Как работает система шумоподавления в современных наушниках. Как работает шумоподавление в наушниках

Можно заглушить окружающий шум, перебив его музыкой в наушниках или другим шумом — например, шумом моря или оживлённого кафе. Один шум заглушит другой, и голоса менеджеров в вашей голове как будто пропадут. Но продолжительное прослушивание громкого шума может навредить слуху.

Как работает шумоподавление? Разбор

Сегодня мы расскажем о том, как работает активное шумоподавление и какие технологии заложены внутри не только наушников, но и разных алгоритмов.

В последние пару лет технологии шумоподавления сделали огромный скачок вперед. Мы накупили себе наушников с шумодавом на любой вкус и кошелек, а нейросети и пандемия спровоцировали скачок в качестве аудиосвязи.

Сегодня разберёмся как работает шумоподавление в наушниках и не только.

Принцип работы

Начнем с системы ANC в наушниках, то есть системы активного шумоподавления. Как она работает?

Во-первых, перевод: ANC — Active Noise Cancellation, также его называют Active Noise Control или Active Noise Reduction (ANR).

Громкость звука зависит от амплитуды звуковых волн. Чем выше размах колебаний частиц в воздухе, которые добираются до наших барабанных перепонок, тем громче звук. Поэтому чтобы сделать звук тише, нам нужно уменьшить амплитуду этих волн. Это можно сделать несколькими способами. Например? поставить перегородку, которая будут гасить звуковые волны. В помещении такой перегородкой может быть стена или окно, ни или мы можем просто надеть плотные наушники. Такой метод шумоподавления называется пассивным.

Но мы можем и активно гасить звуковые волны, создавая свои волны в противофазе шуму! В этом случае, волны будут просто накладываться и гасить друг друга. Гениально и просто!

Мы можем рассматривать акустические волны как серию пиков и впадин либо как рябь на поверхности пруда. Идеальным примером может служить шум двигателя самолета, так как гул, который вы слышите в салоне, обычно представляет собой звуковую волну постоянной амплитуды – высота пиков и глубина впадин в значительной степени неизменны.

Что это такое и как работает

Активное шумоподавление — это способ устранить нежелательный шум с помощью наложения специально сгенерированного звука.

Работает активное шумоподавление следующим образом. Система захватывает шум, который нужно подавить, через внешний микрофон и издает звуковую волну с той же амплитудой, но зеркально отображённой фазой исходного звука. Волна шума и сгенерированного звука смешиваются и подавляют друг друга.

Такой способ борьбы с шумом при прослушивании музыки позволяет отказаться от полной шумоизоляции либо от чрезмерного повышения громкости. Именно эти два способа ранее активно применялись для подавления лишних звуков.

Первые патенты в этой области начали появляться еще в 30-х годах ХХ века, но до реального применения дело дошло лишь спустя полвека. Технология активного шумоподавления изначально использовалась в авиационной и оборонной промышленности. Лишь несколько лет назад она попала на потребительский рынок.

Эффективно ли это

Многие напрасно считают систему активного шумоподавления маркетинговой уловкой. Да, от всех шумов система не оградит, но свою прямую функцию выполняет исправно.

Принято считать, что человек способен воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 КГц. Большинство современных «шумодавов» хорошо справляются с шумом от 100 Гц до 1 КГц. Этого вполне достаточно, чтобы избавить слушателя от разговоров других людей, шума транспорта и ветра.

Колебания в диапазоне ниже 100 Гц мы воспринимает не только ухом, но и телом, здесь никакое шумоподавление в наушниках не поможет. А что касается верхнего диапазона, то система способна превратить высокочастотный писк или свист в спокойное шипение.

В хороших шумоподавляющих наушниках можно почувствовать себя в тихом помещении, даже находясь на шумной улице.

Типичный шум в кабине в то время достигал 100 децибел. Новая технология позволила снизить его до уровня 80–85 децибелов, всё равно громко и сравнимо с очень громким криком, но всё равно позволило спасти слух многим пилотам.

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.

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.

Науке пока неизвестны негативные последствия от работы наушников с шупоподавлением. Но известно, как постоянный шум влияет на уровень стресса и психическое здоровье. Он влияет. Поэтому шумодав сейчас скорее полезен, чем вреден.

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.

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.

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.

Почему я всё ещё слышу некоторые звуки при включённом шумоподавлении?

1. Микрофоны и динамики ваших наушников имеют ограниченный диапазон действия, то есть они не слышат и не могут воспроизвести некоторые волны.
2. Вы слышите не только ушами, но и частично всем телом: вы ощущаете вибрации окружающей среды, которые тоже могут восприниматься как звук.
3. Человеческий слух настроен хорошо различать человеческие голоса, поэтому когда где-то рядом кто-то говорит, мы более чутки к таким звукам. Подавить их полностью довольно сложно.

Разумеется, технология шумоподавления ещё не так эффективна, как хотелось бы. Но даже так — лучше, чем ничего. Наслаждайтесь 🙂

В «Яндекс Практикуме» можно стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером цифровых продуктов. Первая часть обучения всегда бесплатная, чтобы попробовать и найти то, что вам по душе. Дальше — программы трудоустройства.