Jak działa redukcja szumów w słuchawkach i dlaczego nie chroni Cię przed wszystkimi dźwiękami zewnętrznymi

W 2020 r., W związku z przejściem na pracę zdalną, wiele osób potrzebowało słuchawek do komunikowania się ze współpracownikami na konferencjach online i dystansowania się od domowników. Szczególną popularność zyskały gadżety z redukcją szumów: pomogły lepiej skupić się na pracy, ponieważ zmniejszyły poziom hałasu zewnętrznego.

Ale takie modele istnieją od dawna: domowe słuchawki z systemem redukcji szumów pojawiły się po raz pierwszy już w 1989 roku. Niedawno Apple zwrócił uwagę na tę funkcję wraz z wydaniem AirPods Pro, a następnie AirPods Max.

Wiele osób oczekuje, że słuchawki z redukcją szumów całkowicie „wyłączą” dźwięk otoczenia i są rozczarowani, gdy tego nie robią. Aby zrozumieć, dlaczego technologia nie naśladuje przycisku Wycisz, musisz zrozumieć, jak to działa.

Jak działa aktywna redukcja szumów

Technologia aktywnej redukcji hałasu przeniosła się do sprzętu AGD z wojska: już w połowie XX wieku takie systemy były wykorzystywane do redukcji poziomu hałasu w kokpitach samolotów i helikopterów. Powstały pierwsze nauszne słuchawki z aktywną redukcją szumów

Historia słuchawek dla helikopterów w 1957 roku.

Do użytku domowego technologia została dostosowana przez firmę Bose - to właśnie jej słuchawki stały się pionierami redukcji szumów na rynku elektroniki użytkowej w 1989 roku.

Zasada działania jest następująca: system mikrofonowy wykrywa poziom szumów wokół słuchawek, a następnie w głośnikach odtwarzany jest sygnał o tej samej amplitudzie, ale w antyfazie. W rezultacie fale hałasu i przeciwhałasowe wzajemnie się tłumią. Oczywiście, aby powstała fala antyfazowa, konieczne jest podłączenie słuchawek do jakiegoś źródła zasilania, dlatego taki układ nazywamy aktywnym.

Wdrożenie go w praktyce nie jest tak łatwe, jak się wydaje. Chodzi o samą naturę dźwięku. Wygenerowanie sygnału w antyfazie jest trudnym zadaniem: musi być wykonane szybko i dokładnie. Szybko, bo hałas może się zmienić, np. W kawiarni albo pukają filiżanki na spodki, albo komuś gratuluje urodzin, czyli kapryśny dźwięk w tle i musisz się do tego dostosować. Dokładnie, ponieważ odchylenie między fazą a antyfazą może prowadzić do nieprzyjemnych zniekształceń.

Dlatego aktywna redukcja szumów najlepiej radzi sobie z monotonnymi dźwiękami o niskiej częstotliwości, takimi jak buczenie silników samolotu lub wentylacja. Mają mniej więcej stałą amplitudę, a długość fali przy niskich częstotliwościach jest dość duża i wybacza pewną rozbieżność w fazie i antyfazie sygnału. W przypadku kawiarni podstawą szumu są dźwięki średnio- i wysokoczęstotliwościowe, dla których długość fali jest znacznie krótsza, a amplituda zmienia się bardziej gwałtownie - mają większe wymagania co do sygnału antyfazowego.

Nowoczesne systemy aktywnej redukcji szumów nie mają jeszcze wystarczającej mocy obliczeniowej, aby uciszyć rozmowy nieznajomych i nagłe dudnienie. Ale dobrze radzą sobie z monotonnym hałasem w tle.

Jak działa pasywna redukcja szumów

Oprócz aktywnej redukcji szumów istnieje również pasywna redukcja szumów. To, można rzec, wygłuszenie: zakładasz słuchawki - i wszystko wokół staje się przytłumione. Nie wymaga prądu i zależy tylko od tego, jak mocno urządzenie przylega do uszu i głowy. Jeśli jest jakakolwiek przerwa, będzie słychać hałas.

Dlatego w komplecie z słuchawki douszne na raz jest kilka par nauszników o różnych rozmiarach: każdy ma inne uszy, czasami nie jest łatwo znaleźć idealne nauszniki. Jeśli nie usiądą bardzo mocno, gadżet nie zapewni odpowiedniego poziomu izolacji akustycznej.

Ale idealnie dopasowane dysze skutecznie tłumią dokładnie ten hałas, z którym nie radzi sobie aktywna redukcja szumów: średnie i wysokie częstotliwości, ostre, nagłe dźwięki. Bo ten schemat nie opiera się na szybkości elektroniki, a po prostu tłumi wszystko dookoła, choć nie po to, by do końca cisza.

Pasywna redukcja szumów odgrywa również istotną rolę w pełnowymiarowych słuchawkach z dużymi nausznikami. Im mocniej nauszniki są dociśnięte do głowy, tym mniej hałasu słyszysz i tym mniej osób znajdujących się w pobliżu będzie wiedziało o Twojej muzyce. Ale jeśli możesz zmienić nieodpowiednie nasadki na słuchawki douszne, to nic nie da się zrobić z pełnowymiarowymi, które nie pasują dobrze na głowie.

A mimo to idealnej ciszy z takim gadżetem nie da się osiągnąć. Powód ponownie leży w naturze dźwięku i materiałach. Dźwięk rozchodzi się wszędzie tam, gdzie jest otoczenie. Fizyczne przeszkody mogą mu przeszkadzać, więc możesz po prostu zamknąć uszy ręce i zagłuszać otaczający świat.

Aby jednak uzyskać pełną izolację akustyczną, należy zastosować specjalne materiały dźwiękochłonne.

Pamiętasz duże słuchawki konstrukcyjne noszone w celu ochrony przed ostrymi dźwiękami, jak młot pneumatyczny? Nie ma w nich elektronicznego wypełnienia - po prostu zakrywają uszy, tworząc fizyczną barierę dla hałasu i uwalniając ręce. Jednocześnie nadal nie dają całkowitej ciszy: młot pneumatyczny jest słyszalny, choć głuchy.

Aby uzyskać maksimum w takich słuchawkach wygłuszenienależy dodać bardziej chłonny materiał, dzięki czemu będą zauważalnie cięższe i bardziej obszerne. Teraz wyobraź sobie, że będziesz musiał podłączyć całą niezbędną elektronikę do już przybierających na wadze słuchawek. Model stanie się bardzo ciężki.

Oczywiście producenci ulepszają zarówno materiały, z których wykonane są słuchawki, jak i ich elektroniczne wypełnienie, ale wciąż daleko im do stworzenia idealnej ciszy. Teraz starają się znaleźć równowagę między komfortem użytkowania a efektywnością oferowanych funkcji.

Co wpływa na jakość redukcji szumów

Na rynku jest wiele firm oferujących słuchawki z aktywną redukcją szumów, ale skąd wiesz, kto ma najlepsze?

Możesz spojrzeć na cechy. Na przykład, im więcej mikrofonów pracuje w systemie redukcji szumów, tym dokładniej będzie odczytywany poziom szumu otoczenia i tym dokładniej będzie budowany sygnał antyfazowy. Im mocniejszy i nowocześniejszy procesor, tym szybciej system będzie reagował na zmiany w otaczającym hałasie. W teorii.

Niektóre firmy oferują nawet niestandardowe algorytmy redukcji szumów, takie jak Sony, Bose, Samsung, Apple. Słuchawki wyposażone w takie układy oprócz mikrofonów nasłuchujących hałas na zewnątrz urządzenia posiadają również mikrofony wychwytujące szum wewnątrz.

Podczas kalibracji słuchawki odtwarzają sygnały testowe, a te same mikrofony wewnętrzne odczytują odpowiedź. Na podstawie wyników kalibracji algorytm redukcji szumów koryguje swoją pracę: jest teraz dostosowywany do geometrii określonych uszu i głowy.

Pasywna izolacja akustyczna wpływa również na działanie systemu aktywnej redukcji hałasu. Jeśli słuchawki są luźne i przechodzą przez szum, sygnał przeciwfazowy nie będzie działał tak skutecznie. Większość pełnowymiarowych słuchawek z aktywną redukcją szumów jest wyposażona w duże, miękkie nauszniki, które przylegają do kształtu głowy, zapewniając maksymalną izolację dźwięku.

Jak nie dać się nabrać na sztuczki marketerów

Problem ze słuchawkami z redukcją szumów polega na tym, że firmy są przebiegłe: w reklamach, gdy włączona jest redukcja szumów, impreza się zmienia dzwoniąca cisza, miejsce bicia kół pociągu zajmują spokojne alpejskie łąki, a dziecko wrzeszczące na sąsiednim siedzeniu rozpływa się w mgła.

Jednak ze względu na fizykę samego procesu redukcji szumów osiągnięcie takiego efektu jest nierealne. Początkowo, nawiasem mówiąc, firma Bose szczerze nazwała swoje słuchawki Noise-Reducing - „redukcja szumów”, ale potem, podobnie jak inni, przeszła na termin Noise-Canceling - „redukcja szumów”.

W efekcie użytkownicy, licząc na ciszę, schodzą w takich słuchawkach do Metrowłącz redukcję hałasu... Wycie wiatru w tunelu znika, ale studenci, którzy opowiadają o zaliczeniu zajęć z udręką Stanisławskiego, nie. Słychać też sposób, w jaki ktoś w pobliżu kaszlał. Głuchy, ale wciąż słyszalny.

Gdzie moja obiecana cisza, łąki i alpejska świeżość? W snach. Ponieważ technologia nie osiągnęła jeszcze tego poziomu.

Jednocześnie w materiałach marketingowych deweloperzy bardzo lubią chwalić się, że ich system zapewnia redukcję hałasu, na przykład do -15 dB. Pierwszą rzeczą, na którą zwracamy uwagę, jest słowo „przed”. Po drugie, nie określono, w jakich warunkach można osiągnąć te −15 dB. Oznacza to, że jest kilka liczb, ale nie jest jasne, jak je porównać z rzeczywistością.

Kolejną sztuczką jest zastępowanie pojęć. Zdarza się, że w opisie słuchawek tłumienie szumów nazywane jest systemem tłumiącym hałas podczas transmisji głosu podczas rozmów. Oznacza to, że twój rozmówca słyszy cię wyraźniej. Ale nie wpływa to na tłumienie szumów zewnętrznych podczas słuchania muzyki.

Jaki jest wynik końcowy

Technologia redukcji szumów w formie, w jakiej jest prezentowana przez działy reklamowe producentów słuchawki, nie istnieje. Co więcej, jej efekt jest indywidualny i zależy od parametrów fizycznych konkretnego słuchacza. Dla niektórych pełnowymiarowe słuchawki zapewniają odpowiednią pasywną izolację dźwięku, dzięki czemu aktywna redukcja szumów działa dobrze. A u innej osoby np. Ze względu na inną budowę kości policzkowych słuchawki nie będą tak ciasno przylegać, a algorytm będzie nieskuteczny. Więc wszystkiego trzeba przymierzyć.

Modele z aktywną eliminacją hałasu są odpowiednie dla tych, którzy dużo podróżują w transporcie: w autobusach, pociągach i samolotach. Główną cechą takich słuchawek jest możliwość stłumienia monotonnego przydźwięku niskiej częstotliwości i to on najczęściej towarzyszy w wyjazdach. Różnią się one wysokiej jakości aktywną redukcją szumów, na przykład:

• Sony WH - 1000XM4,
• Soundcore Liberty Air 2 Pro,
• Sennheiser Momentum True Wireless 2,
• Marshall Monitor II ANC,
• Samsung Galaxy Buds Pro.

Ci, którzy próbują uciec z hałaśliwych biur i domów, powinni zwrócić szczególną uwagę na dopasowanie słuchawek i szukać modeli, które przylegają jak najbliżej głowy lub przewodu słuchowego. Te słuchawki zmniejszają poziom hałasu wokół, w tym głosów. Ale nie możesz ich wybrać zgodnie z radą: musisz je przymierzyć.

Jeśli trafisz na model, który dobrze przylega do ciała i jest wyposażony w funkcję aktywnej redukcji szumów, możesz się cieszyć: otrzymujesz to, co najlepsze z obu światów. Ale nadal nie możesz osiągnąć doskonałej ciszy.