пользователя.
Как показывает практика, случаи неприятия организмом «шумодава» достаточно редки. Но стопроцентную уверенность можно приобрести, только если протестировать гаджет самостоятельно. Например, одолжив у знакомых.
Важно, что некоторые пользователи, поначалу столкнувшись с «непереносимостью», постепенно привыкли к устройству и перестали испытывать дискомфорт.
А посему, если после первого прослушивания у вас вдруг заболела или закружилась голова, не отчаивайтесь — попробуйте дать своему организму время адаптироваться к наушникам. Если есть такая возможность — постарайтесь протестировать их хотя бы в течение пары дней.
Качественные беспроводные наушники с системой шумоподавления Sennheiser Momentum 2.0 Wireless
Альтернатива?
Система активного шумоподавления — не панацея, чтобы оградить себя от стороннего шума, можно воспользоваться альтернативными вариантами. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки.
Первый — IEMs, или внутриканальные наушники. Это по сути те же наушники-капельки – только гораздо более высокого класса. Они изготавливаются в основном на базе арматурных излучателей, которые обеспечивают очень точное и детальное воспроизведение музыки, и при этом за счет конструкции демонстрируют очень высокий уровень отсечения внешнего шума.
Обратной стороной является специфичная посадка наушников в ухе у большинства моделей. Не всем она покажется комфортной, что хорошо видно в этом видеоролике. Также IEM очень требовательны к качеству источника — вместе с мельчайшими деталями фонограмм они с успехом раскроют и все «косяки» аудиотракта. Такие наушники лучше использовать со специальным аудиофильским плеером.
Уровень шумоизоляции у арматурных наушников Etymotic ER-4s, Shure SE-535 и Klipsch X10i. Источник: www.headphone.com
Второй вариант — без «шумодава», но с хорошей звукоизоляцией. Если ваши требования к шумоизоляции не экстремально высоки, вероятно, вам хватит и просто наушников с достаточно герметичной посадкой, специально «заточенных» под использование в шумных условиях. По сути это «золотая середина» между обычными наушниками и моделями с «шумодавом».
Правда, и здесь есть свои «но». Во-первых, большинство моделей оснащается плотными кожаными амбушюрами и обладает большой силой прижима чашек —
эргономика у них довольно спорная. Во-вторых, многие из них созданы специально для диджеев — отсюда специфичное звучание с мощным басом и просаженными средними частотами.
Beyerdynamic T5p. Аудиофильские портативные наушники с высоким уровнем шумоизоляции
У самой технологии активного подавления шумов также есть свои недостатки. Основных два: необходимость заряжать аккумулятор и более высокая, в сравнении с наушниками без «шумодава», цена. Еще один момент — идущий по улице человек в таких наушниках может не услышать приближение транспорта и подвергнуть себя опасности, но это бич любого гаджета, закрывающего уши, без привязки к технологии.
Что в итоге?
Наушники с активным шумоподавлением — удобный инструмент для комфортного прослушивания музыки в условиях современного города. Они хорошо подойдут тем, кто привык не расставаться с любимым радио или плей-листом, но при этом испытывает дискомфорт от «капелек» в ушах. Они также понравятся тем, кто работает в шумных условиях, много ходит по улице или ездит в метро. При этом не обязательно постоянно слушать музыку — можно просто включить систему шумоподавления и оказаться в тишине, находясь при этом посреди шумного мегаполиса.
В целом сегменту беспроводных наушников предсказывают активное развитие, а отказ крупных производителей смартфонов от 3,5-миллиметрового аудиоразъема должен заметно тому поспособствовать. «Шумодав» в таких условиях может стать стандартной опцией для качественных беспроводных наушников. При том что реализация подобной системы в устройстве, где априори есть электронная начинка и элементы питания, выглядит не слишком затратной
Источник