Jak działa redukcja szumów w słuchawkach i dlaczego nie oszczędza wszystkich dźwięków zewnętrznych

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 04:07

Bezwzględna fizyka uniemożliwia systemom redukcji szumów tworzenie idealnej ciszy.

W 2020 roku, w związku z przejściem na telepracę, wiele osób potrzebowało słuchawek do komunikowania się ze współpracownikami podczas konferencji online i dystansowania się od domowników. Szczególną popularność zyskały gadżety z redukcją szumów: pomogły lepiej skupić się na pracy dzięki temu, że obniżyły poziom hałasu zewnętrznego.

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

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

Jak działa aktywna redukcja szumów

Technologia aktywnej redukcji hałasu przeniosła się z wojska na sprzęt AGD: już w połowie XX wieku takie systemy były wykorzystywane do zmniejszania poziomu hałasu w kokpitach samolotów i śmigłowców. Pierwsze nauszne słuchawki z aktywną redukcją szumów zostały stworzone dla helikopterów w 1957 roku.

Do użytku domowego technologię zaadaptowała firma Bose – to właśnie jej słuchawki stały się pionierami w dziedzinie redukcji szumów na rynku elektroniki użytkowej w 1989 roku.

Zasada działania jest następująca: system mikrofonów wykrywa poziom hałasu wokół słuchawek, a następnie w głośnikach odtwarzany jest sygnał o tej samej amplitudzie, ale w przeciwfazie. W rezultacie fale szumowe i przeciwhałasowe wzajemnie się tłumią. Oczywiście, aby powstała fala antyfazowa, słuchawki muszą być podłączone do jakiegoś źródła zasilania, dlatego taki układ nazywa się aktywnym.

Wdrożenie go w praktyce nie jest tak proste, jak się wydaje. Chodzi o samą naturę dźwięku. Generowanie sygnału w przeciwfazie to trudne zadanie: należy je wykonać szybko i dokładnie. Szybko, bo hałas może się zmieniać, np. w kawiarni albo filiżanki pukają o spodki, albo ktoś gratuluje urodzin, czyli kapryśne tło dźwiękowe i trzeba się do tego dostosować. Właśnie dlatego, że odchylenie między fazą a antyfazą może prowadzić do nieprzyjemnych zniekształceń.

Właśnie dlatego aktywna redukcja szumów najlepiej radzi sobie z monotonnymi dźwiękami o niskiej częstotliwości, takimi jak szum silników lotniczych lub szum wentylacji. Mają mniej więcej stałą amplitudę, a długość fali przy niskich częstotliwościach jest dość duża i wybacza pewną rozbieżność sygnału w fazie i przeciwfazie. W przypadku kawiarni podstawę szumu tworzą dźwięki o średniej i wysokiej częstotliwości, dla których długość fali jest znacznie krótsza, a amplituda zmienia się gwałtowniej - mają one większe wymagania co do sygnału antyfazowego.

Nowoczesne systemy aktywnej redukcji szumów nie mają jeszcze wystarczającej mocy obliczeniowej, aby wyciszyć 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. Można powiedzieć, że jest to dźwiękoszczelne: zakładasz słuchawki - i wszystko wokół staje się stłumione. Nie wymaga prądu i zależy tylko od tego, jak ciasno przylega do uszu i głowy. Jeśli jest jakaś przerwa, słychać będzie hałas.

Dlatego słuchawki douszne są dostarczane z kilkoma parami nauszników, różniącymi się wielkością: uszy każdego są inne, a czasami nie jest łatwo znaleźć idealne nauszniki. Jeśli nie będą siedzieć zbyt mocno, gadżet nie zapewni odpowiedniego poziomu izolacji akustycznej.

Ale idealnie dopasowane dysze skutecznie tłumią dokładnie ten hałas, z którym aktywna redukcja szumów nie radzi sobie: średnie i wysokie częstotliwości, ostre, nagłe dźwięki. Bo ten obwód nie polega na szybkości elektroniki, a po prostu tłumi wszystko dookoła, choć nie do całkowitej ciszy.

W pełnowymiarowych słuchawkach z dużymi miseczkami istotną rolę odgrywa także pasywna redukcja szumów. Im mocniej nauszniki są dociśnięte do głowy, tym mniej hałasu słyszysz i mniej osób znajdujących się w pobliżu będzie wiedziało o Twojej muzyce. Ale jeśli możesz zmienić nieodpowiednie nasadki do słuchawek dousznych, to nic nie da się zrobić z pełnowymiarowymi, które nie pasują do głowy.

A jednak idealnej ciszy takim gadżetem nie da się osiągnąć. Powód znowu tkwi w naturze dźwięku i materiałach. Dźwięk rozchodzi się wszędzie tam, gdzie jest medium. Fizyczne przeszkody mogą mu zapobiec, więc możesz po prostu zakryć uszy rękami i zagłuszyć otaczający go świat.

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

Pamiętasz duże słuchawki konstrukcyjne noszone w celu ochrony przed ostrymi dźwiękami, takimi 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 tępy.

Aby uzyskać maksymalną izolację dźwięku w tych słuchawkach, musisz dodać więcej materiału pochłaniającego, co sprawi, że będą one 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 zachować równowagę między komfortem użytkowania a wydajnością oferowanych funkcji.

Co wpływa na jakość redukcji hałasu

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

Możesz rzucić okiem na cechy. Na przykład im więcej mikrofonów pracuje w systemie redukcji szumów, tym dokładniej odczytywany będzie poziom szumu otoczenia i tym dokładniej będzie budowany sygnał przeciwfazy. Im mocniejszy i nowocześniejszy procesor, tym szybciej system zareaguje 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 systemy, oprócz mikrofonów nasłuchujących hałas na zewnątrz urządzenia, posiadają również mikrofony wychwytujące hałas wewnątrz.

Podczas kalibracji słuchawki odtwarzają sygnały testowe, a te same wewnętrzne mikrofony odczytują odpowiedź. Na podstawie wyników kalibracji algorytm redukcji szumów koryguje swoją pracę: jest teraz dostosowany do geometrii konkretnych 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 poduszki nauszne, które przylegają do krzywizn głowy, zapewniając maksymalną izolację dźwięku.

Jak nie dać się nabrać na sztuczki marketerów

Problem ze słuchawkami z redukcją szumów polega na tym, że firmy kłamią: w reklamach, gdy wyciszanie jest włączone, imprezę zastępuje dzwoniąca cisza, miejsce łomoczących kół pociągu zajmują spokojne alpejskie łąki, a dziecko krzyczy w następne siedzenie rozpływa się we mgle.

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

W rezultacie użytkownicy, licząc na ciszę, schodzą w takich słuchawkach w metrze, włączają wyciszanie szumów… Znika wycie wiatru w tunelu, ale studenci, którzy mówią o przejściu sesji z udręką Stanisławskiego, nie. I słychać, jak ktoś w pobliżu kaszle. Nudne, ale wciąż słyszalne.

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

Jednocześnie w materiałach marketingowych programiści bardzo lubią chwalić się tym, że ich system zapewnia redukcję hałasu np. 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 są pewne liczby, ale nie jest jasne, jak porównać je z rzeczywistością.

Kolejną sztuczką jest zastępowanie pojęć. Zdarza się, że w opisie słuchawek redukcja szumów to system, który tłumi hałas podczas transmisji głosu podczas połączeń. Oznacza to, że twój rozmówca słyszy cię wyraźniej. Ale nie wpływa to na tłumienie zewnętrznych hałasów podczas słuchania muzyki.

Jaki jest wynik końcowy?

Technologia redukcji szumów w postaci, w jakiej prezentują ją działy reklamy producentów słuchawek, nie istnieje. Co więcej, 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 pasować tak ciasno, a algorytm będzie nieskuteczny. Więc wszystko trzeba przymierzyć.

Modele z aktywną redukcją hałasu są odpowiednie dla osób, które dużo podróżują w transporcie: w autobusach, pociągach i samolotach. Główną cechą takich słuchawek jest możliwość wytłumienia monotonnego buczenia o niskiej częstotliwości i to właśnie on najczęściej towarzyszy w wycieczkach. 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 gospodarstw domowych, powinni zwrócić szczególną uwagę na dopasowanie słuchawek i poszukać modeli, które jak najbliżej przylegają do głowy lub przewodu słuchowego. Te słuchawki redukują poziom hałasu wokół, w tym głosów. Ale nie można ich wybrać zgodnie z radą: trzeba je przymierzyć.

Jeśli natkniesz się na model, który jest ciasno dopasowany i wyposażony w aktywną redukcję hałasu, możesz się cieszyć: otrzymujesz to, co najlepsze z obu światów. Ale nadal nie możesz osiągnąć idealnej ciszy.