Как работает шумоподавление в наушниках

Почему ANC не всегда эффективен

Очевидно, что качество микрофонов влияет на общую производительность ANC. Плохой захват обязательно приводит к распространению менее эффективного инвертированного звука. Роль процессора, связанного с микрофонами, также имеет решающее значение, поскольку он должен оцифровывать паразитные звуки, определять, какие из них являются наиболее раздражающими, а для самых сложных наушников проверять и корректировать точность инвертированных звуков, распространяемых преобразователями. И всё это должно быть сделано в режиме реального времени или, по крайней мере, без заметных задержек.

Наконец, производительность датчиков влияет на эффективность ANC. Они должны быть в состоянии производить сильный объём низких частот, но также быть точными в высоких тонах. Однако, мощные преобразователи в басу по определению менее бдительны в средних и высоких частотах, потому что их мембрана толще и тяжелее.

Короче говоря, необходимо найти сложный баланс между микрофонами, процессором и преобразователями.

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.

Почему болит голова?

1. Эффект качки на корабле. Если вам знакома морская болезнь, если тяжело переносите нахождение на кораблях, то вы можете оказаться в той категории людей, которая не переносит САШ (систему активного шумоподавления). Пусть вы представляете собой только 7 процентов от всех пользователей, но есть вероятность, что вы находитесь в числе этих людей. Смысл заключается в том, что при использовании таких наушников вы обманываете свой мозг, как и в ситуации, когда находитесь на корабле. Вы идете по улице и видите прохожих, шумное автомобильное движение, резкий ветер. Органы зрения передают информацию мозгу о том, что вы находитесь на улице, но органы слуха не передают шум из-за использования системы. Именно поэтому мозг находится в замешательстве, из-за чего и появляется недомогание, головные боли.
2. Монотонный раздражитель. Поняв принцип работы системы, стоит сделать акцент на том, что на каждое действие есть противодействие. В результате работы системы у изготовителей получается устранить шум и позволит слушателю полностью погрузиться в музыку. Но нужно учитывать такую особенность, что в данном случае на органы звука будут воздействовать монотонные звуковые волны. А человеческий мозг настроен исключительно на то, чтобы принимать разнообразные звуки. Стоит сказать и об особенностях нервной системы, которая может негативно отреагировать на такое чистое звучание. Из-за особенностей организма при использовании системы могут возникать тошнота, головные боли. При этом невозможно предугадать, кто предрасположен к таким последствиям, а кто — нет.
3. Тишина не является залогом спокойствия. Известные изготовители тестируют создаваемые устройства в специальных организациях. Исследования проводятся в специальных помещения, так называемых абсолютно тихих комнатах. В комнатах блокируются практически все посторонние звуки. Этим создаются идеальные условия для проверки оборудования. Но специалисты придерживаются мнения, что абсолютная тишина не способствует спокойному состоянию организма.

   Если человек окажется в подобной комнате, то его станет преследовать чувство беспокойства. Уже через несколько минут он начнет слышать писк комара, урчание собственного живота. Достаточно всего пять минут нахождения в подобных условиях, чтобы организм перешел в состояние тревоги, беспокойства. Исследования показали, что человек не может проводить в таком помещении больше, чем 45 минут. Пусть при использовании систем не создается абсолютная тишина, поскольку играет музыка, но принцип работы системы затрагивает понятие абсолютной тишины. Ведь при использовании подобных наушников человек слышит исключительно музыку. Именно поэтому люди при использовании устройств могут почувствовать головную боль, тошноту.

4. Негативное влияние басов. При создании музыки все частоты разделяются на высокие, средние, низкие. Используемая в наушниках система предназначается для того, чтобы исключать все низкие частоты, они и представляют собой шум улицы. В системе существует риск «подавить» полезный звуковой сигнал, то есть музыку. Звуковая волна, которая создается в противофазе, насыщена низкими частотами. Как известно, они могут воздействовать на жидкость, вызывая вибрации, соответственно, могут воздействовать и на вестибулярный аппарат, который заполняется специальной жидкостью — эндолимфой. По этой причине из-за мощного баса на определённой частоте могут возникать головные боли.
5. Недостатки в конструкции также могут стать причиной возникновения головных болей. Если дуга наушников является слишком тугой, то она может стать причиной появления раздражения, головных болей. В этом заключается общая проблема накладных наушников, которая не относится именно к системе активного шумоподавления. Изделия должны удерживаться на голове, потому они не должны быть слишком слабыми, так они не будут держаться. Но они не должны быть и слишком тугими, ведь постоянное напряжение может стать причиной повышения давления. Уже через несколько часов прослушивания музыки в таких наушниках начнет болеть голова, а также может появиться ощущение тошноты.

Redmi Buds 3 Pro

Неужели все так гладко

У системы активного шумоподавления есть и свои минусы. Главный из них – такие наушники подойдут не всем. Не стоит переживать, процент тех, кому технология противопоказана, достаточно низкий. Около 3% пользователей при длительном использовании активного «шумодава» начинают жаловаться на головные боли.

Их причина – синдром непереносимости системы активного подавления шума. Он похож на морскую болезнь, когда наш мозг думает, что тело находится в покое, а вестибулярный аппарат посылает противоположные сигналы.

Так и при подавлении шума мозгу кажется, что мы в тихом месте, а органы чувств посылают несвойственные для этого сигналы.

Другим негативным фактором является увеличенное давление на барабанные перепонки, ведь помимо музыки и шума нам в ухо поступает «антишум». Это может вызывать сбои в нервной системе и приводить к головным болям.

Типы активного шумоподавления

Как уже упоминалось, существуют три типа активного шумоподавления: система без обратной связи, система с обратной связью и гибридная система (сочетание первых двух). Система ANC без обратной связи использует основной микрофон для отслеживания внешних шумов, затем преобразует их в «анти-шум» и смешивает его с воспроизводимым аудио, обеспечивая таким образом подавление шума. Данный процесс достаточно сложен, так как инверсия фазы сложных сигналов должна учитывать задержки на прохождение шумов и рассчитывать сигнал защиты от шума так, чтобы он поступал к пользователю одновременно с шумом.

Адаптивное шумоподавление основано на способности алгоритмов фильтрации выявлять различные шумовые паттерны и подстраиваться под них.

Реализация ANC с обратной связью сопряжена с некоторыми трудностями, так как разработать систему, которая будет всегда оставаться устойчивой, довольно сложно из-за необходимости подгонки под размер наушников, а также из-за тенденции контура обратной связи приводить систему к возбуждению.

Для обратной связи требуется микрофон снаружи наушников, который будет отслеживать звук, поступающий к пользователю. Сравнив звук, пришедший к пользователю, с аудио-источником, алгоритм обратной связи выявляет шум и создает защиту, которая помогает его подавить.

Система с обратной связью эффективна в основном для подавления низких частот. Причина в том, что существует вероятность подавления части полезного сигнала, которая может быть распознана как шум. Это приводит к окрашиванию или искажению оригинального сигнала.

Полезные фишки активного шумоподавления

Производители подумали, раз уж наушники оснащаются внешним микрофоном, то почему бы не предусмотреть возможность задействовать его по прямому назначению.

Некоторые модели позволяют временно отключать шумоподавление и транслировать в наушники звук «снаружи». Так можно общаться с собеседником, безопасно передвигаться или просто воспринимать информацию из окружающего мира и при этом не снимать наушники.

Другим плюсом моделей с активным подавлением шума является наличие встроенного усилителя. Именно с его помощью генерируется «антишум» для работы системы, но кроме этого усилитель способен выдавать более качественный звук.

Сравнение моделей

	Bose Noise Cancelling Headphones 700	Bose QuietComfort 35 II	Marshall Mid ANC	Sennheiser HD 450BT	Sony WH-1000XM4	Apple AirPods Pro	Bose QuietComfort Earbuds	Jabra Elite 65e	Apple AirPods Max	Master & Dynamic MW65
Тип	Полноразмерные	Полноразмерные	Накладные	Накладные	Полноразмерные	Внутриканальные	Внутриканальные	Внутриканальные	Полноразмерные	Полноразмерные
Беспроводные	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да
По настоящему беспроводные	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Нет	Нет	Нет
Тип подключения	Bluetooth, 3,5 мм	Bluetooth, 3,5 мм	Bluetooth, 3,5 мм	Bluetooth, 3,5 мм	Bluetooth	Bluetooth, Apple H1	Bluetooth	Bluetooth	Bluetooth	Bluetooth, 3,5 мм
Защита от воды и пота	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Да	Нет	Нет
Активное шумоподавление	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да

Сравнение

Краткая история ANC

Идея подавления нежелательных звуков появилась много лет назад. Таким способом часто пользуются дети, когда затыкают уши и громко напевают, не желая слушать. Конечно, это довольно простой способ создания противоположных волн, но вполне рабочий. Как известно, большинство изобретений появляются в результате наблюдения за окружающим миром, и вполне возможно, что доктору философии и медицины – Полю Люгу, который также увлекался физикой, именно по этой причине в 1933 году пришла в голову идея, которая положила начало технологии ANC. Через год ему был выдан патент, в котором описывался способ уменьшения шума с помощью противофазных волн.

Первая система ANC

Лоуренс Дж. Фогель

Однако первая система шумоподавления нашла свое практическое применение в 1950 году благодаря американскому инженеру Лоуренсу Дж. Фогелю. Он разработал устройство, основанное на идее Люга, которое позволяло пилотам самолетов общаться без помех, создаваемых шумом двигателя. Но это была не чистая разработка из патента, а скорее упрощенный прибор, способный улучшить распознавание звука. И только в 1957 году человек по имени Уиллард Микер собрал настоящий прототип звукоподавляющего устройства, который был вмонтировал в наушники.

Наушники Уилларда Микера с системой активного шумоподавления

Какие существуют типы ANC?

Существует несколько типов технологии ANC, влияющих на работу активного шумоподавления. Их можно классифицировать по количеству внешних микрофонов, используемых в конструкции:

1. Один фиксирующий внешние шумы микрофон передает сигнал в оба уха одновременно. Это самое бюджетное решение.
2. Два микрофона (по одному микрофону на канал) – наиболее распространенное решение. Отлично подходит для случаев, когда окружающий шум имеет различную природу, например монотонный звук двигателя и разговоры людей.
3. От четырех до шести микрофонов – самая продвинутая система. Каждый микрофон распознает помехи независимо друг от друга, практически полностью подавляя внешний шум.

При использовании системы ANC следует руководствоваться здравым смыслом – прогулка по многолюдному городу может привести к отсутствию реакции на автомобильные гудки и другие ситуации. С другой стороны – технология ANC является бесценной, т.к. позволяет отключать звуки извне и наслаждаться любимыми треками. Одно можно сказать наверняка – однажды ANC, всегда ANC!

Принцип работы активного шумоподавления

Мы уже описывали принцип работы активного шумоподавления, поэтому сейчас скажем лишь, что ANC наушников формирует звуковую волну в противофазе, которая в идеале полностью гасит внешние шумы. Правда, получается это далеко не всегда. Некоторые, особенно неожиданные, звуки проникают сквозь ANC из-за того, что система не успевает за внешними звуками, и «антиволна» формируется с опозданием.

В чем минусы активного шумоподавления

Большая часть пользователей воспринимает активное шумоподавление абсолютно нейтрально. Но есть и те, кто жалуется на негативные последствия работающего ANC. Правда, подавляющее большинство таких жалоб объясняется обычной психосоматикой и никак не влияет на физическое здоровье человека.

Так, чаще всего пользователи жалуются на ощущения заложенности в ушах и сопутствующую им головную боль, порой отдающую в челюсть. Это объясняется тем, что из-за подавления низкочастотных звуков мозг начинает считать, что давление вокруг вас изменилось, и сигнализирует об этом головной болью. Ничего общего с физическим состоянием организма это не имеет.

Чуть реже работающее активное шумоподавление вызывает головокружение и тошноту. Но и это объясняется все той же психосоматикой. Все дело в том, что звуки и вибрации воспринимаются не только ушами, но и глазами, и даже телом. При включенном ANC мозг не слышит ваших шагов, движущихся авто и других раздражителей, тогда как глаза их прекрасно видят. Ну а противоречивые сигналы, подаваемые разными органами чувств, могут запутать вестибулярный аппарат и вызвать головокружение и тошноту.

Наконец, сам организм человека не слишком любит полную тишину. В обычной жизни мы постоянно находимся среди всевозможных звуков. Это и легкий шум компьютера, и шелест ветра, и пение птиц, и даже собственный пульс, который мы начинаем слышать в очень тихом помещении. Ну а в специально созданных безэховых комнатах, блокирующих 99,9% шумов, ни один человек пока так и не смог выдержать больше 45 минут. Поэтому и отсечение внешних шумов с помощью ANC иногда воспринимается организмом не очень хорошо.

Комфорт при ношении: наушники должны правильно сидеть

Однако некоторым людям неестественная тишина кажется неприятной, они воспринимают ее как давление на уши. Потому что из-за закрытия уха хуже выравнивается давление, что приводит к возникновению так называемого эффекта окклюзии. Кроме того, у многих ANC-моделей слышен фоновый шум, это может мешать прослушиванию тихих музыкальных пассажей. Негативное влиять на прослушивание музыки может, например, ветер, который, когда дует в микрофоны, создает в наушниках явный шум или царапающие звуки.

А также в том случае, если вы носите капюшон или едете в автобусе, наушники с активным шумоподавлением могут вести себя не самым лучшим образом. Потому что если наушники будут чем-то прижаты, или они частично сместятся, то звук меняется, начинает дёргаться ­ чего не случается с обычными наушниками. В таких ситуациях, как правило, можно отключить систему шумоподавления. Некоторые модели также позволяют использовать ANC без необходимости включать Bluetooth на наушниках. Это может сэкономить заряд батареи, если вы просто хотите отдохнуть, или если вы подключаете наушники с помощью кабеля.

Bose QuietComfort 35 II и Sony WH-1000XM3 — самые удобные накладные наушник

Шумоподавление в наушниках: как работает и какие у него недостатки

Наушники с активным шумоподавлением (ANC) уменьшают шум от коллег, автомобилей, электроприборов и других внешних шумов, чтобы вы могли лучше слышать музыку, аудиокниги или разговоры

Здесь мы объясняем принципы работы ANC, нюансы технологии и предлагаем модели, на которые стоит обратить внимание. Ссылки можно найти в конце статьи

Активное шумоподавление поддерживают полноразмерные или накладные наушники, а также более компактные модели с наушниками-вкладышами.

Встроенный микрофон собирает окружающий шум, а специальный процессор почти мгновенно генерирует «зеркальную» звуковую волну (обратная фаза). Затем «зеркальная» волна воспроизводится вместе с музыкой из наушников.

В результате шум, проходящий через наушники, и его «инвертированная» волна-близнец подавляют друг друга. Остается только музыка. Представьте, например, что вы идете против движения на подземном эскалаторе. Когда вы двигаетесь в одном направлении, эскалатор движется в другом направлении, и скорость становится равной нулю.

В этом случае активному шумоподавлению помогает пассивное шумоподавление. Это регулируется применением наушников и вкладышей (кожаные, тканевые или силиконовые вкладыши, которые обхватывают ухо или помещаются в ушной канал).

Поскольку у наушников нет вкладышей, они могут создавать много внешних шумов, с которыми ANC не справляется. Однако они не оказывают сильного давления на уши.

Невозможно нейтрализовать 100% шума окружающей среды. Однако в сочетании с пассивной шумоизоляцией технология активного шумоподавления значительно снижает шум от разговоров с коллегами, гула подземного транспорта и автомобилей за окном.

Пассивное шумоподавление

Чтобы снизить уровень шума, нужно минимизировать количество ударов молекул воздуха по барабанной перепонке. Для этих целей существует активное и пассивное шумоподавление.

Пассивное подавление шума — это то, что подразумевает конструкция и материалы самих наушников. Например, силиконовые вкладыши вакуумных наушников или мягкие амбушюры у накладных моделей. По сути это уровень изоляции от внешнего шума, который может обеспечить устройство само по себе без учета каких-либо электронных компонентов или алгоритмов.

Пассивное шумоподавление

Проще говоря — это то, насколько хорошо наушники справляются с функцией берушей.

Такой способ заметно смягчает удары воздуха, так как молекулы уже бьют не прямо по барабанной перепонке, а по корпусу наушников. Но корпус все равно передает часть вибрации внутри — мы слышим окружающие звуки, хоть и заметно тише.

Что такое активное шумоподавление (ANC) в наушниках?

Наушники с активным шумоподавлением созданы для того, чтобы избавить человека от посторонних шумов во время прослушивания музыки, просмотра видео и разговоров через гарнитуру. Технология ANC проста и подразумевают следующую комплектацию наушников:

• Внешний (для подавления средних и высоких частот) или внутренний (для подавления низких частот) микрофон. На многих моделях присутствуют оба.
• Схема шумоподавления.
• Динамик.
• Батарея.

Микрофон на наушниках определяет внешние шумы, затем схема шумоподавления воссоздает их с перевернутой фазой (отзеркаливает). Получившийся «антишум» передается через динамик и смешивается с аудио, которое поступает через наушники. В результате пользователь перестает слышать внешние помехи.

Функция шумоподавления более распространена в накладных наушниках, так как их размер позволяет разместить внутри все технические составляющие. Внутриканальные наушники с активным шумоподавлением встречаются редко, так как микрофон для определения шумов заключен в массивный блок, который неудобно носить. Беспроводные наушники с шумоподавлением также выглядят крупнее, чем обычные.

Шумоподавляющие наушники делятся на три типа:

• Без обратной связи. Они задействуют внешний микрофон, отслеживают шумы и подавляют их.
• С обратной связью. Используют внутренний микрофон для защиты и подавления низкий частот.
• Гибридные. Используют оба микрофона для подавления шума и в широких, и в узких диапазонах.

Ранние и более бюджетные устройства используют статичные фильтры, которые подавляют звуковые помехи по одинаковой схеме без поправок на индивидуальную акустическую обстановку. Более продвинутые наушники применяют адаптивные фильтры, которые учитывают время прохождения шума, моделируют звуки, которые слышит пользователь, и отслеживают акустическую обстановку. Их главное отличие заключается в том, что они приспосабливаются к окружающим условиям.

Sony WF-1000XM4

В обновленной модели WF-1000XM4 улучшилась работа шумоподавления за счет чипа Sony V1. Также устройство стало поддерживать Hi-Res Audio с кодеком LDAC, то есть фактически несжатый звук.

Наушники поддерживают пространственное аудио и функцию Speak-to-Chat: воспроизведение ставится на паузу, когда пользователь с кем-то разговаривает. Функция Fast Pair от Google позволяет быстро подключиться к Android-смартфонам, а датчик костной проводимости улучшает передачу речи при разговоре.

ANC отлично справляет со своей задачей: заглушает шум ветра, звуки метро и оживленных улиц. В фирменном приложении можно выставить дополнительные настройки: полностью заблокировать посторонние звуки, выбрать режим для поездок в транспорте, ходьбы или бега, а также режим прозрачности. В авторежиме шумодав будет включаться в те моменты, когда уровень внешнего шума увеличивается. 

Также в приложении есть 5-полосный эквалайзер, настройки для голосового воспроизведения сообщений и жестов управления. 

«Уши» держат заряд до 8 часов с включенным ANC и до 12 часов — с выключенным, что очень неплохо. Кейс увеличит автономность до 24 или 36 часов соответственно, а заряжается он как от кабеля USB Type-C, так и от беспроводной зарядки стандарта Qi. Сами наушники, кстати, получили защиту от воды и пыли по IPX4.

Как это работает

Любой звук, и шум в том чис­ле, — это зву­ко­вые вол­ны, кото­рые рас­про­стра­ня­ют­ся в воз­ду­хе. Эта вол­на не силь­но отли­ча­ет­ся от вол­ны на поверх­но­сти пру­да — толь­ко не в воде, а в воздухе.

Из школь­но­го кур­са физи­ки вы слы­ша­ли о поня­тии интер­фе­рен­ции: если две вол­ны накла­ды­ва­ют­ся друг на дру­га, то они могут либо уси­лить друг дру­га, либо погасить.

Полу­ча­ет­ся, что в тео­рии мы можем пога­сить любой внеш­ний шум, если сме­ша­ем его с точ­но таким же шумом, толь­ко «отзер­ка­лен­ным» — по-другому гово­рят, что это звук в про­ти­во­фа­зе, с пере­вёр­ну­той фазой, инвер­ти­ро­ван­ной фазой. В общем, про­ти­во­по­лож­ный по фазе:

Две вол­ны накла­ды­ва­ют­ся друг на дру­га, «отзер­ка­лен­ный» шум интер­фе­ри­ру­ет с основ­ным, в ито­ге полу­ча­ет­ся что-то вро­де тишины:

Ана­ло­гия такая: пред­ставь­те, что вы идё­те наверх по эска­ла­то­ру, кото­рый дви­жет­ся вниз. Если идти точ­но с такой же ско­ро­стью, то полу­чит­ся, что вы сто­и­те на месте. Со зву­ком то же самое: когда встре­ча­ют­ся две вол­ны, одна из кото­рых в про­ти­во­фа­зе (отзер­ка­лен­ная), то они ком­пен­си­ру­ют друг друга.

Наушники для сна от шума — беруши

Наушники для сна от шума беруши очень часто применяются в качестве материала, изолирующего от внешних звуков. Обычно они мягкие и приятные на ощупь. Некоторые модели могут не только подавлять внешний шум, но и воспроизводить музыку, ведь пользователям таких наушников часто хочется не только отключиться от реальности, но и послушать перед сном приятную мелодию. Внешне они могут выглядеть как обычная повязка или отдельные чашки с мягкими вкладышами.

Альтернативой такому решению являются классические беруши. Они предназначены для поглощения шума благодаря вставке в слуховые проходы ушей. Также происходит механическая защита слухового прохода от попадания воды и повреждений. Они способны подавить низкочастотным шум на 20-40 дБ.

Что можно и чего нельзя сделать с помощью активного шумоподавления

Если вы не пользовались наушниками ANC в прошлом, вам необходимо понять следующее Активное шумоподавление снижает интенсивность окружающего шума, но не устраняет его полностью и не очень эффективно для устранения шума, особенно нерегулярного. Это не похоже на вход в звуконепроницаемую камеру каждый раз, когда вы надеваете наушники ANC. Это похоже на использование высокоэффективных берушей.

Как работает активное шумоподавление (ANC) в наушниках

Это означает, что большинство наушников ANC по доступной цене могут очень хорошо заглушить гул самолета или поезда. То же самое относится и к шуму от мощных кондиционеров и вентиляторов. Но это стабильные, относительно неизменные шумы — схема легко подавляет менее изменчивые низкие и средние частоты. Но такие шумы, как музыка, разговоры, бегущие собаки — они гораздо сложнее. То есть, сложнее, чем непрекращающийся гул — они создают проблемы АНК. Лучшее шумоподавление устраняет некоторые из этих звуков, но вы все равно слышите некоторые из них.